2019-2020学年高中物理第3章6核聚变7粒子物理学简介学案教科版选修3-52.doc

6.核聚变 7粒子物理学简介(选学)学习目标1.知道聚变反应，关注受控聚变反应研究的进展.2.通过核能的利用，思考科学技术与社会进步的关系.3.初步了解粒子物理学的基础知识.4.了解、感受科学发展过程中蕴藏着的科学和人文精神一、核聚变1定义：把轻原子核聚合成较重原子核的反应称为聚变反应，简称核聚变2热核反应(1)举例：一个氘核和一个氚核聚变成一个氦核的核反应方程：HHHen17.60 MeV(2)反应条件轻核的距离要达到1015 m以内需要加热到很高的温度，因此又叫热核反应(3)优点轻核聚变产能效率高地球上聚变燃料的储量丰富轻核聚变更为安全、清洁3可控核聚变反应研究的进展(1)把受控聚变情况下释放能量的装置，称为聚变反应堆，20世纪下半叶，聚变能的研究取得重大进展(2)核聚变的约束方法：磁约束和惯性约束，托卡马克采用的是磁约束方式(3)核聚变是一种安全，不产生放射性物质、原料成本低的能源，是人类未来能源的希望4恒星演化中的核反应(1)现阶段，供太阳发生核聚变过程的燃料是氢(2)大约50亿年后，太阳的核心的核聚变过程是：HeHeBe，HeBe6C.二、粒子物理学简介1基本粒子(1)1897年汤姆孙发现了电子后，人们又陆续发现了质子、中子，认为电子、中子、质子是组成物质的基本粒子(2)1932年，安德森发现了正电子，它的质量、电荷量与电子相同，电荷符号与电子相反，它被称为电子的反粒子，正电子也成为了基本粒子2基本粒子的分类按粒子参与相互作用的性质把粒子分为三类：它们分别是：媒介子、轻子、强子3加速器粒子加速器是用人工方法产生高速粒子的设备，按加速粒子的路径大致分为两类：一类是直线加速器，带电粒子沿直线运动；一类是回旋加速器，带电粒子沿圆弧运动，并反复加速能够实现两束相对运动的粒子对接的设备叫作对撞机1正误判断(正确的打“”，错误的打“×”)(1)核聚变反应中平均每个核子放出的能量比裂变时小一些(×)(2)轻核的聚变只要达到临界质量就可以发生(×)(3)现在地球上消耗的能量绝大部分来自太阳内部的聚变反应()(4)质子、中子、电子都是不可再分的基本粒子(×)(5)质子和反质子的电量相同，电性相反()(6)按照夸克模型，电子所带电荷不再是电荷的最小单元()2(多选)下列关于聚变的说法中正确的是()A要使聚变产生，必须克服库仑斥力做功B轻核聚变需要几百万摄氏度的高温，因此聚变又叫作热核反应 C原子弹爆炸能产生几百万摄氏度的高温，所以氢弹利用原子弹引发热核反应 D自然界中不存在天然的热核反应ABC轻核聚变时，必须使轻核之间距离达到1015 m，所以必须克服库仑斥力做功，A正确；原子核必须有足够的动能，才能使它们接近到核力能发生作用的范围，实验证实，原子核必须处在几百万摄氏度下才有这样的能量，这样高的温度通常利用原子弹爆炸获得，故B、C正确；在太阳内部或其他恒星内部都进行着热核反应，D错误3关于粒子，下列说法正确的是()A电子、质子和中子是组成物质的不可再分的最基本的粒子B强子中都是带电的粒子C夸克模型是探究三大类粒子结构的理论D夸克模型说明电子电荷不再是电荷的最小单位D由于质子、中子是由不同夸克组成的，它们不是最基本的粒子，不同夸克构成强子，有的强子带电，有的强子不带电，故A、B错误；夸克模型是研究强子结构的理论，不同夸克带电不同，分别为e和，说明电子电荷不再是电荷的最小单位，C错误，D正确对核聚变的理解及应用1聚变发生的条件要使轻核聚变，必须使轻核接近核力发生作用的距离1015 m，这要克服电荷间强大的斥力作用，要求使轻核具有足够大的动能要使原子核具有足够大的动能，就要给它们加热，使物质达到几百万开尔文的高温2轻核聚变是放能反应从比结合能的图线看，轻核聚变后比结合能增加，因此聚变反应是一个放能反应3核聚变的特点(1)在消耗相同质量的核燃料时，轻核聚变比重核裂变释放更多的能量(2)热核反应一旦发生，就不再需要外界给它能量，靠自身产生的热就可以使反应进行下去(3)普遍性：热核反应在宇宙中时时刻刻地进行着，太阳就是一个巨大的热核反应堆4核聚变的应用(1)核武器氢弹：一种不需要人工控制的轻核聚变反应装置它利用弹体内的原子弹爆炸产生的高温高压引发热核聚变爆炸(2)可控热核反应：目前处于探索阶段5重核裂变与轻核聚变的区别重核裂变轻核聚变放能原理重核分裂成两个或多个中等质量的原子核，放出核能两个轻核结合成质量较大的原子核，放出核能放能多少聚变反应比裂变反应平均每个核子放出的能量要大34倍核废料处理难度聚变反应的核废料处理要比裂变反应简单得多原料的蕴藏量核裂变燃料铀在地球上储量有限，尤其用于核裂变的铀235在铀矿石中只占0.7%主要原料是氘，氘在地球上的储量非常丰富.1 L海水中大约有0.03 g氘，如果用来进行热核反应，放出的能量约与燃烧300 L汽油相当可控性速度比较容易进行人工控制，现在的核电站都是用核裂变反应释放核能目前，除氢弹以外，人们还不能控制它【例1】太阳的能量来自下面的反应：四个质子(氢核)聚变成一个粒子，同时发射两个正电子，若太阳辐射能量的总功率为P，质子H、氦核He、正电子e的质量分别为mp、m、me，真空中的光速为c，求：(1)写出核反应方程；(2)核反应所释放的能量E；(3)1 s内参与上述热核反应的质子数目思路点拨(1)根据质量数守恒和电荷数守恒书写核反应方程(2)由爱因斯坦质能方程求解释放的能量(3)由功率的定义求1 s内参与反应的质子数解析(1)根据质量数守恒和电荷数守恒，可得核反应方程为4HHe2e.(2)质量亏损m4mpm2me，根据爱因斯坦质能方程：Emc2，核反应释放的能量，E(4mpm2me)c2.(3)设单位时间内参与热核反应的质子数为N，依据能量关系P，有N.答案(1)4HHe2e(2)(4mpm2me)c2(3)轻核聚变释放核能的计算方法(1)根据质量亏损计算根据爱因斯坦质能方程，用核子结合成原子核时质量亏损(m)的千克数乘以真空中的光速(c3×108 m/s)的平方，即Emc2.(2)根据1个原子质量单位(u)相当于931.5 MeV能量，用核子结合成原子核时质量亏损的原子质量单位数乘以931.5 MeV，即Em×931.5 MeV.注意：式中m的单位为kg，E的单位是J；式中m的单位是u，E的单位是MeV.1氘核(H)和氚核(H)结合成氦核(He)的核反应方程如下：HHHen17.6 MeV(1)这个核反应称为_(2)要发生这样的核反应，需要将反应物质的温度加热到几百万开尔文式中17.6 MeV是核反应中_(选填“放出”或“吸收”)的能量，核反应后生成物的总质量比核反应前物质的总质量_(选填“增加”或“减少”)了_kg(保留一位有效数字)解析在轻核聚变反应中，由于质量亏损，放出核能，由Emc2，可以求得m3×1029 kg.答案(1)核聚变(2)放出减少3×1029对粒子的认识1新粒子的发现及特点发现时间1932年1937年1947年20世纪60年代后新粒子反粒子子K介子与介子超子基本特点质量与相对应的粒子相同而电荷及其他一些物理性质相反比质子的质量小质量介于电子与核子之间其质量比质子大2.粒子的分类分类参与的相互作用发现的粒子备注媒介子传递各种相互作用光子、中间玻色子、胶子光子、中间玻色子、胶子分别传递电磁、弱、强相互作用轻子不参与强相互作用电子、电子中微子、子、子中微子、子、子中微子未发现内部结构强子参与强相互作用质子、中子、介子、超子强子有内部结构，由“夸克”构成；强子又可分为介子和重子3夸克的分类夸克有6种，它们是上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克、底夸克、顶夸克，它们带的电荷是电子或质子所带电荷的或.每种夸克都有对应的反夸克4两点提醒(1)质子是最早发现的强子，电子是最早发现的轻子，子的质量比核子的质量大，但力的性质决定了它属于轻子(2)粒子具有对称性，有一个粒子，必存在一个反粒子，它们相遇时会发生“湮灭”，即同时消失而转化成其他的粒子【例2】在衰变中常伴有一种称为“中微子”的粒子放出中微子的性质十分特别，因此在实验中很难探测.1953年，莱尼斯和柯文建造了一个由大水槽和探测器组成的实验系统，利用中微子与水中H的核反应，间接地证实了中微子的存在(1)中微子与水中的H发生核反应，产生中子(n)和正电子(e)，即：中微子Hne可以判定，中微子的质量数和电荷数分别是_(2)上述核反应产生的正电子与水中的电子相遇，与电子形成几乎静止的整体后，可以转变为两个光子()，即ee2已知正电子和电子的质量都为9.1×1031 kg，反应中产生的每个光子的能量约为_J正电子与电子相遇不可能只转变为一个光子，原因是什么？解析(1)发生核反应前后，粒子的质量数和电荷数均不变，据此可知中微子的质量数和电荷数都是0.(2)产生的能量是由于质量亏损两个电子转变为两个光子之后，质量变为零，则Emc2，故一个光子的能量为，代入数据得8.2×1014 J正电子与水中的电子相遇，与电子形成几乎静止的整体，故系统总动量为零，故只有产生2个光子，此过程才遵循动量守恒定律答案0和08.2×1014 J见解析对核反应中新生成粒子的认识新生成的粒子和实物粒子一样，它们之间发生相互作用时，同样遵循动量守恒定律等力学规律2(多选)下列关于夸克模型的说法正确的是()A强子是由更基本的夸克组成的B夸克的电荷量分别为元电荷的或C每种夸克都有对应的反夸克D夸克能以自由的状态单个出现ABC夸克不能以自由的状态单个出现，D错误，A、B、C正确课 堂 小 结知 识 网 络1.热核反应的概念及聚变方程.2.轻核聚变的条件及其应用.3.基本粒子的分类及认识.4.加速器的工作原理.1(多选)据新华社报道，由我国自行设计、研制的世界第一套全超导核聚变实验装置(又称“人造太阳”)已完成了首次工程调试下列关于“人造太阳”的说法正确的是()A“人造太阳”的核反应方程是HHHenB“人造太阳”的核反应方程是UnBaKr3nC根据公式Emc2可知，核燃料的质量相同时，聚变反应释放的能量比裂变反应大得多D根据公式Emc2可知，核燃料的质量相同时，聚变反应释放的能量与裂变反应相同ACHHHen是氢核聚变方程，故A项正确；根据氢核聚变特点，聚变反应比裂变反应平均每个核子放出的能量大约要大34倍，相同质量的核燃料，氢核聚变释放的能量比裂变反应大得多，故选项C正确2(2019·全国卷)太阳内部核反应的主要模式之一是质子质子循环，循环的结果可表示为4HHe2e2已知H和He的质量分别为mp1.007 8 u和m4.002 6 u，1u931 MeV/c2，c为光速在4个H转变为1个He的过程中，释放的能量约为()A8 MeVB16 MeVC26 MeVD52 MeVC核反应质量亏损m4×1.007 8 u4.002 6 u0.028 6 u，释放的能量E0.028 6×931 MeV26.6 MeV，选项C正确3(多选)如图所示，托卡马克(Tokamak) 是研究受控核聚变的一种装置，这个词是toroidal(环形的)、kamera(真空室)、magnit(磁)的头两个字母以及katushka(线圈)的第一个字母组成的缩写词根据以上信息，下述判断中可能正确的是()A这种装置的核反应原理是轻核的聚变，同时释放出大量的能量，和太阳发光的原理类似B线圈的作用是通电产生磁场使带电粒子在磁场中旋转而不溢出C这种装置同我国秦山、大亚湾核电站所使用核装置的核反应原理相同D这种装置可以控制热核反应速度，使聚变能缓慢而稳定地进行ABD聚变反应原料在装置中发生聚变，放出能量，故A正确；线圈通电时产生磁场，带电粒子在磁场中受洛伦兹力作用不飞出，故B正确；核电站的原理是裂变，托卡马克的原理是聚变，故C错误；该装置使人们可以在实验中控制反应速度，平稳释放核能，故D正确4一个氘核(H)和一个氚核(H)结合成一个氦核(He)，同时放出一个中子，已知氘核质量为m12.014 1 u，氚核质量为m23.016 0 u，氦核质量为m34.002 6 u，中子质量为m41.008 665 u，求：(1)写出聚变的核反应方程；(2)此反应过程中释放的能量为多少？平均每个核子释放出多少核能？解析(1)核反应方程为HHHen.(2)此反应过程的质量亏损为m2.014 1 u3.016 0 u4.002 6 u1.008 665 u0.018 835 uEmc20.018 835×931.5 MeV17.5 MeV平均每个核子释放的核能为 MeV3.5 MeV.答案(1)HHHen(2)17.5 MeV3.5 MeV