高中物理第19章原子核7核聚变8粒子和宇宙学案新人教版选修28

7 核聚变8 粒子和宇宙

[学习目标] 1.了解核聚变及其特点和条件.2.会判断和书写核聚变反应方程，能计算核聚变释放的能量.3.知道粒子的分类及其作用，了解夸克模型.4.了解宇宙起源的大爆炸学说及恒星的演化．

一、核聚变

[导学探究] 1.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，必须使核子间接近到发生相互作用的距离，约为10－15 m；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．

2．目前人们实现的核聚变是什么？实现热核反应存在的困难是什么？如何实现对热核反应的控制？

答案(1)目前人们能实现的热核反应是氢弹的爆炸，是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反应，但这是不可控制的．

(2)实现热核反应存在的困难是：地球上没有任何容器能够经受住热核反应所需要的高温．

(3)可能实现对热核反应的控制方法：

磁约束：利用磁场来约束参与反应的物质．环流器是目前性能最好的一种磁约束装置．

惯性约束：利用强激光从各个方向照射参加反应的物质，使它们由于惯性还来不及扩散就完成了核反应．

[知识梳理] 对核聚变的认识

1．聚变

两个轻核结合成质量较大的核，释放出核能的反应，称为核聚变，聚变反应又称为热核反应．2．聚变方程

H＋31H―→42He＋10n＋17.6 MeV.

2

1

3．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，这要克服电荷间巨大的库仑斥

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，有一种方法就是给它们加热，使物质达到几百万开尔文的高温． [即学即用] 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)轻核聚变比裂变更完全、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如此高的温度．( √ ) 二、粒子和宇宙

[导学探究] 强子和夸克的关系是怎样的？夸克分多少种？它的带电性是怎样的？什么是夸克的“禁闭”？

答案 夸克是强子的基本组成成分；夸克有6种：上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克、底夸克、顶夸克；它们带的电荷分别为元电荷的＋23或－1

3，每种夸克都有对应的反夸克；夸克

不能以自由的状态单个出现的性质，叫夸克的“禁闭”． [知识梳理] 对粒子和宇宙的理解 1．“基本粒子”不基本

(1)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，后来人们发现了光子、电子、质子、中子，并把它们叫做“基本粒子”．

(2)随着科学的发展，科学们发现了很多的新粒子并不是由以上基本粒子组成的，并发现质子、中子等本身也有复杂结构． 2．发现新粒子

(1)新粒子：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介子及以后的超子等．

(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． [即学即用] 判断下列说法的正误． (1)质子、中子不能再分．( × )

(2)夸克的带电荷量是电子电荷的整数倍．( × )

一、核聚变的特点及应用

1．核聚变的特点

(1)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．

(2)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．

(3)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．

(4)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．2．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．

3．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

释放的能量相当

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

例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 、4

2He 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 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

1

n(或中子) 17.6

解析 根据质量数和电荷数守恒可得x 是1

0n(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.

针对训练1 (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 ＋10n

B ．“人造太阳”的核反应方程是235 92U ＋10n →141 56Ba ＋9236Kr ＋310n

C ．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

2

1

H ＋31H →42He ＋1

0n 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． 二、粒子的分类和夸克模型 1．粒子的分类