高中物理 第十九章 原子核 7、8 核聚变 粒子和宇宙课件5高中选修35物理课件
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12/13/2021
1．书写核反应方程应注意哪些问题？ 2．如何求核聚变过程中释放的核能？ 【答案】 (1)11H＋210n→31H (2)6.24 MeV (3)2.08 MeV
12/13/2021
【解析】 (1)11H＋210n→31H. (2)质量亏损 Δm＝mH＋2mn－m＝(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6.324 MeV＝2.08 MeV.
12/13/2021
(2)新粒子 从20世纪30年代以来，人们在对宇宙线的研究中陆续发现 了一些新粒子，宇宙线中粒子的能量很高，但数量很少．人们 用高能加速器进行实验，发现了更多的粒子．如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，此 后不久又发现了超子．
12/13/2021
12/13/2021
氢弹的威力相比原子弹的威力谁大？为什么？ 提示：氢弹的威力大．氢弹内部发生的是核聚变，比核裂 变放出的能量更多．
12/13/2021
二、受控热核反应 1．聚变与裂变相比有很多的优点 第一，轻核聚变产能效率____高________； 第二，地球上聚变燃料的储量____丰__富______； 第三，轻核聚变更为___安__全_______、清洁． 2．科学家设想的受控热核反应两种方案 __磁__约__束______和__惯__性__约__束__．__
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3．意义 夸克理论的最大突破是__电__子__电__荷____不再是电荷的最小单 元，即存在分数电荷． 4．夸克禁闭 夸克不能以___自__由__的__状__态__单__个__出__现_____，这种性质称为夸 克禁闭．
12/13/2021
六、宇宙的演化 宇宙起源于一次大爆炸，这种理论被称为宇宙 ___大__爆__炸_____理论．
第十九章
原子核
12/13/2021
7 核聚变 8 粒子和宇宙
12/13/2021
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一、核聚变 1．核聚变 把两个质量较_____轻_______的原子核结合成质量较 _____大_______的核，这种释放核能的反应称为轻核聚变．由于 这种核反应需在几百万度的高温下进行，因此，聚变又叫 __热__核__反__应__．__
2．粒子的分类 按照粒子与各种相互作用的关系，分类如下表所示：
12/13/2021
3.反粒子 实验发现，许多粒子都有和它质量相同而电荷及其他一些 物理量相反的粒子，叫反粒子．例如，电子和正电子，质子和 反质子等．由反粒子构成的物质叫反物质． 反粒子(反物质)最显著的特点是当它们与相应的正粒子(物 质)相遇时，会发生“湮灭”，即同时消失而转化成其他的粒 子．
四、发现新粒子 1．新粒子 1932年发现正电子，1937年发现μ子，1947年发现K介子和 π介子；以后又发现了质量比质子大的粒子叫做____超__子__．____ 2．反粒子 实验中发现，对应着许多粒子都存在着质量与它相同而电 荷及其他一些物理性质____相__反______的粒子，叫做反粒子．例 如，电子的反粒子是正电子，质子的反粒子是反质子等．
(3)物质波的波长为 λ＝hp，要比较波长需要将中子和电子的 动量用动能表示出来即 p＝ 2mEk，因为 mn>me，所以 pn>pe， 故 λe>λn.
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总结提能 核反应过程中新生成的粒子和实物粒子一样，也 能产生物质波，它们之间发生相互作用时，同样遵循动量守恒 定律等力学规律．此题考查的知识点较多，所以应熟练地掌握 物理知识，并灵活运用．
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考点二
粒子世界
1．粒子世界 (1)电子、质子和中子 直到19世纪末，人们都认为原子是组成物质的不可再分的 最小微粒．后来发现了电子、质子和中子．随着科学家们的研 究逐步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；又发现质子、中子等本身是复合粒 子，它们还有着自己的复杂结构，所以电子、质子、中子并不 是组成物质世界的基本粒子．
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总结提能 质量数守恒、电荷数守恒是书写核反应方程必须 遵守的规律．只有正确地计算出质量亏损，才能计算出释放的 核能．
12/13/2021
我国自主研发制造的国际热核聚变核心部件在国际上率先 通过权威机构认证，这是我国对国际热核聚变项目的重大贡 献．下列核反应方程中属于聚变反应的是( A )
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解析：根据电荷量关系可知，由于 π＋介子带有＋e 的电量， 又由于 π＋介子是由一个夸克和一个反夸克组成，根据题意可知 π ＋介子(＋e)应由夸克 u＋23e和反夸克 d ＋13e构成，同理 π－介子 由夸克 d 和反夸克 u 构成．
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考点三 宇宙和恒星的演化 1．宇宙的演化
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七、恒星的演化 恒星的最后归宿是：质量小于太阳质量的1.4倍的恒星会演 变成___白__矮__星_____，即体积很小，质量不太小的恒星；质量大 于__1_._4_倍__小__于__2_倍__太__阳__质__量__的__恒__星____，会演变成__中__子__星_____； 更大质量的恒星，会演变成“____黑__洞______”．
(3)试通过分析比较，具有相同动能的中子和电子的物质波 波长的大小．
【答案】 (3)λe>λn
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①根据核反应中质量数与电荷数守恒，判断出质量数与电 荷数．
②利用质能方程可得出每个光子的能量，正电子与电子相 遇遵循动量守恒定律，不可能只转化为一个光子．
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【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．
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3．粒子的分类 按照粒子与各种相互作用的关系分为三大类： ___强__子_______、____轻__子______和__媒__介__子__．____
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五、夸克模型 1．夸克 强子(质子、中子)有着自己复杂的结构，它们由更为基本 的成分组成，科学家认为这种成分叫夸克． 2．分类 __上__夸__克______、___下__夸__克_____、奇异夸克、粲夸克、 ___底__夸__克_____、___顶__夸__克_____共有六种，它们所带的电荷量分 别为元电荷的＋23或－13.每种夸克都有对应的反夸克．
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2．典型的核聚变
一个氘核和一个氚核的聚变，
2 1
H＋
3 1
H→____42H__e______＋
1 0
n
＋γ.
3．轻核聚变能释放更多的核能 轻核聚变有质量亏损，是放能核反应，核能的计算仍是用 爱因斯坦质能方程．相同质量的燃料，聚变比裂变时产生的能 量多．太阳内部进行着激烈的热核反应．
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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 0
B．0 和 1
C．1 和 0
D．1 和 1
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(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10e＋－01e―→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_×__1_0_－_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_____．
12/13/2021
12/13/2021
2.恒星的演化 密度很低的星际物质逐渐形成星云，大块的星云由于引力 作用而收缩逐渐凝成原恒星． 原恒星继续收缩，温度不断升高，发生热核反应，当热核 反应产生的斥力和引力作用达到平衡时，恒星不再收缩，进入 相对稳定阶段．
12/13/2021
当核能源供应不足时，恒星的稳定状态遭到破坏，引力作 用又开始大于斥力，星体又开始收缩，温度升高，发光能力增 强，光度增加，外部膨胀，表面积增大，但表面温度并不高， 看上去呈红色，这时恒星便演化为红巨星．
当恒星核能耗尽时，就进入末期．恒星的末期形态主要有 三种：白矮星，中子星或黑洞．
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【例 3】 太阳现在正处于主序星演化阶段，它主要是由电 子和11H、24He 等原子核组成，维持太阳辐射的是它内部的核聚变 反应，核反应方程是 20－1e＋411H→24He＋释放的核能，这些核能 最后转化为辐射能．根据目前关于恒星演化的理论，若由于聚 变反应而使太阳中的11H 核数目从现有数量减少 10%，太阳将离 开主序星阶段而转入红巨星的演化阶段．为了简化，假定目前 太阳全部由电子和11H 核组成．
(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E2，代入数 据得E2＝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，故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．
12/13/2021
12/13/2021
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考点一 轻核的聚变及核能的计算
1．能量变化：比较比结合能的图线，聚变后比结合能增 加，因此反应中会释放能量．
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．
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4．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)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：夸克所带的电荷量为元电荷的－13或＋23.
例如，上夸克带的电荷量为＋
12/13/纪末，人们认为光子、_____电__子_____、 ___质__子_______和____中__子______是组成物质的不可再分的最基本 的粒子，20世纪后半期，科学家发现质子、中子也有着自己的 复杂结构，于是基本粒子不再“基本”．
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2e 3
，下夸克带的电荷量为－
e 3.
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【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11H发生核反应，产生中子(01n)和正电子(01 e)，即：中微子＋11H―→10n＋01e.
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(多选)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 u 或反夸克 d )组成的，它们的带电量如 下表所示，e 为元电荷.
下列说法中正确的是( AD ) A．π＋由 u 和 d 组成 B．π＋d 和 u 组成 C．π－由 u 和 d 组成 D．π－由 d 和 u 组成
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3．重核裂变和轻核聚变的对比
12/13/2021
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【例1】 一个质子和两个中子聚变为一个氚核，已知质 子质量mH＝1.007 3 u，中子质量mn＝1.008 7 u，氚核质量m＝ 3.018 0 u.
(1)写出核聚变方程； (2)释放出的核能多大？ (3)平均每个核子释放的能量是多大？
A.21H＋31H→42He＋10n B.147N＋42He→178O＋11H C.42He＋2173Al→3105P＋10n D.29352U＋10n→15464Ba＋8396Kr＋310n
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解析：A项是氢元素的两种同位素氘和氚聚变成氦元素的核 反应方程，B项是用α粒子轰击氮原子核发现质子的核反应方 程，C项属于原子核的人工转变，D项属于重核的裂变，因此只 有A项符合要求．
1．书写核反应方程应注意哪些问题？ 2．如何求核聚变过程中释放的核能？ 【答案】 (1)11H＋210n→31H (2)6.24 MeV (3)2.08 MeV
12/13/2021
【解析】 (1)11H＋210n→31H. (2)质量亏损 Δm＝mH＋2mn－m＝(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6.324 MeV＝2.08 MeV.
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(2)新粒子 从20世纪30年代以来，人们在对宇宙线的研究中陆续发现 了一些新粒子，宇宙线中粒子的能量很高，但数量很少．人们 用高能加速器进行实验，发现了更多的粒子．如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，此 后不久又发现了超子．
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氢弹的威力相比原子弹的威力谁大？为什么？ 提示：氢弹的威力大．氢弹内部发生的是核聚变，比核裂 变放出的能量更多．
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二、受控热核反应 1．聚变与裂变相比有很多的优点 第一，轻核聚变产能效率____高________； 第二，地球上聚变燃料的储量____丰__富______； 第三，轻核聚变更为___安__全_______、清洁． 2．科学家设想的受控热核反应两种方案 __磁__约__束______和__惯__性__约__束__．__
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3．意义 夸克理论的最大突破是__电__子__电__荷____不再是电荷的最小单 元，即存在分数电荷． 4．夸克禁闭 夸克不能以___自__由__的__状__态__单__个__出__现_____，这种性质称为夸 克禁闭．
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六、宇宙的演化 宇宙起源于一次大爆炸，这种理论被称为宇宙 ___大__爆__炸_____理论．
第十九章
原子核
12/13/2021
7 核聚变 8 粒子和宇宙
12/13/2021
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一、核聚变 1．核聚变 把两个质量较_____轻_______的原子核结合成质量较 _____大_______的核，这种释放核能的反应称为轻核聚变．由于 这种核反应需在几百万度的高温下进行，因此，聚变又叫 __热__核__反__应__．__
2．粒子的分类 按照粒子与各种相互作用的关系，分类如下表所示：
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3.反粒子 实验发现，许多粒子都有和它质量相同而电荷及其他一些 物理量相反的粒子，叫反粒子．例如，电子和正电子，质子和 反质子等．由反粒子构成的物质叫反物质． 反粒子(反物质)最显著的特点是当它们与相应的正粒子(物 质)相遇时，会发生“湮灭”，即同时消失而转化成其他的粒 子．
四、发现新粒子 1．新粒子 1932年发现正电子，1937年发现μ子，1947年发现K介子和 π介子；以后又发现了质量比质子大的粒子叫做____超__子__．____ 2．反粒子 实验中发现，对应着许多粒子都存在着质量与它相同而电 荷及其他一些物理性质____相__反______的粒子，叫做反粒子．例 如，电子的反粒子是正电子，质子的反粒子是反质子等．
(3)物质波的波长为 λ＝hp，要比较波长需要将中子和电子的 动量用动能表示出来即 p＝ 2mEk，因为 mn>me，所以 pn>pe， 故 λe>λn.
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总结提能 核反应过程中新生成的粒子和实物粒子一样，也 能产生物质波，它们之间发生相互作用时，同样遵循动量守恒 定律等力学规律．此题考查的知识点较多，所以应熟练地掌握 物理知识，并灵活运用．
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考点二
粒子世界
1．粒子世界 (1)电子、质子和中子 直到19世纪末，人们都认为原子是组成物质的不可再分的 最小微粒．后来发现了电子、质子和中子．随着科学家们的研 究逐步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；又发现质子、中子等本身是复合粒 子，它们还有着自己的复杂结构，所以电子、质子、中子并不 是组成物质世界的基本粒子．
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总结提能 质量数守恒、电荷数守恒是书写核反应方程必须 遵守的规律．只有正确地计算出质量亏损，才能计算出释放的 核能．
12/13/2021
我国自主研发制造的国际热核聚变核心部件在国际上率先 通过权威机构认证，这是我国对国际热核聚变项目的重大贡 献．下列核反应方程中属于聚变反应的是( A )
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解析：根据电荷量关系可知，由于 π＋介子带有＋e 的电量， 又由于 π＋介子是由一个夸克和一个反夸克组成，根据题意可知 π ＋介子(＋e)应由夸克 u＋23e和反夸克 d ＋13e构成，同理 π－介子 由夸克 d 和反夸克 u 构成．
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考点三 宇宙和恒星的演化 1．宇宙的演化
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七、恒星的演化 恒星的最后归宿是：质量小于太阳质量的1.4倍的恒星会演 变成___白__矮__星_____，即体积很小，质量不太小的恒星；质量大 于__1_._4_倍__小__于__2_倍__太__阳__质__量__的__恒__星____，会演变成__中__子__星_____； 更大质量的恒星，会演变成“____黑__洞______”．
(3)试通过分析比较，具有相同动能的中子和电子的物质波 波长的大小．
【答案】 (3)λe>λn
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①根据核反应中质量数与电荷数守恒，判断出质量数与电 荷数．
②利用质能方程可得出每个光子的能量，正电子与电子相 遇遵循动量守恒定律，不可能只转化为一个光子．
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【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．
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3．粒子的分类 按照粒子与各种相互作用的关系分为三大类： ___强__子_______、____轻__子______和__媒__介__子__．____
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五、夸克模型 1．夸克 强子(质子、中子)有着自己复杂的结构，它们由更为基本 的成分组成，科学家认为这种成分叫夸克． 2．分类 __上__夸__克______、___下__夸__克_____、奇异夸克、粲夸克、 ___底__夸__克_____、___顶__夸__克_____共有六种，它们所带的电荷量分 别为元电荷的＋23或－13.每种夸克都有对应的反夸克．
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2．典型的核聚变
一个氘核和一个氚核的聚变，
2 1
H＋
3 1
H→____42H__e______＋
1 0
n
＋γ.
3．轻核聚变能释放更多的核能 轻核聚变有质量亏损，是放能核反应，核能的计算仍是用 爱因斯坦质能方程．相同质量的燃料，聚变比裂变时产生的能 量多．太阳内部进行着激烈的热核反应．
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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 0
B．0 和 1
C．1 和 0
D．1 和 1
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(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10e＋－01e―→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_×__1_0_－_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_____．
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2.恒星的演化 密度很低的星际物质逐渐形成星云，大块的星云由于引力 作用而收缩逐渐凝成原恒星． 原恒星继续收缩，温度不断升高，发生热核反应，当热核 反应产生的斥力和引力作用达到平衡时，恒星不再收缩，进入 相对稳定阶段．
12/13/2021
当核能源供应不足时，恒星的稳定状态遭到破坏，引力作 用又开始大于斥力，星体又开始收缩，温度升高，发光能力增 强，光度增加，外部膨胀，表面积增大，但表面温度并不高， 看上去呈红色，这时恒星便演化为红巨星．
当恒星核能耗尽时，就进入末期．恒星的末期形态主要有 三种：白矮星，中子星或黑洞．
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【例 3】 太阳现在正处于主序星演化阶段，它主要是由电 子和11H、24He 等原子核组成，维持太阳辐射的是它内部的核聚变 反应，核反应方程是 20－1e＋411H→24He＋释放的核能，这些核能 最后转化为辐射能．根据目前关于恒星演化的理论，若由于聚 变反应而使太阳中的11H 核数目从现有数量减少 10%，太阳将离 开主序星阶段而转入红巨星的演化阶段．为了简化，假定目前 太阳全部由电子和11H 核组成．
(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E2，代入数 据得E2＝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，故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．
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考点一 轻核的聚变及核能的计算
1．能量变化：比较比结合能的图线，聚变后比结合能增 加，因此反应中会释放能量．
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．
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4．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)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：夸克所带的电荷量为元电荷的－13或＋23.
例如，上夸克带的电荷量为＋
12/13/纪末，人们认为光子、_____电__子_____、 ___质__子_______和____中__子______是组成物质的不可再分的最基本 的粒子，20世纪后半期，科学家发现质子、中子也有着自己的 复杂结构，于是基本粒子不再“基本”．
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2e 3
，下夸克带的电荷量为－
e 3.
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【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11H发生核反应，产生中子(01n)和正电子(01 e)，即：中微子＋11H―→10n＋01e.
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(多选)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 u 或反夸克 d )组成的，它们的带电量如 下表所示，e 为元电荷.
下列说法中正确的是( AD ) A．π＋由 u 和 d 组成 B．π＋d 和 u 组成 C．π－由 u 和 d 组成 D．π－由 d 和 u 组成
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3．重核裂变和轻核聚变的对比
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【例1】 一个质子和两个中子聚变为一个氚核，已知质 子质量mH＝1.007 3 u，中子质量mn＝1.008 7 u，氚核质量m＝ 3.018 0 u.
(1)写出核聚变方程； (2)释放出的核能多大？ (3)平均每个核子释放的能量是多大？
A.21H＋31H→42He＋10n B.147N＋42He→178O＋11H C.42He＋2173Al→3105P＋10n D.29352U＋10n→15464Ba＋8396Kr＋310n
12/13/2021
解析：A项是氢元素的两种同位素氘和氚聚变成氦元素的核 反应方程，B项是用α粒子轰击氮原子核发现质子的核反应方 程，C项属于原子核的人工转变，D项属于重核的裂变，因此只 有A项符合要求．