人教版 (新课标)选修37 核聚变教案

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8 粒子和宇宙








eq \([先填空])


1．定义


两个轻核结合成质量较大的核，并释放出能量的反应．


2．举例


eq \\al(2,1)H＋eq \\al(3,1)H→eq \\al(4,2)He＋eq \\al(1,0)n＋17.6 MeV


3．条件


(1)轻核的距离要达到10－15_m以内．


(2)需要加热到很高的温度，因此又叫热核反应．


4．优点


(1)轻核聚变产能效率高．


(2)地球上聚变燃料的储量丰富．


(3)轻核聚变更为安全、清洁．


5．约束方法


磁约束和惯性约束．


eq \([再判断])


1．核聚变反应中平均每个核子放出的能量比裂变时小一些．(×)


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聚变反应．(√)


eq \([后思考])


1．核聚变为什么需要几百万度的高温？


【提示】 要使轻核发生聚变就必须使它们间的距离达到核力发生作用的距离，而核力是短程力，作用距离在10－15 m，在这个距离上时，质子间的库仑斥力非常大，为了克服库仑斥力就需要原子核具有非常大的动能才会撞到一起，当温度达到几百万度时，原子核就可以具有这样大的动能．


2．受控核聚变中磁约束的原理是什么？


【提示】 原子核带有正电，垂直磁场方向射入磁场后在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动，绕着一个中心不断旋转而不飞散开，达到约束原子核的作用．





eq \([合作探讨])


氢弹是核武器的一种，其杀伤破坏因素与原子弹相同，但威力比原子弹大得多，但要使氢弹内发生轻核聚变反应必须有极高的温度和足够大的碰撞几率．


探讨1：怎样才能引发氢弹爆炸？


【提示】 首先由普通炸药引爆原子弹，再由原子弹爆炸产生的高温高压引发氢弹爆炸．


探讨2：为什么轻核的聚变反应能够比重核的裂变反应释放更多的核能？


【提示】 因为很轻的原子核比较重的原子核的核子平均质量更大，聚变成质量较大的原子核能产生更多的质量亏损，所以平均每个核子释放的能量就更大．


eq \([核心点击])


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10－15 m，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





1．(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．自然界中不存在天然的热核反应


【解析】 轻核聚变时，必须使轻核之间距离达到10－15 m，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错误．


【答案】 ABC


2．(多选)科学家发现在月球上含有丰富的eq \\al(3,2)He(氦3)，它是一种高效、清洁、安全的核聚变燃料，其参与的一种核聚变反应方程为eq \\al(3,2)He＋eq \\al(3,2)He→2eq \\al(1,1)H＋eq \\al(4,2)He，关于eq \\al(3,2)He聚变下列表述正确的是( )


A．聚变反应会释放能量


B．聚变反应产生了新的原子核


C．聚变反应没有质量亏损


D．目前核电站都采用eq \\al(3,2)He聚变反应发电


【解析】 核聚变反应中产生新的原子核，同时由于发生了质量亏损，会有核能的释放，这是人类利用核能的途径之一．目前核电站大多采用重核裂变的方法来释放与利用核能发电．


【答案】 AB


3．氘核(eq \\al(2,1)H)和氚核(eq \\al(3,1)H)结合成氦核(eq \\al(4,2)He)的核反应方程如下：eq \\al(2,1)H＋eq \\al(3,1)H→eq \\al(4,2)He＋eq \\al(1,0)n＋17.6 MeV


(1)这个核反应称为________．


(2)要发生这样的核反应，需要将反应物质的温度加热到几百万开尔文．式中17.6 MeV是核反应中________(填“放出”或“吸收”)的能量，核反应后生成物的总质量比核反应前物质的总质量________(填“增加”或“减少”)了________kg(保留一位有效数字)．


【解析】 在轻核聚变反应中，由于质量亏损，放出核能，由ΔE＝Δmc2，可以求得Δm＝eq \f(ΔE,c2)≈3×10－29 kg.


【答案】 (1)核聚变 (2)放出 减少 3×10－29





1核聚变反应和一般的核反应一样，也遵循电荷数和质量数守恒，这是书写核反应方程式的重要依据.


2核能的计算关键是要求出核反应过程中的质量亏损，然后代入ΔE＝Δmc2进行计算.








eq \([先填空])


1．基本粒子不基本


(1)直到19世纪末，人们都认为光子、电子、质子和中子是基本粒子．


(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基本粒子组成的，并发现质子、中子等本身也有复杂结构．


2．发现新粒子


(1)新粒子：1932年发现了正电子，1937年发现了μ子，1947年发现了K介子和π介子及以后的超子等．


(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：强子、轻子和媒介子．


(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，认为强子是由夸克构成的．


3．宇宙及恒星的演化


(1)宇宙演化


根据大爆炸理论，在宇宙形成之初是“粒子家族”尽显风采的时期．在大爆炸之后逐渐形成了夸克、轻子和胶子等粒子，随后经过强子时代、轻子时代、核合成时代．继续冷却，质子、电子、原子等与光子分离而逐步组成恒星和星系．


(2)恒星的演化


①恒星的形成：大爆炸后，在万有引力作用下形成星云团，进一步凝聚使引力势能转变为内能，温度升高，直到发光，于是恒星诞生了．


②恒星演变：核聚变反应，层级递进地在恒星内发生，直到各种热核反应不再发生时，恒星的中心密度达到极大．


③恒星归宿：恒星最后的归宿有三种，它们是白矮星、中子星、黑洞．


eq \([再判断])


1．质子、中子、电子都是不可再分的基本粒子．(×)


2．质子和反质子的电量相同，电性相反．(√)


3．按照夸克模型，电子所带电荷不再是电荷的最小单元．(√)


eq \([后思考])


1．为什么说基本粒子不基本？


【提示】 一方面是因为这些原来被认为不可再分的粒子还有自己的复杂结构，另一方面是因为新发现的很多种新粒子都不是由原来认为的那些基本粒子组成的．


2．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．





eq \([合作探讨])


探讨1：什么是反粒子？所有的粒子都存在反粒子吗？


【提示】 实验发现，许多粒子都有和它质量相同而电荷及其他一些物理量相反的粒子，叫反粒子．按照粒子的对称性，有一个粒子，就应该有一个反粒子．


探讨2：夸克模型的提出有什么物理意义？


【提示】 夸克模型的提出是物理学发展史中的一个重大突破，它指出电子电荷不再是电荷的最小单元，即存在分数电荷．而另一方面也说明科学正是由于一个一个的突破才得到进一步的发展．


eq \([核心点击])


1．新粒子的发现及特点


2.粒子的分类


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－eq \f(1,3)或＋eq \f(2,3).例如，上夸克带的电荷量为＋eq \f(2e,3)，下夸克带的电荷量为－eq \f(e,3).


(4)意义：电子电荷不再是电荷的最小单位，即存在分数电荷．





4．(多选)根据宇宙大爆炸的理论，在宇宙形成之初是“粒子家族”尽显风采的时期，那么在大爆炸之后最早产生的粒子是( )


A．夸克 B．质子


C．轻子 D．中子


【解析】 宇宙形成之初产生了夸克、轻子和胶子等粒子，之后又经历了质子和中子等强子时代，再之后是自由光子、中微子、电子大量存在的轻子时代，再之后是中子和质子组合成氘核，并形成氦核的核合成时代，之后电子和质子复合成氢原子，最后形成恒星和星系，因此A、C正确，B、D错误．


【答案】 AC


5．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．u夸克带电荷量为eq \f(2,3)e，d夸克带电荷量为－eq \f(1,3)e，e为元电荷，下列论断可能正确的是( )


【导学号：54472096】


A．质子由1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


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1个u夸克和1个d夸克组成


【解析】 由于质子带e的正电荷，则由两个u夸克和一个d夸克组成，其总的电荷量为e；中子不带电，则由一个u夸克、两个d夸克组成，其总的电荷量为0，由此可知B正确．


【答案】 B


6．在β衰变中常伴有一种称为“中微子”的粒子放出．中微子的性质十分特别，因此在实验中很难探测.1953年，莱尼斯和柯文建造了一个由大水槽和探测器组成的实验系统，利用中微子与水中eq \\al(1,1)H的核反应，间接地证实了中微子的存在．


(1)中微子与水中的eq \\al(1,1)H发生核反应，产生中子(eq \\al(1,0)n)和正电子(eq \\al(0,1)e)，即：中微子＋eq \\al(1,1)H→eq \\al(1,0)n＋eq \\al(0,1)e


可以判定，中微子的质量数和电荷数分别是________．


(2)上述核反应产生的正电子与水中的电子相遇，与电子形成几乎静止的整体后，可以转变为两个光子(γ)，即eq \\al(0,1)e＋eq \\al(0,－1)e→2γ已知正电子和电子的质量都为9.1×10－31 kg，反应中产生的每个光子的能量约为________J．正电子与电子相遇不可能只转变为一个光子，原因是什么？


【解析】 (1)发生核反应前后，粒子的质量数和电荷数均不变，据此可知中微子的质量数和电荷数都是0.


(2)产生能量是由于质量亏损．两个电子转变为两个光子之后，质量变为零，则E＝Δmc2，故一个光子的能量为eq \f(E,2)，代入数据得eq \f(E,2)＝8.2×10－14 J．正电子与水中


的电子相遇，与电子形成几乎静止的整体，故系统总动量为零，故只有产生2个光子，此过程才遵循动量守恒定律．


【答案】 (1)0和0 (2)8.2×10－14 原因略





对核反应中新生成粒子的认识


新生成的粒子和实物粒子一样，也能产生物质波，它们之间发生相互作用时，同样遵循动量守恒定律等力学规律．








学 习 目 标
知 识 脉 络
1.知道聚变反应的特点．(重点)


2．了解聚变反应的条件．(难点)


3．知道轻核聚变能够放出很多的能量，若能加以控制将为人类提供广阔的能源前景．


4．初步了解粒子物理学的基础知识及恒星演化．


5．了解、感受科学发展过程中蕴藏着的科学和人文精神.
核 聚 变
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
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.1 L海水中大约有0.03 g氘，如果用来进行热核反应，放出的能量约与燃烧300 L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
粒 子 和 宇 宙
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
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