高中物理 19.7-19.8核聚变 粒子和宇宙（探究导学课型） 新人教版选修3-5.ppt

7核聚变 8粒子和宇宙,1.知道轻核的聚变反应,关注受控聚变反应研究的进展 2.初步了解粒子物理学的基础知识,初步了解恒星的演化 3.通过核能的利用,思考科学技术与社会进步的关系一、核聚变 1.核聚变: (1)定义:两个轻核结合成质量_____的核的反应轻核聚变必 须在高温下进行,因此又叫_________ (2)核反应举例:,较大,热核反应,2.受控热核反应: (1)定义:为了使巨大的热核反应能量不以爆炸的形式释放,而 是在_____控制下逐渐释放出来并加以_____的热核反应 (2)条件:热核燃料加热到非常高的_____;热核反应释放的能量 足以补偿形成聚变过程中所损失的能量人工,利用,温度,(3)聚变与裂变的对比优点: 轻核聚变_____效率高; 地球上聚变燃料的储量_____; 轻核聚变更___________ (4)约束核聚变材料的方法:_______和惯性约束产能,丰富,安全、清洁,磁约束,二、粒子和宇宙 1.发现新粒子: (1)新粒子的发现:1932年发现了_______,1937年发现了_____, 1947年发现了K介子和介子,迄今发现的粒子已达到400多 种正电子,子,(2)反粒子:实验中发现,许多粒子都存在着质量与它们_____, 而电荷及其他一些物理性质_____的粒子。

(3)分类:强子、_____和_______ (4)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_____构成的相同,相反,轻子,媒介子,夸克,2.宇宙及恒星的演化: (1)宇宙的演化从___________开始 (2)恒星的演化经历了宇宙尘埃,星云团,恒星诞生,最后恒星的 热核反应停止后恒星演变为_______、_______或_____宇宙大爆炸,白矮星,中子星,黑洞,1.判一判: (1)热核反应就是原子核的温度很高的反应) (2)聚变与裂变相比有产能效率高、燃料储量丰富和安全清洁等优点) (3)受控热核反应不容易实现的主要原因是聚变的条件和难以约束聚变的材料) (4)质子属于强子,电子属于轻子,夸克属于媒介子),提示:(1)热核反应是指核燃料的温度要高达几百万开尔文,对于原子核来说是指平均动能很大 (2)聚变的核子平均释放的结合能大,反应过程除辐射高能量的光子外不产生核废料,聚变燃料储量非常丰富且安全、清洁受控热核反应既要达到聚变需要的几百万开尔文的温度,又要使反应在一定的区域内完成,没有约束反应的容器是一个难题 (4)质子属于强子,电子属于轻子,但夸克是组成强子的成分。

2.想一想: (1)氢弹爆炸的威力相比原子弹爆炸的威力哪一个大?为什么? 提示:氢弹的威力大氢弹爆炸是核聚变的结果,而核聚变释放的核能比原子弹中核裂变释放的核能要大得多,故氢弹的威力大2)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主题一 探究核聚变 【问题探究】 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?,提示:(1)微观上:参与反应的原子核必须接近到核力的作用范围内,约为10-15m这种程度,因而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做功,由原子核的动能转化为原子核的电势能,使核子之间的核力发生作用,轻核才能聚变成质量较大的核 (2)宏观上:要使原子核具有足够大的动能,就得把它加热到几百万开尔文的高温,才能使聚变反应发生,因此聚变又叫热核反应2.与重核的裂变相比聚变有哪些特点? 提示:(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:热核反应在宇宙的恒星中时时刻刻地进行着,太阳就是一个巨大的热核反应堆3.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? 提示:(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4.如何实现对热核反应的控制?可控热核反应有哪些优点? 提示:(1)可能实现对热核反应的控制方法: 磁约束:利用磁场来约束参加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 (2)可控热核反应的优点:放射性污染小,不产生核废料,核燃料十分丰富5.人们为什么要研究可控热核反应?或者说实现可控热核反应的必要性是什么? 提示:实现可控热核反应是有必要的,原因是:由于地球上化石燃料和裂变材料的储量有限,开发聚变能量非常必要,并且是一项十分紧迫的任务各国科学家都在加紧研究,尽快地在地球上制造出人类自己的“太阳”,缓解甚至消除能源危机的困扰再者,重核的裂变产生的核废料辐射性很强,而且半衰期很长,特别是福岛核电站由于地震造成的核泄漏又给世人敲了一次警钟,更激发起人们开发可控热核反应能源的极大期望。

探究总结】 1.衰变、人工转变、裂变和聚变方程的区别: (1)衰变是原子核自发地转变为另一种核,并向外辐射出粒子或粒子的反应,衰变根据向外辐射粒子的不同分为衰变和衰变两种 (2)人工转变通常是用粒子或中子去轰击靶核,靶核俘获入射粒子后产生新的原子核,并放出一个或几个粒子的反应 (3)重核分解成中等质量的核的反应叫裂变,轻核聚合成重核的反应叫聚变2.裂变与聚变的对比:,【即时训练】 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.由于聚变所产生的核能比裂变大得多,故裂变更安全 C.原子弹的燃料是 D.氢弹的原理是核聚变,需由原子弹来引爆,【解题探究】(1)聚变反应比裂变反应平均每个核子放能___ (2)聚变反应后产生的核废料,基本_______放射性,裂变后的 产物_____放射性多,不具有,具有,【解析】选A、C、D聚变比裂变的比结合能大,故A正确;在目 前的条件下,在重核的裂变过程中所产生的放射性污染要比轻 核聚变时大得多,故B错;原子弹利用的核裂变燃料为 ,氢弹 利用的核聚变需要原子弹来引爆,故C、D正确2.以下说法正确的是() A.聚变是裂变的逆反应 B.如果裂变释放能量,则聚变反应必定吸收能量 C.聚变需将反应物加热至数百万度以上高温,显然聚变过程是吸收能量的 D.裂变与聚变均可释放巨大能量,【解析】选D。

从形式上看,裂变与聚变似乎是互为逆反应,但其实不然,因为二者的反应物与生成物全然不同裂变是重核分裂成中等核,而聚变则是轻核聚合成为次轻核,无直接关联,并非互为逆反应,所以A错误;既然裂变与聚变不是互为逆反应,则在能量的流向上也不必相反,B项错误;要实现聚变反应,必须使参加反应的轻核充分接近,需要数百万度高温提供能量但聚变反应一旦实现,所释放的能量远大于所吸收的能量因此,总的说来,聚变反应还是释放热量,所以C错误,D正确主题二 粒子 【问题探究】 1.结合下表分析粒子的分类及特点夸克,介子和重子,内部结构,光子传递电磁相互作,用、中间玻色子传递,弱相互作用、胶子传,递强相互作用,2.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”? 提示: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 为元电荷的 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”3.什么是反粒子?所有的粒子都存在反粒子吗? 提示: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。

按照粒子的对称性,有一个粒子,就应该有一个反粒子4.“夸克模型”的提出有什么物理意义? 提示:夸克模型的提出是物理学发展史中的一个重大突破,它指出电子电荷不再是电荷的最小单元,即存在分数电荷而另一方面也说明科学正是由于一个一个的突破才得到进一步的发展探究总结】 轻子的理解 每种轻子都有对应的反粒子目前发现的轻子只有6种,其中子的质量比核子的质量还大,但从力的性质上讲,它仍然属于轻子即时训练】 1.(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 或反夸克 )组成的,它们的带电量 如表所示,表中e为元电荷 下列说法正确的是() A.+由u和 组成 B.+由d和 组成 C.-由u和 组成 D.-由d和 组成,【解析】选A、D根据电荷量关系可知,由于+介子带有+e的 电量,又由于+介子是由u夸克和d夸克组成,根据题意可知+ 介子(+e)应由一个夸克 和反夸克 合成,同理 -介子由夸克d和反夸克 构成,A、D项正确2.在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 的核反应,间接地证实了中微子的存在。

(1)中微子与水中的 发生核反应,产生中子 和正电子 即:中微子 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(),即 已知正电子和电子的质量都为9.110-31kg,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____________________________解题探究】(1)核反应过程中,_______和_______守恒 (2)正电子和负电子相遇后湮灭,根据_________可以计算光子 的能量质量数,电荷数,质能方程,【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,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=mc2,故一个光子的能量为 ,代入数据 得 =8.210-14J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)8.210-14此过程遵循动量守恒定律,。