高中物理 選修3 5：197 8 核聚變、粒子和宇宙 課件

第十九章原子核19-7核聚變19-8粒子和宇宙第十九章原子核19-711、了解聚變反應的特點及其條件；2、了解可控熱核反應及其研究和發(fā)展；3、知道輕核的聚變能夠釋放出很多的能量,如果能加以控制將為人類提供廣闊的能源前景。19-7核聚變1、了解聚變反應的特點及其條件；19-7核聚變2現(xiàn)在環(huán)境問題日趨嚴重，人們在提高生活品質的同時，也在對能源可持續(xù)發(fā)展提出了嚴峻的考驗。通過讓學生自己閱讀課本，讓他們聚變核反應的特點及聚變反應的條件，培養(yǎng)他們歸納與概括知識的能力和提出問題的能力?，F(xiàn)在環(huán)境問題日趨嚴重，人們在提高生活品質的同時3〓聚變〓裂變

物理學中把重核分裂成質量較小的核，釋放核能的反應叫做裂變。把輕核結合成質量較大的核，釋放出核能的反應叫做聚變。一、核聚變〓聚變〓裂變物理學中把重核分裂成質量較小的核，釋放核41.輕核的聚變（熱核反應）某些輕核能夠結合在一起，生成一個較大的原子核，這種核反應叫做聚變。1.輕核的聚變（熱核反應）某些輕核能夠結合在一起5輕核的聚變:輕核的聚變:6根據(jù)所給數(shù)據(jù),計算下面核反應放出的能量:氘核的質量：mD=2.014102u氚核的質量：mT=3.016050u氦核的質量：mα=4.002603u中子的質量：mn=1.008665u解析：虧損的質量損失的能量根據(jù)所給數(shù)據(jù),計算下面核反應放出的能量:氘核的質量：mD=7發(fā)生聚變的條件:使原子核間的距離達到10-15m實現(xiàn)的方法有:1、用加速器加速原子核；２、把原子核加熱到很高的溫度；108～109K不經(jīng)濟聚變反應又叫熱核反應發(fā)生聚變的條件:使原子核間的距離達到10-15m實現(xiàn)的方法有8核聚變的利用——氫彈彈體引爆裝置小型原子彈三種炸藥：普通炸藥Ｕ235氘、氚爆炸裂變聚變氘、氚、重氫化鉀等鈾235外殼普通炸藥核聚變的利用——氫彈彈體引爆裝置小型原子彈三種炸藥：普通炸藥9

【分析】算出核反應中的質量虧損，利用愛因斯坦質能方程即可求出反應釋放的核能。

（2）由題給條件可求得質量虧損為：Δm=2.0136×2－(3.0150+1.0087)=0.0035u∴釋放的核能為ΔE=Δmc2=931.5×0.0035=3.26MeV

【分析】算出核反應中的質量虧損，利用愛因斯坦質能方程即可求10

0=mUvU-mαvα(1)由帶電粒子在勻強磁場中做勻速圓周運動的半徑公式得

0=mUvU-mαvα(1)由帶電粒子在勻強磁場中11（2）核反應中釋放的核能為ΔE=Δmc2=(238.999655-234.99347-4.001509)×931.5=4.356MeV由能的轉化和守恒定律知EkU+Ekα=ΔE-0.09MeV=4.266MeV∵pU=pα

∴α粒子的動能為

（2）核反應中釋放的核能為ΔE=Δmc2=(238.9121.熱核反應和裂變反應相比較，具有許多優(yōu)越性。二、可控熱核反應——核聚變的利用可控熱核反應將為人類提供巨大的能源,和平利用聚變產(chǎn)生的核量是非常吸引人的重大課題，我國的可控核聚變裝置“中國環(huán)流器1號”已取得不少研究成果.①輕核聚變產(chǎn)能效率高。②地球上聚變燃料的儲量豐富。③輕聚變更為安全、清潔。1.熱核反應和裂變反應相比較，具有許多優(yōu)越性。二、可控熱核反132.現(xiàn)在的技術還不能控制熱核反應。問題有：①熱核反應的的點火溫度很高；②如何約束聚變所需的燃料；磁場約束③反應裝置中的氣體密度要很低，相當于常溫常壓下氣體密度的幾萬分之一；2.現(xiàn)在的技術還不能控制熱核反應。問題有：①熱核反應的的點火14②慣性約束3.實現(xiàn)核聚變的兩種方案。①磁約束環(huán)流器的結構慣性約束②慣性約束3.實現(xiàn)核聚變的兩種方案。①磁約束環(huán)流器的結構慣性151.了解構成物質的“基本粒子”及粒子物理的發(fā)展史；2.知道高能加速器是粒子物理學研究的工具。3.知道反粒子與粒子的關系。知道夸克可以帶分數(shù)電荷。4.初步了解宇宙的演化過程及宇宙與粒子的和諧統(tǒng)一。學習目標19-8粒子和宇宙1.了解構成物質的“基本粒子”及粒子物理的發(fā)展史；學習目標16預讀教材，了解知識，感知人類（科學家）探究宇宙奧秘的過程和方法；了解構成物質的粒子和宇宙演化過程。通過探究討論學習，能夠突破傳統(tǒng)思維理解各種微觀粒子模型。設計思路預讀教材，了解知識，感知人類（科學家）探究宇宙17關于物質結構的探尋……是否還有其他的微觀粒子？19世紀末，人們認為原子是組成物質的最小微粒道爾頓發(fā)現(xiàn)夸克蓋爾曼經(jīng)典散射實驗，發(fā)現(xiàn)質子盧瑟福發(fā)現(xiàn)了原子內部結構中的電子湯姆遜查德威克發(fā)現(xiàn)中子新課導入關于物質結構的探尋……是否還有其他的微觀粒子？19世紀末，人18一、“基本粒子”不基本新課講授人們逐漸意識到，這些我們認為的“基本粒子”，實際并不基本。還有很多我們并不了解的粒子等待發(fā)現(xiàn)。

1.“基本粒子”不基本

19世紀末，許多人認為光子、電子、質子和中子是組成物質的不可再分的最基本粒子。從20世紀起科學家陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了400多種同種類的新粒子，它們不是由質子、中子、電子組成的?？茖W家進一步發(fā)現(xiàn)質子、中子、電子等本身也是復合粒子，且還有著復雜的結構。一、“基本粒子”不基本新課講授人們逐漸意識到192.發(fā)現(xiàn)新粒子為了探尋這些新粒子，實驗物理學家想了各種辦法，圖中美麗的花樹實際是在人造云室的強磁場中，攜帶電荷的粒子受洛倫茲力偏轉的蹤跡。這是比較原始的實驗方法經(jīng)過半個多世紀的發(fā)展，歐洲核子中心（CERN）建造了迄今最為龐大的雙圈強子對撞機—LHC2.發(fā)現(xiàn)新粒子為了探尋這些新粒子，實驗物理20大型強子對撞機是世界上最大、能量最高的粒子加速器，它的核心就是一系列探測中心以及先進的第三代同步加速器2.發(fā)現(xiàn)新粒子大型強子對撞機是世界上最大、能量最高的粒子加212.發(fā)現(xiàn)新粒子2012年7月4日，位于瑞士日內瓦的歐洲核子中心在發(fā)布會上向全球宣布，在雙光子道和輕子道分別以6個西格瑪?shù)臉藴什钐綔y到了希格斯玻色子(Higgs)。人們發(fā)現(xiàn)并證實了標準模型預言中最后一種粒子，這是現(xiàn)代物理學的一大步！2.發(fā)現(xiàn)新粒子2012年7月4日，位于瑞士日內瓦的歐洲核22分類自旋泡利不相容原理統(tǒng)計規(guī)律費米子

(電子質子中子各種重子)半整數(shù)1/2，3/2，…服從費米—狄拉克統(tǒng)計分布玻色子

(光子介子K介子、介子)整數(shù)0或1等不服從玻色—愛因斯坦統(tǒng)計分布泡利原理3.粒子的分類分類自旋泡利不相容原理統(tǒng)計規(guī)律費米子半整數(shù)服從費米—狄拉克統(tǒng)23正、反粒子物理量的絕對值都相同，但某些物理量(如電荷、磁矩等)的符號相反。但反粒子由于很容易湮滅，所以很難長時間存活。歐核反粒子的存儲裝置演示，原理簡單的說就是用迅速變換的電場制作的牢籠電性、磁矩3.粒子的分類正、反粒子物理量的絕對值都相同，但某些物理量24萬有引力電磁力弱相互作用強相互作用引力子＋光子＋＋輕子＋＋＋強子＋＋＋＋

引力子：由于自旋為2，無法量子化，尚未囊括進標準模型、靜止質量和電荷為零，以光速運動。

光

子：自旋為1，是玻色子。相互作用3.粒子的分類萬有引力電磁力弱相互作用強相互作用引力子＋光子＋＋輕子＋＋＋25分類粒子名稱自旋介子、、K介子等整數(shù)玻色子重子核子質子、中子及其反粒子1/2(Ω超子3/2)費密子超子ΩΣΛΞ超子及反粒子強子分類分類粒子名稱自旋介子、、K介子等整數(shù)玻色子重子26輕子分類（共12種）中微子系中性粒子，質量為零，只參與弱相互作用。分類正反粒子自旋η電荷量e重子數(shù)B輕子數(shù)Le、Lμ、Lτ壽命10-6s輕子電子e-

e+1/2-1+10-1+1穩(wěn)定μ子μ-

μ+-1+12.2τ子τ-

τ+-1+1<2.3中微子νe

??νe0穩(wěn)定νμ

??νμ0ντ

??ντ0輕子分類（共12種）中微子系中性粒子，質量為零，只參與弱相互27下夸克d上夸克u奇夸克s粲夸克c底夸克b頂夸克t4.夸克模型1964年提出強子結構夸克模型介子（夸克和反夸克組成）重子（三個夸克組成）六種夸克下夸克d上夸克u奇夸克s粲夸克c28夸克質量電荷e自旋重子數(shù)同位旋同位旋分量奇異數(shù)超荷粲數(shù)底數(shù)頂數(shù)d下夸克0.008-1/31/21/31/2-1/20+1/3000u上夸克0.0042/31/20+1/3000s奇夸克0.15-1/300-1-2/3000c粲夸克1.52/30+1/3+100b底夸克4.7-1/30+1/30+10t頂夸克1742/30+1/300+1夸克質量電荷自旋重子數(shù)同位旋同位旋分量奇異數(shù)超荷粲數(shù)底數(shù)頂數(shù)29費米子與玻色子的夸克圖費米子與玻色子的夸克圖30大爆炸理論(TheBigBangTheory)宇宙從一個“奇點”爆炸產(chǎn)生大爆炸是在無限的宇宙各處同時產(chǎn)生時間的零點二、宇宙和恒星的演化大爆炸理論(TheBigBangTheory)大爆炸311929年埃德溫·哈勃提出宇宙膨脹理論，即不管你往哪個方向看，遠處的星系正急速地遠離我們而去。這意味著，在早先星體相互之間更加靠近。事實上，似乎在大約100億至200億年之前的某一時刻，它們剛好在同一地方，所以哈勃的發(fā)現(xiàn)暗示存在一個叫做大爆炸的時刻，當時宇宙無限緊密。1.大爆炸理論1929年埃德溫·哈勃提出宇宙膨脹理論，即不321950年前后，伽莫夫第一個建立了熱大爆炸的觀念。這個創(chuàng)生宇宙的大爆炸不是習見于地球上發(fā)生在一個確定的點，然后向四周的空氣傳播開去的那種爆炸，而是一種在各處同時發(fā)生，從一開時就充滿整個空間的那種爆炸，爆炸中每一個粒子都離開其它每一個粒子飛奔。事實上應該理解為空間的急劇膨脹?！罢麄€空間”可以指的是整個無限的宇宙，或者指的是一個就象球面一樣能彎曲地回到原來位置的有限宇宙。1.大爆炸理論1950年前后，伽莫夫第一個建立了熱大爆炸的33根據(jù)大爆炸宇宙論，甚早期的宇宙是一大片由微觀粒子構成的均勻氣體，溫度極高，密度極大，且以很大的速率膨脹著。這些氣體在熱平衡下有均勻的溫度。這統(tǒng)一的溫度是當時宇宙狀態(tài)的重要標志，因而稱宇宙溫度。氣體的絕熱膨脹將使溫度降低，使得原子核、原子乃至恒星系統(tǒng)得以相繼出現(xiàn)。1.大爆炸理論根據(jù)大爆炸宇宙論，甚早期的宇宙是一大片由微觀342.恒星的演化大爆炸恒星白矮星中子星黑洞宇宙塵埃星云團2.恒星的演化大爆炸恒星白矮星黑洞宇宙塵埃星云團35粒子物理與宇宙學殊途同歸粒子物理與宇宙學殊途同歸36第十九章原子核19-7核聚變19-8粒子和宇宙第十九章原子核19-7371、了解聚變反應的特點及其條件；2、了解可控熱核反應及其研究和發(fā)展；3、知道輕核的聚變能夠釋放出很多的能量,如果能加以控制將為人類提供廣闊的能源前景。19-7核聚變1、了解聚變反應的特點及其條件；19-7核聚變38現(xiàn)在環(huán)境問題日趨嚴重，人們在提高生活品質的同時，也在對能源可持續(xù)發(fā)展提出了嚴峻的考驗。通過讓學生自己閱讀課本，讓他們聚變核反應的特點及聚變反應的條件，培養(yǎng)他們歸納與概括知識的能力和提出問題的能力?，F(xiàn)在環(huán)境問題日趨嚴重，人們在提高生活品質的同時39〓聚變〓裂變

物理學中把重核分裂成質量較小的核，釋放核能的反應叫做裂變。把輕核結合成質量較大的核，釋放出核能的反應叫做聚變。一、核聚變〓聚變〓裂變物理學中把重核分裂成質量較小的核，釋放核401.輕核的聚變（熱核反應）某些輕核能夠結合在一起，生成一個較大的原子核，這種核反應叫做聚變。1.輕核的聚變（熱核反應）某些輕核能夠結合在一起41輕核的聚變:輕核的聚變:42根據(jù)所給數(shù)據(jù),計算下面核反應放出的能量:氘核的質量：mD=2.014102u氚核的質量：mT=3.016050u氦核的質量：mα=4.002603u中子的質量：mn=1.008665u解析：虧損的質量損失的能量根據(jù)所給數(shù)據(jù),計算下面核反應放出的能量:氘核的質量：mD=43發(fā)生聚變的條件:使原子核間的距離達到10-15m實現(xiàn)的方法有:1、用加速器加速原子核；２、把原子核加熱到很高的溫度；108～109K不經(jīng)濟聚變反應又叫熱核反應發(fā)生聚變的條件:使原子核間的距離達到10-15m實現(xiàn)的方法有44核聚變的利用——氫彈彈體引爆裝置小型原子彈三種炸藥：普通炸藥Ｕ235氘、氚爆炸裂變聚變氘、氚、重氫化鉀等鈾235外殼普通炸藥核聚變的利用——氫彈彈體引爆裝置小型原子彈三種炸藥：普通炸藥45

【分析】算出核反應中的質量虧損，利用愛因斯坦質能方程即可求出反應釋放的核能。

（2）由題給條件可求得質量虧損為：Δm=2.0136×2－(3.0150+1.0087)=0.0035u∴釋放的核能為ΔE=Δmc2=931.5×0.0035=3.26MeV

【分析】算出核反應中的質量虧損，利用愛因斯坦質能方程即可求46

0=mUvU-mαvα(1)由帶電粒子在勻強磁場中做勻速圓周運動的半徑公式得

0=mUvU-mαvα(1)由帶電粒子在勻強磁場中47（2）核反應中釋放的核能為ΔE=Δmc2=(238.999655-234.99347-4.001509)×931.5=4.356MeV由能的轉化和守恒定律知EkU+Ekα=ΔE-0.09MeV=4.266MeV∵pU=pα

∴α粒子的動能為

（2）核反應中釋放的核能為ΔE=Δmc2=(238.9481.熱核反應和裂變反應相比較，具有許多優(yōu)越性。二、可控熱核反應——核聚變的利用可控熱核反應將為人類提供巨大的能源,和平利用聚變產(chǎn)生的核量是非常吸引人的重大課題，我國的可控核聚變裝置“中國環(huán)流器1號”已取得不少研究成果.①輕核聚變產(chǎn)能效率高。②地球上聚變燃料的儲量豐富。③輕聚變更為安全、清潔。1.熱核反應和裂變反應相比較，具有許多優(yōu)越性。二、可控熱核反492.現(xiàn)在的技術還不能控制熱核反應。問題有：①熱核反應的的點火溫度很高；②如何約束聚變所需的燃料；磁場約束③反應裝置中的氣體密度要很低，相當于常溫常壓下氣體密度的幾萬分之一；2.現(xiàn)在的技術還不能控制熱核反應。問題有：①熱核反應的的點火50②慣性約束3.實現(xiàn)核聚變的兩種方案。①磁約束環(huán)流器的結構慣性約束②慣性約束3.實現(xiàn)核聚變的兩種方案。①磁約束環(huán)流器的結構慣性511.了解構成物質的“基本粒子”及粒子物理的發(fā)展史；2.知道高能加速器是粒子物理學研究的工具。3.知道反粒子與粒子的關系。知道夸克可以帶分數(shù)電荷。4.初步了解宇宙的演化過程及宇宙與粒子的和諧統(tǒng)一。學習目標19-8粒子和宇宙1.了解構成物質的“基本粒子”及粒子物理的發(fā)展史；學習目標52預讀教材，了解知識，感知人類（科學家）探究宇宙奧秘的過程和方法；了解構成物質的粒子和宇宙演化過程。通過探究討論學習，能夠突破傳統(tǒng)思維理解各種微觀粒子模型。設計思路預讀教材，了解知識，感知人類（科學家）探究宇宙53關于物質結構的探尋……是否還有其他的微觀粒子？19世紀末，人們認為原子是組成物質的最小微粒道爾頓發(fā)現(xiàn)夸克蓋爾曼經(jīng)典散射實驗，發(fā)現(xiàn)質子盧瑟福發(fā)現(xiàn)了原子內部結構中的電子湯姆遜查德威克發(fā)現(xiàn)中子新課導入關于物質結構的探尋……是否還有其他的微觀粒子？19世紀末，人54一、“基本粒子”不基本新課講授人們逐漸意識到，這些我們認為的“基本粒子”，實際并不基本。還有很多我們并不了解的粒子等待發(fā)現(xiàn)。

1.“基本粒子”不基本

19世紀末，許多人認為光子、電子、質子和中子是組成物質的不可再分的最基本粒子。從20世紀起科學家陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了400多種同種類的新粒子，它們不是由質子、中子、電子組成的?？茖W家進一步發(fā)現(xiàn)質子、中子、電子等本身也是復合粒子，且還有著復雜的結構。一、“基本粒子”不基本新課講授人們逐漸意識到552.發(fā)現(xiàn)新粒子為了探尋這些新粒子，實驗物理學家想了各種辦法，圖中美麗的花樹實際是在人造云室的強磁場中，攜帶電荷的粒子受洛倫茲力偏轉的蹤跡。這是比較原始的實驗方法經(jīng)過半個多世紀的發(fā)展，歐洲核子中心（CERN）建造了迄今最為龐大的雙圈強子對撞機—LHC2.發(fā)現(xiàn)新粒子為了探尋這些新粒子，實驗物理56大型強子對撞機是世界上最大、能量最高的粒子加速器，它的核心就是一系列探測中心以及先進的第三代同步加速器2.發(fā)現(xiàn)新粒子大型強子對撞機是世界上最大、能量最高的粒子加572.發(fā)現(xiàn)新粒子2012年7月4日，位于瑞士日內瓦的歐洲核子中心在發(fā)布會上向全球宣布，在雙光子道和輕子道分別以6個西格瑪?shù)臉藴什钐綔y到了希格斯玻色子(Higgs)。人們發(fā)現(xiàn)并證實了標準模型預言中最后一種粒子，這是現(xiàn)代物理學的一大步！2.發(fā)現(xiàn)新粒子2012年7月4日，位于瑞士日內瓦的歐洲核58分類自旋泡利不相容原理統(tǒng)計規(guī)律費米子

(電子質子中子各種重子)半整數(shù)1/2，3/2，…服從費米—狄拉克統(tǒng)計分布玻色子

(光子介子K介子、介子)整數(shù)0或1等不服從玻色—愛因斯坦統(tǒng)計分布泡利原理3.粒子的分類分類自旋泡利不相容原理統(tǒng)計規(guī)律費米子半整數(shù)服從費米—狄拉克統(tǒng)59正、反粒子物理量的絕對值都相同，但某些物理量(如電荷、磁矩等)的符號相反。但反粒子由于很容易湮滅，所以很難長時間存活。歐核反粒子的存儲裝置演示，原理簡單的說就是用迅速變換的電場制作的牢籠電性、磁矩3.粒子的分類正、反粒子物理量的絕對值都相同，但某些物理量60萬有引力電磁力弱相互作用強相互作用引力子＋光子＋＋輕子＋＋＋強子＋＋＋＋

引力子：由于自旋為2，無法量子化，尚未囊括進標準模型、靜止質量和電荷為零，以光速運動。

光

子：自旋為1，是玻色子。相互作用3.粒子的分類萬有引力電磁力弱相互作用強相互作用引力子＋光子＋＋輕子＋＋＋61分類粒子名稱自旋介子、、K介子等整數(shù)玻色子重子核子質子、中子及其反粒子1/2(Ω超子3/2)費密子超子ΩΣΛΞ超子及反粒子強子分類分類粒子名稱自旋介子、、K介子等整數(shù)玻色子重子62輕子分類（共12種）中微子系中性粒子，質量為零，只參與弱相互作用。分類正反粒子自旋η電荷量e重子數(shù)B輕子數(shù)Le、Lμ、Lτ壽命10-6s輕子電子e-

e+1/2-1+10-1+1穩(wěn)定μ子μ-

μ+-1+12.2τ子τ-

τ+-1+1<2.3中微子νe

??νe0穩(wěn)定νμ

??νμ0ντ

??ντ0輕子分類（共12種）中微子系中性粒子，質量為零，只參與弱相互63下夸克d上夸克u奇夸克s粲夸克c底夸克b頂夸克t4.夸克模型1964年提出強子結構夸克模型介子（夸克和反夸克組成）重子（三個夸克組成）六種夸克下夸克d上夸克u奇夸克s粲夸克c64夸克質量電荷e自旋重子數(shù)同位旋同位旋分量奇異數(shù)超荷粲數(shù)底數(shù)頂數(shù)d下夸克0.008-1