2020-2021高中物理3-5配套学案：第十九章 第七节核聚变 第八节粒子和宇宙含解析

2020-2021学年高中物理人教版选修3-5配套学案：第十九章第七节核聚变第八节粒子和
宇宙含解析
第七节核聚变第八节粒子和宇宙【素养目标定位】
※知道聚变反应的特点
※能写出聚变方程并计算聚变能量
※了解可控热核反应
※知道粒子的分类及其作用
※了解宇宙起源的大爆炸说及恒星的演化【素养思维脉络】
课前预习反馈
教材梳理·夯基固本·落实新知知识点1核聚变
1．定义
轻核结合成__质量较大__的原子核的反应叫聚变。

例如错误!H＋错误!H―→错误!He＋错误!n
2．聚变发生的条件
要使轻核发生聚变，必须使它们的距离达到__10－15__m以内，核力才能起作用.由于原子核都带正电，要使它们接近到这种程度，必须克服巨大的__库仑斥力__,这就要求原子核具有足够的动能,有一种方法就是把它们加热到很高的温度，温度高达__几百万__开尔文，因此聚变又叫__热核反应__。

3．应用
目前,热核反应主要用在核武器上,那就是__氢弹__，需要用__原子弹__爆炸产生的高温高压引发核爆炸。

4．太阳能
太阳的主要成分是__氢__，太阳中心温度可达1。

5×107K，在此高温下，氢核聚变成氦核的反应不停地进行着,太阳能就来自于太阳内部__聚变__释放的核能.
知识点2受控热核反应
1．聚变与裂变相比有很多优点
(1）轻核聚变产能__效率高__；
（2）地球上聚变燃料的储量__丰富__；
(3）轻核聚变更为__安全、清洁__。

2．聚变的难点
地球上没有任何容器能够经受热核反应的高温.
3．控制方法
(1)磁约束：利用磁场约束参加反应的物质，目前最好的一种磁约束装置是__环流器__.
(2）惯性约束：聚变物质因自身的惯性,在极短时间内来不及扩散就完成了核反应,在惯性约束下，用__激光__从各个方向照射反应物，使它们“挤”在一起发生反应。

知识点3“基本粒子”不基本
1．“基本"粒子
19世纪末,许多人认为光子、电子、__质子__和__中子__是组成物质的不可再分的最基本粒子。

2．发现新粒子
（1)从20世纪起科学家陆续发现了400多种不同种类的新粒子，它们不是由__质子__、__中子__、__电子__组成。

（2）科学家进一步发现质子、中子等本身也是复合粒子，且还有着__复杂__的结构.
3．探测工具
粒子__加速器__和粒子__探测器__是研究粒子物理的主要工具。

知识点4发现新粒子
1．新粒子
1932年发现了__正电子__，1937年发现了__μ子__,1947年发现了K介子和π介子及以后的超子等.
2．粒子的分类
按照粒子与各种相互作用的关系，可将粒子分为三大类：__强子__、__轻子__和__媒介子__。

知识点5夸克模型
组成强子的粒子有六种夸克，分为上夸克和下夸克、奇夸克、粲夸克、底夸克、顶夸克，所带电荷分别为元电荷的__±错误!__或__±错误!__，每种夸克都有对应的反夸克，夸克不能以自由的状态单个出现.
知识点6宇宙与恒量的演化
1．宇宙的演化
经历了①__强子__时代②__轻子__时代③__核合成__时代④10万年之后,随着温度降低逐步组成__恒星__和星系。

2．恒星的演化
宇宙尘埃错误!__星云团__错误!恒星⇒错误!
思考辨析
『判一判』
(1）核聚变时吸收能量。

(×)
（2)核聚变平均每个核子放出的能量，比裂变反应中平均每个核子放出的能量大。

(√)
（3）实现核聚变的难点是地球上没有任何容器能够经受如此高的温度。

（√)
(4)质子、中子不能再分。

(×)
(5）夸克的带电量是电子电荷的整数倍。

(×)
(6）太阳目前正处于氢通过热核反应成为氦,以电磁波的形式向外辐射核能.(√)
『选一选』
（多选)我国科学家研制“两弹”所涉及的基本核反应有：
(1）错误!U＋错误!n→错误!Sr＋错误!Xe＋k错误!n
(2)错误!H＋错误!H→错误!He＋d错误!n
关于这两个方程，下列说法正确的是（BC）
A．方程(1)属于α衰变
B．方程(2)属于轻核聚变
C．方程（1)中k＝10，方程（2）中d＝1
D．方程(1)中k＝6，方程(2)中d＝1
解析：方程（1）属于重核裂变，方程(2）属于轻核聚变，选项A错误而B正确;由质量数和电荷数守恒得，k＝10，d＝1，选项C 正确而D错误。

『想一想』
万物生长靠太阳(如图),太阳在我们日常生活中是不可替代的，它提供给地球足够的能源，如果说太阳一旦没有了，那么地球上的一切生物都将随之消失.
你知道太阳的能量来源吗？
答：来源于太阳内部的核聚变反应
课内互动探究
细研深究·破疑解难·萃取精华探究
轻核的聚变
┃┃思考讨论1__■
如图为氢弹原理示意图。

(1)核聚变需要满足什么条件？
(2）为什么要用原子弹才能引爆氢弹？
提示：(1)要使轻核聚变，必须使轻核接近核力发生作用的距离10－15 m。

(2)它利用弹体内的原子弹爆炸产生的高温高压引发热核聚变爆炸。

┃┃归纳总结__■
1．轻核聚变是放能反应
从比结合能的图线看，轻核聚变后比结合能增加，因此聚变反应是一个放能反应.
2．聚变发生的条件
要使轻核聚变，就必须使轻核接近核力发生作用的距离10－15 m，但是原子核是带正电的，要使它们接近10－15 m就必须克服很大的库仑斥力作用,这就要求原子核应具有足够的动能。

方法是给
原子核加热，使其达到几百万度的高温。

3．核聚变的特点
（1)在消耗相同质量的核燃料时,轻核聚变比重核裂变释放更多的能量。

（2）热核反应一旦发生，就不再需要外界给它能量,靠自身产生的热就可以使反应进行下去.
（3）普遍性：热核反应在宇宙中时时刻刻地进行着，太阳就是一个巨大的热核反应堆。

4．核聚变的应用
（1)核武器——氢弹:一种不需要人工控制的轻核聚变反应装置。

它利用弹体内的原子弹爆炸产生的高温高压引发热核聚变爆炸。

（2)可控热核反应：目前处于探索阶段。

┃┃典例剖析__■
典例1太阳现在正处于主序星演化阶段，它主要是由电子和质子、氦核等组成，维持太阳辐射的是它内部的核聚变反应，核反应为两个电子与四个质子聚变为氦。

已知太阳的质量为2×1030 kg，太阳向周围空间辐射能量的总功率为3.8×1026 W.
（1）写出上述聚变反应的方程；
(2)已知质子质量m p＝1.67×10－27 kg，氦核质量mα＝6。

645 8×10－27 kg，电子质量m e＝9。

0×10－31 kg，光速c＝3。

0×108 m/s，求每发生一次上述核反应所释放的能量。

（3）根据题目中数据计算太阳1秒钟减少的质量。

太阳还能
用多少年？
解题指导：（1)聚变的核反应方程遵循质量数守恒和电荷数守恒.
（2）核能计算的关键是求出核反应中的质量亏损，然后根据受因斯坦质能方程求解。

（3)由m＝tΔm求时间。

解析：(1）根据聚变反应满足质量数、电荷数守恒得核反应方程为2错误!e＋4错误!H―→错误!He
（2)反应中的质量亏损
Δm＝2m e＋4m p－mα＝(2×9。

0×10－31＋4×1。

67×10－27－6。

6458×10－27) kg＝3。

6×10－29 kg
由爱因斯坦质能方程可知核反应释放的能量ΔE＝Δmc2＝3。

6×10－29×（3.0×108)2 J＝3.24×10－12 J
(3）太阳每秒释放的能量为3.8×1026 J，则太阳每秒减少的质量Δm＝错误!＝错误!kg＝4.2×109 kg
太阳还能用t＝错误!＝错误!s＝4。

76×1020 s
＝1.5×1013年
答案：(1）20，－1e＋4错误!H―→错误!He（2）3。

24×10－12 J
(3)4。

2×109 kg1。

5×1013年
┃┃对点训练__■
1．（2020·广东省佛山一中、顺德一中、石门中学高二下学期期末)太阳内部有多种热核反应，其中的一个反应方程是：错误!H＋错误!H→错误!He＋x，若已知错误!H的质量为m1,错误!H的质量为m2,
4
2He的质量为m3，x的质量为m4，则下列说法中正确的是(C) A．x是质子
B．x是电子
C．这个反应释放的核能为ΔE＝(m1＋m2－m3－m4）c2
D．错误!H和错误!H在常温下就能够发生聚变
解析：根据核反应方程质量数和核电荷数守恒，可知x的电荷数是0,质量数是1，所以x是中子,故AB错误;由质能方程可知，这个反应释放的核能为ΔE＝（m1＋m2－m3－m4）c2；21H和错误!H 只有在极高温度下才能够发生聚变反应，故D错误。

探究
新粒子的发现和夸克模型
┃┃思考讨论2__■
如图所示为粒子发展示意图.
(1)为什么现在将“基本”二字去掉，统称为粒子？
(2)为什么说夸克模型是物理学发展中的一个重大突破？
提示:（1）随着科学的发展，科学家们发现了很多的新粒子都不是由质子、中子、电子组成的，又发现质子、中子等本身也有自己的复杂结构。

所以现在将“基本”二字去掉，统称为粒子。

(2)夸克模型的提出是物理学发展中的一个重大突破,它指出电
子电荷不再是电荷的最小单元，即存在分数电荷。

┃┃归纳总结__■
1．发现新粒子
按照粒子与各种相互作用的关系，可以将粒子分为三大类：强子、轻子和媒介子.
2．粒子的分类
媒介子传递各种相互
作用
光子、中间玻色子、
胶子
光子、中间玻色子、胶
子分别传递电磁、弱、
强相互作用
3。

夸克模型
(1)夸克的提出
1964年美国物理学家盖尔曼提出了强子的夸克模型，认为强子是由夸克构成的。

（2)夸克的种类
上夸克（u) 、下夸克（d)、奇夸克（s)、粲夸克（c）、底夸克（b）和顶夸克（t）。

（3）夸克所带电荷
夸克所带的电荷量是分数电荷量，即其电荷量为元电荷的±错误!或±错误!。

例如上夸克带的电荷量为＋2e/3,下夸克带的电荷量为－e/3。

特别提醒
粒子具有对称性，有一个粒子，必存在一个反粒子,所以每种夸克都有对应的反夸克。

┃┃典例剖析__■
典例2在β衰变中常伴有一种称为“中微子”的粒子放出。

中微子的性质十分特别，因此在实验中很难探测.1953年，莱尼斯和柯文建造了一个由大水槽和探测器组成的实验系统,利用中微子与水中11H的核反应，间接地证实了中微子的存在。

(1）中微子与水中的错误!H发生核反应，产生中子(错误!n)和正电
子(错误!e），即：中微子＋错误!H→错误!n＋错误!e
可以判定，中微子的质量数和电荷数分别是__A__。

（填写选项前的字母）
A．0和0B．0和1
C．1和0 D．1和1
（2）上述核反应产生的正电子与水中的电子相遇，与电子形成几乎静止的整体后，可以转变为两个光子(γ）,即错误!e＋错误!e→2γ已知正电子和电子的质量都为9。

1×10－31 kg，反应中产生的每个光子的能量约为__8。

2×10－14__J.正电子与电子相遇不可能只转变为一个光子,原因是__此过程遵循动量守恒定律__。

解题指导：（1)由核反应过程质量数和电荷数守恒判断.
（2）根据E＝Δmc2和动量守恒求解。

解析：(1）发生核反应前后，粒子的质量数和电荷数均不变，据此可知中微子的质量数和电荷数都是0，A项正确。

（2)产生的能量是由于质量亏损。

两个电子转变为两个光子之后，质量变为零，则E＝Δmc2,故一个光子的能量为错误!，代入数据得错误!＝8.2×10－14 J。

正电子与水中的电子相遇，与电子形成几乎静止的整体，故系统总动量为零，所以如果只产生一个光子是不可能的,因为此过程遵循动量守恒定律。

┃┃对点训练__■
2．(多选）(2020·北京临川育人学校高二下学期期中）已知π＋介子、π－介子都是由一个夸克(夸克u或夸克d）和一个反夸克（反夸克错误!或反夸克错误!）组成的,它们带电量如下表所示,表中e为
元电荷。

π＋π－u d错误!d
带电量＋e－e
＋
错误!e
－
错误!e
－
错误!e
＋
1
3e
下列说法正确的是(AD)
A．π＋由u和错误!组成B．π＋由d和错误!组成
C．π－由u和错误!组成D．π－由d和错误!组成
解析：根据题目所给图表可以知道各种粒子的带电量，由电荷守恒定律可得A、D正确,B、C错误。

核心素养提升
易错警示·以题说法·启智培优
轻核聚变与重核裂变的区别
反应方
式
比较项目
重核裂变轻核聚变
放能原理重核分裂成两个或多
个中等质量的原子核
放出核能
两个轻核结合成质量较
大的原子核放出核能
放能多少聚变反应比裂变反应平均每个核子放出的能量大约要大3~4倍
核废料处理难聚变反应的核废料处理要比裂变反应简单得多
度
原料的蕴藏量核裂变燃料铀在地球
上储量有限，尤其用于
核裂变的235U在铀矿
石中只占0.7%
主要原料是氚,氚在地球
上的储量非常丰富.1 L
海水中大约有0.03 g氚，
如果用来进行热核反应
放出的能量约与燃烧300
L汽油相当
可控性速度比较容易进行人
工控制，现在的核电站
都是用裂变反应释放
核能
目前，除氢弹以外，人们
还不能控制它
案例(多选）据新华社报道，由我国自行设计、研制的世界第一套全超导核聚变实验装置(又称“人造太阳”）已完成了首次工程调试。

下列关于“人造太阳”的说法正确的是（AC) A．“人造太阳”的核反应方程是21H＋3，1H―→错误!He＋错误!n B．“人造太阳”的核反应方程是错误!U＋错误!n―→错误!Ba＋错误! Kr＋3错误!n
C．根据公式E＝mc2可知，核燃料的质量相同时，聚变反应释放的能量比裂变反应大得多
D．根据公式E＝mc2可知,核燃料的质量相同时，聚变反应释放的能量与裂变反应相同
解析：错误!H＋错误!H―→错误!He＋错误!n是轻核聚变方程,故A 正确；选项B的核反应方程是核裂变方程，故B错误；根据轻核
聚变特点,聚变反应比裂变反应平均每个核子放出的能量大约要大3～4倍，相同质量的核燃料,轻核聚变释放的能量比裂变反应大得多，故选项C正确，D错误。

攀上山峰，见识险峰，你的人生中，也许你就会有苍松不惧风吹和不惧雨打的大无畏精神，也许就会有腊梅的凌寒独自开的气魄，也许就会有春天的百花争艳的画卷，也许就会有钢铁般的意志。