2018學(xué)年高中物理 第3章 原子核 原子能、粒子、宇宙學(xué)案 教科版選修3-5.doc

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原子能、粒子、宇宙 【學(xué)習(xí)目標(biāo)】 1．知道核力是只存在于相鄰核子間的短程力； 2．掌握結(jié)合能與質(zhì)量虧損； 3．理解愛因斯坦的質(zhì)能方程； 4．知道重核裂變能放出能量，并能計(jì)算核能的變化，知道鏈?zhǔn)椒磻?yīng)； 5．知道什么是聚變； 6．了解鈾核的裂變特點(diǎn)； 7．了解核裂變反應(yīng)堆的工作原理； 8．知道聚變和聚變反應(yīng)的特點(diǎn)； 9．能寫出聚變方程并計(jì)算聚變能量； 10．了解可控?zé)岷朔磻?yīng)； 11．了解核電站、核武器及核能的優(yōu)越性、安全性及其危害； 12．了解組成物質(zhì)的粒子； 13．知道粒子的分類及其作用； 14．了解宇宙起源的大爆炸說及恒星的演化． 【要點(diǎn)梳理】 要點(diǎn)一、核力與核結(jié)合能 1．核反應(yīng) （1）核反應(yīng)的定義． 衰變是原子核的自發(fā)變化，能否用人工方法使原子核發(fā)生變化呢？能．事實(shí)上質(zhì)子、中子都是通過原子核的人工轉(zhuǎn)變而發(fā)現(xiàn)的．我們把原子核在其他粒子轟擊下產(chǎn)生新原子核的過程，稱為核反應(yīng)． （2）對(duì)核反應(yīng)的理解． ①原子核在其他粒子的轟擊下產(chǎn)生新原子核的過程，稱為核反應(yīng)．原子核的人工轉(zhuǎn)變，就是一種核反應(yīng)．和衰變過程一樣，在核反應(yīng)中，質(zhì)量數(shù)和核電荷數(shù)都守恒．②衰變是自發(fā)的、不受物理?xiàng)l件和化學(xué)條件影響的一種核變化．而原子核的人工轉(zhuǎn)變需要一定的裝置和條件才能發(fā)生． 2．原子核的人工轉(zhuǎn)變 （1）質(zhì)子的發(fā)現(xiàn)及核反應(yīng)方程． 1919年，盧瑟福用粒子轟擊氮原子核，粒子被氮核俘獲后形成復(fù)核，再衰變，產(chǎn)生質(zhì)子． 核反應(yīng)方程為： ． （2）中子的發(fā)現(xiàn)及核反應(yīng)方程． 1932年，英國(guó)的物理學(xué)家查德威克對(duì)這種不知道的射線進(jìn)行進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)：這種射線的速度不到光速的十分之一，排除了射線．之后他用這種射線轟擊氫原子和氮原子，結(jié)果打出一些氫核和氮核，并通過測(cè)定和計(jì)算，發(fā)現(xiàn)這種粒子的質(zhì)量非常接近氫核的質(zhì)量，由于它不帶電，故稱之為中子． 核反應(yīng)方程為： ． 由于能從許多的原子核里打出中子，因而確認(rèn)中子是組成原子核的一部分． 3．核力 原子核由質(zhì)子和中子組成，中子和質(zhì)子是靠強(qiáng)大的核力結(jié)合在一起的． （1）核力：原子核內(nèi)部，核子間所特有的相互作用力． （2）核力的特點(diǎn)： ①核力是強(qiáng)相互作用力，在它的作用范圍內(nèi)核力比庫(kù)侖力大得多；②核力是短程力，作用范圍在之內(nèi)．在大于時(shí)核力表現(xiàn)為引力，超過時(shí)核力急劇下降幾乎消失．在小于時(shí)核力表現(xiàn)為斥力，因此核子不會(huì)融合在一起；③每個(gè)核子只跟相鄰的核子發(fā)生核力作用．這種性質(zhì)稱為核力的飽和性．無論是質(zhì)子間、中子間、質(zhì)子和中子間均存在核力． （3）自然界中的四種基本相互作用力： ①萬有引力；②電磁力；③強(qiáng)相互作用力；④弱相互作用力． 4．核結(jié)合能 由于核子間存在著巨大的核力作用，所以原子核是一個(gè)堅(jiān)固的集體．要把原子核拆散成核子，需要克服核力做巨大的功，需要巨大的能量．一個(gè)氘核被拆成一個(gè)中子和一個(gè)質(zhì)子時(shí)，需要能量等于或大于的光子照射．核反應(yīng)方程為： ． 相反的過程，當(dāng)一個(gè)中子和一個(gè)質(zhì)子結(jié)合成一個(gè)氘核時(shí)會(huì)釋放出的能量．這個(gè)能量以光子的形式輻射出去．核反應(yīng)方程為： ． 由于核力的存在，核子結(jié)合成原子核時(shí)要放出一定的能量，原子核分解成核子時(shí)，要吸收同樣多的能量．核反應(yīng)中放出或吸收的能量稱為核結(jié)合能． 平均結(jié)合能（又叫比結(jié)合能）：原子核的結(jié)合能與核子數(shù)之比平均結(jié)合能越大，表示原子核中核子結(jié)合得越牢固．原子核越穩(wěn)定． 5．質(zhì)量虧損 由于核力的本質(zhì)還在研究之中，所以根據(jù)核力做功來求核能是不可能的．但物理學(xué)家卻有辦法求出核能．物理學(xué)家們研究了質(zhì)子、中子和氘核之間的質(zhì)量關(guān)系，發(fā)現(xiàn)氘核雖然是由一個(gè)中子和一個(gè)質(zhì)子組成的，但氘核的質(zhì)量要比中子和質(zhì)子的質(zhì)量之和要小一些．我們把組成原子核的核子的質(zhì)量與原子核的質(zhì)量之差叫做核的質(zhì)量虧損．根據(jù)質(zhì)量虧損可以計(jì)算核能． 6．質(zhì)能方程 （1）質(zhì)能方程：愛因斯坦的相對(duì)論指出，物體的能量和質(zhì)量之間存在著密切的聯(lián)系，其關(guān)系是 或 ． 這就是著名的愛因斯坦質(zhì)能聯(lián)系方程，簡(jiǎn)稱質(zhì)能方程．方程的含義是：物體具有的能量與它的質(zhì)量之間存在著簡(jiǎn)單的正比關(guān)系．物體的能量增大質(zhì)量也增大，能量減小質(zhì)量也減小． （2）對(duì)質(zhì)量虧損和質(zhì)能方程的理解：在核反應(yīng)中仍遵守質(zhì)量守恒和能量守恒的規(guī)律．核反應(yīng)中的質(zhì)量虧損，并不是這部分質(zhì)量消失或質(zhì)量轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰浚矬w的質(zhì)量應(yīng)包括靜止質(zhì)量和運(yùn)動(dòng)質(zhì)量，質(zhì)量虧損是靜止質(zhì)量的減少，減少的靜止質(zhì)量轉(zhuǎn)化為和輻射能量相聯(lián)系的運(yùn)動(dòng)質(zhì)量．另外，質(zhì)量虧損也不是核子個(gè)數(shù)的減少，核反應(yīng)中核子個(gè)數(shù)是不變的． 7．核能的計(jì)算方法 核能的計(jì)算是原子物理的重要方面和高考的熱點(diǎn)問題，其基本方法是： （1）根據(jù)質(zhì)量虧損計(jì)算，步驟如下： ①根據(jù)核反應(yīng)方程，計(jì)算核反應(yīng)前和核反應(yīng)后的質(zhì)量虧損．②根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程或計(jì)算核能．③計(jì)算過程中的單位是千克，的單位是焦耳． （2）利用原子質(zhì)量單位和電子伏特計(jì)算． ①明確原子單位和電子伏特間的關(guān)系 由 ，． 得 ． ②根據(jù)原子質(zhì)量單位（）相當(dāng)于能量，用核子結(jié)合成原子核時(shí)質(zhì)量虧損的原子質(zhì)量單位數(shù)乘以，即 ． ③上式中，的單位是，的單位是． （3）利用平均結(jié)合能來計(jì)算核能． 原子核的結(jié)合能=核子的平均結(jié)合能核子數(shù)．核反應(yīng)中反應(yīng)前系統(tǒng)內(nèi)所有原子核的總結(jié)合能與反應(yīng)后生成的所有新核的總結(jié)合能之差，就是該次核反應(yīng)所釋放（或吸收）的核能． （4）根據(jù)能量守恒和動(dòng)量守恒來計(jì)算核能． 參與核反應(yīng)的粒子所組成的系統(tǒng)，在核反應(yīng)過程中的動(dòng)量和能量是守恒的，因此，在題給條件中沒有涉及質(zhì)量虧損，或者核反應(yīng)所釋放的核能全部轉(zhuǎn)化為生成的新粒子的動(dòng)能而無光子輻射的情況下，從動(dòng)量和能量守恒可以計(jì)算出核能的變化． （5）應(yīng)用阿伏加德羅常數(shù)計(jì)算核能． 若要計(jì)算具有宏觀質(zhì)量的物質(zhì)中所有原子核都發(fā)生核反應(yīng)所放出的總能量，應(yīng)用阿伏加德羅常數(shù)計(jì)算核能較為簡(jiǎn)便． ①根據(jù)物體的質(zhì)量和摩爾質(zhì)量由求出物質(zhì)的量，并求出原子核的個(gè)數(shù)： ． ②由題設(shè)條件求出一個(gè)原子核與另一個(gè)原子核反應(yīng)放出或吸收的能量（或直接從題目中找出）． ③再根據(jù)求出總能量． 8．衰變過程中核能的計(jì)算 衰變能是不穩(wěn)定原子核在進(jìn)行衰變時(shí)放出來的能量，由質(zhì)能方程，可以從衰變前后的質(zhì)量虧損求出衰變能，也可根據(jù)直接測(cè)出衰變后產(chǎn)生的新原子核與粒子的動(dòng)能求得衰變能．但是，由于衰變后原子核的質(zhì)量較大，反沖動(dòng)能較小，測(cè)量就很困難．下面我們從動(dòng)量守恒定律出發(fā)，找到和之間的關(guān)系，只要測(cè)出就可以知道衰變能． 衰變前原子核可看做靜止，動(dòng)量為零，于是，根據(jù)動(dòng)量守恒定律有 ． 粒子的速度比光速小得多，可以不考慮相對(duì)論效應(yīng)，于是衰變后新原子核的反沖動(dòng)能 ． 所以， （是衰變前的核的質(zhì)量數(shù)）． 式中，已用核的質(zhì)量數(shù)之比代替核質(zhì)量之比，這樣做所帶來的誤差是很微小的．所以，要得到衰變能，需要知道粒子的動(dòng)能． 9．對(duì)原子核中質(zhì)子數(shù)與中子數(shù)比例的解釋 原子核越大，有些核子間的距離越來越遠(yuǎn)，隨著距離的增加，核力與電磁力都會(huì)減小，但核力減小得更快．所以，原子核大到一定程度時(shí)，相距較遠(yuǎn)的質(zhì)子間的核力不足以平衡它們的庫(kù)侖力，這個(gè)原子核就不穩(wěn)定了．這時(shí)，不再成對(duì)地增加質(zhì)子和中子，而只增加中子，中子與其他核子沒有庫(kù)侖斥力，但有相互吸引的核力，所以有助于維系原子核的穩(wěn)定．由于這個(gè)原因，穩(wěn)定的重原子核里，中子數(shù)要比質(zhì)子數(shù)多．由于核力的作用范圍是有限的，以及核力的飽和性，如果我們繼續(xù)增大原子核，一些核子間的距離會(huì)大到其間根本沒有核力的作用，這時(shí)即使再增加中子，形成的核也一定是不穩(wěn)定的． 要點(diǎn)二、重核裂變及其應(yīng)用 1．核子的平均質(zhì)量 核反應(yīng)有的會(huì)放出能量，有的會(huì)吸收能量，那么什么樣的核反應(yīng)會(huì)放出能量，這是本節(jié)需要搞清的第一個(gè)問題．也是本節(jié)的一個(gè)難點(diǎn)．為了弄清這個(gè)問題，就必須首先理解核子的平均質(zhì)量這一概念． 精確的實(shí)驗(yàn)表明，原子核是由核子組成的，但原子核的質(zhì)量卻不等于所有核子質(zhì)量之和．也就是說，原子核的質(zhì)量雖然會(huì)隨著核子數(shù)量的增加而增加，但兩者并不成比例．例如：氫核由一個(gè)核子（質(zhì)子）組成；氦核由四個(gè)核子（兩個(gè)中子，兩個(gè)質(zhì)子）組成．但氦核的質(zhì)量卻不是氫核的四倍，而是比四倍小．這樣在不同的原子核中，用原子核的質(zhì)量除以核子數(shù)所得到的核子的平均質(zhì)量就變得不相同了，換一個(gè)說法，也就是同樣的核子在不同的原子核中質(zhì)量不同． 進(jìn)一步研究表明，中等質(zhì)量的原子核的核子的平均質(zhì)量較?。ㄨF核的核子平均質(zhì)量最小），重核和輕核的核子平均質(zhì)量大，這就為研究核反應(yīng)中能量的釋放建立了理論基礎(chǔ)．當(dāng)重核分裂成中等質(zhì)量的原子核時(shí)，會(huì)發(fā)生質(zhì)量虧損；當(dāng)輕核聚合成中等質(zhì)量的原子核時(shí)，也會(huì)發(fā)生質(zhì)量虧損．由質(zhì)能方程可知，此時(shí)核反應(yīng)會(huì)放出能量． 2．重核的裂變——鈾核的裂變 （1）鈾核裂變的發(fā)現(xiàn)：1938年底，德國(guó)物理學(xué)家哈恩與斯特拉斯曼利用中子轟擊鈾核時(shí)，發(fā)現(xiàn)了鈾核的裂變，向核能的利用邁出了第一步． （2）重核裂變：使重核分裂成中等質(zhì)量的原子核的核反應(yīng)叫做重核的裂變． （3）鈾核裂變的一種核反應(yīng)方程： ． （4）鏈?zhǔn)椒磻?yīng)：當(dāng)中子進(jìn)入鈾后，便形成了處于激發(fā)狀態(tài)的復(fù)核，復(fù)核中由于核子的激烈運(yùn)動(dòng)，使核變成不規(guī)則的形狀，核子間的距離增大，因而核力迅速減弱，使得核由于質(zhì)子間的斥力作用而不能恢復(fù)原狀，這樣就分裂成幾塊，同時(shí)放出或個(gè)中子．這些中子又引起其他鈾核裂變，這樣，裂變就會(huì)不斷地進(jìn)行下去’，釋放出越來越多的核能，這就叫鏈?zhǔn)椒磻?yīng)．如圖所示． （5）鏈?zhǔn)椒磻?yīng)發(fā)生的條件：①鈾塊的體積大于臨界體積．體積超過臨界體積時(shí)，保證中子能夠碰到鈾核．②有足夠濃度的鈾．③有足夠數(shù)量的慢中子． 一種鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的方程： ． （6）重核裂變的條件 重核的裂變只能發(fā)生在人為控制的核反應(yīng)中，自然界不會(huì)自發(fā)地產(chǎn)生．如鈾核裂變不能自發(fā)地進(jìn)行，要使鈾核裂變，首先要利用中子轟擊鈾核，使鈾核分裂，分裂過程中，又會(huì)放出更多的中子，這些中子再去轟擊更多鈾核，產(chǎn)生更多的中子，就形成了鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，這個(gè)反應(yīng)速度很快，不加控制的話，能量在很短的瞬間急劇釋放（原子彈就是利用鈾核的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)制造的一種威力巨大的核武器）．如果采用其他方法對(duì)反應(yīng)速度加以控制就可以和平地利用這種巨大的核能．核電站就是可控的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)． 3．臨界體積 要發(fā)生核反應(yīng)，就必須使中子擊中鈾核，而核的體積很小，那么在鈾塊不太大的情況下，中子通過鈾塊時(shí)，沒有碰到鈾核而跑到鈾塊外，因此，要發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，鈾塊的體積必須大于某一值，能發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的鈾塊的最小體積叫它的臨界體積． 4．核電站與核電站的主要組成和工作原理及優(yōu)點(diǎn) （1）核電站：原子彈殺傷力強(qiáng)大的原因是核能在極短時(shí)間內(nèi)釋放出來．核電站是利用緩慢釋放的核能來發(fā)電，這是核能的和平利用，現(xiàn)在世界上已有不少國(guó)家建有核電站，我國(guó)已建成使用和正在建設(shè)的核電站必將為現(xiàn)代化的建設(shè)提供能源保障． （2）核電站的主要組成． 核電站的核心是核反應(yīng)堆，核反應(yīng)堆的主要組成部分及其作用是： ①核燃料：反應(yīng)堆使用濃縮鈾（鈾占）制成鈾棒，作為核燃料，釋放核能．②中子減速劑：鈾具有易俘獲慢中子，不易俘獲快中子的特點(diǎn)．而核反應(yīng)中釋放的中子多數(shù)為快中子，應(yīng)使用減速劑使它們的速度降下來．常用作減速劑的物質(zhì)有石墨、重水或普通水．③控制棒：為了控制能量釋放的速度，就要想辦法減少中子的數(shù)目，采用在反應(yīng)堆中插入鎘棒的方法，利用鎘吸收中子能力很強(qiáng)的特性，就可以容易地控制鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度．④保護(hù)層：核反應(yīng)堆外層是很厚的水泥壁．可防止射線輻射出去．⑤熱交換器：靠水或液態(tài)金屬鈉在反應(yīng)堆內(nèi)外的循環(huán)流動(dòng)，把產(chǎn)生的熱量傳輸出去． 反應(yīng)堆是核電站的核心，核電站是靠核反應(yīng)堆產(chǎn)生的內(nèi)能 （3）核電站的優(yōu)點(diǎn)是：①消耗的“燃料”很少；②作為核燃料的鈾、釷等在地球上的可采儲(chǔ)量大；③對(duì)環(huán)境污染比火電站要?。? 5．原子彈 原子彈是利用快中子導(dǎo)致鏈?zhǔn)椒磻?yīng)而發(fā)生原子爆炸的武器．在裂變材料的體積大于臨界體積時(shí)，可以使增殖系數(shù)，這時(shí)中子數(shù)可逐代倍增，最后引起原子爆炸．對(duì)純，其．若，則到第代時(shí)，中子數(shù)已增到個(gè)，其已大到相當(dāng)于鈾的原子數(shù)，因此純只要經(jīng)過代裂變就可以全部發(fā)生裂變．若將鈾做成球狀，其直徑不過，而快中子的速度約為，所以裂變進(jìn)行得極其迅猛，其爆炸可在百分之一秒內(nèi)完成． 原子彈的結(jié)構(gòu)形式有許多種，一般是將兩塊或多塊小于臨界體積的（或、等）放在一個(gè)密封的彈殼內(nèi)，平時(shí)這幾塊相隔一定的距離，所以不會(huì)爆炸．使用時(shí)可通過引爆裝置使它們驟然合為一體，由于其體積超過臨界體積，爆炸瞬間發(fā)生． 6.為什么鈾的同位素中最容易發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng) 在天然鈾中，主要有兩種同位素，的是鈾，的是鈾，中子能引起這兩種鈾核發(fā)生裂變，但它們和中子發(fā)生作用的情況不同． ：俘獲各種能量的中子都會(huì)發(fā)生裂變，且俘獲低能量的中子發(fā)生裂變的概率大． ：只有俘獲能量大于的中子才能發(fā)生核反應(yīng)，且裂變的幾率?。畬?duì)于低于的中子只與鈾核發(fā)生彈性碰撞，不引起核反應(yīng)． 因此，為了使鏈?zhǔn)椒磻?yīng)容易發(fā)牛，最好利用純鈾． 要點(diǎn)三、輕核聚變及其應(yīng)用 1．輕核的聚變 （1）聚變． 把輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核，釋放出核能的反應(yīng)，稱為募變．聚變反應(yīng)又稱為熱核反應(yīng)． （2）聚變方程： ． （3）聚變發(fā)生的條件： 要使輕核聚變，就必須使輕核接近核力發(fā)生作用的距離，但是原子核是帶正電的，要使它們接近就止須克服電荷間很大的斥力作用，這就要求使核具有足夠的動(dòng)能．要使原子核具有足夠大的動(dòng)能，就要給核加熱，使物質(zhì)達(dá)到幾百萬度的高溫．綜上所述，核聚變只有在超高溫條件下才能發(fā)生． 2．聚變與裂變的區(qū)別 重核的裂變、輕核的聚變都能釋放出巨大的核能，但兩者是有區(qū)別的． （1）原理不同． 重核的裂變是重核裂變成幾個(gè)中等質(zhì)量的原子核，放出能量，而聚變是幾個(gè)輕核聚變（結(jié)合）成一個(gè)中等質(zhì)量的原子核，放出巨大的能量． （2）放出能量的大小不同． 重核裂變時(shí)，平均每個(gè)核子釋放的能量約為兆電子伏，而輕核的聚變，平均每個(gè)核子釋放出兆電子伏以上的能量，即聚變比裂變能放出更多的能量． （3）廢料處理難度不同． 裂變產(chǎn)生的廢料處理起來比較困難，而熱核反應(yīng)的廢料處理要簡(jiǎn)單得多． （4）“燃料”的豐富程度不同． 熱核反應(yīng)所需要的“燃料”——氘在地球上非常豐富，升海水中大約有克氘，如果用來進(jìn)行熱核反應(yīng)，放出的能量約和燃燒升汽油相當(dāng)．而裂變?nèi)剂稀櫾诘厍蛏蟽?chǔ)量有限，尤其是用于核裂變的鈾，在鈾礦中僅占，相比起來聚變的燃料——氘要豐富得多．我國(guó)是一個(gè)“貧鈾”國(guó)家，貯藏量不多． （5）兩種反應(yīng)的可控制性不同． 裂變反應(yīng)速度可以比較容易地進(jìn)行人工控制，因此，現(xiàn)在國(guó)際上的核電站都是利用裂變放出能量，而聚變反應(yīng)的可控制性比較困難，世界上許多國(guó)家都積極研究可控?zé)岷朔磻?yīng)的理論和技術(shù)．我國(guó)可控?zé)岷朔磻?yīng)的研究情況是：1984年9月，我國(guó)自行研制的可控?zé)岷朔磻?yīng)實(shí)驗(yàn)裝置“中國(guó)環(huán)流一號(hào)”順利啟動(dòng)．1094年，具有國(guó)際先進(jìn)水平的可控?zé)岷朔磻?yīng)實(shí)驗(yàn)裝置“超導(dǎo)托卡馬克”已安裝調(diào)試成功，我國(guó)研究可控?zé)岷朔磻?yīng)方面已經(jīng)具有一定的實(shí)力． 3．輕核聚變釋放核能的計(jì)算方法 輕核聚變時(shí)釋放出的能量的計(jì)算與上兩節(jié)的方法基本相同，具體的仍然分為以下兩種： （1）根據(jù)質(zhì)量虧損計(jì)算． 根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程，用核子結(jié)合成原子核時(shí)質(zhì)量虧損（）的千克數(shù)乘以真空中光速（）的平方，即 ． ① （2）根據(jù)原子質(zhì)量單位（）相當(dāng)于能量，用核子結(jié)合成原子核時(shí)質(zhì)量虧損的原子質(zhì)量單位數(shù)乘以，即 ． ② 要點(diǎn)詮釋：式①中的單位為，式②中的單位是，的單位是． 4．聚變比裂變反應(yīng)放出更多能量的原因 （1）平均每個(gè)核子放能較多，是裂變反應(yīng)的倍．如一個(gè)氚核和一個(gè)氘核結(jié)合成一個(gè)氦核時(shí)放出能量，平均每個(gè)核子放出能量約；而鈾裂變時(shí)，平均每個(gè)核子放出能量為． （2）同樣質(zhì)量的情況下，輕核的核子個(gè)數(shù)多，如氘和氚聚變?yōu)楹r(shí)放出的能量為． ． 假設(shè)一個(gè)鈾核裂變時(shí)平均放出的能量為，則鈾核全部裂變時(shí)放出能量為 ． ． 5．熱核反應(yīng)的控制技術(shù)以及聚變的應(yīng)用 （1）控制方法． ①磁約束：利用強(qiáng)磁場(chǎng)來約束參加反應(yīng)的物質(zhì)．目前性能最好的磁約束裝置是環(huán)流器（又稱托卡馬克）．2002年12月“中國(guó)環(huán)流器二號(hào)”開始運(yùn)行． ②慣性約束：利用強(qiáng)激光的慣性壓力約束參加反應(yīng)的物質(zhì)． 目前可控制核聚變還處于基礎(chǔ)研究階段． （2）聚變的應(yīng)用． ①核武器——?dú)鋸棧菏且环N不需人工控制的輕核聚變反應(yīng)裝置．它利用彈體內(nèi)的原子彈爆炸產(chǎn)生的高溫高壓引發(fā)熱核聚變爆炸． ②如果攻克了受控?zé)岷司圩兊膶?shí)現(xiàn)技術(shù)，那就可望解決全世界的“能源危機(jī)”． （3）我國(guó)的兩彈發(fā)展． 1964年10月16日我國(guó)第一顆原子彈爆炸成功． 1967年6月17日我國(guó)的氫彈試爆成功． 6．為什么輕核聚變和重核裂變都會(huì)釋放能量 （1）可以從核子的平均結(jié)合能上看，如圖． 從圖中可以看出，鐵的平均結(jié)合能最大，也就是核子結(jié)合成鐵或鐵附近的原子核時(shí)，每個(gè)核子平均放出的能量大．因此可知兩個(gè)比鐵輕的原子核結(jié)合時(shí)，或比鐵重的重核分裂時(shí)，都要放出能量． （2）也可以根據(jù)核子的平均質(zhì)量圖分析，如圖，由圖中可以看出，鐵原子核子的平均質(zhì)量最小，如果原子序數(shù)較大的裂變成或，或者原子序數(shù)較小的和結(jié)合成核，都會(huì)有質(zhì)量虧損，根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程，都要放出能量． 要點(diǎn)四、粒子與宇宙 1．“基本粒子”不基本 （1）19世紀(jì)末，許多人認(rèn)為光子、電子、質(zhì)子和中子是組成物質(zhì)的不可再分的最基本粒子． （2）從20世紀(jì)起科學(xué)家陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了多種同種類的新粒子，它們不是由質(zhì)子、中子、電子組成． （3）科學(xué)家進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)質(zhì)子、中子等本身也是復(fù)合粒子，且還有著復(fù)雜的結(jié)構(gòu)． （4）粒子加速器和粒子探測(cè)器是研究粒子物理的主要工具． 2．粒子的分類 按照粒子與各種相互作用的關(guān)系，可以將粒子分為三大類：強(qiáng)子、輕子和媒介子． 微觀粒子分類如下表所示： 分類 參與的相互作用 發(fā)現(xiàn)的粒子 備注 強(qiáng)子 強(qiáng)相互作用 質(zhì)子、中子、介子、超子 質(zhì)子是最早發(fā)現(xiàn)的強(qiáng)子強(qiáng)子有內(nèi)部結(jié)構(gòu) 輕子 不參與強(qiáng)相互作用 電子、電子中微子、子、子中微子，子、子中微子 無內(nèi)部結(jié)構(gòu) 媒介子 各種相互作用 光子、中間玻色子、膠子 光子傳遞電磁相互作用 玻色子傳遞弱相互作用 膠子傳遞強(qiáng)相互作用 3．反粒子（反物質(zhì)） 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，許多粒子都有和它質(zhì)量相同而電荷及其他一些物理量相反的粒子，叫反粒子．例如電子和正電子，質(zhì)子和反質(zhì)子等．由反粒子構(gòu)成的物質(zhì)叫反物質(zhì)． 反粒子（反物質(zhì)）最顯著的特點(diǎn)是當(dāng)它們與相應(yīng)的正粒子（物質(zhì)）相遇時(shí)，會(huì)發(fā)生“湮滅”，即同時(shí)消失而轉(zhuǎn)化成其他的粒子． 4．夸克模型 實(shí)驗(yàn)表明強(qiáng)子是有內(nèi)部結(jié)構(gòu)的，1964年美國(guó)物理學(xué)家蓋爾曼提出了強(qiáng)子的夸克模型，認(rèn)為強(qiáng)子是由夸克構(gòu)成的． 5．宇宙的演化 用粒子物理學(xué)可以較好地解釋宇宙的演化．根據(jù)大爆炸理論，在宇宙形成之初是“粒子家族”盡顯風(fēng)采的時(shí)期．在大爆炸的瞬間（約，溫度為）產(chǎn)生夸克、輕子、膠子等粒子．大爆炸后約，溫度下降到左右，夸克構(gòu)成質(zhì)子和中子等強(qiáng)子，這個(gè)溫度范圍正是各種強(qiáng)子熙熙攘攘擠在一起的時(shí)代，稱為強(qiáng)子時(shí)代．當(dāng)溫度下降到（），只剩下少量的夸克，而自由的光子、中微子和電子等輕子大量存在，此時(shí)代稱為輕子時(shí)代．當(dāng)溫度下降到（），少量的中子和質(zhì)子結(jié)合成氘核，并很快生成氦核，同時(shí)有氚核、氦等輕核及其他輕核生成，此時(shí)稱為核合成時(shí)代．在左右（），電子與原子核結(jié)合成原子，此時(shí)稱為復(fù)合時(shí)代．繼續(xù)冷卻，質(zhì)子、電子、原子等與光子分離而逐步組成恒星和星系． 6．恒星的演化 大爆炸萬年后，溫度下降到左右．出現(xiàn)了由中性原子構(gòu)成的宇宙塵埃．由于萬有引力作用逐漸凝聚成團(tuán)塊，形成氣態(tài)的星云團(tuán)，星云團(tuán)進(jìn)一步凝聚收縮，使得引力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，溫度升高，溫度升到一定程度就開始發(fā)光，這樣一顆恒星就誕生了．這顆星繼續(xù)收縮，繼續(xù)升溫，當(dāng)溫度超過時(shí)，氫聚變成氦，向外輻射能量，核能耗盡后就進(jìn)入末期，末期形態(tài)主要有三種：白矮星、中子星和黑洞． 7．夸克理論簡(jiǎn)介 夸克理論經(jīng)過幾十年的完善和發(fā)展，已經(jīng)逐漸為多數(shù)粒子物理學(xué)家所接受．根據(jù)夸克理論，夸克有種，它們是上夸克（）、奇異夸克（）、粲夸克（）、下夸克（）、底夸克（）和頂夸克（）．它們帶的電荷分別為元電荷的或．到目前為止，人們已經(jīng)從實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了所有種夸克及其反夸克存在的證據(jù)． 夸克模型的提出是物理學(xué)發(fā)展中的一個(gè)重大突破，它指出電子電荷不再是電荷的最小單元，即存在分?jǐn)?shù)電荷． 8．統(tǒng)一場(chǎng)論（微觀粒子與宏觀宇宙的統(tǒng)一） 物理學(xué)向微觀粒子和宇宙兩個(gè)領(lǐng)域的研究今天得到了初步統(tǒng)一，統(tǒng)一場(chǎng)論在逐漸形成．物理學(xué)完整、和諧美在這里又得到了充分體現(xiàn)．正如緒言中所說：“物理學(xué)中研究最大和最小對(duì)象的兩個(gè)分支——宇宙學(xué)和粒子物理學(xué)就奇妙地銜接在一起，猶如一條怪蟒咬住自己的尾巴．” 從上面的兩個(gè)圖可以看到，人類所在物質(zhì)世界的空間跨度與時(shí)間跨度競(jìng)呈現(xiàn)出如此的對(duì)稱美． 要點(diǎn)四、單元知識(shí)網(wǎng)絡(luò) 【典型例題】 類型一、核力與核結(jié)合能 例1．科學(xué)研究表明，自然界存在四種基本相互作用．我們知道分子之間也存在相互作用的引力和斥力，那么分子力實(shí)質(zhì)上屬于（ ）． A．引力相互作用 B．電磁相互作用 C．強(qiáng)相互作用和弱相互作用的共同作用 D．四種基本相互作用的共同作用 【思路點(diǎn)撥】分子由原子組成，原子是由帶正電的原子核和帶負(fù)電的核外電子組成，分子力就是由這些帶電粒子之間相互作用引起的． 【答案】B 【解析】分子作用范圍約在數(shù)量級(jí)上，強(qiáng)相互作用和弱相互作用都是短程力，作用范圍在和之內(nèi)，在這個(gè)距離上分子力不存在．在這個(gè)范圍內(nèi)引力相互作用和電磁相互作用都存在，但由于電磁力遠(yuǎn)大于萬有引力，引力相互作用可以忽略不計(jì)，因此分子力本質(zhì)上屬于電磁相互作用． 【總結(jié)升華】分子由原子組成，原子是由帶正電的原子核和帶負(fù)電的核外電子組成，分子力就是由這些帶電粒子之間相互作用引起的，這樣就很自然地揭示出分子力本質(zhì)上是一種電磁相互作用． 舉一反三: 【變式1】激光中子是由重原子核吸收光子后發(fā)射中子而產(chǎn)生的，光子的極限能量大約是．假定中子從原子核上向外移開距離所受的力保持不變，則平均核力的數(shù)量級(jí)是（ ）． A． B． C． D．無法計(jì)算 【答案】C 【解析】核力是一種很強(qiáng)的力，應(yīng)存在于相鄰的核子之間，作用范圍在之內(nèi)，由題意知： ， 則 ， 故選項(xiàng)C正確． 【總結(jié)升華】核力是核子內(nèi)特有的力，只在10－15 m范圍內(nèi)才有力的作用，計(jì)算時(shí)，用能量的觀點(diǎn)做近似的處理，可計(jì)算出核力的大?。? 【變式2】下面關(guān)于結(jié)合能和比結(jié)合能的說法中，正確的有（ ）． A．核子結(jié)合成原子核吸收的能量或原子核拆解成核子放出的能量稱為結(jié)合能 B．比結(jié)合能越大的原子核越穩(wěn)定，因此它的結(jié)合能也一定越大 C．重核與中等質(zhì)量原子核相比較，重核的結(jié)合能和比結(jié)合能都大 D．中等質(zhì)量原子核的結(jié)合能和比結(jié)合能均比輕核的要大 【答案】D 【解析】核子結(jié)合成原子核是放出能量，原子核拆解成核子是吸收能量，A選項(xiàng)錯(cuò)；比結(jié)合能越大的原子核越穩(wěn)定，但比結(jié)合能越大的原子核，其結(jié)合能不一定大，例如中等質(zhì)量原子核的比結(jié)合能比重核大，但由于核子數(shù)比重核少，其結(jié)合能比重核反而小，B、C兩項(xiàng)錯(cuò)；中等質(zhì)量原子核的比結(jié)合能比輕核的大，它的原子核內(nèi)核子數(shù)又比輕核多，因此它的結(jié)合能也比輕核大，D選項(xiàng)正確． 【總結(jié)升華】結(jié)合能和比結(jié)合能定義的理解是判斷此題關(guān)鍵． 例2．為紀(jì)念愛因斯坦對(duì)物理學(xué)的巨大貢獻(xiàn)，聯(lián)合國(guó)將2005年定為“國(guó)際物理年”．對(duì)于愛因斯坦提出的質(zhì)能方程，下列說法中不正確的是（ ）． A．表明物體具有的能量與其質(zhì)量成正比 B．根據(jù)可以計(jì)算核反應(yīng)中釋放的核能 C．一個(gè)中子和一個(gè)質(zhì)子結(jié)合成氘核時(shí)，釋放出核能，表明此過程中出現(xiàn)了質(zhì)量虧損 D．中的是發(fā)生核反應(yīng)中釋放的核能 【答案】D 【解析】愛因斯坦質(zhì)能方程，定量地指出了物體能量和質(zhì)量之間的關(guān)系，A正確；由質(zhì)能方程知，當(dāng)物體的質(zhì)量減少時(shí)，物體的能量降低，向外釋放了能量；反之，若物體的質(zhì)量增加了，則物體的能量升高，表明它從外界吸收了能量，所以由物體的質(zhì)量變化能算出物體的能量變化。故B、C正確．D錯(cuò)誤． 【總結(jié)升華】質(zhì)能方程反映了質(zhì)量與能量的對(duì)應(yīng)關(guān)系．物體的能量跟其質(zhì)量成正比，即一定的能量必定對(duì)應(yīng)著一定的質(zhì)量，質(zhì)量不能轉(zhuǎn)化為能量． 舉一反三: 【變式】已知氮核質(zhì)量，氧核質(zhì)量，氦核質(zhì)量，質(zhì)子質(zhì)量，試判斷核反應(yīng)：是吸能反應(yīng)，還是放能反應(yīng)，能量變化多少？ 【思路點(diǎn)撥】．（單位是）；（單位是）． 【答案】見解析。 【解析】反應(yīng)前總質(zhì)量 ， 反應(yīng)后總質(zhì)量 ． 因?yàn)榉磻?yīng)中質(zhì)量增加，所以此反應(yīng)為吸能反應(yīng)，所吸收的能量為 【總結(jié)升華】核能的計(jì)算方法為： （1）根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程，用核子結(jié)合成原子核時(shí)質(zhì)量虧損乘以真空中光速的平方： ．（單位是） （2）根據(jù)原子質(zhì)量單位（）相當(dāng)于能量，用核子結(jié)合成原子核時(shí)質(zhì)量虧損的原子質(zhì)量單位數(shù)乘以，即 （單位是） 例3．的質(zhì)量是，質(zhì)子的質(zhì)量是，中子質(zhì)量是．求： （1）一個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子結(jié)合為氚核時(shí)，是吸收還是放出能量？該能量為多少？ （2）氚核的結(jié)合能和比結(jié)合能各是多少？ （3）如果這些能量是以光子形式放出，則光子的頻率是多少？ 【答案】見解析。 【解析】（1）一個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子結(jié)合成氚核的反應(yīng)方程式是 ， 反應(yīng)前各核子總質(zhì)量為 ， 反應(yīng)后新核的質(zhì)量為 ， 質(zhì)量虧損為 ． 因反應(yīng)前的總質(zhì)量大于反應(yīng)后的總質(zhì)量，故此核反應(yīng)為放能反應(yīng)． 釋放的核能為 ． （2）氚核的結(jié)合能即為 ， 它的比結(jié)合能為 ． （3）放出光子的頻率為 ．． 舉一反三: 【變式1】某核反應(yīng)方程為．已知的質(zhì)量為，的質(zhì)量為，的質(zhì)量為，的質(zhì)量為．則下列說法中正確的是（ ）． A．是質(zhì)子，該反應(yīng)釋放能量 B．是中子，該反應(yīng)釋放能量 C．是質(zhì)子，該反應(yīng)吸收能量 D．是中子，該反應(yīng)吸收能量 【答案】B 【變式2】一對(duì)正、負(fù)電子相撞，可以轉(zhuǎn)化為兩個(gè)頻率相同的光子，試求這對(duì)光子的頻率． 【答案】見解析。 【解析】正、負(fù)電子相撞轉(zhuǎn)變成兩個(gè)光子，光子質(zhì)量為零，兩個(gè)電子的質(zhì)量虧損以光子輻射的形式釋放能量，每個(gè)光子所具有的能量占總能量的二分之一， ． 每一光子能量 ． 則光子頻率： ． 【變式3】一真空中存在磁感應(yīng)強(qiáng)度為的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，磁場(chǎng)中有一靜止的質(zhì)量為的原子核發(fā)生一次衰變，已知粒子的質(zhì)量為，電荷量為，其運(yùn)動(dòng)的軌跡在與磁場(chǎng)垂直的平面內(nèi)．現(xiàn)測(cè)得粒子運(yùn)動(dòng)的軌道半徑為，試求出在衰變過程中的質(zhì)量虧損．（注：涉及動(dòng)量問題時(shí)，虧損的質(zhì)量可忽略不計(jì)）． 【答案】見解析。 【解析】設(shè)衰變放出的粒子的速度為，則： ， 用表示衰變后剩余核的速度，在考慮衰變過程中系統(tǒng)的動(dòng)量守恒時(shí)，因?yàn)樘潛p質(zhì)量很小，可不予考慮，由動(dòng)量守恒定律可知： ． 在衰變過程中，粒子和剩余核的動(dòng)能來自于核能，即 ， 解得： ． 【總結(jié)升華】本題是釋放的核能轉(zhuǎn)換成了粒子和新核的動(dòng)能。再根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程進(jìn)行分析計(jì)算．本題考查衰變中動(dòng)量守恒定律的應(yīng)用、磁場(chǎng)中粒子做圓周運(yùn)動(dòng)的分析及核能的計(jì)算． 類型二、重核裂變及其應(yīng)用 例4．關(guān)于重核的裂變，以下說法正確的是（ ）． A．核裂變釋放的能量等于它俘獲中子時(shí)得到的能量 B．中子從鈾塊中通過時(shí)，一定發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng) C．重核裂變釋放出大量能量，產(chǎn)生明顯的質(zhì)量虧損，所以核子數(shù)要減少 D．由于重核的核子平均質(zhì)量大于中等質(zhì)量核的核子平均質(zhì)量，所以重核裂變?yōu)橹械荣|(zhì)量的核時(shí)，要發(fā)生質(zhì)量虧損，放出核能 【思路點(diǎn)撥】根據(jù)重核發(fā)生裂變的條件和裂變放能的原理分析． 【答案】D 【解析】根據(jù)重核發(fā)生裂變的條件和裂變放能的原理分析可知，裂變時(shí)因鈾核俘獲中子即發(fā)生核反應(yīng)，是核能轉(zhuǎn)化為其他形式能的過程，其釋放的能量遠(yuǎn)大于其俘獲中子時(shí)吸收的能量．鏈?zhǔn)椒磻?yīng)是有條件的，即鈾塊的體積必須大于其臨界體積．如果體積小，中子從鈾塊中穿過時(shí)，碰不到原子核，則鏈?zhǔn)椒磻?yīng)就不會(huì)發(fā)生．在裂變反應(yīng)中核子數(shù)是不會(huì)減少的，如裂變?yōu)楹偷暮朔磻?yīng)，其核反應(yīng)方程為 ， 其中各粒子質(zhì)量分別為 ， ， ， ， 質(zhì)量虧損為 ． 可見鈾裂變的質(zhì)量虧損是遠(yuǎn)小于一個(gè)核子的質(zhì)量的，核子數(shù)是不會(huì)減少的，因此選項(xiàng)A、B、C均錯(cuò)．重核裂變?yōu)橹械荣|(zhì)量的原子核時(shí)，由于平均質(zhì)量減小，還會(huì)發(fā)生質(zhì)量虧損，從而釋放出核能．綜上所述，選項(xiàng)D正確． 【總結(jié)升華】重核發(fā)生裂變的條件是：（1）要俘獲慢中子；（2）鈾塊的體積要大于臨界體積． 重核裂變放能的原因是：重核核子的平均質(zhì)量大于中等核核子的平均質(zhì)量． 舉一反三: 【變式】在核反應(yīng)堆中，為了使中子減速成為慢中子，必須用重水或石墨作慢化劑，使快中子跟慢化劑的原子核相碰（設(shè)這些碰撞是彈性正碰），以達(dá)到減速的目的．你認(rèn)為用質(zhì)量數(shù)大的作慢化劑效果好還是用質(zhì)量數(shù)小的作慢化劑效果好?試作相應(yīng)說明和計(jì)算（設(shè)減速劑原子核原來是靜止的）． 【答案】見解析。 【解析】因中子與慢化荊原予核發(fā)生彈性碰撞，碰撞過程動(dòng)量和能量都守恒． 設(shè)中子質(zhì)量為，慢化劑原子核質(zhì)量為，中子的初速度為，有 ， ， 解得 ． 可見，當(dāng)越接近時(shí)，越小，即質(zhì)子數(shù)小的減速效果好． 例5．核反應(yīng)堆的構(gòu)造是怎樣的？有哪些類型？ 【答案】見解析。 【解析】在核電站中，核反應(yīng)堆是熱源，如圖為簡(jiǎn)化的核反應(yīng)堆的示意圖： 鈾棒是燃料，由天然鈾或濃縮鈾（鈾的含量占）制成，石墨（或重水）為減速劑，使反應(yīng)生成的快中子變?yōu)槁凶?，便于鈾吸收，發(fā)生裂變，減速劑附在鈾棒周圍．鎘棒的作用是吸收中子，控制反應(yīng)速度，所以也叫控制棒，控制棒插入深些，吸收中子多，反應(yīng)速度變慢；插入淺一些，吸收中子少，反應(yīng)速度加快，采用電子儀器自動(dòng)地調(diào)節(jié)控制棒的升降，就能使反應(yīng)堆安全正常地工作． 核反應(yīng)釋放的能量大部分轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，這時(shí)通過水、液態(tài)鈉或二氧化碳作冷卻劑，在反應(yīng)堆內(nèi)外循環(huán)流動(dòng)，把內(nèi)能傳輸出去，用于推動(dòng)蒸汽機(jī)，使發(fā)電機(jī)發(fā)電．發(fā)生裂變反應(yīng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一些有危害的放射性物質(zhì)，很厚的混凝土防護(hù)層可以防止輻射線射到外面． 核反應(yīng)堆有下列不同類型 （1）氣冷式反應(yīng)堆，即采用冷氣體作為冷卻劑，如空氣、二氧化碳等，英國(guó)大多數(shù)核電站的反應(yīng)堆是氣冷式的． （2）水冷式反應(yīng)堆． ①壓水堆與沸水堆： 在正常運(yùn)動(dòng)條件下，壓水堆內(nèi)的水由于受到很高的壓力，始終處于“液態(tài)”，我國(guó)已建成的秦山核電站（一期）和大亞灣核電站以及正在建設(shè)的秦山二期、嶺澳和田灣核電站均采用壓水堆．沸水反應(yīng)堆內(nèi)的水處于汽、液兩相的狀態(tài)． ②輕水堆與重水堆： 氫有三種同位素：氕、氘、氚．普通水中的氫原子是“氕”，這種水稱為“輕水”；若水中的氫原子是“氘”，則稱為“重水”，“輕水堆”和“重水堆”的區(qū)別在于反應(yīng)堆的冷卻劑、慢化劑是“輕水”還是“重水”．秦山三期核電工程采用的是重水堆． 【總結(jié)升華】了解核反應(yīng)堆的構(gòu)造，搞清各部的作用及基本原理． 例6．已知一個(gè)鈾核裂變時(shí)能釋放的能量，問鈾完全裂變能釋放多少能量？相當(dāng)于完全燃燒多少噸熱值為的煤所放出的能量？ 【思路點(diǎn)撥】第一步如何把已知與所求聯(lián)系起來，特別是要能考慮到利用相對(duì)原子質(zhì)量和阿伏加德羅常數(shù)來計(jì)算1 kg鈾所含有的原子核數(shù)． 【答案】見解析。 【解析】首先求出鈾中含有的原子核數(shù)，然后即可根據(jù)已知求解． 鈾中含有的原子核數(shù)為 ， 每個(gè)鈾核裂變能放出的能量，則鈾核裂變能釋放 設(shè)與鈾完全裂變釋放出的能量相當(dāng)?shù)拿旱馁|(zhì)量是，則 ． ． 【總結(jié)升華】解答此題的關(guān)鍵在于第一步如何把已知與所求聯(lián)系起來，特別是要能考慮到利用相對(duì)原子質(zhì)量和阿伏加德羅常數(shù)來計(jì)算1 kg鈾所含有的原子核數(shù)，然后一切問題便迎刃而解． 舉一反三: 【變式】受中子轟擊時(shí)會(huì)發(fā)生裂變，產(chǎn)生和，同時(shí)放出兆電子伏的能量．現(xiàn)要建設(shè)發(fā)電能力是萬千瓦的核電站，用鈾作為原子鍋爐的燃料．假設(shè)核裂變釋放的能量全部被用來發(fā)電，那么一天需要純鈾的質(zhì)量為多大？（阿伏加德羅常數(shù)?。? 【答案】見解析。 【解析】鈾釋放的能量等于一天發(fā)電的電能．計(jì)算出萬千瓦的電站一天發(fā)出的電能，也就是一天所需的鈾釋放的核能，進(jìn)而求得鈾的質(zhì)量． 先根據(jù)發(fā)電功率計(jì)算出每天所發(fā)電能的總量為： ． 要得到這么多能量需要裂變的鈾原子數(shù)目為： ． 則對(duì)應(yīng)的質(zhì)量為： ． 【總結(jié)升華】本題以核電站發(fā)電為背景材料，通過量化計(jì)算，說明核能的利用是解決能源問題的有效途徑． 類型三、輕核聚變及其應(yīng)用 例7．產(chǎn)生聚變的條件是________，我們往往采用________的方法來滿足上述條件，這種反應(yīng)叫做________．太陽每秒鐘輻射出來的能量約為，就是從________反應(yīng)中產(chǎn)生的，太陽內(nèi)部時(shí)刻進(jìn)行著個(gè)質(zhì)子結(jié)合成一個(gè)氦核的反應(yīng)，試寫出核反應(yīng)方程________． 【答案】使輕核之間的距離減小到 把它們的溫度加熱到很高 熱核反應(yīng) 熱核 【解析】“聚變”就是要使原先相距“較遠(yuǎn)”的核克服庫(kù)侖斥力而結(jié)合為一個(gè)“穩(wěn)定”的新核，因此事先必須讓兩核獲得較大的初動(dòng)能，常采用加熱的方法． 【總結(jié)升華】目前地球上的常規(guī)能源（如煤、石油、天然氣、水能、風(fēng)能）歸根結(jié)底都來自于太陽內(nèi)部劇烈的熱核反應(yīng)所產(chǎn)生的能量． 舉一反三: 【變式】據(jù)新華社報(bào)道，由我國(guó)自行設(shè)計(jì)、研制的世界第一套全超導(dǎo)核聚變實(shí)驗(yàn)裝置（又稱“人造太陽”）已完成了首次工程調(diào)試．下列關(guān)于“人造太陽”的說法正確的是（ ）． A．“人造太陽”的核反應(yīng)方程式是 B．“人造太陽”的核反應(yīng)方程式是 C．根據(jù)公式可知，核燃料的質(zhì)量相同時(shí)，聚變反應(yīng)釋放的能量比裂變反應(yīng)大得多 D．根據(jù)公式可知，核燃料的質(zhì)量相同時(shí)，聚變反應(yīng)釋放的能量與裂變反應(yīng)釋放的能量相同 【答案】A、C 【解析】是氫核聚變方程，故A項(xiàng)正確；根據(jù)氫核聚變特點(diǎn)，相同質(zhì)量的核燃料，氫核聚變釋放的能量比裂變反應(yīng)大得多，故選項(xiàng)C正確． 【總結(jié)升華】了解“人造太陽”是聚變及聚變中釋放的能比裂變中釋放能量多是解決本題的前提． 例8．使兩個(gè)氘核聚變生成一個(gè)氦核要放出多少核能？ 【思路點(diǎn)撥】求出質(zhì)量虧損，關(guān)鍵是要正確寫出核反應(yīng)方程． 【答案】見解析。 【解析】聚變的核反應(yīng)式為 ． 根據(jù)不同的已知條件，通?？梢杂袃煞N計(jì)算方法． 方法一：先查出氘核和氦核的質(zhì)量 ， ． 然后根據(jù)反應(yīng)前后的質(zhì)量虧損，用質(zhì)能方程算出釋放的核能． 方法二：先查出氘核和氦核的結(jié)合能 ， ． 然后采用“先拆散、后結(jié)合”的方法，即先把個(gè)氘核分解成個(gè)自由核子（個(gè)中子和個(gè)質(zhì)子），再使這個(gè)自由核子結(jié)合成氦核，比較前后兩個(gè)過程中釋放的結(jié)合能，同樣可得出結(jié)果． 如方法一，核反應(yīng)前后的質(zhì)量虧損為 ． 釋放出的核能為 ． 【總結(jié)升華】釋放的能量仍然要求出質(zhì)量虧損，關(guān)鍵是要正確寫出核反應(yīng)方程． 舉一反三: 【變式1】已知一個(gè)鈹核和一個(gè)粒子結(jié)合成一個(gè)碳核，并放出的能量． （1）寫出核反應(yīng)方程． （2）若鈹核和粒子共有，則剛好完全反應(yīng)，那么共放出多少的能量? （3）質(zhì)量虧損共多少? 【答案】（1） （2）； （3）． 【變式2】?jī)蓚€(gè)氘核聚變產(chǎn)生一個(gè)中子和一個(gè)氦核，已知氘核質(zhì)量，氦核質(zhì)量，中子質(zhì)量． （1）計(jì)算釋放出的結(jié)合能； （2）若反應(yīng)前兩氘核的動(dòng)能均為，它們正撞發(fā)生聚變，且反應(yīng)后釋放的核能全部轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能，則反應(yīng)產(chǎn)生的氦核和中子的動(dòng)能各為多大？ 【答案】見解析。 【解析】（1）核反應(yīng)方程為： ． 該反應(yīng)質(zhì)量虧損 ． 由質(zhì)能方程得釋放核能 ． （2）將兩氘核作為一個(gè)系統(tǒng)，由動(dòng)量守恒有 ， ① 由能量守恒有： ． ② 由①②代入數(shù)據(jù)可得 ， ． 【總結(jié)升華】核反應(yīng)中注意應(yīng)用動(dòng)量守恒和能量守恒；特別是能量守恒中的關(guān)系式不能出錯(cuò)． 例9．（1）太陽內(nèi)部持續(xù)不斷地發(fā)生著四個(gè)質(zhì)子聚變?yōu)橐粋€(gè)氦核的熱核反應(yīng)，這種核反應(yīng)釋放出的能量就是太陽能的能源．其核反應(yīng)方程是________；若，，．則該反應(yīng)中發(fā)生的質(zhì)量虧損是________；如果相當(dāng)于，由該反應(yīng)中釋放的能量是________． 由于核反應(yīng)中的質(zhì)量虧損，太陽的質(zhì)量緩慢減少，與現(xiàn)在相比，在很久很久以前，地球公轉(zhuǎn)的周期________（填“較長(zhǎng)”“較短”或“沒有變化”）． （2）利用光電轉(zhuǎn)換裝置可以將太陽能轉(zhuǎn)化為電能．若地球附近某太空站上的太陽能電池接收板的面積是，光電轉(zhuǎn)化效率為．已知太陽輻射的總功率為，太陽輻射穿過太空的能量損失忽略不計(jì)，光速為，太陽光射到地球上經(jīng)歷的時(shí)間是．試求該太陽能電池能夠輸出的最大電功率． 【答案】（1） 較短 （2） 【解析】（1）核反應(yīng)方程為 ． 核反應(yīng)的質(zhì)量虧損為 ． 該核反應(yīng)釋放的能量為 ． 在很久很久以前，太陽的質(zhì)量比現(xiàn)在的大，太陽和地球間的萬有引力比現(xiàn)在的大，由， 可知很久很久以前，地球公轉(zhuǎn)的周期較短． （2）以太陽為中心，日地間距離為半徑做一個(gè)球面，其表面積，． 設(shè)接收板上獲得的輻射功率為，當(dāng)其正對(duì)太陽光時(shí)，獲得功率最大，則，聯(lián)立求解可得 ． 則太陽能電池能夠輸出的最大電功率為 ． 類型四、粒子與宇宙 例10．已知介子、介子都是由一個(gè)夸克（夸克或夸克）和一個(gè)反夸克（反夸克或反夸克）組成的，它們的帶電量如下表所示。為元電荷． 帶電量 下列說法中正確的是（ ）． A．由和組成 B．由和組成 C．由和組成 D．由和組成 【答案】A、D 【解析】根據(jù)電荷量關(guān)系可知，由于介子帶有的電量，又由于介子是由一個(gè)夸克和一個(gè)反夸克組成，根據(jù)題意可知介子（）應(yīng)由一個(gè)夸克和反夸克構(gòu)成，同理介子由夸克和反夸克構(gòu)成． 舉一反三: 【變式1】目前普遍認(rèn)為，質(zhì)子和中子都是由被稱為夸克和夸克的兩類夸克組成．夸克帶電量為，夸克帶電量，為基元電荷．下列論斷可能正確的是（ ）． A．質(zhì)子由1個(gè)夸克和1個(gè)夸克組成，中子由1個(gè)夸克和2個(gè)夸克組成 B．質(zhì)子由2個(gè)夸克和1個(gè)夸克組成，中子由1個(gè)夸克和2個(gè)夸克組成 C．質(zhì)子由1個(gè)夸克和2個(gè)夸克組成，中子由2個(gè)夸克和1個(gè)夸克組成 D．質(zhì)子由2個(gè)夸克和1個(gè)夸克組成，中子由1個(gè)夸克和1個(gè)夸克組成 【答案】B 【變式2】現(xiàn)在，科學(xué)家們正在設(shè)法尋找“反物質(zhì)”，所謂“反物質(zhì)”是由“反粒子”構(gòu)成的，“反粒子”與其對(duì)應(yīng)的正粒子具有相同質(zhì)量和相同電荷量，但電荷的電性相反，據(jù)此，若有反粒子，它的質(zhì)量數(shù)為________，電荷數(shù)為________． 【答案】 【解析】由于正粒子為，質(zhì)量數(shù)為，電荷數(shù)為，根據(jù)題中對(duì)“反粒子”的定義，反粒子，質(zhì)量數(shù)也為，而電荷教則應(yīng)為． 【總結(jié)升華】關(guān)鍵是清楚“反粒子”的定義，就不難求出此題． 例11．某一年，顆人造衛(wèi)星同時(shí)接收到來自遠(yuǎn)方的中子星發(fā)射的光子，經(jīng)分析確認(rèn)，個(gè)負(fù)電子和個(gè)正電子湮滅時(shí)放出個(gè)頻率相同的光子．已知負(fù)電子、正電子的靜止質(zhì)量，又已知靜止質(zhì)量為的粒子，其能量和湮滅前的動(dòng)量滿足關(guān)系．式中為光速，若負(fù)電子、正電子的動(dòng)量為零，求： （1）寫出湮滅的核反應(yīng)方程式這； （2）用動(dòng)量的有關(guān)知識(shí)說明上述核反應(yīng)不可能只放出一個(gè)光子； （3）計(jì)算出光子的頻率． 【思路點(diǎn)撥】光子、電子等均有動(dòng)量和能量且均守恒． 【答案】見解析。 【解析】（1）核反應(yīng)方程式為 ． （2）若只放出一個(gè)光子，說明反應(yīng)后總動(dòng)量不為零，而反應(yīng)前總動(dòng)量為零，違反動(dòng)量守恒定律，所以只放出一個(gè)光子是不可能的． （3）正、負(fù)電子湮滅前的動(dòng)量為零，即項(xiàng)為零，可知其對(duì)應(yīng)的能量為 ， 光子的能量滿足 ， 由能量守恒有： ， 即得頻率為 ． 【總結(jié)升華】光子、電子等均有動(dòng)量和能量且均守恒． 舉一反三: 【變式】科學(xué)家發(fā)現(xiàn)太空中的射線一般都是從很遠(yuǎn)的星體放射出來的．當(dāng)射線爆發(fā)時(shí)，在數(shù)秒鐘內(nèi)所產(chǎn)生的能量相當(dāng)于太陽在過去億年所發(fā)生的能量的總和的倍左右，大致相當(dāng)于將太陽的全部質(zhì)量轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰康目偤停茖W(xué)家利用超級(jí)計(jì)算機(jī)對(duì)射線的狀態(tài)進(jìn)行了模擬．經(jīng)模擬發(fā)現(xiàn)射線爆發(fā)是起源于一個(gè)垂死的星球的“坍縮”過程，只有星球“坍縮”時(shí)，才可以發(fā)出這么巨大的能量．已知太陽光照射到地球上大約需要分秒的時(shí)間，由此來估算在宇宙中，一次射線爆發(fā)所放出的能量．（萬有引力常量，年時(shí)間約為） 【答案】見解析。 【解析】 ， 地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，萬有引力提供向心力： ， 太陽的質(zhì)量為： ， 射線爆發(fā)所發(fā)出的能量： ． 【總結(jié)升華】根據(jù)信息求出太陽質(zhì)量以及與之對(duì)應(yīng)的能量值，挖掘信息是關(guān)鍵． 例12． 1997年8月26日在日本舉行的國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)上，德國(guó)的研究組宣布了他們的研究成果，銀河系的中心可能存在一個(gè)大黑洞，他們的根據(jù)是用口徑為的天文望遠(yuǎn)鏡對(duì)獵戶座中位于銀河系中心附近的星系進(jìn)行近六年的觀測(cè)所得到的數(shù)據(jù)，他們發(fā)現(xiàn)距銀河系中心約億千米的星體正以的速度圍繞銀河系中心旋轉(zhuǎn)．根據(jù)上面的數(shù)據(jù)，試在經(jīng)典力學(xué)范圍內(nèi)（見提示），通過計(jì)算確認(rèn)，如果銀河系中心確實(shí)存在黑洞的話，其最大半徑是多少？（最后結(jié)果保留一位有效數(shù)字，引力常量） 提示：（1）黑洞是一種密度極大的天體，其表面的引力是如此之強(qiáng)，以致包括光在內(nèi)的所有物質(zhì)都逃脫不了其引力的作用； （2）計(jì)算中可以采用拉普拉斯黑洞模型，即使黑洞表面的物體初速等于光速也逃脫不了引力的作用． 【答案】見解析。 【解析】設(shè)黑洞質(zhì)量為，由題中信息“銀河系的中心可能存在一個(gè)大黑洞，距銀河系中心約億千米的星體正以的速度圍繞銀河系中心旋轉(zhuǎn)”可以得到這樣一個(gè)理想模型：質(zhì)量為的星體繞銀河系中心做圓周運(yùn)動(dòng)，則 ， 得 ． 由拉普拉斯黑洞模型的信息得到：若質(zhì)量為的物體能以光速在其表面環(huán)繞飛行，而不會(huì)離去，則 ， 得 ． 【總結(jié)升華】黑洞的計(jì)算包括兩點(diǎn)：（1）黑洞質(zhì)量與圓周運(yùn)動(dòng)關(guān)系；（2）物體以光速繞黑洞飛行，即．