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

核聚变粒子和宇宙
1．核聚变
(1)定义：
两个轻核结合成质量较大的核，这样的核反应叫做聚变。

聚变后比结合能增加，因此反应中会释放能量。

(2)发生条件：
轻核聚变必须在温度达到几百万开尔文时，才可以发生，因此又叫热核反应。

聚变一旦发生，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。

(3)实例：
①热核反应主要应用在核武器上，如氢弹；
②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射堆；
③典型的核聚变：一个氘核和一个氚核的聚变，21H＋31H→42He＋10n＋17.6 MeV，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3～4倍。

2．受控热核反应
(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)实现核聚变的方法：
①难点：地球上没有任何容器能够经受几百万开尔文的高温；
②方案：科学家设想了两种方案，即磁约束和惯性约束，环流器是目前性能最好的一种磁约束装置。

[辨是非](对的划“√”，错的划“×”)
1．我国一些核电站已经开始大规模利用轻核聚变发电。

(×)
2．轻核聚变须达到几百万开尔文以上的高温，自然界不存在轻核聚变。

(×)
[释疑难·对点练]
1．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。

例如：21H＋31H→10n＋42He＋17.6 MeV。

2．聚变发生的条件：要使轻核聚变，必须使轻核间距达到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。

3．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。

4．应用
(1)核武器——氢弹。

(2)可控热核反应：目前处于探索阶段。

5．轻核聚变与重核裂变的区别
1．(多选)关于聚变，以下说法正确的是( )
A．两个轻核聚变为中等质量的原子核时放出能量
B．同样质量的较轻核发生聚变时放出的能量比同样质量的较重核裂变时释放的能量大好多倍
C．聚变反应的条件是聚变物质的体积达到临界体积
D．发生聚变反应时的原子核必须有足够大的动能
解析：选BD 两个轻核聚合为较大质量的原子核就可释放能量，但其生成物不是中等质量的核，故A错误；轻核发生聚变反应放出的能量比同样质量的重核裂变时释放的能量大得多，故B正确；裂变反应的条件是裂变物质的体积达到临界体积，而聚变反应的条件是原子核间距达到10－15 m，故要求有足够大的动能克服原子核间的斥力做功，故C错误，D正确。

粒子的发现
(1)“基本粒子”不基本：
直到19世纪末，人们称光子、电子、质子和中子是基本粒子。

(2)发现新粒子：
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。

(3)夸克模型：
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
＋2
3
或－
1
3
，每种夸克都有对应的反夸克。

[辨是非](对的划“√”，错的划“×”)
1．质子、中子不能再分。

(×)
2．反粒子与粒子有相同的电量，但电性相反。

(√)
[释疑难·对点练]
1．物质的结构
(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；
②新粒子：1912年奥地利物理学家赫斯对宇宙线研究，发现一些新粒子。

人们用高能加速器进行实验；发现了更多新粒子，1932年发现了正电子，1937年发现μ子，1947年发现K介子和π介子及以后的超子、反粒子等。

(2)粒子的分类：已发现的粒子分为三大类：媒介子、轻子和强子。

(3)夸克：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．宇宙的演化
研究微观世界的粒子物理、量子理论，与研究宇宙的理论竟然相互沟通、相互支撑。

3．恒星的演化
当恒星核能耗尽时，就进入末期，恒星的末期形态主要有：白矮星、中子星、黑洞。

[试身手]
2．关于粒子，下列说法正确的是( )
A．电子、质子和中子是组成物质的不可再分的最基本的粒子
B．强子都是带电的粒子
C．夸克模型是探究三大类粒子结构的理论
D ．夸克模型说明电子电荷不再是电荷的最小单位
解析：选D 由于质子、中子是由不同夸克组成的，它们不是最基本的粒子，不同夸克构成强子，有的强子带电，有的强子不带电，故A 、B 错误；夸克模型是研究强子结构的理论，不同夸克带电荷不同，分别为元电荷的＋23或－1
3，说明电子电荷不再是电荷的最小单位，C 错
误，D 正确。

[典例1] H ，中子质量m n ＝1.008 7 u ，氚核质量m ＝3.018 0 u,1 u 相当于931.5 MeV 的能量。

(1)写出聚变方程；
(2)求聚变过程释放出的核能； (3)求平均每个核子释放的能量。

[思路点拨] 核反应方程要根据电荷数守恒和质量数守恒，核能的计算关键是要求出核反应中的质量亏损，然后根据爱因斯坦质能方程求解。

[解析] (1)聚变方程
1
1
H ＋210n→3
1H 。

(2)质量亏损
Δm ＝m H ＋2m n －m ＝(1.007 3＋2×1.008 7－3.018 0)u ＝0.006 7 u ， 释放的核能
ΔE ＝Δmc 2
＝0.006 7×931.5 MeV≈6.24 MeV。

(3)平均每个核子放出的能量为
E ＝
6.24
3
MeV ＝2.08 MeV 。

[答案] (1)1
1H ＋21
0n→3
1H (2)6.24 MeV (3)2.08 MeV
(1)核聚变反应和一般的核反应一样，也遵循电荷数和质量数守恒，这是书写核反应方程式的重要依据。

(2)核能的计算关键是要求出核反应过程中的质量亏损，然后代入ΔE ＝Δmc 2
进行计算。

[典例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1
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1
1H 发生核反应，产生中子(1
0n)和正电子( 0
＋1e)，即中微子＋1
1H→1
0n ＋ 0
＋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0
B ．0和1
C ．1和0
D ．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 0
＋1e ＋ 0
－1e→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______J 。

正电子与电子相遇不可能只转变为一个光子，原因是________________。

(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。

[思路点拨] 解答此题应把握以下两点：
(1)根据方程的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。

[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都是0，A 项正确。

(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 ＝Δmc 2
，故一个光子的能量为E 2，代入数据得E
2
≈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，因为此过程遵循动量守恒定律，故如果只产生一个光子是不可能的。

(3)物质波的波长为λ＝h
p
，由p ＝2mE k ，因为m n >m e ，所以p n >p e ，故λn <λe 。

[答案] (1)A (2)8.2×10－14
原因见解析
(3)λn <λe
[课堂对点巩固]
1．太阳不断地向外辐射能量，仍保持1千万度以上的高温，其主要原因是太阳内部进行着剧烈地( )
A ．衰变反应
B ．人工核反应
C ．裂变反应
D ．热核反应
解析：选D 太阳的内部时刻都在进行着氢核的聚变，即热核反应，故D 对。

2．关于轻核聚变释放核能，下列说法正确的是( )
A．一次聚变反应一定比一次裂变反应释放的能量多
B．聚变反应比裂变反应每个核子释放的平均能量一定大
C．聚变反应中粒子的平均结合能变小
D．聚变反应中由于形成质量较大的核，故反应后质量增加
解析：选B 在一次聚变反应中释放的能量不一定比裂变反应多，但平均每个核子释放的能量一定大，故A错误，B正确；由于聚变反应中释放出巨大能量，则平均结合能一定变大，质量发生亏损，故C、D错误。

3．重核裂变和轻核聚变是人们获得核能的两个主要途径，下列说法正确的是( ) A．裂变和聚变的过程中都有质量亏损
B．裂变过程有质量亏损，聚变过程质量不变
C．裂变过程质量不变，聚变过程有质量亏损
D．裂变和聚变过程中质量都增加
解析：选A 裂变和聚变都是释放核能的反应，因此都有质量亏损，A正确。

4．(全国高考)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→42 He＋x，式中x是某种粒子。

已知：21H、31H、42He和粒子x的质量分别为2.014 1 u、3.016 1 u、4.002 6 u和1.008 7 u；1 u＝931.5 MeV/c2，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)。

解析：根据电荷数守恒和质量数守恒可知，x的质量数为1，电荷数为零，故x为中子。

质量亏损Δm＝2.0141 u＋3.016 1 u－(4.002 6 u＋1.008 7 u)＝0.018 9 u，E＝Δmc2＝0.018 9×931.5 MeV≈17.6 MeV。

答案：10n(或中子) 17.6
­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­[课堂小结]­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­
[课时跟踪检测十八]
一、单项选择题
1．发生轻核聚变的方法是( )
A．用中子轰击
B．保持室温环境，增大压强
C．把物质加热到几百万开尔文以上的高温
D．用γ光子照射
解析：选C 轻核聚变需要几百万开尔文以上的高温，使核子间的距离达到10－15m以内，核力可以发生作用，选项C正确。

2．太阳内部持续不断地发生着4个质子(11H)聚变为1个氦核(42He)的热核反应。

核反应方程是411H―→42He＋2X，这个核反应释放出大量核能。

已知质子、氦核、X的质量分别为m1、m2、m3，真空中的光速为c。

下列说法中正确的是( )
A．方程中的X表示中子(10n)
B．方程中的X表示电子(0－1e)
C．这个核反应中质量亏损Δm＝4m1－m2
D．这个核反应中释放的核能ΔE＝(4m1－m2－2m3)c2
解析：选D 由质量数守恒和电荷数守恒知：X为0＋1e，A、B错误；该反应中质量亏损Δm ＝4m1－m2－2m3，C错误；ΔE＝Δmc2＝(4m1－m2－2m3)c2，D正确。

3．我国自行研制了可控热核反应实验装置“超导托卡马克”(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，下列有关说法正确的是( )
A．这种装置中发生的核反应方程式是21H＋31H→42He＋10n
B．由核反应过程质量守恒可知m1＋m2＝m3＋m4
C．核反应放出的能量等于(m1－m2－m3－m4)c2
D．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
解析：选A 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；可控热核反应原理为核聚变，大亚湾核电站所用核装置反应原理为核裂变，选项D错误。

4．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，并形成氦核的核时代，之后电子和质子复合成氢原子，最后形成恒星和星系，B、C、D的产生都在A之后，因此A正确。

5．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，则反氢原子是( )
A．由1个带正电荷的质子和1个带负荷的电子构成
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个不带电荷的中子和1个带正电荷的正电子构成
解析：选B 反氢原子由1个带负电荷的反质子和1个带正电荷的正电子构成，故B正确。

二、多项选择题
6．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
解析：选ABCD 聚变时，要使轻核之间的距离达到10－15 m，必须克服库仑斥力做功，选项A正确；原子核必须有足够的动能，才能使它们接近核力能发生作用的范围。

实验证明，原子核必须处在几百万开尔文以上的高温才有这样的能量，氢弹是利用原子弹爆炸获得高温引发热核反应的，选项B、C正确；在太阳和许多恒星内部存在着热核反应，选项D正确。

7．科学家发现月球上含有丰富的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32He＋32He→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．聚变反应会有质量亏损
D．目前核电站都采用32He聚变反应发电
解析：选BC 聚变反应是将质量较小的轻核聚变成质量较大的核，聚变过程会有质量亏损，要放出大量的能量。

目前核电站都采用铀核的裂变反应发电。

综上所述，选项B、C正确。

8．能源是社会发展的基础，发展核能是解决能源问题的途径之一。

下列释放核能的反应方程，表述正确的有( )
A.31H＋21H→42He＋10n是核聚变反应
B.31H＋21H→42He＋10n是β衰变
C.235 92U＋10n→144 56Ba＋8936Kr＋310n是核裂变反应
D.235 92U＋10n→140 54Xe＋9438Sr＋210n是α衰变
解析：选AC 21H＋31H→42He＋10n是核聚变反应，A对，B错；C、D选项中都是核裂变反应，C对，D错。

三、非选择题
9．海水中含有丰富的氘，完全可充当未来的主要能源。

两个氘核的核反应为：21H＋21H ―→32 He＋10n，其中氘核的质量为2.013 6 u，氦核的质量为3.015 0 u，中子的质量为1.008 7 u。

(1 u＝931.5 MeV/c2)求：
(1)核反应中释放的核能；
(2)在两个氘核以相等的动能0.35 MeV进行对心碰撞，并且核能全部转化为机械能的情况下，求反应中产生的中子和氦核的动能。

解析：(1)核反应中的质量亏损Δm＝2m H－m He－m n。

由ΔE＝Δmc2可知释放的核能
ΔE＝(2m H－m He－m n)c2
≈3.26 MeV。

(2)把两个氘核作为一个系统，碰撞过程中系统的动量守恒，由于碰撞前两氘核的动能相等，其动量等大、反向，反应前后系统的总动量为零，即
m He v He－m n v n＝0
反应前后系统的总能量守恒，即
1 2m He v2He＋
1
2
m n v2n＝ΔE＋ΔE kH
又因为m He∶m n＝3∶1，所以
v He∶v n＝1∶3
由以上各式代入已知数据解得
E kn＝2.97 MeV，E kHe＝0.99 MeV。

答案：(1)3.26 MeV (2)2.97 MeV 0.99 MeV。