2024-2025學年高中物理第3章6核聚變7粒子物理學簡介學案教科版選修3-5

PAGE8-6.核聚變7．粒子物理學簡介(選學)[學習目標]1.知道聚變反應，關注受控聚變反應探討的進展.2.通過核能的利用，思索科學技術與社會進步的關系.3.初步了解粒子物理學的基礎學問.4.了解、感受科學發(fā)展過程中隱藏著的科學和人文精神．一、核聚變1．定義：把輕原子核聚合成較重原子核的反應稱為聚變反應，簡稱核聚變．2．熱核反應(1)舉例：一個氘核和一個氚核聚變成一個氦核的核反應方程：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)反應條件①輕核的距離要達到10－15m以內．②須要加熱到很高的溫度，因此又叫熱核反應．(3)優(yōu)點①輕核聚變產能效率高．②地球上聚變燃料的儲量豐富．③輕核聚變更為平安、清潔．3．可控核聚變反應探討的進展(1)把受控聚變狀況下釋放能量的裝置，稱為聚變反應堆，20世紀下半葉，聚變能的探討取得重大進展．(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，不產生放射性物質、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(1)現階段，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)覺了質子、中子，認為電子、中子、質子是組成物質的基本粒子．(2)1932年，安德森發(fā)覺了正電子，它的質量、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把粒子分為三類：它們分別是：媒介子、輕子、強子．3．加速器粒子加速器是用人工方法產生高速粒子的設備，按加速粒子的路徑大致分為兩類：一類是直線加速器，帶電粒子沿直線運動；一類是回旋加速器，帶電粒子沿圓弧運動，并反復加速．能夠實現兩束相對運動的粒子對接的設備叫作對撞機．1．正誤推斷(正確的打“√”，錯誤的打“×”)(1)核聚變反應中平均每個核子放出的能量比裂變時小一些． (×)(2)輕核的聚變只要達到臨界質量就可以發(fā)生． (×)(3)現在地球上消耗的能量絕大部分來自太陽內部的聚變反應． (√)(4)質子、中子、電子都是不行再分的基本粒子． (×)(5)質子和反質子的電量相同，電性相反． (√)(6)依據夸克模型，電子所帶電荷不再是電荷的最小單元． (√)2．(多選)下列關于聚變的說法中正確的是()A．要使聚變產生，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C．原子彈爆炸能產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D．自然界中不存在自然的熱核反應ABC[輕核聚變時，必需使輕核之間距離達到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；在太陽內部或其他恒星內部都進行著熱核反應，D錯誤．]3．關于粒子，下列說法正確的是()A．電子、質子和中子是組成物質的不行再分的最基本的粒子B．強子中都是帶電的粒子C．夸克模型是探究三大類粒子結構的理論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，不同夸克構成強子，有的強子帶電，有的強子不帶電，故A、B錯誤；夸克模型是探討強子結構的理論，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，使物質達到幾百萬開爾文的高溫．2．輕核聚變是放能反應從比結合能的圖線看，輕核聚變后比結合能增加，因此聚變反應是一個放能反應．3．核聚變的特點(1)在消耗相同質量的核燃料時，輕核聚變比重核裂變釋放更多的能量．(2)熱核反應一旦發(fā)生，就不再須要外界給它能量，靠自身產生的熱就可以使反應進行下去．(3)普遍性：熱核反應在宇宙中時時刻刻地進行著，太陽就是一個巨大的熱核反應堆．4．核聚變的應用(1)核武器——氫彈：一種不須要人工限制的輕核聚變反應裝置．它利用彈體內的原子彈爆炸產生的高溫高壓引發(fā)熱核聚變爆炸．(2)可控熱核反應：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或多個中等質量的原子核，放出核能兩個輕核結合成質量較大的原子核，放出核能放能多少聚變反應比裂變反應平均每個核子放出的能量要大3～4倍核廢料處理難度聚變反應的核廢料處理要比裂變反應簡潔得多原料的隱藏量核裂變燃料鈾在地球上儲量有限，尤其用于核裂變的鈾235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，假如用來進行熱核反應，放出的能量約與燃燒300L汽油相當可控性速度比較簡潔進行人工限制，現在的核電站都是用核裂變反應釋放核能目前，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：四個質子(氫核)聚變成一個α粒子，同時放射兩個正電子，若太陽輻射能量的總功率為P，質子eq\o\al(1,1)H、氦核eq\o\al(4,2)He、正電子eq\o\al(0,1)e的質量分別為mp、mα、me，真空中的光速為c，求：(1)寫出核反應方程；(2)核反應所釋放的能量ΔE；(3)1s內參加上述熱核反應的質子數目．[思路點撥](1)依據質量數守恒和電荷數守恒書寫核反應方程．(2)由愛因斯坦質能方程求說明放的能量．(3)由功率的定義求1s內參加反應的質子數．[解析](1)依據質量數守恒和電荷數守恒，可得核反應方程為4eq\o\al(1,1)H→eq\o\al(4,2)He＋2eq\o\al(0,1)e.(2)質量虧損Δm＝4mp－mα－2me，依據愛因斯坦質能方程：ΔE＝Δmc2，核反應釋放的能量，ΔE＝(4mp－mα－2me)c2.(3)設單位時間內參加熱核反應的質子數為N，依據能量關系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算方法(1)依據質量虧損計算．依據愛因斯坦質能方程，用核子結合成原子核時質量虧損(Δm)的千克數乘以真空中的光速(c＝3×108m/s)的平方，即ΔE＝Δmc2.①(2)依據1個原子質量單位(u)相當于931.5MeV能量，用核子結合成原子核時質量虧損的原子質量單位數乘以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)結合成氦核(eq\o\al(4,2)He)的核反應方程如下：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)這個核反應稱為________．(2)要發(fā)生這樣的核反應，須要將反應物質的溫度加熱到幾百萬開爾文．式中17.6MeV是核反應中________(選填“放出”或“汲取”)的能量，核反應后生成物的總質量比核反應前物質的總質量________(選填“增加”或“削減”)了__________kg(保留一位有效數字)．[解析]在輕核聚變反應中，由于質量虧損，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)覺及特點發(fā)覺時間1932年1937年1947年20世紀60年頭后新粒子反粒子μ子K介子與π介子超子基本特點質量與相對應的粒子相同而電荷及其他一些物理性質相反比質子的質量小質量介于電子與核子之間其質量比質子大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、強相互作用輕子不參加強相互作用電子、電子中微子、μ子、μ子中微子、τ子、τ子中微子未發(fā)覺內部結構強子參加強相互作用質子、中子、介子、超子強子有內部結構，由“夸克”構成；強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子所帶電荷的eq\f(2,3)或eq\f(1,3).每種夸克都有對應的反夸克．4．兩點提示(1)質子是最早發(fā)覺的強子，電子是最早發(fā)覺的輕子，τ子的質量比核子的質量大，但力的性質確定了它屬于輕子．(2)粒子具有對稱性，有一個粒子，必存在一個反粒子，它們相遇時會發(fā)生“湮滅”，即同時消逝而轉化成其他的粒子．【例2】在β衰變中常伴有一種稱為“中微子”的粒子放出．中微子的性質特別特殊，因此在試驗中很難探測.1953年，萊尼斯和柯文建立了一個由大水槽和探測器組成的試驗系統(tǒng)，利用中微子與水中eq\o\al(1,1)H的核反應，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，產生中子(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，中微子的質量數和電荷數分別是________．(2)上述核反應產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，可以轉變?yōu)閮蓚€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量都為9.1×10－31kg，反應中產生的每個光子的能量約為________J．正電子與電子相遇不行能只轉變?yōu)橐粋€光子，緣由是什么？[解析](1)發(fā)生核反應前后，粒子的質量數和電荷數均不變，據此可知中微子的質量數和電荷數都是0.(2)產生的能量是由于質量虧損．兩個電子轉變?yōu)閮蓚€光子之后，質量變?yōu)榱?，則E＝Δmc2，故一個光子的能量為eq\f(E,2)，代入數據得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，故只有產生2個光子，此過程才遵循動量守恒定律．[答案]0和08.2×10－14J見解析對核反應中新生成粒子的相識新生成的粒子和實物粒子一樣，它們之間發(fā)生相互作用時，同樣遵循動量守恒定律等力學規(guī)律．2．(多選)下列關于夸克模型的說法正確的是()A．強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．每種夸克都有對應的反夸克D．夸克能以自由的狀態(tài)單個出現ABC[夸克不能以自由的狀態(tài)單個出現，D錯誤，A、B、C正確．]課堂小結知識網絡1.熱核反應的概念及聚變方程.2.輕核聚變的條件及其應用.3.基本粒子的分類及相識.4.加速器的工作原理.1．(多選)據新華社報道，由我國自行設計、研制的世界第一套全超導核聚變試驗裝置(又稱“人造太陽”)已完成了首次工程調試．下列關于“人造太陽”的說法正確的是()A．“人造太陽”的核反應方程是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．依據公式E＝mc2可知，核燃料的質量相同時，聚變反應釋放的能量比裂變反應大得多D．依據公式E＝mc2可知，核燃料的質量相同時，聚變反應釋放的能量與裂變反應相同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項正確；依據氫核聚變特點，聚變反應比裂變反應平均每個核子放出的能量大約要大3～4倍，相同質量的核燃料，氫核聚變釋放的能量比裂變反應大得多，故選項C正確．]2．(2024·全國卷Ⅱ)太陽內部核反應的主要模式之一是質子－質子循環(huán)，循環(huán)的結果可表示為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的質量分別為mp＝1.0078u和mα＝4.0026u，1u＝931MeV/c2，c為光速．在4個eq\o\al(1,1)H轉變?yōu)?個eq\o\al(4,2)He的過程中，釋放的能量約為()A．8MeV B．16MeVC．26MeV D．52MeVC[核反應質量虧損Δm＝4×1.0078u－4.0026u＝0.0286u，釋放的能量ΔE＝0.0286×931MeV＝26.6MeV，選項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，這個詞是toroidal(環(huán)形的)、kamera(真空室)、magnit(磁)的頭兩個字母以及katushka(線圈)的第一個字母組成的縮寫詞．依據以上信息，下述推斷中可能正確的是()A．這種裝置的核反應原理是輕核的聚變，同時釋放出大量的能量，和太陽發(fā)光的原理類似B．線圈的作用是通電產生磁場使帶電粒子在磁場中旋轉而不溢出C．這種裝置同我國秦山、大亞灣核電站所運用核裝置的核