2020高中物理 第19章 7 核聚變 8 粒子和宇宙學(xué)案 -5

學(xué)必求其心得，業(yè)必貴于專精學(xué)必求其心得，業(yè)必貴于專精PAGE16-學(xué)必求其心得，業(yè)必貴于專精7核聚變8粒子和宇宙[學(xué)習(xí)目標(biāo)］1.知道聚變反應(yīng)的特點．(重點）2。了解聚變反應(yīng)的條件．(難點)3.知道輕核聚變能夠放出很多的能量,若能加以控制將為人類提供廣闊的能源前景。4.初步了解粒子物理學(xué)的基礎(chǔ)知識及恒星演化。5.了解、感受科學(xué)發(fā)展過程中蘊藏著的科學(xué)和人文精神．一、核聚變1．定義兩個輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核，并釋放出能量的反應(yīng)．2．舉例eq\o\al（2，1)H＋eq\o\al（3,1）H→eq\o\al(4,2）He＋eq\o\al(1,0）n＋17.6MeV.3．條件（1)輕核的距離要達(dá)到10－15m以內(nèi)．（2)需要加熱到很高的溫度，因此又叫熱核反應(yīng)．4．優(yōu)點(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．5．約束方法磁約束和慣性約束．二、粒子和宇宙1．基本粒子不基本(1）直到19世紀(jì)末，人們都認(rèn)為光子、電子、質(zhì)子和中子是基本粒子．（2)隨著科學(xué)的發(fā)展，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了很多的新粒子并不是由以上基本粒子組成的,并發(fā)現(xiàn)質(zhì)子、中子等本身也有復(fù)雜結(jié)構(gòu)．2．發(fā)現(xiàn)新粒子(1)新粒子：1932年發(fā)現(xiàn)了正電子，1937年發(fā)現(xiàn)了μ子，1947年發(fā)現(xiàn)了K介子和π介子及以后的超子等．(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．3．宇宙及恒星的演化(1）宇宙演化根據(jù)大爆炸理論，在宇宙形成之初是“粒子家族”盡顯風(fēng)采的時期．在大爆炸之后逐漸形成了夸克、輕子和膠子等粒子，隨后經(jīng)過強(qiáng)子時代、輕子時代、核合成時代，繼續(xù)冷卻，質(zhì)子、電子、原子等與光子分離而逐步組成恒星和星系．（2)恒星的演化①恒星的形成:大爆炸后,在萬有引力作用下形成星云團(tuán)，進(jìn)一步凝聚使引力勢能轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)能，溫度升高，直到發(fā)光,于是恒星誕生了．②恒星演變：核聚變反應(yīng)，層級遞進(jìn)地在恒星內(nèi)發(fā)生，直到各種熱核反應(yīng)不再發(fā)生時，恒星的中心密度達(dá)到極大．③恒星歸宿:恒星最后的歸宿有三種,它們是白矮星、中子星、黑洞．1．思考判斷(正確的打“√”,錯誤的打“×”）(1）核聚變反應(yīng)中平均每個核子放出的能量比裂變時小一些． (×)(2）現(xiàn)在地球上消耗的能量絕大部分來自太陽內(nèi)部的聚變反應(yīng)． (√)(3)質(zhì)子、中子、電子都是不可再分的基本粒子． （×）(4)按照夸克模型，電子所帶電荷不再是電荷的最小單元． (√）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攝氏度的高溫，因此聚變又叫做熱核反應(yīng)C．原子彈爆炸能產(chǎn)生幾百萬攝氏度的高溫，所以氫彈利用原子彈引發(fā)熱核反應(yīng)D．自然界中不存在天然的熱核反應(yīng)[解析］輕核聚變時，必須使輕核之間距離達(dá)到10－15m以內(nèi)，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，實驗證實，原子核必須處在幾百萬攝氏度下才有這樣的能量，這樣高的溫度通常利用原子彈爆炸獲得,故B、C正確；在太陽內(nèi)部或其他恒星內(nèi)部都進(jìn)行著熱核反應(yīng)，D錯誤．[答案］ABC3．（多選)根據(jù)宇宙大爆炸的理論，在宇宙形成之初是“粒子家族”盡顯風(fēng)采的時期，那么在大爆炸之后最早產(chǎn)生的粒子是()A．夸克 B．質(zhì)子C．輕子 D．中子［解析］宇宙形成之初產(chǎn)生了夸克、輕子和膠子等粒子，之后又經(jīng)歷了質(zhì)子和中子等強(qiáng)子時代,再之后是自由光子、中微子、電子大量存在的輕子時代，再之后是中子和質(zhì)子組合成氘核,并形成氦核的核合成時代，之后電子和質(zhì)子復(fù)合成氫原子，最后形成恒星和星系，因此A、C正確,B、D錯誤．［答案］AC對核聚變的理解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10－15m，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)從比結(jié)合能的圖線看，輕核聚變后比結(jié)合能增加，因此聚變反應(yīng)是一個放能反應(yīng)．3．核聚變的特點（1）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．（2)熱核反應(yīng)一旦發(fā)生，就不再需要外界給它能量,靠自身產(chǎn)生的熱就可以使反應(yīng)進(jìn)行下去．(3）普遍性：熱核反應(yīng)在宇宙中時時刻刻地進(jìn)行著,太陽就是一個巨大的熱核反應(yīng)堆．4．核聚變的應(yīng)用(1)核武器——氫彈:一種不需要人工控制的輕核聚變反應(yīng)裝置．它利用彈體內(nèi)的原子彈爆炸產(chǎn)生的高溫高壓引發(fā)熱核聚變爆炸．(2）可控?zé)岷朔磻?yīng)：目前處于探索階段．5．重核裂變與輕核聚變的區(qū)別比較項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3~4倍燃料儲量情況聚變?nèi)剂蟽α控S富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】氘核（eq\o\al(2，1)H）和氚核（eq\o\al（3，1）H）結(jié)合成氦核（eq\o\al（4,2）He）的核反應(yīng)方程如下：eq\o\al(2，1)H＋eq\o\al（3，1)H→eq\o\al（4,2）He＋eq\o\al(1，0)n＋17。6MeV(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。6MeV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)．[解析］在輕核聚變反應(yīng)中,由于質(zhì)量虧損，放出核能,由ΔE＝Δmc2，可以求得Δm＝eq\f(ΔE，c2)≈3×10－29kg。［答案］(1）核聚變（2）放出減少3×10－291核聚變反應(yīng)和一般的核反應(yīng)一樣，也遵循電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)守恒,這是書寫核反應(yīng)方程式的重要依據(jù)。2核能的計算關(guān)鍵是要求出核反應(yīng)過程中的質(zhì)量虧損，然后代入ΔE＝Δmc2進(jìn)行計算。1．(2019·全國卷Ⅱ）太陽內(nèi)部核反應(yīng)的主要模式之一是質(zhì)子－質(zhì)子循環(huán)，循環(huán)的結(jié)果可表示為4eq\o\al(1，1）H→eq\o\al（4，2）He＋2eq\o\al（0,1)e＋2ν已知eq\o\al(1，1)H和eq\o\al（4,2)He的質(zhì)量分別為mp＝1.0078u和mα＝4.0026u,1u＝931MeV/c2，c為光速．在4個eq\o\al(1，1)H轉(zhuǎn)變?yōu)?個eq\o\al（4,2)He的過程中，釋放的能量約為（）A．8MeVB．16MeVC．26MeVD．52MeV[解析］核反應(yīng)質(zhì)量虧損Δm＝4×1。0078u－4.0026u＝0。0286u,釋放的能量ΔE＝0。0286×931MeV＝26.6MeV,選項C正確．[答案］C粒子的發(fā)現(xiàn)與分類1．新粒子的發(fā)現(xiàn)及特點發(fā)現(xiàn)時間1932年1937年1947年20世紀(jì)60年代后新粒子反粒子μ子K介子與π介子超子基本特點質(zhì)量與相對應(yīng)的粒子相同而電荷及其他一些物理性質(zhì)相反比質(zhì)子的質(zhì)量小質(zhì)量介于電子與核子之間其質(zhì)量比質(zhì)子大2．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”構(gòu)成；強(qiáng)子又可分為介子和重子輕子不參與強(qiáng)相互作用電子、電子中微子、μ子、μ子中微子、τ子、τ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、中間玻色子、膠子分別傳遞電磁、弱、強(qiáng)相互作用3．夸克模型(1）夸克的提出：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）夸克的種類：上夸克(u)、下夸克（d）、奇異夸克（s)、粲夸克（c)、底夸克(b)和頂夸克（t)．(3）夸克所帶電荷：夸克所帶的電荷量是分?jǐn)?shù)電荷量，即其電荷量為元電荷的－eq\f（1,3)或＋eq\f(2,3）.例如，上夸克帶的電荷量為＋eq\f（2e，3),下夸克帶的電荷量為－eq\f(e，3）.（4)意義:電子電荷不再是電荷的最小單位，即存在分?jǐn)?shù)電荷．【例2】在β衰變中常伴有一種稱為“中微子”的粒子放出．中微子的性質(zhì)十分特別,因此在實驗中很難探測。1953年，萊尼斯和柯文建造了一個由大水槽和探測器組成的實驗系統(tǒng)，利用中微子與水中eq\o\al(1，1）H的核反應(yīng),間接地證實了中微子的存在．（1）中微子與水中的eq\o\al(1,1)H發(fā)生核反應(yīng)，產(chǎn)生中子（eq\o\al（1，0）n）和正電子(eq\o\al（0，1)e)，即：中微子＋eq\o\al(1，1)H→eq\o\al（1,0）n＋eq\o\al(0，1)e可以判定，中微子的質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)分別是________．(2)上述核反應(yīng)產(chǎn)生的正電子與水中的電子相遇，與電子形成幾乎靜止的整體后,可以轉(zhuǎn)變?yōu)閮蓚€光子(γ)，即eq\o\al(0,1）e＋eq\o\al（0，－1）e→2γ，已知正電子和電子的質(zhì)量都為9.1×10－31kg,反應(yīng)中產(chǎn)生的每個光子的能量約為________J．正電子與電子相遇不可能只轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€光子,原因是什么？［解析］(1）發(fā)生核反應(yīng)前后，粒子的質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)均不變，據(jù)此可知中微子的質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)都是0。(2)產(chǎn)生能量是由于質(zhì)量虧損．兩個電子轉(zhuǎn)變?yōu)閮蓚€光子之后，質(zhì)量變?yōu)榱?，則ΔE＝Δmc2，故一個光子的能量為eq\f（ΔE，2)，代入數(shù)據(jù)得eq\f(ΔE,2)＝8。2×10－14J．正電子與水中的電子相遇，與電子形成幾乎靜止的整體，故系統(tǒng)總動量為零，故只有產(chǎn)生2個光子，此過程才遵循動量守恒定律．[答案］（1）0和0（2）8。2×10－14原因略對核反應(yīng)中新生成粒子的認(rèn)識新生成的粒子和實物粒子一樣,也能產(chǎn)生物質(zhì)波，它們之間發(fā)生相互作用時，同樣遵循動量守恒定律等力學(xué)規(guī)律．2．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．u夸克帶電荷量為＋eq\f（2，3）e,d夸克帶電荷量為－eq\f（1,3)e,e為元電荷,下列論斷可能正確的是()A．質(zhì)子由1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,中子由1個u夸克和1個d夸克組成［解析］由于質(zhì)子帶e的正電荷，則由兩個u夸克和一個d夸克組成，其總的電荷量為e；中子不帶電，則由一個u夸克、兩個d夸克組成，其總的電荷量為0，由此可知B正確．［答案］B課堂小結(jié)知識脈絡(luò)1。兩個輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核，這樣的核反應(yīng)叫聚變。2。約束核聚變材料的方法:磁約束和慣性約束.3.粒子分為三大類，有媒介子、輕子、強(qiáng)子．美國物理學(xué)家蓋爾曼提出，強(qiáng)子是由夸克構(gòu)成的。1．（多選）關(guān)于人們發(fā)現(xiàn)的新粒子，下列說法正確的是（）A．許多粒子都有自己的反粒子B．把粒子分為強(qiáng)子、輕子、媒介子，根據(jù)是粒子與各種相互作用的關(guān)系C．質(zhì)子屬于強(qiáng)子D．光子屬于輕子［解析］根據(jù)粒子的分類、粒子與反粒子描述知A、B、C正確;光子屬媒介子，D錯誤．［答案]ABC2．(多選）下列說法正確的是（）A．聚變是裂變的逆反應(yīng)B．核聚變反應(yīng)須將反應(yīng)物加熱到數(shù)百萬開爾文以上的高溫，反應(yīng)時放出能量C．輕核聚變比裂變更為安全、清潔D．強(qiáng)子是參與強(qiáng)相互作用的粒子，中子是最早發(fā)現(xiàn)的強(qiáng)子［解析］聚變和裂變的反應(yīng)物和生成物完全不同，兩者無直接關(guān)系，并非互為逆反應(yīng)，故A錯；實現(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，但聚變反應(yīng)一旦實現(xiàn)，所釋放的能量遠(yuǎn)大于所吸收的能量，所以聚變反應(yīng)還是釋放能量，故B正確；實現(xiàn)聚變需要高溫,一旦出現(xiàn)故障,高溫不能維持，反應(yīng)就自動終止了，另外,聚變反應(yīng)比裂變反應(yīng)生成的廢物數(shù)量少,容易處理，故C對；質(zhì)子是最早發(fā)現(xiàn)的強(qiáng)子，故D錯．［答案]BC3．(多選)重核裂變和輕核聚變是人們獲得核能的兩個途徑，下列說法中正確的是(）A．裂變過程質(zhì)量增加B．裂變過程質(zhì)量虧損C．裂變過程和聚變過程都有質(zhì)量增加D．聚變過程有