教师用书word2018版第19章7核聚变8粒子和宇宙

7 核聚变 8 粒子和宇宙

学 习 目 标 知 识 脉 络

1.知道聚变反应的特点．(重点)

2．了解聚变反应的条件．(难点)

3．知道轻核聚变能够放出很多的能量，若能加以控制将为人类提供广阔的能源前景． 4．初步了解粒子物理学的基础知识及恒星演化．

5．了解、感受科学发展过程中蕴藏着的科学和人文精神.

核 聚 变

[先填空] 1．定义

两个轻核结合成质量较大的核，并释放出能量的反应． 2．举例

21H ＋31H →42He ＋1

0n ＋17.6 MeV

3．条件

(1)轻核的距离要达到10－15_m 以内．

(2)需要加热到很高的温度，因此又叫热核反应．

4．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．

5．约束方法

磁约束和惯性约束．

[再判断]

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．(√)

[后思考]

1．核聚变为什么需要几百万度的高温？

【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10－15 m，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，当温度达到几百万度时，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．

[合作探讨]

氢弹是核武器的一种，其杀伤破坏因素与原子弹相同，但威力比原子弹大得多，但要使氢弹内发生轻核聚变反应必须有极高的温度和足够大的碰撞几率．探讨1：怎样才能引发氢弹爆炸？

【提示】首先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氢弹爆炸．

探讨2：为什么轻核的聚变反应能够比重核的裂变反应释放更多的核能？

【提示】因为很轻的原子核比较重的原子核的核子平均质量更大，聚变成质量较大的原子核能产生更多的质量亏损，所以平均每个核子释放的能量就更大．

[核心点击]

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

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倍核废料处理难聚变反应的核废料处理要比裂变反应简单得多

度

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 海水中大约

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

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摄氏度的高温，因此聚变又叫做热核反应

C ．原子弹爆炸能产生几百万摄氏度的高温，所以氢弹利用原子弹引发热核反应

D ．自然界中不存在天然的热核反应

【解析】 轻核聚变时，必须使轻核之间距离达到10－15 m ，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摄氏度下才有这样的能量，这样高的温度通常利用原子弹爆炸获得，故B 、C 正确；在太阳内部或其他恒星内部都进行着热核反应，D 错误．

【答案】 ABC

2．(多选)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方程为32He ＋32He →211H ＋42He ，关于32He

聚变下列表述正确的是( ) A ．聚变反应会释放能量 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

【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，这是人类利用核能的途径之一．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．

【答案】AB

3．氘核(21H)和氚核(31H)结合成氦核(42He)的核反应方程如下：21H＋31H→42He＋1

n＋17.6 MeV

(1)这个核反应称为________．

(2)要发生这样的核反应，需要将反应物质的温度加热到几百万开尔文．式中17.6 MeV是核反应中________(填“放出”或“吸收”)的能量，核反应后生成物的总质量比核反应前物质的总质量________(填“增加”或“减少”)了________kg(保留一位有效数字)．

【解析】在轻核聚变反应中，由于质量亏损，放出核能，由ΔE＝Δmc2，

可以求得Δm＝ΔE

c2≈3×10－

29 kg.

【答案】(1)核聚变(2)放出减少3×10－29

(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＝Δmc2进行计算.

粒子和宇宙

[先填空]

1．基本粒子不基本

(1)直到19世纪末，人们都认为光子、电子、质子和中子是基本粒子．