浙江專版2018年高中物理第十九章原子核第78節(jié)核聚變粒子和宇宙學(xué)案新人教版選修3

1、第7、8節(jié) 核聚變_粒子和宇宙核聚變探新知基礎(chǔ)練1核聚變(1)定義：兩個輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核，這樣的核反應(yīng)叫做聚變。聚變后比結(jié)合能增加，因此反應(yīng)中會釋放能量。(2)發(fā)生條件：輕核聚變必須在溫度達(dá)到幾百萬開爾文時，才可以發(fā)生，因此又叫熱核反應(yīng)。聚變一旦發(fā)生，就不再需要外界給它能量，靠自身產(chǎn)生的熱就會使反應(yīng)繼續(xù)下去。(3)實(shí)例：熱核反應(yīng)主要應(yīng)用在核武器上，如氫彈；熱核反應(yīng)在宇宙中時時刻刻地進(jìn)行著，太陽就是一個巨大的熱核反射堆；典型的核聚變：一個氘核和一個氚核的聚變，HHHen17.6 MeV，該反應(yīng)平均每個核子放出的能量比裂變反應(yīng)平均每個核子放出的能量大34倍。2受控?zé)岷朔磻?yīng)(1)聚變與裂變相比

2、有很多優(yōu)點(diǎn)：輕核聚變產(chǎn)能效率高；地球上聚變?nèi)剂系膬α控S富；輕核聚變更為安全、清潔。(2)實(shí)現(xiàn)核聚變的方法：難點(diǎn)：地球上沒有任何容器能夠經(jīng)受幾百萬開爾文的高溫；方案：科學(xué)家設(shè)想了兩種方案，即磁約束和慣性約束，環(huán)流器是目前性能最好的一種磁約束裝置。辨是非(對的劃“”，錯的劃“”)1我國一些核電站已經(jīng)開始大規(guī)模利用輕核聚變發(fā)電。()2輕核聚變須達(dá)到幾百萬開爾文以上的高溫，自然界不存在輕核聚變。()釋疑難對點(diǎn)練1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)是一個放能反應(yīng)。例如：HHnHe17.6 MeV。2聚變發(fā)生的條件：要使輕核聚變，必須使輕核間距達(dá)到核力發(fā)生作用的距離1015 m，這要

3、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。3特點(diǎn)(1)在消耗相同質(zhì)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(yīng)一旦發(fā)生，就不再需要外界給它能量，靠自身產(chǎn)生的熱就可以使反應(yīng)進(jìn)行下去。4應(yīng)用(1)核武器氫彈。(2)可控?zé)岷朔磻?yīng)：目前處于探索階段。5輕核聚變與重核裂變的區(qū)別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(zhì)量的原子核，放出核能兩個輕核結(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)平均每個核子放出的能量大約要大34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)簡單得多原

4、料的蘊(yùn)藏量核裂變?nèi)剂镶櫾诘厍蛏蟽α坑邢?，尤其用于核裂變的?35在鈾礦石中只占0.7%主要原料是氘，在地球上的儲量豐富，1 L海水中大約有0.03 g氘，如果用來進(jìn)行熱核反應(yīng)，放出的能量約與燃燒300 L汽油相當(dāng)可控性速度比較容易進(jìn)行人工控制，現(xiàn)在的核電站都是用裂變反應(yīng)釋放核能目前，除氫彈以外，人們還不能控制它試身手1(多選)關(guān)于聚變，以下說法正確的是()A兩個輕核聚變?yōu)橹械荣|(zhì)量的原子核時放出能量B同樣質(zhì)量的較輕核發(fā)生聚變時放出的能量比同樣質(zhì)量的較重核裂變時釋放的能量大好多倍C聚變反應(yīng)的條件是聚變物質(zhì)的體積達(dá)到臨界體積D發(fā)生聚變反應(yīng)時的原子核必須有足夠大的動能解析：選BD兩個輕核聚合為較大質(zhì)量

5、的原子核就可釋放能量，但其生成物不是中等質(zhì)量的核，故A錯誤；輕核發(fā)生聚變反應(yīng)放出的能量比同樣質(zhì)量的重核裂變時釋放的能量大得多，故B正確；裂變反應(yīng)的條件是裂變物質(zhì)的體積達(dá)到臨界體積，而聚變反應(yīng)的條件是原子核間距達(dá)到1015 m，故要求有足夠大的動能克服原子核間的斥力做功，故C錯誤，D正確。粒子和宇宙探新知基礎(chǔ)練粒子的發(fā)現(xiàn)(1)“基本粒子”不基本：直到19世紀(jì)末，人們稱光子、電子、質(zhì)子和中子是基本粒子。(2)發(fā)現(xiàn)新粒子：1932年發(fā)現(xiàn)了正電子，1937年發(fā)現(xiàn)了子，1947年發(fā)現(xiàn)了K介子和介子及以后的超子等。(3)夸克模型：上夸克、下夸克、奇異夸克、粲夸克、底夸克、頂夸克；它們帶的電荷分別為元電荷的

6、或，每種夸克都有對應(yīng)的反夸克。辨是非(對的劃“”，錯的劃“”)1質(zhì)子、中子不能再分。()2反粒子與粒子有相同的電量，但電性相反。()釋疑難對點(diǎn)練1物質(zhì)的結(jié)構(gòu)(1)粒子世界：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)的不可再分的最小微粒，后來發(fā)現(xiàn)了電子、質(zhì)子和中子；新粒子：1912年奧地利物理學(xué)家赫斯對宇宙線研究，發(fā)現(xiàn)一些新粒子。人們用高能加速器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；發(fā)現(xiàn)了更多新粒子，1932年發(fā)現(xiàn)了正電子，1937年發(fā)現(xiàn)子，1947年發(fā)現(xiàn)K介子和介子及以后的超子、反粒子等。(2)粒子的分類：已發(fā)現(xiàn)的粒子分為三大類：媒介子、輕子和強(qiáng)子。(3)夸克：1964年美國物理學(xué)家蓋爾曼提出了強(qiáng)子的夸克

7、模型，認(rèn)為強(qiáng)子是由夸克構(gòu)成的。2宇宙的演化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溝通、相互支撐。3恒星的演化當(dāng)恒星核能耗盡時，就進(jìn)入末期，恒星的末期形態(tài)主要有：白矮星、中子星、黑洞。試身手2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)的不可再分的最基本的粒子B強(qiáng)子都是帶電的粒子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解析：選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；夸克模型是研究強(qiáng)子結(jié)構(gòu)的理論，不同夸克帶電荷不同，分別為元電荷的或，說明電子電荷不

8、再是電荷的最小單位，C錯誤，D正確。 核聚變反應(yīng)中有關(guān)核能的計算典例1一個質(zhì)子和兩個中子聚變?yōu)橐粋€氚核，已知質(zhì)子質(zhì)量mH1.007 3 u，中子質(zhì)量mn1.008 7 u，氚核質(zhì)量m3.018 0 u,1 u相當(dāng)于931.5 MeV的能量。(1)寫出聚變方程；(2)求聚變過程釋放出的核能；(3)求平均每個核子釋放的能量。思路點(diǎn)撥核反應(yīng)方程要根據(jù)電荷數(shù)守恒和質(zhì)量數(shù)守恒，核能的計算關(guān)鍵是要求出核反應(yīng)中的質(zhì)量虧損，然后根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程求解。解析(1)聚變方程H2nH。(2)質(zhì)量虧損mmH2mnm(1.007 321.008 73.018 0)u0.006 7 u，釋放的核能Emc20.006 7

9、931.5 MeV6.24 MeV。(3)平均每個核子放出的能量為E MeV2.08 MeV。答案(1)H2nH(2)6.24 MeV(3)2.08 MeV(1)核聚變反應(yīng)和一般的核反應(yīng)一樣，也遵循電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)守恒，這是書寫核反應(yīng)方程式的重要依據(jù)。(2)核能的計算關(guān)鍵是要求出核反應(yīng)過程中的質(zhì)量虧損，然后代入Emc2進(jìn)行計算。對粒子的認(rèn)識典例2在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)十分特別，因此在實(shí)驗(yàn)中很難探測。1953年，萊尼斯和柯文建造了一個由大水槽和探測器組成的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，利用中微子與水中H的核反應(yīng)，間接地證實(shí)了中微子的存在。(1)中微子與水中的H發(fā)生核反應(yīng)，產(chǎn)生中子(n

10、)和正電子(e)，即中微子Hne?？梢耘卸?，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)A0和0B0和1C1和0 D1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€光子()，即ee2。已知正電子和電子的質(zhì)量都為9.11031 kg，反應(yīng)中產(chǎn)生的每個光子的能量約為_J。正電子與電子相遇不可能只轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€光子，原因是_。(3)試通過分析比較，具有相同動能的中子和電子的物質(zhì)波波長的大小。思路點(diǎn)撥解答此題應(yīng)把握以下兩點(diǎn)：(1)根據(jù)方程的質(zhì)量數(shù)與電荷數(shù)守恒，判斷出質(zhì)量數(shù)與電荷數(shù)。(2)利用質(zhì)能方程可得出每個光子的能量，正電子與電子相遇遵循動量守恒定律

11、，不可能只轉(zhuǎn)化為一個光子。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。兩個電子轉(zhuǎn)變?yōu)閮蓚€光子之后，質(zhì)量變?yōu)榱?，則Emc2，故一個光子的能量為，代入數(shù)據(jù)得8.21014 J。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，因?yàn)榇诉^程遵循動量守恒定律，故如果只產(chǎn)生一個光子是不可能的。(3)物質(zhì)波的波長為，由p，因?yàn)閙nme，所以pnpe，故ne。答案(1)A(2)8.21014原因見解析(3)ne課堂對點(diǎn)鞏固1太陽不斷地向外輻射能量，仍保持1千萬度以上的高溫，其主要原因是太陽內(nèi)部進(jìn)行著劇烈地

12、()A衰變反應(yīng)B人工核反應(yīng)C裂變反應(yīng) D熱核反應(yīng)解析：選D太陽的內(nèi)部時刻都在進(jìn)行著氫核的聚變，即熱核反應(yīng)，故D對。 2關(guān)于輕核聚變釋放核能，下列說法正確的是()A一次聚變反應(yīng)一定比一次裂變反應(yīng)釋放的能量多B聚變反應(yīng)比裂變反應(yīng)每個核子釋放的平均能量一定大C聚變反應(yīng)中粒子的平均結(jié)合能變小D聚變反應(yīng)中由于形成質(zhì)量較大的核，故反應(yīng)后質(zhì)量增加解析：選B在一次聚變反應(yīng)中釋放的能量不一定比裂變反應(yīng)多，但平均每個核子釋放的能量一定大，故A錯誤，B正確；由于聚變反應(yīng)中釋放出巨大能量，則平均結(jié)合能一定變大，質(zhì)量發(fā)生虧損，故C、D錯誤。3重核裂變和輕核聚變是人們獲得核能的兩個主要途徑，下列說法正確的是()A裂變和聚

13、變的過程中都有質(zhì)量虧損B裂變過程有質(zhì)量虧損，聚變過程質(zhì)量不變C裂變過程質(zhì)量不變，聚變過程有質(zhì)量虧損D裂變和聚變過程中質(zhì)量都增加解析：選A裂變和聚變都是釋放核能的反應(yīng)，因此都有質(zhì)量虧損，A正確。4(全國高考)氘核和氚核可發(fā)生熱核聚變而釋放出巨大的能量，該反應(yīng)方程為：HHHex，式中x是某種粒子。已知：H、H、He和粒子x的質(zhì)量分別為2.014 1 u、3.016 1 u、4.002 6 u和1.008 7 u；1 u931.5 MeV/c2，c是真空中的光速。由上述反應(yīng)方程和數(shù)據(jù)可知，粒子x是_，該反應(yīng)釋放出的能量為_ MeV(結(jié)果保留3位有效數(shù)字)。解析：根據(jù)電荷數(shù)守恒和質(zhì)量數(shù)守恒可知，x的質(zhì)

14、量數(shù)為1，電荷數(shù)為零，故x為中子。質(zhì)量虧損m2.0141 u3.016 1 u(4.002 6 u1.008 7 u)0.018 9 u，Emc20.018 9931.5 MeV17.6 MeV。答案：n(或中子)17.6課堂小結(jié) 課時跟蹤檢測十八一、單項(xiàng)選擇題1發(fā)生輕核聚變的方法是()A用中子轟擊B保持室溫環(huán)境，增大壓強(qiáng)C把物質(zhì)加熱到幾百萬開爾文以上的高溫D用光子照射解析：選C輕核聚變需要幾百萬開爾文以上的高溫，使核子間的距離達(dá)到1015 m以內(nèi)，核力可以發(fā)生作用，選項(xiàng)C正確。2太陽內(nèi)部持續(xù)不斷地發(fā)生著4個質(zhì)子(H)聚變?yōu)?個氦核(He)的熱核反應(yīng)。核反應(yīng)方程是4HHe2X，這個核反應(yīng)釋放出

15、大量核能。已知質(zhì)子、氦核、X的質(zhì)量分別為m1、m2、m3，真空中的光速為c。下列說法中正確的是()A方程中的X表示中子(n)B方程中的X表示電子(e)C這個核反應(yīng)中質(zhì)量虧損m4m1m2D這個核反應(yīng)中釋放的核能E(4m1m22m3)c2解析：選D由質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒知：X為 e，A、B錯誤；該反應(yīng)中質(zhì)量虧損m4m1m22m3，C錯誤；Emc2(4m1m22m3)c2，D正確。3我國自行研制了可控?zé)岷朔磻?yīng)實(shí)驗(yàn)裝置“超導(dǎo)托卡馬克”(俗稱“人造太陽”)。設(shè)可控?zé)岷藢?shí)驗(yàn)反應(yīng)前氘核(H)的質(zhì)量為m1，氚核(H)的質(zhì)量為m2，反應(yīng)后氦核(He)的質(zhì)量為m3，中子(n)的質(zhì)量為m4，光速為c，下列有關(guān)說法

16、正確的是()A這種裝置中發(fā)生的核反應(yīng)方程式是HHHenB由核反應(yīng)過程質(zhì)量守恒可知m1m2m3m4C核反應(yīng)放出的能量等于(m1m2m3m4)c2D這種裝置與我國大亞灣核電站所使用裝置的核反應(yīng)原理相同解析：選A核反應(yīng)方程為HHHen，選項(xiàng)A正確；反應(yīng)過程中向外釋放能量，故質(zhì)量有虧損，且釋放的能量Emc2(m1m2m3m4)c2，選項(xiàng)B、C錯誤；可控?zé)岷朔磻?yīng)原理為核聚變，大亞灣核電站所用核裝置反應(yīng)原理為核裂變，選項(xiàng)D錯誤。4根據(jù)宇宙大爆炸的理論，在宇宙形成之初是“粒子家族”盡顯風(fēng)采的時期，那么在大爆炸之后最早產(chǎn)生的粒子是()A夸克、輕子、膠子等粒子B質(zhì)子和中子等強(qiáng)子C光子、中微子和電子等輕子D氫核、

17、氘核、氦核等輕核解析：選A宇宙形成之初產(chǎn)生了夸克、輕子和膠子等粒子，之后又經(jīng)歷了質(zhì)子和中子等強(qiáng)子時代，再之后是自由光子、中微子、電子大量存在的輕子時代，再之后是中子和質(zhì)子組合成氘核，并形成氦核的核時代，之后電子和質(zhì)子復(fù)合成氫原子，最后形成恒星和星系，B、C、D的產(chǎn)生都在A之后，因此A正確。5為了探究宇宙起源，“阿爾法磁譜儀(AMS)”將在太空中尋找“反物質(zhì)”，所謂“反物質(zhì)”是由“反粒子”構(gòu)成的?！胺戳Ｗ印迸c其對應(yīng)的正粒子具有相同的質(zhì)量和相同的電荷量，但電荷的符號相反，則反氫原子是()A由1個帶正電荷的質(zhì)子和1個帶負(fù)荷的電子構(gòu)成B由1個帶負(fù)電荷的反質(zhì)子和1個帶正電荷的正電子構(gòu)成C由1個帶負(fù)電荷的

18、反質(zhì)子和1個帶負(fù)電荷的電子構(gòu)成D由1個不帶電荷的中子和1個帶正電荷的正電子構(gòu)成解析：選B反氫原子由1個帶負(fù)電荷的反質(zhì)子和1個帶正電荷的正電子構(gòu)成，故B正確。二、多項(xiàng)選擇題6下列關(guān)于聚變的說法中，正確的是()A要使聚變產(chǎn)生，必須克服庫侖斥力做功B輕核聚變需要幾百萬開爾文的高溫，因此聚變又叫熱核反應(yīng)C原子彈爆炸能產(chǎn)生幾百萬開爾文的高溫，所以氫彈利用原子彈引發(fā)熱核反應(yīng)D太陽和許多恒星內(nèi)部都在激烈地進(jìn)行著熱核反應(yīng)解析：選ABCD聚變時，要使輕核之間的距離達(dá)到1015 m，必須克服庫侖斥力做功，選項(xiàng)A正確；原子核必須有足夠的動能，才能使它們接近核力能發(fā)生作用的范圍。實(shí)驗(yàn)證明，原子核必須處在幾百萬開爾文以上的高溫才有這樣的能量，氫彈是利用原子彈爆炸獲得高溫引發(fā)熱核反應(yīng)的，選項(xiàng)B、C正確；在太陽和許多恒星內(nèi)部存在著熱核反應(yīng)，選項(xiàng)D正確。7科學(xué)家發(fā)現(xiàn)月球上含有豐富的He(氦3)。它是一種高效、清潔、安全的核聚變?nèi)剂?，其參與的一種核聚變反應(yīng)的方程式為HeHe2HHe。關(guān)于He聚變，下列表述正確的是()A聚變反應(yīng)不會釋放能量B聚變反應(yīng)產(chǎn)生了新的原子核C聚變反應(yīng)會有質(zhì)量虧損D目前核電站都采用He聚變反應(yīng)發(fā)電解析：選BC聚變反應(yīng)是將質(zhì)量較小的輕核聚變成質(zhì)量較大的核，聚變過程會有質(zhì)量虧損，要