（浙江專版）2018年高中物理 第十九章 原子核 第7、8節(jié) 核聚變 粒子和宇宙學案 新人教版選修3-5

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1、 第7、8節(jié) 核聚變__粒子和宇宙 核聚變 [探新知·基礎練] 1．核聚變 (1)定義： 兩個輕核結合成質量較大的核，這樣的核反應叫做聚變。聚變后比結合能增加，因此反應中會釋放能量。 (2)發(fā)生條件： 輕核聚變必須在溫度達到幾百萬開爾文時，才可以發(fā)生，因此又叫熱核反應。聚變一旦發(fā)生，就不再需要外界給它能量，靠自身產生的熱就會使反應繼續(xù)下去。 (3)實例： ①熱核反應主要應用在核武器上，如氫彈； ②熱核反應在宇宙中時時刻刻地進行著，太陽就是一個巨大的熱核反射堆； ③典型的核聚變：一個氘核和一個氚核的聚變，H＋H→He＋n＋17.6 MeV，該反應平均每個核子放出的

2、能量比裂變反應平均每個核子放出的能量大3～4倍。 2．受控熱核反應 (1)聚變與裂變相比有很多優(yōu)點： ①輕核聚變產能效率高； ②地球上聚變燃料的儲量豐富； ③輕核聚變更為安全、清潔。 (2)實現(xiàn)核聚變的方法： ①難點：地球上沒有任何容器能夠經受幾百萬開爾文的高溫； ②方案：科學家設想了兩種方案，即磁約束和慣性約束，環(huán)流器是目前性能最好的一種磁約束裝置。 [辨是非](對的劃“√”，錯的劃“×”) 1．我國一些核電站已經開始大規(guī)模利用輕核聚變發(fā)電。(×) 2．輕核聚變須達到幾百萬開爾文以上的高溫，自然界不存在輕核聚變。(×) [釋疑難·對點練] 1．從比結合能的圖線看，輕

3、核聚變后比結合能增加，因此聚變反應是一個放能反應。 例如：H＋H→n＋He＋17.6 MeV。 2．聚變發(fā)生的條件：要使輕核聚變，必須使輕核間距達到核力發(fā)生作用的距離10－15 m，這要克服電荷間強大的斥力作用，要求使輕核具有足夠大的動能。要使原子核具有足夠大的動能，就要給它們加熱，使物質達到幾百萬開爾文的高溫。 3．特點 (1)在消耗相同質量的核燃料時，輕核聚變比重核裂變釋放更多的能量。 (2)熱核反應一旦發(fā)生，就不再需要外界給它能量，靠自身產生的熱就可以使反應進行下去。 4．應用 (1)核武器——氫彈。 (2)可控熱核反應：目前處于探索階段。 5．輕核聚變與重核裂變的區(qū)別

4、 重核裂變 輕核聚變 放能原理 重核分裂成兩個或多個中等質量的原子核，放出核能 兩個輕核結合成質量較大的原子核，放出核能 放能多少 聚變反應比裂變反應平均每個核子放出的能量大約要大3～4倍 核廢料處理難度 聚變反應的核廢料處理要比裂變反應簡單得多 原料的蘊藏量 核裂變燃料鈾在地球上儲量有限，尤其用于核裂變的鈾235在鈾礦石中只占0.7% 主要原料是氘，在地球上的儲量豐富，1 L海水中大約有0.03 g氘，如果用來進行熱核反應，放出的能量約與燃燒300 L汽油相當 可控性 速度比較容易進行人工控制，現(xiàn)在的核電站都是用裂變反應釋放核能 目前，除氫彈以外，人們還不能

5、控制它 [試身手] 1．(多選)關于聚變，以下說法正確的是(　　) A．兩個輕核聚變?yōu)橹械荣|量的原子核時放出能量 B．同樣質量的較輕核發(fā)生聚變時放出的能量比同樣質量的較重核裂變時釋放的能量大好多倍 C．聚變反應的條件是聚變物質的體積達到臨界體積 D．發(fā)生聚變反應時的原子核必須有足夠大的動能 解析：選BD　兩個輕核聚合為較大質量的原子核就可釋放能量，但其生成物不是中等質量的核，故A錯誤；輕核發(fā)生聚變反應放出的能量比同樣質量的重核裂變時釋放的能量大得多，故B正確；裂變反應的條件是裂變物質的體積達到臨界體積，而聚變反應的條件是原子核間距達到10－15 m，故要求有足夠大的動能克服原子核

6、間的斥力做功，故C錯誤，D正確。 粒子和宇宙 [探新知·基礎練] 粒子的發(fā)現(xiàn) (1)“基本粒子”不基本： 直到19世紀末，人們稱光子、電子、質子和中子是基本粒子。 (2)發(fā)現(xiàn)新粒子： 1932年發(fā)現(xiàn)了正電子，1937年發(fā)現(xiàn)了μ子，1947年發(fā)現(xiàn)了K介子和π介子及以后的超子等。 (3)夸克模型： 上夸克、下夸克、奇異夸克、粲夸克、底夸克、頂夸克；它們帶的電荷分別為元電荷的＋或－，每種夸克都有對應的反夸克。 [辨是非](對的劃“√”，錯的劃“×”) 1．質子、中子不能再分。(×) 2．反粒子與粒子有相同的電量，但電性相反。(√) [釋疑難·對點練] 1．物質的結構

7、 (1)粒子世界： ①電子、質子和中子：直到19世紀末，人們都認為原子是組成物質的不可再分的最小微粒，后來發(fā)現(xiàn)了電子、質子和中子； ②新粒子：1912年奧地利物理學家赫斯對宇宙線研究，發(fā)現(xiàn)一些新粒子。人們用高能加速器進行實驗；發(fā)現(xiàn)了更多新粒子，1932年發(fā)現(xiàn)了正電子，1937年發(fā)現(xiàn)μ子，1947年發(fā)現(xiàn)K介子和π介子及以后的超子、反粒子等。 (2)粒子的分類：已發(fā)現(xiàn)的粒子分為三大類：媒介子、輕子和強子。 (3)夸克：1964年美國物理學家蓋爾曼提出了強子的夸克模型，認為強子是由夸克構成的。 2．宇宙的演化 研究微觀世界的粒子物理、量子理論，與研究宇宙的理論竟然相互溝通、相互支撐。

8、3．恒星的演化 當恒星核能耗盡時，就進入末期，恒星的末期形態(tài)主要有：白矮星、中子星、黑洞。 [試身手] 2．關于粒子，下列說法正確的是(　　) A．電子、質子和中子是組成物質的不可再分的最基本的粒子 B．強子都是帶電的粒子 C．夸克模型是探究三大類粒子結構的理論 D．夸克模型說明電子電荷不再是電荷的最小單位 解析：選D　由于質子、中子是由不同夸克組成的，它們不是最基本的粒子，不同夸克構成強子，有的強子帶電，有的強子不帶電，故A、B錯誤；夸克模型是研究強子結構的理論，不同夸克帶電荷不同，分別為元電荷的＋或－，說明電子電荷不再是電荷的最小單位，C錯誤，D正確。 核聚

9、變反應中有關核能的計算 [典例1]　一個質子和兩個中子聚變?yōu)橐粋€氚核，已知質子質量mH＝1.007 3 u，中子質量mn＝1.008 7 u，氚核質量m＝3.018 0 u,1 u相當于931.5 MeV的能量。 (1)寫出聚變方程； (2)求聚變過程釋放出的核能； (3)求平均每個核子釋放的能量。 [思路點撥]　核反應方程要根據(jù)電荷數(shù)守恒和質量數(shù)守恒，核能的計算關鍵是要求出核反應中的質量虧損，然后根據(jù)愛因斯坦質能方程求解。 [解析]　(1)聚變方程 H＋2n→H。 (2)質量虧損 Δm＝mH＋2mn－m＝(1.007 3＋2×1.008 7－3.018 0)u＝0.006

10、7 u， 釋放的核能 ΔE＝Δmc2＝0.006 7×931.5 MeV≈6.24 MeV。 (3)平均每個核子放出的能量為 E＝ MeV＝2.08 MeV。 [答案]　(1)H＋2n→H　(2)6.24 MeV (3)2.08 MeV (1)核聚變反應和一般的核反應一樣，也遵循電荷數(shù)和質量數(shù)守恒，這是書寫核反應方程式的重要依據(jù)。 (2)核能的計算關鍵是要求出核反應過程中的質量虧損，然后代入ΔE＝Δmc2進行計算。 對粒子的認識 [典例2]　在β衰變中常伴有一種稱為“中微子”的粒子放出。中微子的性質十分特別，因此在實驗中很難探測。1953年，萊尼斯和柯文建造了一

11、個由大水槽和探測器組成的實驗系統(tǒng)，利用中微子與水中H的核反應，間接地證實了中微子的存在。 (1)中微子與水中的H發(fā)生核反應，產生中子(n)和正電子(e)，即中微子＋H→n＋e?？梢耘卸?，中微子的質量數(shù)和電荷數(shù)分別是________。(填寫選項前的字母) A．0和0　　　　　 B．0和1 C．1和0 D．1和1 (2)上述核反應產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，可以轉變?yōu)閮蓚€光子(γ)，即e＋e→2γ。已知正電子和電子的質量都為9.1×10－31 kg，反應中產生的每個光子的能量約為______J。正電子與電子相遇不可能只轉變?yōu)橐粋€光子，原因是________

12、________。 (3)試通過分析比較，具有相同動能的中子和電子的物質波波長的大小。 [思路點撥]　解答此題應把握以下兩點： (1)根據(jù)方程的質量數(shù)與電荷數(shù)守恒，判斷出質量數(shù)與電荷數(shù)。 (2)利用質能方程可得出每個光子的能量，正電子與電子相遇遵循動量守恒定律，不可能只轉化為一個光子。 [解析]　(1)發(fā)生核反應前后，粒子的質量數(shù)和電荷數(shù)均不變，據(jù)此可知中微子的質量數(shù)和電荷都是0，A項正確。 (2)產生的能量是由于質量虧損。兩個電子轉變?yōu)閮蓚€光子之后，質量變?yōu)榱?，則E＝Δmc2，故一個光子的能量為，代入數(shù)據(jù)得≈8.2×10－14 J。正電子與水中的電子相遇，與電子形成幾乎靜止的整體

13、，故系統(tǒng)總動量為零，因為此過程遵循動量守恒定律，故如果只產生一個光子是不可能的。 (3)物質波的波長為λ＝，由p＝，因為mn>me，所以pn>pe，故λn<λe。 [答案]　(1)A　(2)8.2×10－14　原因見解析 (3)λn<λe [課堂對點鞏固] 1．太陽不斷地向外輻射能量，仍保持1千萬度以上的高溫，其主要原因是太陽內部進行著劇烈地(　　) A．衰變反應　　　　　 B．人工核反應 C．裂變反應 D．熱核反應 解析：選D　太陽的內部時刻都在進行著氫核的聚變，即熱核反應，故D對。 2．關于輕核聚變釋放核能，下列說法正確的是(　　) A．一次聚變反應一定比一次

14、裂變反應釋放的能量多 B．聚變反應比裂變反應每個核子釋放的平均能量一定大 C．聚變反應中粒子的平均結合能變小 D．聚變反應中由于形成質量較大的核，故反應后質量增加 解析：選B　在一次聚變反應中釋放的能量不一定比裂變反應多，但平均每個核子釋放的能量一定大，故A錯誤，B正確；由于聚變反應中釋放出巨大能量，則平均結合能一定變大，質量發(fā)生虧損，故C、D錯誤。 3．重核裂變和輕核聚變是人們獲得核能的兩個主要途徑，下列說法正確的是(　　) A．裂變和聚變的過程中都有質量虧損 B．裂變過程有質量虧損，聚變過程質量不變 C．裂變過程質量不變，聚變過程有質量虧損 D．裂變和聚變過程中質量都增加

15、 解析：選A　裂變和聚變都是釋放核能的反應，因此都有質量虧損，A正確。 4．(全國高考)氘核和氚核可發(fā)生熱核聚變而釋放出巨大的能量，該反應方程為：H＋H→He＋x，式中x是某種粒子。已知：H、H、He和粒子x的質量分別為2.014 1 u、3.016 1 u、4.002 6 u和1.008 7 u；1 u＝931.5 MeV/c2，c是真空中的光速。由上述反應方程和數(shù)據(jù)可知，粒子x是________，該反應釋放出的能量為________ MeV(結果保留3位有效數(shù)字)。 解析：根據(jù)電荷數(shù)守恒和質量數(shù)守恒可知，x的質量數(shù)為1，電荷數(shù)為零，故x為中子。質量虧損Δm＝2.0141 u＋3.01

16、6 1 u－(4.002 6 u＋1.008 7 u)＝0.018 9 u，E＝Δmc2＝0.018 9×931.5 MeV≈17.6 MeV。 答案：n(或中子)　17.6 [課堂小結]- - - - - - - - - - - - - - - [課時跟蹤檢測十八] 一、單項選擇題 1．發(fā)生輕核聚變的方法是(　　) A．用中子轟擊 B．保持室溫環(huán)境，增大壓強 C．把物質加熱到幾百萬開爾文以上的高溫 D．用γ光子照射 解析：選C　輕核聚變需要幾百萬開爾文以上的高溫，使核子間的距離達到10－15 m以內，核力可以發(fā)生作用，選項C正確。 2．太陽內部持續(xù)不斷地發(fā)生著4

17、個質子(H)聚變?yōu)?個氦核(He)的熱核反應。核反應方程是4H―→He＋2X，這個核反應釋放出大量核能。已知質子、氦核、X的質量分別為m1、m2、m3，真空中的光速為c。下列說法中正確的是(　　) A．方程中的X表示中子(n) B．方程中的X表示電子(e) C．這個核反應中質量虧損Δm＝4m1－m2 D．這個核反應中釋放的核能ΔE＝(4m1－m2－2m3)c2 解析：選D　由質量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒知：X為 e，A、B錯誤；該反應中質量虧損Δm＝4m1－m2－2m3，C錯誤；ΔE＝Δmc2＝(4m1－m2－2m3)c2，D正確。 3．我國自行研制了可控熱核反應實驗裝置“超導托卡馬克”

18、(俗稱“人造太陽”)。設可控熱核實驗反應前氘核(H)的質量為m1，氚核(H)的質量為m2，反應后氦核(He)的質量為m3，中子(n)的質量為m4，光速為c，下列有關說法正確的是(　　) A．這種裝置中發(fā)生的核反應方程式是H＋H→He＋n B．由核反應過程質量守恒可知m1＋m2＝m3＋m4 C．核反應放出的能量等于(m1－m2－m3－m4)c2 D．這種裝置與我國大亞灣核電站所使用裝置的核反應原理相同 解析：選A　核反應方程為H＋H→He＋n，選項A正確；反應過程中向外釋放能量，故質量有虧損，且釋放的能量ΔE＝Δmc2＝(m1＋m2－m3－m4)c2，選項B、C錯誤；可控熱核反應原理為

19、核聚變，大亞灣核電站所用核裝置反應原理為核裂變，選項D錯誤。 4．根據(jù)宇宙大爆炸的理論，在宇宙形成之初是“粒子家族”盡顯風采的時期，那么在大爆炸之后最早產生的粒子是(　　) A．夸克、輕子、膠子等粒子 B．質子和中子等強子 C．光子、中微子和電子等輕子 D．氫核、氘核、氦核等輕核 解析：選A　宇宙形成之初產生了夸克、輕子和膠子等粒子，之后又經歷了質子和中子等強子時代，再之后是自由光子、中微子、電子大量存在的輕子時代，再之后是中子和質子組合成氘核，并形成氦核的核時代，之后電子和質子復合成氫原子，最后形成恒星和星系，B、C、D的產生都在A之后，因此A正確。 5．為了探究宇宙起源，“阿

20、爾法磁譜儀(AMS)”將在太空中尋找“反物質”，所謂“反物質”是由“反粒子”構成的。“反粒子”與其對應的正粒子具有相同的質量和相同的電荷量，但電荷的符號相反，則反氫原子是(　　) A．由1個帶正電荷的質子和1個帶負荷的電子構成 B．由1個帶負電荷的反質子和1個帶正電荷的正電子構成 C．由1個帶負電荷的反質子和1個帶負電荷的電子構成 D．由1個不帶電荷的中子和1個帶正電荷的正電子構成 解析：選B　反氫原子由1個帶負電荷的反質子和1個帶正電荷的正電子構成，故B正確。 二、多項選擇題 6．下列關于聚變的說法中，正確的是(　　) A．要使聚變產生，必須克服庫侖斥力做功 B．輕核聚變需

21、要幾百萬開爾文的高溫，因此聚變又叫熱核反應 C．原子彈爆炸能產生幾百萬開爾文的高溫，所以氫彈利用原子彈引發(fā)熱核反應 D．太陽和許多恒星內部都在激烈地進行著熱核反應 解析：選ABCD　聚變時，要使輕核之間的距離達到10－15 m，必須克服庫侖斥力做功，選項A正確；原子核必須有足夠的動能，才能使它們接近核力能發(fā)生作用的范圍。實驗證明，原子核必須處在幾百萬開爾文以上的高溫才有這樣的能量，氫彈是利用原子彈爆炸獲得高溫引發(fā)熱核反應的，選項B、C正確；在太陽和許多恒星內部存在著熱核反應，選項D正確。 7．科學家發(fā)現(xiàn)月球上含有豐富的He(氦3)。它是一種高效、清潔、安全的核聚變燃料，其參與的一種核聚

22、變反應的方程式為He＋He→2H＋He。關于He聚變，下列表述正確的是(　　) A．聚變反應不會釋放能量 B．聚變反應產生了新的原子核 C．聚變反應會有質量虧損 D．目前核電站都采用He聚變反應發(fā)電 解析：選BC　聚變反應是將質量較小的輕核聚變成質量較大的核，聚變過程會有質量虧損，要放出大量的能量。目前核電站都采用鈾核的裂變反應發(fā)電。綜上所述，選項B、C正確。 8．能源是社會發(fā)展的基礎，發(fā)展核能是解決能源問題的途徑之一。下列釋放核能的反應方程，表述正確的有(　　) A.H＋H→He＋n是核聚變反應 B.H＋H→He＋n是β衰變 C.U＋n→Ba＋Kr＋3n是核裂變反應 D.

23、U＋n→Xe＋Sr＋2n是α衰變 解析：選AC　H＋H→He＋n是核聚變反應，A對，B錯；C、D選項中都是核裂變反應，C對，D錯。 三、非選擇題 9．海水中含有豐富的氘，完全可充當未來的主要能源。兩個氘核的核反應為：H＋H ―→He＋n，其中氘核的質量為2.013 6 u，氦核的質量為3.015 0 u，中子的質量為1.008 7 u。(1 u＝931.5 MeV/c2)求： (1)核反應中釋放的核能； (2)在兩個氘核以相等的動能0.35 MeV進行對心碰撞，并且核能全部轉化為機械能的情況下，求反應中產生的中子和氦核的動能。 解析：(1)核反應中的質量虧損Δm＝2mH－mHe－mn。 由ΔE＝Δmc2可知釋放的核能 ΔE＝(2mH－mHe－mn)c2 ≈3.26 MeV。 (2)把兩個氘核作為一個系統(tǒng)，碰撞過程中系統(tǒng)的動量守恒，由于碰撞前兩氘核的動能相等，其動量等大、反向，反應前后系統(tǒng)的總動量為零，即 mHevHe－mnvn＝0 反應前后系統(tǒng)的總能量守恒，即 mHev＋mnv＝ΔE＋ΔEkH 又因為mHe∶mn＝3∶1，所以 vHe∶vn＝1∶3 由以上各式代入已知數(shù)據(jù)解得 Ekn＝2.97 MeV，EkHe＝0.99 MeV。 答案：(1)3.26 MeV　(2)2.97 MeV　0.99 MeV 9