2024-2025學(xué)年高中物理第十九章原子核7核聚變8粒子和宇宙學(xué)案新人教版選修3-5

PAGE13-7核聚變8粒子和宇宙一、核聚變1．核聚變把兩個(gè)質(zhì)量較輕的原子核結(jié)合成質(zhì)量較大的核，這種釋放核能的反應(yīng)稱為輕核聚變．由于這種核反應(yīng)需在幾百萬(wàn)度的高溫下進(jìn)行，因此，聚變又叫熱核反應(yīng)．2．典型的核聚變一個(gè)氘核和一個(gè)氚核的聚變，eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)n＋γ.3．輕核聚變能釋放更多的核能輕核聚變有質(zhì)量虧損，是放能核反應(yīng)，核能的計(jì)算仍是用愛因斯坦質(zhì)能方程．相同質(zhì)量的燃料，聚變比裂變時(shí)產(chǎn)生的能量多．太陽(yáng)內(nèi)部進(jìn)行著激烈的熱核反應(yīng)．氫彈的威力相比原子彈的威力誰(shuí)大？為什么？提示：氫彈的威力大．氫彈內(nèi)部發(fā)生的是核聚變，比核裂變放出的能量更多．二、受控?zé)岷朔磻?yīng)1．聚變與裂變相比有很多的優(yōu)點(diǎn)第一，輕核聚變產(chǎn)能效率高；其次，地球上聚變?nèi)剂系膬?chǔ)量豐富；第三，輕核聚變更為平安、清潔．2．科學(xué)家設(shè)想的受控?zé)岷朔磻?yīng)兩種方案磁約束和慣性約束．三、“基本粒子”不基本在19世紀(jì)末，人們認(rèn)為光子、電子、質(zhì)子和中子是組成物質(zhì)的不行再分的最基本的粒子，20世紀(jì)后半期，科學(xué)家發(fā)覺質(zhì)子、中子也有著自己的困難結(jié)構(gòu)，于是基本粒子不再“基本”．四、發(fā)覺新粒子1．新粒子1932年發(fā)覺正電子，1937年發(fā)覺μ子，1947年發(fā)覺K介子和π介子；以后又發(fā)覺了質(zhì)量比質(zhì)子大的粒子叫做超子．2．反粒子試驗(yàn)中發(fā)覺，對(duì)應(yīng)著很多粒子都存在著質(zhì)量與它相同而電荷及其他一些物理性質(zhì)相反的粒子，叫做反粒子．例如，電子的反粒子是正電子，質(zhì)子的反粒子是反質(zhì)子等．3．粒子的分類依據(jù)粒子與各種相互作用的關(guān)系分為三大類：強(qiáng)子、輕子和媒介子．五、夸克模型1．夸克強(qiáng)子(質(zhì)子、中子)有著自己困難的結(jié)構(gòu)，它們由更為基本的成分組成，科學(xué)家認(rèn)為這種成分叫夸克．2．分類上夸克、下夸克、奇異夸克、粲夸克、底夸克、頂夸克共有六種，它們所帶的電荷量分別為元電荷的＋eq\f(2,3)或－eq\f(1,3).每種夸克都有對(duì)應(yīng)的反夸克．3．意義夸克理論的最大突破是電子電荷不再是電荷的最小單元，即存在分?jǐn)?shù)電荷．4．夸克禁閉夸克不能以自由的狀態(tài)單個(gè)出現(xiàn)，這種性質(zhì)稱為夸克禁閉．六、宇宙的演化宇宙起源于一次大爆炸，這種理論被稱為宇宙大爆炸理論．七、恒星的演化恒星的最終歸宿是：質(zhì)量小于太陽(yáng)質(zhì)量的1.4倍的恒星會(huì)演化成白矮星，即體積很小，質(zhì)量不太小的恒星；質(zhì)量大于1.4倍小于2倍太陽(yáng)質(zhì)量的恒星，會(huì)演化成中子星；更大質(zhì)量的恒星，會(huì)演化成“黑洞”．考點(diǎn)一輕核的聚變及核能的計(jì)算1．能量改變：比較比結(jié)合能的圖線，聚變后比結(jié)合能增加，因此反應(yīng)中會(huì)釋放能量．2．聚變發(fā)生的條件要使輕核聚變，就必需使輕核接近核力發(fā)生作用的距離10－15m，但是原子核是帶正電的，要使它們接近10－153．重核裂變和輕核聚變的對(duì)比【例1】一個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子聚變?yōu)橐粋€(gè)氚核，已知質(zhì)子質(zhì)量mH＝1.0073u，中子質(zhì)量mn＝1.0087u，氚核質(zhì)量m＝3.0180u.(1)寫出核聚變方程；(2)釋放出的核能多大？(3)平均每個(gè)核子釋放的能量是多大？1．書寫核反應(yīng)方程應(yīng)留意哪些問(wèn)題？2．如何求核聚變過(guò)程中釋放的核能？【答案】(1)eq\o\al(1,1)H＋2eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(3,1)H(2)6.24MeV(3)2.08MeV【解析】(1)eq\o\al(1,1)H＋2eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(3,1)H.(2)質(zhì)量虧損Δm＝mH＋2mn－m＝(1.0073＋2×1.0087－3.0180)u＝0.0067u，釋放的核能ΔE＝Δmc2＝0.0067×931.5MeV≈6.24MeV.(3)平均每個(gè)核子放出的能量為eq\f(6.24,3)MeV＝2.08MeV.總結(jié)提能質(zhì)量數(shù)守恒、電荷數(shù)守恒是書寫核反應(yīng)方程必需遵守的規(guī)律．只有正確地計(jì)算出質(zhì)量虧損，才能計(jì)算出釋放的核能．我國(guó)自主研發(fā)制造的國(guó)際熱核聚變核心部件在國(guó)際上領(lǐng)先通過(guò)權(quán)威機(jī)構(gòu)認(rèn)證，這是我國(guó)對(duì)國(guó)際熱核聚變項(xiàng)目的重大貢獻(xiàn)．下列核反應(yīng)方程中屬于聚變反應(yīng)的是(A)A.eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)nB.eq\o\al(14,7)N＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(17,8)O＋eq\o\al(1,1)HC.eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(27,13)Al→eq\o\al(30,15)P＋eq\o\al(1,0)nD.eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(144,56)Ba＋eq\o\al(89,36)Kr＋3eq\o\al(1,0)n解析：A項(xiàng)是氫元素的兩種同位素氘和氚聚變成氦元素的核反應(yīng)方程，B項(xiàng)是用α粒子轟擊氮原子核發(fā)覺質(zhì)子的核反應(yīng)方程，C項(xiàng)屬于原子核的人工轉(zhuǎn)變，D項(xiàng)屬于重核的裂變，因此只有A項(xiàng)符合要求．考點(diǎn)二粒子世界1．粒子世界(1)電子、質(zhì)子和中子直到19世紀(jì)末，人們都認(rèn)為原子是組成物質(zhì)的不行再分的最小微粒．后來(lái)發(fā)覺了電子、質(zhì)子和中子．隨著科學(xué)家們的探討逐步發(fā)覺了數(shù)以百計(jì)的不同種類的新粒子，它們都不是由質(zhì)子、中子、電子組成的；又發(fā)覺質(zhì)子、中子等本身是復(fù)合粒子，它們還有著自己的困難結(jié)構(gòu)，所以電子、質(zhì)子、中子并不是組成物質(zhì)世界的基本粒子．(2)新粒子從20世紀(jì)30年頭以來(lái)，人們?cè)趯?duì)宇宙線的探討中接連發(fā)覺了一些新粒子，宇宙線中粒子的能量很高，但數(shù)量很少．人們用高能加速器進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)覺了更多的粒子．如1932年發(fā)覺了正電子，1937年發(fā)覺了μ子，1947年發(fā)覺了K介子和π介子，此后不久又發(fā)覺了超子．2．粒子的分類依據(jù)粒子與各種相互作用的關(guān)系，分類如下表所示：3.反粒子試驗(yàn)發(fā)覺，很多粒子都有和它質(zhì)量相同而電荷及其他一些物理量相反的粒子，叫反粒子．例如，電子和正電子，質(zhì)子和反質(zhì)子等．由反粒子構(gòu)成的物質(zhì)叫反物質(zhì)．反粒子(反物質(zhì))最顯著的特點(diǎn)是當(dāng)它們與相應(yīng)的正粒子(物質(zhì))相遇時(shí)，會(huì)發(fā)生“湮滅”，即同時(shí)消逝而轉(zhuǎn)化成其他的粒子．4．夸克模型(1)夸克模型的提出：1964年，美國(guó)物理學(xué)家蓋爾曼提出了強(qiáng)子的夸克模型，認(rèn)為強(qiáng)子是由夸克構(gòu)成的．(2)夸克的種類：上夸克(u)、下夸克(d)、奇異夸克(s)、粲夸克(c)、底夸克(b)和頂夸克(t)．(3)夸克所帶電荷：夸克所帶的電荷量為元電荷的－eq\f(1,3)或＋eq\f(2,3).例如，上夸克帶的電荷量為＋eq\f(2e,3)，下夸克帶的電荷量為－eq\f(e,3).【例2】在β衰變中常伴有一種稱為“中微子”的粒子放出．中微子的性質(zhì)非常特殊，因此在試驗(yàn)中很難探測(cè).1953年，萊尼斯和柯文建立了一個(gè)由大水槽和探測(cè)器組成的試驗(yàn)系統(tǒng)，利用中微子與水中eq\o\al(1,1)H的核反應(yīng)，間接地證明了中微子的存在．(1)中微子與水中的eq\o\al(1,1)H發(fā)生核反應(yīng)，產(chǎn)生中子(eq\o\al(1,0)n)和正電子(eq\o\al(0,1)e)，即：中微子＋eq\o\al(1,1)H→eq\o\al(1,0)n＋eq\o\al(0,1)e.可以判定，中微子的質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)分別是________．(填寫選項(xiàng)前的字母)A．0和0 B．0和1C．1和0 D．1和1(2)上述核反應(yīng)產(chǎn)生的正電子與水中的電子相遇，與電子形成幾乎靜止的整體后，可以轉(zhuǎn)變?yōu)閮蓚€(gè)光子(γ)，即eq\o\al(0,1)e＋eq\o\al(0,－1)e→2γ，已知正電子和電子的質(zhì)量都為9.1×10－31kg，反應(yīng)中產(chǎn)生的每個(gè)光子的能量約為________J．正電子與電子相遇不行能只轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)光子，緣由是________．(3)試通過(guò)分析比較，具有相同動(dòng)能的中子和電子的物質(zhì)波波長(zhǎng)的大?。僖罁?jù)核反應(yīng)中質(zhì)量數(shù)與電荷數(shù)守恒，推斷出質(zhì)量數(shù)與電荷數(shù)．②利用質(zhì)能方程可得出每個(gè)光子的能量，正電子與電子相遇遵循動(dòng)量守恒定律，不行能只轉(zhuǎn)化為一個(gè)光子．【答案】(1)A(2)8.2×10－14此過(guò)程遵循動(dòng)量守恒定律(3)λe>λn【解析】(1)發(fā)生核反應(yīng)前后，粒子的質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)均不變，據(jù)此可知中微子的質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)都是0，A項(xiàng)正確．(2)產(chǎn)生的能量是由于質(zhì)量虧損．兩個(gè)電子轉(zhuǎn)變?yōu)閮蓚€(gè)光子之后，質(zhì)量變?yōu)榱?，則E＝Δmc2，故一個(gè)光子的能量為eq\f(E,2)，代入數(shù)據(jù)得eq\f(E,2)＝8.2×10－14J．正電子與水中的電子相遇，與電子形成幾乎靜止的整體，故系統(tǒng)總動(dòng)量為零，故假如只產(chǎn)生一個(gè)光子是不行能的，因?yàn)榇诉^(guò)程遵循動(dòng)量守恒定律．(3)物質(zhì)波的波長(zhǎng)為λ＝eq\f(h,p)，要比較波長(zhǎng)須要將中子和電子的動(dòng)量用動(dòng)能表示出來(lái)即p＝eq\r(2mEk)，因?yàn)閙n>me，所以pn>pe，故λe>λn.總結(jié)提能核反應(yīng)過(guò)程中新生成的粒子和實(shí)物粒子一樣，也能產(chǎn)生物質(zhì)波，它們之間發(fā)生相互作用時(shí)，同樣遵循動(dòng)量守恒定律等力學(xué)規(guī)律．此題考查的學(xué)問(wèn)點(diǎn)較多，所以應(yīng)嫻熟地駕馭物理學(xué)問(wèn)，并敏捷運(yùn)用．(多選)已知π＋介子、π－介子都是由一個(gè)夸克(夸克u或夸克d)和一個(gè)反夸克(反夸克eq\x\to(u)或反夸克eq\x\to(d))組成的，它們的帶電量如下表所示，e為元電荷.下列說(shuō)法中正確的是(AD)A．π＋由u和eq\x\to(d)組成 B．π＋由d和eq\x\to(u)組成C．π－由u和eq\x\to(d)組成 D．π－由d和eq\x\to(u)組成解析：依據(jù)電荷量關(guān)系可知，由于π＋介子帶有＋e的電量，又由于π＋介子是由一個(gè)夸克和一個(gè)反夸克組成，依據(jù)題意可知π＋介子(＋e)應(yīng)由夸克ueq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(＋\f(2,3)e))和反夸克eq\x\to(d)eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(＋\f(1,3)e))構(gòu)成，同理π－介子由夸克d和反夸克eq\x\to(u)構(gòu)成．考點(diǎn)三宇宙和恒星的演化1．宇宙的演化2.恒星的演化密度很低的星際物質(zhì)漸漸形成星云，大塊的星云由于引力作用而收縮漸漸凝成原恒星．原恒星接著收縮，溫度不斷上升，發(fā)生熱核反應(yīng)，當(dāng)熱核反應(yīng)產(chǎn)生的斥力和引力作用達(dá)到平衡時(shí)，恒星不再收縮，進(jìn)入相對(duì)穩(wěn)定階段．當(dāng)核能源供應(yīng)不足時(shí)，恒星的穩(wěn)定狀態(tài)遭到破壞，引力作用又起先大于斥力，星體又起先收縮，溫度上升，發(fā)光實(shí)力增加，光度增加，外部膨脹，表面積增大，但表面溫度并不高，看上去呈紅色，這時(shí)恒星便演化為紅巨星．當(dāng)恒星核能耗盡時(shí)，就進(jìn)入末期．恒星的末期形態(tài)主要有三種：白矮星，中子星或黑洞．【例3】太陽(yáng)現(xiàn)在正處于主序星演化階段，它主要是由電子和eq\o\al(1,1)H、eq\o\al(4,2)He等原子核組成，維持太陽(yáng)輻射的是它內(nèi)部的核聚變反應(yīng)，核反應(yīng)方程是2eq\o\al(0,－1)e＋4eq\o\al(1,1)H→eq\o\al(4,2)He＋釋放的核能，這些核能最終轉(zhuǎn)化為輻射能．依據(jù)目前關(guān)于恒星演化的理論，若由于聚變反應(yīng)而使太陽(yáng)中的eq\o\al(1,1)H核數(shù)目從現(xiàn)有數(shù)量削減10%，太陽(yáng)將離開主序星階段而轉(zhuǎn)入紅巨星的演化階段．為了簡(jiǎn)化，假定目前太陽(yáng)全部由電子和eq\o\al(1,1)H核組成．(1)為了探討太陽(yáng)演化進(jìn)程，需知道目前太陽(yáng)的質(zhì)量m1，已知地球半徑R＝6.4×106m，地球質(zhì)量m2＝6.0×1024kg，日地中心的距離r＝1.5×1011m，地球表面處的重力加速度g取10m/s2(2)已知質(zhì)子質(zhì)量mp＝1.6726×10－27kg，eq\o\al(4,2)He質(zhì)量mα＝6.6458×10－27kg，電子質(zhì)量me＝0.9×10－30kg，光速c＝3×108(3)已知地球上與太陽(yáng)光垂直的每平方米截面上，每秒通過(guò)的太陽(yáng)輻射能ω＝1.35×103W/m2.試估算太陽(yáng)接著保持在主序星階段還有多少年的壽命？1．地球繞太陽(yáng)做圓周運(yùn)動(dòng)，其向心力由什么力來(lái)供應(yīng)？2．估算太陽(yáng)質(zhì)量要用到引力常量G，而本題中沒有給出，如何處理？3．太陽(yáng)中eq\o\al(1,1)H核數(shù)目從現(xiàn)有數(shù)量削減10%，發(fā)生核反應(yīng)的總次數(shù)可以算出，即太陽(yáng)在這個(gè)過(guò)程釋放出的總核能可以算出，但要估算太陽(yáng)保持在主序星階段的壽命，還須要知道太陽(yáng)在單位時(shí)間內(nèi)輻射的能量，如何計(jì)算太陽(yáng)在單位時(shí)間內(nèi)釋放的能量呢？【答案】(1)2×1030kg(2)4.2×10(3)1百億年【解析】(1)設(shè)T為地球繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)的周期，由萬(wàn)有引力定律和牛頓運(yùn)動(dòng)定律可知Geq\f(m2m1,r2)＝m2(eq\f(2π,T))2r①，地球表面處重力加速度g＝eq\f(Gm2,R2)②，聯(lián)立①②式得m1＝m2(eq\f(2π,T))2eq\f(r3,R2g)③.由題中所給數(shù)據(jù)代入得m1≈2×1030(2)依據(jù)質(zhì)量虧損和質(zhì)能方程，該核反應(yīng)每發(fā)生一次釋放的核能為ΔE＝(4mp＋2me－mα)c2，代入數(shù)據(jù)，解得ΔE≈4.2×10－12J.(3)依據(jù)題給假定，在太陽(yáng)接著保持在主序星階段的時(shí)間內(nèi)，發(fā)生題中所述的核聚變反應(yīng)次數(shù)為N＝eq\f(m1,4mp)×10%，因此，太陽(yáng)總共輻射的能量為E＝NΔE，每秒內(nèi)太陽(yáng)向外放出的輻射能為ε＝4πr2ω，所以太陽(yáng)接著保持在主序星階段的時(shí)間為t＝eq\f(E,ε)，由以上各式解得t＝eq\f(0.1m14mp＋2me－mαc2,4mp×4πr2ω).將題給數(shù)據(jù)代入，并以年為單位可得，t≈1×1010年＝1百億年．總結(jié)提能本題沒有干脆給出太陽(yáng)每秒鐘輻射能，而給出了地球上與太陽(yáng)光垂直的平面上每平方米每秒鐘得到的輻射能ω.本題關(guān)鍵是構(gòu)建太陽(yáng)光輻射模型，運(yùn)用幾何學(xué)問(wèn)計(jì)算每秒鐘太陽(yáng)的輻射能．太陽(yáng)內(nèi)部持續(xù)地發(fā)生4個(gè)質(zhì)子聚變?yōu)橐粋€(gè)氦核的熱核反應(yīng)，這個(gè)反應(yīng)釋放的大量能量就是太陽(yáng)釋放出的能量．試求這個(gè)核反應(yīng)所放出的能量．(已知質(zhì)子、氦核、電子的質(zhì)量分別為1.0073u、4.0015u、0.00055u)答案：24.8MeV解析：太陽(yáng)內(nèi)部這個(gè)熱核反應(yīng)的方程為4eq\o\al(1,1)H→eq\o\al(4,2)He＋2eq\o\al(0,1)e.質(zhì)量虧損為Δm＝4mp－mα－2me＝0.0266u＝4.42×10－29kg釋放的核能為ΔE＝Δmc2＝4.42×10－29×(3×108)2J＝3.978×10－12J＝24.8MeV.或依據(jù)1原子質(zhì)量單位相當(dāng)于931MeV，得ΔE＝0.0266×931MeV＝24.8MeV.1．(多選)下列說(shuō)法正確的是(ABCD)A．強(qiáng)子是參加強(qiáng)相互作用的粒子B．輕子是不參加強(qiáng)相互作用的粒子C．媒介子是傳遞相互作用的粒子D．夸克只有六種，且?guī)Х謹(jǐn)?shù)電荷2．(多選)關(guān)于核衰變和核反應(yīng)的類型，下列表述正確的有(AC)A.eq\o\al(238,92)U→eq\o\al(234,90)Th＋eq\o\al(4,2)He是α衰變B.eq\o\al(14,7)N＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(17,8)O＋eq\o\al(1