2020高中物理选修3-5同步第十九章7~8核聚变.pdf

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21H31H42He10n17.6 MeV. 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1015 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 年发现了子， 1947 年发现了K 介子和 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：21H31H42Hex，式中 x 是某种粒子已知：21H、31H、42He 和粒子 x 的质量分别为2.014 1 u、3.016 1 u、4.002 6 u和 1.008 7 u；1 u931.5 MeVc2，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 m 2.014 1 u3.016 1 u4.002 6 u1.008 7 u0.018 9 u 所以该反应释放出的能量为 E m c2 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1015m 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1015 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：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：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 在天然铀中只占0.7%主要原料是氘， 氘在地球上的储量非常丰富 .1 L 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 汽油释放的能量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， 人们还不能控制它例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：21H21H32He10n.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 u931 MeV/ c2.氘核聚变反应中释放的核能约为() A3.7 MeV B 3.3 MeV C2.7 MeV D0.93 MeV 答案B 解析根据质能方程， 释放的核能 E mc2， m2mHmHemn0.003 5 u， 则 E0.003 5931 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21H31H42He10n B“人造太阳”的核反应方程是235 92U10n141 56Ba9236Kr 310n C根据公式Emc2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Emc2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21H31H42He10n 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、 子、 K 介子、 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发现时间1932 年1937 年1947 年20世纪 60 年代后新粒子反粒子子K 介子与 介子超子基本特点质量、寿命等物理性质与相对应的粒子相同，而电荷等其他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；强子又分为介子和重子两类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. (4)意义：电子电荷不再是电荷的最小单元，即存在分数电荷例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答案ABC 解析夸克不能以自由的状态单个出现，D 错误， A、B、C 正确针对训练2(多选 )已知 介子、介子都是由一个夸克(夸克 u 或夸克 d)和一个反夸克(反夸克 u 或反夸克d )组成的，它们的带电荷量如下表所示，表中e 为元电荷 . 粒子u d ud带电荷量e e 2e3e32e3e3下列说法正确的是() A由 u 和 d 组成B 由 d 和 u 组成C由 u 和 d 组成D 由 d 和 u 组成答案AD 解析因 介子带有 e 的电荷量，且是由一个夸克和一个反夸克组成的，则夸克u 带23e和反夸克d 带13e 合成电荷量为e，那么 介子就是由夸克u 和反夸克d 组成的；同理，介子由夸克d 和反夸克u 组成，所以A、D 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 (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.235 92U10n144 56Ba8936Kr310n 是核裂变反应D.235 92U10n140 54Xe9438Sr210n 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3(对宇宙粒子的理解)以下说法正确的是() A最早发现的轻子是电子，最早发现的强子是中子B质子、中子、介子和超子都属于强子C强子、轻子都有内部结构D 子质量比核子质量大， 子不属于轻子答案B 解析最早发现的强子是质子，最早发现的轻子是电子，故选项A 错误；强子有内部结构，由夸克组成，轻子没有内部结构，所以C 错误；质子、中子、介子、超子都属于强子， 子质量比核子质量大，但仍属于轻子，B 正确， D 错误4(核聚变释放核能的计算)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mH1.007 3 u，氦核质量为mHe 4.001 5 u，电子质量为me0.000 55 u，1 u931.5 MeV/ c2) (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3.81026 J，则太阳每秒减少的质量为多少千克？答案(1)411H42He2 01e(2)24.78 MeV (3)4.22 109 kg 解析(1)由题意可得核反应方程应为411H42He 2 01e. (2)反应前的质量m14mH41.007 3 u4.029 2 u，反应后的质量m2 mHe2me4.001 5 u20.000 55 u 4.002 6 u， mm1m20.026 6 u， 由质能方程得， 释放的能量 E mc20.026 6931.5 MeV 24.78 MeV. (3)由质能方程 E mc2得太阳每秒减少的质量 m Ec23.81026310。