高中物理人教版選修3-5-第19章第7節(jié)-核聚變-課件

第十九章原子核第7節(jié)核聚變第十九章原子核第7節(jié)核聚變1太陽磁場爆發(fā)時，太陽表面的耀斑和冕環(huán)。太陽如何運作？太陽磁場爆發(fā)時，太陽表面的耀斑和冕環(huán)。太陽如何運作？2質(zhì)量虧損與質(zhì)能方程（知識儲備1)

在核反應(yīng)前后，原子核的質(zhì)量小于組成它的核子的質(zhì)量之和的現(xiàn)象叫質(zhì)量虧損。愛因斯坦相對論指出:

物體的能量和質(zhì)量之間存在著密切關(guān)系，物體具有的能量與其質(zhì)量成正比，如果核反應(yīng)前后出現(xiàn)質(zhì)量虧損，可以推算出反應(yīng)中釋放的核能。質(zhì)能方程質(zhì)量虧損與質(zhì)能方程（知識儲備1)在核反應(yīng)前后，原子核3關(guān)于質(zhì)能方程的補充說明利用原子質(zhì)量單位u和電子伏特eV計算

1u=1.6606×10-27kg1eV=1.60×10-19J

1u相當(dāng)于931.5MeV能量！質(zhì)能方程揭示了質(zhì)量和能量的不可分割性，質(zhì)量和能量在數(shù)值上的聯(lián)系絕不等于這兩個量可以相互轉(zhuǎn)化！根據(jù)愛因斯坦的相對論，輻射出的γ光子靜質(zhì)量雖然為零，但它有動質(zhì)量，而且這個動質(zhì)量剛好等于虧損的質(zhì)量，所以質(zhì)量守恒、能量守恒仍成立！關(guān)于質(zhì)能方程的補充說明利用原子質(zhì)量單位u和電子伏特eV計算質(zhì)4核子的平均質(zhì)量是：原子核的質(zhì)量核子數(shù)

研究表明：原子核的質(zhì)量雖然隨著原子序數(shù)的增大而增大，但是二者之間并不成正比關(guān)系，其核子的平均質(zhì)量與原子序數(shù)有如圖的關(guān)系：核子平均質(zhì)量（知識儲備2)核子的平均質(zhì)量是：原子核的質(zhì)量核子數(shù)研究表明5核子平均質(zhì)量核子平均質(zhì)量與原子序數(shù)之間的關(guān)系

如何理解原子核A與B、C的差異？D、E與F的差異？核子平均質(zhì)量核子平均質(zhì)量與原子序數(shù)之間的關(guān)系如6

物理學(xué)中把重核分裂成質(zhì)量較小的核，釋放核能的反應(yīng)叫做裂變．把輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核，釋放出核能的反應(yīng)叫做聚變．聚變+裂變+釋放核能的方式物理學(xué)中把重核分裂成質(zhì)量較小的核，釋放核能的反應(yīng)叫做7一、核聚變及其條件

平均每個核子釋放能量3MeV以上，約為裂變反應(yīng)釋放能量的3～4倍!地球上最容易發(fā)生的氫核聚變核聚變發(fā)生的條件是什么？氫核聚變：一、核聚變及其條件平均每個核子釋放能量3MeV以上8實現(xiàn)的方法：聚變條件：原子核必須接近到原子核大小的尺寸范圍，即10-15m?。ㄒ乖雍私咏竭@種程度，必須使它們具有很大的動能以克服原子核之間巨大的庫侖斥力）。核聚變條件聚變反應(yīng)又叫熱核反應(yīng)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人工核反應(yīng)：利用加速器將氘加速到所需的能量（約72KeV)，轟擊含氚的靶。這種方法引起聚變的幾率極低（約百萬分之一）。將一團氘和氚核約束起來，并保持一定的密度。將核加熱到上億度的超高溫，使其在極短時間內(nèi)一起發(fā)生聚變。實現(xiàn)的方法：聚變條件：原子核必須接近到原子核大小的尺寸范圍，9聚變反應(yīng)特點

聚變反應(yīng)一旦發(fā)生，就不再需要外界給它能量，靠自身產(chǎn)生的熱就可以維持反應(yīng)持續(xù)進行下去。實例：1.太陽內(nèi)部和許多恒星內(nèi)部溫度高達(dá)107K以上，其反應(yīng)就是熱核反應(yīng)的實例。2.核武器——氫彈！在短時間釋放巨大的能量，這就是聚變引起的核爆炸。

聚變反應(yīng)特點聚變反應(yīng)一旦發(fā)生，就不再需要外界給10核聚變普遍存在于宇宙中太陽每秒釋放的能量地球只接受了其中約3.8×1026J二十億分之一太陽每秒?yún)⑴c碰撞的原子核７億噸每秒轉(zhuǎn)化為能量的物質(zhì)400萬噸至今轉(zhuǎn)化為能量的物質(zhì)約100個地球質(zhì)量太陽的這種“核燃燒”還將持續(xù)維持50億~60億年核聚變普遍存在于宇宙中太陽每秒釋放的能量地球只接受了其中約311核武器——氫彈彈體引爆裝置小型原子彈氘、氚、重氫化鉀等鈾

235外殼普通炸藥三種炸藥普通炸藥爆炸Ｕ235裂變氘、氚聚變核武器——氫彈彈體引爆裝置小型原子彈氘、氚、重氫化鉀等鈾212氫彈爆炸形成的蘑菇云氫彈爆炸形成的蘑菇云13典例探究（2）由題給條件可求得質(zhì)量虧損為：Δm=2×2.0136u－(3.0150+1.0087)u=0.0035u釋放的核能為：ΔE=Δmc2=0.0035×931.5MeV=3.26MeV典例探究（2）由題給條件可求得質(zhì)量虧損為：Δm=2×2.14二、受控?zé)岷朔磻?yīng)

1、聚變與裂變相比的優(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。

（每升水中就含有0.03g氘，地球上有138.6億億立方米的水，大約有40萬億噸氘。氚可以利用鋰來制取，地球上鋰儲量有2000億噸）

一旦出現(xiàn)故障，高溫不能維持，反應(yīng)就自動終止了；聚變產(chǎn)生的氦是沒有放射性的，放射性廢物主要是泄漏的氚、高速中子、質(zhì)子與其他物質(zhì)反應(yīng)而生成的放射性物質(zhì)，比裂變所生成的廢物的數(shù)量少，容易處理。

二、受控?zé)岷朔磻?yīng)1、聚變與裂變相比的優(yōu)點：（1）輕核聚變152.目前還不能控制熱核反應(yīng)的主要問題：（1）熱核反應(yīng)的的點火溫度很高；（2）如何約束聚變所需的燃料；（3）反應(yīng)裝置中的氣體密度要很低，相當(dāng)于常溫常壓下氣體密度的幾萬分之一。受控?zé)岷朔磻?yīng)

2.目前還不能控制熱核反應(yīng)的主要問題：（1）熱核反應(yīng)的的16受控?zé)岷朔磻?yīng)

3.實現(xiàn)核聚變的兩種控制方案：（1）磁約束：利用磁場來約束參加反應(yīng)的物質(zhì)。目前性能較好的磁約束裝置是環(huán)流器（又稱托卡馬克tokamak)受控?zé)岷朔磻?yīng)3.實現(xiàn)核聚變的兩種控制方案：（1）磁約束：17中國在可控?zé)岷朔磻?yīng)方面的研究和實驗發(fā)展情況東方超環(huán)——EAST全超導(dǎo)托卡馬克實驗裝置中國在可控?zé)岷朔磻?yīng)方面的研究和實驗發(fā)展情況東方超環(huán)——EA18高中物理人教版選修3-5-第19章第7節(jié)-核聚變-課件19（2）慣性約束：利用強激光的慣性壓力約束參加反應(yīng)的物質(zhì)。受控?zé)岷朔磻?yīng)

以激光進行慣性約束聚變的圖解：1.藍(lán)色箭頭代表激光；2.橘色代表固態(tài)球狀核燃料向外爆裂的力量；3.紫色代表因激光熱能而產(chǎn)生向內(nèi)的慣性作用力；4.橙色代表壓縮后的燃料核，產(chǎn)生的熱量快速向外放射，發(fā)散的能量是激光光束加在燃料球上的數(shù)倍。

（2）慣性約束：利用強激光的慣性壓力約束參加反應(yīng)的物質(zhì)。受控20課堂小結(jié)主要學(xué)習(xí)了核聚變概念，聚變核反應(yīng)的特點和條件，知道了實現(xiàn)的方法；同時學(xué)會了寫出聚變方程并計算核能。了解受控?zé)岷朔磻?yīng)及其研究和發(fā)展。受控?zé)岷朔磻?yīng)的研究和實驗將為人類和平利用核能開發(fā)新的途徑。課堂小結(jié)主要學(xué)習(xí)了核聚變概念，聚變核反應(yīng)的特點和條件，知道了21謝謝大家！謝謝大家！22第十九章原子核第7節(jié)核聚變第十九章原子核第7節(jié)核聚變23太陽磁場爆發(fā)時，太陽表面的耀斑和冕環(huán)。太陽如何運作？太陽磁場爆發(fā)時，太陽表面的耀斑和冕環(huán)。太陽如何運作？24質(zhì)量虧損與質(zhì)能方程（知識儲備1)

在核反應(yīng)前后，原子核的質(zhì)量小于組成它的核子的質(zhì)量之和的現(xiàn)象叫質(zhì)量虧損。愛因斯坦相對論指出:

物體的能量和質(zhì)量之間存在著密切關(guān)系，物體具有的能量與其質(zhì)量成正比，如果核反應(yīng)前后出現(xiàn)質(zhì)量虧損，可以推算出反應(yīng)中釋放的核能。質(zhì)能方程質(zhì)量虧損與質(zhì)能方程（知識儲備1)在核反應(yīng)前后，原子核25關(guān)于質(zhì)能方程的補充說明利用原子質(zhì)量單位u和電子伏特eV計算

1u=1.6606×10-27kg1eV=1.60×10-19J

1u相當(dāng)于931.5MeV能量！質(zhì)能方程揭示了質(zhì)量和能量的不可分割性，質(zhì)量和能量在數(shù)值上的聯(lián)系絕不等于這兩個量可以相互轉(zhuǎn)化！根據(jù)愛因斯坦的相對論，輻射出的γ光子靜質(zhì)量雖然為零，但它有動質(zhì)量，而且這個動質(zhì)量剛好等于虧損的質(zhì)量，所以質(zhì)量守恒、能量守恒仍成立！關(guān)于質(zhì)能方程的補充說明利用原子質(zhì)量單位u和電子伏特eV計算質(zhì)26核子的平均質(zhì)量是：原子核的質(zhì)量核子數(shù)

研究表明：原子核的質(zhì)量雖然隨著原子序數(shù)的增大而增大，但是二者之間并不成正比關(guān)系，其核子的平均質(zhì)量與原子序數(shù)有如圖的關(guān)系：核子平均質(zhì)量（知識儲備2)核子的平均質(zhì)量是：原子核的質(zhì)量核子數(shù)研究表明27核子平均質(zhì)量核子平均質(zhì)量與原子序數(shù)之間的關(guān)系

如何理解原子核A與B、C的差異？D、E與F的差異？核子平均質(zhì)量核子平均質(zhì)量與原子序數(shù)之間的關(guān)系如28

物理學(xué)中把重核分裂成質(zhì)量較小的核，釋放核能的反應(yīng)叫做裂變．把輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核，釋放出核能的反應(yīng)叫做聚變．聚變+裂變+釋放核能的方式物理學(xué)中把重核分裂成質(zhì)量較小的核，釋放核能的反應(yīng)叫做29一、核聚變及其條件

平均每個核子釋放能量3MeV以上，約為裂變反應(yīng)釋放能量的3～4倍!地球上最容易發(fā)生的氫核聚變核聚變發(fā)生的條件是什么？氫核聚變：一、核聚變及其條件平均每個核子釋放能量3MeV以上30實現(xiàn)的方法：聚變條件：原子核必須接近到原子核大小的尺寸范圍，即10-15m?。ㄒ乖雍私咏竭@種程度，必須使它們具有很大的動能以克服原子核之間巨大的庫侖斥力）。核聚變條件聚變反應(yīng)又叫熱核反應(yīng)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人工核反應(yīng)：利用加速器將氘加速到所需的能量（約72KeV)，轟擊含氚的靶。這種方法引起聚變的幾率極低（約百萬分之一）。將一團氘和氚核約束起來，并保持一定的密度。將核加熱到上億度的超高溫，使其在極短時間內(nèi)一起發(fā)生聚變。實現(xiàn)的方法：聚變條件：原子核必須接近到原子核大小的尺寸范圍，31聚變反應(yīng)特點

聚變反應(yīng)一旦發(fā)生，就不再需要外界給它能量，靠自身產(chǎn)生的熱就可以維持反應(yīng)持續(xù)進行下去。實例：1.太陽內(nèi)部和許多恒星內(nèi)部溫度高達(dá)107K以上，其反應(yīng)就是熱核反應(yīng)的實例。2.核武器——氫彈！在短時間釋放巨大的能量，這就是聚變引起的核爆炸。

聚變反應(yīng)特點聚變反應(yīng)一旦發(fā)生，就不再需要外界給32核聚變普遍存在于宇宙中太陽每秒釋放的能量地球只接受了其中約3.8×1026J二十億分之一太陽每秒?yún)⑴c碰撞的原子核７億噸每秒轉(zhuǎn)化為能量的物質(zhì)400萬噸至今轉(zhuǎn)化為能量的物質(zhì)約100個地球質(zhì)量太陽的這種“核燃燒”還將持續(xù)維持50億~60億年核聚變普遍存在于宇宙中太陽每秒釋放的能量地球只接受了其中約333核武器——氫彈彈體引爆裝置小型原子彈氘、氚、重氫化鉀等鈾

235外殼普通炸藥三種炸藥普通炸藥爆炸Ｕ235裂變氘、氚聚變核武器——氫彈彈體引爆裝置小型原子彈氘、氚、重氫化鉀等鈾234氫彈爆炸形成的蘑菇云氫彈爆炸形成的蘑菇云35典例探究（2）由題給條件可求得質(zhì)量虧損為：Δm=2×2.0136u－(3.0150+1.0087)u=0.0035u釋放的核能為：ΔE=Δmc2=0.0035×931.5MeV=3.26MeV典例探究（2）由題給條件可求得質(zhì)量虧損為：Δm=2×2.36二、受控?zé)岷朔磻?yīng)

1、聚變與裂變相比的優(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。

（每升水中就含有0.03g氘，地球上有138.6億億立方米的水，大約有40萬億噸氘。氚可以利用鋰來制取，地球上鋰儲量有2000億噸）

一旦出現(xiàn)故障，高溫不能維持，反應(yīng)就自動終止了；聚變產(chǎn)生的氦是沒有放射性的，放射性廢物主要是泄漏的氚、高速中子、質(zhì)子與其他物質(zhì)反應(yīng)而生成的放射性物質(zhì)，比裂變所生成的廢物的數(shù)量少，容易處理。

二、受控?zé)岷朔磻?yīng)1、聚變與裂變相比的優(yōu)點：（1）輕核聚變372.目前還不能控制熱核反應(yīng)的主要問題：（1）熱核反應(yīng)的的點火溫度很高；（2）如何約束聚變所需的燃料；（3）反應(yīng)裝置中的氣體密度要很低，相當(dāng)于常溫常壓下氣體密度的幾萬分之一。受控?zé)岷朔磻?yīng)

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