2019-2020学年高中物理第19章原子核第78节核聚变粒子和宇宙课件 人教版选修3-5 60页

第 7 节　核聚变 第 8 节　粒子和宇宙 [ 学习目标 ] 1. 了解核聚变及其特点和条件．　 2. 会判断和书写核聚变反应方程，能计算核聚变释放的能量．　 3. 知道粒子的分类及其作用，了解夸克模型．　 4. 了解宇宙起源的大爆炸学说及恒星的演化．　 要点一　核聚变 课前教材预案 较大　 高温　 3 ． 实例分析 (1) 核武器： _______ ，由普通炸药引爆 _________ ，再由 __________ 爆炸产生的高温高压引发热核爆炸． (2) 宇宙天体：热核反应在宇宙中时时刻刻地进行着，太阳就是一个巨大的热核反应堆． 氢弹　 原子弹　 原子弹　 1 ． 聚变与裂变相比有很多优点 (1) 轻核聚变产能 __________ ． (2) 地球上聚变燃料的储量 ________ ． (3) 轻核聚变更为 ______________ ． 2 ． 约束核聚变材料的方法 __________ 和 ____________ ． 效率高　 要点二　受控热核反应 丰富　 安全、清洁　 磁约束　 惯性约束　 1 ． 物质的结构 (1) 粒子世界 ① 电子、质子和中子：直到 19 世纪末，人们都认为原子是组成物质的不可再分的最小微粒，后来发现了 ________ 、 ________ 和 ________ ； 电子　 要点三　粒子和宇宙 质子　 中子　 ② 新粒子： 1912 年奥地利物理学家赫斯对宇宙线研究，发现一些新粒子．人们用高能加速器进行实验，发现了更多新粒子， 1932 年发现了 __________,1937 年发现 _______,1947 年发现 _________ 和 π 介子及以后的超子、反粒子等． 正电子　 μ 子　 K 介子　 (2) 粒子的分类：已发现的粒子分为三大类： __________ 、 ________ 和强子． (3) 夸克： 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 ________ 构成的． 媒介子　 轻子　 夸克　 2 ． 宇宙的演化 研究微观世界的粒子物理、量子理论，与研究 ________ 的理论竟然相互沟通、相互支撑． 3 ． 恒星的演化 当恒星核能耗尽时，就进入末期，恒星的末期形态主要有：白矮星、中子星或 ________ ． 宇宙　 黑洞　 问题与思考 1 ．判断下列说法的正误 (1) 热核反应就是原子核的温度很高的反应 ( 　　 ) (2) 聚变与裂变相比有产能效率高、燃料储量丰富和安全、清洁等优点 ( 　　 ) (3) 受控热核反应不容易实现的主要原因是聚变的条件和难以约束聚变的材料 ( 　　 ) 答案　 (1) 热核反应是指核聚变必须在高温下进行，不是温度很高的反应， (1) 错误． (2) 产生效率高、燃料储量丰富和安全、清洁是核聚变的优点， (2) 正确． (3) 核聚变要求在高温下进行，发生核聚变的温度很难达到，一旦发生核聚变将产生巨大的能量，靠自身产生的热就会使反应进行下去，难以控制， (3) 正确． 2 ．质子、电子、中子还是最小基本粒子吗？电子的电荷量还是电荷量的最小单位吗？ 课堂深度拓展 考点一　轻核的聚变 3 ． 聚变发生的条件 要使轻核聚变，就必须使轻核接近核力发生作用的距离 (10 － 15 m 以内 ) ，但是原子核是带正电的，要使它们接近 10 － 15 m 就必须克服巨大的库仑斥力作用，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，使物质达到几百万开尔文的高温．综上所述，核聚变只有在超高温条件下才能发生． 4 ． 聚变实例 太阳和许多恒星都是巨大的热核反应堆，太阳的主要成分是氢，其中心温度达 1.5×10 7 K ，在此温度下，氢核聚变成氦核的反应激烈地、不停地进行着，不断地放出能量． 答案　 C 　 解析　 裂变是重核变为中等质量的核， ② 是；衰变有 α 衰变和 β 衰变， α 衰变的结果是释放氦核， β 衰变的结果是释放电子， ① 是；聚变是质量较小的核结合成质量较大的核， ③ 是，选项 C 正确． 【变式 1 】 发生轻核聚变的方法是 ( 　　 ) A ．用中子轰击 B ．保持室温环境，增大压强 C ．把参与反应的物质加热到几百万度以上的高温 D ．用 γ 光子照射 答案　 C 　 解析　 轻核聚变反应时核子之间距离达到 10 － 15 m ，要使它们接近到这种程度，必须克服巨大的库仑斥力，用中子轰击、 γ 光子照射和保持室温增大压强都达不到，选项 A 、 B 、 D 错误；当把物质加热到几百万度以上的高温时，一部分原子核具有足够的动能克服库仑斥力撞到一起发生核聚变反应，选项 C 正确． 1 ． 控制方法 (1) 磁约束：强磁场来约束参与反应的物质，目前性能最好的磁约束装置是环流器． (2) 惯性约束：利用强激光的惯性压力约束参与反应的物质． 考点二　热核反应及核能的计算 2 ． 核能释放分析 (1) 从原子核的比结合能看 比结合能越大，表示原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定．如果较重的核分裂成中等大小的核或者把较小的核合成为中等大小的核，核子的比结合能都会增加，即核子将会发生质量亏损，释放新的结合能． (2) 也可以根据核子的平均质量图分析 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 和 C ，或者原子序数较小的 D 和 E 合成为 F 核，都会有质量亏损，根据爱因斯坦的质能方程，都要放出能量． 3 ． 特点 (2) 在这两个反应中，前一反应的材料是氘，后一反应的材料是氘和氚，而氚又是前一反应的产物，所以氘是实现这两个反应的原始材料，而氘是重水的组成部分，在覆盖地球表面三分之二的海水中是取之不尽的．从这个意义上讲，轻核聚变是能源危机的终结者． 轻核聚变释放核能的计算方法 (1) 根据质量亏损计算 根据爱因斯坦质能方程，用核子结合成原子核时质量亏损 (Δ m ) 的千克数乘以真空中的光速 ( c ＝ 3 × 10 8 m/s) 的平方，即 Δ E ＝ Δ mc 2 .① (2) 根据 1 原子质量单位 (u) 相当于 931.5 MeV 能量，用核子结合成原子核时质量亏损的原子质量单位数乘以 931.5 MeV ，即 Δ E ＝ Δ m × 931.5 MeV.② 注意： ① 式中 Δ m 的单位为 kg ， ② 式中 Δ m 的单位是 u ， Δ E 的单位是 MeV ． 【例题 2 】　 一种常见的核聚变反应是由氢的同位素氘 ( 又叫重氢 ) 和氚 ( 又叫超重氢 ) 聚合成氦，并释放一个中子．若已知氘原子的质量为 2.014 1 u ，氚原子的质量为 3.016 0 u ，氦原子的质量为 4.002 6 u ，中子的质量为 1.008 7 u,1 u ＝ 1.66×10 － 27 kg ． (1) 写出氘和氚聚变的反应方程； (2) 试计算这个核反应释放出来的能量； (3) 若以上述反应为原理建一座功率为 3.0×10 5 kW 的核聚变电站，假设聚变所产生的能量有一半转化成了电能，求每年要消耗的氘的质量？ ( 一年按 3.2×10 7 s 计算，光速 c ＝ 3.0×10 8 m/s ，结果取两位有效数字 ) 答案　 D 　 1 ． 新粒子的发现及特点 考点三　粒子及宇宙演化 发现 时间 1932 年 1937 年 1947 年 20 世纪 60 年代后 新粒子 反粒子 μ 子 K 介子与 π 介子 超子 基本 特点 质量与相对应的粒子相同而电荷及其他一些物理性质相反 比质子的质量小 质量介于电子与核子之间 其质量比质子大 2 ． 粒子的分类 分类 参与的相互作用 发现的粒子 备注 强子 参与强 相互作用 质子、中子、介子、超子 强子有内部结构，由 “ 夸克 ” 构成；强子又可分为介子和重子 分类 参与的相互作用 发现的粒子 备注 轻子 不参与强 相互作用 电子、电子中微子、 μ 子、 μ 子中微子、 τ 子、 τ 子中微子 未发现内部结构 媒介子 传递各种 相互作用 光子、中间玻色子、胶子 光子、中间玻色子、胶子分别传递电磁、弱、强相互作用 意义：夸克理论的最大突破是 e 不再是电荷的最小单元，即存在分数电荷． 夸克禁闭：夸克不能以自由的状态单个出现，这种性质称为夸克的禁闭． (1) 质子是最早发现的强子，电子是最早发现的轻子， τ 子的质量比核子的质量大，但力的性质决定了它属于轻子． (2) 粒子具有对称性，有一个粒子，必存在一个反粒子，它们相遇时会发生 “ 湮灭 ” ，即同时消失而转化成其他的粒子． 处理新粒子问题的方法 核反应过程中新生成的粒子和实物粒子一样，也能产生物质波，它们之间发生相互作用时，同样遵循动量守恒定律等力学规律，所以应熟练地掌握物理知识和物理规律，并灵活应用． 答案　 见解析 答案　 AD 　 解析　 根据电荷量关系可知，由于 π ＋ 介子带有＋ e 的电量，又由于 π ＋ 介子是由 u 夸克和 d 夸克组成，根据题意可知 π ＋ 介子 ( ＋ e ) 应由一个 u 夸克和反 d 夸克组成，同理 π － 介子由 d 夸克和反 u 夸克组成． 1 ．宇宙诞生过程中，产生如下粒子： ① 光子、中微子、电子等大量轻子； ② 氘核、氚核、氦 3 、氦核等轻核； ③ 夸克、轻子、胶子等粒子； ④ 质子和中子等强子； ⑤ 电子、质子、氦核的混合电离气体； ⑥ 电子、质子复合成为中性氢原子．根据宇宙大爆炸理论，以上粒子形成的先后顺序是 ( 　　 ) 课末随堂演练 A ． ①②③④⑤⑥ B ． ③①④②⑤⑥ C ． ③④①②⑤⑥ D ． ①③④②⑥⑤ 答案　 C 　 解析　 根据大爆炸理论，宇宙形成之初是粒子家族，其后产生了夸克、轻子、胶子等粒子，然后按强子时代、轻子时代、核合成时代、混合电离气体、中性氢原子的顺序演化，选项 C 正确 . 2 ． ( 多选 ) 核聚变能是一种具有经济性好、安全可靠、无环境污染等优势的新能源．近年来，受控核聚变的科学可行性已得到验证，目前正在突破关键技术，最终将建成商用核聚变电站．一种常见的核聚变反应是由氢的同位素氘 ( 又叫重氢 ) 和氚 ( 又叫超重氢 ) 聚合成氦，并释放一个中子． 若已知氘原子的质量为 2.014 1 u ，氚原子的质量为 3.016 0 u ，氦原子的质量为 4.002 6 u ，中子的质量为 1.008 7 u,1 u ＝ 1.66×10 － 27 kg. 则这个核反应释放出来的能量为 ( 光速 c ＝ 3.00×10 8 m/s,1 u 相当于 931.5 MeV)( 　　 ) A ． 2.8×10 － 10 J B ． 2.8×10 － 12 J C ． 1.75 MeV D ． 17.5 MeV 答案　 BD 　 解析　 核反应释放出来的能量 Δ E ＝ Δ mc 2 ， Δ m ＝ ( m 氘 ＋ m 氚 ) － ( m He ＋ m n ) ＝ 0.018 u ，由计算得 Δ E ＝ 2.8 × 10 － 12 J ＝ 17.5 MeV ，选项 B 、 D 正确． 答案　 BC 　 4 ． ( 多选 ) 关于聚变，下列说法正确的是 ( 　　 ) A ．两个轻核只有聚变为中等质量的原子核时才放出能量 B ．同样质量的轻核发生聚变时放出的能量比同样质量的重核裂变时释放的能量大好多倍 C ．聚变反应的条件是聚变物质的体积达到临界体积 D ．发生聚变反应时的原子核必须有足够大的动能 答案　 BD 　 解析　 两个轻核聚合为较大质量的原子核就可释放能量，但不一定是中等质量的核，选项 A 错误；聚变放出的能量比同样质量的物质裂变释放的能量大得多，这点由聚变反应的特点就可以知道，选项 B 正确；裂变反应的条件是裂变物质的体积达到临界体积，而聚变反应的条件是原子核间距达到 10 － 15 m ，故要求有足够大的动能才能克服原子核间的斥力做功，选项 C 错误， D 正确．