2024-2025學(xué)年高中物理第十九章原子核7核聚變8粒子和宇宙學(xué)案新人教版選修3-5

PAGE13-7核聚變8粒子和宇宙一、核聚變1．核聚變把兩個(gè)質(zhì)量較輕的原子核結(jié)合成質(zhì)量較大的核，這種釋放核能的反應(yīng)稱為輕核聚變．由于這種核反應(yīng)需在幾百萬度的高溫下進(jìn)行，因此，聚變又叫熱核反應(yīng)．2．典型的核聚變一個(gè)氘核和一個(gè)氚核的聚變，eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)n＋γ.3．輕核聚變能釋放更多的核能輕核聚變有質(zhì)量虧損，是放能核反應(yīng)，核能的計(jì)算仍是用愛因斯坦質(zhì)能方程．相同質(zhì)量的燃料，聚變比裂變時(shí)產(chǎn)生的能量多．太陽內(nèi)部進(jìn)行著激烈的熱核反應(yīng)．氫彈的威力相比原子彈的威力誰大？為什么？提示：氫彈的威力大．氫彈內(nèi)部發(fā)生的是核聚變，比核裂變放出的能量更多．二、受控?zé)岷朔磻?yīng)1．聚變與裂變相比有很多的優(yōu)點(diǎn)第一，輕核聚變產(chǎn)能效率高；其次，地球上聚變?nèi)剂系膬α控S富；第三，輕核聚變更為平安、清潔．2．科學(xué)家設(shè)想的受控?zé)岷朔磻?yīng)兩種方案磁約束和慣性約束．三、“基本粒子”不基本在19世紀(jì)末，人們認(rèn)為光子、電子、質(zhì)子和中子是組成物質(zhì)的不行再分的最基本的粒子，20世紀(jì)后半期，科學(xué)家發(fā)覺質(zhì)子、中子也有著自己的困難結(jié)構(gòu)，于是基本粒子不再“基本”．四、發(fā)覺新粒子1．新粒子1932年發(fā)覺正電子，1937年發(fā)覺μ子，1947年發(fā)覺K介子和π介子；以后又發(fā)覺了質(zhì)量比質(zhì)子大的粒子叫做超子．2．反粒子試驗(yàn)中發(fā)覺，對應(yīng)著很多粒子都存在著質(zhì)量與它相同而電荷及其他一些物理性質(zhì)相反的粒子，叫做反粒子．例如，電子的反粒子是正電子，質(zhì)子的反粒子是反質(zhì)子等．3．粒子的分類依據(jù)粒子與各種相互作用的關(guān)系分為三大類：強(qiáng)子、輕子和媒介子．五、夸克模型1．夸克強(qiáng)子(質(zhì)子、中子)有著自己困難的結(jié)構(gòu)，它們由更為基本的成分組成，科學(xué)家認(rèn)為這種成分叫夸克．2．分類上夸克、下夸克、奇異夸克、粲夸克、底夸克、頂夸克共有六種，它們所帶的電荷量分別為元電荷的＋eq\f(2,3)或－eq\f(1,3).每種夸克都有對應(yīng)的反夸克．3．意義夸克理論的最大突破是電子電荷不再是電荷的最小單元，即存在分?jǐn)?shù)電荷．4．夸克禁閉夸克不能以自由的狀態(tài)單個(gè)出現(xiàn)，這種性質(zhì)稱為夸克禁閉．六、宇宙的演化宇宙起源于一次大爆炸，這種理論被稱為宇宙大爆炸理論．七、恒星的演化恒星的最終歸宿是：質(zhì)量小于太陽質(zhì)量的1.4倍的恒星會演化成白矮星，即體積很小，質(zhì)量不太小的恒星；質(zhì)量大于1.4倍小于2倍太陽質(zhì)量的恒星，會演化成中子星；更大質(zhì)量的恒星，會演化成“黑洞”．考點(diǎn)一輕核的聚變及核能的計(jì)算1．能量改變：比較比結(jié)合能的圖線，聚變后比結(jié)合能增加，因此反應(yīng)中會釋放能量．2．聚變發(fā)生的條件要使輕核聚變，就必需使輕核接近核力發(fā)生作用的距離10－15m，但是原子核是帶正電的，要使它們接近10－153．重核裂變和輕核聚變的對比【例1】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)寫出核聚變方程；(2)釋放出的核能多大？(3)平均每個(gè)核子釋放的能量是多大？1．書寫核反應(yīng)方程應(yīng)留意哪些問題？2．如何求核聚變過程中釋放的核能？【答案】(1)eq\o\al(1,1)H＋2eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(3,1)H(2)6.24MeV(3)2.08MeV【解析】(1)eq\o\al(1,1)H＋2eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(3,1)H.(2)質(zhì)量虧損Δm＝mH＋2mn－m＝(1.0073＋2×1.0087－3.0180)u＝0.0067u，釋放的核能ΔE＝Δmc2＝0.0067×931.5MeV≈6.24MeV.(3)平均每個(gè)核子放出的能量為eq\f(6.24,3)MeV＝2.08MeV.總結(jié)提能質(zhì)量數(shù)守恒、電荷數(shù)守恒是書寫核反應(yīng)方程必需遵守的規(guī)律．只有正確地計(jì)算出質(zhì)量虧損，才能計(jì)算出釋放的核能．我國自主研發(fā)制造的國際熱核聚變核心部件在國際上領(lǐng)先通過權(quán)威機(jī)構(gòu)認(rèn)證，這是我國對國際熱核聚變項(xiàng)目的重大貢獻(xiàn)．下列核反應(yīng)方程中屬于聚變反應(yīng)的是(A)A.eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)nB.eq\o\al(14,7)N＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(17,8)O＋eq\o\al(1,1)HC.eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(27,13)Al→eq\o\al(30,15)P＋eq\o\al(1,0)nD.eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(144,56)Ba＋eq\o\al(89,36)Kr＋3eq\o\al(1,0)n解析：A項(xiàng)是氫元素的兩種同位素氘和氚聚變成氦元素的核反應(yīng)方程，B項(xiàng)是用α粒子轟擊氮原子核發(fā)覺質(zhì)子的核反應(yīng)方程，C項(xiàng)屬于原子核的人工轉(zhuǎn)變，D項(xiàng)屬于重核的裂變，因此只有A項(xiàng)符合要求．考點(diǎn)二粒子世界1．粒子世界(1)電子、質(zhì)子和中子直到19世紀(jì)末，人們都認(rèn)為原子是組成物質(zhì)的不行再分的最小微粒．后來發(fā)覺了電子、質(zhì)子和中子．隨著科學(xué)家們的探討逐步發(fā)覺了數(shù)以百計(jì)的不同種類的新粒子，它們都不是由質(zhì)子、中子、電子組成的；又發(fā)覺質(zhì)子、中子等本身是復(fù)合粒子，它們還有著自己的困難結(jié)構(gòu)，所以電子、質(zhì)子、中子并不是組成物質(zhì)世界的基本粒子．(2)新粒子從20世紀(jì)30年頭以來，人們在對宇宙線的探討中接連發(fā)覺了一些新粒子，宇宙線中粒子的能量很高，但數(shù)量很少．人們用高能加速器進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)覺了更多的粒子．如1932年發(fā)覺了正電子，1937年發(fā)覺了μ子，1947年發(fā)覺了K介子和π介子，此后不久又發(fā)覺了超子．2．粒子的分類依據(jù)粒子與各種相互作用的關(guān)系，分類如下表所示：3.反粒子試驗(yàn)發(fā)覺，很多粒子都有和它質(zhì)量相同而電荷及其他一些物理量相反的粒子，叫反粒子．例如，電子和正電子，質(zhì)子和反質(zhì)子等．由反粒子構(gòu)成的物質(zhì)叫反物質(zhì)．反粒子(反物質(zhì))最顯著的特點(diǎn)是當(dāng)它們與相應(yīng)的正粒子(物質(zhì))相遇時(shí)，會發(fā)生“湮滅”，即同時(shí)消逝而轉(zhuǎn)化成其他的粒子．4．夸克模型(1)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．(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).【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)非常特殊，因此在試驗(yàn)中很難探測.1953年，萊尼斯和柯文建立了一個(gè)由大水槽和探測器組成的試驗(yàn)系統(tǒng)，利用中微子與水中eq\o\al(1,1)H的核反應(yīng)，間接地證明了中微子的存在．(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________．(填寫選項(xiàng)前的字母)A．0和0 B．0和1C．1和0 D．1和1(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9.1×10－31kg，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行能只轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)光子，緣由是________．(3)試通過分析比較，具有相同動能的中子和電子的物質(zhì)波波長的大?。僖罁?jù)核反應(yīng)中質(zhì)量數(shù)與電荷數(shù)守恒，推斷出質(zhì)量數(shù)與電荷數(shù)．②利用質(zhì)能方程可得出每個(gè)光子的能量，正電子與電子相遇遵循動量守恒定律，不行能只轉(zhuǎn)化為一個(gè)光子．【答案】(1)A(2)8.2×10－14此過程遵循動量守恒定律(3)λe>λn【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，A項(xiàng)正確．(2)產(chǎn)生的能量是由于質(zhì)量虧損．兩個(gè)電子轉(zhuǎn)變?yōu)閮蓚€(gè)光子之后，質(zhì)量變?yōu)榱?，則E＝Δmc2，故一個(gè)光子的能量為eq\f(E,2)，代入數(shù)據(jù)得eq\f(E,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，故假如只產(chǎn)生一個(gè)光子是不行能的，因?yàn)榇诉^程遵循動量守恒定律．(3)物質(zhì)波的波長為λ＝eq\f(h,p)，要比較波長須要將中子和電子的動量用動能表示出來即p＝eq\r(2mEk)，因?yàn)閙n>me，所以pn>pe，故λe>λn.總結(jié)提能核反應(yīng)過程中新生成的粒子和實(shí)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(shí)，同樣遵循動量守恒定律等力學(xué)規(guī)律．此題考查的學(xué)問點(diǎn)較多，所以應(yīng)嫻熟地駕馭物理學(xué)問，并敏捷運(yùn)用．(多選)已知π＋介子、π－介子都是由一個(gè)夸克(夸克u或夸克d)和一個(gè)反夸克(反夸克eq\x\to(u)或反夸克eq\x\to(d))組成的，它們的帶電量如下表所示，e為元電荷.下列說法中正確的是(AD)A．π＋由u和eq\x\to(d)組成 B．π＋由d和eq\x\to(u)組成C．π－由u和eq\x\to(d)組成 D．π－由d和eq\x\to(u)組成解析：依據(jù)電荷量關(guān)系可知，由于π＋介子帶有＋e的電量，又由于π＋介子是由一個(gè)夸克和一個(gè)反夸克組成，依據(jù)題意可知π＋介子(＋e)應(yīng)由夸克ueq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(＋\f(2,3)e))和反夸克eq\x\to(d)eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(＋\f(1,3)e))構(gòu)成，同理π－介子由夸克d和反夸克eq\x\to(u)構(gòu)成．考點(diǎn)三宇宙和恒星的演化1．宇宙的演化2.恒星的演化密度很低的星際物質(zhì)漸漸形成星云，大塊的星云由于引力作用而收縮漸漸凝成原恒星．原恒星接著收縮，溫度不斷上升，發(fā)生熱核反應(yīng)，當(dāng)熱核反應(yīng)產(chǎn)生的斥力和引力作用達(dá)到平衡時(shí)，恒星不再收縮，進(jìn)入相對穩(wěn)定階段．當(dāng)核能源供應(yīng)不足時(shí)，恒星的穩(wěn)定狀態(tài)遭到破壞，引力作用又起先大于斥力，星體又起先收縮，溫度上升，發(fā)光實(shí)力增加，光度增加，外部膨脹，表面積增大，但表面溫度并不高，看上去呈紅色，這時(shí)恒星便演化為紅巨星．當(dāng)恒星核能耗盡時(shí)，就進(jìn)入末期．恒星的末期形態(tài)主要有三種：白矮星，中子星或黑洞．【例3】太陽現(xiàn)在正處于主序星演化階段，它主要是由電子和eq\o\al(1,1)H、eq\o\al(4,2)He等原子核組成，維持太陽輻射的是它內(nèi)部的核聚變反應(yīng)，核反應(yīng)方程是2eq\o\al(0,－1)e＋4eq\o\al(1,1)H→eq\o\al(4,2)He＋釋放的核能，這些核能最終轉(zhuǎn)化為輻射能．依據(jù)目前關(guān)于恒星演化的理論，若由于聚變反應(yīng)而使太陽中的eq\o\al(1,1)H核數(shù)目從現(xiàn)有數(shù)量削減10%，太陽將離開主序星階段而轉(zhuǎn)入紅巨星的演化階段．為了簡化，假定目前太陽全部由電子和eq\o\al(1,1)H核組成．(1)為了探討太陽演化進(jìn)程，需知道目前太陽的質(zhì)量m1，已知地球半徑R＝6.4×106m，地球質(zhì)量m2＝6.0×1024kg，日地中心的距離r＝1.5×1011m，地球表面處的重力加速度g取10m/s2(2)已知質(zhì)子質(zhì)量mp＝1.6726×10－27kg，eq\o\al(4,2)He質(zhì)量mα＝6.6458×10－27kg，電子質(zhì)量me＝0.9×10－30kg，光速c＝3×108(3)已知地球上與太陽光垂直的每平方米截面上，每秒通過的太陽輻射能ω＝1.35×103W/m2.試估算太陽接著保持在主序星階段還有多少年的壽命？1．地球繞太陽做圓周運(yùn)動，其向心力由什么力來供應(yīng)？2．估算太陽質(zhì)量要用到引力常量G，而本題中沒有給出，如何處理？3．太陽中eq\o\al(1,1)H核數(shù)目從現(xiàn)有數(shù)量削減10%，發(fā)生核反應(yīng)的總次數(shù)可以算出，即太陽在這個(gè)過程釋放出的總核能可以算出，但要估算太陽保持在主序星階段的壽命，還須要知道太陽在單位時(shí)間內(nèi)輻射的能量，如何計(jì)算太陽在單位時(shí)間內(nèi)釋放的能量呢？【答案】(1)2×1030kg(2)4.2×10(3)1百億年【解析】(1)設(shè)T為地球繞太陽運(yùn)動的周期，由萬有引力定律和牛頓運(yùn)動定律可知Geq\f(m2m1,r2)＝m2(eq\f(2π,T))2r①，地球表面處重力加速度g＝eq\f(Gm2,R2)②，聯(lián)立①②式得m1＝m2(eq\f(2π,T))2eq\f(r3,R2g)③.由題中所給數(shù)據(jù)代入得m1≈2×1030(2)依據(jù)質(zhì)量虧損和質(zhì)能方程，該核反應(yīng)每發(fā)生一次釋放的核能為ΔE＝(4mp＋2me－mα)c2，代入數(shù)據(jù)，解得ΔE≈4.2×10－12J.(3)依據(jù)題給假定，在太陽接著保持在主序星階段的時(shí)間內(nèi)，發(fā)生題中所述的核聚變反應(yīng)次數(shù)為N＝eq\f(m1,4mp)×10%，因此，太陽總共輻射的能量為E＝NΔE，每秒內(nèi)太陽向外放出的輻射能為ε＝4πr2ω，所以太陽接著保持在主序星階段的時(shí)間為t＝eq\f(E,ε)，由以上各式解得t＝eq\f(0.1m14mp＋2me－mαc2,4mp×4πr2ω).將題給數(shù)據(jù)代入，并以年為單位可得，t≈1×1010年＝1百億年．總結(jié)提能本題沒有干脆給出太陽每秒鐘輻射能，而給出了地球上與太陽光垂直的平面上每平方米每秒鐘得到的輻射能ω.本題關(guān)鍵是構(gòu)建太陽光輻射模型，運(yùn)用幾何學(xué)問計(jì)算每秒鐘太陽的輻射能．太陽內(nèi)部持續(xù)地發(fā)生4個(gè)質(zhì)子聚變?yōu)橐粋€(gè)氦核的熱核反應(yīng)，這個(gè)反應(yīng)釋放的大量能量就是太陽釋放出的能量．試求這個(gè)核反應(yīng)所放出的能量．(已知質(zhì)子、氦核、電子的質(zhì)量分別為1.0073u、4.0015u、0.00055u)答案：24.8MeV解析：太陽內(nèi)部這個(gè)熱核反應(yīng)的方程為4eq\o\al(1,1)H→eq\o\al(4,2)He＋2eq\o\al(0,1)e.質(zhì)量虧損為Δm＝4mp－mα－2me＝0.0266u＝4.42×10－29kg釋放的核能為ΔE＝Δmc2＝4.42×10－29×(3×108)2J＝3.978×10－12J＝24.8MeV.或依據(jù)1原子質(zhì)量單位相當(dāng)于931MeV，得ΔE＝0.0266×931MeV＝24.8MeV.1．(多選)下列說法正確的是(ABCD)A．強(qiáng)子是參加強(qiáng)相互作用的粒子B．輕子是不參加強(qiáng)相互作用的粒子C．媒介子是傳遞相互作用的粒子D．夸克只有六種，且?guī)Х謹(jǐn)?shù)電荷2．(多選)關(guān)于核衰變和核反應(yīng)的類型，下列表述正確的有(AC)A.eq\o\al(238,92)U→eq\o\al(234,90)Th＋eq\o\al(4,2)He是α衰變B.eq\o\al(14,7)N＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(17,8)O＋eq\o\al(1