2019-2020学年高中物理 第19章 原子核 7 核聚变 8 粒子和宇宙课件 新人教版选修3-5

7核聚变8粒子和宇宙目前世界上利用核能发电已占到总发电量的20%，我国也越来越重视利用核能发电，目前浙江秦山核电站和广东大亚湾核电站已经运行发电20年左右，几个新的核电站也在建设之中．我们知道核电站的核反应堆是利用慢中子去轰击重核，使其发生裂变放出大量能量，从而发电．那么这与原子弹的裂变有何不同呢？答案：原子弹和核反应堆一样都是利用重核裂变释放大量能量的原理，但原子弹是利用快中子导致链式反应而发生原子爆炸的武器，裂变进行得极其迅猛，其爆炸可在百分之一秒内完成．而核反应堆利用慢中子导致链式反应，其反应速度比较缓慢且可以人为控制．一、核聚变1．定义：两个轻核结合成质量__________的核，会释放出________，这个核反应叫做________．【答案】较大能量聚变2．聚变典例：21H＋31H→________＋10n＋17.6MeV.【答案】42He3．核反应条件：必须使它们的距离达到________以内，使核具有足够的________，这要克服强大的__________，需要加热到很高的________，这种反应又叫________．【答案】10－15m动能库仑斥力温度热核反应4．聚变的特点：在消耗相同质量的核燃料时，轻核聚变比重核裂变能__________的能量．热核反应一旦发生，不再需要外界给它能量，靠_____________就会使反应继续下去．【答案】放出更多自身产生的热5．普遍性：热核反应在宇宙中时刻进行着，太阳就是一个巨大的________________．【答案】热核反应堆6．应用：________________，________.【答案】可控热核反应氢弹二、受控热核反应1．聚变与裂变相比有很多优点：(1)轻核聚变________________；(2)地球上聚变燃料的储量________；(3)轻核聚变更为________．【答案】(1)产能效率高(2)丰富(3)安全2．约束核聚变材料的方法：________和惯性约束．【答案】磁约束三、粒子和宇宙1．“基本粒子”不基本“基本粒子”：直到19世纪末，人们认为光子、电子、质子、中子是组成物质的不可再分的________________．后来，发现有些新粒子，它们都不是由中子、质子、电子组成的；另一方面科学家又发现质子、中子等本身也有自己的复杂的结构．因此，20世纪后半期，就将“基本”去掉，统称________．【答案】最基本的粒子粒子2．新粒子：1932年发现________，1937年发现________，1947年发现________和________，以后又发现了质量比质子大的粒子叫做超子、反粒子等．【答案】正电子μ子K介子π介子3．粒子的分类：________、________和________．【答案】强子轻子媒介子4．夸克模型(1)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．(2)分类：上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克、底夸克、顶夸克；它们带的电荷量分别为元电荷的________或________，每种夸克都有对应的________．(3)意义：电子电荷不再是电荷的______________，即存在分数电荷．【答案】(1)夸克(2)＋23－13反夸克(3)最小单位四、宇宙和恒星的演化1．宇宙的演化研究微观世界的粒子物理、量子理论，与研究________的理论竟然相互沟通、相互支撑．【答案】宇宙2．恒星的演化当恒星核能耗尽时，就进入末期，恒星的末期形态主要有：白矮星、中子星或________．【答案】黑洞1．原理不同重核的裂变是重核裂变成几个中等质量的原子核，放出能量，而聚变是几个轻核聚变(结合)成一个中等质量的原子核，放出巨大的能量．2．放出能量的大小不同重核裂变时，平均每个核子释放的能量约为1MeV，而轻核的聚变，平均每个核子释放出3MeV以上的能量，即聚变比裂变能放出更多的能量．核聚变与核裂变的区别3．废料处理难度不同裂变产生的废料处理起来比较困难，而热核反应的废料处理要简单得多．4．“燃料”的丰富程度不同热核反应所需要的“燃料”——氘在地球上非常丰富，1升海水中大约有0.03克氘，如果用来进行热核反应，放出的能量约和燃烧300升汽油相当．而裂变燃料——铀在地球上储量有限，尤其是用于核裂变的铀235，在铀矿中仅占0.7%，相比起来聚变的燃料——氘要丰富得多．我国是一个“贫铀”国家，贮藏量不多．5．两种反应的可控制性不同裂变反应速度可以比较容易地进行人工控制，因此，现在国际上的核电站都是利用裂变放出能量，而聚变反应的可控制性比较困难，世界上许多国家都积极研究可控热核反应的理论和技术．科学家设想了两个方案：(1)磁约束：利用强磁场来约束参加反应的物质，目前性能最好的磁约束装置是环流器(又称托卡马克).2002年12月“中国环流器二号”开始运行．(2)惯性约束：利用强激光的惯性压力约束参加反应的物质．1．（2019新课标Ⅱ卷）太阳内部核反应的主要模式之一是质子-质子循坏，循环的结果可表示为1401214HHe+2e+2v，已知11H和42He的质量分别为P1.0078um和4.0026um，1u=931MeV/c2，c为光速.在4个11H转变成1个42He的过程中，释放的能量约为A．8MeVA．16MeVA．26MeVA．52MeV【答案】C解析：反应过程中的质量亏损约为：△m=4mp-mα=4×1.0078u-4.0026u=0.0286u，由于1u=931MeV/c2，根据爱因斯坦质能方程可得：△E=△mc2=26MeV，C正确，A、B、D错误,故选C.1．轻核聚变需要一定的条件，要给原子核加热，使物质温度达到几百万度的超高温，轻核相遇才能发生聚变，放出更大能量，由于温度较高，所以聚变也称热核反应．2．核聚变需要超高温条件的原因使轻核发生聚变，必须使它们的距离十分接近，达到10－15m的近距离．由于原子核都是带正电的，要使它们接近到这种程度，必须克服巨大的库仑斥力．这就要使原子核具有很大的动能．轻核聚变及其发生的条件为了让大量原子核获得足够的动能来产生聚变，有一种办法就是把它们加以很高的温度．当物体达到几百万摄氏度的高温时，剧烈的热运动使得一部分原子核具有足够的动能，可以克服相互间的库仑斥力，在碰撞时发生聚变．3．原子弹爆炸时，能产生这样的高温，然后引起轻核的聚变，氢弹就是根据这一原理制成的．4．自然界中(如太阳等许多恒星内部)都进行着剧烈的核聚变，温度高达107K以上．2．(多选)下列关于聚变的说法中正确的是()A．要使聚变产生，必须克服库仑斥力做功B．轻核聚变需要几百万摄氏度的高温，因此聚变又叫做热核反应C．原子弹爆炸能产生几百万摄氏度的高温，所以氢弹利用原子弹引发热核反应D．太阳和许多恒星内部都在激烈地进行着热核反应【答案】ABCD【解析】轻核聚变时，必须使轻核之间距离达到10－15m，所以必须克服库仑斥力做功，A正确；原子核必须有足够的动能，才能使它们接近到核力能发生作用的范围，实验证实，原子核必须处在几百万摄氏度下才有这样的能量，这样高的温度通常利用原子弹爆炸获得，故B、C正确；在太阳内部或其他恒星内部都进行着热核反应，D正确．1．质子、中子、电子等本身也是复合粒子，还有复杂结构，所以不叫“基本粒子”，称“粒子”．2．粒子的分类对粒子的认识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”粒子构成的；强子又可分为介子和重子分类参与的相互作用发现的粒子备注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、玻色子、胶子分别传递电磁、弱、强相互作用3．(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，表中e为元电荷.粒子π＋π－udud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【答案】AD【解析】根据电荷量关系可知，由于π＋介子带有＋e的电荷量，又由于π＋介子是由一个夸克和一个反夸克组成，根据题意可知π＋介子(＋e)应由一个夸克u＋23e和一个反夸克d＋13e组成，A正确；同理π－介子由夸克d和反夸克u组成，D正确．故正确答案为A、D.例1以下说法正确的是()A．聚变是裂变的逆反应B．如果裂变释放能量，则聚变反应必定吸收能量C．聚变须将反应物加热至数百万度以上高温，显然要吸收能量D．裂变与聚变均可释放巨大能量核聚变的理解及其核反应方程解析：A选项，从形式上看，裂变与聚变似乎是互为逆反应，但其实不然，因为两者的反应物与生成物全然不同．裂变是重核分裂成中等核，而聚变则是轻核聚合成为次轻核，无直接关联，并非互为逆反应．B选项，既然裂变与聚变不是互为逆反应，则在能量的流向上也不必相反．C选项，要实现聚变反应，必须使参加反应的轻核充分接近，需要数百万度高温．但聚变反应一旦实现，所释放的能量远大于所吸收的能量．因此，总的来说，聚变反应还是释放热量，故D正确．答案：D反思领悟：聚变就是使原先相距“较远”的核克服库仑斥力而结合为一个“稳定”的新核，因此事先须让两核获得足够大的初动能．1．(2017西城一模)下列核反应方程中，属于核聚变的是()A．21H＋31H→42He＋10nB．23490Th→23491Pa＋0－1eC．23892U→23490Th＋42HeD．23592U＋10n→14456Ba＋8936Kr＋310n【答案】A解析：21H＋31H→42He＋10n是核聚变方程，故A正确.23490Th→23491Pa＋0－1e中放射出电子，是β衰变，故B错误.23892U→23490Th＋42He中放射出α粒子，是α衰变方程，故C错误.23592U＋10n→14456Ba＋8936Kr＋310n是裂变方程，故D错误．核反应类型的判断例2下列说法不正确的是()A.21H＋31H―→42He＋10n是聚变B.23592U＋10n―→14054Xe＋9438Sr＋210n是裂变C.22688Ra―→22286Rn＋42He是α衰变D.2411Na―→2412Mg＋0－1e是裂变解析：A选项中是两个质量较轻的核结合成了两个质量较重的核，是聚变反应，故A说法正确；B选项的核反应中是铀核捕获中子裂变为两个(或更多)中等质量的核，并放出几个中子，是裂变反应，故B说法正确；在C选项的核反应中没有中子的轰击自发地放出了α粒子，是α衰变，C说法是正确的；而D应是β衰变，故不正确，故答案为D.答案：D反思领悟：衰变是原子核自发转变为另一种核并辐射出α或β粒子；人工转变常用α粒子(也可用中子等)轰击原子核，该核捕获α粒子后产生新原子核，并放出一个或几个粒子．裂变时铀核捕获中子裂变为两个(或更多)中等质量的核，并放出几个中子．轻核聚变时也会放出中子．2．(2018遂宁模拟)对核反应的下列说法正确的是()A．核反应方程147N＋42He→178O＋11H是属于α衰变B．发生核反应21H＋31H→42He＋10n需要吸收能量C．核反应23592U＋10n→8936Kr＋14456Ba＋310n是属于裂变D．发生β衰变实质是质子向中子转变【答案】C解析：核反应方程147N＋42He→178O＋11H是原子核的人工转变，不属于α衰变，故A错误；发生核反应21H＋31H→42He＋10n，是原子核的轻核聚变，放出大量的核能，故B错误；核反应23592U＋10n→8936Kr＋14456Ba＋310n，是属于重核裂变，故C正确；发生β衰变实质是原子核内的一个中子转变为一个质子和一个电子，故D错误．例3太阳内部持续不断地发生着四个质子聚变为一个氦核同时放出两个正电子的热核反应，这个核反应释放出的大量能量就是太阳的能源．(1)写出这个核反应方程；(2)这一核反