高中物理教科版5第三章原子核 第3章6核聚變7粒子物理學(xué)簡介(選學(xué))

6.核聚變7．粒子物理學(xué)簡介(選學(xué))學(xué)習(xí)目標(biāo)知識(shí)脈絡(luò)1.知道聚變反應(yīng)，關(guān)注受控聚變反應(yīng)研究的進(jìn)展.2.通過核能的利用，思考科學(xué)技術(shù)與社會(huì)進(jìn)步的關(guān)系.3.初步了解粒子物理學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí).4.了解、感受科學(xué)發(fā)展過程中蘊(yùn)藏著的科學(xué)和人文精神.核聚變eq\o([先填空])1．定義：把輕原子核聚合成較重原子核的反應(yīng)稱為聚變反應(yīng)，簡稱核聚變．2．熱核反應(yīng)(1)舉例：一個(gè)氘核和一個(gè)氚核聚變成一個(gè)氦核的核反應(yīng)方程：eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)n＋MeV(2)反應(yīng)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)．(3)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?chǔ)量豐富．③輕核聚變更為安全、清潔．3．可控核聚變反應(yīng)研究的進(jìn)展(1)把受控聚變情況下釋放能量的裝置，稱為聚變反應(yīng)堆，20世紀(jì)下半葉，聚變能的研究取得重大進(jìn)展．(2)核聚變的約束方法：磁約束和慣性約束，托卡馬克采用的是磁約束方式．(3)核聚變是一種安全，不產(chǎn)生放射性物質(zhì)、原料成本低的能源，是人類未來能源的希望．3．恒星演化中的核反應(yīng)(1)現(xiàn)階段，供太陽發(fā)生核聚變過程的燃料是氫．(2)大約50億年后，太陽的核心的核聚變過程是：eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(8,4)Be，eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(8,4)Be→eq\o\al(12,6)C.eq\o([再判斷])1．核聚變反應(yīng)中平均每個(gè)核子放出的能量比裂變時(shí)小一些．(×)2．輕核的聚變只要達(dá)到臨界質(zhì)量就可以發(fā)生．(×)3．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)．(√)eq\o([后思考])1．核聚變?yōu)槭裁葱枰獛装偃f度的高溫？【提示】要使輕核發(fā)生聚變就必須使它們間的距離達(dá)到核力發(fā)生作用的距離，而核力是短程力，作用距離在10－15m，在這個(gè)距離上時(shí)，質(zhì)子間的庫侖斥力非常大，為了克服庫侖斥力就需要原子核具有非常大的動(dòng)能才會(huì)撞到一起，當(dāng)溫度達(dá)到幾百萬度時(shí)，原子核就可以具有這樣大的動(dòng)能．2．受控核聚變中磁約束的原理是什么？【提示】原子核帶有正電，垂直磁場方向射入磁場后在洛倫茲力作用下做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，繞著一個(gè)中心不斷旋轉(zhuǎn)而不飛散開，達(dá)到約束原子核的作用．3．恒星是如何形成的？它在哪個(gè)階段停留的時(shí)間最長？【提示】宇宙塵埃在外界影響下聚集，某些區(qū)域在萬有引力作用下開始向內(nèi)收縮，密度不斷增加，形成星云團(tuán)，星云團(tuán)進(jìn)一步凝聚使得引力勢能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，溫度升高．當(dāng)溫度上升到一定程度時(shí)就開始發(fā)光，形成恒星．恒星在輻射產(chǎn)生向外的壓力和引力產(chǎn)生的收縮壓力平衡階段停留時(shí)間最長．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(dòng)能．要使原子核具有足夠大的動(dòng)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(gè)放能反應(yīng)．3．核聚變的特點(diǎn)(1)在消耗相同質(zhì)量的核燃料時(shí)，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(shí)時(shí)刻刻地進(jìn)行著，太陽就是一個(gè)巨大的熱核反應(yīng)堆．4．核聚變的應(yīng)用(1)核武器——?dú)鋸棧阂环N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)別重核裂變輕核聚變放能原理重核分裂成兩個(gè)或多個(gè)中等質(zhì)量的原子核，放出核能兩個(gè)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(gè)核子放出的能量要大3～4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)簡單得多原料的蘊(yùn)藏量核裂變?nèi)剂镶櫾诘厍蛏蟽?chǔ)量有限，尤其用于核裂變的鈾235在鈾礦石中只占%主要原料是氘，氘在地球上的儲(chǔ)量非常豐富.1L海水中大約有g(shù)氘，如果用來進(jìn)行熱核反應(yīng)，放出的能量約與燃燒300L汽油相當(dāng)可控性速度比較容易進(jìn)行人工控制，現(xiàn)在的核電站都是用核裂變反應(yīng)釋放核能目前，除氫彈以外，人們還不能控制它1．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)E．輕核聚變易控制，目前世界上的核電站多數(shù)是利用核聚變反應(yīng)釋放核能【解析】輕核聚變時(shí)，必須使輕核之間距離達(dá)到10－15m，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(dòng)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，E錯(cuò)誤；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(cuò)誤．【答案】ABC2．如圖3-6-1所示，托卡馬克(Tokamak)是研究受控核聚變的一種裝置，這個(gè)詞是toroidal(環(huán)形的)、kamera(真空室)、magnit(磁)的頭兩個(gè)字母以及katushka(線圈)的第一個(gè)字母組成的縮寫詞．根據(jù)以上信息，下述判斷中可能正確的是()圖3-6-1A．這種裝置的核反應(yīng)原理是輕核的聚變，同時(shí)釋放出大量的能量，和太陽發(fā)光的原理類似B．線圈的作用是通電產(chǎn)生磁場使帶電粒子在磁場中旋轉(zhuǎn)而不溢出C．這種裝置同我國秦山、大亞灣核電站所使用核裝置的核反應(yīng)原理相同D．這種裝置可以控制熱核反應(yīng)速度，使聚變能緩慢而穩(wěn)定地進(jìn)行E．這種裝置是利用電場來約束帶電粒子的【解析】聚變反應(yīng)原料在裝置中發(fā)生聚變，放出能量，故A正確；線圈通電時(shí)產(chǎn)生磁場，帶電粒子在磁場中受洛倫茲力作用不飛出，故B正確，E錯(cuò)誤；核電站的原理是裂變，托卡馬克的原理是聚變，故C錯(cuò)誤；該裝置使人們可以在實(shí)驗(yàn)中控制反應(yīng)速度，平穩(wěn)釋放核能，故D正確．【答案】ABD3．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＋MeV(1)這個(gè)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MeV是核反應(yīng)中________(選填“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________(選填“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(jì)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(jì)算.粒子物理學(xué)簡介eq\o([先填空])1．基本粒子(1)1897年湯姆孫發(fā)現(xiàn)了電子后，人們又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了質(zhì)子、中子，認(rèn)為電子、中子、質(zhì)子是組成物質(zhì)的基本粒子．(2)1932年，安德森發(fā)現(xiàn)了正電子，它的質(zhì)量、電荷量與電子相同，電荷符號(hào)與電子相反，它被稱為電子的反粒子，正電子也成為了基本粒子．2．基本粒子的分類按粒子參與相互作用的性質(zhì)把粒子分為三類：它們分別是：媒介子、輕子、強(qiáng)子．3．加速器粒子加速器是用人工方法產(chǎn)生高速粒子的設(shè)備，按加速粒子的路徑大致分為兩類：一類是直線加速器，帶電粒子沿直線運(yùn)動(dòng)；一類是回旋加速器，帶電粒子沿圓弧運(yùn)動(dòng)，并反復(fù)加速．能夠?qū)崿F(xiàn)兩束相對(duì)運(yùn)動(dòng)的粒子對(duì)接的設(shè)備叫做對(duì)撞機(jī)．eq\o([再判斷])1．質(zhì)子、中子、電子都是不可再分的基本粒子．(×)2．質(zhì)子和反質(zhì)子的電量相同，電性相反．(√)3．按照夸克模型，電子所帶電荷不再是電荷的最小單元．(√)4．回旋加速器加速帶電粒子時(shí)，高頻電源的頻率應(yīng)等于回旋粒子的頻率．(√)eq\o([后思考])1．為什么說基本粒子不基本？【提示】一方面是因?yàn)檫@些原來被認(rèn)為不可再分的粒子還有自己的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，另一方面是因?yàn)樾掳l(fā)現(xiàn)的很多種新粒子都不是由原來認(rèn)為的那些基本粒子組成的．2．北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)于1988年10月完成建設(shè)，成功實(shí)現(xiàn)正負(fù)電子對(duì)撞，你了解對(duì)撞機(jī)的工作原理嗎？它有什么作用？【提示】對(duì)撞機(jī)的工作原理是粒子先在同步加速器中加速，然后射入對(duì)撞機(jī)．在對(duì)撞機(jī)里兩束粒子流反方向回旋，并進(jìn)一步加速，在軌道交叉的地方相互碰撞．對(duì)撞機(jī)的出現(xiàn)，大大提高了有效作用能，因此它在高能物質(zhì)實(shí)驗(yàn)中起著日益顯著的作用．近年來，在粒子物質(zhì)中的一系列重大發(fā)現(xiàn)和研究成果，幾乎都是在對(duì)撞機(jī)上獲得的．1．新粒子的發(fā)現(xiàn)及特點(diǎn)發(fā)現(xiàn)時(shí)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(diǎn)質(zhì)量與相對(duì)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)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3.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，它們帶的電荷是電子或質(zhì)子所帶電荷的eq\f(2,3)或eq\f(1,3).每種夸克都有對(duì)應(yīng)的反夸克．4．兩點(diǎn)提醒(1)質(zhì)子是最早發(fā)現(xiàn)的強(qiáng)子，電子是最早發(fā)現(xiàn)的輕子，τ子的質(zhì)量比核子的質(zhì)量大，但力的性質(zhì)決定了它屬于輕子．(2)粒子具有對(duì)稱性，有一個(gè)粒子，必存在一個(gè)反粒子，它們相遇時(shí)會(huì)發(fā)生“湮滅”，即同時(shí)消失而轉(zhuǎn)化成其他的粒子．4．關(guān)于粒子，下列說法正確的是()A．電子、質(zhì)子和中子是組成物質(zhì)的不可再分的最基本的粒子B．強(qiáng)子中也有不帶電的粒子C．夸克模型是探究三大類粒子結(jié)構(gòu)的理論D．夸克模型說明電子電荷不再是電荷的最小單位E．超子的質(zhì)量比質(zhì)子的質(zhì)量還大【解析】由于質(zhì)子、中子是由不同夸克組成的，它們不是最基本的粒子，不同夸克構(gòu)成強(qiáng)子，有的強(qiáng)子帶電，有的強(qiáng)子不帶電，故A錯(cuò)誤，B正確；夸克模型是研究強(qiáng)子結(jié)構(gòu)的理論，不同夸克帶電不同，分別為＋eq\f(2,3)e和－eq\f(e,3)，說明電子電荷不再是電荷的最小單位，C錯(cuò)誤，D正確，超子屬于強(qiáng)子，其質(zhì)量比質(zhì)子質(zhì)量還大些，E正確．【答案】BDE5．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(shí)驗(yàn)中很難探測.1953年，萊尼斯和柯文建造了一個(gè)由大水槽和探測器組成的實(shí)驗(yàn)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(shí)了中微子的存在.【導(dǎo)學(xué)號(hào)：11010053】(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€(gè)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×10－31kg，反應(yīng)中產(chǎn)生的每個(gè)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€(gè)光子，原因是什么？【解析】(1)發(fā)生