高二物理課件 19.7 《核聚變》 19.8 粒子和宇宙 （人教選修3-5）

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歡迎進入物理課堂 一 核聚變的發(fā)生條件 特點及其與核裂變的比較 1 從比結合能的圖線看 輕核聚變后比結合能增加 因此聚變反應是一個放能反應 例如21H 31H10n 42He 17 6MeV2 聚變發(fā)生的條件 要使輕核聚變 必須使輕核接近核力發(fā)生作用的距離10 15m 這要克服電荷間強大的斥力作用 要求使輕核具有足夠大的動能 要使原子核具有足夠大的動能 就要給它們加熱 使物質達到幾百萬開爾文的高溫 4 應用 1 核武器 氫彈 2 可控熱核反應 目前處于探索階段 常見的聚變反應 21H 21H31H 11H 4MeV 21H 31H42He 10n 17 6MeV 在這兩個反應中 前一反應的材料是氘 后一反應的材料是氘和氚 而氚又是前一反應的產物 所以氘是實現這兩個反應的原始材料 而氘是重水的組成部分 在覆蓋地球表面三分之二的海水中是取之不盡的 從這個意義上講 輕核聚變是能源危機的終結者 典例1 2011 長沙高二檢測 太陽的能量來自下面的反應 四個質子 氫核 聚變成一個 粒子 同時發(fā)射兩個正電子 若太陽輻射能量的總功率為P 質子11H 氦核42He 正電子01e的質量分別為mp m me 真空中的光速為c 求 1 寫出核反應方程 2 核反應所釋放的能量 E 3 1s內參與上述熱核反應的質子數目 解題指導 解答該題應關注以下幾點 標準解答 1 根據質量數守恒和電荷數守恒 可得核反應方程為411H42He 201e 2 質量虧損 m 4mp m 2me 根據愛因斯坦質能方程 E mc2 核反應釋放的能量 E 4mp m 2me c2 3 設單位時間內參與熱核反應的質子數為N 依據能量關系答案 1 411H42He 201e 2 4mp m 2me c2 3 規(guī)律方法 輕核聚變釋放核能的計算方法 1 根據質量虧損計算根據愛因斯坦質能方程 用核子結合成原子核時質量虧損 m 的千克數乘以真空中的光速 c 3 108m s 的平方 即 E mc2 2 根據1原子質量單位 u 相當于931 5MeV能量 用核子結合成原子核時質量虧損的原子質量單位數乘以931 5MeV 即 E m 931 5MeV 注意 式 中 m的單位為kg 式 中 m的單位是u E的單位是MeV 變式訓練 一個質子和兩個中子聚變?yōu)橐粋€氚核 已知質子質量mH 1 0073u 中子質量mn 1 0087u 氚核質量m 3 0180u 1 寫出聚變方程 2 求釋放出的核能多大 3 求平均每個核子釋放的能量是多大 解析 1 聚變方程11H 210n31H 2 質量虧損 m mH 2mn m 1 0073 2 1 0087 3 0180 u 0 0067u 釋放的核能 E mc2 0 0067 931 5MeV 6 24MeV 3 平均每個核子放出的能量為MeV 2 08MeV 答案 1 11H 210n31H 2 6 24MeV 3 2 08MeV 變式備選 我國自行設計 研制的 人造太陽 裝置 全超導非圓截面核聚變實驗裝置 EAST 成為世界上第一個同時具有全超導磁體和主動冷卻結構的核聚變實驗裝置 它的建成使我國邁入磁約束核聚變領域先進國家行列 下列關于 人造太陽 的說法正確的是 A 人造太陽 的核反應方程是23592U 10n14156Ba 9236Kr 310nB 人造太陽 的核反應方程是21H 31H42He 10nC 人造太陽 核能大小的計算公式是E mc2D 人造太陽 釋放的能量大小的計算公式是 E mc2 解析 選B D 人造太陽 內進行的是核聚變反應 故A錯誤 B正確 核反應放出的能量應由愛因斯坦質能方程計算 C錯誤 D正確 二 對粒子的認識 3 夸克模型 1 夸克的提出1964年美國物理學家蓋爾曼提出了強子的夸克模型 認為強子是由夸克構成的 2 夸克的種類上夸克 u 下夸克 d 奇異夸克 s 粲夸克 c 底夸克 b 和頂夸克 t 3 夸克所帶電荷夸克所帶的電荷量是分數電荷量 即其電荷量為元電荷的例如上夸克帶的電荷量為 2e 3 下夸克帶的電荷量為 e 3 粒子具有對稱性 有一個粒子 必存在一個反粒子 所以每種夸克都有對應的反夸克 典例2 目前普遍認為 質子和中子都是由被稱為u夸克和d夸克的兩類夸克組成的 u夸克帶電荷量為d夸克的帶電荷量為e為元電荷 下列論斷中可能正確的是 A 質子由1個u夸克和2個d夸克組成 中子由1個u夸克和2個d夸克組成B 質子由2個u夸克和1個d夸克組成 中子由1個u夸克和2個d夸克組成C 質子由1個u夸克和2個d夸克組成 中子由2個u夸克和1個d夸克組成D 質子由2個u夸克和1個d夸克組成 中子由2個u夸克和1個d夸克組成 解題指導 題目中給出的信息是u夸克與d夸克的帶電荷量 據質子11H帶一個元電荷的電荷量及中子10n不帶電進行判斷 標準解答 選B 根據質子和中子所帶電荷量 經驗證 質子11H帶電荷量為中子10n帶電荷量為故B正確 變式訓練 已知 介子 介子都是由一個夸克 夸克u或夸克d 和一個反夸克 反夸克或反夸克 組成的 它們的帶電荷量如下表所示 表中e為元電荷 下列說法正確的是 A 由u和組成B 由d和組成C 由u和組成D 由d和組成 解析 選A D 因 介子帶有 e的電荷量 且是由一個夸克和一個反夸克組成的 則夸克u帶和反夸克帶 e合成電荷量為e 那么 介子就是由夸克u和反夸克組成的 同理 介子由夸克d和反夸克組成 所以A D正確 典例 2011 聊城高二檢測 兩個動能均為1MeV的氘核發(fā)生正面碰撞 引起如下反應 21H 21H31H 11H 已知 氘核的質量為2 0136u 氚核的質量為3 0156u 氫核的質量為1 0073u 1原子質量單位 u 相當于931 5MeV 試求 1 此核反應中放出的能量 E為多少MeV 2 若放出的能量全部變?yōu)樾律说膭幽?則新生的氫核所具有的動能為多少MeV 解題指導 解答本題應把握以下關鍵點 1 應用質能方程求核反應釋放的能量 2 氘核碰撞過程動量守恒 3 反應過程中能量守恒 氘核初動能與反應放出的能量之和等于新生核的動能 標準解答 1 由質能方程 核反應中放出的能量為 E mc2 2 2 0136u 3 0156u 1 0073u 3 108m s 2 4 005MeV 2 相互作用過程中動量守恒p1 p2新生的氚核的動能 新生的氫核的動能 由能量守恒得 代入數據得新生的氫核的動能 4 5MeV 一 選擇題1 2011 昆明高二檢測 一個氘核 21H 與一個氚核 31H 發(fā)生聚變 產生一個中子和一個新核 并出現質量虧損 聚變過程中 A 吸收能量 生成的新核是42HeB 放出能量 生成的新核是42HeC 吸收能量 生成的新核是32HeD 放出能量 生成的新核是32He 解析 選B 聚變過程中存在質量虧損 應放出能量 由核反應21H 31H10n 42He 可知新核為42He B對 2 關于輕核聚變釋放核能 下列說法正確的是 A 一次聚變反應一定比一次裂變反應釋放的能量多B 聚變反應比裂變反應每個核子釋放的平均能量一定大C 聚變反應中粒子的比結合能變小D 聚變反應中由于形成質量較大的核 故反應后質量變大 解析 選B 在一次聚變反應中釋放的能量不一定比裂變反應多 但平均每個核子釋放的能量一定大 故A錯誤 B正確 由于聚變反應中釋放出巨大能量 則比結合能一定增加 質量發(fā)生虧損 故C D錯誤 3 2011 宣武區(qū)高二檢測 太陽內部持續(xù)不斷地發(fā)生著4個質子 11H 聚變?yōu)?個氦核 42He 的熱核反應 核反應方程是411H42He 2X 這個核反應釋放出大量核能 已知質子 氦核 X的質量分別為m1 m2 m3 真空中的光速為c 下列說法中正確的是 A 方程中的X表示中子 10n B 方程中的X表示電子 0 1e C 這個核反應中質量虧損 m 4m1 m2D 這個核反應中釋放的核能 E 4m1 m2 2m3 c2 解析 選D 由質量數守恒和核電荷數守恒知 X為0 1e A B均錯 該反應中質量虧損 m 4m1 m2 2m3 C錯 E mc2 4m1 m2 2m3 c2 D對 4 2011 吉水高二檢測 核聚變能是一種具有經濟性能優(yōu)越 安全可靠 無環(huán)境污染等優(yōu)勢的新能源 近年來 受控核聚變的科學可行性已得到驗證 目前正在突破關鍵技術 最終將建成商用核聚變電站 一種常見的核聚變反應是由氫的同位素氘 又叫重氫 和氚 又叫超重氫 聚合成氦 并釋放一個中子 若已知氘原子的質量為2 0141u 氚原子的質量為3 0160u 氦原子的質量為4 0026u 中子的質量為1 0087u 1u 1 66 10 27kg 則這個核反應釋放出來的能量為 光速c 3 00 108m s 1u相當于931 5MeV A 2 8 10 10JB 2 8 10 12JC 1 75MeVD 17 5MeV 解析 選B D 核反應釋放出來的能量 E mc2 m m氘 m氚 mHe mn 0 0188u 由計算得 E 2 8 10 12J 17 5MeV 故B D正確 5 下列關于聚變的說法中 正確的是 A 要使聚變產生 必須克服庫侖斥力做功B 輕核聚變需要幾百萬攝氏度的高溫 因此聚變又叫做熱核反應C 原子彈爆炸能產生幾百萬攝氏度的高溫 所以氫彈利用原子彈引發(fā)熱核反應D 太陽和許多恒星內部都在激烈地進行著熱核反應 解析 選A B C D 輕核聚變時 要使輕核之間距離達到10 15m以內 所以必須克服庫侖斥力做功 A正確 原子核必須有足夠的動能 才能使它們接近到核力能發(fā)生作用的范圍 實驗證實 原子核必須處在幾百萬攝氏度的高溫下才有這樣的能量 這樣高的溫度通常利用原子彈爆炸獲得 故B C正確 在太陽和其他恒星內部都存在著熱核反應 D正確 6 下列所述正確的是 A 原子是組成物質的不可再分的最小微粒B 原子是最大微粒C 原子由原子核和核外電子構成 質子和中子組成了原子核D 質子 中子本身也是復合粒子 它們也有著自己復雜的結構 解析 選C D 原子由原子核和核外電子構成 是可分的 比原子大的微粒還有分子 質子和中子組成原子核 質子 中子本身也是復合粒子 由此可知 質子 中子不是構成物質的最小微粒 故A B錯誤 C D選項正確 7 關于聚變 以下說法正確的是 A 兩個氘核可以聚變成一個中等質量的原子核 同時釋放出能量B 同樣質量的物質發(fā)生聚變時放出的能量比同樣質量的物質裂變時釋放的能量大得多C 聚變反應的條件是聚變物質的體積達到臨界體積D 發(fā)生聚變反應時的原子核必須有足夠大的動能 解析 選B D 兩個輕核聚合為較大質量的原子核就可釋放能量 但兩個氘核的生成物不是中等質量的核 仍然是輕核 故A錯誤 聚變反應放出的能量比同樣質量的物質裂變時釋放的能量大得多 這點由聚變反應的特點就可以知道 故B正確 裂變反應的條件是裂變物質的體積達到臨界體積 而聚變反應的條件是原子核間距達到10 15m以內 故要求有足夠大的動能克服原子核間的斥力做功 故C錯 D正確 8 根據宇宙大爆炸的理論 在宇宙形成之初是 粒子家族 盡顯風采的時期 那么在大爆炸之后最早產生的粒子是 A 夸克 輕子 膠子等粒子B 質子和中子等強子C 光子 中微子和電子等輕子D 氫核 氘核 氦核等輕核 解析 選A 宇宙形成之初產生了夸克 輕子和膠子等粒子 之后又經歷了質子和中子等強子時代 再之后是自由光子 中微子 電子大量存在的輕子時代 再之后是中子和質子組合成氘核 并形成氦核的核時代 之后電子和質子復合成氫原子 最后形成恒星和星系 因此A正確 B C D錯 二 非選擇題9 我國在核聚變研究領域處于世界先進行列 在實驗中觀察到有下列4種核反應 21H 21H32He 10n 3 25MeV 21H 21H31H 11H 4 00MeV 21H 31H42He 10n 17 5MeV 21H 32He42He 11H 18 3MeV 已知在實際發(fā)生核聚變時 上述4種反應的概率相同 其原料直接或間接都是氘核 而氘核在地球上的儲量非常豐富 每升海水中大約有0 030g氘 那么1L海水中的氘全部發(fā)生聚變釋放的總能量為多少 NA取6 02 1023 mol 解析 由于發(fā)生4種反應的概率相同 將4個核反應相加得總反應為621H242He 210n 211H 43 05MeV1mol氘全部聚變釋放的能量為每升海水中所含的氘為0 030g 釋放的總能量應為答案 1 04 1010J 10 已知氘核的質量為2 0136u 中子的質量為1 0087u 32He的質量為3 0150u 1 試寫出兩個氘核聚變生成32He的核反應方程 2 計算上述反應中釋放的核能 3 若兩個氘核以相等的動能0 35MeV做對心碰撞即可發(fā)生上述核反應 且釋放的核能全部轉化為機械能 則反應中生成32He核和中子的動能各是多少 解析 1 21H 21H32He 10n 2 核反應中質量虧損 m 2 0136u 2 3 0150u 1 0087u 0 0035u釋放的核能 E mc2 0 0035 931 5MeV 3 26MeV 3 設32He核和中子的質量分別為m1 m2 速度分別為v1 v2 則由動量守恒定律及能量守恒定律得 m1v1 m2v2 0 Ek1 Ek2 2Ek0 E解得 Ek1 2Ek0 E 2 0 35 3 26 MeV 0 99MeVEk2 2Ek0 E 2 0 35 3 26 MeV 2 97MeV 答案 1 21H 21H32He 10n 2 3 26MeV 3 0 99MeV2 97MeV 方法技巧 核反應中的能量守恒問題本題容易出錯的地方是列能量守恒定律式時 漏掉碰前兩個氘核的動能 原因是對能量轉化和轉移的途徑沒有搞清楚 碰前兩個氘核的動能應轉移到新生核的動能上 而不是憑空消失 Thankyou 同學們 來學校和回家的路上要注意安全 同學們 來學校和回家的路上要注意安全