教科版選修3-53-6,7核聚變,粒子物理學(xué)簡介

1、6核聚變7 粒子物理學(xué)簡介目標(biāo)定位1.知道什么是聚變反應(yīng)，會計(jì)算核聚變中釋放的核能.2.知道熱核反應(yīng)，了解可控?zé)岷朔磻?yīng)及其研究和發(fā)展.3. 了解構(gòu)成物質(zhì)的“基本粒子”及粒子物理的發(fā)展史一、核聚變1 .定義：兩個輕核結(jié)合成較重原子核的反應(yīng),輕核聚變必須在高溫下進(jìn)行，因此又叫熱核反應(yīng).2 .能量變化：輕核聚變后，平均結(jié)合能增加，反應(yīng)中會釋放能量.2 3413 .核反應(yīng)舉例：iH+ iHR推+ on + 17.6 MeV.4 .核反應(yīng)條件：必須使它們的距離達(dá)到10 2m以內(nèi)，使核具有足夠的動1LJ空核才能夠發(fā)生聚變.5 .特點(diǎn)：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.熱核反應(yīng)一旦

2、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.6 .氫彈原理：首先由普通炸藥引爆原子彈.再由原子彈爆炸產(chǎn)生的高溫高壓引發(fā)熱核爆炸.二、可控?zé)岷朔磻?yīng)與恒星演化中的核反應(yīng)1 .聚變與裂變相比有很多優(yōu)點(diǎn)：（1）輕核聚變產(chǎn)能效率高.（2）地球上聚變?nèi)剂系膬α控S富.（3）輕核聚變更為安全、清潔.2 .太陽等恒星內(nèi)部進(jìn)行的核反應(yīng)是輕核聚變反應(yīng).三、粒子1. “基本粒子”不基本“基本粒子”：直到 19世紀(jì)末，人們認(rèn)為光子、電子、質(zhì)子、中子是“基本粒子”,隨著科學(xué)的發(fā)展，一方面逐漸發(fā)現(xiàn)了數(shù)以百計(jì)的新粒子，它們都不是由中子、質(zhì)子、電子組成的；另一方面科學(xué)家又發(fā)現(xiàn)質(zhì)子、中子等本身也有自己的復(fù)雜的

3、結(jié)構(gòu).因此，20世紀(jì)后半期，就將“基本”去掉，統(tǒng)稱粒子;2 .粒子的分類：按照粒子與各種相互作用的關(guān)系，可將粒子分為三大類：強(qiáng)子、輕子和媒介子. 3 .夸克模型（1）夸克模型的提出：1964年美國物理學(xué)家蓋爾曼提出了強(qiáng)子的夸克模型，認(rèn)為強(qiáng)子是由夸克構(gòu)成的.(2)分類：上夸克、下夸克、奇異夸克、粲夸克、底夸克、頂夸克；它們帶的電荷量分別為元電荷的十1 每種夸克都有對應(yīng)的反夸克.3(3)意義：元電荷不再是電荷的最小單位，即存在分?jǐn)?shù)電荷.(4)夸克的“禁閉”夸克不能以自由的狀態(tài)單個出現(xiàn),這種性質(zhì)稱為夸克的“禁閉”.四、3種典型的粒子加速器1 .直線加速器(1)粒子運(yùn)動軌跡是一條直線.(2)滿足的條件

4、：要保持粒子與高頻電場之間的諧振關(guān)系.(3)優(yōu)點(diǎn)：粒子束的強(qiáng)度高.2 .回旋加速器(1)粒子運(yùn)動軌跡：在磁場中的勻速圓周運(yùn)動.(2)滿足條件：高頻電源的頻率等于粒子回旋的頻率.(3)優(yōu)點(diǎn)：粒子被加速到的能量可達(dá)40 MeV.3 .對撞機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)兩束相對運(yùn)動的粒子對撞的設(shè)備叫對撞機(jī).工作原理：粒子先在同步加速器中加速,然后射入對撞機(jī)，反向回旋在軌道交叉處相互碰撞,獲得較大能 量.預(yù)習(xí)完成后，請把你疑惑的問題記錄在下面的表格中問題1問題2問題3一、對輕核聚變的理解1 .聚變發(fā)生的條件：要使輕核聚變，必須使輕核接近核力發(fā)生作用的距離10-5 m,這要克服電荷間強(qiáng)大的斥力作用，要求使輕核具有足夠大的動

5、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.2 .輕核聚變是放能反應(yīng)：從平均結(jié)合能的圖線看，輕核聚變后平均結(jié)合能增加，因此聚變反應(yīng)是一個放能反應(yīng).3 .聚變方程：2, ,3, ,4, ,1i H+1H> 2He+ 0n + 丫 .4.重核裂變與輕核聚變的區(qū)別反應(yīng)方式比較項(xiàng)目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)容易得多【例1】下列說法不正確的是（）2341A.舊+ 1H >

6、; 2He+ 0 n正豕變B. 292 UI+ 0n> 154Xej+ 38sr + 21n 是裂變C. 28isRai > 222Rn+ 4He 是 a 盤變D.24Na> 加g+ 1e 是裂變答案 D解析 A選項(xiàng)中是兩個質(zhì)量較輕的核結(jié)合成了一個質(zhì)量較重的核，是聚變反應(yīng)，故A選項(xiàng)正確；B選項(xiàng)的核反應(yīng)中是鈾核捕獲中子裂變?yōu)閮蓚€(或更多)中等質(zhì)量的核，并放出幾個中子，是裂變反應(yīng)，故 B選項(xiàng)正確；在C選項(xiàng)的核反應(yīng)中沒有中子的轟擊自發(fā)地放出了a粒子，是a衰變，C選項(xiàng)是正確的；而 D應(yīng)是3衰變，不正確；故答案為 D. 借題發(fā)揮主要核反應(yīng)類型有：(1)衰變：衰變是原子核自發(fā)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N

7、核并輻射出a或3粒子.(2)人工轉(zhuǎn)變：人工轉(zhuǎn)變常用a粒子(也可用中子等)轟擊原子核，該核捕獲 a粒子后產(chǎn)生新原子核，并放出一個或幾個粒子.(3)核裂變：核裂變時鈾核捕獲中子裂變?yōu)閮蓚€(或更多)中等質(zhì)量的核，并放出幾個中子.(4)核聚變：輕核聚變時也會放出中子.針對訓(xùn)練1以下說法正確的是()A.聚變是裂變的逆反應(yīng)B.如果裂變釋放能量，則聚變反應(yīng)必定吸收能量C.聚變須將反應(yīng)物加熱至數(shù)百萬開爾文以上的高溫，顯然是吸收能量D.裂變與聚變均可釋放巨大的能量答案 D解析 A選項(xiàng)從形式上看，裂變與聚變似乎是互為逆反應(yīng)，但其實(shí)不然，因?yàn)槎叩姆磻?yīng)物和生成物完全不同.裂變是重核分裂成中等核，而聚變則是輕核聚合成

8、為次輕核，無直接關(guān)聯(lián)，并非互為逆反應(yīng)；B選項(xiàng)既然裂變與聚變不是互為逆反應(yīng)，則在能量流向上也不必相反；C選項(xiàng)要實(shí)現(xiàn)聚變反應(yīng)，必須使參加反應(yīng)的輕核充分接近，需要數(shù)百萬開爾文的高溫提供能量.但聚變反應(yīng)一旦實(shí)現(xiàn)，所釋放的能量遠(yuǎn)大于所吸 收的能量.因此，總的來說，聚變反應(yīng)還是釋放能量. 二、聚變反應(yīng)中釋放核能的計(jì)算【例2】太陽內(nèi)部持續(xù)不斷地發(fā)生著四個質(zhì)子聚變?yōu)橐粋€氨核同時放出兩個正電子的熱核反應(yīng)，這個核反應(yīng)釋放出的大量能量就是太陽的能源.(1)寫出這個核反應(yīng)方程.(2)這一核反應(yīng)能釋放多少能量？(3)已知太陽每秒釋放的能量為3.8 X 1026 J ,則太陽每秒減少的質(zhì)量為多少千克？(mp= 1.007

9、 3 u , mHe= 4.001 5 u , m= 0.000 55 u)答案 (1)4 1iHR 2He+ 2：e (2)24.78 MeV (3)4.2 X 109 kg解析 (1)核反應(yīng)方程4；+>2He+0X,而2x只能是2個正電子.因此核反應(yīng)方程應(yīng)為4；+>4He+ 2 0+e(2)反應(yīng)前的質(zhì)量 m=4mp=4X1.007 3 u = 4.029 2 u ，反應(yīng)后 rn= mHe+ 2m=4.001 5 u +2X0.000 55 u = 4.002 6 u, Am= m-m>= 0.026 6 u,由質(zhì)能方程得，釋放能量A E= Amc2=0.026 6X931

10、.5 MeV= 24.78MeV. 2 ,(3)由質(zhì)能萬程 AE= A mc得每秒減少的質(zhì)量AE 3.8 X 10269A m= -2- = -c、/ “82 kg = 4.2 x 10 kg.c 3X10 gg針對訓(xùn)練2 一個質(zhì)子和兩個中子聚變?yōu)橐粋€瓶核，已知質(zhì)子質(zhì)量mH= 1.007 3 u,中子質(zhì)量mn= 1.008 7 u,瓶核質(zhì)量m= 3.018 0 u .求：(1)寫出聚變方程；(2)釋放出的核能多大？(3)平均每個核子釋放的能量是多大？答案(1) 1H+ 20n> 3H(2)6.24 MeV (3)2.08 MeV解析 (1)聚變方程1HH 20n> 1H.(2)質(zhì)量

11、虧損Am= mH+ 2m mr= (1.007 3 +2X1.008 7 3.018 0) u = 0.006 7 u ,釋放的核能A E= A mc2= 0.006 7 X 931.5 MeV= 6.24 MeV. 平均每個核子放出的能量為 624 MeV= 2.08 MeV. 3三、粒子的分類和夸克模型1 .粒子的分類分類參與的相互作用發(fā)現(xiàn)的粒子備注強(qiáng)子參與強(qiáng)相互作用質(zhì)子、中子、介子、超子強(qiáng)子有內(nèi)部結(jié)構(gòu)，由“夸 克”粒子構(gòu)成的；強(qiáng)子又可 分為介子和重力輕子不參與強(qiáng)相互作用電子、電子中微子、H 子、了中微子、T 子、T 子中微子未發(fā)現(xiàn)內(nèi)部結(jié)構(gòu)媒介子傳遞各種相互作用光子、中間玻色子、膠子光子、

12、玻色子、膠子分別傳 遞電磁、弱、強(qiáng)相互作用2 .夸克的分類夸克有6種，它們是上夸克、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一 2 ,、1 的+ 或-.每種夸克都有對應(yīng)的反夸克.3 3【例3】 已知兀+介子、兀一介子都是由一個夸克（夸克u或夸克d）和一個反夸克（反夸克u或反夸克d ）組成的，它們的帶電量如下表所示，表中e為元電荷.卜列說法正確的是（十兀兀udu"d帶電量+ e一e2+ 3e13e23e1+手)A.兀71C.兀一由u和d組成71一由d和u組成答案AD解析根據(jù)電荷量關(guān)系可知,由于兀+介子帶有十e的電荷量，又由于兀+介子是由一個夸克和一個反夸克組成

13、，根據(jù)題意可知兀+介子（+ e）應(yīng)由一個夸克u +§e和一個反夸克 d +§e組成，A正確；同理 兀介子由夸克d和反夸克u組成，D正確.故正確答案為 A、D.卜列論斷中可能正確的是（）針對訓(xùn)練3目前普遍認(rèn)為，質(zhì)子和中子都是由被稱為u夸克和d夸克的兩類夸克組成的.u夸克帶電荷量為,e, d夸克的帶電荷量為一-e, e為元電荷, 33A.質(zhì)子由1個u夸克和2個d夸克組成，中子由1個u夸克和2個d夸克組成B.質(zhì)子由2個u夸克和1個d夸克組成，中子由1個u夸克和2個d夸克組成C.質(zhì)子由1個u夸克和2個d夸克組成，中子由2個u夸克和1個d夸克組成D.質(zhì)子由2個u夸克和1個d夸克組成，

14、中子由2個u夸克和1個d夸克組成答案 B解析 質(zhì)子11H帶電荷量為2X -e+ e =e,中子0n帶電荷量為-e+ 2X - - e =0.可見B正確. 3333對核聚變的理解1.科學(xué)家發(fā)現(xiàn)在月球上含有豐富的2He（氨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3He+ 2He>21H+ 4He,關(guān)于2He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)沒有質(zhì)量虧損D.目前核電站都采用2He聚變反應(yīng)發(fā)電答案 B解析 核聚變反應(yīng)中產(chǎn)生新的原子核，同時由于發(fā)生了質(zhì)量虧損，會有核能的釋放，這是人類利用核能的 途徑之一.目

15、前核電站大多采用重核裂變的方法來釋放與利用核能發(fā)電.2.（多選）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，因此聚變又叫做熱核反應(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)，在地球內(nèi)部也可以自發(fā)地進(jìn)行答案 ABC解析 輕核聚變時，要使輕核之間距離達(dá)到10 15日 所以必須克服庫侖斥力做功，A正確；原子核必須有足夠的動能，才能使它們接近到核力能發(fā)生作用的范圍，實(shí)驗(yàn)證實(shí)，原子核必須處在幾百萬開爾文下才有 這樣的能量，這樣高的溫度通過利用原子彈爆炸獲得，故 日C

16、正確；在太陽和其他恒星內(nèi)部都存在著熱 核反應(yīng)，但在地球上不會自發(fā)地進(jìn)行，D錯誤.核聚變釋放核能的計(jì)算3.笊和瓶發(fā)生聚變反應(yīng)的核反應(yīng)方程式是2H+ 3HR4He+ 0n+17.6 MeV，若有2 g笊和3 g瓶全部發(fā)生聚變，為阿伏加德羅常數(shù)，則釋放的能量是（）A. NAX 17.6 MeVB. 5NAX 17.6 M eVC. 2NaX 17.6 MeVD. 3NAX 17.6 MeV答案 A解析 由核反應(yīng)方程可知1個笊核和1個瓶核聚變成氨核時放出17.6 MeV能量和1個中子，則1 mol的笊和1 mol瓶全部聚變成1 mol氨核時釋放的能量為AE= NAX 17.6 MeV.4.笊核（2H）

17、和瓶核（1H）結(jié)合成氨核（4He）的核反應(yīng)方程如下：2H+ 3H>2He+ 0n+17.6 MeV （1）這個核反應(yīng)稱為 .（2）要發(fā)生這樣的核反應(yīng)，需要將反應(yīng)物質(zhì)的溫度加熱到幾百萬開爾文.式中17.6 MeV是核反應(yīng)中（填“放出”或“吸收”）的能量，核反應(yīng)后生成物的總質(zhì)量比核反應(yīng)前物質(zhì)的總質(zhì)量 （填“增加”或“減少" ）了 kg（保留一位有效數(shù)字）.答案 （1）聚變（2）放出 減少 3X10 29. c A F”解析 在輕核聚變反應(yīng)中，由于質(zhì)量與損，放出核能，由AE= Amc2,可以求得 Am=y = 3X1029 kg.c（時間：60分鐘）題組一核聚變1.下列關(guān)于熱核反應(yīng)是

18、一種理想能源的原因的說法中不正確的是（）A.就每一個核子平均來說，比重核裂變時釋放的能量多B.對環(huán)境的放射性污染較裂變輕，且較容易處理C.熱核反應(yīng)的原料在地球上儲量豐富D.熱核反應(yīng)的速度容易控制答案 D解析 受控?zé)岷朔磻?yīng)的實(shí)際應(yīng)用的技術(shù)尚不成熟，它的反應(yīng)速度是不易控制的.2.關(guān)于核能的利用，下列說法正確的是（）A.現(xiàn)在的核電站既有裂變反應(yīng)堆也有聚變反應(yīng)堆B.在地球上，人類還無法實(shí)現(xiàn)聚變反應(yīng)C.當(dāng)人類實(shí)現(xiàn)了受控核聚變，穩(wěn)定輸出核能時，世界就會克服“能源危機(jī)”D.世界現(xiàn)有核電站能夠進(jìn)行聚變反應(yīng)而輸出核能答案 C解析 現(xiàn)有核電站均為重核裂變反應(yīng)釋放能量，而裂變反應(yīng)和聚變反應(yīng)的條件不同，現(xiàn)在的核電站不

19、能進(jìn) 行聚變反應(yīng)，故 A、D錯誤；雖然人類已經(jīng)掌握了聚變反應(yīng)的技術(shù)，但還不能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的受控核聚變， 故B錯誤；由于地球上儲備有大量的聚變原料，一旦實(shí)現(xiàn)受控核聚變，世界將不再存在“能源危機(jī)”，故 C正確.3.（多選）2009年10月31日8時6分，中國科學(xué)界“兩彈一星”巨星錢學(xué)森在北京逝世，享年 98歲.人 民群眾深刻悼念這位有著“中國航天之父”稱號的偉大科學(xué)家.下列核反應(yīng)方程中屬研究兩彈的基本核反應(yīng)方程式的是（）A. 174NI+ 2h- 87o+ 1hB.氫+ On - 38Sr + 156Xe+ 100n C.25UR 29oTh + 4He _ 2341D. 1H+ iHR 2He十

20、°n答案 BD解析“兩彈”指原子彈和氫彈，它們的核反應(yīng)屬于重核的裂變與輕核的聚變，故應(yīng)選B D.4 .（多選）關(guān)于聚變，以下說法中正確的是（）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)量的物質(zhì)發(fā)生聚變時放出的能量比同樣質(zhì)量的物質(zhì)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答案 BD解析 兩個輕核聚合為較大質(zhì)量的原子核就可釋放能量但不一定是中等質(zhì)量的核，故A項(xiàng)錯誤.聚變反應(yīng)放出的能量比同樣質(zhì)量的物質(zhì)裂變時釋放的能量大得多，這點(diǎn)由聚變反應(yīng)的特點(diǎn)我們就可以知道，故B項(xiàng)正確.裂變反應(yīng)的條件是裂變物質(zhì)的體積達(dá)到臨

21、界體積，而聚變反應(yīng)的條件是原子核間距達(dá)到10T5m,故要求有足夠大的動能才能克服原子核間的斥力做功，故C錯、D正確.5 .關(guān)于核聚變，以下說法不正確的是（）A.與裂變相比輕核聚變輻射極少，更為安全、清潔B.世界上已經(jīng)有利用核聚變能來發(fā)電的核電站C.要使輕核發(fā)生聚變，必須使它們的距離達(dá)到10一5 m以內(nèi)，核力才能起作用D.地球聚變?nèi)剂系膬α渴重S富，從海水中可以提煉出大量核聚變所需的笊核答案 B解析 與裂變相比，核聚變有下面的幾個優(yōu)勢：（1）安全、清潔、輻射少；（2）核燃料儲量多；（3）核廢料易處理.但核聚變發(fā)電還沒有投入實(shí)際運(yùn)行.所以B項(xiàng)是不正確的.6.原子核聚變可望給人類未來提供豐富的潔凈能

22、源.當(dāng)笊等離子體被加熱到適當(dāng)高溫時，笊核參與的幾種聚變反應(yīng)可能發(fā)生，并放出能量.這幾種反應(yīng)的總效果可以表示為62HRk2He+ d；H+ 20n +43.15 MeV則由守恒條件可知（）A. k=1, d=4 B . k=2, d = 2C. k=1, d= 6 D . k=2, d = 3答案 B解析 由質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒，分別有4k+d= 10,2k +d=6,解得k= 2, d = 2.正確選項(xiàng)為B.題組二基本粒子7. 不介子衰變的方程為 K 兀一+兀0.其中K一介子和兀一介子是帶負(fù)電的基元電荷，兀0介子不帶電.如圖1所示的1個K一介子沿垂直于磁場的方向射入勻強(qiáng)磁場中，其軌跡為圓弧

23、AP,衰變后產(chǎn)生的 兀一介子的軌跡為圓弧PB,兩軌跡在P點(diǎn)相切，它們的半徑 R-與R-之比為2 ： 1.兀0介子的軌跡未畫出.由此可知 兀一的動量大小與 兀0的動量的大小之比為（）圖1A. 1 ： 1 B , 1 ： 2 C , 1 ： 3 D , 1 ： 62mVg mv p 人BQ，不得R= Bq=Bq' K介子兀一介子動量為負(fù)值，由動量守恒答案 C解析 帶電粒子 不與兀一在磁場中做勻速圓周運(yùn)動，洛倫茲力提供向心力與兀一介子帶電量相同，故運(yùn)動的半徑之比等于動量之比Pk ： p-R ： R =2 ： 1在衰變后兀一介子與兀0介子動量方向相反，設(shè) 不介子的動量為正，則Pk= 一。兀H-

24、 pxo則 p. ： Pk° = 1 ： 3 故 A B、D錯，C對.8 .現(xiàn)在，科學(xué)家們正在設(shè)法尋找“反物質(zhì)”，所謂“反物質(zhì)”是由“反粒子”構(gòu)成的，“反粒子”與其對應(yīng)的正粒子具有相同的質(zhì)量和相同的電量，但電荷的符號相反.據(jù)此，反a粒子為（）A.4He B. 4He C.1 2He D. 2He答案 D解析 這類問題在前兩年的高考中經(jīng)常出現(xiàn).根據(jù)題目中的描述，結(jié)合 a粒子的特點(diǎn)很容易選出正確選項(xiàng)為D.題組三粒子加速器9 .（多選）1930年勞倫斯制成了世界上第一臺回旋加速器，其原理如圖圖2所示，這臺加速器由兩個銅質(zhì)D形盒Di、D2構(gòu)成，其間留有空隙，下列說法正確的是A.離子由加速器的中心附近進(jìn)入加速器B.離子由加速器的邊緣進(jìn)入加速器C.離子從磁場中獲得能量D.離子從電場中獲得能量答案 AD解析回旋加速器的工作原理是使離子在兩個D形盒的縫隙中受電場力加速，在D形盒的內(nèi)部受洛倫茲力C錯、D正確.隨著加速次數(shù)的增加，離子的作勻速圓周運(yùn)動，在磁場中所受的洛倫茲力不做功因此選項(xiàng)mv能量越來越大，速度越來越大，由=3可知離子的圓周運(yùn)動半徑越來越大，最后從加速器的邊緣飛出加qB速器，因此選項(xiàng) B錯、A正確.2.8 GeV;若改用直線加速10 . 1989年初，我國投入運(yùn)行的高能粒子回旋