高中物理第3章6核聚变7粒子物理学简介学案教科版选修35

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人教版选修(3-5)《核聚变》学案

人教版选修(3-5)《核聚变》学案

人教版选修(3-5)《核聚变》学案.7 核聚变【知识要点】(一)核聚变1.聚变聚变:两个轻核结合成质量较大的核,这样的反应叫做聚变。

2.轻核的聚变反应能够比重核的裂变反应释放更多的核能因为较轻的原子核比较重的原子核核子的平均质量更大,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例氢的聚变反应:2H+21H→31He+11H+4 MeV、12H+31H→42He+10n+17.6 MeV1释放能量:ΔE=Δmc2=17.6 MeV,平均每个核子释放能量 3 MeV以上,约为裂变反应释放能量的3~4倍3.核聚变发生的条件微观上:参与反应的原子核必须接近到原子核大小的尺寸范围,即10-15 m,要使原子核接近到这种程度,必须使它们具有很大的动能以克服原子核之间巨大的库仑斥力。

宏观上:要使原子核具有如此大的动能,就要把它加热到几百万摄氏度的高温。

4.两种核聚变实例:(1)氢弹;(2)太阳(二)受控热核反应1.聚变与裂变相比有很多优点第一、轻核聚变产能效率高第二、地球上聚变燃料的储量丰富第三、是轻核聚变反应更为安全、清洁。

2. 科学家设想的受控热核反应有两种方案:即磁约束和惯性约束【典型例题】例:三个α粒子结合成一个碳12 6C,已知碳原子的质量为12.0000 u,氦原子的质量为4.0026 u.(1 u=1.66×10-27 kg)(1)写出核反应的方程;(2)这个核反应放出的能量是多少焦?(3)这个能量合多少MeV?解析:(1)342He―→12 6C+ΔE(2)Δm=3×4.0026 u-12.0000 u=0.0078 uΔm=0.0078×1.66×10-27 kg=12.948×10-30 kgΔE=Δmc2≈1.165×10-12 J(3)ΔE=1.165×10-12/(1.6×10-19) eV≈7.28×106 eV=7.28 MeV【巩固练习】1.把两个质量较________的原子核结合成质量较________的原子核的过程叫_______________,由于这种反应需要在几百万度的高温下进行,所以也叫_________________。

教科版选修3《核聚变》教案及教学反思

教科版选修3《核聚变》教案及教学反思

教科版选修3《核聚变》教案及教学反思一、教案编写1.教学目标本次教学旨在让学生了解核聚变的基本原理、重要意义和实际应用,并培养学生的科学思维和实验操作能力。

2.教学重点(1)核聚变的基本原理与过程;(2)核聚变在能源、军事和医学等方面的实际应用;(3)国家在核聚变领域的发展现状及前景。

3.教学难点(1)核聚变的物理原理及实验方法;(2)核聚变与能源、环境等方面的关系。

4.教学内容第一部分:引入1.引入核聚变与核裂变的概念,引出本节课所要学习的核聚变内容。

2.展示慢化中子如何引发核聚变的实验过程,引导学生了解核聚变的科学基础。

第二部分:探究核聚变的基本原理1.通过教师引导和学生参与的方式,简单了解原子核与核力的基本概念。

2.介绍核聚变的基本原理和过程,让学生了解核聚变产生能量的原理。

3.辅以课件及图片演示,让学生更好的理解核聚变的原理与过程。

第三部分:研究核聚变的实际应用1.介绍核聚变在能源、军事和医学等方面的实际应用。

2.通过展示相关实验装置及相关应用案例,引导学生进一步了解核聚变在实际中的应用价值。

第四部分:探究核聚变在环境和国家发展中的作用1.介绍核聚变与能源、环境等方面的关系。

2.介绍当前国家在核聚变领域的发展现状及前景。

3.引导学生深入思考核聚变对人类发展和环境保护的重要性。

5.教学方式课堂讲授、讨论和小组合作。

6.教学时间2课时(90分钟)。

7.教学评价以学生讨论和小组合作成果为主,加以自我评价。

二、教学反思在本节课的教学过程中,教师采取了多种教学方式,引导学生学习和参与讨论。

通过引入实验装置及案例,让学生从多个角度全面了解核聚变的基本原理和实际应用。

小组合作环节更是提高了学生学习的积极性和参与度,让学生在小组合作中互相学习和共同进步。

但是,在教学过程中,也存在一些问题。

首先,因为此次教学涉及的内容较多,时间不够充裕,有些内容没有得到充分的阐述,需要加强训练和实践。

其次,课堂讨论环节的组织和引导还不够充分,需要更好的组织和引导。

高中物理 第3章 原子核 原子能、粒子、宇宙学案 教科版选修3-5

高中物理 第3章 原子核 原子能、粒子、宇宙学案 教科版选修3-5

—————————— 新学期 新成绩 新目标 新方向 ——————————原子能、粒子、宇宙【学习目标】1.知道核力是只存在于相邻核子间的短程力;2.掌握结合能与质量亏损;3.理解爱因斯坦的质能方程;4.知道重核裂变能放出能量,并能计算核能的变化,知道链式反应;5.知道什么是聚变;6.了解铀核的裂变特点;7.了解核裂变反应堆的工作原理;8.知道聚变和聚变反应的特点;9.能写出聚变方程并计算聚变能量;10.了解可控热核反应;11.了解核电站、核武器及核能的优越性、安全性及其危害;12.了解组成物质的粒子;13.知道粒子的分类及其作用;14.了解宇宙起源的大爆炸说及恒星的演化.【要点梳理】要点一、核力与核结合能1.核反应(1)核反应的定义.衰变是原子核的自发变化,能否用人工方法使原子核发生变化呢?能.事实上质子、中子都是通过原子核的人工转变而发现的.我们把原子核在其他粒子轰击下产生新原子核的过程,称为核反应.(2)对核反应的理解.①原子核在其他粒子的轰击下产生新原子核的过程,称为核反应.原子核的人工转变,就是一种核反应.和衰变过程一样,在核反应中,质量数和核电荷数都守恒.②衰变是自发的、不受物理条件和化学条件影响的一种核变化.而原子核的人工转变需要一定的装置和条件才能发生.2.原子核的人工转变(1)质子的发现及核反应方程.1919年,卢瑟福用α粒子轰击氮原子核,α粒子被氮核俘获后形成复核,再衰变,产生质子.核反应方程为:1441717281N He O H +→+.(2)中子的发现及核反应方程.1932年,英国的物理学家查德威克对这种不知道的射线进行进一步的研究发现:这种射线的速度不到光速的十分之一,排除了γ射线.之后他用这种射线轰击氢原子和氮原子,结果打出一些氢核和氮核,并通过测定和计算,发现这种粒子的质量非常接近氢核的质量,由于它不带电,故称之为中子.核反应方程为:941214260Be He C n +→+.由于能从许多的原子核里打出中子,因而确认中子是组成原子核的一部分.3.核力原子核由质子和中子组成,中子和质子是靠强大的核力结合在一起的.(1)核力:原子核内部,核子间所特有的相互作用力.(2)核力的特点:①核力是强相互作用力,在它的作用范围内核力比库仑力大得多;②核力是短程力,作用范围在151.510m ⨯-之内.在大于150.810m ⨯-时核力表现为引力,超过151.510m ⨯-时核力急剧下降几乎消失.在小于150.810m ⨯-时核力表现为斥力,因此核子不会融合在一起;③每个核子只跟相邻的核子发生核力作用.这种性质称为核力的饱和性.无论是质子间、中子间、质子和中子间均存在核力.(3)自然界中的四种基本相互作用力:①万有引力;②电磁力;③强相互作用力;④弱相互作用力.4.核结合能由于核子间存在着巨大的核力作用,所以原子核是一个坚固的集体.要把原子核拆散成核子,需要克服核力做巨大的功,需要巨大的能量.一个氘核被拆成一个中子和一个质子时,需要能量等于或大于2.2 MeV 的γ光子照射.核反应方程为:211110H H n γ+→+.相反的过程,当一个中子和一个质子结合成一个氘核时会释放出2.2 MeV 的能量.这个能量以γ光子的形式辐射出去.核反应方程为:112101H n H γ+→+.由于核力的存在,核子结合成原子核时要放出一定的能量,原子核分解成核子时,要吸收同样多的能量.核反应中放出或吸收的能量称为核结合能.平均结合能(又叫比结合能):原子核的结合能与核子数之比平均结合能越大,表示原子核中核子结合得越牢固.原子核越稳定.5.质量亏损由于核力的本质还在研究之中,所以根据核力做功来求核能是不可能的.但物理学家却有办法求出核能.物理学家们研究了质子、中子和氘核之间的质量关系,发现氘核虽然是由一个中子和一个质子组成的,但氘核的质量要比中子和质子的质量之和要小一些.我们把组成原子核的核子的质量与原子核的质量之差叫做核的质量亏损.根据质量亏损可以计算核能.6.质能方程(1)质能方程:爱因斯坦的相对论指出,物体的能量和质量之间存在着密切的联系,其关系是 2E mc = 或 2E mc ∆=∆.这就是著名的爱因斯坦质能联系方程,简称质能方程.方程的含义是:物体具有的能量与它的质量之间存在着简单的正比关系.物体的能量增大质量也增大,能量减小质量也减小.(2)对质量亏损和质能方程的理解:在核反应中仍遵守质量守恒和能量守恒的规律.核反应中的质量亏损,并不是这部分质量消失或质量转变为能量.物体的质量应包括静止质量和运动质量,质量亏损是静止质量的减少,减少的静止质量转化为和辐射能量相联系的运动质量.另外,质量亏损也不是核子个数的减少,核反应中核子个数是不变的.7.核能的计算方法核能的计算是原子物理的重要方面和高考的热点问题,其基本方法是:(1)根据质量亏损计算,步骤如下:①根据核反应方程,计算核反应前和核反应后的质量亏损m ∆.②根据爱因斯坦质能方程2E mc =或2E mc ∆=∆计算核能.③计算过程中m ∆的单位是千克,E ∆的单位是焦耳.(2)利用原子质量单位u 和电子伏特计算.①明确原子单位u 和电子伏特间的关系由 271 u 1.660610kg =⨯-,191 eV 1.610J =⨯-.得2931.5 MeV E mc ==.②根据1原子质量单位(u )相当于931.5 MeV 能量,用核子结合成原子核时质量亏损的原子质量单位数乘以931.5 MeV ,即931.5 MeV E m ∆=∆⨯.③上式中,m ∆的单位是u ,E ∆的单位是MeV .(3)利用平均结合能来计算核能.原子核的结合能=核子的平均结合能×核子数.核反应中反应前系统内所有原子核的总结合能与反应后生成的所有新核的总结合能之差,就是该次核反应所释放(或吸收)的核能.(4)根据能量守恒和动量守恒来计算核能.参与核反应的粒子所组成的系统,在核反应过程中的动量和能量是守恒的,因此,在题给条件中没有涉及质量亏损,或者核反应所释放的核能全部转化为生成的新粒子的动能而无光子辐射的情况下,从动量和能量守恒可以计算出核能的变化.(5)应用阿伏加德罗常数计算核能.若要计算具有宏观质量的物质中所有原子核都发生核反应所放出的总能量,应用阿伏加德罗常数计算核能较为简便.①根据物体的质量m 和摩尔质量M 由m n M=求出物质的量,并求出原子核的个数: A A m N N n N M==. ②由题设条件求出一个原子核与另一个原子核反应放出或吸收的能量0E (或直接从题目中找出0E ).③再根据0E NE =求出总能量.8.衰变过程中核能的计算衰变能是不稳定原子核在进行衰变时放出来的能量,由质能方程,可以从衰变前后的质量亏损求出衰变能,也可根据直接测出衰变后产生的新原子核与α粒子的动能求得衰变能.但是,由于衰变后原子核的质量较大,反冲动能k E 较小,测量就很困难.下面我们从动量守恒定律出发,找到r E 和E α之间的关系,只要测出E α就可以知道衰变能.衰变前原子核可看做静止,动量为零,于是,根据动量守恒定律有r r m v m v αα=.α粒子的速度比光速小得多,可以不考虑相对论效应,于是衰变后新原子核的反冲动能221122r r r r rm m E m v m v E m m ααααα===. 所以, 041144r r m A E E E E E E m A A ααααα⎛⎫⎛⎫=+=+=+= ⎪ ⎪--⎝⎭⎝⎭(A 是衰变前的核的质量数). 式中,已用核的质量数之比代替核质量之比,这样做所带来的误差是很微小的.所以,要得到α衰变能0E ,需要知道α粒子的动能E α.9.对原子核中质子数与中子数比例的解释原子核越大,有些核子间的距离越来越远,随着距离的增加,核力与电磁力都会减小,但核力减小得更快.所以,原子核大到一定程度时,相距较远的质子间的核力不足以平衡它们的库仑力,这个原子核就不稳定了.这时,不再成对地增加质子和中子,而只增加中子,中子与其他核子没有库仑斥力,但有相互吸引的核力,所以有助于维系原子核的稳定.由于这个原因,稳定的重原子核里,中子数要比质子数多.由于核力的作用范围是有限的,以及核力的饱和性,如果我们继续增大原子核,一些核子间的距离会大到其间根本没有核力的作用,这时即使再增加中子,形成的核也一定是不稳定的.要点二、重核裂变及其应用1.核子的平均质量核反应有的会放出能量,有的会吸收能量,那么什么样的核反应会放出能量,这是本节需要搞清的第一个问题.也是本节的一个难点.为了弄清这个问题,就必须首先理解核子的平均质量这一概念. 精确的实验表明,原子核是由核子组成的,但原子核的质量却不等于所有核子质量之和.也就是说,原子核的质量虽然会随着核子数量的增加而增加,但两者并不成比例.例如:氢核由一个核子(质子)组成;氦核由四个核子(两个中子,两个质子)组成.但氦核的质量却不是氢核的四倍,而是比四倍小.这样在不同的原子核中,用原子核的质量除以核子数所得到的核子的平均质量就变得不相同了,换一个说法,也就是同样的核子在不同的原子核中质量不同.进一步研究表明,中等质量的原子核的核子的平均质量较小(铁核的核子平均质量最小),重核和轻核的核子平均质量大,这就为研究核反应中能量的释放建立了理论基础.当重核分裂成中等质量的原子核时,会发生质量亏损;当轻核聚合成中等质量的原子核时,也会发生质量亏损.由质能方程可知,此时核反应会放出能量.2.重核的裂变——铀核的裂变(1)铀核裂变的发现:1938年底,德国物理学家哈恩与斯特拉斯曼利用中子轰击铀核时,发现了铀核的裂变,向核能的利用迈出了第一步.(2)重核裂变:使重核分裂成中等质量的原子核的核反应叫做重核的裂变.(3)铀核裂变的一种核反应方程:235114192192056360U n Ba Kr 3n +→++.(4)链式反应:当中子进入铀235后,便形成了处于激发状态的复核,复核中由于核子的激烈运动,使核变成不规则的形状,核子间的距离增大,因而核力迅速减弱,使得核由于质子间的斥力作用而不能恢复原状,这样就分裂成几块,同时放出2或3个中子.这些中子又引起其他铀核裂变,这样,裂变就会不断地进行下去’,释放出越来越多的核能,这就叫链式反应.如图所示.(5)链式反应发生的条件:①铀块的体积大于临界体积.体积超过临界体积时,保证中子能够碰到铀核.②有足够浓度的铀235.③有足够数量的慢中子.一种链式反应的方程:235113690192054380U n Xe Sr 10n E +→+++∆.(6)重核裂变的条件重核的裂变只能发生在人为控制的核反应中,自然界不会自发地产生.如铀核裂变不能自发地进行,要使铀核裂变,首先要利用中子轰击铀核,使铀核分裂,分裂过程中,又会放出更多的中子,这些中子再去轰击更多铀核,产生更多的中子,就形成了链式反应,这个反应速度很快,不加控制的话,能量在很短的瞬间急剧释放(原子弹就是利用铀核的链式反应制造的一种威力巨大的核武器).如果采用其他方法对反应速度加以控制就可以和平地利用这种巨大的核能.核电站就是可控的链式反应.3.临界体积要发生核反应,就必须使中子击中铀核,而核的体积很小,那么在铀块不太大的情况下,中子通过铀块时,没有碰到铀核而跑到铀块外,因此,要发生链式反应,铀块的体积必须大于某一值,能发生链式反应的铀块的最小体积叫它的临界体积.4.核电站与核电站的主要组成和工作原理及优点(1)核电站:原子弹杀伤力强大的原因是核能在极短时间内释放出来.核电站是利用缓慢释放的核能来发电,这是核能的和平利用,现在世界上已有不少国家建有核电站,我国已建成使用和正在建设的核电站必将为现代化的建设提供能源保障.(2)核电站的主要组成.核电站的核心是核反应堆,核反应堆的主要组成部分及其作用是:①核燃料:反应堆使用浓缩铀(铀235占34%~%)制成铀棒,作为核燃料,释放核能.②中子减速剂:铀235具有易俘获慢中子,不易俘获快中子的特点.而核反应中释放的中子多数为快中子,应使用减速剂使它们的速度降下来.常用作减速剂的物质有石墨、重水或普通水.③控制棒:为了控制能量释放的速度,就要想办法减少中子的数目,采用在反应堆中插入镉棒的方法,利用镉吸收中子能力很强的特性,就可以容易地控制链式反应的速度.④保护层:核反应堆外层是很厚的水泥壁.可防止射线辐射出去.⑤热交换器:靠水或液态金属钠在反应堆内外的循环流动,把产生的热量传输出去.反应堆是核电站的核心,核电站是靠核反应堆产生的内能(3)核电站的优点是:①消耗的“燃料”很少;②作为核燃料的铀、钍等在地球上的可采储量大;③对环境污染比火电站要小.5.原子弹原子弹是利用快中子导致链式反应而发生原子爆炸的武器.在裂变材料的体积大于临界体积时,可以使增殖系数1K >,这时中子数可逐代倍增,最后引起原子爆炸.对纯235U ,其2K =.若01N =,则到第80代时,中子数已增到802N =个,其已大到相当于1 kg 铀的原子数,因此1 kg 纯235U 只要经过80代裂变就可以全部发生裂变.若将1 kg 铀做成球状,其直径不过5 cm ,而快中子的速度约为71210m s ⨯⋅-,所以裂变进行得极其迅猛,其爆炸可在百分之一秒内完成.原子弹的结构形式有许多种,一般是将两块或多块小于临界体积的235U (或238U 、239Pu 等)放在一个密封的弹壳内,平时这几块相隔一定的距离,所以不会爆炸.使用时可通过引爆装置使它们骤然合为一体,由于其体积超过临界体积,爆炸瞬间发生.6.为什么铀的同位素中23592U 最容易发生链式反应在天然铀中,主要有两种同位素,99.3%的是铀238,0.7%的是铀235,中子能引起这两种铀核发生裂变,但它们和中子发生作用的情况不同.23592U :俘获各种能量的中子都会发生裂变,且俘获低能量的中子发生裂变的概率大.23892U :只有俘获能量大于1 MeV 的中子才能发生核反应,且裂变的几率小.对于低于1 MeV 的中子只与铀核发生弹性碰撞,不引起核反应.因此,为了使链式反应容易发牛,最好利用纯铀235.要点三、轻核聚变及其应用1.轻核的聚变(1)聚变.把轻核结合成质量较大的核,释放出核能的反应,称为募变.聚变反应又称为热核反应.(2)聚变方程:23411120H H He n γ+→++.(3)聚变发生的条件:要使轻核聚变,就必须使轻核接近核力发生作用的距离1510m -,但是原子核是带正电的,要使它们接近1510m -就止须克服电荷间很大的斥力作用,这就要求使核具有足够的动能.要使原子核具有足够大的动能,就要给核加热,使物质达到几百万度的高温.综上所述,核聚变只有在超高温条件下才能发生.2.聚变与裂变的区别重核的裂变、轻核的聚变都能释放出巨大的核能,但两者是有区别的.(1)原理不同.重核的裂变是重核裂变成几个中等质量的原子核,放出能量,而聚变是几个轻核聚变(结合)成一个中等质量的原子核,放出巨大的能量.(2)放出能量的大小不同.重核裂变时,平均每个核子释放的能量约为1兆电子伏,而轻核的聚变,平均每个核子释放出3兆电子伏以上的能量,即聚变比裂变能放出更多的能量.(3)废料处理难度不同.裂变产生的废料处理起来比较困难,而热核反应的废料处理要简单得多.(4)“燃料”的丰富程度不同.热核反应所需要的“燃料”——氘在地球上非常丰富,1升海水中大约有003.克氘,如果用来进行热核反应,放出的能量约和燃烧300升汽油相当.而裂变燃料——铀在地球上储量有限,尤其是用于核裂变的铀235,在铀矿中仅占0.7%,相比起来聚变的燃料——氘要丰富得多.我国是一个“贫铀”国家,贮藏量不多.(5)两种反应的可控制性不同.裂变反应速度可以比较容易地进行人工控制,因此,现在国际上的核电站都是利用裂变放出能量,而聚变反应的可控制性比较困难,世界上许多国家都积极研究可控热核反应的理论和技术.我国可控热核反应的研究情况是:1984年9月,我国自行研制的可控热核反应实验装置“中国环流一号”顺利启动.1094年,具有国际先进水平的可控热核反应实验装置“HT-7超导托卡马克”已安装调试成功,我国研究可控热核反应方面已经具有一定的实力.3.轻核聚变释放核能的计算方法轻核聚变时释放出的能量的计算与上两节的方法基本相同,具体的仍然分为以下两种:(1)根据质量亏损计算.根据爱因斯坦质能方程,用核子结合成原子核时质量亏损(m ∆)的千克数乘以真空中光速(8310m/s ⨯)的平方,即 2E mc ∆=∆. ①(2)根据1原子质量单位(u )相当于931.5 MeV 能量,用核子结合成原子核时质量亏损的原子质量单位数乘以931.5 MeV ,即931.5 MeV E m ∆=∆⨯. ②要点诠释:式①中m ∆的单位为kg ,式②中m ∆的单位是u ,E ∆的单位是MeV .4.聚变比裂变反应放出更多能量的原因(1)平均每个核子放能较多,是裂变反应的34~倍.如一个氚核和一个氘核结合成一个氦核时放出能量17.6 MeV ,平均每个核子放出能量约3.5 MeV ;而铀235裂变时,平均每个核子放出能量为l MeV .(2)同样质量的情况下,轻核的核子个数多,如氘和氚聚变为1 kg 氦时放出的能量为332.6510eV ⨯. 233311000 6.021017.6MeV 2.6510eV 4E ∆=⨯⨯⨯≈⨯. 假设一个铀核裂变时平均放出的能量为200 MeV ,则l kg 铀核全部裂变时放出能量为233221000 6.0210200MeV 510eV 235E ∆=⨯⨯⨯≈⨯. 125.3E E ∆≈∆. 5.热核反应的控制技术以及聚变的应用(1)控制方法.①磁约束:利用强磁场来约束参加反应的物质.目前性能最好的磁约束装置是环流器(又称托卡马克).2002年12月“中国环流器二号”开始运行.②惯性约束:利用强激光的惯性压力约束参加反应的物质.目前可控制核聚变还处于基础研究阶段.(2)聚变的应用.①核武器——氢弹:是一种不需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如果攻克了受控热核聚变的实现技术,那就可望解决全世界的“能源危机”.(3)我国的两弹发展.1964年10月16日我国第一颗原子弹爆炸成功.1967年6月17日我国的氢弹试爆成功.6.为什么轻核聚变和重核裂变都会释放能量(1)可以从核子的平均结合能上看,如图.从图中可以看出,铁的平均结合能最大,也就是核子结合成铁或铁附近的原子核时,每个核子平均放出的能量大.因此可知两个比铁轻的原子核结合时,或比铁重的重核分裂时,都要放出能量.(2)也可以根据核子的平均质量图分析,如图,由图中可以看出,铁原子核子的平均质量最小,如果原子序数较大的A 裂变成B 或C ,或者原子序数较小的D 和E 结合成F 核,都会有质量亏损,根据爱因斯坦质能方程,都要放出能量.要点四、粒子与宇宙1.“基本粒子”不基本(1)19世纪末,许多人认为光子、电子、质子和中子是组成物质的不可再分的最基本粒子.(2)从20世纪起科学家陆续发现了400多种同种类的新粒子,它们不是由质子、中子、电子组成.(3)科学家进一步发现质子、中子等本身也是复合粒子,且还有着复杂的结构.(4)粒子加速器和粒子探测器是研究粒子物理的主要工具.2.粒子的分类按照粒子与各种相互作用的关系,可以将粒子分为三大类:强子、轻子和媒介子.微观粒子分类如下表所示: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.例如电子和正电子,质子和反质子等.由反粒子构成的物质叫反物质.反粒子(反物质)最显著的特点是当它们与相应的正粒子(物质)相遇时,会发生“湮灭”,即同时消失而转化成其他的粒子.4.夸克模型实验表明强子是有内部结构的,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.5.宇宙的演化用粒子物理学可以较好地解释宇宙的演化.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.在大爆炸的瞬间(约4410s -,温度为3210K )产生夸克、轻子、胶子等粒子.大爆炸后约610s -,温度下降到1310K 左右,夸克构成质子和中子等强子,这个温度范围正是各种强子熙熙攘攘挤在一起的时代,称为强子时代.当温度下降到1110K (210s -),只剩下少量的夸克,而自由的光子、中微子和电子等轻子大量存在,此时代称为轻子时代.当温度下降到910K (210s ),少量的中子和质子结合成氘核,并很快生成氦核,同时有氚核、氦3等轻核及其他轻核生成,此时称为核合成时代.在3000 K 左右(510s ),电子与原子核结合成原子,此时称为复合时代.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.6.恒星的演化大爆炸10万年后,温度下降到3000 K 左右.出现了由中性原子构成的宇宙尘埃.由于万有引力作用逐渐凝聚成团块,形成气态的星云团,星云团进一步凝聚收缩,使得引力势能转化为内能,温度升高,温度升到一定程度就开始发光,这样一颗恒星就诞生了.这颗星继续收缩,继续升温,当温度超过710K 时,氢聚变成氦,向外辐射能量,核能耗尽后就进入末期,末期形态主要有三种:白矮星、中子星和黑洞.7.夸克理论简介夸克理论经过几十年的完善和发展,已经逐渐为多数粒子物理学家所接受.根据夸克理论,夸克有6种,它们是上夸克(u )、奇异夸克(s )、粲夸克(c )、下夸克(d )、底夸克(b )和顶夸克(t ).它们带的电荷分别为元电荷的13-或23+.到目前为止,人们已经从实验中发现了所有6种夸克及其反夸克存在的证据.夸克模型的提出是物理学发展中的一个重大突破,它指出电子电荷不再是电荷的最小单元,即存在分数电荷.8.统一场论(微观粒子与宏观宇宙的统一)物理学向微观粒子和宇宙两个领域的研究今天得到了初步统一,统一场论在逐渐形成.物理学完整、和谐美在这里又得到了充分体现.正如绪言中所说:“物理学中研究最大和最小对象的两个分支——宇宙学和粒子物理学就奇妙地衔接在一起,犹如一条怪蟒咬住自己的尾巴.”从上面的两个图可以看到,人类所在物质世界的空间跨度与时间跨度竞呈现出如此的对称美.要点四、单元知识网络。

高中物理教科版选修3-5教学案:第三章 章末盘点 Word版含答案

高中物理教科版选修3-5教学案:第三章 章末盘点 Word版含答案
[正确答案]7.585 MeV
专题三
半衰期的计组成的放射性样品中,放射性元素的原子核有一半发生衰变所需的时间。
2、计算公式
N′=N0( )n或m′=m0( )n,其中n=t/T。(式中N′、m′为衰变后剩余的原子数量和质量,N0、m0为衰变前原子数量和质量,n为半衰期个数,t是所用时间)。
(4)在写核反应方程时,应先将已知原子核和已知粒子的符号填入核反应方程一般形式的适当位置上;然后根据质量数守恒和电荷数守恒规律计算出未知核(或未知粒子)的电荷数和质量数;最后根据未知核(或未知粒子)的电荷数确定它们是哪种元素(或哪种粒子),并在核反应方程一般形式中的适当位置填写上它们的符号。
[例1]关于核衰变和核反应的类型,下列表述正确的有()
详细解析:选ACE密立根通过油滴实验测出了元电荷即基本电荷的数值,A项正确;贝克勒尔发现了天然放射现象,说明原子核具有复杂的结构,卢瑟福通过α粒子散射实验确定了原子的核式结构模型,B项错误;居里夫妇从沥青铀矿中分离出了钋和镭两种新元素,C项正确;卢瑟福用镭放射出的α粒子轰击氮的原子核,从中找出了新的粒子,通过测定其质量和电荷,确定该粒子为氢的原子核,证实了原子核内部存在质子,D项错误;汤姆孙根据阴极射线在电场和磁场中的偏转情况确定了阴极射线的本质是带电的粒子流,并测出了这种粒子的比荷,E项正确。
5、太阳能是由于太阳内部高温高压条件下的聚变反应产生的,下列核反应属于聚变反应的是()
图1
A. H+ H―→ He+ n
B. 7N+ He―→ 8O+ H
C. 92U+ n―→ 54Xe+ Sr+10 n
D. 92U―→ 90Th+ He
详细解析:选AA是聚变反应,B是人工转变的核反应,C是裂变反应,D是α衰变反应,故选项A是正确的。

高中物理选修3-5精品学案:19.7-19.8 核聚变 粒子和宇宙

高中物理选修3-5精品学案:19.7-19.8 核聚变 粒子和宇宙

第7节核聚变第8节粒子和宇宙学习目标核心提炼1.了解聚变反应的特点及其条件。

1个概念——核聚变1个条件——聚变反应条件2.了解可控热核反应及其研究和发展,会判断和填写核聚变方程,并能计算核聚变释放的能量。

3.知道轻核的聚变能够释放出很多的能量,如果能加以控制将为人类提供广阔的能源前景。

4.知道粒子的分类及其作用,了解夸克模型。

5.了解宇宙及恒星的演化。

一、核聚变阅读教材第88~89页内容了解核聚变特点及条件。

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+10n+17.6 MeV3.条件:要使轻核发生聚变,必须使它们的距离达到10-15m以内,核力才能起作用。

由于原子核都带正电,要使它们接近到这种程度,必须克服巨大的库仑斥力,这就要求原子核具有足够的动能,有一种方法就是把它们加热到很高的温度,温度高达几百万开尔文,因此聚变又叫热核反应。

4.应用:目前,热核反应主要用在核武器上,那就是氢弹,需要用原子弹爆炸产生的高温高压引发核爆炸。

5.太阳能:太阳的主要成分是氢,太阳中心温度可达1.5×107K,在此高温下,氢核聚变成氦核的反应不停地进行着,太阳能就来自于太阳内部聚变释放的核能。

思考判断(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)热核反应主要用在核武器上,那就是原子弹。

()[答案](1)×(2)√(3)×二、受控热核反应阅读教材第89~90页内容,关注受控聚变反应的研究进展。

1.聚变的优点:第一:轻核聚变产能效率高。

第二:地球上聚变燃料的储量丰富。

第三:轻核聚变更为安全、清洁,控制温度,可控制反应,而且生成的废物数量少、易处理。

2.聚变的难点:地球上没有任何容器能够经受热核反应的高温。

3.控制方法(1)磁约束:利用磁场约束参加反应的物质,目前最好的一种磁约束装置是环流器。

人教版高中物理选修3-5学案:第十九章学案6、7、8(3)

人教版高中物理选修3-5学案:第十九章学案6、7、8(3)

人教版高中物理选修3-5学案:第十九章学案6、7、8(3)7 核聚变8 粒子和宇宙[学习目标] 1.知道重核的裂变反应和链式反应发生的条件.2.掌握核聚变的定义及发生条件.3.会判断和书写核裂变、核聚变方程,能计算核反应释放的能量.一、核裂变和链式反应[导学探究] (1)铀核裂变是如何发生的?(2)铀核裂变在自然界中能自发进行吗?答案(1)铀核的裂变①核子受激发当中子进入铀235后,便形成了处于激发状态的复核,复核中由于核子的激烈运动,使核变成不规则的形状.②核子分裂核子间的距离增大,因而核力迅速减弱,使得原子核由于质子间的斥力作用而分裂成几块,同时放出中子,这些中子又引起其他铀核裂变,这样,裂变反应一代接一代继续下去,形成链式反应.(2)重核的裂变只能发生在人为控制的核反应中,在自然界中不会自发地发生.铀核裂变不会自发地进行,要使铀核裂变,首先要利用中子轰击铀核,使铀核分裂,分裂产生更多的中子,这些中子继续与其他铀核发生反应,再引起新的裂变,这样就形成了链式反应.[知识梳理] 对核裂变和链式反应的理解(1)核裂变重核被中子轰击后分裂成两个质量差不多的新原子核,并放出核能的过程.(2)铀核裂变用中子轰击铀核时,铀核发生裂变,其产物是多种多样的,其中一种典型的反应是U+10n→Ba+Kr+3n.(3)链式反应由重核裂变产生的中子使裂变反应一代接一代继续下去的过程,叫做核裂变的链式反应.(4)链式反应的条件①铀块的体积大于或等于临界体积或铀块的质量大于或等于临界质量.②有足够数量的慢中子.[即学即用] 铀核裂变时,对于产生链式反应的重要因素,下列说法中正确的是( )A.铀块的质量是重要因素,与体积无关B.为了使裂变的链式反应容易发生,最好直接利用裂变时产生的中子C.若铀235的体积超过它的临界体积,裂变的链式反应就能够发生D.能否发生链式反应与铀的质量无关答案C解析要使铀核裂变产生链式反应,铀块的体积必须大于或等于临界体积或铀块的质量大于或等于临界质量,只要组成铀块的体积小于临界体积或质量小于临界质量就不会产生链式反应,裂变反应中产生的中子为快中子,这些快中子不能直接引发新的裂变,如果铀块的质量大,则其体积大,若超过临界体积时则发生链式反应,由此知A、B、D错误,C正确.二、核电站[知识梳理] 核反应堆的结构及核电站的认识(1)核电站是利用核能发电,它的核心设施是反应堆,它主要由以下几部分组成:①燃料:铀棒.②慢化剂:铀235容易捕获慢中子发生反应,采用石墨、重水或普通水作慢化剂;③控制棒:采用在反应堆中插入镉棒的方法,利用镉吸收中子的能力很强的特性,控制链式反应的速度.(2)工作原理核燃料裂变释放能量,使反应区温度升高.(3)能量输出利用水或液态的金属钠等流体在反应堆内外循环流动,把反应堆内的热量传输出去,用于发电,同时也使反应堆冷却.(4)核污染的处理在反应堆的外面需要修建很厚的水泥层,用来屏蔽裂变产物放出的各种射线.核废料具有很强的放射性,需要装入特制的容器,深埋地下.[即学即用] 核反应堆是实现可控制的重核裂变链式反应的一种装置,它的主要组成部分是( )A.原子燃料、慢化剂、冷却系统和控制调节系统B.原子燃料、慢化剂、发热系统和传热系统C.原子燃料、调速剂、碰撞系统和热系统D.原子燃料、中子源、原子能聚存和输送系统答案A解析核反应堆的主要部分包括:①燃料,即浓缩铀235;②慢化剂,采用石墨、重水或普通水;③控制棒,控制链式反应的速度;④冷却系统,水或液态钠等流体在反应堆内外循环流动,把反应堆的热量传输出去用于发电,故A正确,B、C、D错.三、核聚变[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,必须使核子间接近到发生相互作用的距离,约为10-15 m;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?如何实现对热核反应的控制?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.[知识梳理] 对核聚变的认识(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:21H+H―→He+n+17.6 MeV.(3)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库仑力作用,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以上的高温.[即学即用] (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开尔文的高温,因此聚变又叫做热核反应C.原子弹爆炸能产生几百万开尔文的高温,所以氢弹可以利用原子弹引发热核反应D.太阳和许多恒星内部都在进行着剧烈的热核反应,在地球内部也可自发地进行答案ABC解析轻核聚变时,要使轻核之间距离达到10-15 m,故必须克服库仑斥力做功,A正确;要克服核子间作用力做功,必须使反应的原子核有足够大的动能,方法就是将其加热到几百万开尔文的高温,B正确;热核反应必须在几百万开尔文的高温下进行,这样高的温度可利用原子弹爆炸释放的能量获得,C正确;在太阳和许多恒星内部都存在热核反应,但在地球内部不会自发地进行,D错.四、粒子和宇宙[导学探究] 强子和夸克的关系是怎样的?夸克分多少种?它的带电性是怎样的?什么是夸克的“禁闭”?答案夸克是强子的基本组成成分;夸克有6种: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为+或-;每种夸克都有对应的反夸克;夸克不能以自由的状态单个出现的性质,叫夸克的“禁闭”.[知识梳理] 对粒子和宇宙的理解(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.[即学即用] 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的.u夸克带电荷量为e,d夸克的带电荷量为-e,e为元电荷,下列说法中可能正确的是( )A.质子由1个u夸克和2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2个u夸克和1个d夸克组成答案B解析质子H带电荷量为2×e+=e,中子n带电荷量为e+2×=0.可见B正确.一、重核裂变的理解及核能的计算例1 关于重核的裂变,下列说法正确的是( )A.核裂变释放的能量等于它俘获中子时得到的能量B.中子从铀块中通过时,一定发生链式反应C.重核裂变释放出大量的能量,产生明显的质量亏损,所以核子数减少D.重核裂变为中等质量的核时,要发生质量亏损,放出核能解析核裂变释放的能量来源于裂变过程的质量亏损,是核能转化为其他形式能的过程,其能量远大于俘获中子时吸收的能量,A错误,D正确.发生链式反应是有条件的,铀块的体积必须大于或等于临界体积,否则中子从铀块中穿过时,可能碰不到原子核,则不会发生链式反应,B错误.重核裂变时,核子数守恒,C错误.答案D归纳总结重核裂变的实质:(1)重核裂变是中子轰击质量数较大的原子核,使之分裂成中等质量的原子核,同时释放大量的能量,放出更多中子的过程.(2)重核的裂变是放能核反应,原因是核反应前后质量有亏损,根本原因是重核的比结合能比中等质量的核的比结合能要小.所以在重核分解为两个中等质量核的过程中要释放能量(但核子数守恒),而且释放的能量远大于它俘获中子时得到的能量.例 2 用中子轰击铀核(U),其中的一个可能反应是分裂成钡(Ba)和氪(Kr)两部分,放出3个中子.各个核和中子的质量如下:mU=390.313 9×10-27 kg,mn=1.674 9×10-27 kg;mBa=234.001 6×10-27 kg,mKr=152.604 7×10-27 kg.试写出核反应方程,求出反应中释放的核能.解析根据反应前后质量数守恒、电荷数守恒和反应中的能量守恒,就可以写出核反应方程.根据核反应前后的质量亏损,用爱因斯坦质能方程就可求出释放的核能.铀核裂变方程为n+U―→Ba+Kr+3n,则核反应前后的质量亏损为Δm=mU+mn-mBa-mKr-3mn=3.578×10-28 kg.由爱因斯坦质能方程可得释放的核能为ΔE=Δmc2=3.578×10-28×(3×108)2 J=3.220 2×10-11 J.答案n+U―→Ba+Kr+3n 3.220 2×10-11 J总结提升铀核裂变释放核能的计算(1)首先算出裂变反应中的质量亏损Δm.(2)根据ΔE=Δmc2计算释放的核能计算时要注意Δm与ΔE单位的对应关系:若Δm用kg做单位,则ΔE用J做单位;若Δm用u做单位,则ΔE用MeV做单位,1 u相当于931.5 MeV的能量.(3)若计算一定质量的铀块完全裂变时放出的核能,应先算出铀块中有多少个铀核(设为n),则铀块裂变释放的核能E=nΔE.二、轻核聚变的理解及核能的计算例3 (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H+H→He+nB.“人造太阳”的核反应方程是U+n→Ba+Kr+3nC.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解析H+H→He+n是氢核聚变方程,故A项正确;根据氢核聚变特点,相同质量的核燃料,氢核聚变释放的能量比裂变反应大得多,故选项C正确.答案AC例4 太阳内部持续不断地发生着四个质子聚变为一个氦核同时放出两个正电子的热核反应,这个核反应释放出的大量能量就是太阳的能源.(计算结果在小数点后保留两位小数,1 u相当于931.5 MeV的能量)(1)写出这个核反应方程.(2)这一核反应能释放多少能量?(3)已知太阳每秒释放的能量为 3.8×1026 J,则太阳每秒减少的质量为多少千克?(已知质子质量为mH=1.007 3 u,氦核质量为mHe=4.001 5 u,正电子质量为me =0.000 55 u)解析(1)由题意可得核反应方程为4H→He+2e.(2)反应前的质量m1=4mH=4×1.007 3 u=4.029 2 u,反应后的质量m2=mHe+2me=4.001 5 u+2×0.000 55 u=4.002 6 u,Δm=m1-m2=0.026 6 u,由质能方程得,释放能量ΔE=Δmc2=0.026 6×931.5 MeV≈24.78 MeV.(3)由质能方程ΔE=Δmc2得太阳每秒减少的质量Δm==3×1082) kg≈4.22×109 kg.答案(1)4H→He+2e (2)24.78 MeV(3)4.22×109 kg总结提升重核裂变与轻核聚变的区别1.应的裂变方程为U+n→X+9438Sr+2n,则下列叙述正确的是( )A.X原子核中含有86个中子B.X原子核中含有141个核子C.因为裂变时释放能量,根据E=mc2,所以裂变后的总质量数增加D.因为裂变时释放能量,出现质量亏损,所以生成物的总质量数减少答案A解析X原子核中的核子数为(235+1)-(94+2)=140个,B错误;中子数为140-(92-38)=86个,A正确;裂变时释放能量,出现质量亏损,但是其总质量数是不变的,C、D错误.2.一个铀235吸收一个中子后发生的一种核反应方程是U+n→Xe+Sr+10n,放出的能量为E,铀235核的质量为M,中子的质量为m,氙136核的质量为m1,锶90核的质量为m2,真空中光速为c,则释放的能量E等于( )A.(M-m1-m2)c2B.(M+m-m1-m2)c2C.(M-m1-m2-9m)c2D.(m1+m2+9m-M)c2答案C解析铀235裂变时的质量亏损:Δm=M+m-m1-m2-10m=M-m1-m2-9m,由质能方程可得E=Δmc2=(M-9m-m1-m2)c2.3.某科学家提出年轻热星体中核聚变的一种理论,其中的两个核反应方程为H+C→N+Q1,H+N→C+X+Q2.方程中Q1、Q2表示释放的能量,相关的原子核质量见下表:A.X是He,Q2 >Q1 B.X是He,Q2 >Q1C.X是He,Q2 <Q1 D.X是He,Q2 <Q1答案B解析由核反应过程必须遵守质量数守恒和电荷数守恒知X是He.放出热量分别为Q1和Q2的两个核反应中质量亏损分别为0.002 1 u和0.005 3 u,故Q2>Q1. 4.一个氘核(H)和一个氚核(H)结合成一个氦核(He),同时放出一个中子,已知氘核质量为m1=2.014 1 u,氚核质量为m2=3.016 0 u,氦核质量为m3=4.002 6u,中子质量为m4=1.008 665 u,1 u相当于931.5 MeV的能量,求:(1)写出聚变的核反应方程;(2)此反应过程中释放的能量为多少?平均每个核子释放出多少核能?(结果在小数点后保留一位小数)答案(1)H+H→He+n(2)17.5 MeV 3.5 MeV解析(1)核反应方程为H+H→He+n.(2)此反应过程的质量亏损为Δm=2.014 1 u+3.016 0 u-4.002 6 u-1.008 665 u=0.018 835 u,ΔE=Δmc2=0.018 835×931.5 MeV≈17.5 MeV.平均每个核子释放的核能为 MeV=3.5 MeV.一、选择题(1~6为单选题,7~11为多选题)1.下列核反应中,属于核裂变反应的是( )A.B+n→Li+HeB.U→Th+HeC.N+He→O+HD.U+n→Ba+Kr+3n答案D解析由核裂变反应的特点知,D正确.2.为使链式反应平稳进行,下列办法可行的是( )A.铀块可制成任何的体积B.铀核裂变释放的中子可直接去轰击另外的铀核C.通过慢化剂将产生的中子减速D.用镉棒作为慢化剂使中子减速答案C解析由于使铀块发生链式反应的体积应大于或等于临界体积,故A错误;铀核裂变释放出的为快中子,不能直接用来轰击铀核,必须用慢化剂减速,而镉棒是用于控制中子数量的,故C正确,B、D错误.3.秦山核电站第三期工程中有两个6×105 kW发电机组已实现并网发电.发电站的核能来源于U的裂变,下列说法正确的是( )A.反应堆中核反应速度通常是采用调节92U的体积来控制的B.92U的一种可能裂变为U+n→Xe+Sr+2nC.92U是天然放射性元素,升高温度后它的半衰期会缩短D.虽然核电站能提供很大的能量,但它对环境的污染比火电站严重答案B解析反应堆中核反应速度由控制棒(镉棒)吸收中子的多少来控制,A错;U裂变有多种可能性,这是其中常见的一种,B对;放射性元素的半衰期由原子核本身决定,与温度、压强等外界条件无关,C错;核电站的核能是清洁能源,污染少,D 错.4.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.聚变反应每个核子释放的平均能量一定比裂变反应大C.聚变反应中粒子的比结合能变小D.聚变反应中由于形成质量较大的核,故反应后质量增大答案B解析在一次聚变反应中释放的能量不一定比裂变反应多,故A错误;由于聚变反应中释放出巨大的能量,则比结合能一定增加,质量发生亏损,故C、D错误.5.当两个中子和两个质子结合成一个α粒子时,放出28.3 MeV的能量,当三个α粒子结合成一个碳(C)核时,放出7.26 MeV的能量,则当6个中子和6个质子结合成一个碳(C)核时,释放的能量约为( )A.21.04 MeV B.35.56 MeVC.77.64 MeV D.92.16 MeV答案D解析6个中子和6个质子可结合成3个α粒子,放出能量3×28.3 MeV=84.9 MeV,3个α粒子再结合成一个碳核,放出7.26 MeV能量,故6个中子和6个质子结合成一个碳核时,释放能量为84.9 MeV+7.26 MeV=92.16 MeV.6.“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个带负电荷的电子构成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答案B解析根据反粒子定义,“反粒子”与“正粒子”具有相同质量,但带有等量的异种电荷,因此反氢原子是由1-1H核和0+1e构成的.7.核聚变的主要原料氘,在海水中含量极其丰富.已知氘核的质量为m1,中子的质量为m2,He的质量为m3,质子的质量为m4,则下列说法中正确的是( ) A.两个氘核聚变成一个He所产生的另一个粒子是质子B.两个氘核聚变成一个He所产生的另一个粒子是中子C.两个氘核聚变成一个He所释放的核能为(m1-m3-m4)c2D.与受控核聚变比较,现行的核反应堆产生的废物具有放射性答案BD解析由核反应方程知2H→He+X,X应为中子,释放的核能应为ΔE=(2m1-m3-m2)c2,聚变反应的污染非常小.而现实运行的裂变反应的废料具有很强的放射性,故A、C均错误,B、D正确.8.以下核反应方程中属于核聚变的是( )A.H+H―→He+nB.N+He―→O+HC.H+n―→H+γD.4H―→He+2 0+1e答案ACD解析轻核结合成质量较大的核,释放出核能的反应,称为聚变.9.当一个重核裂变时,它所产生的两个核( )A.含有的质子数比裂变前重核的质子数少B.含有的中子数比裂变前重核的中子数少C.裂变时释放的能量等于俘获中子时得到的能量D.可能是多种形式的两个核的组合答案BD解析由于在裂变反应中吸收一个中子而释放出几个中子,质子数没有发生变化,而两个新核的中子数减少,A错误,B正确;反应前后质量发生了亏损而释放出能量,并不等于俘获中子的能量,在裂变反应中,产物并不是唯一的,故C错误,D 正确.10.在下列四个方程中:X1、X2、X3、X4各代表某种粒子,判断正确的是( )①U+n―→Sr+Xe+3X1 ②H+X2―→He+n ③U―→Th+X3④Mg+He―→Al+X4A.X1是中子B.X2是质子C.X3是α粒子D.X4是氚核答案AC11.我国秦山核电站第三期工程中有两组60万千瓦的发电机组,发电站的核能来源于92U的裂变,现有四种说法正确的是( )A. U原子核中有92个质子,143个中子B. U的一种可能裂变是变成两个中等质量的原子核,反应方程为U+n―→Xe+Sr +2nC. U是天然放射性元素,常温下它的半衰期约为45亿年,升高温度半衰期缩短D.一个U裂变能放出200 MeV的能量,合3.2×10-11 J答案ABD解析由U的质量数和电荷数关系易知A正确;由核反应方程中电荷数守恒和质量数守恒知B正确;半衰期不受外界因素干扰,故C错误;因为200 MeV=200×106×1.6×10-19 J=3.2×10-11 J,所以D正确.二、非选择题12.现有的核电站常用的核反应之一是:92U+n→143 60Nd+Zr+3n+8 0-1e+ν235(1)核反应方程中的是反中微子,它不带电,质量数为零,试确定生成物锆(Zr)的电荷数与质量数.(2)已知铀核的质量为235.043 9 u,中子的质量为 1.008 7 u,钕(Nd)核的质量为142.909 8 u,锆核的质量为89.904 7 u,试计算1 kg铀235裂变释放的能量为多少焦耳?(已知1 u质量相当于931.5 MeV的能量,且1 u=1.660 6×10-27 kg)答案(1)40 90 (2)8.1×1013 J解析(1)锆的电荷数Z=92-60+8=40,质量数A=236-146=90.(2)1 kg铀235中铀核的个数为n=≈2.56×1024(个)不考虑核反应中生成的电子质量,1个铀235核裂变产生的质量亏损为Δm=0.212 u,释放的能量为ΔE=0.212×931.5 MeV≈197.5 MeV则1 kg铀235完全裂变释放的能量为E=nΔE=2.56×1024×197.5 MeV=5.056×1026 MeV≈8.1×1013 J.13.4个氢核聚变成一个氦核,同时放出两个正电子,释放出2.8×106 eV的能量,写出核反应方程,并计算1 g氢核完成这个反应后释放出多少焦耳的能量.(保留三位有效数字)答案4H→He+2e 6.74×1010 J解析该反应的核反应方程为:4H→He+2 0+1e,由此可知,平均每个氢核反应释放出的能量为E0= eV=7×105 eV1 g氢核(即1 mol)所包含的氢核的粒子个数为6.02×1023个应释放出的总能量E为:E=7×105×6.02×1023 eV≈6.74×1010 J.。

教科版高中物理选修3-5:《粒子物理学简介(选学)》教案-新版

教科版高中物理选修3-5:《粒子物理学简介(选学)》教案-新版

3.7《粒子物理学简介(选学)》教案★新课标要求(一)知识与技能1.了解构成物质的“基本粒子”及粒子物理的发展史2.初步了解加速器的发展(二)过程与方法1.感知人类(科学家)探究宇宙奥秘的过程和方法2.能够突破传统思维重新认识客观物质世界(三)情感、态度与价值观1.让学生真正感受到自然的和谐统一并深知创建和谐社会的必要性。

2.培养学生的科学探索精神。

★教学重点了解构成物质的粒子和加速器★教学难点各种微观粒子模型的理解★教学过程(一)引入新课教师:宇宙的起源一直是天文学中困难而又有启发性的问题。

宇宙学中大爆炸论的基本观点是宇宙正在膨胀,要了解宇宙更早期的情况,我们必须研究组成物质的基本粒子。

问题:现在我们所知的构成物体的最小微粒是什么?学生:构成物体的最小微粒为“原子”(不可再分)。

点评:从宇宙的起源角度去引起对物质构的粒子的了解,激发学生的兴趣,积极回答。

教师:其实直到19世纪末,人们都认为原子是组成物质不可分的最小微粒。

20世纪初人们发现了电子,并认为原子并不是不可以再分,而且提出了原子结构模型的研究。

问题:现在我们认为原子是什么结构模型,由什么组成?学生回忆并回答:现在我们认为原子是核式结构,说明原子可再分,原子核由质子与中子构成。

点评:引起学生回忆旧知识并巩固知识。

(二)进行新课1.基本粒子的分类教师:1897年汤姆生发现电子,1911年卢瑟福提出原子的核式结构。

继而我们发现了光子,并认为“光子、电子、质子、中子”是组成物质的不可再分的粒子,所以把它们叫“基本粒子”。

那么随着科学技术的发展“它们”还是不是真正意义上的“基本”粒子呢?学生思考并惊奇。

点评:因为学生所能了解的最小粒子只有这些,所以这节课引起了学生的兴趣。

(可以不按教材顺序介绍,接着介绍新粒子的发现)教师:20世纪30年代以来,人们对宇宙线的研究中发现了一些新的粒子。

思考下面的问题:(1)通过科学核物理实验又发现了哪些粒子?(2)什么是反粒子?(3)现在可以将粒子分为哪几类?在老师的引导下学生带着问题阅读教材。

第6节 核聚变 第7节 粒子物理学简介(选学)

第6节 核聚变 第7节 粒子物理学简介(选学)

第6节核聚变第7节粒子物理学简介(选学)学习目标核心提炼1.了解聚变反应的特点及其条件。

1个概念——核聚变1个条件——聚变反应条件1个聚变过程——21H+31H―→42He+10n+17.6 MeV 2.了解可控热核反应及其研究和发展,会判断和填写核聚变方程,并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。

一、核聚变——热核反应1.核聚变:轻原子核聚合成较重原子核的反应。

2.举例:21H+31H→42He+10n3.聚变与裂变相比具有很多优越性(1)在消耗相同质量的核燃料时,核聚变比核裂变释放更多的能量。

(2)核聚变反应没有废料产生。

(3)核聚变反应所用的氘在地球上的储量丰富。

4.应用:目前,热核反应主要用在核武器上,那就是氢弹,它以原子弹爆炸产生的高温来激发核聚变反应。

5.太阳能:太阳的主要成分是氢,太阳中心温度可达1.5×107K,在此高温下,氢核聚变成氦核的反应不停地进行着,太阳能就来自于太阳内部聚变释放的核能。

思考判断(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)热核反应主要用在核武器上,那就是原子弹。

()(4)轻核聚变比裂变更安全、清洁。

()答案(1)×(2)√(3)×(4)√二、可控核聚变反应研究的进展1.我们把受控聚变情况下释放能量的装置,称为聚变反应堆。

2.一种被称作托卡马克受控热核反应的研究领先于其他途径。

3.近年来的重大突破是将超导技术成功地应用于产生托卡马克强磁场的线圈上。

4.核聚变是一种安全、不产生放射性物质,原料成本低廉的能源。

思考判断(1)用加速器给氘核加速,很容易发生聚变反应。

()(2)托卡马克是利用电磁感应产生的大电流对等离子体加热的,从而实现等离子体核燃料的“点火”。

()(3)目前,人类已经实现了受控热核聚变。

()(4)实现核聚变的难点是地球上没有任何容器能够经受如此高的温度。

高中物理第三章原子核3.7粒子物理学简介教案教科版选

高中物理第三章原子核3.7粒子物理学简介教案教科版选

7.粒子物理学简介【教学目标】1.明白聚变反映,关注受控聚变反映研究的进展.2.通过核能的利用,试探科学技术与社会进步的关系.3.初步了解粒子物理学的基础知识.4.了解、感受科学进展进程中蕴藏着的科学和人文精神.【知识脉络】【教学进程】1.大体粒子(1)1897年汤姆孙发觉了电子后,人们又陆续发觉了质子、中子,以为电子、中子、质子是组成物质的大体粒子.(2)1932年,安德森发觉了正电子,它的质量、电荷量与电子相同,电荷符号与电子相反,它被称为电子的反粒子,正电子也成了大体粒子.2.大体粒子的分类按粒子参与彼此作用的性质把粒子分为三类:它们别离是:媒介子、轻子、强子.3.加速器粒子加速器是用人工方式产生高速粒子的设备,按加速粒子的路径大致分为两类:一类是直线加速器,带电粒子沿直线运动;一类是回旋加速器,带电粒子沿圆弧运动,并反复加速.能够实现两束相对运动的粒子对接的设备叫做对撞机.【判断】1.质子、中子、电子都是不可再分的大体粒子.(×)2.质子和反质子的电量相同,电性相反.(√)3.依照夸克模型,电子所带电荷再也不是电荷的最小单元.(√)4.回旋加速器加速带电粒子时,高频电源的频率应等于回旋粒子的频率.(√)【试探】1.为何说大体粒子不大体?【提示】一方面是因为这些原来被以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觉的很多种新粒子都不是由原来以为的那些大体粒子组成的.2.北京正负电子对撞机于1988年10月完成建设,成功实现正负电子对撞,你了解对撞机的工作原理吗?它有什么作用?【提示】 对撞机的工作原理是粒子先在同步加速器中加速,然后射入对撞机.在对撞机里两束粒子流反方向回旋,并进一步加速,在轨道交叉的地方彼此碰撞.对撞机的出现,大大提高了有效作用能,因此它在高能物质实验中起着日趋显著的作用.最近几年来,在粒子物质中的一系列重大发觉和研究功效,几乎都是在对撞机上取得的.1.新粒子的发觉及特点 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分类 参与的相互作用发现的粒子 备注媒介子传递各种相互作用光子、中间玻色子、胶子光子、中间玻色子、胶子分别传递电磁、弱、强相互作用轻子不参与强相互作用电子、电子中微子、μ子、μ子中微子、τ子、τ子中微子未发现内部结构强子 参与强相互作用质子、中子、介子、超子强子有内部结构,由“夸克”构成;强子又可分为介子和重子夸克有6种,它们是上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克、底夸克、顶夸克,它们带的电荷是电子或质子所带电荷的23或13.每种夸克都有对应的反夸克.4.两点提示(1)质子是最先发觉的强子,电子是最先发觉的轻子,τ子的质量比核子的质量大,但力的性质决定了它属于轻子.(2)粒子具有对称性,有一个粒子,必存在一个反粒子,它们相遇时会发生“湮灭”,即同时消失而转化成其他的粒子.【指津】对核反映中新生成粒子的熟悉:新生成的粒子和实物粒子一样,它们之间发生彼此作历时,一样遵循动量守恒定律等力学规律.【教学反思】。

高中物理 第三章 原子核 3.6 核聚变 3.7 粒子物理学简介课件 教科版选修3-5.pptx

高中物理 第三章 原子核 3.6 核聚变 3.7 粒子物理学简介课件 教科版选修3-5.pptx
6 核聚变 7 粒子物理学简介
1
[目标定位] 1.知道什么是聚变反应,会计算核聚变中释放 的核能.2.知道热核反应,了解可控热核反应及其研究和发 展.3.了解构成物质的“基本粒子”及粒子物理的发展史.
2
一、核聚变 1.定义:两个轻核结合成 较重 原子核的反应,轻核聚变必须在
高温下进行,因此又叫 热核反应 . 2.能量变化:轻核聚变后,平均结合能增加,反应中会释放能量. 3.核反应举例:21H+31H→ 42He +10n+17.6 MeV. 4.核反应条件:必须使它们的距离达到 10-15 m 以内,使核具
A.21H+13H→42He+10n 是聚变 B.29325U+10n→15440Xe+9348Sr+210n 是裂变 C.28286Ra→28262Rn+42He 是 α 衰变 D.2114Na→2142Mg+-10e 是裂变 答案 D
()
13
解析 A 选项中是两个质量较轻的核结合成了一个质量较重的 核,是聚变反应,故 A 选项正确;B 选项的核反应中是铀核捕获 中子裂变为两个(或更多)中等质量的核,并放出几个中子,是裂 变反应,故 B 选项正确;在 C 选项的核反应中没有中子的轰击自 发地放出了 α 粒子,是 α 衰变,C 选项是正确的;而 D 应是 β 衰 变,不正确;故答案为 D.
6
3.夸克模型 (1)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. (2)分类:上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克、底夸克、顶 夸克;它们带的电荷量分别为元电荷的 +23 或 -13 ,每种夸 克都有对应的 反夸克 . (3)意义:元电荷不再是电荷的 最小单位 ,即存在分数电荷. (4)夸克的“禁闭” 夸克不能以 自由 的状态单个出现,这种性质称为夸克的“禁 闭”.

19.7 核聚变 高中物理选修3-5优秀教案优秀教学设计【精品】 (2)

19.7 核聚变   高中物理选修3-5优秀教案优秀教学设计【精品】 (2)

7 核聚变★新课标要求(一)知识与技能1.了解聚变反应的特点及其条件.2.了解可控热核反应及其研究和发展.3.知道轻核的聚变能够释放出很多的能量,如果能加以控制将为人类提供广阔的能源前景。

(二)过程与方法通过让学生自己阅读课本,培养他们归纳与概括知识的能力和提出问题的能力(三)情感、态度与价值观1.通过学习,使学生进一步认识导科学技术的重要性,更加热爱科学、勇于献身科学。

2.认识核能的和平利用能为人类造福,但若用于战争目的将给人类带来灾难,希望同学们努力学习,为人类早日和平利用核聚变能而作出自己的努力。

★教学重点聚变核反应的特点。

聚变反应的条件。

★课时安排1 课时★教学过程能源是推动科学技术和经济高速发展的动力保障,需求正在急剧增加。

煤、石油等化石能源的不可再生,使资源日益枯竭,而且给地球带来了巨大的污染,这些因素促使人们更加重视寻找洁净的、可持续发展的新能源。

近年来,核能作为一种新能源倍受人们关注,核反应有些释放能量,有些吸收能量,人们想利用核能,当然必须选那些释放核能的核反应。

什么样的核反应能释放核能呢?利用天然放射性元素的衰变行吗?例如:U238在α衰变时放出的α粒子具有4.18MeV 的能量,但它的半衰期很长,达4.49亿年,衰变非常缓慢,功率太小。

利用人工核转变行吗?例如:M n C He Be 6.5101264294++→+M n He n Be 8.431421063++→+但粒子击中原子核的概率太低,只有百万分之一、二。

实在得不偿失!有哪些核反应才真正具有实用价值呢?那么如何获得核能呢?重核裂变和轻核聚变是获得核能的两个重要途径。

这节课我们学习轻核的聚变。

轻核聚变:核物理中把轻核结合成质量较大的核,释放出核能的反应,称为聚变。

三、轻核聚变学生阅读课文,并回答下列问题:(1)是否任意核聚变在一起都释放出能量?为什么?(2)什么叫轻核的聚变?(3)发生轻核聚变的条件是什么?结合裂变知识,引导学生回答问题:不是任意核聚变在一起都能释放能量。

教科版高中物理选修3-5:《核聚变》学案-新版

教科版高中物理选修3-5:《核聚变》学案-新版

3.6《核聚变》学案
学习目标
(1)了解聚变反应的特点及其条件;
(2)了解可控热核反应及其研究和发展;
(3)知道轻核的聚变能够释放出很多的能量,如果能加以控制将为人类提供广阔的能源前景。

学习重点:聚变核反应的特点。

聚变反应的条件。

预习巩固
1.氘和氚发生聚变反应的核反应方程式是21H+31H→42He+10n+17.6MeV,若
有2g氘和3g氚全部发生聚变,N A为阿伏加德罗常数,则释放的能量是()
A.N A×17.6MeV
B.5N A×17.6MeV
C.2N A×17.6MeV
D.3N A×17.6MeV
解析由核反应方程可知1个氘核和1个氚核聚变成氦核时放出17.6MeV 能量和1个中子,则1 mol的氘和1mol氚全部聚变成1mol氦核时释放的能量为ΔE=N A×17.6MeV.
答案 A
2.为应对能源危机和优化能源结构,提高清洁能源的比重,我国制定了优
先选择核能,其次加快发展风电和再生能源的政策,在《核电中长期发展规划》中要求2020年核电运行装机总容量达到4 000万千瓦的水平,请根据所学物理知识,判断下列说法中正确的是()
A.核能发电对环境的污染比火力发电要小
B.核能发电对环境的污染比火力发电要大
C.所有核电站都只利用重核裂变释放大量的原子能
D.既有重核裂变,又有轻核聚变释放大量的原子能
解析目前核电站都用核裂变,其原料是铀,且核裂变在核反应堆中应用的是比较清洁的能源,故A、C正确,B、D错.
答案AC。

高中物理 第3章 原子核 6 核聚变 7 粒子物理学简介(选学)教师用书 教科版选修3-5

高中物理 第3章 原子核 6 核聚变 7 粒子物理学简介(选学)教师用书 教科版选修3-5

6.核聚变7.粒子物理学简介(选学)学习目标知识脉络1.知道聚变反应,关注受控聚变反应研究的进展.2.通过核能的利用,思考科学技术与社会进步的关系.3.初步了解粒子物理学的基础知识.4.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:把轻原子核聚合成较重原子核的反应称为聚变反应,简称核聚变.2.热核反应(1)举例:一个氘核和一个氚核聚变成一个氦核的核反应方程:21H+31H―→42He+10n+17.60 MeV(2)反应条件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.(3)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.3.可控核聚变反应研究的进展(1)把受控聚变情况下释放能量的装置,称为聚变反应堆,20世纪下半叶,聚变能的研究取得重大进展.(2)核聚变的约束方法:磁约束和惯性约束,托卡马克采用的是磁约束方式.(3)核聚变是一种安全,不产生放射性物质、原料成本低的能源,是人类未来能源的希望.3.恒星演化中的核反应(1)现阶段,供太阳发生核聚变过程的燃料是氢.(2)大约50亿年后,太阳的核心的核聚变过程是:42He+42He→84Be,42He+84Be→12 6C.[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10-15m,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.3.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.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.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E.轻核聚变易控制,目前世界上的核电站多数是利用核聚变反应释放核能【解析】轻核聚变时,必须使轻核之间距离达到10-15m,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,E错误;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】ABC2.如图3­6­1所示,托卡马克(Tokamak) 是研究受控核聚变的一种装置,这个词是toroidal(环形的)、kamera(真空室)、magnit(磁)的头两个字母以及katushka(线圈)的第一个字母组成的缩写词.根据以上信息,下述判断中可能正确的是( )图3­6­1A .这种装置的核反应原理是轻核的聚变,同时释放出大量的能量,和太阳发光的原理类似B .线圈的作用是通电产生磁场使带电粒子在磁场中旋转而不溢出C .这种装置同我国秦山、大亚湾核电站所使用核装置的核反应原理相同D .这种装置可以控制热核反应速度,使聚变能缓慢而稳定地进行E .这种装置是利用电场来约束带电粒子的【解析】 聚变反应原料在装置中发生聚变,放出能量,故A 正确;线圈通电时产生磁场,带电粒子在磁场中受洛伦兹力作用不飞出,故B 正确,E 错误;核电站的原理是裂变,托卡马克的原理是聚变,故C 错误;该装置使人们可以在实验中控制反应速度,平稳释放核能,故D 正确.【答案】 ABD3.氘核(21H)和氚核(31H)结合成氦核(42He)的核反应方程如下:21H +31H →42He +10n +17.6MeV(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________(选填“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________(选填“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 =Δmc 2,可以求得Δm =ΔEc2≈3×10-29 kg.【答案】 (1)核聚变 (2)放出 减少 3×10-291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.粒子物理学简介[先填空]1.基本粒子(1)1897年汤姆孙发现了电子后,人们又陆续发现了质子、中子,认为电子、中子、质子是组成物质的基本粒子.(2)1932年,安德森发现了正电子,它的质量、电荷量与电子相同,电荷符号与电子相反,它被称为电子的反粒子,正电子也成为了基本粒子.2.基本粒子的分类按粒子参与相互作用的性质把粒子分为三类:它们分别是:媒介子、轻子、强子.3.加速器粒子加速器是用人工方法产生高速粒子的设备,按加速粒子的路径大致分为两类:一类是直线加速器,带电粒子沿直线运动;一类是回旋加速器,带电粒子沿圆弧运动,并反复加速.能够实现两束相对运动的粒子对接的设备叫做对撞机.[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.(√)4.回旋加速器加速带电粒子时,高频电源的频率应等于回旋粒子的频率.(√)[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.2.北京正负电子对撞机于1988年10月完成建设,成功实现正负电子对撞,你了解对撞机的工作原理吗?它有什么作用?【提示】对撞机的工作原理是粒子先在同步加速器中加速,然后射入对撞机.在对撞机里两束粒子流反方向回旋,并进一步加速,在轨道交叉的地方相互碰撞.对撞机的出现,大大提高了有效作用能,因此它在高能物质实验中起着日益显著的作用.近年来,在粒子物质中的一系列重大发现和研究成果,几乎都是在对撞机上获得的.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分类参与的相互作用发现的粒子备注媒介子传递各种相互作用光子、中间玻色子、胶子光子、中间玻色子、胶子分别传递电磁、弱、强相互作用轻子不参与强相互作用电子、电子中微子、μ子、μ子中微子、τ子、τ子中微子未发现内部结构强子参与强相互作用质子、中子、介子、超子强子有内部结构,由“夸克”构成;强子又可分为介子和重子夸克有6种,它们是上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克、底夸克、顶夸克,它们带的电荷是电子或质子所带电荷的23或13.每种夸克都有对应的反夸克.4.两点提醒(1)质子是最早发现的强子,电子是最早发现的轻子,τ子的质量比核子的质量大,但力的性质决定了它属于轻子.(2)粒子具有对称性,有一个粒子,必存在一个反粒子,它们相遇时会发生“湮灭”,即同时消失而转化成其他的粒子.4.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 .强子中也有不带电的粒子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E .超子的质量比质子的质量还大【解析】 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 错误,B 正确;夸克模型是研究强子结构的理论,不同夸克带电不同,分别为+23e 和-e3,说明电子电荷不再是电荷的最小单位,C错误,D 正确,超子属于强子,其质量比质子质量还大些,E 正确.【答案】 BDE5.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11H 的核反应,间接地证实了中微子的存在.【导学号:11010053】(1)中微子与水中的11H 发生核反应,产生中子(10n)和正电子(01e),即:中微子+11H→10n+01e可以判定,中微子的质量数和电荷数分别是________.(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01e+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,原因是什么?【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数都是0.(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=Δmc2,故一个光子的能量为E2,代入数据得E2=8.2×10-14J.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,故只有产生2个光子,此过程才遵循动量守恒定律.【答案】0和0 8.2×10-14 J 见解析对核反应中新生成粒子的认识新生成的粒子和实物粒子一样,它们之间发生相互作用时,同样遵循动量守恒定律等力学规律.。

创新设计高中物理教科版选修3-5课堂学案配套课件3-6.7

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三、粒子 1.“基本粒子”不基本
“基本粒子”:直到19世纪末,人们认为光子、 电子、质 子、中子是“基本粒子”,随着科学的发展,一方面逐渐 发现了数以百计的新粒子,它们都不是由 中子、 质子、 电子 组成的;另一方面科学家又发现质子、中子等本身也 有自己的复杂的结构.因此,20世纪后半期,就将“基 本”去掉,统称 粒子. 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.
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3.夸克模型 (1)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. (2)分类:上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克、底夸克、顶 夸克;它们带的电荷量分别为元电荷的 +23 或 -13 ,每种夸 克都有对应的 反夸克 . (3)意义:元电荷不再是电荷的 最小单位 ,即存在分数电荷. (4)夸克的“禁闭” 夸克不能以 自由 的状态单个出现,这种性质称为夸克的“禁 闭”.
解析 A 选项中是两个质量较轻的核结合成了一个质量较重的 核,是聚变反应,故 A 选项正确;B 选项的核反应中是铀核捕获 中子裂变为两个(或更多)中等质量的核,并放出几个中子,是裂 变反应,故 B 选项正确;在 C 选项的核反应中没有中子的轰击自 发地放出了 α 粒子,是 α 衰变,C 选项是正确的;而 D 应是 β 衰 变,不正确;故答案为 D.
6.氢弹原理: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热核爆炸.
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二、可控热核反应与恒星演化中的核反应 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.太阳等恒星内部进行的核反应是 轻核聚变 反应.

人教版高中物理选修3-5学案:第十九章学案6、7、8

人教版高中物理选修3-5学案:第十九章学案6、7、8

人教版高中物理选修3-5学案:第十九章学案6、7、87 核聚变8 粒子和宇宙[学习目标] 1.知道重核的裂变反应和链式反应发生的条件.2.掌握核聚变的定义及发生条件.3.会判断和书写核裂变、核聚变方程,能计算核反应释放的能量.一、核裂变和链式反应[导学探究] (1)铀核裂变是如何发生的?(2)铀核裂变在自然界中能自发进行吗?答案(1)铀核的裂变①核子受激发当中子进入铀235后,便形成了处于激发状态的复核,复核中由于核子的激烈运动,使核变成不规则的形状.②核子分裂核子间的距离增大,因而核力迅速减弱,使得原子核由于质子间的斥力作用而分裂成几块,同时放出中子,这些中子又引起其他铀核裂变,这样,裂变反应一代接一代继续下去,形成链式反应.(2)重核的裂变只能发生在人为控制的核反应中,在自然界中不会自发地发生.铀核裂变不会自发地进行,要使铀核裂变,首先要利用中子轰击铀核,使铀核分裂,分裂产生更多的中子,这些中子继续与其他铀核发生反应,再引起新的裂变,这样就形成了链式反应.[知识梳理] 对核裂变和链式反应的理解(1)核裂变重核被中子轰击后分裂成两个质量差不多的新原子核,并放出核能的过程.(2)铀核裂变用中子轰击铀核时,铀核发生裂变,其产物是多种多样的,其中一种典型的反应是U+10n→Ba+Kr+3n.(3)链式反应由重核裂变产生的中子使裂变反应一代接一代继续下去的过程,叫做核裂变的链式反应.(4)链式反应的条件①铀块的体积大于或等于临界体积或铀块的质量大于或等于临界质量.②有足够数量的慢中子.[即学即用] 铀核裂变时,对于产生链式反应的重要因素,下列说法中正确的是( )A.铀块的质量是重要因素,与体积无关B.为了使裂变的链式反应容易发生,最好直接利用裂变时产生的中子C.若铀235的体积超过它的临界体积,裂变的链式反应就能够发生D.能否发生链式反应与铀的质量无关答案C解析要使铀核裂变产生链式反应,铀块的体积必须大于或等于临界体积或铀块的质量大于或等于临界质量,只要组成铀块的体积小于临界体积或质量小于临界质量就不会产生链式反应,裂变反应中产生的中子为快中子,这些快中子不能直接引发新的裂变,如果铀块的质量大,则其体积大,若超过临界体积时则发生链式反应,由此知A、B、D错误,C正确.二、核电站[知识梳理] 核反应堆的结构及核电站的认识(1)核电站是利用核能发电,它的核心设施是反应堆,它主要由以下几部分组成:①燃料:铀棒.②慢化剂:铀235容易捕获慢中子发生反应,采用石墨、重水或普通水作慢化剂;③控制棒:采用在反应堆中插入镉棒的方法,利用镉吸收中子的能力很强的特性,控制链式反应的速度.(2)工作原理核燃料裂变释放能量,使反应区温度升高.(3)能量输出利用水或液态的金属钠等流体在反应堆内外循环流动,把反应堆内的热量传输出去,用于发电,同时也使反应堆冷却.(4)核污染的处理在反应堆的外面需要修建很厚的水泥层,用来屏蔽裂变产物放出的各种射线.核废料具有很强的放射性,需要装入特制的容器,深埋地下.[即学即用] 核反应堆是实现可控制的重核裂变链式反应的一种装置,它的主要组成部分是( )A.原子燃料、慢化剂、冷却系统和控制调节系统B.原子燃料、慢化剂、发热系统和传热系统C.原子燃料、调速剂、碰撞系统和热系统D.原子燃料、中子源、原子能聚存和输送系统答案A解析核反应堆的主要部分包括:①燃料,即浓缩铀235;②慢化剂,采用石墨、重水或普通水;③控制棒,控制链式反应的速度;④冷却系统,水或液态钠等流体在反应堆内外循环流动,把反应堆的热量传输出去用于发电,故A正确,B、C、D错.三、核聚变[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,必须使核子间接近到发生相互作用的距离,约为10-15 m;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?如何实现对热核反应的控制?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.[知识梳理] 对核聚变的认识(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:21H+H―→He+n+17.6 MeV.(3)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库仑力作用,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以上的高温.[即学即用] (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开尔文的高温,因此聚变又叫做热核反应C.原子弹爆炸能产生几百万开尔文的高温,所以氢弹可以利用原子弹引发热核反应D.太阳和许多恒星内部都在进行着剧烈的热核反应,在地球内部也可自发地进行答案ABC解析轻核聚变时,要使轻核之间距离达到10-15 m,故必须克服库仑斥力做功,A正确;要克服核子间作用力做功,必须使反应的原子核有足够大的动能,方法就是将其加热到几百万开尔文的高温,B正确;热核反应必须在几百万开尔文的高温下进行,这样高的温度可利用原子弹爆炸释放的能量获得,C正确;在太阳和许多恒星内部都存在热核反应,但在地球内部不会自发地进行,D错.四、粒子和宇宙[导学探究] 强子和夸克的关系是怎样的?夸克分多少种?它的带电性是怎样的?什么是夸克的“禁闭”?答案夸克是强子的基本组成成分;夸克有6种: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为+或-;每种夸克都有对应的反夸克;夸克不能以自由的状态单个出现的性质,叫夸克的“禁闭”.[知识梳理] 对粒子和宇宙的理解(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.[即学即用] 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的.u夸克带电荷量为e,d夸克的带电荷量为-e,e为元电荷,下列说法中可能正确的是( )A.质子由1个u夸克和2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2个u夸克和1个d夸克组成答案B解析质子H带电荷量为2×e+=e,中子n带电荷量为e+2×=0.可见B正确.一、重核裂变的理解及核能的计算例1 关于重核的裂变,下列说法正确的是( )A.核裂变释放的能量等于它俘获中子时得到的能量B.中子从铀块中通过时,一定发生链式反应C.重核裂变释放出大量的能量,产生明显的质量亏损,所以核子数减少D.重核裂变为中等质量的核时,要发生质量亏损,放出核能解析核裂变释放的能量来源于裂变过程的质量亏损,是核能转化为其他形式能的过程,其能量远大于俘获中子时吸收的能量,A错误,D正确.发生链式反应是有条件的,铀块的体积必须大于或等于临界体积,否则中子从铀块中穿过时,可能碰不到原子核,则不会发生链式反应,B错误.重核裂变时,核子数守恒,C错误.答案D归纳总结重核裂变的实质:(1)重核裂变是中子轰击质量数较大的原子核,使之分裂成中等质量的原子核,同时释放大量的能量,放出更多中子的过程.(2)重核的裂变是放能核反应,原因是核反应前后质量有亏损,根本原因是重核的比结合能比中等质量的核的比结合能要小.所以在重核分解为两个中等质量核的过程中要释放能量(但核子数守恒),而且释放的能量远大于它俘获中子时得到的能量.例 2 用中子轰击铀核(U),其中的一个可能反应是分裂成钡(Ba)和氪(Kr)两部分,放出3个中子.各个核和中子的质量如下:mU=390.313 9×10-27 kg,mn=1.674 9×10-27 kg;mBa=234.001 6×10-27 kg,mKr=152.604 7×10-27 kg.试写出核反应方程,求出反应中释放的核能.解析根据反应前后质量数守恒、电荷数守恒和反应中的能量守恒,就可以写出核反应方程.根据核反应前后的质量亏损,用爱因斯坦质能方程就可求出释放的核能.铀核裂变方程为n+U―→Ba+Kr+3n,则核反应前后的质量亏损为Δm=mU+mn-mBa-mKr-3mn=3.578×10-28 kg.由爱因斯坦质能方程可得释放的核能为ΔE=Δmc2=3.578×10-28×(3×108)2 J=3.220 2×10-11 J.答案n+U―→Ba+Kr+3n 3.220 2×10-11 J总结提升铀核裂变释放核能的计算(1)首先算出裂变反应中的质量亏损Δm.(2)根据ΔE=Δmc2计算释放的核能计算时要注意Δm与ΔE单位的对应关系:若Δm用kg做单位,则ΔE用J做单位;若Δm用u做单位,则ΔE用MeV做单位,1 u相当于931.5 MeV的能量.(3)若计算一定质量的铀块完全裂变时放出的核能,应先算出铀块中有多少个铀核(设为n),则铀块裂变释放的核能E=nΔE.二、轻核聚变的理解及核能的计算例3 (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H+H→He+nB.“人造太阳”的核反应方程是U+n→Ba+Kr+3nC.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解析H+H→He+n是氢核聚变方程,故A项正确;根据氢核聚变特点,相同质量的核燃料,氢核聚变释放的能量比裂变反应大得多,故选项C正确.答案AC例4 太阳内部持续不断地发生着四个质子聚变为一个氦核同时放出两个正电子的热核反应,这个核反应释放出的大量能量就是太阳的能源.(计算结果在小数点后保留两位小数,1 u相当于931.5 MeV的能量)(1)写出这个核反应方程.(2)这一核反应能释放多少能量?(3)已知太阳每秒释放的能量为 3.8×1026 J,则太阳每秒减少的质量为多少千克?(已知质子质量为mH=1.007 3 u,氦核质量为mHe=4.001 5 u,正电子质量为me =0.000 55 u)解析(1)由题意可得核反应方程为4H→He+2e.(2)反应前的质量m1=4mH=4×1.007 3 u=4.029 2 u,反应后的质量m2=mHe+2me=4.001 5 u+2×0.000 55 u=4.002 6 u,Δm=m1-m2=0.026 6 u,由质能方程得,释放能量ΔE=Δmc2=0.026 6×931.5 MeV≈24.78 MeV.(3)由质能方程ΔE=Δmc2得太阳每秒减少的质量Δm==3×1082) kg≈4.22×109 kg.答案(1)4H→He+2e (2)24.78 MeV(3)4.22×109 kg总结提升重核裂变与轻核聚变的区别1.一个+n→X +9438Sr+2n,则下列叙述正确的是( )A.X原子核中含有86个中子B.X原子核中含有141个核子C.因为裂变时释放能量,根据E=mc2,所以裂变后的总质量数增加D.因为裂变时释放能量,出现质量亏损,所以生成物的总质量数减少答案A解析X原子核中的核子数为(235+1)-(94+2)=140个,B错误;中子数为140-(92-38)=86个,A正确;裂变时释放能量,出现质量亏损,但是其总质量数是不变的,C、D错误.2.一个铀235吸收一个中子后发生的一种核反应方程是U+n→Xe+Sr+10n,放出的能量为E,铀235核的质量为M,中子的质量为m,氙136核的质量为m1,锶90核的质量为m2,真空中光速为c,则释放的能量E等于( )A.(M-m1-m2)c2B.(M+m-m1-m2)c2C.(M-m1-m2-9m)c2D.(m1+m2+9m-M)c2答案C解析铀235裂变时的质量亏损:Δm=M+m-m1-m2-10m=M-m1-m2-9m,由质能方程可得E=Δmc2=(M-9m-m1-m2)c2.3.某科学家提出年轻热星体中核聚变的一种理论,其中的两个核反应方程为H+C→N+Q1,H+N→C+X+Q2.方程中Q1、Q2表示释放的能量,相关的原子核质量见下表:A.X是He,Q2 >Q1 B.X是He,Q2 >Q1C.X是He,Q2 <Q1 D.X是He,Q2 <Q1答案B解析由核反应过程必须遵守质量数守恒和电荷数守恒知X是He.放出热量分别为Q1和Q2的两个核反应中质量亏损分别为0.002 1 u和0.005 3 u,故Q2>Q1. 4.一个氘核(H)和一个氚核(H)结合成一个氦核(He),同时放出一个中子,已知氘核质量为m1=2.014 1 u,氚核质量为m2=3.016 0 u,氦核质量为m3=4.002 6u,中子质量为m4=1.008 665 u,1 u相当于931.5 MeV的能量,求:(1)写出聚变的核反应方程;(2)此反应过程中释放的能量为多少?平均每个核子释放出多少核能?(结果在小数点后保留一位小数)答案(1)H+H→He+n(2)17.5 MeV 3.5 MeV解析(1)核反应方程为H+H→He+n.(2)此反应过程的质量亏损为Δm=2.014 1 u+3.016 0 u-4.002 6 u-1.008 665 u=0.018 835 u,ΔE=Δmc2=0.018 835×931.5 MeV≈17.5 MeV.平均每个核子释放的核能为 MeV=3.5 MeV.一、选择题(1~6为单选题,7~11为多选题)1.下列核反应中,属于核裂变反应的是( )A.B+n→Li+HeB.U→Th+HeC.N+He→O+HD.U+n→Ba+Kr+3n答案D解析由核裂变反应的特点知,D正确.2.为使链式反应平稳进行,下列办法可行的是( )A.铀块可制成任何的体积B.铀核裂变释放的中子可直接去轰击另外的铀核C.通过慢化剂将产生的中子减速D.用镉棒作为慢化剂使中子减速答案C解析由于使铀块发生链式反应的体积应大于或等于临界体积,故A错误;铀核裂变释放出的为快中子,不能直接用来轰击铀核,必须用慢化剂减速,而镉棒是用于控制中子数量的,故C正确,B、D错误.3.秦山核电站第三期工程中有两个6×105 kW发电机组已实现并网发电.发电站的核能来源于U的裂变,下列说法正确的是( )A.反应堆中核反应速度通常是采用调节92U的体积来控制的B.92U的一种可能裂变为U+n→Xe+Sr+2nC.92U是天然放射性元素,升高温度后它的半衰期会缩短D.虽然核电站能提供很大的能量,但它对环境的污染比火电站严重答案B解析反应堆中核反应速度由控制棒(镉棒)吸收中子的多少来控制,A错;U裂变有多种可能性,这是其中常见的一种,B对;放射性元素的半衰期由原子核本身决定,与温度、压强等外界条件无关,C错;核电站的核能是清洁能源,污染少,D 错.4.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.聚变反应每个核子释放的平均能量一定比裂变反应大C.聚变反应中粒子的比结合能变小D.聚变反应中由于形成质量较大的核,故反应后质量增大答案B解析在一次聚变反应中释放的能量不一定比裂变反应多,故A错误;由于聚变反应中释放出巨大的能量,则比结合能一定增加,质量发生亏损,故C、D错误.5.当两个中子和两个质子结合成一个α粒子时,放出28.3 MeV的能量,当三个α粒子结合成一个碳(C)核时,放出7.26 MeV的能量,则当6个中子和6个质子结合成一个碳(C)核时,释放的能量约为( )A.21.04 MeV B.35.56 MeVC.77.64 MeV D.92.16 MeV答案D解析6个中子和6个质子可结合成3个α粒子,放出能量3×28.3 MeV=84.9 MeV,3个α粒子再结合成一个碳核,放出7.26 MeV能量,故6个中子和6个质子结合成一个碳核时,释放能量为84.9 MeV+7.26 MeV=92.16 MeV.6.“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个带负电荷的电子构成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答案B解析根据反粒子定义,“反粒子”与“正粒子”具有相同质量,但带有等量的异种电荷,因此反氢原子是由1-1H核和0+1e构成的.7.核聚变的主要原料氘,在海水中含量极其丰富.已知氘核的质量为m1,中子的质量为m2,He的质量为m3,质子的质量为m4,则下列说法中正确的是( ) A.两个氘核聚变成一个He所产生的另一个粒子是质子B.两个氘核聚变成一个He所产生的另一个粒子是中子C.两个氘核聚变成一个He所释放的核能为(m1-m3-m4)c2D.与受控核聚变比较,现行的核反应堆产生的废物具有放射性答案BD解析由核反应方程知2H→He+X,X应为中子,释放的核能应为ΔE=(2m1-m3-m2)c2,聚变反应的污染非常小.而现实运行的裂变反应的废料具有很强的放射性,故A、C均错误,B、D正确.8.以下核反应方程中属于核聚变的是( )A.H+H―→He+nB.N+He―→O+HC.H+n―→H+γD.4H―→He+2 0+1e答案ACD解析轻核结合成质量较大的核,释放出核能的反应,称为聚变.9.当一个重核裂变时,它所产生的两个核( )A.含有的质子数比裂变前重核的质子数少B.含有的中子数比裂变前重核的中子数少C.裂变时释放的能量等于俘获中子时得到的能量D.可能是多种形式的两个核的组合答案BD解析由于在裂变反应中吸收一个中子而释放出几个中子,质子数没有发生变化,而两个新核的中子数减少,A错误,B正确;反应前后质量发生了亏损而释放出能量,并不等于俘获中子的能量,在裂变反应中,产物并不是唯一的,故C错误,D 正确.10.在下列四个方程中:X1、X2、X3、X4各代表某种粒子,判断正确的是( )①U+n―→Sr+Xe+3X1 ②H+X2―→He+n ③U―→Th+X3④Mg+He―→Al+X4A.X1是中子B.X2是质子C.X3是α粒子D.X4是氚核答案AC11.我国秦山核电站第三期工程中有两组60万千瓦的发电机组,发电站的核能来源于92U的裂变,现有四种说法正确的是( )A. U原子核中有92个质子,143个中子B. U的一种可能裂变是变成两个中等质量的原子核,反应方程为U+n―→Xe+Sr +2nC. U是天然放射性元素,常温下它的半衰期约为45亿年,升高温度半衰期缩短D.一个U裂变能放出200 MeV的能量,合3.2×10-11 J答案ABD解析由U的质量数和电荷数关系易知A正确;由核反应方程中电荷数守恒和质量数守恒知B正确;半衰期不受外界因素干扰,故C错误;因为200 MeV=200×106×1.6×10-19 J=3.2×10-11 J,所以D正确.二、非选择题12.现有的核电站常用的核反应之一是:92U+n→143 60Nd+Zr+3n+8 0-1e+ν235(1)核反应方程中的是反中微子,它不带电,质量数为零,试确定生成物锆(Zr)的电荷数与质量数.(2)已知铀核的质量为235.043 9 u,中子的质量为 1.008 7 u,钕(Nd)核的质量为142.909 8 u,锆核的质量为89.904 7 u,试计算1 kg铀235裂变释放的能量为多少焦耳?(已知1 u质量相当于931.5 MeV的能量,且1 u=1.660 6×10-27 kg)答案(1)40 90 (2)8.1×1013 J解析(1)锆的电荷数Z=92-60+8=40,质量数A=236-146=90.(2)1 kg铀235中铀核的个数为n=≈2.56×1024(个)不考虑核反应中生成的电子质量,1个铀235核裂变产生的质量亏损为Δm=0.212 u,释放的能量为ΔE=0.212×931.5 MeV≈197.5 MeV则1 kg铀235完全裂变释放的能量为E=nΔE=2.56×1024×197.5 MeV=5.056×1026 MeV≈8.1×1013 J.13.4个氢核聚变成一个氦核,同时放出两个正电子,释放出2.8×106 eV的能量,写出核反应方程,并计算1 g氢核完成这个反应后释放出多少焦耳的能量.(保留三位有效数字)答案4H→He+2e 6.74×1010 J解析该反应的核反应方程为:4H→He+2 0+1e,由此可知,平均每个氢核反应释放出的能量为E0= eV=7×105 eV1 g氢核(即1 mol)所包含的氢核的粒子个数为6.02×1023个应释放出的总能量E为:E=7×105×6.02×1023 eV≈6.74×1010 J.。

3.6核聚变-3.7粒子物理学简介(选学) 学案(2020年教科版高中物理选修3-5)

3.6核聚变-3.7粒子物理学简介(选学) 学案(2020年教科版高中物理选修3-5)

3.6核聚变-3.7粒子物理学简介(选学) 学案(2020年教科版高中物理选修3-5)6核聚变核聚变7粒子物理学简介粒子物理学简介选学选学学科素养与目标要求物理观念1.知道什么是核聚变,了解核聚变的特点和条件.2.了解可控热核反应及其研究和发展.3.了解构成物质的“基本粒子”和粒子物理学的发展史.4.了解几种典型的粒子加速器.科学思维1.会判断和书写核聚变反应方程.2.能计算核聚变释放的能量.一.核聚变1.聚变两个轻原子核结合成较重原子核的反应.轻核聚变需要在高温下进行,因此聚变反应又称为热核反应.2.聚变方程举例21H31H42He10n17.60MeV.3.聚变发生的条件要使轻核聚变,必须使轻核间的距离达到核力发生作用的距离1015m以内,这要克服电荷间巨大的静电斥力作用,使轻核具有足够大的动能.要使原子核具有足够大的动能,温度必须达到108K的高温.4.特点1在消耗相同质量的核燃料时,核聚变反应比核裂变反应释放更多的能量.2核聚变反应没有放射性废料产生.3核聚变反应所用的氘在地球上的储量丰富.二.受控热核反应1.聚变的优点第一,轻核聚变产能效率高;第二,地球上聚变燃料的储量丰富;第三,轻核聚变更为安全.清洁,控制温度,可控制反应,而且生成的废物数量少.易处理.2.聚变的难点地球上没有任何容器能够经受热核反应的高温.3.控制方法1磁约束利用磁场约束参加反应的物质,目前最好的一种磁约束装置是环流器.2惯性约束聚变物质因自身的惯性,在极短时间内来不及扩散就完成了核反应,在惯性的约束下,用激光从各个方向照射反应物,使它们“挤”在一起发生反应.三.粒子1.“基本粒子”不基本“基本粒子”直到19世纪末,人们认为电子.质子.中子是“基本粒子”,随着科学的发展,一方面逐渐发现了数以百计的新粒子,它们都不是由中子.质子.电子组成的;另一方面科学家又发现质子.中子等本身也有自己的复杂的结构.因此,20世纪后半期,就将“基本”二字去掉,统称粒子.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媒介子.轻子和强子.3.夸克模型夸克模型的提出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.至今发现的夸克有6种.四.3种典型的粒子加速器1.直线加速器1粒子的运动轨迹是一条直线.2满足的条件要保持粒子与高频电场之间的谐振关系.3优点粒子束的强度高.2.回旋加速器1粒子运动轨迹在磁场中做匀速圆周运动.2满足条件高频电源的频率等于粒子回旋的频率.3优点粒子被加速到的能量可达40MeV.3.对撞机1定义能够实现两束相对运动的粒子对撞的设备叫做对撞机.2工作原理粒子先在同步加速器中加速,然后射入对撞机,两束粒子流反方向回旋在轨道交叉处相互碰撞,获得较大能量.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太阳目前正处于氢通过热核反应成为氦的阶段,以电磁波的形式向外辐射核能.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21H31H42HeX,式中X是某种粒子.已知21H.31H.42He和粒子X的质量分别为2.0141u.3.0161u.4.0026u和1.0087u;1u931.5MeVc2,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结果保留三位有效数字.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m2.0141u3.0161u4.0026u1.0087u0.0189u所以该反应释放出的能量为E0.0189931.5MeV17.6MeV.一.核聚变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1015m以内,这要克服电荷间强大的静电斥力作用,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108K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.聚变方程21H31H42He10n.4.重核裂变与轻核聚变的区别反应方式比较项目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大约要大34倍核废料处理难度聚变反应的核废料处理要比裂变反应容易得多例1xx成都外国语学校高二期末氘核.氚核.中子.氦核的质量分别是m1.m2.m3.m4,氘核与氚核结合成一个氦核并释放一个中子21H31H42He10n.对于这个反应,以下说法正确的是A.氘核和氚核的比结合能比氦核大,所以该反应会释放核能B.氘核和氚核的核子的平均质量比氦核大,所以该反应会吸收一定的能量C.该反应是轻核的聚变,对应的质量亏损是mm1m2m3m4D.该反应是轻核的聚变,反应中释放的核能为m3m4m1m2c2答案C解析氘核和氚核的比结合能小于氦核的比结合能,氘核和氚核的核子平均质量比氦核大,该反应会放出一定的能量,故A.B错误;该反应是轻核的聚变,对应的质量亏损是mm1m2m3m4,释放的核能为Emc2m1m2m3m4c2,故C正确,D错误.针对训练1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.聚变反应平均每个核子释放的能量一定比裂变反应大C.聚变反应中粒子的比结合能变小D.聚变反应中由于形成质量较大的核,故反应后质量增加答案B解析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比裂变反应大,故选项A错误,B正确;由于聚变反应中释放出巨大的能量,则比结合能一定增加,质量发生亏损,故选项C.D错误.二.聚变反应中释放核能的计算例2太阳内部持续不断地发生着四个质子聚变为一个氦核同时放出两个正电子的热核反应,这个核反应释放出的大量能量就是太阳的能源.已知质子质量为mH1.0073u,氦核质量为mHe4.0015u,电子质量为me0.00055u,1u相当于931.5MeV的能量1写出这个核反应方程.2这一核反应能释放多少能量3已知太阳每秒释放的能量为3.81026J,则太阳每秒减少的质量为多少千克答案1411H42He201e224.78MeV34.22109kg解析1由题意可得核反应方程应为411H42He201e.2反应前的质量m14mH41.0073u4.0292u,反应后的质量m2mHe2me4.0015u20.00055u4.0026u,mm1m20.0266u,由质能方程得,释放能量E0.0266931.5MeV24.78MeV.3由质能方程Emc2得太阳每秒减少的质量mEc23.8102631082kg4.22109kg.三.粒子的分类和夸克模型1.粒子的分类分类参与的相互作用发现的粒子备注强子参与强相互作用质子.中子.介子.超子强子有内部结构,由“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.子.子中微子.子.子中微子未发现内部结构媒介子传递各种相互作用光子.中间玻色子.胶子光子.中间玻色子.胶子分别传递电磁.弱.强相互作用2.夸克模型1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.2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23或13.例如,上夸克带的电荷量为2e3,下夸克带的电荷量为e3.3意义电子电荷不再是电荷的最小单元,即存在分数电荷.例3多选下列关于夸克模型的说法正确的是A.强子是由更基本的夸克组成的B.夸克的电荷量分别为元电荷的23或13C.每种夸克都有对应的反夸克D.夸克能以自由的状态单个出现答案ABC解析夸克不能以自由的状态单个出现,D错误.针对训练2xx年3月31日欧洲大型强子对撞机实现首次质子束对撞成功.科学家希望以接近光速飞行的质子在发生撞击之后,能模拟宇宙大爆炸的能量,并产生新的粒子,帮助人类理解暗物质.反物质以及其他超对称现象,从根本上加深了解宇宙本质,提示宇宙形成之谜.欧洲科研机构宣布他们已经制造出9个反氢原子.请推测反氢原子的结构是A.由1个带正电荷的质子和1个带负电荷的电子构成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答案B 解析根据反粒子定义,“反粒子”与“正粒子”具有相同的质量,但带有等量的异种电荷.因此“反氢原子”应该具有与氢原子相同的质量,相反的电荷符号且等量的电荷量,所以B正确.1.对核聚变的理解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的方程式为232He211H42He,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.聚变反应没有质量亏损D.目前核电站都采用32He聚变反应发电答案B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,B正确,A.C错误;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,D错误.2.对核聚变的理解多选月球土壤里大量存在着一种叫“氦332He”的化学元素,是热核聚变的重要原料.科学家初步估计月球上至少有100万吨氦3,如果相关技术开发成功,将可为地球带来取之不尽的能源.关于“氦332He”与氘核聚变,下列说法正确的是A.核反应方程为32He21H42He11HB.核反应生成物的质量将大于参加反应物的质量C.“氦332He”一个核子的结合能大于“氦442He”一个核子的结合能D.“氦332He”的原子核与一个氘核发生聚变将放出能量答案AD解析根据质量数守恒.电荷数守恒和已知条件可以写出核反应方程为32He21H42He11H,故A正确;由于此核反应过程中放出能量将出现质量亏损,所以B.C错误,D正确.3.核反应方程的理解多选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中,表述正确的是A.31H21H42He10n是核聚变反应B.31H21H42He10n是衰变C.23592U10n14456Ba8936Kr310n是核裂变反应D.23592U10n14054Xe9438Sr210n是衰变答案AC解析两个轻核聚合成一个较重的核的反应为核聚变反应,故A对,B错.重核被中子轰击后分裂成两个中等质量的原子核并放出若干个中子的反应为核裂变反应,故C对.原子核放出或粒子后变成另一种原子核的反应称为原子核的衰变.原子核的衰变的反应物只有一种,故D 错.4.核聚变释放核能的计算大科学工程“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21H21H32He10n.已知21H的质量为2.0136u,32He的质量为3.0150u,10n的质量为1.0087u,1u931.5MeV/c2.氘核聚变反应中释放的核能约为A.3.7MeVB.3.3MeVC.2.7MeVD.0.93MeV答案B解析反应的质量亏损m2mHmHemn0.0035u,则E0.0035931.5MeV3.3MeV,故B正确,A.C.D错误.第 11 页共 11 页。

高中物理选修3-5 《19.7 核聚变、粒子和宇宙》导学案

高中物理选修3-5  《19.7 核聚变、粒子和宇宙》导学案

19.6核裂变19.7核聚变19.8粒子和宇宙【学习目标】1.知道重核的裂变反应和链式反应发生的条件.2.掌握核聚变的定义及发生条件.3.会判断和书写核裂变、核聚变方程,能计算核反应释放的能量.【知识探究】一、核裂变和链式反应[导学探究](1)铀核裂变是如何发生的?(2)铀核裂变在自然界中能自发进行吗?[知识梳理]对核裂变和链式反应的理解(1)核裂变重核被中子轰击后分裂成两个质量差不多的__________,并放出________的过程.(2)铀核裂变用________轰击铀核时,铀核发生裂变,其产物是多种多样的,其中一种典型的反应是235U+________→144 56Ba+8936Kr+________.92(3)链式反应由重核裂变产生的________使裂变反应一代接一代继续下去的过程,叫做核裂变的链式反应.(4)链式反应的条件①铀块的体积________或等于临界体积或铀块的质量________或等于临界质量.②有足够数量的______中子.[即学即用]铀核裂变时,对于产生链式反应的重要因素,下列说法中正确的是()A.铀块的质量是重要因素,与体积无关B.为了使裂变的链式反应容易发生,最好直接利用裂变时产生的中子C.若铀235的体积超过它的临界体积,裂变的链式反应就能够发生D.能否发生链式反应与铀的质量无关二、核电站[知识梳理]核反应堆的结构及核电站的认识(1)核电站是利用核能发电,它的核心设施是________,它主要由以下几部分组成:①燃料:________.②慢化剂:铀235容易捕获慢中子发生反应,采用________、重水或普通水作慢化剂;③控制棒:采用在反应堆中插入镉棒的方法,利用镉____________的能力很强的特性,控制链式反应的速度.(2)工作原理核燃料________释放能量,使反应区温度升高.(3)能量输出利用水或液态的金属钠等流体在反应堆内外__________,把反应堆内的热量传输出去,用于发电,同时也使反应堆冷却.(4)核污染的处理在反应堆的外面需要修建很厚的________,用来屏蔽裂变产物放出的各种射线.核废料具有很强的________,需要装入特制的容器,____________.[即学即用]核反应堆是实现可控制的重核裂变链式反应的一种装置,它的主要组成部分是()A.原子燃料、慢化剂、冷却系统和控制调节系统B.原子燃料、慢化剂、发热系统和传热系统C.原子燃料、调速剂、碰撞系统和热系统D.原子燃料、中子源、原子能聚存和输送系统三、核聚变[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?(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?如何实现对热核反应的控制?[知识梳理]对核聚变的认识(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:2H+31H―→42He+10n+17.6 MeV.1(3)聚变发生的条件要使轻核聚变,必须使轻核接近核力发生作用的距离________ m,这要克服电荷间强大的库仑力作用,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________,使物质达到几百万开尔文以上的高温.[即学即用](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开尔文的高温,因此聚变又叫做热核反应C.原子弹爆炸能产生几百万开尔文的高温,所以氢弹可以利用原子弹引发热核反应D.太阳和许多恒星内部都在进行着剧烈的热核反应,在地球内部也可自发地进行四、粒子和宇宙[导学探究]强子和夸克的关系是怎样的?夸克分多少种?它的带电性是怎样的?什么是夸克的“禁闭”?[知识梳理]对粒子和宇宙的理解(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、________、________,并把它们叫做“基本粒子”.②随着科学的发展,科学们发现了很多的新粒子并不是由以上____________组成的,并发现________、________等本身也有复杂结构.(2)发现新粒子①新粒子:1932年发现了________,1937年发现了________,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:________、________和__________. (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________构成的. [即学即用] 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的.u 夸克带电荷量为23e ,d 夸克的带电荷量为-13e ,e 为元电荷,下列说法中可能正确的是( )A.质子由1个u 夸克和2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2个u 夸克和1个d 夸克组成【典例精析】一、重核裂变的理解及核能的计算例1 关于重核的裂变,下列说法正确的是( ) A.核裂变释放的能量等于它俘获中子时得到的能量 B.中子从铀块中通过时,一定发生链式反应C.重核裂变释放出大量的能量,产生明显的质量亏损,所以核子数减少D.重核裂变为中等质量的核时,要发生质量亏损,放出核能 归纳总结 重核裂变的实质:(1)重核裂变是中子轰击质量数较大的原子核,使之分裂成中等质量的原子核,同时释放大量的能量,放出更多中子的过程.(2)重核的裂变是放能核反应,原因是核反应前后质量有亏损,根本原因是重核的比结合能比中等质量的核的比结合能要小.所以在重核分解为两个中等质量核的过程中要释放能量(但核子数守恒),而且释放的能量远大于它俘获中子时得到的能量.例2 用中子轰击铀核(235 92U),其中的一个可能反应是分裂成钡(141 56Ba)和氪(9236Kr)两部分,放出3个中子.各个核和中子的质量如下: m U =390.313 910-27kg ,m n =1.674 910-27kg ;m Ba =234.001 610-27kg ,m Kr =152.604 710-27kg.试写出核反应方程,求出反应中释放的核能.总结提升铀核裂变释放核能的计算(1)首先算出裂变反应中的质量亏损Δm.(2)根据ΔE=Δmc2计算释放的核能计算时要注意Δm与ΔE单位的对应关系:若Δm用kg做单位,则ΔE用J做单位;若Δm用u做单位,则ΔE用MeV做单位,1 u相当于931.5 MeV的能量.(3)若计算一定质量的铀块完全裂变时放出的核能,应先算出铀块中有多少个铀核(设为n),则铀块裂变释放的核能E=nΔE.二、轻核聚变的理解及核能的计算例3(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+10nB.“人造太阳”的核反应方程是235 92U+10n→141 56Ba+9236Kr+310nC.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例4太阳内部持续不断地发生着四个质子聚变为一个氦核同时放出两个正电子的热核反应,这个核反应释放出的大量能量就是太阳的能源.(计算结果在小数点后保留两位小数,1 u 相当于931.5 MeV的能量)(1)写出这个核反应方程.(2)这一核反应能释放多少能量?(3)已知太阳每秒释放的能量为3.81026J,则太阳每秒减少的质量为多少千克?(已知质子质量为m H=1.007 3 u,氦核质量为m He=4.001 5 u,正电子质量为m e=0.000 55 u)总结提升重核裂变与轻核聚变的区别1.一个23592U原子核在中子的轰击下发生一种可能的裂变反应的裂变方程为23592U+10n→X+9438Sr +210n,则下列叙述正确的是()A.X原子核中含有86个中子B.X原子核中含有141个核子C.因为裂变时释放能量,根据E=mc2,所以裂变后的总质量数增加D.因为裂变时释放能量,出现质量亏损,所以生成物的总质量数减少2.一个铀235吸收一个中子后发生的一种核反应方程是23592U+10n→13654Xe+9038Sr+1010n,放出的能量为E,铀235核的质量为M,中子的质量为m,氙136核的质量为m1,锶90核的质量为m2,真空中光速为c,则释放的能量E等于()A.(M-m1-m2)c2B.(M+m-m1-m2)c2C.(M-m1-m2-9m)c2D.(m1+m2+9m-M)c23.某科学家提出年轻热星体中核聚变的一种理论,其中的两个核反应方程为11H+12 6C→13 7N+Q1,11H+15 7N→12 6C+X+Q2.方程中Q1、Q2表示释放的能量,相关的原子核质量见下表:以下推断正确的是()A.X是32He,Q2>Q1B.X是42He,Q2>Q1C.X是32He,Q2<Q1D.X是42He,Q2<Q14.一个氘核(21H)和一个氚核(31H)结合成一个氦核(42He),同时放出一个中子,已知氘核质量为m1=2.014 1 u,氚核质量为m2=3.016 0 u,氦核质量为m3=4.002 6 u,中子质量为m4=1.008 665 u,1 u相当于931.5 MeV的能量,求:(1)写出聚变的核反应方程;(2)此反应过程中释放的能量为多少?平均每个核子释放出多少核能?(结果在小数点后保留一位小数)答案精析知识探究一、导学探究(1)铀核的裂变①核子受激发当中子进入铀235后,便形成了处于激发状态的复核,复核中由于核子的激烈运动,使核变成不规则的形状.②核子分裂核子间的距离增大,因而核力迅速减弱,使得原子核由于质子间的斥力作用而分裂成几块,同时放出中子,这些中子又引起其他铀核裂变,这样,裂变反应一代接一代继续下去,形成链式反应.(2)重核的裂变只能发生在人为控制的核反应中,在自然界中不会自发地发生.铀核裂变不会自发地进行,要使铀核裂变,首先要利用中子轰击铀核,使铀核分裂,分裂产生更多的中子,这些中子继续与其他铀核发生反应,再引起新的裂变,这样就形成了链式反应.知识梳理(1)新原子核核能(2)中子10n310n(3)中子(4)①大于大于②慢即学即用C[要使铀核裂变产生链式反应,铀块的体积必须大于或等于临界体积或铀块的质量大于或等于临界质量,只要组成铀块的体积小于临界体积或质量小于临界质量就不会产生链式反应,裂变反应中产生的中子为快中子,这些快中子不能直接引发新的裂变,如果铀块的质量大,则其体积大,若超过临界体积时则发生链式反应,由此知A、B、D错误,C正确.]二、知识梳理(1)反应堆①铀棒②石墨③吸收中子(2)裂变(3)循环流动(4)水泥层放射性深埋地下即学即用A[核反应堆的主要部分包括:①燃料,即浓缩铀235;②慢化剂,采用石墨、重水或普通水;③控制棒,控制链式反应的速度;④冷却系统,水或液态钠等流体在反应堆内外循环流动,把反应堆的热量传输出去用于发电,故A正确,B、C、D错.]三、导学探究(1)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,必须使核子间接近到发生相互作用的距离,约为10-15m;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)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. 知识梳理 (3)10-15加热即学即用 ABC [轻核聚变时,要使轻核之间距离达到10-15m ,故必须克服库仑斥力做功,A 正确;要克服核子间作用力做功,必须使反应的原子核有足够大的动能,方法就是将其加热到几百万开尔文的高温,B 正确;热核反应必须在几百万开尔文的高温下进行,这样高的温度可利用原子弹爆炸释放的能量获得,C 正确;在太阳和许多恒星内部都存在热核反应,但在地球内部不会自发地进行,D 错.] 四、导学探究 夸克是强子的基本组成成分;夸克有6种: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为+23或-13;每种夸克都有对应的反夸克;夸克不能以自由的状态单个出现的性质,叫夸克的“禁闭”. 知识梳理 (1)①质子 中子 ②基本粒子 质子 中子 (2)①正电子 μ子 ②强子 轻子 媒介子 (3)夸克即学即用 B [质子11H 带电荷量为223e +⎝⎛⎭⎫-13e =e ,中子10n 带电荷量为23e +2⎝⎛⎭⎫-13e =0.可见B 正确.] 典例精析例1 D [核裂变释放的能量来源于裂变过程的质量亏损,是核能转化为其他形式能的过程,其能量远大于俘获中子时吸收的能量,A 错误,D 正确.发生链式反应是有条件的,铀块的体积必须大于或等于临界体积,否则中子从铀块中穿过时,可能碰不到原子核,则不会发生链式反应,B 错误.重核裂变时,核子数守恒,C 错误.]例2 10n +235 92U ―→141 56Ba +9236Kr +310n 3.220 210-11J解析 根据反应前后质量数守恒、电荷数守恒和反应中的能量守恒,就可以写出核反应方程.根据核反应前后的质量亏损,用爱因斯坦质能方程就可求出释放的核能.铀核裂变方程为10n +235 92U ―→141 56Ba +9236Kr +310n ,则核反应前后的质量亏损为Δm =m U +m n -m Ba -m Kr -3m n =3.57810-28kg.由爱因斯坦质能方程可得释放的核能为 ΔE =Δmc 2=3.57810-28(3108)2 J =3.220 210-11J.例3 AC [21H +31H →42He +10n 是氢核聚变方程,故A 项正确;根据氢核聚变特点,相同质量的核燃料,氢核聚变释放的能量比裂变反应大得多,故选项C 正确.]例4 (1)411H →42He +20+1e (2)24.78 MeV (3)4.22109 kg解析 (1)由题意可得核反应方程为411H →42He +20+1e.(2)反应前的质量m 1=4m H =41.007 3 u =4.029 2 u ,反应后的质量m 2=m He +2m e =4.001 5 u +20.000 55 u =4.002 6 u ,Δm =m 1-m 2=0.026 6 u ,由质能方程得,释放能量ΔE =Δmc 2=0.026 6931.5 MeV ≈24.78 MeV.(3)由质能方程ΔE =Δmc 2得太阳每秒减少的质量 Δm =ΔE c 2=3.8×1026(3×108)2 kg ≈4.22109 kg. 达标检测1.A [X 原子核中的核子数为(235+1)-(94+2)=140个,B 错误;中子数为140-(92-38)=86个,A 正确;裂变时释放能量,出现质量亏损,但是其总质量数是不变的,C 、D 错误.]2.C [铀235裂变时的质量亏损:Δm =M +m -m 1-m 2-10m =M -m 1-m 2-9m ,由质能方程可得E =Δmc 2=(M -9m -m 1-m 2)c 2.]3.B [由核反应过程必须遵守质量数守恒和电荷数守恒知X 是42He.放出热量分别为Q 1和Q 2的两个核反应中质量亏损分别为0.002 1 u 和0.005 3 u ,故Q 2>Q 1.]4.(1)21H +31H →42He +10n(2)17.5 MeV 3.5 MeV解析 (1)核反应方程为21H +31H →42He +10n.(2)此反应过程的质量亏损为Δm =2.014 1 u +3.016 0 u -4.002 6 u -1.008 665 u =0.018 835 u , ΔE =Δmc 2=0.018 835931.5 MeV ≈17.5 MeV . 平均每个核子释放的核能为17.55MeV =3.5 MeV .。

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高中物理第3章6核聚变7粒子物理学简介学案教科版选修356.核聚变 7.粒子物理学简介(选学)[学习目标] 1.知道聚变反应,关注受控聚变反应研究的进展.2.通过核能的利用,思考科学技术与社会进步的关系.3.初步了解粒子物理学的基础知识.4.了解、感受科学发展过程中蕴藏着的科学和人文精神.一、核聚变1.定义:把轻原子核聚合成较重原子核的反应称为聚变反应,简称核聚变. 2.热核反应(1)举例:一个氘核和一个氚核聚变成一个氦核的核反应方程:21H +31H ―→42He +10n +17.60 MeV(2)反应条件①轻核的距离要达到10-15m 以内.②需要加热到很高的温度,因此又叫热核反应. (3)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. 3.可控核聚变反应研究的进展(1)把受控聚变情况下释放能量的装置,称为聚变反应堆,20世纪下半叶,聚变能的研究取得重大进展.(2)核聚变的约束方法:磁约束和惯性约束,托卡马克采用的是磁约束方式.(3)核聚变是一种安全,不产生放射性物质、原料成本低的能源,是人类未来能源的希望. 4.恒星演化中的核反应(1)现阶段,供太阳发生核聚变过程的燃料是氢. (2)大约50亿年后,太阳的核心的核聚变过程是:42He +42He→84Be ,42He +84Be→126C.二、粒子物理学简介 1.基本粒子(1)1897年汤姆孙发现了电子后,人们又陆续发现了质子、中子,认为电子、中子、质子是组成物质的基本粒子.(2)1932年,安德森发现了正电子,它的质量、电荷量与电子相同,电荷符号与电子相反,它被称为电子的反粒子,正电子也成为了基本粒子.2.基本粒子的分类按粒子参与相互作用的性质把粒子分为三类:它们分别是:媒介子、轻子、强子. 3.加速器粒子加速器是用人工方法产生高速粒子的设备,按加速粒子的路径大致分为两类:一类是直线加速器,带电粒子沿直线运动;一类是回旋加速器,带电粒子沿圆弧运动,并反复加速.能够实现两束相对运动的粒子对接的设备叫作对撞机.1.正误判断(正确的打“√”,错误的打“×”)(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. (√) (4)质子、中子、电子都是不可再分的基本粒子. (×) (5)质子和反质子的电量相同,电性相反.(√) (6)按照夸克模型,电子所带电荷不再是电荷的最小单元. (√)2.(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,因此聚变又叫作热核反应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ABC [轻核聚变时,必须使轻核之间距离达到10-15m ,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.]3.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 .强子中都是带电的粒子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,不同夸克带电不同,分别为+23e 和-e3,说明电子电荷不再是电荷的最小单位,C 错误,D 正确.]对核聚变的理解及应用1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.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倍核废料处理难度聚变反应的核废料处理要比裂变反应简单得多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,人们还不能控制它两个正电子,若太阳辐射能量的总功率为P,质子11H、氦核42He、正电子01e的质量分别为m p、mα、m e,真空中的光速为c,求:(1)写出核反应方程;(2)核反应所释放的能量ΔE;(3)1 s内参与上述热核反应的质子数目.[思路点拨](1)根据质量数守恒和电荷数守恒书写核反应方程.(2)由爱因斯坦质能方程求解释放的能量.(3)由功率的定义求1 s内参与反应的质子数.[解析](1)根据质量数守恒和电荷数守恒,可得核反应方程为411H→42He+201e.(2)质量亏损Δm=4m p-mα-2m e,根据爱因斯坦质能方程:ΔE=Δmc2,核反应释放的能量,ΔE=(4m p-mα-2m e)c2.(3)设单位时间内参与热核反应的质子数为N,依据能量关系P=NΔE4,有N=4P(4m p-mα-2m e)c2.[答案](1)411H→42He+201e (2)(4m p-mα-2m e)c2(3)4P(4m p-mα-2m e)c2轻核聚变释放核能的计算方法(1)根据质量亏损计算.根据爱因斯坦质能方程,用核子结合成原子核时质量亏损(Δm)的千克数乘以真空中的光速(c=3×108 m/s)的平方,即ΔE=Δmc2. ①(2)根据1个原子质量单位(u)相当于931.5 MeV能量,用核子结合成原子核时质量亏损的原子质量单位数乘以931.5 MeV,即ΔE=Δm×931.5 MeV.②注意:式①中Δm的单位为kg,ΔE的单位是J;式②中Δm的单位是u,ΔE的单位是MeV.1.氘核(21H)和氚核(31H)结合成氦核(42He)的核反应方程如下:21H+31H→42He+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________(选填“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________(选填“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 =ΔEc2≈3×10-29 kg.[答案](1)核聚变(2)放出减少3×10-29对粒子的认识1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分类参与的相互作用发现的粒子备注媒介子传递各种相互作用光子、中间玻色子、胶子光子、中间玻色子、胶子分别传递电磁、弱、强相互作用轻子不参与强相互作用电子、电子中微子、μ子、μ子中微子、τ子、τ子中微子未发现内部结构强子参与强相互作用质子、中子、介子、超子强子有内部结构,由“夸克”构成;强子又可分为介子和重子夸克有6种,它们是上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克、底夸克、顶夸克,它们带的电荷是电子或质子所带电荷的23或13.每种夸克都有对应的反夸克.4.两点提醒(1)质子是最早发现的强子,电子是最早发现的轻子,τ子的质量比核子的质量大,但力的性质决定了它属于轻子.(2)粒子具有对称性,有一个粒子,必存在一个反粒子,它们相遇时会发生“湮灭”,即同时消失而转化成其他的粒子.【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(01e),即:中微子+11H→10n +01e 可以判定,中微子的质量数和电荷数分别是________.(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01e +0-1e→2γ已知正电子和电子的质量都为9.1×10-31kg ,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,原因是什么?[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数都是0.(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E2=8.2×10-14J .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,故只有产生2个光子,此过程才遵循动量守恒定律.[答案] 0和0 8.2×10-14J 见解析对核反应中新生成粒子的认识新生成的粒子和实物粒子一样,它们之间发生相互作用时,同样遵循动量守恒定律等力学规律.2.(多选)下列关于夸克模型的说法正确的是( ) A .强子是由更基本的夸克组成的 B .夸克的电荷量分别为元电荷的+23或-13C .每种夸克都有对应的反夸克D .夸克能以自由的状态单个出现ABC [夸克不能以自由的状态单个出现,D 错误,A 、B 、C 正确.]课堂小结知识网络1.热核反应的概念及聚变方程.2.轻核聚变的条件及其应用.3.基本粒子的分类及认识.4.加速器的工作原理.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+10nB.“人造太阳”的核反应方程是235 92U+10n→141 56Ba+9236Kr+310nC.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AC[21H+31H→42He+10n是氢核聚变方程,故A项正确;根据氢核聚变特点,聚变反应比裂变反应平均每个核子放出的能量大约要大3~4倍,相同质量的核燃料,氢核聚变释放的能量比裂变反应大得多,故选项C正确.]2.(2019·全国卷Ⅱ)太阳内部核反应的主要模式之一是质子-质子循环,循环的结果可表示为411H→42He+201e+2ν已知11H和42He的质量分别为m p=1.007 8 u和mα=4.002 6 u,1u=931 MeV/c2,c为光速.在4个11H转变为1个42He的过程中,释放的能量约为( )A.8 MeV B.16 MeVC.26 MeV D.52 MeVC[核反应质量亏损Δm=4×1.007 8 u-4.002 6 u=0.028 6 u,释放的能量ΔE=0.028 6×931 MeV=26.6 MeV,选项C正确.]3.(多选)如图所示,托卡马克(Tokamak) 是研究受控核聚变的一种装置,这个词是toroidal(环形的)、kamera(真空室)、magnit(磁)的头两个字母以及katushka(线圈)的第一个字母组成的缩写词.根据以上信息,下述判断中可能正确的是( )。

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