高中物理第三章原子核3.6核聚變省公開(kāi)課一等獎(jiǎng)新名師獲獎(jiǎng)?wù)n件

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核聚變1/53一、核聚變1.核聚變:輕原子核聚合成_____原子核反應(yīng)稱為聚變反應(yīng),簡(jiǎn)稱核聚變。2.輕核聚變必須在高溫下進(jìn)行,所以核聚變又叫_________。3.核反應(yīng)舉例:較重?zé)岷朔磻?yīng)2/534.聚變與裂變相比有很多優(yōu)點(diǎn):(1)輕核聚變產(chǎn)能_______。(2)地球上聚變?nèi)剂蟽?chǔ)量_____。(3)輕核聚變更為_(kāi)__________。效率高豐富安全、清潔3/535.熱核反應(yīng):實(shí)際舉例(1)氫彈原理。(2)太陽(yáng)內(nèi)部核聚變釋放核能。4/53二、可控核聚變反應(yīng)研究進(jìn)展1.我們把_________情況下釋放能量裝置,稱為_(kāi)__________。2.一個(gè)被稱作_________受控?zé)岷朔磻?yīng)研究領(lǐng)先于其它路徑。3.近年來(lái)重大突破是將_________成功地應(yīng)用于產(chǎn)生_______________線圈上。受控聚變聚變反應(yīng)堆托卡馬克超導(dǎo)技術(shù)托卡馬克強(qiáng)磁場(chǎng)5/53【判一判】(1)用加速器給氘核加速,很輕易發(fā)生聚變反應(yīng)。(

)(2)托卡馬克是利用電磁感應(yīng)產(chǎn)生大電流對(duì)等離子體加熱。(

)(3)當(dāng)前,人類已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了受控?zé)岷司圩儭?

)6/53提醒:(1)用加速器給氘核加速,加速了氘(H)核打在氚(H)核固體靶上,大部分能量會(huì)消耗在與電子碰撞上,發(fā)生聚變概率非常小,(1)錯(cuò)。(2)托卡馬克是用電磁感應(yīng)產(chǎn)生大電流對(duì)等離子進(jìn)行加熱,從而實(shí)現(xiàn)等離子體核燃料“點(diǎn)火”,(2)對(duì)。(3)當(dāng)前,受控?zé)岷司圩冞€處于研究階段,(3)錯(cuò)。7/53三、恒星演化中核反應(yīng)1.引力坍縮:因?yàn)槲镔|(zhì)間_________而聚集到一起現(xiàn)象。2.供太陽(yáng)發(fā)生核聚變過(guò)程燃料是___。太陽(yáng)內(nèi)部核聚變反應(yīng)方程式為_(kāi)______________。相互吸引氫8/53知識(shí)點(diǎn)一、核聚變與恒星演化思索探究:如圖是1967年6月17日,我國(guó)第一顆氫彈爆炸成功圖片資料,請(qǐng)思索以下問(wèn)題:(1)氫彈威力相比原子彈威力哪一個(gè)大?(2)氫彈爆炸過(guò)程中核反應(yīng)是怎樣進(jìn)行?9/53【歸納總結(jié)】1.從比結(jié)合能圖線看,輕核聚變后比結(jié)合能增加,所以聚變反應(yīng)是一個(gè)放能反應(yīng)。比如,10/532.聚變發(fā)生條件:要使輕核聚變,必須使輕核靠近核力發(fā)生作用距離10-15m,這要克服電荷間強(qiáng)大斥力作用,要求使輕核含有足夠大動(dòng)能。要使原子核含有足夠大動(dòng)能,就要給它們加熱,使物質(zhì)到達(dá)幾百萬(wàn)開(kāi)爾文高溫。11/533.12/534.恒星演化:13/53【典例探究】【典例】核聚變能是一個(gè)含有經(jīng)濟(jì)性能優(yōu)越、安全可靠、無(wú)環(huán)境污染等優(yōu)勢(shì)新能源。近年來(lái),受控核聚變科學(xué)可行性已得到驗(yàn)證,當(dāng)前正在突破關(guān)鍵技術(shù),最終將建成商用核聚變電站。一個(gè)常見(jiàn)核聚變反應(yīng)是由氫同位素氘(又叫重氫)和氚(又叫超重氫)聚合成氦,并釋放一個(gè)中子。若已知氘原子質(zhì)量為2.014u,14/53氚原子質(zhì)量為3.0160u,氦原子質(zhì)量為4.0026u,中子質(zhì)量為1.0087u,1u=1.66×10-27kg。(1)寫出氘和氚聚合反應(yīng)方程。(2)試計(jì)算這個(gè)核反應(yīng)釋放出來(lái)能量。(3)若建一座功率為3.0×105kW核聚變電站,假設(shè)聚變所產(chǎn)生能量有二分之一變成了電能,每年要消耗多少質(zhì)量氘?(一年按3.2×107s計(jì)算,光速c=3.00×108m/s,結(jié)果取兩位有效數(shù)字)15/53【思緒點(diǎn)撥】解答該題應(yīng)關(guān)注以下三點(diǎn):(1)依據(jù)質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒書寫核反應(yīng)方程。(2)由愛(ài)因斯坦質(zhì)能方程求解釋放能量。(3)由功率意義求一年內(nèi)核反應(yīng)次數(shù)。

16/53【正確解答】(1)依據(jù)質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒,可得核反應(yīng)方程為17/53(2)質(zhì)量虧損Δm=m2+m3-m4-m1 =(2.014+3.0160-4.0026-1.0087)u =0.0187×1.66×10-27kg =3.1042×10-29kg依據(jù)愛(ài)因斯坦質(zhì)能方程ΔE=Δmc2核反應(yīng)釋放核能ΔE=Δmc2=3.1042×10-29×(3×108)2J=2.8×10-12J18/53(3)一年中產(chǎn)生電能發(fā)生核反應(yīng)次數(shù)為n=所需氘質(zhì)量m=n×m2×1.66×10-27kg=23kg.答案:(1)(2)2.8×10-12J

(3)23kg19/53【總結(jié)提升】輕核聚變釋放核能計(jì)算(1)正確書寫核反應(yīng)方程式是解題前提。書寫核反應(yīng)方程式時(shí),要明確反應(yīng)物和生成物,并注意它們?cè)胤?hào),尤其是同位素,不要忘記依據(jù)質(zhì)量數(shù)守恒與電荷數(shù)守恒配平方程式。20/53(2)核能計(jì)算式要選取正確單位。在利用ΔE=Δmc2進(jìn)行計(jì)算時(shí),若Δm取kg為單位,則c單位為m/s;若質(zhì)量單位用原子質(zhì)量單位u,則要利用1u相當(dāng)于931.5MeV計(jì)算核能。

21/53【賠償訓(xùn)練】一個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子聚變?yōu)橐粋€(gè)氚核,已知質(zhì)子質(zhì)量mH=1.0073u,中子質(zhì)量mn=1.0087u,氚核質(zhì)量m=3.0180u.(1)寫出聚變方程.(2)求釋放出核能多大.(3)求平均每個(gè)核子釋放能量是多大.22/53【解析】(1)聚變方程(2)質(zhì)量虧損Δm=mH+2mn-m=(1.0073+2×1.0087-3.0180)u=0.0067u,釋放核能ΔE=Δmc2=0.0067×931.5MeV≈6.24MeV。(3)平均每個(gè)核子放出能量為MeV=2.08MeV.答案:(1)(2)6.24MeV(3)2.08MeV

23/53【過(guò)關(guān)訓(xùn)練】氘核和氚核可發(fā)生熱核聚變而釋放出巨大能量,該反應(yīng)方程為:,式中x是某種粒子。已知:和粒子x質(zhì)量分別為2.0141u、3.0161u、4.0026u和1.0087u;1u=c是真空中光速。由上述反應(yīng)方程和數(shù)據(jù)可知,粒子x是____,該反應(yīng)釋放出能量為_(kāi)___MeV(結(jié)果保留3位有效數(shù)字)。24/53【解析】依據(jù)質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒可得x是(中子)。核反應(yīng)中質(zhì)量虧損為Δm=(2.0141u+3.0161u-4.0026u-1.0087u)=0.0189u所以該反應(yīng)釋放出能量為ΔE=Δm·c2=17.6MeV答案:(1)(或中子)

17.625/53知識(shí)點(diǎn)二、可控核聚變反應(yīng)研究進(jìn)展思索探究:如圖描述是我國(guó)第一顆氫彈爆炸成功消息傳出后,人們歡呼慶賀場(chǎng)景,請(qǐng)思索以下問(wèn)題:(1)氫彈爆炸時(shí),核能釋放速度應(yīng)該快還是慢?(2)當(dāng)前,人們能否有效地控制核聚變速度?26/53【歸納總結(jié)】1.核子聚變條件:要使核子發(fā)生聚變,必須使核子靠近核力能發(fā)生作用范圍。2.聚變反應(yīng)堆:受控聚變情況下釋放能量裝置。27/533.聚變反應(yīng)堆研究進(jìn)展:(1)托卡馬克受控?zé)岷朔磻?yīng)研究領(lǐng)先于其它路徑。(2)環(huán)流器:托卡馬克是一個(gè)環(huán)形磁約束受控?zé)岷朔磻?yīng)裝置。28/53(3)環(huán)流器原理:在這種裝置中,等離子體被不一樣方向磁場(chǎng)約束在一個(gè)環(huán)管狀金屬反應(yīng)室中,用電磁感應(yīng)產(chǎn)生大電流對(duì)等離子體進(jìn)行加熱,從而實(shí)現(xiàn)等離子體熱核燃料“點(diǎn)火”。(4)超導(dǎo)托卡馬克:將超導(dǎo)技術(shù)成功地應(yīng)用于產(chǎn)生托卡馬克強(qiáng)磁場(chǎng)線圈上制成。29/534.核聚變是一個(gè)安全、不產(chǎn)生放射性物質(zhì)、原料成本低廉能源,是人類未來(lái)能源希望。30/53【典例探究】【典例】(·全國(guó)卷Ⅱ)在以下描述核過(guò)程方程中,屬于α衰變是________,屬于β衰變是________,屬于裂變是________,屬于聚變是________。31/5332/53【正確解答】原子核發(fā)生α衰變會(huì)產(chǎn)生一個(gè)新核和

,所以選項(xiàng)C是α衰變;原子核發(fā)生β衰變會(huì)產(chǎn)生一個(gè)新核和,所以A、B選項(xiàng)為β衰變;重核被轟擊后,發(fā)生裂變會(huì)產(chǎn)生幾個(gè)質(zhì)量差不多新核,所以選項(xiàng)E為裂變;兩個(gè)輕核結(jié)合成質(zhì)量較大核核反應(yīng),為核聚變,所以選項(xiàng)F為核聚變。答案:C

A、B

E

F33/53【過(guò)關(guān)訓(xùn)練】(多項(xiàng)選擇)能源是社會(huì)發(fā)展基礎(chǔ),發(fā)展核能是處理能源問(wèn)題路徑之一,以下釋放核能反應(yīng)方程,表述正確有(

)34/5335/53【解析】選A、C。兩個(gè)輕核聚合成一個(gè)較重核反應(yīng)為核聚變反應(yīng),故A對(duì)B錯(cuò)。重核被中子轟擊后分裂成兩個(gè)中等質(zhì)量原子核并放出若干個(gè)中子反應(yīng)為核裂變反應(yīng),故C對(duì)。原子核放出α或β粒子后變成另一個(gè)原子核反應(yīng)稱為原子核衰變。原子核衰變反應(yīng)物只有一個(gè),故D錯(cuò)。36/53【賠償訓(xùn)練】我國(guó)自行設(shè)計(jì)、研制“人造太陽(yáng)”裝置——全超導(dǎo)非圓截面核聚變?cè)囼?yàn)裝置(EAST)成為世界上第一個(gè)同時(shí)含有全超導(dǎo)磁體和主動(dòng)冷卻結(jié)構(gòu)核聚變?cè)囼?yàn)裝置.它建成使我國(guó)邁入磁約束核聚變領(lǐng)域先進(jìn)國(guó)家行列.以下關(guān)于“人造太陽(yáng)”說(shuō)法正確是(

)37/53A.“人造太陽(yáng)”核反應(yīng)方程是B.“人造太陽(yáng)”核反應(yīng)方程是C.“人造太陽(yáng)”核能大小計(jì)算公式是E=mc2D.“人造太陽(yáng)”釋放能量大小計(jì)算公式是ΔE=Δmc238/53【解析】選B、D.“人造太陽(yáng)”內(nèi)進(jìn)行是核聚變反應(yīng),故A錯(cuò)誤,B正確.核反應(yīng)放出能量應(yīng)由愛(ài)因斯坦質(zhì)能方程計(jì)算,C錯(cuò)誤,D正確.39/53【溫馨提醒】輕核發(fā)生聚變反應(yīng)時(shí),一樣滿足能量守恒和動(dòng)量守恒,所以聚變反應(yīng)經(jīng)常與能量、動(dòng)量結(jié)合起來(lái)進(jìn)行考查。

40/53【拓展例題】考查內(nèi)容:能量守恒與輕核聚變反應(yīng)綜合應(yīng)用兩個(gè)動(dòng)能均為1MeV氘核發(fā)生正面碰撞,引發(fā)以下反應(yīng):已知:氘核質(zhì)量為2.0136u,氚核質(zhì)量為3.0156u,氫核質(zhì)量為1.0073u,1原子質(zhì)量單位(u)相當(dāng)于931.5MeV.試求41/53(1)此核反應(yīng)中放出能量ΔE為多少M(fèi)eV?(2)若放出能量全部變?yōu)樾律藙?dòng)能,則新生氫核所含有動(dòng)能為多少M(fèi)eV?42/53【思緒點(diǎn)撥】氘核碰撞過(guò)程動(dòng)量守恒,找到新生核動(dòng)能與其動(dòng)量關(guān)系,進(jìn)而找到兩新生核動(dòng)能之間關(guān)系.43/53【正確解答】(1)由質(zhì)能方程,核反應(yīng)中放出能量為:ΔE=Δm×931.5MeV=(2×2.0136u-3.0156u-1.0073u)×931.5MeV=4.005MeV.44/53(2)相互作用過(guò)程中動(dòng)量守恒p1=p2新生氚核動(dòng)能:新生氫核動(dòng)能:由能量守恒得:2Ek+ΔE=代入數(shù)據(jù)得新生氫核動(dòng)能:=4.5MeV答案:(1)4.005MeV

(2)4.5MeV45/53輕核聚變與重核裂變區(qū)分反應(yīng)方式比較項(xiàng)目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)量原子核,放出核能兩個(gè)輕核結(jié)合成質(zhì)量較大原子核,放出核能46/53反應(yīng)方式比較項(xiàng)目重核裂變輕核聚變放能多少聚變反應(yīng)比裂變反應(yīng)平均每個(gè)核子放出能量大約要大3倍～4倍核廢料處理難度聚變反應(yīng)核廢料處理要比裂變反應(yīng)簡(jiǎn)單得多47/53反應(yīng)方式比較項(xiàng)目重核裂變輕核聚變?cè)咸N(yùn)藏量核裂變?nèi)剂镶櫾诘厍蛏蟽?chǔ)量有限,尤其用于核裂變鈾235在鈾礦石中只占0.7%主要原料是氘,氘在地球上儲(chǔ)量非常豐富.1L海水中大約有0.03g氘,假如用來(lái)進(jìn)行熱核反應(yīng),放出能量約與燃燒300L汽油相當(dāng)48/53反應(yīng)方式比較項(xiàng)目重核裂變輕核聚變可控性速度比較輕易進(jìn)行人工控制,現(xiàn)在核電站都是用裂變反應(yīng)釋放核能當(dāng)前,除氫彈以外,人們還不能控制它49/53【案例展示】下面關(guān)于原子核裂變和聚變說(shuō)法,正確是(

)A.重核裂變和輕核聚變都放出核能,但地球上裂變材料比聚變材料豐富得多B.當(dāng)前人類建成核電站全部是利用重核裂變放出能量來(lái)發(fā)電50/53C.要使輕原子核發(fā)生聚變,必須使它們之間距離最少靠近到10-10mD.太陽(yáng)發(fā)出光和熱主要來(lái)自太陽(yáng)內(nèi)部原子核聚變反應(yīng)51/53【正確解答】選B、D。裂變材料是鈾,