(浙江专版)201X年高中物理 第十九章 原子核 第7、8节 核聚变 粒子和宇宙讲义(含解析)新人教

核聚变粒子和宇宙核聚变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。

粒子和宇宙粒子的发现(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＋23或－13，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－13，说明电子电荷不再是电荷的最小单位，C 错误，D 正确。

核聚变反应中有关核能的计算[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11H ＋210n→31H 。

(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 ＝6.243MeV ＝2.08 MeV 。

[答案] (1)11H ＋210n→31H (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。

对粒子的认识[典例2] 在β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11H 的核反应，间接地证实了中微子的存在。

(1)中微子与水中的11H 发生核反应，产生中子(10n)和正电子( 0＋1e)，即中微子＋11H→10n ＋ 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0B ．0和1C ．1和0D ．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。