2018_2019学年高中物理第十九章原子核第78节核聚变粒子和宇宙讲义含解析新人教版选修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，这样的核反应叫核聚变。

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．定义的原子核的反应。

质量较大两个轻核结合成2．条件以内。

m _15－10轻核的距离要达到(1)。

热核反应聚变可以通过高温来实现，因此又叫(2) 3．核反应举例。

氢弹热核反应主要应用在核武器上，如(1)。

热核反应堆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(2) (3)典型的核聚变：一个氘核和一个氚核的聚变，21H ＋31H→42He ＋10n ＋γ倍。

4～3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 4．聚变与裂变相比有很多优点。

高轻核聚变产能效率(1) 。

丰富地球上聚变燃料的储量(2) 。

安全、清洁轻核聚变更为(3)5．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。

6．控制方法。

环流器磁约束：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(1) (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，在在一起发生反应。

”挤“从各个方向照射反应物，使它们激光惯性约束下，用二、粒子和宇宙1．“基本粒子”不基本的最小微粒。

不可再分是组成物质的原子世纪末，人们认为(1)19基“粒子，并称为最基本的是组成物质的不可再分的中子后来认为光子、电子、质子和(2)本粒子”。

不是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，它们都的结构。

所以，从自己的复杂由质子、中子、电子组成的，另外又发现质子、中子等本身也有。

粒子二字去掉，统称为”基本“世纪后半期起，就将202．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。

正电子的粒子，这些粒子叫做反粒子。

例如，电子的反粒子就是相反，而电荷等其他性质相同(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： 是最早发现的强子。

质子的粒子，强相互作用强子：参与① 。

电子的粒子，最早发现的轻子是强相互作用轻子：不参与②、中间玻色子、胶子。

光子各种相互作用的粒子，如传递媒介子：是③(3)夸克模型的提出组成的。

夸克年提出的夸克模型，认为强子是由更基本的19643．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时代。

继续冷却，质子、核合成时代、轻子时代、强子等粒子，随后经过胶子成了夸克、轻子和分离而逐步组成恒星和星系。

光子电子、原子等与(2)恒星的演化，进一步凝聚使引力势能转变为星云团恒星的形成：大爆炸后，在万有引力作用下形成①诞生了。

恒星，温度升高，直到发光，于是内能不再发生时，恒各种热核反应恒星演变：核聚变反应，层级递进地在恒星内发生，直到②达到极大。

中心密度星的。

黑洞、中子星、白矮星恒星归宿：恒星最后的归宿有三种，它们是③1．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10－15m，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。

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10－15m，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[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1H、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 ΔE4，有N ＝4P －m α－。

[答案] (1)411H→42He ＋201e (2)(4m p －m α－2m e )c 2(3)4P －m α－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 ，ΔE 的单位是J ；式②中Δm 的单位是u ，ΔE 的单位是MeV 。

1．[多选]下列关于聚变的说法中，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解析：选ABC 轻核聚变时，要使轻核之间距离达到10－15m ，所以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，但在地球上不会自发地进行，D 错误。

2．(2017·全国卷Ⅰ)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2.013 6 u ，32He 的质量为3.015 0 u ，10n 的质量为1.008 7 u,1 u ＝931 MeV/c 2。

氘核聚变反应中释放的核能约为( )A ．3.7 MeVB ．3.3 MeVC ．2.7 MeVD ．0.93 MeV解析：选B 氘核聚变反应的质量亏损为Δm ＝2×2.013 6 u－(3.015 0 u ＋1.008 7 u)＝0.003 5 u ，释放的核能为ΔE ＝Δmc 2＝0.003 5×931 MeV/c 2×c 2≈3.3 MeV，选项B 正确。

1．新粒子的发现及特点2．粒子的分类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。

2．[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解析：选ABC 夸克不能以自由的状态单个出现，D 错误，A 、B 、C 正确。

3．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1H 的核反应，间接地证实了中微子的存在。

(1)中微子与水中的1H 发生核反应，产生中子(10n)和正电子(01e)，即：中微子＋1H→10n ＋1e ，可以判定中微子的质量数和电荷数分别是________。

(填写选项前的字母)A ．0和0B ．0和1C ．1和0D ．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01e ＋0－1e→2γ，已知正电子和电子的质量都为9.1×10－31kg ，反应中产生的每个光子的能量约为________J 。