教科版选修3-5 第3章 6-7 核聚变 粒子物理学简介(选学)

6 核聚变7 粒子物理学简介(选学)[学习目标] 1.知道什么是聚变反应，会计算核聚变中释放的核能.2.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”及粒子物理学的发展史．一、核聚变 1．聚变两个轻原子核结合成较重原子核的反应．轻核聚变需要在高温下进行，因此聚变反应又称为热核反应． 2．聚变方程举例21H ＋31H ―→42He ＋10n ＋17.60MeV.3．聚变发生的条件要使轻核聚变，必须使轻核间的距离达到核力发生作用的距离10－15m 之内，这要克服电荷间巨大的库仑斥力作用，使轻核具有足够大的动能．要使原子核具有足够大的动能，温度必须达到108K 的高温． 4．特点：(1)在消耗相同质量的核燃料时，核聚变比核裂变释放更多的能量． (2)核聚变反应没有废料产生．(3)核聚变反应所用的氘在地球上的储量丰富． 二、可控热核反应与恒星演化中的核反应1．聚变反应堆：受控聚变情况下释放能量的装置． 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”二字去掉，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：媒介子、轻子和强子．3．夸克模型夸克模型的提出：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．至今发现的夸克有6种． 四、3种典型的粒子加速器 1．直线加速器(1)粒子的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：在磁场中做匀速圆周运动． (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做对撞机．工作原理：粒子先在同步加速器中加速，然后射入对撞机，两束粒子流反方向回旋在轨道交叉处相互碰撞，获得较大能量． [即学即用]1．判断下列说法的正误． (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)轻核聚变比裂变更安全、清洁．( √ )(4)实现核聚变的难点是地球上没有任何容器能够经受热核反应所需的温度．( √ ) (5)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．( √ )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2.0141u 、3.0161u 、4.0026u 和1.0087u ；1u ＝931.5MeV c 2，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)． 答案 10n(或中子) 17.6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＝2.0141u ＋3.0161u －4.0026u －1.0087u ＝0.0189u 所以该反应释放出的能量为 ΔE＝0.0189×931.5MeV ≈17.6MeV.一、对核聚变的理解 [导学探究]为什么实现核聚变要使聚变的燃料加热到几百万开尔文的高温？答案 轻核的聚变反应，是较轻的核子聚合成较重的核子，要使得核子的强相互作用发挥作用，必须使核子间的距离达到10－15m 以内；同时由于原子核之间在此距离时的库仑斥力十分巨大，因而需要核子有很大的动能，表现在宏观上就是核燃料需要达到极高的温度． [知识深化] 1．聚变发生的条件要使轻核聚变，必须使轻核间的距离达到10－15m 以内，这要克服电荷间强大的斥力作用，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．聚变方程21H ＋31H ―→42He ＋10n ＋γ.4．重核裂变与轻核聚变的区别例1 下列说法不正确的是( )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选项中的核反应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选项应是β衰变，不正确．故答案为D.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(也可用质子、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(或多个)中等质量的核，并放出几个中子．(4)核聚变：轻核聚合成较重原子核的反应．针对训练以下说法正确的是( )A．聚变是裂变的逆反应B．如果裂变反应释放能量，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解析裂变与聚变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较重核，无直接关联，并非互为逆反应，A选项错误；裂变与聚变都释放能量，B选项错误，D选项正确；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，C 选项错误． 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 3.8×1026J ，则太阳每秒减少的质量为多少千克？(已知质子质量为m H ＝1.0073u ，氦核质量为m He ＝4.0015u ，电子质量为m e ＝0.00055u) 答案 (1)411H →42He ＋2 0＋1e (2)24.78MeV (3)4.22×109kg解析 (1)由题意可得核反应方程应为 411H →42He ＋2 0＋1e.(2)反应前的质量m 1＝4m H ＝4×1.0073u ＝4.0292u ，反应后的质量m 2＝m He ＋2m e ＝4.0015u ＋2×0.00055u ＝4.0026u ，Δm＝m 1－m 2＝0.0266u ，由质能方程得，释放能量ΔE＝0.0266×931.5MeV ≈24.78MeV. (3)由质能方程ΔE＝Δmc 2得太阳每秒减少的质量Δm＝ΔE′c 2＝3.8×1026(3×108)2kg ＝4.22×109kg.三、粒子的分类和夸克模型 1．粒子的分类2．夸克模型(1)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)． (2)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＋23或－13.例如，上夸克带的电荷量为＋2e 3，下夸克带的电荷量为－e3.(3)意义：电子电荷不再是电荷的最小单元，即存在分数电荷． 例3 (多选)下列关于夸克模型的说法正确的是( ) A ．强子是由更基本的夸克组成的 B ．夸克的电荷量分别为元电荷的＋23或－13C ．每种夸克都有对应的反夸克D ．夸克能以自由的状态单个出现 答案 ABC解析 夸克不能以自由的状态单个出现，D 错误．1．(对核聚变的理解)科学家发现在月球上含有丰富的32He(氦3)，它是一种高效、清洁、安全的核聚变燃料，其参与的一种核聚变反应的方程式为232He ―→211H ＋42He ，关于32He 聚变下列表述正确的是( ) A ．聚变反应不会释放能量 B ．聚变反应产生了新的原子核 C ．聚变反应没有质量亏损D ．目前核电站都采用32He 聚变反应发电 答案 B解析 核聚变反应中产生新的原子核，同时由于发生了质量亏损，会有核能的释放，B 正确，A 、C 错误；目前核电站大多采用重核裂变的方法来释放与利用核能发电，D 错误．2．(核聚变释放核能的计算)大科学工程“人造太阳”主要是将氘核聚变反应释放的能量用来发电．氘核聚变反应方程是：21H ＋21H →32He ＋10n.已知21H 的质量为2.0136u ，32He 的质量为3.0150u ，10n 的质量为1.0087u,1u ＝931.5MeV/c 2.氘核聚变反应中释放的核能约为( ) A ．3.7MeVB ．3.3MeVC．2.7MeV D．0.93MeV答案 B解析反应的质量亏损Δm＝2m H－m He－m n＝0.0035u，则ΔE＝0.0035×931.5MeV≈3.3MeV，故B正确，A、C、D错误．一、选择题考点一对核聚变的理解1．(多选)下列关于聚变的说法，正确的是( )A．要使聚变产生，必须克服库仑斥力做功B．轻核聚变需要几百万开尔文的高温，因此聚变又叫做热核反应C．原子弹爆炸能产生几百万开尔文的高温，所以氢弹可以利用原子弹引发热核反应D．太阳和许多恒星内部都在激烈地进行着热核反应，在地球内部也可以自发地进行答案ABC解析轻核聚变时，要使轻核之间距离达到10－15m，必须克服库仑斥力做功，A正确；原子核必须有足够的动能，才能使它们接近到核力能发生作用的范围，实验证实，原子核必须处在几百万开尔文的高温下才有这样的能量，这样高的温度可以通过原子弹爆炸获得，故B、C正确；在太阳和其他恒星内部都存在着热核反应，但在地球内部不会自发地进行，D错误．2．(多选)在某次核反应中，1个氘核和1个氚核结合生成1个氦核，则下列说法中正确的是( ) A．这是一个聚变反应B．核反应方程式为21H＋31H→42He＋10nC．目前核电站都采用上述核反应发电D．该核反应没有质量亏损答案AB解析1个氘核和1个氚核结合生成1个氦核，反应方程为21H＋31H→42He＋10n，这是聚变反应，故A、B正确；目前核电站采用重核裂变发电，故C 错误；该反应放出热量，所以一定有质量亏损，故D 错误． 3．下列说法正确的是( ) A ．聚变是裂变的逆反应 B ．核聚变反应吸收能量C ．轻核聚变比裂变更为安全、清洁D ．强子是参与强相互作用的粒子，中子是最早发现的强子 答案 C解析 聚变和裂变的反应物和生成物不同，两者无直接关系，并非互为逆反应，故A 错；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，但聚变反应一旦实现，所释放的能量远大于所吸收的能量，所以聚变反应还是释放能量，故B 错；实现聚变需要高温，一旦出现故障，高温不能维持，反应就自动终止了，另外，聚变反应比裂变反应生成的废物数量少，容易处理，故C 对；质子是最早发现的强子，故D 错．4．(多选)关于核反应的类型，下列表述正确的有( ) A.23892U ―→23490Th ＋42He 是α衰变 B.147N ＋42He ―→178O ＋11H 是β衰变 C.21H ＋31H ―→42He ＋10n 是轻核聚变 D.8234Se ―→8236Kr ＋2 0－1e 是重核裂变 答案 AC5．(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( ) A ．“人造太阳”的核反应方程是21H ＋31H →42He ＋10nB ．“人造太阳”的核反应方程是23592U ＋10n →14156Ba ＋9236Kr ＋310nC ．根据公式E ＝mc 2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 ＝mc 2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 答案 AC解析 21H ＋31H →42He ＋10n 是轻核聚变方程，故A 项正确；根据轻核聚变特点，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． 考点二 轻核聚变中核能的计算6．某科学家提出年轻热星体中核聚变的一种理论，其中的两个核反应方程为11H ＋126C ―→137N ＋Q 1① 11H ＋157N ―→126C ＋X ＋Q 2②方程中Q 1、Q 2表示释放的能量，相关的原子核质量如表：以下推断正确的是( )A．X是32He，Q2>Q1B．X是42He，Q2>Q1C．X是32He，Q2<Q1D．X是42He，Q2<Q1答案 B解析由质量数守恒和电荷数守恒，可判断X为42He，①式的质量亏损为Δm1＝1.0078u＋12.0000u－13.0057u＝0.0021u．②式的质量亏损为Δm2＝1.0078u＋15.0001u－12.0000u－4.0026u＝0.0053u，所以Δm2>Δm1.根据质能方程ΔE＝Δmc2可求得Q2>Q1，故选B.7．我国自行研制了可控热核反应实验装置“超导托卡马克”(英文名称：EAST，俗称“人造太阳”)．设可控热核实验反应前氘核(21H)的质量为m1，氚核(31H)的质量为m2，反应后氦核(42He)的质量为m3，中子(10n)的质量为m4，光速为c，下列说法正确的是( )A．这种装置中发生的核反应方程式是21H＋31H―→42He＋10nB．由核反应过程质量守恒可知m1＋m2＝m3＋m4C．核反应放出的能量等于(m1－m2－m3－m4)c2D．这种装置与我国大亚湾核电站所使用装置的核反应原理相同答案 A解析核反应方程为21H＋31H―→42He＋10n，选项A正确；反应过程中向外释放能量，故质量有亏损，且释放的能量ΔE＝Δmc2＝(m1＋m2－m3－m4)c2，选项B、C错误；可控热核反应为核聚变，大亚湾核电站所用核装置反应原理为核裂变，选项D错误．8．当两个中子和两个质子结合成一个α粒子时，放出28.3MeV的能量，当三个α粒子结合成一个碳(C)核时，放出7.26MeV的能量，则当6个中子和6个质子结合成一个碳(C)核时，释放的能量约为( ) A．21.04MeV B．35.56MeVC．77.64MeV D．92.16MeV答案 D解析6个中子和6个质子可结合成3个α粒子，放出能量3×28.3MeV＝84.9MeV,3个α粒子再结合成一个碳核，放出7.26MeV能量，故6个中子和6个质子结合成一个碳核时，释放的能量为84.9MeV＋7.26MeV ＝92.16MeV.考点三基本粒子9．为了探究宇宙起源，“阿尔法磁谱仪”(AMS)将在太空中寻找“反物质”．所谓“反物质”是由“反粒子”构成的．“反粒子”与其对应的正粒子具有相同的质量和相同的电荷量，但电荷的符号相反．由此可知反氢原子是( )A．由1个带正电荷的质子和1个带负电荷的电子构成B．由1个带负电荷的反质子和1个带正电荷的正电子构成C．由1个带负电荷的反质子和1个带负电荷的电子构成D ．由1个不带电的中子和1个带正电荷的正电子构成 答案 B解析 氢原子由一个电子和一个质子组成，根据“反物质”和“反粒子”的概念，可知反氢原子由一个带负电荷的反质子和一个带正电荷的正电子组成，故选项B 正确，A 、C 、D 错误． 二、非选择题10．(核聚变能量的计算)两个氘核聚变产生一个中子和一个氦核，已知氘核质量m D ＝2.0136u ，氦核质量m He ＝3.0150u ，中子质量m n ＝1.0087u ．(1u ＝931.5MeV/c 2) (1)计算释放出的核能；(2)若反应前两氘核的动能均为E k0＝0.35MeV ，它们正碰发生聚变，且反应后释放的核能全部转变为动能，则反应产生的氦核和中子的动能各为多大？ 答案 (1)3.26MeV (2)0.99MeV 2.97MeV 解析 (1)核反应方程为：221H →32He ＋10n 反应质量亏损Δm＝2m D －m He －m n ＝0.0035u.由质能方程得释放的核能ΔE＝Δm×931.5MeV ＝0.0035×931.5MeV ≈3.26MeV. (2)将两氘核作为一个系统， 由动量守恒有0＝m He v He ＋m n v n ①由能量守恒有12m He v He 2＋12m n v n 2＝ΔE＋2E k0②由①②代入数据可得E kHe ≈0.99MeV ， E kn ≈2.97MeV.11．(核聚变能量的计算)下面一系列核反应是在恒星内部发生的： p ＋126C ―→137N137N ―→136C ＋e ＋＋μp ＋136C ―→147N p ＋147N ―→158O158O ―→157N ＋e ＋＋μp ＋157N ―→126C ＋α其中p 为质子，α为α粒子，e ＋为正电子，μ为一种中微子．已知质子的质量m p ＝1.672648×10－27kg ，α粒子的质量m α＝6.644929×10－27kg ，正电子的质量m e ＝9.11×10－31kg ，中微子的质量可忽略不计．真空中的光速c ＝3×108m/s.试计算该系列反应完成后释放的能量． 答案 3.95×10－12J解析 该系列反应最终等效为4p ―→α＋2e ＋＋2μ. 设反应后释放的能量为Q ，根据质能关系和能量守恒得 Q ＝(4m p －m α－2m e )c 2代入数据可得Q≈3.95×10－12J.12．(核聚变能量的计算)核聚变能是一种具有经济性能优越、安全可靠、无环境污染等优势的新能源．受控核聚变的科学可行性已得到验证，目前正在突破关键技术，最终将建成商用核聚变电站．一种常见的核聚变反应是由氢的同位素氘(又叫重氢)和氚(又叫超重氢)聚合成氦，并释放一个中子．若已知氘原子的质量为2.0141u，氚原子的质量为3.0162u，氦原子的质量为4.0026u，中子的质量为1.0087u,1u＝1.66×10－27kg.(1)写出氘和氚聚变的反应方程．(2)试计算这个核反应释放出来的能量．(3)若建一座功率为3.0×105kW的核聚变电站，假设聚变所产生的能量有一半转化成了电能，求每年要消耗的氘的质量．(一年按3.2×107s计算，光速c＝3.0×108m/s，结果保留两位有效数字)答案(1)21H＋31H→42He＋10n (2)2.8×10－12J(3)23kg解析(1)21H＋31H→42He＋10n(2)根据爱因斯坦质能方程得ΔE＝Δmc2＝(2.014 1＋3.016 2－4.002 6－1.008 7)×1.66×10－27×(3.0×108)2 J≈2.8×10－12 J(3)每个氘原子质量m D＝2.0141×1.66×10－27 kg＝3.34×10－27 kg核聚变电站产生的电能Pt＝ηmm D·ΔE则m＝PtηΔE·m D代入数据得m＝23 kg.。