19.7核聚變19.8粒子和宇宙

1、 第十九章 原子核 第7節(jié) 核聚變 一、一、 核聚變（熱核反應(yīng)）核聚變（熱核反應(yīng)） 某些輕核能夠結(jié)合在一起，生成一個較大的原子核，某些輕核能夠結(jié)合在一起，生成一個較大的原子核， 這種核反應(yīng)叫做這種核反應(yīng)叫做聚變聚變。 2341 1120 HHHen 2231 1121 HHHeH 聚變后比結(jié)合能增加，聚變后比結(jié)合能增加， 反應(yīng)中會釋放能量反應(yīng)中會釋放能量 根據(jù)所給數(shù)據(jù)根據(jù)所給數(shù)據(jù), ,計算下面核反應(yīng)放出的能量計算下面核反應(yīng)放出的能量: : 氘核的質(zhì)量：氘核的質(zhì)量：mmD D2.014102u2.014102u 氚核的質(zhì)量：氚核的質(zhì)量：mmT T3.016050u3.016050u 氦核的質(zhì)量：

2、氦核的質(zhì)量：mm 4.002603u4.002603u 中子的質(zhì)量：中子的質(zhì)量：mmn n=1.008665u=1.008665u 平均每個核子放出的能量在平均每個核子放出的能量在3MeV以上，比裂變反應(yīng)中平均每個以上，比裂變反應(yīng)中平均每個 核子放出的能量大核子放出的能量大34倍。倍。 2341 1120 HHHen () DTn mmmmm 0.018884u 2 0.01884 931.5MeVEmc 17.59MeVE 發(fā)生聚變的條件發(fā)生聚變的條件: : 使原子核間的距離達(dá)到使原子核間的距離達(dá)到1010-15 -15m m， ， （原子核需要很大的動能才會（原子核需要很大的動能才會“撞撞

3、”在一起）在一起） 實現(xiàn)的方法有實現(xiàn)的方法有: : 1 1、用加速器加速原子核；、用加速器加速原子核； 、把原子核加熱到很高的溫度；、把原子核加熱到很高的溫度； 108109K 不經(jīng)不經(jīng) 濟(jì)濟(jì) 聚變反應(yīng)又叫熱核反應(yīng)聚變反應(yīng)又叫熱核反應(yīng) 核聚變的利用氫彈 彈體彈體 引爆裝置引爆裝置 小小 型型 原原 子子 彈彈 三種炸藥：三種炸藥： 普通炸藥普通炸藥 235 氘、氚氘、氚 爆炸爆炸 裂變裂變 聚變聚變 氘、氚、重氘、氚、重 氫化鉀等氫化鉀等 鈾鈾235 外殼外殼 普通炸藥普通炸藥 2341 1120 HHHen 核聚變普遍存在于宇宙中 熱核反應(yīng)和裂變反應(yīng)相比較，具有許多優(yōu)越性。熱核反應(yīng)和裂變反應(yīng)

4、相比較，具有許多優(yōu)越性。 1 1、輕核聚變產(chǎn)能效率高、輕核聚變產(chǎn)能效率高 2 2、地球上聚變?nèi)剂系膬α控S富、地球上聚變?nèi)剂系膬α控S富 （每升水中就含有（每升水中就含有0.03g0.03g氘，地球上有氘，地球上有138.6138.6億億立億億立 方米的水，大約有方米的水，大約有4040萬億噸氘。氚可以利用鋰來萬億噸氘。氚可以利用鋰來 制取，地球上鋰儲量有制取，地球上鋰儲量有20002000億噸）億噸） 3 3、輕核聚變更為安全、清潔、輕核聚變更為安全、清潔 （高溫不能維持反應(yīng)就能自動終止，聚變產(chǎn)生的（高溫不能維持反應(yīng)就能自動終止，聚變產(chǎn)生的 氦是沒有放射性的。廢物主要是泄露的氚，高速氦是沒有放射

5、性的。廢物主要是泄露的氚，高速 中子、質(zhì)子與其他物質(zhì)反應(yīng)生成的放射性物質(zhì)，中子、質(zhì)子與其他物質(zhì)反應(yīng)生成的放射性物質(zhì)， 比裂變反應(yīng)堆生成的廢物數(shù)量少，容易處理）比裂變反應(yīng)堆生成的廢物數(shù)量少，容易處理） 二、受控?zé)岷朔磻?yīng)二、受控?zé)岷朔磻?yīng)核聚變的利用核聚變的利用 、熱核反應(yīng)的的點火溫度很高；、熱核反應(yīng)的的點火溫度很高； 、如何約束聚變所需的燃料；、如何約束聚變所需的燃料； 磁場約束磁場約束 問題有：問題有： 現(xiàn)在的技術(shù)還不能控制熱核反應(yīng)。現(xiàn)在的技術(shù)還不能控制熱核反應(yīng)。 問題有：問題有： 、熱核反應(yīng)的的點火溫度很高；、熱核反應(yīng)的的點火溫度很高； 、如何約束聚變所需的燃料；、如何約束聚變所需的燃料； 慣

6、性約束 現(xiàn)在的技術(shù)還不能控制熱核反應(yīng)?，F(xiàn)在的技術(shù)還不能控制熱核反應(yīng)。 問題有：問題有： 、熱核反應(yīng)的的點火溫度很高；、熱核反應(yīng)的的點火溫度很高； 、如何約束聚變所需的燃料；、如何約束聚變所需的燃料； 現(xiàn)在的技術(shù)還不能控制熱核反應(yīng)?，F(xiàn)在的技術(shù)還不能控制熱核反應(yīng)。 可控?zé)岷朔磻?yīng)將為人類提供巨大的能源可控?zé)岷朔磻?yīng)將為人類提供巨大的能源, ,和平利用和平利用 聚變產(chǎn)生的核量是非常吸引人的重大課題，我國的可聚變產(chǎn)生的核量是非常吸引人的重大課題，我國的可 控核聚變裝置控核聚變裝置“中國環(huán)流器中國環(huán)流器1 1號號”已取得不少研究成已取得不少研究成 果果. . 19.819.8 粒子和宇宙粒子和宇宙 1 1“

7、基本基本”粒子粒子 “ “不不” ” 基本基本 1897 1897年湯姆生發(fā)現(xiàn)電子，年湯姆生發(fā)現(xiàn)電子，19111911年盧年盧 瑟福提出原子的核式結(jié)構(gòu)。繼而我們發(fā)現(xiàn)瑟福提出原子的核式結(jié)構(gòu)。繼而我們發(fā)現(xiàn) 了光子，并認(rèn)為了光子，并認(rèn)為“光子、電子、質(zhì)子、中光子、電子、質(zhì)子、中 子子”是組成物質(zhì)的不可再分的粒子，所以是組成物質(zhì)的不可再分的粒子，所以 把它們叫把它們叫“基本粒子基本粒子”。那么隨著科學(xué)技。那么隨著科學(xué)技 術(shù)的發(fā)展術(shù)的發(fā)展“它們它們”還是不是真正意義上的還是不是真正意義上的 “基本基本”粒子呢？粒子呢？ 2 2發(fā)現(xiàn)新粒子發(fā)現(xiàn)新粒子 （1 1）19321932年發(fā)現(xiàn)年發(fā)現(xiàn)正電子正電子；19

8、371937年發(fā)現(xiàn)年發(fā)現(xiàn)子子； 19471947年發(fā)現(xiàn)年發(fā)現(xiàn)K K介子介子與與介子介子，后來又發(fā)現(xiàn)了，后來又發(fā)現(xiàn)了超超 子子 （2 2）實驗中發(fā)現(xiàn)了許多）實驗中發(fā)現(xiàn)了許多反粒子反粒子，現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)的，現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)的 粒子多達(dá)粒子多達(dá)400400多種。多種。 20世紀(jì)世紀(jì)30年代以來，人們對宇宙線的研究中發(fā)年代以來，人們對宇宙線的研究中發(fā) 現(xiàn)了一些新的粒子。現(xiàn)了一些新的粒子。 許多粒子都存在著質(zhì)量與它相同而電荷及其許多粒子都存在著質(zhì)量與它相同而電荷及其 他一些物理性質(zhì)相反的粒子，叫做他一些物理性質(zhì)相反的粒子，叫做反粒子反粒子。 什么是反粒子？什么是反粒子？ 粒子分類粒子分類 強(qiáng)子強(qiáng)子：是參與強(qiáng)相互作用的

9、粒子。：是參與強(qiáng)相互作用的粒子。 （強(qiáng)子又（強(qiáng)子又 分為分為介子介子和和重子重子） 輕子輕子：輕子是不參與強(qiáng)相互作用的粒子。：輕子是不參與強(qiáng)相互作用的粒子。 媒介子媒介子：傳遞各種相互作用的粒子。：傳遞各種相互作用的粒子。 按粒子與各種相互作用的關(guān)系分按粒子與各種相互作用的關(guān)系分 v例：例： v強(qiáng)子：質(zhì)子、中子強(qiáng)子：質(zhì)子、中子 v輕子：電子、電子中微子輕子：電子、電子中微子 v媒介子：光子、膠子媒介子：光子、膠子 3 3夸克模型夸克模型 19641964年提出夸克模年提出夸克模 型，認(rèn)為型，認(rèn)為強(qiáng)子強(qiáng)子由更由更 基本的成分組成，基本的成分組成， 這種成分叫做夸克這種成分叫做夸克 （quarkq

10、uark）。夸克）。夸克 模型經(jīng)過幾十年的模型經(jīng)過幾十年的 發(fā)展，已被多數(shù)物發(fā)展，已被多數(shù)物 理學(xué)家接受。理學(xué)家接受。 蓋爾曼蓋爾曼 （1 1）上夸克、下夸克、奇異夸克、粲夸克、）上夸克、下夸克、奇異夸克、粲夸克、 底夸克、頂夸克。底夸克、頂夸克。 （2 2）夸克帶電荷為元電荷的）夸克帶電荷為元電荷的2/32/3或或-1/3-1/3倍倍 v科學(xué)家們還未捕捉到自由的夸克?？淇瞬荒芸茖W(xué)家們還未捕捉到自由的夸克?？淇瞬荒?以自由的狀態(tài)單個出現(xiàn)，這種性質(zhì)稱為夸克以自由的狀態(tài)單個出現(xiàn)，這種性質(zhì)稱為夸克 的的“禁閉禁閉”。 4 4宇宙的演化、恒星的演化宇宙的演化、恒星的演化 要了解宇宙起源需了解物質(zhì)的組成

11、的粒子，要了解宇宙起源需了解物質(zhì)的組成的粒子， 這是因為在物理學(xué)中研究微觀世界的粒子物這是因為在物理學(xué)中研究微觀世界的粒子物 理、量子理論，與研究宇宙的理論竟然相互理、量子理論，與研究宇宙的理論竟然相互 溝通、相互支撐。溝通、相互支撐。 宇宙宇宙從何而來？從何而來？ 大爆炸理論 (The Big Bang Theory) 宇宙從一個“奇點”爆炸產(chǎn)生 大爆炸是在無限的宇宙各 大爆炸是在無限的宇宙各 處同時產(chǎn)生處同時產(chǎn)生 時間的零點 時間的零點 大爆炸宇宙論大爆炸宇宙論 宇宙大爆炸后，宇宙大爆炸后，“粒子家族粒子家族”（宇宙形成之初）：（宇宙形成之初）： 1010-44 -44秒后，溫度 秒后，溫

12、度101032 32K K，產(chǎn)生夸克、輕子、膠子等 ，產(chǎn)生夸克、輕子、膠子等 1010-6 -6秒后溫度 秒后溫度101013 13K K，夸克構(gòu)成了質(zhì)子和中子等 ，夸克構(gòu)成了質(zhì)子和中子等 （強(qiáng)子時代）（強(qiáng)子時代） 溫度為溫度為101011 11K K時，少量夸克，光子、大量中微子和 時，少量夸克，光子、大量中微子和 電子存在（輕子時代）電子存在（輕子時代） 溫度溫度10109 9K K時進(jìn)入核合成時代時進(jìn)入核合成時代 溫度降到溫度降到3000K3000K時，電子與質(zhì)子復(fù)合成氫原子時，電子與質(zhì)子復(fù)合成氫原子 1950年前后，伽莫夫第一個建立了熱大爆炸的觀念。年前后，伽莫夫第一個建立了熱大爆炸的

13、觀念。 溫度降到溫度降到3000K3000K時，電子與質(zhì)子復(fù)合成氫原子時，電子與質(zhì)子復(fù)合成氫原子 冷卻，出現(xiàn)了宇宙塵埃冷卻，出現(xiàn)了宇宙塵埃 密集塵埃密集塵埃 星云團(tuán)星云團(tuán) 開始發(fā)光開始發(fā)光 一顆恒星誕生。一顆恒星誕生。 恒星收縮升溫恒星收縮升溫 恒星收縮升溫恒星收縮升溫 熱核反應(yīng)成氦熱核反應(yīng)成氦 氫大部分聚變?yōu)楹浯蟛糠志圩優(yōu)楹?收縮收縮 氦聚合成碳氦聚合成碳 （類似）直到產(chǎn)生鐵元素。（類似）直到產(chǎn)生鐵元素。 恒星最后的歸宿：恒星最后的歸宿： 恒星質(zhì)量小于太陽恒星質(zhì)量小于太陽1.41.4倍倍白矮星白矮星 恒星質(zhì)量是太陽恒星質(zhì)量是太陽1.421.42倍倍中子性中子性 恒星質(zhì)量更大時恒星質(zhì)量更大時

14、( (無法抵抗無法抵抗)黑洞黑洞 1.（多選）關(guān)于核聚變，以下說法正確的是（多選）關(guān)于核聚變，以下說法正確的是 （ ） A輕核聚變需要幾百萬開爾文的高溫，因此聚變又叫做熱核聚變輕核聚變需要幾百萬開爾文的高溫，因此聚變又叫做熱核聚變 B一定質(zhì)量的聚變物質(zhì)聚變時放出的能量比相同質(zhì)量的一定質(zhì)量的聚變物質(zhì)聚變時放出的能量比相同質(zhì)量的 裂變物質(zhì)裂變時釋放的能量大很多倍裂變物質(zhì)裂變時釋放的能量大很多倍 C聚變發(fā)生的條件是聚變物質(zhì)的體積大于臨界體積聚變發(fā)生的條件是聚變物質(zhì)的體積大于臨界體積 D發(fā)生聚變反應(yīng)時，原子核必須有足夠大的動能發(fā)生聚變反應(yīng)時，原子核必須有足夠大的動能 2.發(fā)生輕核聚變的方法是（發(fā)生輕核

15、聚變的方法是（ ） A用中子轟擊用中子轟擊 B保持室溫環(huán)境，增大壓強(qiáng)保持室溫環(huán)境，增大壓強(qiáng) C用用光子照射光子照射 D把參與反應(yīng)的物質(zhì)加熱到幾百萬度以上的高溫把參與反應(yīng)的物質(zhì)加熱到幾百萬度以上的高溫 D ABD 3. 現(xiàn)有三個核反應(yīng)：現(xiàn)有三個核反應(yīng)： 24240 11121 NaMge 2351141921 92056360 3UnBaKrn 2341 1120 HHHen 下列說法正確的是（下列說法正確的是（ ） A. 是裂變，是裂變， 是是衰變，衰變， 是聚變是聚變 B. 是聚變，是聚變， 是裂變，是裂變， 是是衰變衰變 C. 是是衰變，衰變， 是裂變，是裂變， 是聚變是聚變 D. 是是衰

16、變，衰變， 是聚變，是聚變， 是裂變是裂變 C 4.已知核反應(yīng)方程：已知核反應(yīng)方程： ，用，用c表示表示 光速，則（）光速，則（） Ax是質(zhì)子，核反應(yīng)放出的能量等于質(zhì)子質(zhì)量乘是質(zhì)子，核反應(yīng)放出的能量等于質(zhì)子質(zhì)量乘c2 Bx是中子，核反應(yīng)放出的能量等于中子質(zhì)量乘是中子，核反應(yīng)放出的能量等于中子質(zhì)量乘c2 Cx是質(zhì)子，核反應(yīng)放出的能量等于氘核與氚核的質(zhì)量和是質(zhì)子，核反應(yīng)放出的能量等于氘核與氚核的質(zhì)量和 減去氦核與質(zhì)子的質(zhì)量和，再乘減去氦核與質(zhì)子的質(zhì)量和，再乘c2 Dx是中子，核反應(yīng)放出的能量等于氘核與氚核的質(zhì)量和是中子，核反應(yīng)放出的能量等于氘核與氚核的質(zhì)量和 減去氦核與中子的質(zhì)量和，再乘減去氦核與

17、中子的質(zhì)量和，再乘c2 D 234 112 HHHex 5 5、目前普遍認(rèn)為，質(zhì)子和中子都由被稱為、目前普遍認(rèn)為，質(zhì)子和中子都由被稱為夸克夸克 和和d d夸克的兩類夸克組成，夸克的兩類夸克組成，夸克帶電量為夸克帶電量為2e/32e/3，d d 夸克帶電量為夸克帶電量為-e/3-e/3，e e為元電荷，則下列論斷可能為元電荷，則下列論斷可能 的是（的是（ ） A A質(zhì)子由質(zhì)子由1 1個個夸克和夸克和1 1個個d d夸克組成，中子由夸克組成，中子由1 1個個 夸克和夸克和2 2個個d d夸克組成夸克組成 B B質(zhì)子由質(zhì)子由2 2個個夸克和夸克和1 1個個d d夸克組成，中子由夸克組成，中子由1 1個個 夸克和夸克和2 2個個d d夸克組成夸克組成 C C質(zhì)子由質(zhì)子由1 1個個夸克和夸克和2 2個個d d夸克組成，中子由夸克組成，中子由2 2個個 夸克和夸克和1 1個個d d夸克組成夸克組