（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(chǔ)練] 1．核聚變 (1)定義： 兩個輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核，這樣的核反應(yīng)叫做聚變。聚變后比結(jié)合能增加，因此反應(yīng)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(yīng)。聚變一旦發(fā)生，就不再需要外界給它能量，靠自身產(chǎn)生的熱就會使反應(yīng)繼續(xù)下去。 (3)實例： ①熱核反應(yīng)主要應(yīng)用在核武器上，如氫彈； ②熱核反應(yīng)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(yīng)平均每個核子放出的

2、能量比裂變反應(yīng)平均每個核子放出的能量大3～4倍。 2．受控熱核反應(yīng) (1)聚變與裂變相比有很多優(yōu)點： ①輕核聚變產(chǎn)能效率高； ②地球上聚變?nèi)剂系膬α控S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(jīng)受幾百萬開爾文的高溫； ②方案：科學家設(shè)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(jīng)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(jié)合能的圖線看，輕

3、核聚變后比結(jié)合能增加，因此聚變反應(yīng)是一個放能反應(yīng)。 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(zhì)達到幾百萬開爾文的高溫。 3．特點 (1)在消耗相同質(zhì)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(yīng)一旦發(fā)生，就不再需要外界給它能量，靠自身產(chǎn)生的熱就可以使反應(yīng)進行下去。 4．應(yīng)用 (1)核武器——氫彈。 (2)可控熱核反應(yīng)：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(zhì)量的原子核，放出核能 兩個輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的原子核，放出核能 放能多少 聚變反應(yīng)比裂變反應(yīng)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(yīng)的核廢料處理要比裂變反應(yīng)簡單得多 原料的蘊藏量 核裂變?nèi)剂镶櫾诘厍蛏蟽α坑邢?，尤其用于核裂變的?35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(yīng)，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(yīng)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(guān)于聚變，以下說法正確的是(　　) A．兩個輕核聚變?yōu)橹械荣|(zhì)量的原子核時放出能量 B．同樣質(zhì)量的較輕核發(fā)生聚變時放出的能量比同樣質(zhì)量的較重核裂變時釋放的能量大好多倍 C．聚變反應(yīng)的條件是聚變物質(zhì)的體積達到臨界體積 D．發(fā)生聚變反應(yīng)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(zhì)量的原子核就可釋放能量，但其生成物不是中等質(zhì)量的核，故A錯誤；輕核發(fā)生聚變反應(yīng)放出的能量比同樣質(zhì)量的重核裂變時釋放的能量大得多，故B正確；裂變反應(yīng)的條件是裂變物質(zhì)的體積達到臨界體積，而聚變反應(yīng)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(chǔ)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(zhì)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(yīng)的反夸克。 [辨是非](對的劃“√”，錯的劃“×”) 1．質(zhì)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(zhì)的結(jié)構(gòu)

7、 (1)粒子世界： ①電子、質(zhì)子和中子：直到19世紀末，人們都認為原子是組成物質(zhì)的不可再分的最小微粒，后來發(fā)現(xiàn)了電子、質(zhì)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(gòu)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(guān)于粒子，下列說法正確的是(　　) A．電子、質(zhì)子和中子是組成物質(zhì)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(jié)構(gòu)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(zhì)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(gòu)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(jié)構(gòu)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(yīng)中有關(guān)核能的計算 [典例1]　一個質(zhì)子和兩個中子聚變?yōu)橐粋€氚核，已知質(zhì)子質(zhì)量mH＝1.007 3 u，中子質(zhì)量mn＝1.008 7 u，氚核質(zhì)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(yīng)方程要根據(jù)電荷數(shù)守恒和質(zhì)量數(shù)守恒，核能的計算關(guān)鍵是要求出核反應(yīng)中的質(zhì)量虧損，然后根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程求解。 [解析]　(1)聚變方程 H＋2n→H。 (2)質(zhì)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(yīng)和一般的核反應(yīng)一樣，也遵循電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)守恒，這是書寫核反應(yīng)方程式的重要依據(jù)。 (2)核能的計算關(guān)鍵是要求出核反應(yīng)過程中的質(zhì)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(zhì)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(yīng)，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(yīng)，產(chǎn)生中子(n)和正電子(e)，即中微子＋H→n＋e?？梢耘卸?，中微子的質(zhì)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(yīng)產(chǎn)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(zhuǎn)變?yōu)閮蓚€光子(γ)，即e＋e→2γ。已知正電子和電子的質(zhì)量都為9.1×10－31 kg，反應(yīng)中產(chǎn)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(zhuǎn)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(zhì)波波長的大小。 [思路點撥]　解答此題應(yīng)把握以下兩點： (1)根據(jù)方程的質(zhì)量數(shù)與電荷數(shù)守恒，判斷出質(zhì)量數(shù)與電荷數(shù)。 (2)利用質(zhì)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(zhuǎn)化為一個光子。 [解析]　(1)發(fā)生核反應(yīng)前后，粒子的質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)均不變，據(jù)此可知中微子的質(zhì)量數(shù)和電荷都是0，A項正確。 (2)產(chǎn)生的能量是由于質(zhì)量虧損。兩個電子轉(zhuǎn)變?yōu)閮蓚€光子之后，質(zhì)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(chǎn)生一個光子是不可能的。 (3)物質(zhì)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(nèi)部進行著劇烈地(　　) A．衰變反應(yīng)　　　　　 B．人工核反應(yīng) C．裂變反應(yīng) D．熱核反應(yīng) 解析：選D　太陽的內(nèi)部時刻都在進行著氫核的聚變，即熱核反應(yīng)，故D對。 2．關(guān)于輕核聚變釋放核能，下列說法正確的是(　　) A．一次聚變反應(yīng)一定比一次

14、裂變反應(yīng)釋放的能量多 B．聚變反應(yīng)比裂變反應(yīng)每個核子釋放的平均能量一定大 C．聚變反應(yīng)中粒子的平均結(jié)合能變小 D．聚變反應(yīng)中由于形成質(zhì)量較大的核，故反應(yīng)后質(zhì)量增加 解析：選B　在一次聚變反應(yīng)中釋放的能量不一定比裂變反應(yīng)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(yīng)中釋放出巨大能量，則平均結(jié)合能一定變大，質(zhì)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(zhì)量虧損 B．裂變過程有質(zhì)量虧損，聚變過程質(zhì)量不變 C．裂變過程質(zhì)量不變，聚變過程有質(zhì)量虧損 D．裂變和聚變過程中質(zhì)量都增加

15、 解析：選A　裂變和聚變都是釋放核能的反應(yīng)，因此都有質(zhì)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(yīng)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(zhì)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(yīng)方程和數(shù)據(jù)可知，粒子x是________，該反應(yīng)釋放出的能量為________ MeV(結(jié)果保留3位有效數(shù)字)。 解析：根據(jù)電荷數(shù)守恒和質(zhì)量數(shù)守恒可知，x的質(zhì)量數(shù)為1，電荷數(shù)為零，故x為中子。質(zhì)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(jié)]- - - - - - - - - - - - - - - [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(zhì)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(nèi)，核力可以發(fā)生作用，選項C正確。 2．太陽內(nèi)部持續(xù)不斷地發(fā)生著4

17、個質(zhì)子(H)聚變?yōu)?個氦核(He)的熱核反應(yīng)。核反應(yīng)方程是4H―→He＋2X，這個核反應(yīng)釋放出大量核能。已知質(zhì)子、氦核、X的質(zhì)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(yīng)中質(zhì)量虧損Δm＝4m1－m2 D．這個核反應(yīng)中釋放的核能ΔE＝(4m1－m2－2m3)c2 解析：選D　由質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒知：X為 e，A、B錯誤；該反應(yīng)中質(zhì)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(yīng)實驗裝置“超導(dǎo)托卡馬克”

18、(俗稱“人造太陽”)。設(shè)可控熱核實驗反應(yīng)前氘核(H)的質(zhì)量為m1，氚核(H)的質(zhì)量為m2，反應(yīng)后氦核(He)的質(zhì)量為m3，中子(n)的質(zhì)量為m4，光速為c，下列有關(guān)說法正確的是(　　) A．這種裝置中發(fā)生的核反應(yīng)方程式是H＋H→He＋n B．由核反應(yīng)過程質(zhì)量守恒可知m1＋m2＝m3＋m4 C．核反應(yīng)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(yīng)原理相同 解析：選A　核反應(yīng)方程為H＋H→He＋n，選項A正確；反應(yīng)過程中向外釋放能量，故質(zhì)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(yīng)原理為

19、核聚變，大亞灣核電站所用核裝置反應(yīng)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(chǎn)生的粒子是(　　) A．夸克、輕子、膠子等粒子 B．質(zhì)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(chǎn)生了夸克、輕子和膠子等粒子，之后又經(jīng)歷了質(zhì)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(zhì)子組合成氘核，并形成氦核的核時代，之后電子和質(zhì)子復(fù)合成氫原子，最后形成恒星和星系，B、C、D的產(chǎn)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(zhì)”，所謂“反物質(zhì)”是由“反粒子”構(gòu)成的?！胺戳Ｗ印迸c其對應(yīng)的正粒子具有相同的質(zhì)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(zhì)子和1個帶負荷的電子構(gòu)成 B．由1個帶負電荷的反質(zhì)子和1個帶正電荷的正電子構(gòu)成 C．由1個帶負電荷的反質(zhì)子和1個帶負電荷的電子構(gòu)成 D．由1個不帶電荷的中子和1個帶正電荷的正電子構(gòu)成 解析：選B　反氫原子由1個帶負電荷的反質(zhì)子和1個帶正電荷的正電子構(gòu)成，故B正確。 二、多項選擇題 6．下列關(guān)于聚變的說法中，正確的是(　　) A．要使聚變產(chǎn)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(yīng) C．原子彈爆炸能產(chǎn)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(yīng) D．太陽和許多恒星內(nèi)部都在激烈地進行著熱核反應(yīng) 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(yīng)的，選項B、C正確；在太陽和許多恒星內(nèi)部存在著熱核反應(yīng)，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?nèi)剂希鋮⑴c的一種核聚

22、變反應(yīng)的方程式為He＋He→2H＋He。關(guān)于He聚變，下列表述正確的是(　　) A．聚變反應(yīng)不會釋放能量 B．聚變反應(yīng)產(chǎn)生了新的原子核 C．聚變反應(yīng)會有質(zhì)量虧損 D．目前核電站都采用He聚變反應(yīng)發(fā)電 解析：選BC　聚變反應(yīng)是將質(zhì)量較小的輕核聚變成質(zhì)量較大的核，聚變過程會有質(zhì)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(yīng)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(chǔ)，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(yīng)方程，表述正確的有(　　) A.H＋H→He＋n是核聚變反應(yīng) B.H＋H→He＋n是β衰變 C.U＋n→Ba＋Kr＋3n是核裂變反應(yīng) 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(yīng)，A對，B錯；C、D選項中都是核裂變反應(yīng)，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(yīng)為：H＋H ―→He＋n，其中氘核的質(zhì)量為2.013 6 u，氦核的質(zhì)量為3.015 0 u，中子的質(zhì)量為1.008 7 u。(1 u＝931.5 MeV/c2)求： (1)核反應(yīng)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(zhuǎn)化為機械能的情況下，求反應(yīng)中產(chǎn)生的中子和氦核的動能。 解析：(1)核反應(yīng)中的質(zhì)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(yīng)前后系統(tǒng)的總動量為零，即 mHevHe－mnvn＝0 反應(yīng)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