核聚變粒子和宇宙課堂

關(guān)于核聚變粒子和宇宙課堂第1頁，講稿共49頁，2023年5月2日，星期三比結(jié)合能核子的比結(jié)合能隨質(zhì)量數(shù)的變化A核子平均質(zhì)量核子的平均質(zhì)量隨原子序數(shù)的變化第2頁，講稿共49頁，2023年5月2日，星期三一、核聚變第3頁，講稿共49頁，2023年5月2日，星期三1、輕核的聚變（熱核反應(yīng)）

某些輕核能夠結(jié)合在一起，生成一個較大的原子核，同時放出大量的核能。這種核反應(yīng)叫做核聚變。一、核聚變第4頁，講稿共49頁，2023年5月2日，星期三2、聚變核能比裂變反應(yīng)中平均每個核子放出的能量大3～4倍第5頁，講稿共49頁，2023年5月2日，星期三3、發(fā)生聚變的條件:

要使原子核間的距離達到10-15m4、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；不經(jīng)濟如何能使輕核具有較大的動能呢？

需要克服極大的庫侖斥力，因此必須讓輕核具有很大的動能。幾百萬K高溫聚變反應(yīng)又叫熱核反應(yīng)第6頁，講稿共49頁，2023年5月2日，星期三核聚變的利用——氫彈第7頁，講稿共49頁，2023年5月2日，星期三核聚變的利用——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外殼普通炸藥第8頁，講稿共49頁，2023年5月2日，星期三世界第一顆氫彈——麥克第9頁，講稿共49頁，2023年5月2日，星期三第10頁，講稿共49頁，2023年5月2日，星期三我國第一顆氫彈爆炸成功第11頁，講稿共49頁，2023年5月2日，星期三氫彈爆炸形成的磨姑云第12頁，講稿共49頁，2023年5月2日，星期三第13頁，講稿共49頁，2023年5月2日，星期三太陽是一個巨大的熱核反應(yīng)堆。熱核反應(yīng)在宇宙中時時刻刻地進行著，太陽的中心溫度達1.5×107K，因而在那里進行著激烈的熱核反應(yīng)，不斷向外界釋放著巨大的能量。太陽每秒釋放的能量約為3.8×1026J，地球只接受了其中的二十億分之一。太陽在“核燃燒”的過程中“體重”不斷減輕。它每秒有７億噸原子核參與碰撞，輻射出的能量與400萬噸的物質(zhì)相當?？茖W家估計，太陽的這種“核燃燒”還能維持幾十億年。當然，與人類歷史相比，這個時間很長很長！太陽的中心發(fā)生核聚變，放出巨大能量，這個天然的核聚變過程已經(jīng)發(fā)生了好幾十億年第14頁，講稿共49頁，2023年5月2日，星期三（1）輕核聚變產(chǎn)能效率高1.聚變與裂變相比的優(yōu)點：（2）地球上聚變?nèi)剂系膬α控S富（3）輕核聚變更安全、清潔（4）反應(yīng)中放射物質(zhì)的處理較容易相同的核燃料釋放的能量多。常見的聚變反應(yīng)平均每個核子放出的能量約3.3MeV，而裂變時平均每個核子釋放的能量約為1MeV。1L海水中大約有0.03g氘，大約有40多萬億噸氘。鋰的儲量有2000億噸，用來制取氚足以滿足聚變的需要。

實現(xiàn)核聚變需要高溫，一旦出現(xiàn)故障，高溫不能維持，反應(yīng)就自動終止了。

氘和氚聚變反應(yīng)中產(chǎn)生的氦是沒有放射性的，放射性廢物主要是泄漏的氚以及聚變時高速中子、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、受控熱核反應(yīng)——核聚變的利用第15頁，講稿共49頁，2023年5月2日，星期三磁約束

帶電粒子運動時在均勻磁場中會洛倫茲力的作用而不飛散，因此有可能利用磁場來約束參加反應(yīng)的物質(zhì)。2.實現(xiàn)核聚變的難點：地球上沒有任何容器能夠經(jīng)受如此高的溫度。為了解決這個難題，科學家設(shè)想了兩種方案：1.磁約束2.慣性約束第16頁，講稿共49頁，2023年5月2日，星期三用激光引發(fā)核聚變的設(shè)備第17頁，講稿共49頁，2023年5月2日，星期三慣性約束

由于聚變反應(yīng)的時間非常短，聚變物質(zhì)因自身的慣性還來不及擴散就完成了核反應(yīng)。在慣性約束下，可以用激光從各個方向照射參加反應(yīng)的物質(zhì)，使它們“擠”在一起發(fā)生反應(yīng)。第18頁，講稿共49頁，2023年5月2日，星期三

“國際熱核聚變實驗堆（ITER）計劃”是目前全球規(guī)模最大、影響最深遠的國際科研合作項目之一，建造約需10年，耗資50億美元（1998年值）。ITER裝置是一個能產(chǎn)生大規(guī)模核聚變反應(yīng)的超導(dǎo)托克馬克，俗稱“人造太陽”。2003年1月，國務(wù)院批準我國參加ITER計劃談判，2006年5月，經(jīng)國務(wù)院批準，中國ITER談判聯(lián)合小組代表我國政府與歐盟、印度、日本、韓國、俄羅斯和美國共同草簽了ITER計劃協(xié)定。ITER計劃將歷時35年，其中建造階段10年、運行和開發(fā)利用階段20年、去活化階段5年。第19頁，講稿共49頁，2023年5月2日，星期三ITER計劃（地點：法國卡達拉舍）第20頁，講稿共49頁，2023年5月2日，星期三第21頁，講稿共49頁，2023年5月2日，星期三第22頁，講稿共49頁，2023年5月2日，星期三例1、已知氘核質(zhì)量為2.0136u，中子質(zhì)量為1.0087u

核的質(zhì)量為3.0150u。求：（1）寫出兩個氘核聚變成的核反應(yīng)方程式（2）計算上述核反應(yīng)中釋放的核能。23He23He【分析】算出核反應(yīng)中的質(zhì)量虧損，利用愛因斯坦質(zhì)能方程即可求出反應(yīng)釋放的核能。解答：（1）（2）由題給條件可求得質(zhì)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第23頁，講稿共49頁，2023年5月2日，星期三

靜止在勻強磁場中的原子核，俘獲一個速度為7.7×104m/s的中子而發(fā)生核反應(yīng)放出α粒子后變成一個新原子核，已知中子速度方向與磁場方向垂直，測得α粒子速度為：2×104m/s，方向與中子速度方向相同，求：（1）生成的新核是什么？寫出核反應(yīng)方程式。（2）生成的新核的速度大小和方向。（3）若α粒子與新核間相互作用不計，則二者在磁場中運動軌道半徑之比及周期之比各為多少？6Li3解：（1）寫出核反應(yīng)方程式生成的新核是氚核例2、第24頁，講稿共49頁，2023年5月2日，星期三（2）由動量守恒定律mnvn=mαvα+mHvHvn=7.7×104m/svα=2×104m/s∴VH=(mnvn-mαvα)/mH=(1×7.7×104-4×2×104)／3=-1.0×103m/s方向與中子方向相反（3）由r=mv/qB∝mv/qrα:rH=mαvα/qα

：

mHvH/qH

=（4×2／

2

）:（3×0.1）=40:3T=2πm/qB∝m/qTα:TH=4/2:3/1=2:3第25頁，講稿共49頁，2023年5月2日，星期三8粒子和宇宙第26頁，講稿共49頁，2023年5月2日，星期三道爾頓（原子）湯姆遜（電子）盧瑟福（質(zhì)子）查德威克（中子）蓋爾曼（夸克）第27頁，講稿共49頁，2023年5月2日，星期三一、“基本粒子”不基本發(fā)現(xiàn)了電子、質(zhì)子和中子后，許多人認為光子和它們是組成物質(zhì)的“基本粒子”。逐漸發(fā)現(xiàn)了數(shù)以百計的不由質(zhì)子、中子、電子組成的新粒子；又發(fā)現(xiàn)質(zhì)子、中子等本身也有自己的復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。從20世紀后半期起，就將“基本”二字去掉，統(tǒng)稱為粒子。19世紀末都認為原子是組成物質(zhì)的最小微粒。第28頁，講稿共49頁，2023年5月2日，星期三二、發(fā)現(xiàn)新粒子20世紀30年代以來，人們在對宇宙射線的研究中陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了一些新的粒子。1932年發(fā)現(xiàn)了正電子1937年發(fā)現(xiàn)了子1947年發(fā)現(xiàn)了K介子和介子后來還發(fā)現(xiàn)了一些粒子，質(zhì)量比質(zhì)子的質(zhì)量大，叫做超子。第29頁，講稿共49頁，2023年5月2日，星期三粒子加速器使帶電粒子加速到很高的能量，有助于發(fā)現(xiàn)更多的新粒子。第30頁，講稿共49頁，2023年5月2日，星期三反粒子質(zhì)量、壽命、自旋等物理性質(zhì)相同而電荷等其他性質(zhì)相反的粒子。電子正電子質(zhì)子反質(zhì)子第31頁，講稿共49頁，2023年5月2日，星期三粒子的分類按照粒子與各種相互作用的不同關(guān)系，將粒子分為三類。強子：參與強相互作用的粒子。例如：質(zhì)子。強子又分為介子和重子兩類。輕子：不參與強相互作用的粒子。例如：電子和電子中微子、μ子和μ子中微子、τ子和τ子中微子。每種輕子都有對應(yīng)的反粒子。τ子質(zhì)量比核子大?，F(xiàn)代實驗還沒有發(fā)現(xiàn)輕子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。媒介子：傳遞各種相互作用的粒子。如：光子、中間玻色子、膠子。分別傳遞電磁相互作用、弱相互作用、強相互作用。現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的粒子達到400多種。第32頁，講稿共49頁，2023年5月2日，星期三三、夸克模型1964年蓋爾曼提出夸克的設(shè)想，認為強子由更基本的成分組成，這種成分叫做夸克。。第33頁，講稿共49頁，2023年5月2日，星期三6種夸克：上夸克、下夸克、奇異夸克、粲夸克、底夸克、頂夸克?？淇怂鶐щ姾煞謩e為元電荷的或。每種夸克都有對應(yīng)的反夸克。1995美國費米國家加速器實驗室證實了頂夸克的存在。到目前為止，人們已經(jīng)從實驗中發(fā)現(xiàn)了所有6種夸克及其反夸克存在的證據(jù)?？淇四Ｐ椭赋鲭娮与姾刹辉偈请姾傻淖钚挝?，即存在分數(shù)電荷?？茖W家直到今天都還未捕捉到自由的夸克?？淇瞬荒芤宰杂傻臓顟B(tài)單個出現(xiàn)，這種性質(zhì)稱為夸克的“禁閉”。能否解放被禁閉的夸克，是21世紀物理學面臨的重大課題之一。第34頁，講稿共49頁，2023年5月2日，星期三四、宇宙的演化物理學中有一個非常有趣的現(xiàn)象：研究微觀世界的粒子物理、量子理論，與研究宇宙的理論竟然相互溝通、相互支撐。正如諾貝爾物理學獎獲得者格拉肖所說：“隱藏在原子內(nèi)心的，是宇宙結(jié)構(gòu)的秘密?！钡?5頁，講稿共49頁，2023年5月2日，星期三

早在1929年，埃德溫·哈勃作出了一個具有里程碑意義的發(fā)現(xiàn)，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。換言之，宇宙正在不斷膨脹。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。大爆炸宇宙論第36頁，講稿共49頁，2023年5月2日，星期三大爆炸理論(TheBigBangTheory)宇宙從一個“奇點”爆炸產(chǎn)生1948年，伽莫夫與他的兩個學生——拉爾夫·阿爾菲和羅伯特·赫爾曼一道，提出了熱大爆炸宇宙學模型。第37頁，講稿共49頁，2023年5月2日，星期三大爆炸之后約10-44s，溫度為1032K，產(chǎn)生了夸克、輕子、膠子等粒子。大爆炸后約10-6s，溫度下降到1013K，夸克構(gòu)成了質(zhì)子和中子等強子，成為強子時代。再晚一些時候，溫度下降到1011K，只剩下少量夸克，而自由的光子、中微子和電子等輕子大量存在，成為輕子時代。溫度下降到109K，中子和質(zhì)子結(jié)合成氘核，并很快生成氦核，同時有氚核、氦3等其他輕核生成，成為核合成的時代。大爆炸1萬年之后，溫度降到104K，宇宙由電子、質(zhì)子和氦核的混合電離氣體組成。溫度降到3000K，電子和質(zhì)子復(fù)合成為中性的氫原子。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。第38頁，講稿共49頁，2023年5月2日，星期三大爆炸理論的主要觀點是認為我們的宇宙曾有一段從熱到冷的演化史。早期只有中子、質(zhì)子、中微子等一些基本粒子形態(tài)的物質(zhì)。當溫度降到幾千度時，輻射減退，宇宙間主要是氣態(tài)物質(zhì)。

溫度下降到,核合成的時代。繼續(xù)冷卻,逐漸形成恒星和星系。

第39頁，講稿共49頁，2023年5月2日，星期三五、恒星的演化大爆炸10萬年后，溫度下降到3000K，出現(xiàn)由中性原子構(gòu)成的宇宙塵埃。由于萬有引力的作用，塵埃形成了氣體狀態(tài)的星云團。星云團的進一步凝聚使得引力勢能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，溫度升高，到一定程度就開始發(fā)光，于是恒星誕生了。第40頁，講稿共49頁，2023年5月2日，星期三恒星繼續(xù)收縮、升溫。當溫度超過107K時，氫通過熱核反應(yīng)成為氦，核能以電磁波的形式向外輻射。輻射產(chǎn)生的向外的壓力與引力產(chǎn)生的收縮壓力平衡,星體穩(wěn)定下來。太陽目前正處于這一階段的中期，要再過50億年才會轉(zhuǎn)到另一個演化階段。第41頁，講稿共49頁，2023年5月2日，星期三當恒星核心部分的氫大部分聚變?yōu)楹ひ院?，核反?yīng)變?nèi)酰椛鋲毫ο陆?，星核在引力作用下再次收縮。引力勢能產(chǎn)生的熱將使溫度繼續(xù)升高，發(fā)生氦核聚合成碳核的聚變反應(yīng)，類似過程一波接一波繼續(xù)下去，出現(xiàn)了氧、硅，直到鐵等更重的元素。恒星多次膨脹與收縮，光度也反復(fù)變化。各種熱核反應(yīng)不再發(fā)生時，輻射壓力消失。星體在引力作用下進一步收縮，中心密度極大。第42頁，講稿共49頁，2023年5月2日，星期三恒星的最后歸宿與恒星的質(zhì)量大小有關(guān)。1、若恒星的質(zhì)量小于1.4倍太陽質(zhì)量，演變?yōu)榘装恰?、若恒星的質(zhì)量為太陽質(zhì)量的1.4～2倍，演變?yōu)橹凶有恰?、恒星的質(zhì)量更大時，演變?yōu)楹诙?。?3頁，講稿共49頁，2023年5月2日，星期三恒星的演化瞬間的絢爛——超新星爆發(fā)

對于大質(zhì)量的恒星，由于引力巨大，氫燒完后，引力導(dǎo)致的坍縮會十分猛烈，這時，大量的能量瞬間爆發(fā)出來，恒星的亮度瞬間爆增上千萬倍，乃至上百億倍，這就是超新星爆發(fā)。一顆超新星在爆發(fā)時輸出的能量可高達1043焦，這幾乎相當于我們的太陽在100億年時間里輸出能量的總和。超新星爆發(fā)時，拋射物質(zhì)的速度可達107m/s，超新星并不是新的星，而是恒星死亡的綻放。金牛座蟹狀星云是1054年爆發(fā)超新星的遺骸大麥哲倫星云1987A超新星第44頁