1、-1-7 核聚变 粒子和宇宙-2-7 核聚变 8 粒子和宇宙 首 页 XINZHI DAOXUE新知导学 ZHONGNAN TANJIU重难探究 DANGTANG JIANCE当堂检测 学习目标 思维脉络 1.知道核聚变反应的定义和聚变反应的特点。2.会判断和书写核聚变反应的方程,能计算核聚变释放的能量。3.了解受控热核反应。4.知道粒子的分类及其应用,了解夸克模型。5.了解宇宙起源的大爆炸学说及恒星的演化。-3-7 核聚变 8 粒子和宇宙 XINZHI DAOXUE新知导学 首 页 ZHONGNAN TANJIU重难探究 DANGTANG JIANCE当堂检测 1 2 3 1.核聚变(1)定
2、义:两个轻核结合成质量较大的核,并释放出能量的反应。(2)举例:12H+13H 24He+01n+(3)条件:轻核的距离要达到 10-15 m 以内。需要加热到很高的温度,因此又叫热核反应。-4-7 核聚变 8 粒子和宇宙 XINZHI DAOXUE新知导学 首 页 ZHONGNAN TANJIU重难探究 DANGTANG JIANCE当堂检测 1 2 3 2.受控热核反应(1)聚变与裂变相比有很多优点: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。(2)约束核聚变材料的方法:磁约束和惯性约束。思考氢弹的威力相比原子弹的威力谁大?为什么?提示氢弹的威力大。氢弹内部发生的
3、是核聚变,比核裂变放出的能量更多。-5-7 核聚变 8 粒子和宇宙 XINZHI DAOXUE新知导学 首 页 ZHONGNAN TANJIU重难探究 DANGTANG JIANCE当堂检测 1 2 3 3.粒子和宇宙(1)基本粒子不基本:直到 19 世纪末,人们都认为光子、电子、质子和中子是基本粒子。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:新粒子:1932 年发现了正电子,1937 年发现了 子,1947 年发现了 K介子和 介子及以后的超子等。粒子的分类:按照粒子与各种相互作用的关系,可将粒子分为三大类:强
4、子、轻子和媒介子。夸克模型的提出: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。-6-7 核聚变 8 粒子和宇宙 XINZHI DAOXUE新知导学 首 页 ZHONGNAN TANJIU重难探究 DANGTANG JIANCE当堂检测 1 2 3(3)宇宙及恒星的演化:宇宙的演化:宇宙大爆炸温度为 1032 K,产生了夸克、轻子、胶子等粒子温度下降到 1013 K左右,强子时代温度下降到 1011 K 时,轻子时代温度下降到 109 K 时,核合成时代温度下降到 104 K,混合电离态温度下降到 3 000 K 时,中性的氢原子恒星和星系。恒星的演化:宇宙尘埃星
5、云团恒星诞生氢核聚合成氦核氦核聚合成碳核其他聚变过程无聚变反应,形成白矮星或中子星或黑洞。-7-7 核聚变 8 粒子和宇宙 ZHONGNAN TANJIU重难探究 首 页 XINZHI DAOXUE新知导学 DANGTANG JIANCE当堂检测 探究一 探究二 探究一对核聚变的理解问题导引随着科技的发展,不久的将来,汽车不再烧油,而改烧海水,你相信这能实现吗?氘核和氚核聚变示意图提示能实现。热核反应的燃料之一,氢的同位素氘的储量丰富,每升海水中就含有 0.03 g 氘核,这些氘核完全聚变释放的能量约和燃烧300 L 汽油相当。-8-7 核聚变 8 粒子和宇宙 ZHONGNAN TANJIU重
6、难探究 首 页 XINZHI DAOXUE新知导学 DANGTANG JIANCE当堂检测 探究一 探究二 名师精讲1.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。2.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 10-15 m,这要克服电荷间强大的斥力作用,要求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。3.特点聚变反应一旦发生,就不再需要外界给它能量,靠自身产生的热就会使反应继续下去。4.应用(1)核武器氢弹。(2)可控热核反应:目前处于探索阶段。-9-7 核聚变 8 粒子和宇宙 ZHONGNA
7、N TANJIU重难探究 首 页 XINZHI DAOXUE新知导学 DANGTANG JIANCE当堂检测 探究一 探究二 5.轻核聚变与重核裂变的区别 反应方式比较项目 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大约要高 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
8、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裂变反应释放核能 目前,除氢弹以外,人们还不能控制它。目前正在突破关键技术,最终将建成商用核聚变电站 -10-7 核聚变 8 粒子和宇宙 ZHONGNAN TANJIU重难探究 首 页 XINZHI DAOXUE新知导学 DANGTANG JIANCE当堂检测 探究一 探究二 警示常见的聚变反应:12H+12H13H+11H+4MeV,12H+13H24He+01n+17.6 MeV,在这两个反应中,前一反应的材料是氘,后一反应的材料是氘和氚,而氚又是前一反应的产物,所以氘是实现这两个反
9、应的原始材料,而氘是重水的组成部分,在覆盖地球23的海水中是取之不尽的,从这个意义上讲,轻核聚变是能源危机的终结者。-11-7 核聚变 8 粒子和宇宙 ZHONGNAN TANJIU重难探究 首 页 XINZHI DAOXUE新知导学 DANGTANG JIANCE当堂检测 探究一 探究二 例题 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 11H、氦核 24He、正电子 10e 的质量分别为 mp、m、me,真空中的光速为 c。(1)写出核反应方程。(2)求核反应所释放的能量 E。(3)求 1 s 内参与上述热核反应的质
10、子数目。-12-7 核聚变 8 粒子和宇宙 ZHONGNAN TANJIU重难探究 首 页 XINZHI DAOXUE新知导学 DANGTANG JIANCE当堂检测 探究一 探究二 解析:(1)根据质量数守恒和电荷数守恒,可得核反应方程为411H24He+210e(2)反应过程中的质量亏损为 E=4mp-(m+2me)根据 E=mc2 得E=4mp-(m+2me)c2=(4mp-m-2me)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:Pt=4有 N=4=4(4p-2e)2答案:(1)411H24He+210e(2)(4mp-m-2me)c2(3)4(4p-2e)2反思聚变
11、的核反应方程遵循质量数守恒和电荷数守恒;核能计算的关键是求出核反应中的质量亏损,然后根据爱因斯坦质能方程求解。-13-7 核聚变 8 粒子和宇宙 ZHONGNAN TANJIU重难探究 首 页 XINZHI DAOXUE新知导学 DANGTANG JIANCE当堂检测 探究一 探究二 变式训练 1一个氘核(12H)和一个氚核(13H)结合成一个氦核(24He),同时放出一个中子,已知氘核质量为 m1=2.014 1 u,氚核质量为 m2=3.016 0 u氦核质量为 m3=4.002 6 u,中子质量为 m4=1.008 7 u。(1)写出聚变的核反应方程;(2)反应过程中释放的能量为多少?平
12、均每个核子能放出多少核能?解析:(1)核反应方程为 12H+13H24He+01n+E(2)反应过程的质量亏损为m=2.014 1 u+3.016 0 u-4.002 6 u-1.008 7 u=0.018 8 uE=mc2=0.018 8931.5 MeV=17.5 MeV平均每个核子释放的核能为17.55MeV=3.5 MeV答案:(1)见解析(2)17.5 MeV 3.5 MeV-14-7 核聚变 8 粒子和宇宙 ZHONGNAN TANJIU重难探究 首 页 XINZHI DAOXUE新知导学 DANGTANG JIANCE当堂检测 探究一 探究二 探究二对粒子的认识问题导引大爆炸理论
13、给出了宇宙的起源,物理学的完整、和谐之美又得到了充分的体现,对于这一点你是怎么理解的?提示人们从不认识大自然到逐步了解大自然,经历了一个漫长的历史阶段。从研究低速宏观物体,到研究物质的微观结构,也就是物理学向微观和宇宙两个领域的研究在今天又得到了初步的统一。研究宇宙到了微观粒子、研究物质结构到了微观粒子,两个领域走到了一起,这就是物理学的完整与和谐美。-15-7 核聚变 8 粒子和宇宙 ZHONGNAN TANJIU重难探究 首 页 XINZHI DAOXUE新知导学 DANGTANG JIANCE当堂检测 探究一 探究二 名师精讲1.新粒子的发现及特点 新粒子 反粒子 子 K 介子与 介子
14、超子 发现时间 1932 年 1937 年 1947 年 20 世纪60 年代后 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 -16-7 核聚变 8 粒子和宇宙 ZHONGNAN TANJIU重难探究 首 页 XINZHI DAOXUE新知导学 DANGTANG JIANCE当堂检测 探究一 探究二 2.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、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 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
15、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 光子、中间玻色子、胶子分别传递电磁、弱、强相互作用 -17-7 核聚变 8 粒子和宇宙 ZHONGNAN TANJIU重难探究 首 页 XINZHI DAOXUE新知导学 DANGTANG JIANCE当堂检测 探究一 探究二 3.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:夸克所带的电荷量是分数电荷量,即其电荷量为元电荷的-13或+23。例如,
16、上夸克带的电荷量为+23,下夸克带的电荷量为-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。警示按照粒子具有对称性,有一个粒子,必存在一个反粒子,所以每种夸克都有对应的反夸克。-18-7 核聚变 8 粒子和宇宙 ZHONGNAN TANJIU重难探究 首 页 XINZHI DAOXUE新知导学 DANGTANG JIANCE当堂检测 探究一 探究二 例题 2目前普遍认为,质子和中子都是由被称为u夸克和d夸克的两类夸克组成的。u 夸克带的电荷量为23e,d 夸克带的电荷量为-13e,e 为元电荷,下列论断中可能正确的是()A.质子由 1 个 u 夸克和 2 个 d 夸克组成,中子
17、由 1 个 u 夸克和 2 个 d夸克组成B.质子由 2 个 u 夸克和 1 个 d 夸克组成,中子由 1 个 u 夸克和 2 个 d 夸克组成C.质子由 1 个 u 夸克和 2 个 d 夸克组成,中子由 2 个 u 夸克和 1 个 d 夸克组成D.质子由 2 个 u 夸克和 1 个 d 夸克组成,中子由 2 个 u 夸克和 1 个 d夸克组成-19-7 核聚变 8 粒子和宇宙 ZHONGNAN TANJIU重难探究 首 页 XINZHI DAOXUE新知导学 DANGTANG JIANCE当堂检测 探究一 探究二 解析:根据质子和中子所带的电荷量,经验证:质子 11H 带的电荷量为 223e
18、+(-13e)=e中子 01n 带的电荷量为23e+2(-13e)=0。故 B 项正确。答案:B反思明确各种粒子的各种信息,是解决这类问题的关键。-20-7 核聚变 8 粒子和宇宙 ZHONGNAN TANJIU重难探究 首 页 XINZHI DAOXUE新知导学 DANGTANG JIANCE当堂检测 变式训练 2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,它们带的电荷量如下表所示,e为元电荷。+-u d 带的电荷量+e-e+23e-13e-23e+13e 下列说法中正确的是()A.+由 u 和d组成B.+由 d 和u组成C.-由 u 和d
19、组成D.-由 d 和u组成解析:根据电荷量关系可知,由于+介子带有+e 的电荷量,又由于+介子是由 u 夸克和 d 夸克组成,根据题意可知+介子(+e)应由 u 夸克(+23e)和反夸克d(+13e)组成,同理-介子由 d 夸克和反夸克u组成。答案:AD探究一 探究二-21-7 核聚变 8 粒子和宇宙 DANGTANG JIANCE当堂检测 首 页 XINZHI DAOXUE新知导学 ZHONGNAN TANJIU重难探究 1 2 3 4 51.重核裂变和轻核聚变是人类利用原子能的两种主要方法,下面有关它们的说法正确的是()A.裂变和聚变的过程都有质量亏损B.裂变过程有质量亏损,聚变过程质量有
20、所增加C.裂变过程质量有所增加,聚变过程有质量亏损D.裂变和聚变过程中质量都有所增加解析:重核裂变和轻核聚变都要释放能量,也一定要发生质量亏损,所以选项A 正确。答案:A-22-7 核聚变 8 粒子和宇宙 DANGTANG JIANCE当堂检测 首 页 XINZHI DAOXUE新知导学 ZHONGNAN TANJIU重难探究 1 2 3 4 52.下列所述正确的是()A.原子是组成物质的不可再分的最小微粒B.原子是最大的微粒C.原子由原子核和核外电子构成,质子和中子组成了原子核D.质子、中子本身也是复合粒子,它们也有着自己复杂的结构解析:质子、中子本身也是复合粒子。由此可知,质子、中子不是构
21、成物质的最小微粒。故只有选项 C、D 正确。答案:CD-23-7 核聚变 8 粒子和宇宙 DANGTANG JIANCE当堂检测 首 页 XINZHI DAOXUE新知导学 ZHONGNAN TANJIU重难探究 1 2 3 4 53.一个氘核(12H)与一个氚核(13H)发生聚变,产生一个中子和一个新核,并出现质量亏损。聚变过程中()A.吸收能量,生成的新核是 24HeB.放出能量,生成的新核是 24HeC.吸收能量,生成的新核是 23HeD.放出能量,生成的新核是 23He解析:聚变反应出现质量亏损,一定放出能量,由质量数守恒和电荷数守恒可知,生成的新核是 24He,选项 B 正确。答案:
22、B-24-7 核聚变 8 粒子和宇宙 DANGTANG JIANCE当堂检测 首 页 XINZHI DAOXUE新知导学 ZHONGNAN TANJIU重难探究 1 2 3 4 54.下列核反应方程式中,表示核聚变过程的是()A.1530P1430Si+10eB.12H+13H24He+01nC.614C714N+-1 0eD.92238U90234Th+24He答案:B-25-7 核聚变 8 粒子和宇宙 DANGTANG JIANCE当堂检测 首 页 XINZHI DAOXUE新知导学 ZHONGNAN TANJIU重难探究 1 2 3 4 55.一个质子和两个中子聚变为一个氚核,已知质子质量 mH=1.007 3 u,中子质量 mn=1.008 7 u,氚核质量 m=3.018 u。(1)写出聚变方程。(2)释放出的核能有多大?(3)平均每个核子释放的能量有多大?解析:(1)聚变方程为 11H+201n13H。(2)质量亏损 m=mH+2mn-m=(1.007 3+21.008 7-3.018)u=0.006 7 u。释放的核能 E=mc2=0.006 7931.5 MeV6.24 MeV。(3)平均每个核子释放的能量为6.243MeV=2.08 MeV。答案:(1)11H+201n13H(2)6.24 MeV(3)2.08 MeV