1、7 7 核聚变核聚变 8 8 粒子和宇宙粒子和宇宙 学科素养与目标要求 物理观念：1.了解核聚变的特点和条件.2.知道粒子的分类及其特点，了解夸克模型.3.了解宇 宙起源的大爆炸学说及恒星的演化 科学思维：1.会判断和书写核聚变反应方程.2.能计算核聚变释放的能量 一、核聚变 1聚变 两个轻核结合成质量较大的核， 释放出核能的反应， 称为核聚变， 聚变反应又称为热核反应 2聚变方程 2 1H 3 1H 4 2He 1 0n17.6 MeV. 3聚变发生的条件 要使轻核发生聚变，必须使轻核间的距离达到核力发生作用的距离 10 15 m 以内，这要克服 原子核间巨大的库仑斥力作用，要求使轻核具有足
2、够大的动能要使原子核具有足够大的动 能，有一种方法就是给它们加热，使物质达到几百万开尔文的高温 4太阳能：太阳的主要成分是氢太阳的中心温度达 1.5107 K在这样的高温下，氢核聚 变成氦核的反应不停地进行着太阳能就是太阳内部聚变时释放的核能 二、粒子和宇宙 1“基本粒子”不基本 (1)直到 19 世纪末，人们都认为原子是组成物质的不可再分的最小微粒，后来人们发现了光 子、电子、质子、中子，并把它们叫做“基本粒子” (2)随着科学的发展，科学家们发现了很多的新粒子并不是由以上基本粒子组成的，并发现质 子、中子等本身也有复杂结构 2发现新粒子 (1)新粒子：1932 年发现了正电子，1937 年
3、发现了 子，1947 年发现了 K 介子和 介子，后 来发现了超子等 (2)粒子的分类：按照粒子与各种相互作用的不同关系，可将粒子分为三大类：强子、轻子和 媒介子 3夸克模型的提出 1964 年提出的强子的夸克模型，认为强子是由夸克组成的 1判断下列说法的正误 (1)核聚变时吸收能量( ) (2)核聚变平均每个核子放出的能量，比核裂变平均每个核子放出的能量大( ) (3)轻核聚变比裂变更安全、清洁( ) (4)实现核聚变的难点是地球上没有任何容器能够经受住热核反应所需的温度( ) (5)质子、中子不能再分( ) (6)夸克的带电荷量是电子电荷量的整数倍( ) 2氘核和氚核可发生热核聚变而释放出
4、巨大的能量，该反应方程为：21H31H42Hex，式 中 x 是某种粒子已知：21H、31H、42He 和粒子 x 的质量分别为 2.014 1 u、3.016 1 u、4.002 6 u 和 1.008 7 u；1 u931.5 MeV c2 ，其中 c 是真空中的光速由上述反应方程和数据可知，粒子 x 是_，该反应释放出的能量为_ MeV(结果保留 3 位有效数字) 答案 1 0n(或中子) 17.6 解析 根据质量数和电荷数守恒可得 x 是10n(中子) 核反应中的质量亏损为 m2.014 1 u3.016 1 u4.002 6 u1.008 7 u0.018 9 u 所以该反应释放出的
5、能量为 Em c217.6 MeV. 一、核聚变的特点及应用 1为什么实现核聚变要使聚变的燃料加热到几百万开尔文的高温？ 答案 轻核的聚变反应，是较轻的核子聚合成较重的核子，要使得核子的强相互作用发挥作 用，必须使核子间的距离达到 10 15 m 以内；同时由于在此距离时原子核之间的库仑斥力十 分巨大，因而需要核子有很大的动能，表现在宏观上就是核燃料需要达到极高的温度 2 目前人们实现的核聚变是什么？实现热核反应存在的困难是什么？可能实现对热核反应的 控制的方法是什么？ 答案 (1)目前人们能实现的热核反应是氢弹的爆炸，是由普通炸药引爆原子弹，再由原子弹 爆炸产生的高温高压引发热核反应 (2)
6、实现热核反应存在的困难是：地球上没有任何容器能够经受住热核反应所需要的高温 (3)可能实现对热核反应的控制方法： 磁约束：利用磁场来约束参与反应的物质环流器是目前性能最好的一种磁约束装置 惯性约束：利用强激光从各个方向照射参加反应的物质，使它们由于惯性还来不及扩散就完 成了核反应 1轻核的聚变是放能反应 从原子核的比结合能图线中看，轻核聚变后比结合能增加，因此聚变反应是一个放能反应 2核聚变的特点 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 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继续下去 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
7、热核反应堆 3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爆炸 (2)可控热核反应：目前处于探索阶段 4重核裂变与轻核聚变的区别 反应方式 比较项目 重核裂变 轻核聚变 反应过程 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 在天然铀中只占 0.7% 主要原料是氘，氘在地球上的储量
8、非 常丰富.1 L 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 汽油释放的能量相当 可控性 反应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 目前人们还不能控制它 例 1 (2018 成都外国语学校高二期末)氘核、氚核、中子、氦核的质量分别是 m1、m2、m3、 m4，氘核与氚核结合成一个氦核并释放一个中子：21H31H42He10n.对于这个反应，以下说 法正确的是( ) A氘核和氚核的比结合能比氦核大，所以该反应会释放核能 B氘核和氚核的核子的平均质量比氦核大，所以该反应会吸收一定的能量 C该反应是轻核的聚变，对应的质量亏损
9、是 mm1m2(m3m4) D该反应是轻核的聚变，反应中释放的核能为(m3m4m1m2)c2 答案 C 解析 氘核和氚核的比结合能小于氦核的比结合能，氘核和氚核的核子平均质量比氦核大， 该反应会放出一定的能量，故 A、B 错误；该反应是轻核的聚变，对应的质量亏损是 m m1m2(m3m4)，释放的核能为 Emc2(m1m2m3m4)c2，故 C 正确，D 错误 针对训练 大科学工程“人造太阳”主要是将氘核聚变反应释放的能量用来发电氘核聚变 反应方程是：21H21H32He10n.已知21H 的质量为 2.013 6 u，32He 的质量为 3.015 0 u，10n 的质 量为 1.008 7
10、 u,1 u931 MeV/c2.氘核聚变反应中释放的核能约为( ) A3.7 MeV B3.3 MeV C2.7 MeV D0.93 MeV 答案 B 解析 根据质能方程，氘核聚变释放的核能 Emc2，质量亏损 m2mHmHemn 0.003 5 u，则 E0.003 5931 MeV3.3 MeV，故 B 正确，A、C、D 错误 二、对粒子的认识 1粒子与反粒子：随着科学技术的发展，人们发现了更多的粒子，一方面“基本粒子”不基 本，另一方面发现了反粒子粒子的质量、寿命、自旋等物理性质与过去已经发现的粒子相 同， 而电荷等其他性质相反， 这类粒子叫做反粒子， 例如电子的反粒子是正电子， 带正
11、电荷， 质子的反粒子是反质子，反质子带负电荷 2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 质子之间 质量比质子大 3.粒子的分类 分类 参与的相互作用 发现的粒子 备注 强子 参与强相互作用 质子、中子等 强子有内部结构，由“夸 克”构成 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 媒介子 传递各种相互作用 光子、中间玻色子、胶子等 光子传递电磁相
12、互作用， 中 间玻色子传递弱相互作用， 胶子传递强相互作用 4.夸克模型 (1)夸克的提出： 1964 年美国物理学家盖尔曼提出了强子的夸克模型， 认为强子是由夸克构成 的 (2)夸克的种类：上夸克(u)、下夸克(d)、奇异夸克(s)、粲夸克(c)、底夸克(b)和顶夸克(t) (3)夸克所带电荷：夸克所带的电荷是元电荷的2 3或 1 3.例如，上夸克带的电荷量为 2e 3 ，下 夸克带的电荷量为e 3. (4)意义：电子电荷不再是电荷的最小单位，即存在分数电荷 例 2 (多选)已知 介子、介子都是由一个夸克(夸克 u 或夸克 d)和一个反夸克(反夸克 u 或反夸克 d )组成的，它们的带电荷量
13、如下表所示，表中 e 为元电荷 粒子 u d u d 带电荷量 e e 2e 3 e 3 2e 3 e 3 下列说法正确的是( ) A 由 u 和 d 组成 B 由 d 和 u 组成 C 由 u 和 d 组成 D 由 d 和 u 组成 答案 AD 解析 因 介子带有e 的电荷量，且是由一个夸克和一个反夸克组成的，则夸克 u 带2 3e 和反夸克 d 带1 3e 合成电荷量为e，那么 介子就是由夸克 u 和反夸克 d 组成的；同理， 介子由夸克 d 和反夸克 u 组成，所以 A、D 正确. 1(对核聚变的理解)科学家发现在月球上含有丰富的32He(氦 3)，它是一种高效、清洁、安全 的核聚变燃料
14、，其参与的一种核聚变反应的方程式为 232He211H42He，关于32He 聚变下列表 述正确的是( ) A聚变反应不会释放能量 B聚变反应产生了新的原子核 C聚变反应没有质量亏损 D目前核电站都采用32He 聚变反应发电 答案 B 解析 核聚变反应中产生新的原子核， 同时由于发生了质量亏损， 会有核能的释放， B 正确， A、C 错误；目前核电站大多采用重核裂变的方法来发电，D 错误 2(核反应方程的理解)(多选)能源是社会发展的基础，发展核能是解决能源问题的途径之 一下列释放核能的反应方程中，表述正确的是( ) A.31H21H42He10n 是核聚变反应 B.31H21H42He10n
15、 是 衰变 C.235 92U10n144 56Ba 89 36Kr3 1 0n 是核裂变反应 D.235 92U 1 0n 140 54Xe 94 38Sr2 1 0n 是 衰变 答案 AC 解析 两个轻核聚合成一个较重的核的反应为核聚变反应，故 A 对，B 错重核被中子轰击 后分裂成两个中等质量的原子核并放出若干个中子的反应为核裂变反应，故 C 对原子核放 出 或 粒子后变成另一种原子核的反应称为原子核的衰变原子核的衰变的反应物只有一 种，故 D 错 3(对宇宙粒子的理解)以下说法正确的是( ) A最早发现的轻子是电子，最早发现的强子是中子 B质子、中子、介子和超子都属于强子 C强子、轻子
16、都有内部结构 D 子质量比核子质量大， 子不属于轻子 答案 B 解析 最早发现的强子是质子，最早发现的轻子是电子，所以 A 错误；强子有内部结构，由 夸克组成，轻子没有内部结构，所以 C 错误；质子、中子、介子、超子都属于强子，所以 B 正确； 子质量比核子质量大，但 子仍属于轻子，所以 D 错误 4(核聚变释放核能的计算)太阳内部持续不断地发生着四个质子聚变为一个氦核同时放出两 个正电子的热核反应，这个核反应释放出的大量能量就是太阳的能源(已知质子质量为 mH 1.007 3 u， 氦核质量为 mHe4.001 5 u， 正电子质量为 me0.000 55 u， 1 u931.5 MeV/c
17、2， 结果保留三位有效数字) (1)写出这个核反应方程 (2)求这一核反应能释放多少能量？ (3)已知太阳每秒释放的能量为 3.81026 J，则太阳每秒减少的质量为多少千克？ 答案 (1)411H42He2 0 1e (2)24.8 MeV (3)4.22109 kg 解析 (1)由题意可得核反应方程应为 411H42He2 0 1e. (2)反应前的质量 m14mH41.007 3 u4.029 2 u， 反应后的质量 m2mHe2me4.001 5 u20.000 55 u4.002 6 u， 质量亏损 mm1m20.026 6 u，由质能方程得，释放的能量 Emc20.026 6 931.5 MeV24.8 MeV. (3)由质能方程 Emc2得太阳每秒减少的质量 mE c2 3.810 26 31082 kg4.2210 9 kg.
