核聚变 粒子和宇宙 每课一练(含解析) (1)

2．恒星是如何形成的？它在哪个阶段停留的时间最长？
【提示】 宇宙尘埃在外界影响下聚集，某些区域在万有引力作用下开始 向内收缩，密度不断增加，形成星云团，星云团进一步凝聚使得引力势能转化 为内能，温度升高．当温度上升到一定程度时就开始发光，形成恒星．恒星在 辐射产生向外的压力和引力产生的收缩压力平衡阶段停留时间最长．
[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10－15 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． 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．
[核心点击]
1．新粒子的发现及特点
发现时 间
1932年
1937年
1947年
20世纪60年 代后
新粒子
反粒子
μ子
K介子与π介子
超子
基本特 点
质量与相对应的粒子相 同而电荷及其他一些物 理性质相反
比质子的 质量小
质量介于电子与 核子之间
其质量比质 子大
2.粒子的分类
分类 参与的相互作用
发现的粒子
备注
知识ຫໍສະໝຸດ 点一7 核聚变
学
业
分
8 粒子和宇宙
层 测
评 知
识
点
二
学习目标
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．
知识脉络
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.
________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＝ΔcE2 ≈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 1
H＋
3 1
H→
4 2
He
＋10n＋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
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．
原料的蕴藏量 限，尤其用于核裂变的铀235 有0.03 g氘，如果用来进行热
在铀矿石中只占0.7%
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， 目前，除氢弹以外，人们还不
现在的核电站都是用核裂变反 能控制它
应释放核能
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
[再判断] 1．质子、中子、电子都是不可再分的基本粒子．(×) 2．质子和反质子的电量相同，电性相反．(√) 3．按照夸克模型，电子所带电荷不再是电荷的最小单元．(√)
[后思考] 1．为什么说基本粒子不基本？ 【提示】 一方面是因为这些原来被认为不可再分的粒子还有自己的复杂 结构，另一方面是因为新发现的很多种新粒子都不是由原来认为的那些基本粒 子组成的．
[合作探讨] 探讨1：什么是反粒子？所有的粒子都存在反粒子吗？ 【提示】 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．按照粒子的对称性，有一个粒子，就应该有一个反 粒子．
探讨2：夸克模型的提出有什么物理意义？
【提示】 夸克模型的提出是物理学发展史中的一个重大突破，它指出电 子电荷不再是电荷的最小单元，即存在分数电荷．而另一方面也说明科学正是 由于一个一个的突破才得到进一步的发展．
4．(多选)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
B．质子
C．轻子
D．中子
【解析】 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，并形成氦核的核合成时代，之后电子和 质子复合成氢原子，最后形成恒星和星系，因此 A、C 正确，B、D 错误．
强子有内部结构，由
强子
参与强相互作用 质子、中子、介子、超子 “夸克”构成；强子 又可分为介子和重子
轻子
不参与强相互作用 电子、电子中微子、μ 子、μ 未发现内部结构 子中微子、τ 子、τ 子中微子 光子、中间玻色子、
媒介子 传递各种相互作用 光子、中间玻色子、胶子 胶子分别传递电磁、
弱、强相互作用
3．宇宙及恒星的演化 (1)宇宙演化 根据大爆炸理论，在宇宙形成之初是“粒子家族”尽显风采的时期．在大 爆炸之后逐渐形成了夸克、轻子和_胶__子_等粒子，随后经过_强__子_时代、轻__子__时 代、_核__合__成_时代．继续冷却，质子、电子、原子等与_光__子_分离而逐步组成恒星 和星系．
(2)恒星的演化 ①恒星的形成：大爆炸后，在万有引力作用下形成星__云__团__，进一步凝聚使 引力势能转变为内__能__，温度升高，直到发光，于是恒__星__诞生了． ②恒星演变：核聚变反应，层级递进地在恒星内发生，直到各__种__热__核__反__应__ 不再发生时，恒星的中__心__密__度__达到极大． ③恒星归宿：恒星最后的归宿有三种，它们是白__矮__星__、中__子__星__、黑__洞__．
C．质子由 1 个 u 夸克和 2 个 d 夸克组成，中子由 2 个 u 夸克和 1 个 d 夸克 组成
D．质子由 2 个 u 夸克和 1 个 d 夸克组成，中子由 1 个 u 夸克和 1 个 d 夸克 组成
【解析】 由于质子带 e 的正电荷，则由两个 u 夸克和一个 d 夸克组成，其 总的电荷量为 e；中子不带电，则由一个 u 夸克、两个 d 夸克组成，其总的电荷 量为 0，由此可知 B 正确．
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． (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__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．
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→_42H__e_＋10n＋17.6 MeV
3．条件 (1)轻核的距离要达到1_0_－__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．
[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．
[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．
【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．
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(
2 1
H)和氚核(
3 1
H)结合成氦核(
4 2
He)的核反应方程如下：
【答案】 AC
5．目前普遍认为，质子和中子都是由被称为 u 夸克和 d 夸克的两类夸克组 成．u 夸克带电荷量为23e，d 夸克带电荷量为－13e，e 为元电荷，下列论断可能 正确的是( )
【导学号：54472096】 A．质子由 1 个 u 夸克和 1 个 d 夸克组成，中子由 1 个 u 夸克和 2 个 d 夸克 组成 B．质子由 2 个 u 夸克和 1 个 d 夸克组成，中子由 1 个 u 夸克和 2 个 d 夸克 组成
【答案】 ABC
2．(多选)科学家发现在月球上含有丰富的
3 2
He(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
3 2
He＋
3 2
He→2
1 1
H＋
4 2
He，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
5．重核裂变与轻核聚变的区别
重核裂变
轻核聚变
重核分裂成两个或多个中等质量的 两个轻核结合成质量较大的原
放能原理
原子核，放出核能
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 聚变反应的核废料处理要比裂变反应简单得多
理难度
主要原料是氘，氘在地球上的
核裂变燃料铀在地球上储量有 储量非常丰富.1 L海水中大约
3.夸克模型 (1)夸克的提出：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：夸克所带的电荷量是分数电荷量，即其电荷量为元电荷 的－13或＋23.例如，上夸克带的电荷量为＋23e，下夸克带的电荷量为－3e. (4)意义：电子电荷不再是电荷的最小单位，即存在分数电荷．