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.pdf

第 - 1 - 页 共 8 页 6.核聚变 7粒子物理学简介(选学)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： H H He n17.60 2 13 14 21 0 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： He He Be， He Be 6C. 4 24 28 44 28 412 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， 第 - 2 - 页 共 8 页 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 2 3 e 3 第 - 3 - 页 共 8 页 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 第 - 4 - 页 共 8 页 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、 1 14 20 1 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 4 H He2 e. 1 14 20 1 (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 NE 4 . 4P 4 mpm2mec2 答案 (1)4 H He2 e (2)(4mpm2me)c2 1 14 20 1 (3) 4P 4 mpm2mec2 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： H H He n17.6 MeV 2 13 14 22 13 14 21 0 (1)这个核反应称为_ 第 - 5 - 页 共 8 页 (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 m 3×1029 kg. E c2 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 2 3 1 3 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 第 - 6 - 页 共 8 页 (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 1 (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 H n e 1 11 00 11 11 00 1 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 0 101 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 E 2 E 2 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 0 8.2×1014 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 2 3 1 3 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 第 - 7 - 页 共 8 页 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 H H He n 2 13 14 21 0 B“人造太阳”的核反应方程是U nBa Kr3 n 235921 01415692361 0 C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 AC H H He n 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 2 13 14 21 0 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 4 H He2 e2 1 14 20 1 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 1 14 2 速在 4 个 H 转变为 1 个 He 的过程中，释放的能量约为( ) 1 14 2 A8 MeV B16 MeV C26 MeVD52 MeV C 核反应质量亏损 m4×1.007 8 u4.002 6 u0.028 6 u，释放的能量 E 0.028 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( ) 第 - 8 - 页 共 8 页 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 2 13 14 2 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m4 1.008 665 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 H H He n. 2 13 14 21 0 (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 u Emc20.018 835×931.5 MeV17.5 MeV 平均每个核子释放的核能为 MeV3.5 MeV. 17.5 5 答案 (1) H H He n 2 13 14 21 0 (2)17.5 MeV 3.5 MeV