2024-2025學(xué)年高中物理第3章6核聚變7粒子物理學(xué)簡介學(xué)案教科版選修3-5

PAGE8-6.核聚變7．粒子物理學(xué)簡介(選學(xué))[學(xué)習(xí)目標(biāo)]1.知道聚變反應(yīng)，關(guān)注受控聚變反應(yīng)探討的進(jìn)展.2.通過核能的利用，思索科學(xué)技術(shù)與社會進(jìn)步的關(guān)系.3.初步了解粒子物理學(xué)的基礎(chǔ)學(xué)問.4.了解、感受科學(xué)發(fā)展過程中隱藏著的科學(xué)和人文精神．一、核聚變1．定義：把輕原子核聚合成較重原子核的反應(yīng)稱為聚變反應(yīng)，簡稱核聚變．2．熱核反應(yīng)(1)舉例：一個(gè)氘核和一個(gè)氚核聚變成一個(gè)氦核的核反應(yīng)方程：eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)n＋17.60MeV(2)反應(yīng)條件①輕核的距離要達(dá)到10－15m以內(nèi)．②須要加熱到很高的溫度，因此又叫熱核反應(yīng)．(3)優(yōu)點(diǎn)①輕核聚變產(chǎn)能效率高．②地球上聚變?nèi)剂系膬α控S富．③輕核聚變更為平安、清潔．3．可控核聚變反應(yīng)探討的進(jìn)展(1)把受控聚變狀況下釋放能量的裝置，稱為聚變反應(yīng)堆，20世紀(jì)下半葉，聚變能的探討取得重大進(jìn)展．(2)核聚變的約束方法：磁約束和慣性約束，托卡馬克采納的是磁約束方式．(3)核聚變是一種平安，不產(chǎn)生放射性物質(zhì)、原料成本低的能源，是人類將來能源的希望．4．恒星演化中的核反應(yīng)(1)現(xiàn)階段，供太陽發(fā)生核聚變過程的燃料是氫．(2)大約50億年后，太陽的核心的核聚變過程是：eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(8,4)Be，eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(8,4)Be→eq\o\al(12,)6C.二、粒子物理學(xué)簡介1．基本粒子(1)1897年湯姆孫發(fā)覺了電子后，人們又接連發(fā)覺了質(zhì)子、中子，認(rèn)為電子、中子、質(zhì)子是組成物質(zhì)的基本粒子．(2)1932年，安德森發(fā)覺了正電子，它的質(zhì)量、電荷量與電子相同，電荷符號與電子相反，它被稱為電子的反粒子，正電子也成為了基本粒子．2．基本粒子的分類按粒子參加相互作用的性質(zhì)把粒子分為三類：它們分別是：媒介子、輕子、強(qiáng)子．3．加速器粒子加速器是用人工方法產(chǎn)生高速粒子的設(shè)備，按加速粒子的路徑大致分為兩類：一類是直線加速器，帶電粒子沿直線運(yùn)動；一類是回旋加速器，帶電粒子沿圓弧運(yùn)動，并反復(fù)加速．能夠?qū)崿F(xiàn)兩束相對運(yùn)動的粒子對接的設(shè)備叫作對撞機(jī)．1．正誤推斷(正確的打“√”，錯誤的打“×”)(1)核聚變反應(yīng)中平均每個(gè)核子放出的能量比裂變時(shí)小一些． (×)(2)輕核的聚變只要達(dá)到臨界質(zhì)量就可以發(fā)生． (×)(3)現(xiàn)在地球上消耗的能量絕大部分來自太陽內(nèi)部的聚變反應(yīng)． (√)(4)質(zhì)子、中子、電子都是不行再分的基本粒子． (×)(5)質(zhì)子和反質(zhì)子的電量相同，電性相反． (√)(6)依據(jù)夸克模型，電子所帶電荷不再是電荷的最小單元． (√)2．(多選)下列關(guān)于聚變的說法中正確的是()A．要使聚變產(chǎn)生，必需克服庫侖斥力做功B．輕核聚變須要幾百萬攝氏度的高溫，因此聚變又叫作熱核反應(yīng)C．原子彈爆炸能產(chǎn)生幾百萬攝氏度的高溫，所以氫彈利用原子彈引發(fā)熱核反應(yīng)D．自然界中不存在自然的熱核反應(yīng)ABC[輕核聚變時(shí)，必需使輕核之間距離達(dá)到10－15m，所以必需克服庫侖斥力做功，A正確；原子核必需有足夠的動能，才能使它們接近到核力能發(fā)生作用的范圍，試驗(yàn)證明，原子核必需處在幾百萬攝氏度下才有這樣的能量，這樣高的溫度通常利用原子彈爆炸獲得，故B、C正確；在太陽內(nèi)部或其他恒星內(nèi)部都進(jìn)行著熱核反應(yīng)，D錯誤．]3．關(guān)于粒子，下列說法正確的是()A．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B．強(qiáng)子中都是帶電的粒子C．夸克模型是探究三大類粒子結(jié)構(gòu)的理論D．夸克模型說明電子電荷不再是電荷的最小單位D[由于質(zhì)子、中子是由不同夸克組成的，它們不是最基本的粒子，不同夸克構(gòu)成強(qiáng)子，有的強(qiáng)子帶電，有的強(qiáng)子不帶電，故A、B錯誤；夸克模型是探討強(qiáng)子結(jié)構(gòu)的理論，不同夸克帶電不同，分別為＋eq\f(2,3)e和－eq\f(e,3)，說明電子電荷不再是電荷的最小單位，C錯誤，D正確．]對核聚變的理解及應(yīng)用1．聚變發(fā)生的條件要使輕核聚變，必需使輕核接近核力發(fā)生作用的距離10－15m，這要克服電荷間強(qiáng)大的斥力作用，要求使輕核具有足夠大的動能．要使原子核具有足夠大的動能，就要給它們加熱，使物質(zhì)達(dá)到幾百萬開爾文的高溫．2．輕核聚變是放能反應(yīng)從比結(jié)合能的圖線看，輕核聚變后比結(jié)合能增加，因此聚變反應(yīng)是一個(gè)放能反應(yīng)．3．核聚變的特點(diǎn)(1)在消耗相同質(zhì)量的核燃料時(shí)，輕核聚變比重核裂變釋放更多的能量．(2)熱核反應(yīng)一旦發(fā)生，就不再須要外界給它能量，靠自身產(chǎn)生的熱就可以使反應(yīng)進(jìn)行下去．(3)普遍性：熱核反應(yīng)在宇宙中時(shí)時(shí)刻刻地進(jìn)行著，太陽就是一個(gè)巨大的熱核反應(yīng)堆．4．核聚變的應(yīng)用(1)核武器——?dú)鋸棧阂环N不須要人工限制的輕核聚變反應(yīng)裝置．它利用彈體內(nèi)的原子彈爆炸產(chǎn)生的高溫高壓引發(fā)熱核聚變爆炸．(2)可控?zé)岷朔磻?yīng)：目前處于探究階段．5．重核裂變與輕核聚變的區(qū)分重核裂變輕核聚變放能原理重核分裂成兩個(gè)或多個(gè)中等質(zhì)量的原子核，放出核能兩個(gè)輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的原子核，放出核能放能多少聚變反應(yīng)比裂變反應(yīng)平均每個(gè)核子放出的能量要大3～4倍核廢料處理難度聚變反應(yīng)的核廢料處理要比裂變反應(yīng)簡潔得多原料的隱藏量核裂變?nèi)剂镶櫾诘厍蛏蟽α坑邢蓿绕溆糜诤肆炎兊拟?35在鈾礦石中只占0.7%主要原料是氘，氘在地球上的儲量特別豐富.1L海水中大約有0.03g氘，假如用來進(jìn)行熱核反應(yīng)，放出的能量約與燃燒300L汽油相當(dāng)可控性速度比較簡潔進(jìn)行人工限制，現(xiàn)在的核電站都是用核裂變反應(yīng)釋放核能目前，除氫彈以外，人們還不能限制它【例1】太陽的能量來自下面的反應(yīng)：四個(gè)質(zhì)子(氫核)聚變成一個(gè)α粒子，同時(shí)放射兩個(gè)正電子，若太陽輻射能量的總功率為P，質(zhì)子eq\o\al(1,1)H、氦核eq\o\al(4,2)He、正電子eq\o\al(0,1)e的質(zhì)量分別為mp、mα、me，真空中的光速為c，求：(1)寫出核反應(yīng)方程；(2)核反應(yīng)所釋放的能量ΔE；(3)1s內(nèi)參加上述熱核反應(yīng)的質(zhì)子數(shù)目．[思路點(diǎn)撥](1)依據(jù)質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒書寫核反應(yīng)方程．(2)由愛因斯坦質(zhì)能方程求說明放的能量．(3)由功率的定義求1s內(nèi)參加反應(yīng)的質(zhì)子數(shù)．[解析](1)依據(jù)質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒，可得核反應(yīng)方程為4eq\o\al(1,1)H→eq\o\al(4,2)He＋2eq\o\al(0,1)e.(2)質(zhì)量虧損Δm＝4mp－mα－2me，依據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程：ΔE＝Δmc2，核反應(yīng)釋放的能量，ΔE＝(4mp－mα－2me)c2.(3)設(shè)單位時(shí)間內(nèi)參加熱核反應(yīng)的質(zhì)子數(shù)為N，依據(jù)能量關(guān)系P＝eq\f(NΔE,4)，有N＝eq\f(4P,4mp－mα－2mec2).[答案](1)4eq\o\al(1,1)H→eq\o\al(4,2)He＋2eq\o\al(0,1)e(2)(4mp－mα－2me)c2(3)eq\f(4P,4mp－mα－2mec2)輕核聚變釋放核能的計(jì)算方法(1)依據(jù)質(zhì)量虧損計(jì)算．依據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程，用核子結(jié)合成原子核時(shí)質(zhì)量虧損(Δm)的千克數(shù)乘以真空中的光速(c＝3×108m/s)的平方，即ΔE＝Δmc2.①(2)依據(jù)1個(gè)原子質(zhì)量單位(u)相當(dāng)于931.5MeV能量，用核子結(jié)合成原子核時(shí)質(zhì)量虧損的原子質(zhì)量單位數(shù)乘以931.5MeV，即ΔE＝Δm×931.5MeV.②留意：式①中Δm的單位為kg，ΔE的單位是J；式②中Δm的單位是u，ΔE的單位是MeV.1．氘核(eq\o\al(2,1)H)和氚核(eq\o\al(3,1)H)結(jié)合成氦核(eq\o\al(4,2)He)的核反應(yīng)方程如下：eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)n＋17.6MeV(1)這個(gè)核反應(yīng)稱為________．(2)要發(fā)生這樣的核反應(yīng)，須要將反應(yīng)物質(zhì)的溫度加熱到幾百萬開爾文．式中17.6MeV是核反應(yīng)中________(選填“放出”或“汲取”)的能量，核反應(yīng)后生成物的總質(zhì)量比核反應(yīng)前物質(zhì)的總質(zhì)量________(選填“增加”或“削減”)了__________kg(保留一位有效數(shù)字)．[解析]在輕核聚變反應(yīng)中，由于質(zhì)量虧損，放出核能，由ΔE＝Δmc2，可以求得Δm＝eq\f(ΔE,c2)≈3×10－29kg.[答案](1)核聚變(2)放出削減3×10－29對粒子的相識1．新粒子的發(fā)覺及特點(diǎn)發(fā)覺時(shí)間1932年1937年1947年20世紀(jì)60年頭后新粒子反粒子μ子K介子與π介子超子基本特點(diǎn)質(zhì)量與相對應(yīng)的粒子相同而電荷及其他一些物理性質(zhì)相反比質(zhì)子的質(zhì)量小質(zhì)量介于電子與核子之間其質(zhì)量比質(zhì)子大2.粒子的分類分類參加的相互作用發(fā)覺的粒子備注媒介子傳遞各種相互作用光子、中間玻色子、膠子光子、中間玻色子、膠子分別傳遞電磁、弱、強(qiáng)相互作用輕子不參加強(qiáng)相互作用電子、電子中微子、μ子、μ子中微子、τ子、τ子中微子未發(fā)覺內(nèi)部結(jié)構(gòu)強(qiáng)子參加強(qiáng)相互作用質(zhì)子、中子、介子、超子強(qiáng)子有內(nèi)部結(jié)構(gòu)，由“夸克”構(gòu)成；強(qiáng)子又可分為介子和重子3．夸克的分類夸克有6種，它們是上夸克、下夸克、奇異夸克、粲夸克、底夸克、頂夸克，它們帶的電荷是電子或質(zhì)子所帶電荷的eq\f(2,3)或eq\f(1,3).每種夸克都有對應(yīng)的反夸克．4．兩點(diǎn)提示(1)質(zhì)子是最早發(fā)覺的強(qiáng)子，電子是最早發(fā)覺的輕子，τ子的質(zhì)量比核子的質(zhì)量大，但力的性質(zhì)確定了它屬于輕子．(2)粒子具有對稱性，有一個(gè)粒子，必存在一個(gè)反粒子，它們相遇時(shí)會發(fā)生“湮滅”，即同時(shí)消逝而轉(zhuǎn)化成其他的粒子．【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)特別特殊，因此在試驗(yàn)中很難探測.1953年，萊尼斯和柯文建立了一個(gè)由大水槽和探測器組成的試驗(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________．(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，緣由是什么？[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.(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)榱悖瑒tE＝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)總動量為零，故只有產(chǎn)生2個(gè)光子，此過程才遵循動量守恒定律．[答案]0和08.2×10－14J見解析對核反應(yīng)中新生成粒子的相識新生成的粒子和實(shí)物粒子一樣，它們之間發(fā)生相互作用時(shí)，同樣遵循動量守恒定律等力學(xué)規(guī)律．2．(多選)下列關(guān)于夸克模型的說法正確的是()A．強(qiáng)子是由更基本的夸克組成的B．夸克的電荷量分別為元電荷的＋eq\f(2,3)或－eq\f(1,3)C．每種夸克都有對應(yīng)的反夸克D．夸克能以自由的狀態(tài)單個(gè)出現(xiàn)ABC[夸克不能以自由的狀態(tài)單個(gè)出現(xiàn)，D錯誤，A、B、C正確．]課堂小結(jié)知識網(wǎng)絡(luò)1.熱核反應(yīng)的概念及聚變方程.2.輕核聚變的條件及其應(yīng)用.3.基本粒子的分類及相識.4.加速器的工作原理.1．(多選)據(jù)新華社報(bào)道，由我國自行設(shè)計(jì)、研制的世界第一套全超導(dǎo)核聚變試驗(yàn)裝置(又稱“人造太陽”)已完成了首次工程調(diào)試．下列關(guān)于“人造太陽”的說法正確的是()A．“人造太陽”的核反應(yīng)方程是eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)nB．“人造太陽”的核反應(yīng)方程是eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(141,56)Ba＋eq\o\al(92,36)Kr＋3eq\o\al(1,0)nC．依據(jù)公式E＝mc2可知，核燃料的質(zhì)量相同時(shí)，聚變反應(yīng)釋放的能量比裂變反應(yīng)大得多D．依據(jù)公式E＝mc2可知，核燃料的質(zhì)量相同時(shí)，聚變反應(yīng)釋放的能量與裂變反應(yīng)相同AC[eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)n是氫核聚變方程，故A項(xiàng)正確；依據(jù)氫核聚變特點(diǎn)，聚變反應(yīng)比裂變反應(yīng)平均每個(gè)核子放出的能量大約要大3～4倍，相同質(zhì)量的核燃料，氫核聚變釋放的能量比裂變反應(yīng)大得多，故選項(xiàng)C正確．]2．(2024·全國卷Ⅱ)太陽內(nèi)部核反應(yīng)的主要模式之一是質(zhì)子－質(zhì)子循環(huán)，循環(huán)的結(jié)果可表示為4eq\o\al(1,1)H→eq\o\al(4,2)He＋2eq\o\al(0,1)e＋2ν已知eq\o\al(1,1)H和eq\o\al(4,2)He的質(zhì)量分別為mp＝1.0078u和mα＝4.0026u，1u＝931MeV/c2，c為光速．在4個(gè)eq\o\al(1,1)H轉(zhuǎn)變?yōu)?個(gè)eq\o\al(4,2)He的過程中，釋放的能量約為()A．8MeV B．16MeVC．26MeV D．52MeVC[核反應(yīng)質(zhì)量虧損Δm＝4×1.0078u－4.0026u＝0.0286u，釋放的能量ΔE＝0.0286×931MeV＝26.6MeV，選項(xiàng)C正確．]3．(多選)如圖所示，托卡馬克(Tokamak)是探討受控核聚變的一種裝置，這個(gè)詞是toroidal(環(huán)形的)、kamera(真空室)、magnit(磁)的頭兩個(gè)字母以及katushka(線圈)的第一個(gè)字母組成的縮寫詞．依據(jù)以上信息，下述推斷中可能正確的是()A．這種裝置的核反應(yīng)原理是輕核的聚變，同時(shí)釋放出大量的能量，和太陽發(fā)光的原理類似B．線圈的作用是通電產(chǎn)生磁場使帶電粒子在磁場中旋轉(zhuǎn)而不溢出C．這種裝置同我國秦山、大亞灣核電站所運(yùn)用核裝置的核