2019-2020学年高中物理 第十九章 原子核 7+8 粒子和宇宙课件 新人教版选修3-5

7核聚变8粒子和宇宙学习目标素养提炼1.了解核聚变反应的特点及发生条件．2.会判断和书写核聚变方程，能计算核聚变放出的能量．3.了解可控热核反应．4.知道粒子的分类及其作用，了解夸克模型．5.了解宇宙及恒星的演化.物理观念：核聚变、可控热核反应、夸克模型．科学思维：热核反应可能的控制方法．科学探究：宇宙大爆炸理论及恒星的演化过程.01课前自主梳理02课堂合作探究03随堂演练达标04课后达标检测一、核聚变1．定义：两个轻核结合成质量较大的核的核反应．轻核聚变必须在下进行，因此又叫．2．核反应举例：21H＋31H→＋10n＋17.6MeV.3．实际举例(1)氢弹的原理．(2)太阳内部核聚变释放核能．高温热核反应42He二、受控热核反应1．聚变与裂变相比有很多优点(1)轻核聚变产能；(2)地球上聚变燃料的储量；(3)轻核聚变更为．2．约束核聚变材料的方法：和．效率高丰富安全、清洁磁约束惯性约束[判断辨析](1)核聚变反应中平均每个核子放出的能量比核裂变时小一些．()(2)轻核的聚变只要达到临界质量就可以发生．()(3)现在地球上消耗的能量绝大部分来自太阳内部的裂变反应．()×××三、粒子和宇宙1．“基本粒子”不基本(1)直到19世纪末，人们都认为光子、电子、和是基本粒子．(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组成的，并发现、等本身也有复杂结构．质子中子基本粒子质子中子2．发现新粒子(1)新粒子：1932年发现了，1937年发现了，1947年发现了K介子和π介子及以后发现的超子等．(2)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：、和．(3)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，认为强子是由构成的．正电子μ子强子轻子媒介子夸克3．宇宙及恒星的演化(1)宇宙的演化宇宙大爆炸――→约10－44s后温度为_，产生了夸克、轻子、胶子等粒子――→约10－6s后温度下降到_左右，强子时代―→温度下降到_时，轻子时代―→温度下降到_时，核合成时代――→一万年后温度下降到_，混合电离态―→温度下降到__时，中性的氢原子――→继续冷却恒星和星系．(2)恒星的演化宇宙尘埃―→―→恒星诞生―→氢核聚合成―→氦核聚合成碳核―→其他聚变过程―→无聚变反应，形成白矮星或或黑洞．1032K1013K1011K109K104K3000K星云团氦核中子星[思考]恒星是如何形成的？它在哪个阶段停留的时间最长？提示：宇宙尘埃在外界影响下聚集，某些区域在万有引力作用下开始向内收缩，密度不断增加，形成星云团，星云团进一步凝聚使得引力势能转化为内能，温度升高．当温度上升到一定程度时就开始发光，形成恒星．恒星在辐射产生的向外的压力和引力产生的收缩压力平衡阶段停留时间最长.要点一核聚变的特点及应用[探究导入]如图为氢弹原理示意图．(1)核聚变需要满足什么条件？(2)为什么要用原子弹才能引爆氢弹？提示：(1)使物质达到几百万开尔文的高温．(2)原子弹爆炸放出巨大的能量，可以使温度达到核聚变所需的条件，进而引爆氢弹．1．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10－15m，这要克服电荷间强大的斥力作用，要求使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．2．轻核聚变是放能反应：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．3．核聚变的特点(1)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．(2)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进行下去．(3)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热核反应堆．4．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聚变爆炸．(2)可控热核反应：目前处于探索阶段．5．重核裂变与轻核聚变的区别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要大3～4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重核裂变轻核聚变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.1L海水中大约有0.03g氘，如果用来进行热核反应，放出的能量约与燃烧300L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核裂变反应释放核能目前，除氢弹以外，人们还不能控制它[典例1]关于核聚变，以下说法正确的是()A．与裂变相比轻核聚变辐射极少，更为安全、清洁B．世界上已经有利用核聚变能来发电的核电站C．要使轻核发生聚变，必须使它们的距离达到10－10m以内，核力才能起作用D．核聚变比核裂变更易控制[解析]与裂变相比，核聚变有下面的几个优势：(1)安全、清洁、辐射少；(2)核燃料储量多；(3)核废料易处理．但核聚变不易控制，其发电还没有投入实际运行，要使轻核发生聚变，必须使轻核接近核力发生作用的距离10－15m，B、C、D错误，A正确．[答案]A1．(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，表述正确的有()A.31H＋21H→42He＋10n是核聚变反应B.31H＋21H→42He＋10n是β衰变C.23592U＋10n→14456Ba＋8936Kr＋310n是核裂变反应D.23592U＋10n→14054Xe＋9438Sr＋210n是α衰变解析：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α或β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．答案：AC2．(多选)据新华社报道，由我国自行设计、研制的世界第一套全超导核聚变实验装置(又称“人造太阳”)已完成了首次工程调试．下列关于“人造太阳”的说法正确的是()A．“人造太阳”的核反应方程是21H＋31H→42He＋10nB．“人造太阳”的核反应方程是23592U＋10n→14156Ba＋9236Kr＋310nC．根据公式E＝mc2可知，核燃料的质量相同时，聚变反应释放的能量比裂变反应大得多D．根据公式E＝mc2可知，核燃料的质量相同时，聚变反应释放的能量与裂变反应相同解析：21H＋31H→42He＋10n是轻核聚变方程，故A项正确；根据轻核聚变特点，相同质量的核燃料，轻核聚变释放的能量比裂变反应大得多，故选项C正确．答案：AC要点二新粒子的发现和夸克模型[探究导入]如图为欧洲粒子加速器，能使粒子获得13万亿电子伏特的能量．(1)高速粒子碰撞能产生一些新的粒子，试说出部分20世纪30年代以来发现的新粒子．(2)随着新粒子的发现，质子与中子为什么不再被称为“基本粒子”？提示：(1)正电子、μ子、K介子、π介子、超子．(2)因为科学家们发现质子、中子等本身也是复合粒子，也有着自己的复杂的结构，所以它们不再是“基本粒子”．1．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μ子K介子与π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核子之间其质量比质子大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、μ子、μ子中微子、τ子、τ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、胶子光子、中间玻色子、胶子分别传递电磁、弱、强相互作用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，上夸克带的电荷量为＋2e3，下夸克带的电荷量为－e3.(4)意义：电子电荷不再是电荷的最小单位，即存在分数电荷．[典例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夸克带电荷量为23e，d夸克的带电荷量为－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[思路点拨]题目中给出的信息是u夸克与d夸克的带电荷量，据质子11H带一个元电荷的电荷量及中子10n不带电进行判断．[解析]质子11H带电荷量为2×23e＋1×(－13e)＝e，中子10n带电荷量为23e＋2×(－13e)＝0.[答案]B3．(多选)下列关于夸克模型的说法正确的是()A．强子是由更基本的夸克组成的B．夸克的电荷量分别为元电荷的＋23或－13C．每种夸克都有对应的反夸克D．夸克能以自由的状态单个出现解析：夸克不能以自由的状态单个出现，D错误．答案：ABC4．(多选)已知π＋介子、π－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，它们的带电荷量如下表所示，e为元电荷.π＋π－udu－d－带电荷量＋e－e＋23e－13e－23e＋13e下列说法正确的是()A．π＋由u和d－组成B．π＋由d和u－组成C．π－由u和d－组成D．π－由d和u－组成解析：根据电荷量关系可知，由于π＋介子带有＋e的电荷量，根据题意可知π＋介子(＋e)应由一个夸克u(＋23e)和反夸克d－(＋13e)合成，同理π－介子由夸克d和反夸克u－构成．答案：AD核聚变中的能量问题1．平均每个核子放能较多，是裂变反应的3～4倍．如一个氘核和一个氚核结合成一个氦核时放出能量17.6MeV，平均每个核子放出能量约为3.5MeV；而铀235裂变时，平均每个核子放出能量为1MeV.2．同样质量的情况下，轻核的核子个数多，如氚和氘聚变为1kg氦时放出的能量为ΔE1＝10004×6.02×1023×17.6MeV≈2.65×1027MeV.一个铀核裂变时平均放出的能量为200MeV，则1kg铀核全部裂变时放出能量为ΔE2＝1000235×6.02×1023×200MeV≈5×1026MeV.ΔE1ΔE2＝5.3.5．核聚变能是一种具有经济性能优越、安全可靠、无环境污染等优势的新能源．近几年来，受控核聚变的科学可行性已得到验证，目前正在突破关键技术，最终将建成商用核聚变电站．一种常见的核聚变反应是由氢的同位素氘(又叫重氢)和氚(又叫超重氢)聚合成氦，并释放一个中子．已知氘原子的质量为2.0141u，氚原子的质量为3.0160u，氦原子的质量为4.0026u，中子的质量为1.0087u,1u＝1.66×10－27kg.(1)写出氘和氚聚变的反应方程；(2)试计算这个核反应释放出来的能量；(3)若建一座功率为3.0×105kW的核聚变电站，假设聚变所产生的能量有一半转化成了电能，求每年要消耗的氘的质量．(一年按3.2×107s计算，光速c＝3.0×108m/s，结果取两位有效数字)解析：(1)根据核反应方程遵循电荷数和质量数守恒可得21H＋31H→42He＋10n.(2)核反应过程中出现的质量亏损Δm＝m21H＋m31H－(m42He＋m10n)＝(2.0141＋3.0160－4.0026－1.0087)×1.66×10－27kg≈3.12×10－29kg，由质能方程得，释放出的能量为ΔE＝Δmc2＝3.12×10－29×(3×108)2J≈2.8×10－12J.(