高中物理 第十九章 原子核 7 核聚变 8 粒子和宇宙教材梳理素材 新人教版选修3-5（通用） 9页

‎7 核聚变 ‎ ‎8 粒子和宇宙 疱丁巧解牛 知识·巧学 一、核聚变 ‎1.定义：轻核结合成质量较大的原子核的反应叫聚变.‎ 例如+→+‎ ‎2.聚变发生的条件 ‎(1)要使轻核聚变，就必须使轻核接近核力发生作用的距离10‎-15m，但是原子核是带正电的，要使它们接近10‎-15m就必须克服电荷间很大的斥力作用，这就要求原子核具有足够的动能.要使原子核具有足够大的动能，就要给核加热，使物质达到几百万摄氏度的高温.‎ ‎(2)在高温下，原子已完全电离，形成物质第四态——等离子态，等离子体的密度及维持时间达到一定值时，才能实现聚变.‎ ‎3.轻核必须在很高的温度下相遇才能发生聚合放出更大的能量，由于温度较高，所以聚变也称为热核反应.‎ 联想发散 原子弹爆炸时，能产生这样的高温，然后引起轻核的聚变，氢弹就是根据这一原理制成的.太阳等许多恒星内部都进行着剧烈的核聚变，温度高达107 K以上，向外释放大量的能量，地球只接收了其中的二十亿分之一左右.‎ ‎4.聚变与裂变的比较 ‎(1)能用于热核反应的原料极其丰富，裂变的原料比较稀缺.‎ ‎(2)同样情况下聚变放出的能量比裂变大.‎ ‎(3)热核反应后的遗留物对环境污染小，这一点裂变无法相比.‎ 二、受控热核反应 ‎1.热核反应的优点(与裂变相比)‎ ‎(1)产生的能量大；‎ ‎(2)反应后生成的放射性物质易处理；‎ ‎(3)热核反应的燃料在地球上储量丰富.‎ ‎2.实现核聚变的难点 地球上没有任何容器能够经受如此高的温度，为解决这个难题，目前有3种方法对等离子体进行约束，即引力约束、磁约束和惯性约束.‎ ‎3.热核反应的两种方式 爆炸式热核反应；‎ 受控式热核反应，目前正处于探索、试验阶段.‎ 三、“基本粒子”不基本 ‎1.19世纪末，许多人认为光子、电子、质子和中子是组成物质的不可再分的最基本粒子.‎ ‎2.从20世纪起科学家陆续发现了400多种同种类的新粒子，它们不是由质子、中子、电子组成.‎ ‎3.科学家进一步发现质子、中子等本身也是复合粒子，且还有着复杂的结构.‎ ‎4.粒子加速器和粒子探测器是研究粒子物理的主要工具.‎ 四、发现新粒子 ‎1.超子：质量比质子的质量大的粒子.‎ ‎2.反粒子(反物质)‎ 实验发现，许多粒子都有和它质量相同而电荷及其他一些物理量相反的粒子，叫反粒子，例如电子和正电子，质子和反质子等.由反粒子构成的物质叫反物质.‎ 反粒子(反物质)最显著的特点是当它们与相应的正粒子(物质)相遇时，会发生“湮灭”，即同时消失而转化成其他的粒子.‎ ‎3.按照粒子与各种相互作用的关系，可以将粒子分为三大类：强子、轻子和媒介子.‎ ‎(1)强子：强子是参与强相互作用的粒子，如质子是最早发现的强子，强子又分为介子和重子两类.‎ ‎(2)轻子：轻子是不参与强相互作用的粒子，如电子、中微子、μ子、τ子等.‎ ‎(3)媒介子：媒介子是传递各种相互作用的粒子，如光子、中间玻色子、胶子.‎ 五、夸克模型 实验表明强子是有内部结构的，1964年美国物理学家盖尔曼提出了强子的夸克模型，认为强子是由夸克构成的.夸克理论经过几十年的完善和发展，已经逐渐为多数粒子物理学家所接受.根据夸克理论，夸克有6种，它们是上夸克(u)、奇异夸克(s)、粲夸克(c)、下夸克(d)、底夸克(b)和顶夸克(t).它们带的电荷分别为元电荷的±或±.到目前为止，人们已经从实验中发现了所有6种夸克存在的证据.夸克模型的提出是物理学发展中的一个重大突破，它指出电子电荷不再是电荷的最小单元，即存在分数电荷.‎ 六、宇宙的演化 用粒子物理学可以较好地解释宇宙的演化，根据大爆炸理论在宇宙形成之初是“粒子家族”尽显风采的时期，在大爆炸的瞬间(约10-14 s，温度为1032 K)产生夸克、轻子、胶子等粒子.大爆炸后约10-6 s，温度下降到1013 K左右，夸克构成质子和中子等强子，这个温度范围正是各种强子熙熙攘攘挤在一起的时代，称为强子时代，当温度下降到1011 K(10-2 s)，只剩下少量的强子，而主要是光子、中微子和电子等轻子，此时称为轻子时代，当温度下降到109 K(102 s)，少量的中子和质子结合成氘核，并很快生成氦核，同时有氘核、氦3等轻核及其他轻核等生成，此时称为核合成原子，此时称为合时代.继续冷却，质子、电子、原子等与光子分离而逐步组成恒星和星系.‎ 七、恒星的演化 大爆炸10万年后，温度下降到3 000 K左右，出现了由中性原子构成的宇宙尘埃.由于万有引力作用逐渐凝聚成团块，形成气态的星云团，星云团进一步凝聚收缩，使得动力势能转化为内能，温度升高，温度升到一定程度就开始发光，这样一颗恒星就诞生了.这颗星继续收缩，继续升温，当温度超过107 K时，氢聚变成氦，向外辐射能量，核能耗尽后就进入末期，末期形态主要有三种：白矮星、中子星和黑洞.‎ 典题·热题 知识点一 核聚变 例1 下列核反应方程式中，表示核聚变过程的是( )‎ A.→+‎ B.+→+‎ C.→+‎ D.→+‎ 解析：因为轻核结合成质量较大的核叫聚变.此题关键在一个“聚”字，即变化之前应至少有两种核，四个选项中只有选项B符合要求.‎ 答案：B 例2 使两个氘核发生聚变生成一个氦核，放出多少核能？‎ 解析：聚变的核反应式为2→，先查出氘核和氦核的质量mD=2.014 102 u，mHe=4.002 603 u，然后根据核反应前后的质量亏损，用质能方程算出释放的核能.‎ 答案：核反应前后的质量亏损为Δm=2mD-mHe=2×2.014 102 u-4.002 603 u=0.025 601 u，释放的核能为ΔE=0.025 601×931.5 MeV=23.84 MeV.‎ 巧解提示 也可先查出氘核和氦核的平均结合能，ED=1.11 MeV，EHe=7.07 MeV，采用先拆散后结合的方法，即先把2个氘核分解成4个自由核子(2个中子和2个质子)需提供的能量为E1=4×1.11 MeV=4.44 MeV，再使4个自由核子结合成氦核时释放出的能量为E2=4×7.07 MeV=28.28 MeV，比较前后两个过程中释放的结合能，则两个氘核发生聚变生成一个氦核时，放出的核能为ΔE=E2-E1=28.28 MeV-4.44 MeV=23.84 MeV.‎ 知识点二 核聚变与其他知识综合 例3 太阳能资源，不仅包括直接投射到地球表面上的太阳辐射源，而且也包括像所有矿物燃料能、水能、风能、海洋能、潮汐能等间接的太阳能资源，还应包括绿色植物的光合作用固定下来的能量，即生物能，严格地说，除了地热能和原子核能以外，地球上所有其他能源全部来自太阳能，这也称为“广义太阳能”，以便与仅指太阳辐射能的“狭义太阳能”相区别.‎ ‎(1)太阳内部持续不断地发生着四个质子聚变为一个氦核的热核反应，这种核反应释放出的能量就是太阳能的能源，其核反应方程是_______________________________；若ｍH=1.007 3 u，ｍHe=4.002 6 u，ｍe=0.000 55 u，则该反应中的质量亏损是________________u；如果1 u相当于931.5 MeＶ的能量，由该反应中释放的能量是___________________MeＶ.‎ 由于核反应中的质量亏损，太阳的质量缓慢减少，与现在相比，在很久很久以前，地球转的周期___________________.(填“较长”“较短”“没有变化”)‎ ‎(2)利用光电转换可以将太阳能转化为电能.若地球附近某太空站上的太阳能电池接收板的面积是S，光电转化效率为η.已知太阳辐射的总功率为P，太阳辐射穿过太空的能量损失忽略不计，光速为c，太阳光射到地球上经历的时间为t，试求该太阳能电池能够输出的最大电功率.‎ 解析：(1)4→+2，‎ 核反应的质量亏损为Δｍ=4ｍH-ｍHe-2ｍe=4×1.007 3 u-4.002 6 u-2×0.000 55 u=0.025 5 u.‎ 该核反应释放的能量为ΔE=0.025 5×931.5 MeＶ=23.75 MeＶ.‎ 在很久很久以前，太阳的质量比现在大，太阳和地球间的万有引力比现在的大，由F=m()2r，可知很久很久以前，地球公转的周期较短.‎ ‎(2)以太阳为中心，日地间距离r为半径做一个球面.其表面积S球=4πr2，r=ct.设接收板上获得的辐射功率为P′，当其正对太阳光时，获得功率最大，则P′/P=S/S球 联立求解可得P′=，‎ 太阳能电池能够输出的最大电功率为Pm=ηP′=.‎ 答案：(1)‎ ‎4→+2 0.0255 u 23.75 MeV 较短 ‎(2)以太阳为中心，日地间距离r为半径做一个球面.其表面积S球=4πr2，r=ct.设接收板上获得的辐射功率为P′，当其正对太阳光时，获得功率最大，则p′/p=S/S球 联立求解可得P′=.‎ 太阳能电池能够输出的最大电功率为Pm=ηP′=.‎ 巧解提示 构建物理模型，将太阳辐射的能量看作照射到以太阳为中心，以日地之间距离为半径的球面上，太阳能接收板只是接收其中的一部分.‎ 例4 两个氘核聚变产生一个中子和一个氦核(氦的同位素).已知氘核的质量ｍD=2.013 6 u，氦核质量mHe=3.015 u，中子质量mn=1.008 7 u.‎ ‎(1)写出聚变方程并算出释放的核能；‎ ‎(2)若反应前两氘核的动能均为EkD=0.35 MeV，它们正面对撞发生核聚变，且反应后释放的核能全部转变为动能，则反应产生的氦核和中子的动能各为多少？‎ 解析：根据题中给出的条件，可算出质量亏损，运用质能方程可求出，也可由1 u相当的能量求出.把两个氘核作为一个系统，对撞过程中动量守恒.由于反应前两氘核动能相同，其动量等值反向，因此反应前后系统的总动量为零.对撞前后总能量也是守恒的.根据反应前后系统的总动量守恒、总能量守恒可求出氦核和中子的动能.‎ ‎(1)聚变的核反应方程为 2→+.‎ 这个核反应中的质量亏损为：‎ Δm =2mD-(mHe+mn)=(2×2.013 6-3.015 0-1.008 7) u=0.003 5 u.‎ 释放的核能为ΔE=0.003 5×931.5 MeV=3.26 MeV.‎ ‎(2)把两个氘核作为一个系统，对撞过程中动量守恒.由于反应前两氘核动能相同，其动量等值反向，因此反应前后系统的总动量恒为零，即 ‎0=mHevHe+mnvn①‎ 又由于反应前后总能量守恒，故反应后氦核和中子的总动能为：‎ mHevHe2+mnvn2=ΔE+2EkD②‎ 因为mHe∶mn=3∶1，所以氦核和中子的速率之比为：vHe/vn=1/3.‎ 把这两个关系式代入②式得ΔE+2EkD=4×mHevHe2=4EkHe.‎ 即(3.26 + 2×0.35)MeV=4EkHe.得氦核的动能和中子的动能分别为：‎ EkHe=(3.26+2×0.35)MeV=0.99 MeV，‎ Ekn=3EkHe=2.97 MeV.‎ 误区警示 该题常犯错误在于运用能量守恒定律解题时没有将核反应过程中与原子核质量增减对应的能量吸收考虑进去，而认为作用后的总动能等于作用前的总动能.‎ 问题·探究 思维发散探究 问题1 聚变与裂变的区别有哪些？‎ 探究思路：可以从原理、放出能量的大小、废料处理、两种反应的可控制性等方面比较得出.‎ ‎1.原理不同 重核的裂变是重核裂变成几个中等质量的原子核，放出能量，而聚变是几个轻核聚变(结合)成一个中等质量的原子核，放出巨大的能量.‎ ‎2.放出能量的大小不同 重核裂变时，平均每个核子释放的能量约为1 MeV，而轻核的聚变，平均每个核子释放出3 MeV以上的能量，即聚变比裂变能放出更多的能量.‎ ‎3.废料处理难度不同 裂变产生的废料处理起来比较困难，而热核反应的废料处理要简单得多.‎ ‎4.“燃料”的丰富程度不同 热核反应所需要的“燃料”——氘在地球上非常丰富，‎1 L海水中大约有‎0.03 g氘，如果用来进行热核反应，放出的能量约和燃烧‎300 L汽油相当，而裂变燃料——铀在地球上储量有限，尤其是用于核裂变的铀235，在铀矿中仅占0.7%，相比起来聚变的燃料——氘要丰富得多，我国是一个“贫铀”国家，贮藏量不多.‎ ‎5.两种反应的可控制性不同 裂变反应速度可以比较容易地进行人工控制，因此，现在国际上的核电站都是利用裂变放出能量，而聚变反应的可控制性比较困难，世界上许多国家都积极研究可控热核反应的理论和技术.我国可控热核反应的研究情况是：1984年9月，我国自行研制的可控热核反应实验装置“中国环流一号”顺利启动.1994年，具有国际先进水平的可控热核反应实验装置“HT7超导托卡马克”已安装调试成功，我国研究可控热核反应方面已经具有一定的实力.‎ 探究结论:‎ 观点一：原理不同 观点二：放出能量的大小不同 观点三：废料处理难度不同 观点四：“燃料”的丰富程度不同 观点五：两种反应的可控制性不同 交流讨论探究 问题2 为什么轻核聚变和重核裂变都会释放能量?‎ 探究过程:‎ 孙雷：可以从核子的平均结合能上看，如图‎19-7-1‎.‎ 图‎19-7-1‎ 核平均结合能随质量数 从图中可以看出，铁的平均结合能最大，也就是核子结合成铁或铁附近的原子核时，每个核子平均放出的能量大.因此可知两个比铁轻的原子核结合时，或比铁重的重核分裂时，都要放出能量.‎ 李扬：也可以根据核子的平均质量图分析，如图‎19-7-2‎.由图中可以看出，铁原子核子的平均质量最小，如果原子序数较大的A裂变成B或C，或者原子序数较小的D和E结合成F核，都会有质量亏损，根据爱因斯坦质能方程，都要放出能量.‎ 图‎19-7-2‎ 探究结论:从以下两个角度：核子的平均结合能，根据核子的平均质量都可以说明轻核聚变和重核裂变都会释放能量.‎