高中物理 选修3 5：197 8 核聚变、粒子和宇宙 课件.pptx

1、第十九章第十九章 原子核原子核 19-7核聚变核聚变 19-8粒子和宇宙粒子和宇宙1、了解聚变反应的特点及其条件；、了解聚变反应的特点及其条件；2、了解可控热核反应及其研究和发展；、了解可控热核反应及其研究和发展；3、知道轻核的聚变能够释放出很多的能量、知道轻核的聚变能够释放出很多的能量,如果能加以控制将如果能加以控制将为人类提供广阔的能源前景。为人类提供广阔的能源前景。19-7核聚变核聚变 现在现在环境问题日趋严重，人们在提高生活品质的同时，也在对能源可环境问题日趋严重，人们在提高生活品质的同时，也在对能源可持续发展提出了严峻的考验。持续发展提出了严峻的考验。通过让学生自己阅读课本，让他们聚

2、变核反应的特点及聚变反应的条通过让学生自己阅读课本，让他们聚变核反应的特点及聚变反应的条件，培养他们归纳与概括知识的能力和提出问题的能力。件，培养他们归纳与概括知识的能力和提出问题的能力。聚变裂变物理学中把重核分裂成质量较小的核，释放核能的反应叫做裂变。物理学中把重核分裂成质量较小的核，释放核能的反应叫做裂变。把轻核结合成质量较大的核，释放出核能的反应叫做聚变。把轻核结合成质量较大的核，释放出核能的反应叫做聚变。一、核聚变一、核聚变1.1.轻轻核的聚变（热核反应）核的聚变（热核反应）某些某些轻核能够结合在一起，生成一个较大的轻核能够结合在一起，生成一个较大的原子核，这种核反应叫做聚变。原子核，

3、这种核反应叫做聚变。轻核的聚变轻核的聚变:nHeHH10322121HHeHH11322121nHeHH10423121根据所给数据根据所给数据,计算下面核反应放出的能量计算下面核反应放出的能量:nHeHH10423121氘核氘核的质量：的质量：mD=2.014102u氚氚核的质量：核的质量：mT=3.016050u氦氦核的质量：核的质量：m=4.002603u中子中子的质量的质量：mn=1.008665uu018884.0)(nTDmmmmmMeV5.93101884.02mcEMeV59.17E解析：亏损的质量解析：亏损的质量损失的能量损失的能量发生聚变的条件发生聚变的条件:使原子核间的距

4、离达到使原子核间的距离达到10-15m实现的方法有实现的方法有:1 1、用加速器加速原子核；、用加速器加速原子核；、把原子核加热到很高的温度；、把原子核加热到很高的温度；108109K不经济不经济聚变反应又叫热核反应聚变反应又叫热核反应核聚变的利用核聚变的利用氢弹氢弹弹体弹体引爆装置引爆装置小小型型原原子子弹弹三种炸药：三种炸药：普通炸药普通炸药235氘、氚氘、氚爆炸爆炸裂变裂变聚变聚变氘、氚、重氘、氚、重氢化钾等氢化钾等铀铀235外壳外壳普通炸药普通炸药【分析分析】算出核反应中的质量亏损，利用爱因斯坦质能方程即可求出算出核反应中的质量亏损，利用爱因斯坦质能方程即可求出反应释放的核能。反应释放

5、的核能。（2）由题给条件可求得质量亏损为：）由题给条件可求得质量亏损为：m=2.01362(3.0150+1.0087)=0.0035u释放的核能为释放的核能为E=mc2=931.50.0035=3.26MeV0=mUvU-mv (1)由带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的半径公式得由带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的半径公式得（2）核反应中释放的核能为）核反应中释放的核能为 E=mc2=(238.999655-234.99347-4.001509)931.5=4.356MeV由能的转化和守恒定律知由能的转化和守恒定律知EkU+E k=E-0.09MeV=4.266MeVpU=p 粒子的动能

6、为粒子的动能为1.1.热核反应热核反应和裂变反应相比较，具有许多优越性。和裂变反应相比较，具有许多优越性。二、可控热核反应二、可控热核反应核聚变的利用核聚变的利用 可可控热核反应将为人类提供巨大的能源控热核反应将为人类提供巨大的能源,和平利用聚变和平利用聚变产生的核量是非常吸引人的重大课题，我国的可控核聚变产生的核量是非常吸引人的重大课题，我国的可控核聚变装置装置“中国环流器中国环流器1 1号号”已取得不少研究成果已取得不少研究成果.轻核聚变产能效率高。轻核聚变产能效率高。地球上聚变燃料的储量丰富。地球上聚变燃料的储量丰富。轻聚变更为安全、清洁。轻聚变更为安全、清洁。2.现在现在的技术还不能控

7、制热核反应。的技术还不能控制热核反应。问题有：问题有：热核反应热核反应的的点火温度很高；的的点火温度很高；如何如何约束聚变所需的燃料；约束聚变所需的燃料；磁场约束磁场约束反应反应装置中的气体密度要很低装置中的气体密度要很低 ，相当于常温常压下气体，相当于常温常压下气体密度的几万分之一；密度的几万分之一；惯性惯性约束约束3.实现核聚变的两种方案。实现核聚变的两种方案。磁约束磁约束环流器的结构环流器的结构惯性约束惯性约束1.了解了解构成物质的构成物质的“基本粒子基本粒子”及粒子物理的发展史；及粒子物理的发展史；2.知道高能加速器是粒子物理学研究的工具。知道高能加速器是粒子物理学研究的工具。3.知道

8、反粒子与粒子的关系。知道夸克可以带分数电荷。知道反粒子与粒子的关系。知道夸克可以带分数电荷。4.初步初步了解宇宙的演化过程及宇宙与粒子的和谐统一。了解宇宙的演化过程及宇宙与粒子的和谐统一。学 习 目 标19-8粒子和宇宙粒子和宇宙 预预读教材，了解知识，感知人类（科学家）探究宇宙奥秘读教材，了解知识，感知人类（科学家）探究宇宙奥秘的过程和方法；了解构成物质的粒子和宇宙演化过程的过程和方法；了解构成物质的粒子和宇宙演化过程。通过通过探究讨论学习，能够突破传统思维理解各种微观粒子探究讨论学习，能够突破传统思维理解各种微观粒子模型。模型。设 计 思 路1919世纪末，人们认为世纪末，人们认为原子是组

9、成物质的最原子是组成物质的最小微粒小微粒 道道尔尔顿顿发现夸克发现夸克盖盖尔尔曼曼经典散射实验，发现质子经典散射实验，发现质子卢卢瑟瑟福福发现发现了原子内部结构了原子内部结构中的电子中的电子 汤汤姆姆逊逊查查德德威威克克发现中子发现中子新 课 导 入新 课 讲 授 人们人们逐渐意识到，这些我们认为的逐渐意识到，这些我们认为的“基本粒子基本粒子”，实际并不，实际并不基本。还有很多我们并不了解的粒子等待发现。基本。还有很多我们并不了解的粒子等待发现。19世纪末，许多人认为光子、电子、质子和中子是组成物质的世纪末，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不可再分的最基本粒子基本粒子。

10、从从20世纪起科学家陆续发现了世纪起科学家陆续发现了400多种同种类的新粒子，它们多种同种类的新粒子，它们不是由质子、中子、电子组成不是由质子、中子、电子组成的。的。科学家科学家进一步发现质子、中子、电子等本身也是复合粒子，进一步发现质子、中子、电子等本身也是复合粒子，且还有着复杂的且还有着复杂的结构。结构。为了为了探寻这些新粒子，实验物理学家探寻这些新粒子，实验物理学家想了各种办法想了各种办法，图，图中美丽的花树实际是在中美丽的花树实际是在人造云室人造云室的强磁场中，携带电荷的粒子受的强磁场中，携带电荷的粒子受洛伦兹力偏转的洛伦兹力偏转的踪迹踪迹。这这是比较原始的实是比较原始的实验验方法方法

11、经过经过半个多世纪的发展，欧半个多世纪的发展，欧洲核子中心（洲核子中心（CERN）建造）建造了迄今最为庞大的双圈强子了迄今最为庞大的双圈强子对撞机对撞机 LHC 大型大型强子强子对撞机是对撞机是世界上最大、能量最高的粒子加速器世界上最大、能量最高的粒子加速器，它，它的的核心就是一系列探测中心核心就是一系列探测中心以及先进以及先进的第三代同步加速器的第三代同步加速器 2012年年7月月4日，位于瑞士日内瓦的欧日，位于瑞士日内瓦的欧洲核子中心在发布会上向全球宣布，在洲核子中心在发布会上向全球宣布，在双光子道和轻子道分别以双光子道和轻子道分别以6个西格玛的个西格玛的标准差探测到了标准差探测到了希格斯

12、希格斯玻色子玻色子(Higgs)。人们人们发现并证实了标准模型预言中最后发现并证实了标准模型预言中最后一种粒子，这是现代物理学的一大步！一种粒子，这是现代物理学的一大步！分类分类自旋自旋泡利不相容泡利不相容原理原理统计规律统计规律费米子费米子(电子电子 质子质子 中中子子 各种重子各种重子)半整数半整数1/2，3/2，服从服从费米费米狄拉克狄拉克统计分布统计分布玻色子玻色子(光子光子 介子介子K介子、介子、介子介子)整数整数0 或或 1 等等不服从不服从玻色玻色 爱因爱因斯坦统计分布斯坦统计分布泡利原理 正正、反粒子物理量的绝对值都相同，但某些物理量、反粒子物理量的绝对值都相同，但某些物理量(

13、如如电荷、磁矩等电荷、磁矩等)的符号相反。但反粒子由于很容易湮灭，所的符号相反。但反粒子由于很容易湮灭，所以很难长时间存活。以很难长时间存活。欧欧核反粒子的存储装置核反粒子的存储装置演示，原理简单的说就演示，原理简单的说就是用迅速变换的电场制是用迅速变换的电场制作的牢笼作的牢笼电性、磁矩万有万有引力引力电磁电磁力力弱相互弱相互作用作用强相互强相互作用作用引力子引力子光子光子轻子轻子强子强子 引力子引力子：由于：由于自旋自旋为为 2，无法量子化，尚未囊括进标准模型、，无法量子化，尚未囊括进标准模型、静止质量和电荷为零，以光速运动。静止质量和电荷为零，以光速运动。光光 子：自旋子：自旋为为 1，是

14、，是玻色子。玻色子。相互作用中微子系中性粒子，质量为零，只参与弱相互作用。中微子系中性粒子，质量为零，只参与弱相互作用。下夸克下夸克 d 上夸克上夸克 u 奇夸克奇夸克 s粲夸克粲夸克 c 底夸克底夸克 b 顶夸克顶夸克 t1964年提出强年提出强子结构夸克模型子结构夸克模型 介子介子（夸克和反夸克组成）（夸克和反夸克组成）重重子（三个夸克组成）子（三个夸克组成）六种夸克六种夸克夸克夸克质量质量电荷电荷e自自旋旋重重子子数数同同位位旋旋同位同位旋分旋分量量奇奇异异数数超荷超荷粲粲数数底底数数顶顶数数d下夸克下夸克0.008-1/31/21/31/2-1/20+1/3000u上夸克上夸克0.00

15、42/31/20+1/3000s奇夸克奇夸克0.15-1/300-1-2/3000c粲夸克粲夸克1.52/30+1/3+100b底夸克底夸克4.7-1/30+1/30+10t顶夸克顶夸克1742/30+1/300+1费费米米子子与与玻玻色色子子的的夸夸克克图图 大爆炸理论大爆炸理论(The Big Bang Theory)宇宙从一个宇宙从一个“奇点奇点”爆炸产生爆炸产生大爆炸是在无限的宇宙大爆炸是在无限的宇宙各处同时产生各处同时产生时间的零点时间的零点 1929年埃年埃德温德温哈勃提出宇宙膨胀理论，即不管你往哪个方哈勃提出宇宙膨胀理论，即不管你往哪个方向看，远处的星系正急速地远离我们而去。这意

16、味着，在早先星向看，远处的星系正急速地远离我们而去。这意味着，在早先星体相互之间更加靠近。事实上，似乎在体相互之间更加靠近。事实上，似乎在大约大约 100 亿至亿至 200 亿年亿年之之前的某一时刻，它们刚好在同一地方，所以哈勃的发现暗示存在前的某一时刻，它们刚好在同一地方，所以哈勃的发现暗示存在一个叫做大爆炸的时刻，当时宇宙无限紧密一个叫做大爆炸的时刻，当时宇宙无限紧密。1950年前后，伽莫夫第一个建立了热大爆炸的观念。这个创年前后，伽莫夫第一个建立了热大爆炸的观念。这个创生宇宙的大爆炸不是习见于地球上发生在一个确定的点，然后向生宇宙的大爆炸不是习见于地球上发生在一个确定的点，然后向四周的空

17、气传播开去的那种爆炸，而是一种在各处同时发生，从四周的空气传播开去的那种爆炸，而是一种在各处同时发生，从一开时就充满整个空间的那种爆炸，爆炸中每一个粒子都离开其一开时就充满整个空间的那种爆炸，爆炸中每一个粒子都离开其它每一个粒子飞奔。事实上应该理解为空间的急剧膨胀它每一个粒子飞奔。事实上应该理解为空间的急剧膨胀。“整个整个空间空间”可以可以指的是整个无限的宇宙，或者指的是一个就象球面一指的是整个无限的宇宙，或者指的是一个就象球面一样能弯曲地回到原来位置的有限宇宙。样能弯曲地回到原来位置的有限宇宙。根据根据大爆炸宇宙论，甚早期的宇宙是一大片由微观粒子构成大爆炸宇宙论，甚早期的宇宙是一大片由微观粒子构成的均匀气体，温度极高，密度极大，且以很大的速率膨胀着。这的均匀气体，温度极高，密度极大，且以很大的速率膨胀着。这些气体在热平衡下有均匀的温度。这统一的温度是当时宇宙状态些气体在热平衡下有均匀的温度。这统一的温度是当时宇宙状态的重要标志，因而称宇宙温度。气体的绝热膨胀将使温度降低，的重要标志，因而称宇宙温度。气体的绝热膨胀将使温度降低，使得原子核、原子乃至恒星系统得以相继出现。使得原子核、原子乃至恒星系统得以相继出现。大爆炸恒星黑洞宇宙尘埃星云团