高中物理第十九章原子核第7、8节核聚变粒子和宇宙教学案新人教选修3-5

第7、8节 核聚变__粒子和宇宙1．两个轻核结合成质量较大的核，这样的核反应叫聚变。

2．约束核聚变材料的方法：磁约束和惯性约束。

3．粒子分为三大类，有媒介子、轻子、强子。

美国物理学家盖尔曼提出，强子是由夸克构成的。

一、核聚变 1．定义两个轻核结合成质量较大的原子核的反应。

2．条件(1)轻核的距离要达到10－15_m 以内。

(2)聚变可以通过高温来实现，因此又叫热核反应。

3．核反应举例(1)热核反应主要应用在核武器上，如氢弹。

(2)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。

(3)典型的核聚变：一个氘核和一个氚核的聚变，21H ＋31H→42He ＋10n ＋γ该反应平均每个核子放出的能量比裂变反应平均每个核子放出的能量大3～4倍。

4．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。

5．实现核聚变的方法(1)难点：地球上没有任何容器能够经受几百万开尔文的高温。

(2)方案：科学家设想了两种方案，即磁约束和惯性约束，环流器是目前性能最好的一种磁约束装置。

二、粒子和宇宙1．“基本粒子”不基本(1)19世纪末，人们认为原子是组成物质的不可再分的最小微粒。

(2)后来认为光子、电子、质子和中子是组成物质的不可再分的最基本的粒子，并称为“基本粒子”。

随着科学的进一步发展，科学家们逐渐发现了数以百计的不同种类的新粒子，它们都不是由质子、中子、电子组成的，另外又发现质子、中子等本身也有自己的复杂的结构。

所以，从20世纪后半期起，就将“基本”二字去掉，统称为粒子。

2．发现新粒子与夸克模型(1)反粒子实验中发现，对应着许多粒子都存在质量、寿命、自旋等物理性质与过去已经发现的粒子相同，而电荷等其他性质相反的粒子，这些粒子叫做反粒子。

例如，电子的反粒子就是正电子。

(2)粒子的分类按照粒子与各种相互作用的不同关系，可将粒子分为三大类：①强子：参与强相互作用的粒子，质子是最早发现的强子。

②轻子：不参与强相互作用的粒子，最早发现的轻子是电子。

③媒介子：是传递各种相互作用的粒子，如光子、中间玻色子、胶子。

(3)夸克模型的提出1964年提出的夸克模型，认为强子是由更基本的夸克组成的。

3．宇宙及恒星的演化(1)宇宙演化根据大爆炸理论，在宇宙形成之初是“粒子家族”尽显风采的时期。

在大爆炸之后逐渐形成了夸克、轻子和胶子等粒子，随后经过强子时代、轻子时代、核合成时代。

继续冷却，质子、电子、原子等与光子分离而逐步组成恒星和星系。

(2)恒星的演化①恒星的形成：大爆炸后，在万有引力作用下形成星云团，进一步凝聚使引力势能转变为内能，温度升高，直到发光，于是恒星诞生了。

②恒星演变：核聚变反应，层级递进地在恒星内发生，直到各种热核反应不再发生时，恒星的中心密度达到极大。

③恒星归宿：恒星最后的归宿有三种，它们是白矮星、中子星、黑洞。

1．自主思考——判一判(1)核聚变反应中平均每个核子放出的能量比裂变时小一些。

(×)(2)轻核的聚变只要达到临界质量就可以发生。

(×)(3)现在地球上消耗的能量绝大部分来自太阳内部的聚变反应。

(√)(4)质子、中子、电子都是不可再分的基本粒子。

(×)(5)质子和反质子的电量相同，电性相反。

(√)(6)按照夸克模型，电子所带电荷不再是电荷的最小单元。

(√)2．合作探究——议一议(1)核聚变为什么需要几百万开尔文的高温？提示：要使轻核发生聚变就必须使它们间的距离达到核力发生作用的距离，而核力是短程力，作用距离在10－15 m，在这个距离上时，质子间的库仑斥力非常大，为了克服库仑斥力就需要原子核具有非常大的动能才会撞到一起，当温度达到几百万开尔文时，原子核就可以具有这样大的动能。

(2)受控核聚变中磁约束的原理是什么？提示：原子核带有正电，垂直磁场方向射入磁场后在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动，绕着一个中心不断旋转而不飞散开，达到约束原子核的作用。

(3)为什么说基本粒子不基本？提示：一方面是因为这些原来被认为不可再分的粒子还有自己的复杂结构，另一方面是因为新发现的很多种新粒子都不是由原来认为的那些基本粒子组成的。

对核聚变的理解及应用1．聚变发生的条件要使轻核聚变，必须使轻核接近核力发生作用的距离10－15 m，这要克服电荷间强大的斥力作用，要求使轻核具有足够大的动能。

要使原子核具有足够大的动能，就要给它们加热，使物质达到几百万开尔文的高温。

2．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。

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。

5．重核裂变与轻核聚变的区别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要大3～4倍核废料处理难度聚变反应的核废料处理要比裂变反应简单得多原料的蕴藏量核裂变燃料铀在地球上储量有限，尤其用于核裂变的铀235在铀矿石中只占0.7%主要原料是氘，氘在地球上的储量非常丰富，1 L海水中大约有0.03 g氘，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核裂变反应释放核能目前，除氢弹以外，人们还不能控制它[典例] 太阳的能量来自下面的反应：四个质子(氢核)聚变成一个α粒子，同时发射两个正电子，若太阳辐射能量的总功率为P，质子11H、氦核42He、正电子01e的质量分别为m p、mα、m e，真空中的光速为c，求：(1)写出核反应方程；(2)核反应所释放的能量ΔE；(3)1 s内参与上述热核反应的质子数目。

[思路点拨](1)根据质量数守恒和电荷数守恒书写核反应方程。

(2)由爱因斯坦质能方程求解释放的能量。

(3)由功率的定义求1 s内参与反应的质子数。

[解析] (1)根据质量数守恒和电荷数守恒，可得核反应方程为411H→42He＋201e。

(2)质量亏损Δm＝4m p－mα－2m e，根据爱因斯坦质能方程：ΔE＝Δmc2，核反应释放的能量，ΔE＝(4m p－mα－2m e)c2。

(3)设单位时间内参与热核反应的质子数为N，依据能量关系P ＝N ΔE 4，有N ＝4P(4m p －m α－2m e )c2。

[答案] (1)411H→42He ＋201e (2)(4m p －m α－2m e )c 2(3)4P(4m p －m α－2m e )c2轻核聚变释放核能的计算方法1．根据质量亏损计算。

根据爱因斯坦质能方程，用核子结合成原子核时质量亏损(Δm )的千克数乘以真空中的光速(c ＝3×108m/s)的平方，即ΔE ＝Δmc 2。

①2．根据1个原子质量单位(u)相当于931.5 MeV 能量，用核子结合成原子核时质量亏损的原子质量单位数乘以931.5 MeV ，即ΔE ＝Δm ×931.5 MeV。

②注意：式①中Δm 的单位为kg ；式②中Δm 的单位是u ，ΔE 的单位是MeV 。

1．(多选)科学家使用核反应获取氚，再利用氘和氚的核反应获得能量，核反应方程分别为：X ＋Y→42He ＋31H ＋4.9 MeV 和21H ＋31H→42He ＋X ＋17.6 MeV ，下列表述正确的有( )A ．X 是中子B ．Y 的质子数是3，中子数是6C ．两个核反应都没有质量亏损D ．氘和氚的核反应是核聚变反应解析：选AD 核反应方程遵守核电荷数守恒和质量数守恒，则由21H ＋31H→42He ＋X ＋17.6 MeV 知X 为10n ，由X ＋Y→42He ＋31H ＋4.9 MeV 知Y 为63Li ，其中Y 的质子数是3，中子数也是3，选项A 正确，选项B 错误。

两个核反应都释放出核能，故都有质量亏损，选项C 错误。

X ＋Y→42He ＋31H ＋4.9 MeV 是原子核的人工转变，21H ＋31H→42He ＋10n ＋17.6 MeV 为轻核聚变，选项D 正确。

2．氘核和氚核可发生热核聚变而释放出巨大的能量，该反应方程为：21H ＋31H ―→42He ＋x ，式中x 是某种粒子。

已知：21H 、31H 、42He 和粒子x 的质量分别为2.014 1 u 、3.016 1 u 、4.002 6 u 和1.008 7 u ；1 u ＝931.5 MeV c2，c 是真空中的光速。

由上述反应方程和数据可知，粒子x 是________，该反应释放出的能量为________MeV(结果保留3位有效数字)。

解析：根据质量数和电荷数守恒可得x 是10n(中子)。

核反应中的质量亏损为Δm ＝(2.014 1 u ＋3.016 1 u －4.002 6 u －1.008 7 u)＝0.018 9 u ，所以该反应释放出的能量为ΔE ＝Δm ·c 2＝17.6 MeV 。

答案：10n(或中子) 17.6新粒子的发现和夸克模型1．新粒子的发现及特点发现时间1932年1937年1947年20世纪60年代后新粒子反粒子μ子K介子与π介子超子基本特点质量与相对应的粒子相同而电荷及其他一些物理性质相反比质子的质量小质量介于电子与核子之间其质量比质子大2．粒子的分类分类参与的相互作用发现的粒子备注强子参与强相互作用质子、中子、介子、超子强子有内部结构，由“夸克”构成；强子又可分为介子和重子轻子不参与强相互作用电子、电子中微子、μ子、μ子中微子、τ子、τ子中微子未发现内部结构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)、奇异夸克(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－13或＋23。

例如，上夸克带的电荷量为＋2e 3，下夸克带的电荷量为－e3。

(4)意义：电子电荷不再是电荷的最小单位，即存在分数电荷。

1．根据宇宙大爆炸的理论，在宇宙形成之初是“粒子家族”尽显风采的时期，那么在大爆炸之后最早产生的粒子是( )A ．夸克、轻子、胶子等粒子B ．质子和中子等强子C ．光子、中微子和电子等轻子D ．氢核、氘核、氦核等轻核解析：选A 宇宙形成之初产生了夸克、轻子和胶子等粒子，之后又经历了质子和中子等强子时代，再之后是自由光子、中微子、电子大量存在的轻子时代，再之后是中子和质子组合成氘核，并形成氦核的核合成时代，之后电子和质子复合成氢原子，最后形成恒星和星系，因此A 正确，B 、C 、D 错误。