2020高中物理选修3-5同步第十九章 7~8 核聚变

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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

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

2

H+31H→42He+10n+17.6 MeV.

1

3.聚变发生的条件

要使轻核聚变,必须使轻核间的距离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.

二、粒子和宇宙

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,科学家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,后来发现了超子等.

(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年提出的强子的夸克模型,认为强子是由夸克构成的.

[即学即用]

1.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)轻核聚变比裂变更安全、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热核反应所需的温度.( √ ) (5)质子、中子不能再分.( × )

(6)夸克的带电荷量是电子电荷量的整数倍.( × )

2.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 →4

2He +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 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 10n(或中子) 17.6

解析 根据质量数和电荷数守恒可得x 是10n(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 .

一、核聚变的特点及应用 [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,必须使核子间的距离达到10-15m以内;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?可能实现对热核反应的控制的方法是什么?

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.

[知识深化]

1.对核聚变的理解

(1)聚变发生的条件:要使轻核聚变,必须使轻核间的距离达到10-15 m以内,这要克服电荷间强大的库仑斥力作用,要求使轻核具有足够大的动能,有一种办法就是把它们加热到几百万开尔文的高温.

(2)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继续下去.

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.

(3)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爆炸.

②可控热核反应:目前处于探索阶段.

2.重核裂变与轻核聚变的区别

1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/c2.氘核聚变反应中释放的核能约为()

A.3.7 MeV B.3.3 MeV

C.2.7 MeV D.0.93 MeV

答案 B

解析根据质能方程,释放的核能ΔE=Δmc2,Δm=2m H-m He-m n=0.003 5 u,则ΔE=0.003

5×931 MeV=3.258 5 MeV≈3.3 MeV,故B正确,A、C、D错误.

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=mc2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=mc2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21H+31H→42He+10n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、新粒子的发现和夸克模型

[导学探究]图1为欧洲粒子加速器,能使粒子获得13万亿电子伏特的能量.

图1

(1)高速粒子碰撞能产生一些新的粒子,试说出部分20世纪30年代以来发现的新粒子.

(2)随着新粒子的发现,质子与中子为什么不再被称为“基本粒子”?

答案(1)正电子、μ子、K介子、π介子、超子.

(2)因为科学家们发现质子、中子等本身也是复合粒子,也有着自己的复杂的结构,所以它们不再是“基本粒子”.

[知识深化]

1.新粒子的发现及特点

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