（新课标）2018-2019学年高考物理 主题三 原子与原子核 3.3 原子核 3.3.7-3.3.8 核聚变 粒子和宇宙学案 新人教版选修3-5.doc

3.3.7　核聚变3.3.8　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1个概念——核聚变1个条件——聚变反应条件一、核聚变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：H＋H―→He＋n＋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1.5×107 K，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”在一起发生反应思考判断(1)轻核聚变比裂变更安全、清洁　　)(2)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　　)(3)现在已经实现了技术突破，能够稳定地输出聚变能　　)答案　(1)√　(2)√　(3)×三、粒子和宇宙1.基本粒子不基本(1)19世纪末，人们都认为光子、电子、质子和中子是组成物质的不可再分的最基本的粒子2)随着科学的发展，科学家们发现了很多的新粒子都不是由质子、中子、电子组成的，又发现质子、中子等本身也有自己的复杂结构。

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介子及以后的质量比质子的质量大的超子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：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，认为强子是由更基本的成分组成，这种成分叫作夸克夸克模型指出电子电荷不再是电荷的最小单位，即存在分数电荷3.宇宙和恒星的演化(1)宇宙的演化宇宙大爆炸约温度为1032 K，产生了夸克、轻子、胶子等粒子温度下降到1013 K左右，强子时代―→温度下降到1011K时，轻子时代―→温度下降到109 K时，核合成时代温度下降到104 K，混合电离态―→温度下降到3 000 K时，中性的氢原子恒星和星系2)恒星的演化：宇宙尘埃―→星云团―→恒星诞生―→氢核聚合成氦核―→氦核聚合成碳核―→其他聚变过程―→无聚变反应，形成白矮星或中子星或黑洞思考判断(1)质子、中子不能再分　　)(2)夸克的带电量是电子电荷的整数倍　　)(3)太阳目前正处于氢通过热核反应成为氦，以电磁波的形式向外辐射核能的阶段　　)答案　(1)×　(2)×　(3)√　核聚变的特点及应用[要点归纳]1.核聚变的特点(1)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。

2)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3)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)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2.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3.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[精典示例][例1] 关于核聚变的说法正确的是(　　)A.聚变是裂变的逆反应B.如果裂变释放能量，则聚变反应一定吸收能量C.聚变反应须将热核燃料加热到数百万度以上的温度，显然是吸热反应D.聚变和裂变都可以释放出巨大的能量审题指导　(1)聚变反应和裂变反应的定义。

2)吸能和放能的判断依据3)聚变反应的条件解析　从形式上看聚变和裂变好像是互逆反应，其实不然，两者的反应物和生成物全然不同，裂变是重核分裂成中等核，而聚变是两个轻核聚合为质量较大的轻核，两者不可能互为逆反应，选项A错误；聚变和裂变反应的质量都发生了亏损，故都是放能反应，要放出巨大的能量，选项B错误，D正确；聚变反应须将热核燃料加热到数百万度以上的温度，但一旦反应进行，自身释放的巨大能量足以提供高温使反应继续进行，故聚变反应是放能反应，选项C错误答案　D[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大，故选项A错误、B正确；由于聚变反应中释放出巨大能量，则比结合能一定增加，质量发生亏损，故选项C、D错误答案　B　粒子的分类和夸克模型[要点归纳]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、μ子、μ子中微子、τ子、τ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)[精典示例][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H的核反应，间接地证实了中微子的存在1)中微子与水中的H发生核反应，产生中子(n)和正电子(e)，即中微子＋H―→n＋e，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0 B.0和1 C.1和0 D.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e＋e―→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______________________________________审题指导　解答本题时应注意以下三点：(1)核反应根据质量数和电荷数守恒，判断质量数和电荷数2)正电子和负电子的湮灭，根据质能方程判断光子的能量。

3)根据动量守恒定律判断产生光子的个数解析　(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，选项A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＝Δmc2，故一个光子的能量为，代入数据得＝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，故如果只产生一个光子是不可能的，因为此过程遵循动量守恒定律答案　(1)A　(2)8.2×10－14　此过程遵循动量守恒定律[针对训练2] 已知π＋介子、π－介子都是由一个夸克(夸克u或夸克d)和一个反夸克(反夸克或反夸克)组成的，它们的带电荷量如表所示，表中e为元电荷粒子π＋π－ud 带电荷量＋e－e＋e－e－e＋e(1)按最简单的组成，π＋介子由谁和谁组成？(2)按最简单的组成，π－介子由谁和谁组成？解析　(1)π＋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，夸克u带＋e和反夸克带＋e合成电荷量为e2)π－介子带有－e的电荷量，是由一个夸克和一个反夸克组成的，夸克d带－e和反夸克带－e合成电荷量为－e答案　(1)π＋介子是由夸克u和反夸克组成的(2)π－介子由夸克d和反夸克组成1.(多选)聚变与裂变相比，下列说法正确的是(　　)A.聚变比裂变产能效率高B.在目前情况下，使原子核聚变要比裂变容易C.原子弹的燃料是235UD.氢弹的原理是核的聚变，需由原子弹来引爆解析　聚变比裂变的平均结合能大，故选项A正确；在目前的条件下，核裂变要比核聚变容易很多，故选项B错误；原子弹利用的核裂变燃料为235U，氢弹利用的核聚变需原子弹引爆，故选项C、D正确。

答案　ACD2.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、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，之后又经历了质子和中子等强子时代，再之后是自由的光子、中微子、电子大量存在的轻子时代，再之后是中子和质子结合成氘核，并形成氦核的核时代，之后电子和质子复合成氢原子，最后形成恒星和星系，因此选项A正确，B、C、D的产生都在A之后，故选项B、C、D错误答案　A3.(多选)在某次核反应中，1个氘核和1个氚核结合生成1个氦核，则下列说法正确的是(　　)A.这是一个聚变反应 B.核反应方程式为H＋H→He＋nC.目前核电站都采用上述核反应发电 D.该核反应没有质量亏损解析　1个氘核和1个氚核结合生成1个氮核，反应方程为H＋H→He＋n，这是聚变反应故选项A、B正确；目前核电站都采用核裂变发电故选项C错误；该反应放出热量，所以一定有质量亏。