1、7核聚变8粒子和宇宙1967 1967 年年 6 6 月月 17 17 日，日， 我国第一颗氢弹爆炸成功。我国第一颗氢弹爆炸成功。 从从第一颗原子弹爆炸成功到第一颗氢第一颗原子弹爆炸成功到第一颗氢 弹爆炸成功，我国仅弹爆炸成功，我国仅用了两年零八个月。前苏联用了四年，美国用了用了两年零八个月。前苏联用了四年，美国用了 7 7 年。年。氢弹爆炸释氢弹爆炸释 放核能是通过轻核的聚变来实现的。这节课放核能是通过轻核的聚变来实现的。这节课我们就来研究聚变的问题。我们就来研究聚变的问题。主题主题1 1 核聚变核聚变 研读教材研读教材自主认知自主认知1.1.核聚变核聚变: :(1)(1)定义定义: :两个
2、轻核结合成质量两个轻核结合成质量_的核的反应。轻核聚变必须在高的核的反应。轻核聚变必须在高温下进行温下进行, ,因此又叫因此又叫_。(2)(2)核反应举例核反应举例: :231110HH_n17.6 MeV。42He较大较大热核反应热核反应2.2.受控热核反应受控热核反应: :(1)(1)定义定义: :为了使巨大的热核反应能量不以爆炸的形式释放为了使巨大的热核反应能量不以爆炸的形式释放, ,而是在而是在_控制下逐渐释放出来并加以控制下逐渐释放出来并加以_的热核反应。的热核反应。(2)(2)条件条件: :热核燃料加热到非常高的热核燃料加热到非常高的_;_;热核反应释放的能量足以补热核反应释放的能
3、量足以补偿形成聚变过程中所损失的能量。偿形成聚变过程中所损失的能量。人工人工利用利用温度温度(3)(3)聚变与裂变的对比优点。聚变与裂变的对比优点。轻核聚变轻核聚变_效率高效率高; ;地球上聚变燃料的储量地球上聚变燃料的储量_;_;轻核聚变更轻核聚变更_。(4)(4)约束核聚变材料的方法约束核聚变材料的方法:_:_和惯性约束。和惯性约束。产能产能丰富丰富安全、清洁安全、清洁磁约束磁约束合作探究合作探究核心归纳核心归纳1.1.为什么实现核聚变要使聚变的燃料加热到几百万开尔文的高温为什么实现核聚变要使聚变的燃料加热到几百万开尔文的高温? ?提示提示: :(1)(1)微观上微观上: :参与反应的原子
4、核必须接近到核力的作用范围内参与反应的原子核必须接近到核力的作用范围内, ,约约为为1010-15-15m m这种程度这种程度, ,因而必须使它们具有很大的动能以克服原子核之间因而必须使它们具有很大的动能以克服原子核之间巨大的库仑斥力做功巨大的库仑斥力做功, ,由原子核的动能转化为原子核的电势能由原子核的动能转化为原子核的电势能, ,使核子使核子之间的核力发生作用之间的核力发生作用, ,轻核才能聚变成质量较大的核。轻核才能聚变成质量较大的核。(2)(2)宏观上宏观上: :要使原子核具有足够大的动能要使原子核具有足够大的动能, ,就得把它加热到几百万开就得把它加热到几百万开尔文的高温尔文的高温,
5、 ,才能使聚变反应发生才能使聚变反应发生, ,因此聚变又叫热核反应。因此聚变又叫热核反应。2.2.与重核的裂变相比聚变有哪些特点与重核的裂变相比聚变有哪些特点? ?提示提示: :(1)(1)在消耗相同质量的核燃料时在消耗相同质量的核燃料时, ,轻核聚变比重核裂变释放更多轻核聚变比重核裂变释放更多的能量。的能量。(2)(2)热核反应一旦发生热核反应一旦发生, ,就不再需要外界给它能量就不再需要外界给它能量, ,靠自身产生的热就靠自身产生的热就可以使反应进行下去。可以使反应进行下去。(3)(3)普遍性普遍性: :热核反应在宇宙的恒星中时时刻刻地进行着热核反应在宇宙的恒星中时时刻刻地进行着, ,太阳
6、就是一太阳就是一个巨大的热核反应堆。个巨大的热核反应堆。3.3.目前人们实现的核聚变是什么目前人们实现的核聚变是什么? ?实现热核反应存在的困难是什么实现热核反应存在的困难是什么? ?提示提示: :(1)(1)目前人们能实现的热核反应是氢弹的爆炸目前人们能实现的热核反应是氢弹的爆炸, ,是由普通炸药引是由普通炸药引爆原子弹爆原子弹, ,再由原子弹爆炸产生的高温高压引发热核反应再由原子弹爆炸产生的高温高压引发热核反应, ,但这是不可但这是不可控制的。控制的。(2)(2)实现热核反应存在的困难是地球上没有任何容器能够经受住热核实现热核反应存在的困难是地球上没有任何容器能够经受住热核反应所需要的高温
7、。反应所需要的高温。4.4.如何实现对热核反应的控制如何实现对热核反应的控制? ?可控热核反应有哪些优点可控热核反应有哪些优点? ?提示提示: :(1)(1)可能实现对热核反应的控制方法可能实现对热核反应的控制方法: :磁约束磁约束: :利用磁场来约束参利用磁场来约束参加反应的物质。环流器是目前性能最好的一种磁约束装置。加反应的物质。环流器是目前性能最好的一种磁约束装置。惯性约束惯性约束: :利用强激光从各个方向照射参加反应的物质利用强激光从各个方向照射参加反应的物质, ,使它们由于惯使它们由于惯性还来不及扩散就完成了核反应。性还来不及扩散就完成了核反应。(2)(2)可控热核反应的优点可控热核
8、反应的优点: :放射性污染小放射性污染小, ,不产生核废料不产生核废料, ,核燃料十分丰核燃料十分丰富。富。【归纳总结归纳总结】1.1.聚变发生的条件聚变发生的条件: :要使轻核聚变要使轻核聚变, ,必须使轻核接近核力发生作用的距必须使轻核接近核力发生作用的距离离1010-15-15m,m,这要克服电荷间强大的斥力作用这要克服电荷间强大的斥力作用, ,要求使轻核具有足够大的要求使轻核具有足够大的动能。要使原子核具有足够大的动能动能。要使原子核具有足够大的动能, ,就要给它们加热就要给它们加热, ,使物质达到几使物质达到几百万开尔文的高温。百万开尔文的高温。2.2.轻核聚变与重核裂变的区别轻核聚
9、变与重核裂变的区别: :重核裂变重核裂变轻核聚变轻核聚变放能放能原理原理重核分裂成两个或多个中等重核分裂成两个或多个中等质量的原子核质量的原子核, ,放出核能放出核能两个轻核结合成质量较大两个轻核结合成质量较大的原子核的原子核, ,放出核能放出核能放能放能多少多少聚变反应比裂变反应平均每个核子放出的能量大约要大聚变反应比裂变反应平均每个核子放出的能量大约要大3 34 4倍倍核废料核废料处理难处理难度度聚变反应的核废料处理要比裂变反应简单得多聚变反应的核废料处理要比裂变反应简单得多重核裂变重核裂变轻核聚变轻核聚变原料的原料的蕴藏量蕴藏量核裂变燃料铀在地球上储核裂变燃料铀在地球上储量有限量有限,
10、,尤其用于核裂变尤其用于核裂变的铀的铀235235在铀矿石中只占在铀矿石中只占0.7%0.7%主要原料是氘主要原料是氘, ,氘在地球上氘在地球上的储量非常丰富的储量非常丰富,1L,1L海水中海水中大约有大约有0.03g0.03g氘氘, ,如果用来进如果用来进行热核反应行热核反应, ,放出的能量约放出的能量约与燃烧与燃烧300L300L汽油相当汽油相当可控性可控性速度比较容易进行人工控速度比较容易进行人工控制制, ,现在的核电站都是用现在的核电站都是用裂变反应释放核能裂变反应释放核能目前目前, ,除氢弹以外除氢弹以外, ,人们还不人们还不能控制它能控制它3.3.核聚变反应的特点核聚变反应的特点:
11、 :(1)(1)释放能量大。释放能量大。(2)(2)一旦反应一旦反应, ,可自发进行。可自发进行。(3)(3)不可控制。不可控制。(4)(4)普遍存在于宇宙中。普遍存在于宇宙中。(5)(5)污染小污染小, ,核燃料丰富。核燃料丰富。过关小练过关小练即时应用即时应用1.1.关于核聚变的说法正确的是关于核聚变的说法正确的是( () )A.A.聚变是裂变的逆反应聚变是裂变的逆反应B.B.如果裂变释放能量如果裂变释放能量, ,则聚变反应一定吸收能量则聚变反应一定吸收能量C.C.聚变反应须将热核燃料加热到数百万度以上的温度聚变反应须将热核燃料加热到数百万度以上的温度, ,显然是吸热反显然是吸热反应应D.
12、D.聚变和裂变都可以释放出巨大的能量聚变和裂变都可以释放出巨大的能量【解题指南解题指南】解答本题时应注意以下三点解答本题时应注意以下三点: :(1)(1)聚变反应和裂变反应的定义。聚变反应和裂变反应的定义。(2)(2)吸能和放能的判断依据。吸能和放能的判断依据。(3)(3)聚变反应的条件。聚变反应的条件。【解析解析】选选D D。从形式上看聚变和裂变好像是互逆反应。从形式上看聚变和裂变好像是互逆反应, ,其实不然其实不然, ,两两者的反应物和生成物全然不同者的反应物和生成物全然不同, ,裂变是重核分裂成中等核裂变是重核分裂成中等核, ,而聚变是两而聚变是两个轻核聚合为质量较大的轻核个轻核聚合为质
13、量较大的轻核, ,两者不可能互为逆反应两者不可能互为逆反应,A,A错误错误; ;聚变和聚变和裂变反应的质量都发生了亏损裂变反应的质量都发生了亏损, ,故都是放能反应故都是放能反应, ,要放出巨大的能量要放出巨大的能量,B,B错误错误,D,D对对; ;聚变反应须将热核燃料加热到数百万度以上的温度聚变反应须将热核燃料加热到数百万度以上的温度, ,但一旦但一旦反应进行反应进行, ,自身释放的巨大能量足以提供高温使反应继续进行自身释放的巨大能量足以提供高温使反应继续进行, ,故聚变故聚变反应是放能反应反应是放能反应,C,C错。错。2.2.氘核和氚核可发生热核聚变而释放出巨大的能量氘核和氚核可发生热核聚
14、变而释放出巨大的能量, ,该反应方程为该反应方程为 式中式中x x是某种粒子。已知：是某种粒子。已知： 和粒子和粒子x x的质的质量分别为量分别为2.0141u2.0141u、3.0161u3.0161u、4.0026u4.0026u和和1.0087u;1u= c1.0087u;1u= c是真空中的光速。由上述反应方程和数据可知是真空中的光速。由上述反应方程和数据可知, ,粒子粒子x x是是_,_,该反应释放出的能量为该反应释放出的能量为_MeV(_MeV(结果保留结果保留3 3位有效数字位有效数字) )。234112HHHex ，234112HHHe、 、2931.5 MeVc。【解析解析】
15、根据质量数和电荷数守恒可得根据质量数和电荷数守恒可得x x是是 ( (中子中子) )。核反应中的质。核反应中的质量亏损为量亏损为m=(2.0141u+3.0161u-4.0026u-1.0087u)=0.0189um=(2.0141u+3.0161u-4.0026u-1.0087u)=0.0189u所以该反应释放出的能量为所以该反应释放出的能量为E=mE=mc c2 2=17.6MeV=17.6MeV答案答案: : ( (或中子或中子) )17.617.610n10n【补偿训练补偿训练】1.1.太阳不断地向外辐射能量太阳不断地向外辐射能量, ,仍保持仍保持1 1千万度以上的高温千万度以上的高温
16、, ,其主要原因其主要原因是太阳内部进行着剧烈的是太阳内部进行着剧烈的( () )A.A.衰变反应衰变反应 B.B.人工核反应人工核反应C.C.裂变反应裂变反应D.D.热核反应热核反应【解析解析】选选D D。太阳的内部时刻都在进行着氢核的聚变。太阳的内部时刻都在进行着氢核的聚变, ,即热核反应即热核反应, ,故故D D对。对。2.2.原子核聚变有望给人类未来提供丰富的洁净能源。当氘等离子体被原子核聚变有望给人类未来提供丰富的洁净能源。当氘等离子体被加热到适当高温时加热到适当高温时, ,氘核参与的几种聚变反应可能发生氘核参与的几种聚变反应可能发生, ,放出能量。这放出能量。这几种反应的总效果可以
17、表示为几种反应的总效果可以表示为 由平衡条件可知由平衡条件可知( () )A.k=1,d=4A.k=1,d=4 B.k=2,d=2B.k=2,d=2C.k=1,d=6C.k=1,d=6D.k=2,d=3D.k=2,d=3【解析解析】选选B B。由质量数守恒和电荷数守恒。由质量数守恒和电荷数守恒, ,分别有分别有4k+d+2=12, 4k+d+2=12, 2k+d=6,2k+d=6,解得解得k=2,d=2k=2,d=2。正确选项为。正确选项为B B。241112106 Hk Hed H2 n43.15 MeV，【通法悟道通法悟道】衰变、人工转变、裂变和聚变方程的区别衰变、人工转变、裂变和聚变方程
18、的区别(1)(1)衰变是原子核自发地转变为另一种核衰变是原子核自发地转变为另一种核, ,并向外辐射出并向外辐射出粒子或粒子或粒粒子的反应子的反应, ,衰变根据向外辐射粒子的不同分为衰变根据向外辐射粒子的不同分为衰变和衰变和衰变两种。衰变两种。(2)(2)人工转变通常是用人工转变通常是用粒子或中子去轰击靶核粒子或中子去轰击靶核, ,靶核俘获入射粒子后靶核俘获入射粒子后产生新的原子核产生新的原子核, ,并放出一个或几个粒子的反应。并放出一个或几个粒子的反应。(3)(3)重核分解成中等质量的核的反应叫裂变重核分解成中等质量的核的反应叫裂变, ,轻核聚合成重核的反应叫轻核聚合成重核的反应叫聚变。聚变。
19、主题主题2 2 粒子和宇宙粒子和宇宙 研读教材研读教材自主认知自主认知1.1.发现新粒子发现新粒子: :(1)(1)新粒子的发现新粒子的发现:1932:1932年发现了年发现了_,1937_,1937年发现了年发现了_,1947_,1947年发现了年发现了K K介子和介子和介子介子, ,迄今发现的粒子已达到迄今发现的粒子已达到400400多种。多种。(2)(2)反粒子反粒子: :实验中发现实验中发现, ,许多粒子都存在着质量与它们许多粒子都存在着质量与它们_,_,而电荷而电荷及其他一些物理性质及其他一些物理性质_的粒子。的粒子。正电子正电子子子相同相同相反相反(3)(3)分类分类: :强子、强
20、子、_和和_。(4)(4)夸克模型的提出夸克模型的提出:1964:1964年美国物理学家盖尔曼提出了强子的夸克模年美国物理学家盖尔曼提出了强子的夸克模型型, ,认为强子是由认为强子是由_构成的。构成的。2.2.宇宙及恒星的演化宇宙及恒星的演化: :(1)(1)宇宙的演化从宇宙的演化从_开始。开始。(2)(2)恒星的演化经历了宇宙尘埃恒星的演化经历了宇宙尘埃, ,星云团星云团, ,恒星诞生恒星诞生, ,最后恒星的热核反最后恒星的热核反应停止后恒星演变为应停止后恒星演变为_、_或或_。轻子轻子媒介子媒介子夸克夸克宇宙大爆炸宇宙大爆炸白矮星白矮星中子星中子星黑洞黑洞合作探究合作探究核心归纳核心归纳1
21、.1.结合下表分析粒子的分类及特点。结合下表分析粒子的分类及特点。分类分类参与的参与的相互作用相互作用发现的粒子发现的粒子特点特点强子强子参与强相互参与强相互作用作用质子、中子、质子、中子、介子、超子介子、超子强子有内部结构强子有内部结构, ,由由_构成构成, ,强子又可分为强子又可分为_轻子轻子不参与强相不参与强相互作用互作用电子、电子中微电子、电子中微子、子、子、子、子子中微子、中微子、子、子、子中微子子中微子未发现未发现_夸克夸克介子介子和重子和重子内部结构内部结构分类分类参与的参与的相互作用相互作用发现的粒子发现的粒子特点特点媒介子媒介子传递各种相传递各种相互作用互作用光子、中间光子、
22、中间玻色子、胶玻色子、胶子子_光子传递电磁相互作用、光子传递电磁相互作用、中间玻色子传递弱相互作中间玻色子传递弱相互作用、胶子传递强相互作用用、胶子传递强相互作用2.2.强子和夸克的关系是怎样的强子和夸克的关系是怎样的? ?夸克分多少种夸克分多少种? ?它的带电性是怎样的它的带电性是怎样的? ?什么是夸克的什么是夸克的“禁闭禁闭”? ?提示提示: :夸克是强子的基本组成成分夸克是强子的基本组成成分; ;夸克有夸克有6 6种种: :上夸克、下夸克、奇上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克、底夸克、顶夸克异夸克、粲夸克、底夸克、顶夸克; ;它们带的电荷分别为元电荷的它们带的电荷分别为元电荷的 每种夸克都
23、有对应的反夸克每种夸克都有对应的反夸克; ;夸克不能以自由的状态单个出夸克不能以自由的状态单个出现的性质现的性质, ,叫夸克的叫夸克的“禁闭禁闭”。2133或；3.3.什么是反粒子什么是反粒子? ?所有的粒子都存在反粒子吗所有的粒子都存在反粒子吗? ?提示提示: :实验发现实验发现, ,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相反的粒子, ,叫反粒子。按照粒子的对称性叫反粒子。按照粒子的对称性, ,有一个粒子有一个粒子, ,就应该有一就应该有一个反粒子。个反粒子。4.“4.“夸克模型夸克模型”的提出有什么物理意义的提出有什么物理意义
24、? ?提示提示: :夸克模型的提出是物理学发展史中的一个重大突破夸克模型的提出是物理学发展史中的一个重大突破, ,它指出电子它指出电子电荷不再是电荷的最小单元电荷不再是电荷的最小单元, ,即存在分数电荷。而另一方面也说明科即存在分数电荷。而另一方面也说明科学正是由于一个一个的突破才得到进一步的发展。学正是由于一个一个的突破才得到进一步的发展。【归纳总结归纳总结】1.1.粒子粒子: :强子、轻子和媒介子。强子、轻子和媒介子。2.2.夸克夸克: :是强子的基本组成成分是强子的基本组成成分, ,有有6 6种种, ,带带 的元电荷。的元电荷。2133或过关小练过关小练即时应用即时应用1.1.为了探究宇
25、宙起源为了探究宇宙起源,“,“阿尔法磁谱仪阿尔法磁谱仪”(AMS)(AMS)将在太空中寻找将在太空中寻找“反物反物质质”。所谓。所谓“反物质反物质”是由是由“反粒子反粒子”构成的。构成的。“反粒子反粒子”与其对应与其对应的正粒子具有相同的质量和相同的电荷量的正粒子具有相同的质量和相同的电荷量, ,但电荷的符号相反。由此但电荷的符号相反。由此可知反氢原子是可知反氢原子是( () )A.A.由由1 1个带正电荷的质子和个带正电荷的质子和1 1个带负电荷的电子构成个带负电荷的电子构成B.B.由由1 1个带负电荷的反质子和个带负电荷的反质子和1 1个带正电荷的正电子构成个带正电荷的正电子构成C.C.由
26、由1 1个带负电荷的反质子和个带负电荷的反质子和1 1个带负电荷的电子构成个带负电荷的电子构成D.D.由由1 1个不带电的中子和个不带电的中子和1 1个带正电荷的正电子构成个带正电荷的正电子构成【解析解析】选选B B。氢原子由一个电子和一个质子组成。氢原子由一个电子和一个质子组成, ,根据根据“反物质反物质”和和“反粒子反粒子”的概念的概念, ,可知反氢原子由一个带负电荷的反质子和一个带可知反氢原子由一个带负电荷的反质子和一个带正电荷的正电子组成正电荷的正电子组成, ,故选项故选项B B正确正确, ,其他选项错误。其他选项错误。2.2.在在衰变中常伴有一种称为衰变中常伴有一种称为“中微子中微子
27、”的粒子放出。中微子的性质的粒子放出。中微子的性质十分特别十分特别, ,因此在实验中很难探测。因此在实验中很难探测。19531953年年, ,莱尼斯和柯文建造了一个莱尼斯和柯文建造了一个由大水槽和探测器组成的实验系统由大水槽和探测器组成的实验系统, ,利用中微子与水中利用中微子与水中 的核反应的核反应, ,间接地证实了中微子的存在。间接地证实了中微子的存在。(1)(1)中微子与水中的中微子与水中的 发生核反应发生核反应, ,产生中子产生中子 和正电子和正电子 即中微子即中微子 可以判定可以判定, ,中微子的质量数和电荷数分别是中微子的质量数和电荷数分别是_。( (填写选项前的字母填写选项前的字
28、母) )A.0A.0和和0 0B.0B.0和和1 1C.1C.1和和0 0D.1D.1和和1 111H11H10n（）01e()，110101Hn e，(2)(2)上述核反应产生的正电子与水中的电子相遇上述核反应产生的正电子与水中的电子相遇, ,与电子形成几乎静止与电子形成几乎静止的整体后的整体后, ,可以转变为两个光子可以转变为两个光子(),(),即即 已知正电子和已知正电子和电子的质量都为电子的质量都为9.19.11010-31-31kg,kg,反应中产生的每个光子的能量约为反应中产生的每个光子的能量约为_J_J。正电子与电子相遇不可能只转变为一个光子。正电子与电子相遇不可能只转变为一个光
29、子, ,原因是原因是_。0011ee2 。【解题指南解题指南】解答本题时应注意以下三点解答本题时应注意以下三点: :(1)(1)对核反应根据质量数和电荷数守恒对核反应根据质量数和电荷数守恒, ,判断质量数和电荷数。判断质量数和电荷数。(2)(2)正电子和负电子的湮灭正电子和负电子的湮灭, ,根据质能方程判断光子的能量。根据质能方程判断光子的能量。(3)(3)根据动量守恒定律判断产生光子的个数。根据动量守恒定律判断产生光子的个数。【解析解析】(1)(1)发生核反应前后发生核反应前后, ,粒子的质量数和电荷数均不变粒子的质量数和电荷数均不变, ,据此可据此可知中微子的质量数和电荷数都是知中微子的质
30、量数和电荷数都是0,A0,A项正确。项正确。(2)(2)产生的能量是由于质产生的能量是由于质量亏损。两个电子转变为两个光子之后量亏损。两个电子转变为两个光子之后, ,质量变为零质量变为零, ,则则E=mcE=mc2 2, ,故一故一个光子的能量为个光子的能量为 , ,代入数据得代入数据得 =8.2=8.21010-14-14J J。正电子与水中的电。正电子与水中的电子相遇子相遇, ,与电子形成几乎静止的整体与电子形成几乎静止的整体, ,故系统总动量为零故系统总动量为零, ,故如果只产故如果只产生一个光子是不可能的生一个光子是不可能的, ,因为此过程遵循动量守恒定律。因为此过程遵循动量守恒定律。
31、答案答案: :(1)A(1)A(2)8.2(2)8.21010-14-14此过程遵循动量守恒定律此过程遵循动量守恒定律E2E2【补偿训练补偿训练】( (多选多选) )下列关于夸克模型的说法正确的是下列关于夸克模型的说法正确的是( () )A.A.强子是由更基本的夸克组成的强子是由更基本的夸克组成的B.B.夸克的电荷量分别为元电荷的夸克的电荷量分别为元电荷的 C.C.每种夸克都有对应的反夸克每种夸克都有对应的反夸克D.D.夸克能以自由的状态单个出现夸克能以自由的状态单个出现【解析解析】选选A A、B B、C C。夸克不能以自由的状态单个出现。夸克不能以自由的状态单个出现,D,D错误错误,A,A、B B、C C正确。正确。2133或
