2018_2019高中物理第十九章原子核第七节核聚变第八节核裂变学案新人教版.docx

第七节核聚变第八节粒子和宇宙学 习 目 标知道聚变反应的特点能写出聚变方程并计算聚变能量了解可控热核反应知道粒子的分类及其作用了解宇宙起源的大爆炸说及恒星的演化知 识 导 图知识点1核聚变1定义轻核结合成_质量较大_的原子核的反应叫聚变。例如HHHen2聚变发生的条件要使轻核发生聚变，必须使它们的距离达到_1015_m以内，核力才能起作用。由于原子核都带正电，要使它们接近到这种程度，必须克服巨大的_库仑斥力_，这就要求原子核具有足够的动能，有一种方法就是把它们加热到很高的温度，温度高达_几百万_开尔文，因此聚变又叫_热核反应_。3应用目前，热核反应主要用在核武器上，那就是_氢弹_，需要用_原子弹_爆炸产生的高温高压引发核爆炸。4太阳能太阳的主要成分是_氢_，太阳中心温度可达1.5107K，在此高温下，氢核聚变成氦核的反应不停地进行着，太阳能就来自于太阳内部_聚变_释放的核能。知识点2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_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_。2聚变的难点地球上没有任何容器能够经受热核反应的高温。3控制方法(1)磁约束：利用磁场约束参加反应的物质，目前最好的一种磁约束装置是_环流器_。(2)惯性约束：聚变物质因自身的惯性，在极短时间内来不及扩散就完成了核反应，在惯性约束下，用_激光_从各个方向照射反应物，使它们“挤”在一起发生反应。知识点3“基本粒子”不基本1“基本”粒子19世纪末，许多人认为光子、电子、_质子_和_中子_是组成物质的不可再分的最基本粒子。2发现新粒子(1)从20世纪起科学家陆续发现了400多种同种类的新粒子，它们不是由_质子_、_中子_、_电子_组成。(2)科学家进一步发现质子、中子等本身也是复合粒子，且还有着_复杂_的结构。3探测工具粒子_加速器_和粒子_探测器_是研究粒子物理的主要工具。知识点4发现新粒子1新粒子1932年发现了_正电子_,1937年发现了_子_,1947年发现了K介子和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_。知识点5夸克模型组成强子的粒子有六种夸克，分为上夸克和下夸克、奇夸克、粲夸克、底夸克、顶夸克，所带电荷分别为元电荷的_或_，每种夸克都有对应的反夸克，夸克不能以自由的状态单个出现。知识点6宇宙与恒量的演化1宇宙的演化经历了_强子_时代_轻子_时代_核合成_时代10万年之后，随着温度降低逐步组成_恒星_和星系。2恒星的演化宇宙尘埃_星云团_恒星 预习反馈判一判(1)核聚变时吸收能量。()(2)核聚变平均每个核子放出的能量，比裂变反应中平均每个核子放出的能量大。()(3)实现核聚变的难点是地球上没有任何容器能够经受如此高的温度。()(4)质子、中子不能再分。()(5)夸克的带电量是电子电荷的整数倍。()(6)太阳目前正处于氢通过热核反应成为氦，以电磁波的形式向外辐射核能。()选一选(多选)我国科学家研制“两弹”所涉及的基本核反应有：(1)UnSrXekn(2)HHHedn关于这两个方程，下列说法正确的是(BC)A方程(1)属于衰变B方程(2)属于轻核聚变C方程(1)中k10，方程(2)中d1D方程(1)中k6，方程(2)中d1解析：方程(1)属于重核裂变，方程(2)属于轻核聚变，选项A错误而B正确；由质量数和电荷数守恒得，k10，d1，选项C正确而D错误。想一想万物生长靠太阳(如图)，太阳在我们日常生活中是不可替代的，它提供给地球足够的能源，如果说太阳一旦没有了，那么地球上的一切生物都将随之消失。你知道太阳的能量来源吗？答：来源于太阳内部的核聚变反应探究一轻核的聚变S1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)要使轻核聚变，必须使轻核接近核力发生作用的距离1015m。(2)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。G1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。2聚变发生的条件要使轻核聚变，就必须使轻核接近核力发生作用的距离1015m，但是原子核是带正电的，要使它们接近1015m就必须克服很大的库仑斥力作用，这就要求原子核应具有足够的动能。方法是给原子核加热，使其达到几百万度的高温。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。D典例1太阳现在正处于主序星演化阶段，它主要是由电子和质子、氦核等组成，维持太阳辐射的是它内部的核聚变反应，核反应为两个电子与四个质子聚变为氦。已知太阳的质量为21030kg，太阳向周围空间辐射能量的总功率为3.81026W。(1)写出上述聚变反应的方程(2)已知质子质量mp1.671027kg，氦核质量m6.64581027kg，电子质量me9.01031kg，光速c3.0108m/s，求每发生一次上述核反应所释放的能量。(3)根据题目中数据计算太阳1秒钟减少的质量。太阳还能用多少年？解题指导：(1)聚变的核反应方程遵循质量数守恒和电荷数守恒。(2)核能计算的关键是求出核反应中的质量亏损，然后根据受因斯坦质能方程求解。(3)由mtm求时间。解析：(1)根据聚变反应满足质量数、电荷数守恒得核反应方程为2e4HHe(2)反应中的质量亏损m2me4mpm(29.0103141.6710276.64581027)kg3.61029kg由爱因斯坦质能方程可知核反应释放的能量Emc23.61029(3.0108)2J3.241012J(3)太阳每秒释放的能量为3.81026J，则太阳每秒减少的质量mkg4.2109kg太阳还能用ts4.761020s1.51013年答案：(1)2e4HHe(2)3.241012J(3)4.2109kg1.51013年,对点训练1(河南省漯河市高二20172018学年下学期期末)近几年日本、印度等许多国家积极发展“月球探测计划”，该计划中的科研任务之一是探测月球上氦3的含量。氦3是一种清洁、安全和高效的核发电燃料，可以采用在高温高压下用氘和氦3进行核聚变反应发电。若已知氘核的质量为2.0136U，氦3的质量为3.0150u，氦核的质量为4.00151u，质子质量为1.00783u，中子质量为1.008665u, 1u相当于931.5MeV，则下列说法正确的是(A)A一个氘和一个氦3的核聚变反应释放的核能约为17.9MeVB氘和氦3的核聚变反应方程式：HHeHeX其中X是中子C因为聚变时释放能量，出现质量亏损，所以生成物的总质子数减少D目前我国的秦山、大亚湾等核电站广泛使用氦3进行核聚变反应发电解析：根据电荷数守恒和质量数守恒知X为质子，故B错误；根据质能方程知Emc2(2.0136u3.0150u4.00151u1.00783u)931.5MeV17.9MeV，故A正确；因为聚变时释放能量，出现质量亏损，所以生成物的总质量减小，但是质量数不变，选项C错误；目前我国的秦山、大亚湾等核电站广泛使用重核裂变反应发电，选项D错误；故选A。探究二新粒子的发现和夸克模型S2如图所示为粒子发展示意图。(1)为什么现在将“基本”二字去掉，统称为粒子？(2)为什么说夸克模型是物理学发展中的一个重大突破？提示：(1)随着科学的发展，科学家们发现了很多的新粒子都不是由质子、中子、电子组成的，又发现质子、中子等本身也有自己的复杂结构。所以现在将“基本”二字去掉，统称为粒子。(2)夸克模型的提出是物理学发展中的一个重大突破，它指出电子电荷不再是电荷的最小单元，即存在分数电荷。G1发现新粒子发现时间1932年1937年1947年60年代后新粒子反粒子子K介子与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质子之间其质量比质子大按照粒子与各种相互作用的关系，可以将粒子分为三大类：强子、轻子和媒介子。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、子、子中微子，子、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或。例如上夸克带的电荷量为2e/3，下夸克带的电荷量为e/3。特别提醒：粒子具有对称性，有一个粒子，必存在一个反粒子，所以每种夸克都有对应的反夸克。D典例2在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H发生核反应，产生中子(n)和正电子(e)，即：中微子Hne可以判定，中微子的质量数和电荷数分别是_A_。(填写选项前的字母)A0和0B0和1C1和0 D1和1(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()，即ee2已知正电子和电子的质量都为9.11031kg，反应中产生的每个光子的能量约为_8.21014_J。正电子与电子相遇不可能只转变为一个光子，原因是_此过程遵循动量守恒定律_。解题指导：(1)由核反应过程质量数和电荷数守恒判断(2)根据Emc2和动量守恒求解解析：(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，A项正确。(2)产生的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Emc2，故一个光子的能量为，代入数据得8.21014J。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，所以如果只产生一个光子是不可能的，因为此过程遵循动量守恒定律。对点训练2(多选)(北京临川育人学校20172018学年高二下学期期中)已知介子、介子都是由一个夸克(夸克u或夸克d)和一个反夸克(反夸克或反夸克)组成的，它们带电量如下表所示，表中e为元电荷。 ud带电量eeeeee下列说法正确的是(AD)A由u和组成B由d和组成C由u和组成 D由d和组成解析：根据题目所给图表可以知道各种粒子的带电量，由电荷守恒定律可得A、D正确，B、C错误。轻核聚变与重核裂变的区别反应方式比较项目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大约要大34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235U在铀矿石中只占0.7%主要原料是氚，氚在地球上的储量非常丰富。1L海水中大约有0.03g氚，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裂变反应释放核能目前，除氢弹以外，人们还不能控制它案例(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(AC)A“人造太阳”的核反应方程是HHHenB“人造太阳”的核反应方程是UnBaKr3nC根据公式Emc2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Emc2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：HHHen是氢核聚变方程，故A正确；选项B的核反应方程是核裂变方程，故B错误；根据氢核聚变特点，聚变反应比裂变反应平均每个核子放出的能量大约要大34倍，相同质量的核燃料，氢核聚变释放的能量比裂变反应大得多，故选项C正确，D错误。1(多选)(成都七中20172018学年高二月考)国家国防科技工业局首次发布“嫦娥三号”月面虹湾局部影像图，如图所示。科学家发现在月球上含有丰富的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的方程式为HeHe2HHe。关于He聚变下列表述正确的是(BC)A聚变反应不会释放能量B聚变反应产生了新的原子核C聚变反应会有质量亏损D目前核电站都采用He聚变反应发电解析：聚变反应是将质量较小的轻核聚变成质量较大的核，聚变过程会有质量亏损，要放出大量的能量。但目前核电站都采用铀核的裂变反应。综上所述，选项B、C正确。2(多选)(江苏省扬州市20172018学年高三上学期期末)关于核反应方程，下列说法正确的是(AD)AHHHen是核聚变反应B铀核裂变的核反应为：UBaKr2nC在衰变方程PuXHe中，X原子核的质量数是234D卢瑟福发现了质子的核反应方程为：HNOH解析：HHHen是轻核变成质量较大的原子核，是核聚变反应，故A正确； 铀核裂变是铀核俘获一个中子后裂变成两个中等质量的原子核，故B错误；核反应中质量数守恒，电荷数守恒，He原子核的质量数为4，是电磁波，所以X原子核的质量数是235，故C错误；卢瑟福发现质子的核反应方程为：HNOH，故D正确。故选AD。3(山东潍坊及第中学20162017学年高二月考)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)A夸克、轻子、胶子等粒子B质子和中子等强子C光子、中微子和电子等轻子D氢核、氘核、氦核等轻核解析：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，再之后是自由的光子、中微子、电子大量存在的轻子时代，再之后是中子和质子结合成氘核，并形成氦核的核时代，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正确，B、C、D的产生都在A之后，故B、C、D错误。4(山西省长治、运城、大同、朔州、阳泉五地市2018届高三上学期期末)氘核和氚核可发生热核聚变而释放巨大的能量，该反应方程为：HHHex，式中x 是某种粒子。已知：H、H、He和粒子x的质量分别为2.0141u、3.0161u、4.0026u和1.0087u；1u931.5MeV/c2，c是真空中的光速。由上述反应方程和数据可知(C)A粒子x是HB该反应中的质量亏损为0.0289uC该反应释放出的能量约为17.6MeVD该反应中释放的全部能量转化为粒子x的动能解析：根据核反应前后质量数守恒和核电荷数守恒，可判断x为中子，选项A错误；该反应中的质量亏损为m2.0141u3.0161u4.0026u1.0087u0.0189u，故B错误；由爱因斯坦质能方程可知释放出的能量为E(2.01413.01614.00261.0087)931.5MeV17.6MeV，选项C正确；该反应中释放的能量一部分转化为X粒子的动能，故D错。 基础夯实 一、选择题(13题为单选题，4、5题为多选题)1(江苏徐州市20152016学年高二下学期期末)一典型的铀核裂变方程是UXBaKr3n，关于该反应，下列说法正确的是(C)AX是质子B该反应是核聚变反应CU的比结合能小于Ba的比结合能D释放出的中子对于链式反应的发生没有作用解析：该反应是裂变反应，X是中子，释放的中子引起链式反应，故A、B、D错误；U的比结合能小于Ba的比结合能，C正确。22010年3月31日欧洲大型强子对撞机实现首次质子束对撞成功。科学家希望以接近光速飞行的质子在发生撞击之后，能模拟宇宙大爆炸的能量，并产生新的粒子，帮助人类理解暗物质、反物质、以及其他超对称现象，从根本上加深了解宇宙本质，揭示宇宙形成之谜。欧洲科研机构宣布他们已经制造出9个反氢原子。请推测反氢原子的结构是(B)A由1个带正电荷的质子和1个带负电荷的电子构成B由1个带负电荷的反质子和1个带正电荷的正电子构成C由1个带负电荷的反质子和1个带负电荷的电子构成D由1个不带电荷的中子和1个带正电荷的正电子构成解析：根据反粒子定义，“反粒子”与“正粒子”具有相同的质量，但带有等量的异性电荷。 因此“反氢原子”应该具有与氢原子相同的质量，相反的电荷符号且等量的电荷量。所以反氢原子是由H核和e构成的。32002年，美国科学杂志评出的2001年世界十大科技突破中，有一次是加拿大萨德伯里中微子观测站的结果，该站揭示了中微子失踪的部分中微子在运动过程中转化为一个子和一个子。在上述研究中有以下说法，正确的是(B)若发现子和中微子的运动方向一致，则子的运动方向与中微子的运动方向一定相反若发现子和中微子的运动方向一致，则子的运动方向与中微子的运动方向可能一致若发现子和中微子的运动方向相反，则子的运动方向与中微子的运动方向一定一致若发现子和中微子的运动方向相反，则子的运动方向与中微子的运动方向可能相反ABC D解析：中微子在转化为子和子的前后过程中满足动量守恒定律。4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(AC)A“人造太阳”的核反应方程是HHHenB“人造太阳”的核反应方程是UnBaKr3nC“人造太阳”释放的能量大小的计算公式是Emc2D“人造太阳”核能大小的计算公式是Emc2解析：“人造太阳”是全超导核聚变实验装置，核反应是轻核聚变而不是重核裂变，故选项A正确，选项B错误；核能大小的计算根据爱因斯坦的质能方程，故选项C正确，选项D错误。5关于粒子，下列说法中正确的是(BC)A质子和中子是组成物质的不可再分的最基本的粒子B质子、中子本身也有复杂的结构C质子是带电的强子D电子电荷是电荷的最小单位解析：质子和中子是由不同夸克组成的，它们不是最基本的粒子，故选项A错误，选项B正确；不同的夸克组成强子，有的强子带电，有的强子不带电，质子是最早发现的带正电的强子，故选项C正确；夸克模型是研究强子的理论，不同夸克带的电荷不同，分别为元电荷的或，这说明电子电荷不再是电荷的最小单位，故选项D错误。二、非选择题6(山东淄博市淄川中学20162017学年高二下学期期中)科学研究发现太阳发光是由于其内部不断发生从氢核到氦核的核聚变反应，即在太阳内部4个氢核(H)转化成一个氦核(He)和两个正电子(e)并放出能量，已知质子质量mp1.0073u，粒子的质量m4.0015u，电子的质量me0.0005u,1u质量相当于931MeV的能量。写出该热核反应方程_4HHe2e_；一次这样的热核反应过程中释放出_24.86_MeV的能量。(结果保留四位有效数字)。解析：m4mpm2me41.0073u4.0015u20.0005u0.0267uEmc20.0267u931MeV24.86MeV7(江苏泰州二中20152016学年高二下学期检测)太阳的能量来自氢核聚变：即四个质子(氢核)聚变一个粒子，同时发射两个正电子和两个没有静止质量的中微子。如果太阳辐射能量的功率为P，质子H、氦核He、正电子e的质量分别为mP、ma、me，真空的光速为c，则(1)写出上述核反应方程式；(2)计算每一次聚变所释放的能量E；(3)计算t时间内因聚变生成的粒子数n。答案：(1)4HHe2e(2)E(4mPmame)c2(3)解析：(1)核反应方程式为：4HHe2e；(2)核反应过程中的质量亏损m(4mPmame)，根据爱因斯坦质能方程：Emc2可知，核反应释放的能量，E(4mPmame)c2。(3)设t时间内因聚变生成的粒子数为n，依据能量关系PtnE有，n 能力提升 一、选择题(13题为单选题，4题为多选题)1(北京市房山区2018届高三上学期期末)我国自行研制了可控热核反应实验装置“超导托卡马克” (英文名称：EAST，称“人造太阳”)。设可控热核实验反应前氘核(H)的质量为m1，氚核(H)的质量为m2，反应后氦核(He)的质量为m3，中子(n)的质量为m4，已知光速为c。下列说法中正确的是(A)A核反应放出的能量等于 (m1m2m3m4 )c2B由核反应过程质量守恒可知m1m2m3m4C这种热核实验反应是衰变D这种装置与我国大亚湾核电站所使用核装置的核反应原理相同解析：核反应过程中的质量亏损mm1m2m3m4，释放的核能Emc2(m1m2m3m4)c2，故A正确；核反应过程中质量数守恒，但质量不守恒，核反应过程中存在质量亏损，因此m1m2m3m4，故B错误；这种装置的核反应是核聚变，我国大亚湾核电站所使用核装置是核裂变，它们的核反应原理不相同，故CD错误。2一个质子和一个中子聚变结合成一个氘核，同时辐射一个光子。已知质子、中子、氘核的质量分别为m1、m2、m3，普朗克常量为h，真空中的光速为c。下列说法正确的是(B)A核反应方程是HnHB聚变反应中的质量亏损mm1m2m3C辐射出的光子的能量E(m3m1m2)c2D光子的波长解析：HnH，选项A错误；由题可知，该反应的质量亏损为mm1m2m3，选项B正确；根据爱因斯坦的质能方程Emc2得，该反应辐射出的光子的能量为E(m1m2m3)c2，选项C错误；由Ehh得，选项D错误。3(江苏泰州二中20152016学年高二下学期检测)“轨道电子俘获”是放射性同位素衰变的一种形式，它是指原子核(称为母核)俘获一个核外电子，使其内部的一个质子变为中子，并放出一个中微子，从而变成一个新核(称为子核)的过程。中微子的质量远小于质子的质量，且不带电，很难被探测到，人们最早就是通过核的反冲而间接证明中微子的存在的。一个静止的原子核发生“轨道电子俘获”，衰变为子核并放出中微子，下列说法正确的是(B)A母核的质量数小于子核的质量数B母核的电荷数大于子核的电荷数C子核的动