第十九章 第7、8节 核聚变 粒子和宇宙

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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。
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2．粒子的分类
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参与的相 分类
互作用
发现的粒子
备注
强子
强子有内部结构，由 参与强相 质子、中子、介子、
“夸克”构成；强子 互作用 超子
又可分为介子和重子
轻子
媒介 子
不参与强 相互作用
传递各种 相互作用
电子、电子中微子、 μ 子、μ 子中微子、 未发现内部结构 τ 子、τ 子中微子
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(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 。
(√ )
(6)按照夸克模型，电子所带电荷不再是电荷的最小单元。 (√)
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2．合作探究——议一议 (1)核聚变为什么需要几百万开尔文的高温？
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 几百万开尔文时，原子核就可以具有这样大的动能。
第 7、8 节
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核聚变 粒子和宇宙
1．两个轻核结合成质量较大的核，这 样的核反应叫核聚变。
2．约束核聚变材料的方法：磁约束和 惯性约束。
3．粒子分为三大类，有媒介子、轻子、 强子。美国物理学家盖尔曼提出， 强子是由夸克构成的。
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一、核聚变 1．定义 两个轻核结合成 质量较大 的原子核的反应。 2．条件 (1)轻核的距离要达到 10－15 m 以内。 (2)聚变可以通过高温来实现，因此又叫 热核反应 。
球内部也可以自发地进行
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解析：轻核聚变时，要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 几百万开尔文的高温下才有这样的能量，这样高的温度通过原子 弹爆炸获得，故 B、C 正确；在太阳和其他恒星内部都存在着热 核反应，但在地球上不会自发地进行，D 错误。 答案：ABC
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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。
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2．(2017·全国卷Ⅰ)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＋12H―→
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
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[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＝4mp－mα－2me，根据爱因斯坦质能方程：
ΔE＝Δmc2，核反应释放的能量，ΔE＝(4mp－mα－2me)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
光子、中间玻色子、 光子、中间玻色子、
胶子分别传递电磁、 胶子
弱、强相互作用
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3．夸克模型
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(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)。
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1．自主思考——判一判
(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。
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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。
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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 两个轻核结合成质量较
放能原理 个中等质量的原子核， 大的原子核，放出核能
放出核能
聚变反应比裂变反应平均每个核子放出的能量 放能多少
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
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重核裂变
轻核聚变
核裂变燃料铀在地 主要原料是氘，氘在地球上
原料的 球 上 储 量 有 限 ， 尤 的储量非常丰富，1 L海水中 蕴藏量 其 用 于 核 裂 变 的 铀 大约有0.03 g氘，如果用来进
A．夸克、轻子、胶子等粒子 B．质子和中子等强子
C．光子、中微子和电子等轻子 D．氢核、氘核、氦核等轻核 解析：宇宙形成之初产生了夸克、轻子和胶子等粒子，之后又
的单位是 u，ΔE 的单位是 MeV。
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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，所以氢弹利用
原子弹引发热核反应
D．太阳和许多恒星内部都在激烈地进行着热核反应，在地
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对核聚变的理解及应用
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。
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2．轻核聚变是放能反应
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(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)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。
235在铀矿石中只占 行热核反应，放出的能量约
0.7%
与燃烧300 L汽油相当
速度比较容易进行
人工控制，现在的 目前，除氢弹以外，人们还 可控性
核 电 站 都 是 用 核 裂 不能控制它
变反应释放核能
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[典例] 太阳的能量来自下面的反应：四个质子(氢核)聚变 成一个 α 粒子，同时发射两个正电子，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 mp、mα、me， 真空中的光速为 c，求：
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新粒子的发现和夸克模型
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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
比 质 子 质量介于
粒子相同而电荷
其质量比
的 质 量 电子与核
及其他一些物理
质子大
小
子之间
性质相反
P＝NΔ4E，有 N＝4mp－m4αP－2mec2。
[答案]
(1)4
1 1
H→
4 2
He
＋
2
0 1
e
(2)(4mp － mα － 2me)c2
4P (3)4mp－mα－2mec2
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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
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二、粒子和宇宙
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1．“基本粒子”不基本 (1)19 世纪末，人们认为 原子 是组成物质的 不可再分 的最 小微粒。 (2)后来认为光子、电子、质子和 中子 是组成物质的不可再 分的 最基本的 粒子，并称为“基本粒子”。
随着科学的进一步发展，科学家们逐渐发现了数以百计的不 同种类的新粒子，它们都 不是 由质子、中子、电子组成的，另 外又发现质子、中子等本身也有自己的复杂 的结构。所以，从 20 世纪后半期起，就将“基本”二字去掉，统称为 粒子 。
放出的能量大 3～4 倍。
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4．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 。 5．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。
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6．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。
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2．发现新粒子与夸克模型 (1)反粒子 实验中发现，对应着许多粒子都存在质量、寿命、自旋 等物理性质与过去已经发现的粒子 相同 ，而电荷等其他性 质 相反 的粒子，这些粒子叫做反粒子。例如，电子的反粒 子就是 正电子 。
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(2)粒子的分类 按照粒子与各种相互作用的不同关系，可将粒子分为三大类： ①强子：参与 强相互作用 的粒子，质子是最早发现的强子。 ②轻子：不参与强相互作用 的粒子，最早发现的轻子是电子。 ③媒介子：是 传递各种相互作用的粒子，如 光子 、中间玻色 子、胶子。 (3)夸克模型的提出 1964 年提出的夸克模型，认为强子是由更基本的 夸克 组成的。
(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
的核能约为
()
A．3.7 MeV B．3.3 MeV C．2.7 MeV D．0.93 MeV 解析：氘核聚变反应的质量亏损为 Δm＝2×2.013 6 u－(3.015 0 u
＋1.008 7 u)＝0.003 5 u，释放的核能为 ΔE＝Δmc2＝0.003 5×931
MeV/c2×c2≈3.3 MeV，选项 B 正确。 答案：B
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3．核反应举例 (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 热核反应堆 。 (3)典型的核聚变：一个氘核和一个氚核的聚变， 12H＋31H→42He＋10n＋γ 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
(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。
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1．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 ( )
(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。
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[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。
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