2018-2019学年新设计高中物理(教科版)选修3-3讲义：第三章 原子核3-6.7Word版含答案

6核聚变
7粒子物理学简介
[目标定位] 1.知道什么是聚变反应，会计算核聚变中释放的核能.2.知道热核反应，了解可控热核反应及其研究和发展.3.了解构成物质的“基本粒子”及粒子物理的发展史.
一、核聚变
1．定义：两个轻核结合成较重原子核的反应，轻核聚变必须在高温下进行，因此又叫热核反应．
2．能量变化：轻核聚变后，平均结合能增加，反应中会释放能量．
3．核反应举例：21H＋31H→42He＋10n＋17.6 MeV.
4．核反应条件：必须使它们的距离达到10－15m以内，使核具有足够的动能，轻核才能够发生聚变．
5．特点：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．热核反应一旦发生，就不再需要外界给它能量，靠自身产生的热就会使反应继续下去．
6．氢弹原理：首先由普通炸药引爆原子弹．再由原子弹爆炸产生的高温高压引发热核爆炸．
二、可控热核反应与恒星演化中的核反应
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．太阳等恒星内部进行的核反应是轻核聚变反应．
三、粒子
1．“基本粒子”不基本
“基本粒子”：直到19世纪末，人们认为光子、电子、质子、中子是“基本粒子”，随着科学的发展，一方面逐渐发现了数以百计的新粒子，它们都不是由中子、质子、电子组成的；另一方面科学家又发现质子、中子等本身也有自己的复杂的结构．因此，20世纪后半期，就将“基本”去掉，统称粒子．
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．
3．夸克模型
(1)夸克模型的提出：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)分类：上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克、底夸克、顶夸克；它们带的电
荷量分别为元电荷的＋2
3或－
1
3，每种夸克都有对应的反夸克．
(3)意义：元电荷不再是电荷的最小单位，即存在分数电荷．
(4)夸克的“禁闭”
夸克不能以自由的状态单个出现，这种性质称为夸克的“禁闭”．
四、3种典型的粒子加速器
1．直线加速器
(1)粒子运动轨迹是一条直线．
(2)满足的条件：要保持粒子与高频电场之间的谐振关系．
(3)优点：粒子束的强度高．
2．回旋加速器
(1)粒子运动轨迹：在磁场中的匀速圆周运动．
(2)满足条件：高频电源的频率等于粒子回旋的频率．
(3)优点：粒子被加速到的能量可达40_MeV.
3．对撞机
能够实现两束相对运动的粒子对撞的设备叫对撞机．
工作原理：粒子先在同步加速器中加速，然后射入对撞机，反向回旋在轨道交叉处相互碰撞，获得较大能量．
预习完成后，请把你疑惑的问题记录在下面的表格中
一、对轻核聚变的理解
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：从平均结合能的图线看，轻核聚变后平均结合能增加，因此聚变反应是一个放能反应．
3．聚变方程：
2
H＋31H―→42He＋10n＋γ.
1
4．重核裂变与轻核聚变的区别
A.21H＋31H―→42He＋10n是聚变
B.23592U＋10n―→14054Xe＋9438Sr＋210n是裂变
C.22688Ra―→22286Rn＋42He是α衰变
D.2411Na―→2412Mg＋0－1e是裂变
答案 D
解析A选项中是两个质量较轻的核结合成了一个质量较重的核，是聚变反应，故A选项正确；B选项的核反应中是铀核捕获中子裂变为两个(或更多)中等质量的核，并放出几个中子，是裂变反应，故B选项正确；在C选项的核反应中没有中子的轰击自发地放出了α粒子，是α衰变，C选项是正确的；而D应是β
衰变，不正确；故答案为D.
借题发挥主要核反应类型有：
(1)衰变：衰变是原子核自发转变为另一种核并辐射出α或β粒子．
(2)人工转变：人工转变常用α粒子(也可用中子等)轰击原子核，该核捕获α粒子后产生新原子核，并放出一个或几个粒子．
(3)核裂变：核裂变时铀核捕获中子裂变为两个(或更多)中等质量的核，并放出几个中子．
(4)核聚变：轻核聚变时也会放出中子．
针对训练1以下说法正确的是()
A．聚变是裂变的逆反应
B．如果裂变释放能量，则聚变反应必定吸收能量
C．聚变须将反应物加热至数百万开尔文以上的高温，显然是吸收能量
D．裂变与聚变均可释放巨大的能量
答案 D
解析A选项从形式上看，裂变与聚变似乎是互为逆反应，但其实不然，因为二者的反应物和生成物完全不同．裂变是重核分裂成中等核，而聚变则是轻核聚合成为次轻核，无直接关联，并非互为逆反应；B选项既然裂变与聚变不是互为逆反应，则在能量流向上也不必相反；C选项要实现聚变反应，必须使参加反应的轻核充分接近，需要数百万开尔文的高温提供能量．但聚变反应一旦实现，所释放的能量远大于所吸收的能量．因此，总的来说，聚变反应还是释放能量．二、聚变反应中释放核能的计算
【例2】太阳内部持续不断地发生着四个质子聚变为一个氦核同时放出两个正电子的热核反应，这个核反应释放出的大量能量就是太阳的能源．
(1)写出这个核反应方程．
(2)这一核反应能释放多少能量？
(3)已知太阳每秒释放的能量为3.8×1026 J，则太阳每秒减少的质量为多少千克？(m p＝1.007 3 u，m He＝4.001 5 u，m e＝0.000 55 u)
答案(1)411H→42He＋20＋1e(2)24.78 MeV
(3)4.2×109 kg
解析(1)核反应方程411H→42He＋02X，而02X只能是2个正电子．因此核反应方程应为411H→42He＋20＋1e.
(2)反应前的质量m1＝4m p＝4×1.007 3 u＝4.029 2 u，反应后m2＝m He＋2m e＝4.001 5 u＋2×0.000 55 u＝4.002 6 u，Δm＝m1－m2＝0.026 6 u，由质能方程得，释放能量ΔE＝Δmc2＝0.026 6×931.5 MeV＝24.78 MeV.
(3)由质能方程ΔE＝Δmc2得每秒减少的质量
Δm＝ΔE
c2＝
3.8×1026
(3×108)2
kg＝4.2×109 kg.
针对训练2一个质子和两个中子聚变为一个氚核，已知质子质量m H＝1.007 3 u，中子质量m n＝1.008 7 u，氚核质量m T＝3.018 0 u．求：
(1)写出聚变方程；
(2)释放出的核能多大？
(3)平均每个核子释放的能量是多大？
答案(1)11H＋210n―→31H
(2)6.24 MeV(3)2.08 MeV
解析(1)聚变方程11H＋210n―→31H.
(2)质量亏损
Δm＝m H＋2m n－m T＝(1.007 3＋2×1.008 7－3.018 0) u＝0.006 7 u，
释放的核能
ΔE＝Δmc2＝0.006 7×931.5 MeV＝6.24 MeV.
(3)平均每个核子放出的能量为6.24
3MeV＝2.08 MeV.
三、粒子的分类和夸克模型。