高中物理 19.7.8 核聚变 粒子和宇宙课件 新人教版选修35.ppt

7 8核聚变粒子和宇宙 1 掌握核聚变的定义及发生条件 2 会判断和书写核聚变方程 能计算核聚变释放的能量 3 知道粒子的分类及其作用 了解夸克模型 4 了解宇宙及恒星的演化 重点 1 核聚变的定义和发生条件 2 聚变的核反应方程和核能的计算 难点 粒子的分类 夸克模型和宇宙及恒星的演化 一 核聚变1 定义 两个轻核结合成 的原子核的反应 2 核反应举例 21h 31h 10n 17 6mev3 条件 1 轻核的距离要达到 以内 2 聚变可以通过高温来实现 因此又叫 质量较大 42he 10 15m 热核反应 判一判 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裂变反应 提示 1 聚变平均每个核子放出的能量比裂变每个核子释放的能量大 1 错误 2 发生核聚变的两个必备条件 轻核距离在10 15m以内 达到反应时需要的温度 2 错误 3 太阳内部发生的是聚变 3 错误 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 想一想 在地球上利用聚变核能的困难是什么 提示 实现核聚变的困难是地球上没有任何容器能够经受核聚变的高温 三 粒子和宇宙1 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 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 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 子 强子 媒介子 夸克 轻子 2 宇宙和恒星的演化 1 宇宙的演化从 开始 2 恒星的演化经历了宇宙尘埃 星云团 恒星诞生 最后恒星的热核反应停止后恒星演变为 或 宇宙大爆炸 白矮星 中子星 黑洞 想一想 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 核聚变的特点 探究导引 如图是氢弹的原理图 根据图片思考以下问题 1 引发热核爆炸的步骤是怎样的 2 核聚变发生的条件是什么 核聚变有什么特点 要点整合 1 中等大小的原子核的平均结合能最大 把较小的核合并成中等大小的核 核子的平均结合能就会增加 所以要释放能量 例如 21h 31h 10n 42he 17 6mev2 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 3 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 特点 特别提醒 常见的聚变反应 21h 21h 31h 11h 4mev 21h 31h 42he 10n 17 6mev 在这两个反应中 前一反应的材料是氘 后一反应的材料是氘和氚 而氚又是前一反应的产物 所以氘是实现这两个反应的原始材料 而氘是重水的组成部分 在覆盖地球表面三分之二的海水中是取之不尽的 从这个意义上讲 轻核聚变是能源危机的终结者 典例1 太阳的能量来自下面的反应 四个质子 氢核 聚变成一个 粒子 同时发射两个正电子 若太阳辐射能量的总功率为p 质子11h 氦核42he 正电子01e的质量分别为mp m me 真空中的光速为c 求 1 写出核反应方程 2 核反应所释放的能量 e 3 1s内参与上述热核反应的质子数目 思路点拨 解答该题要注意以下三点 关键点 1 根据质量数守恒和电荷数守恒书写核反应方程 2 由爱因斯坦质能方程求解释放的能量 3 由功率的定义求1s内参与反应的质子数 规范解答 1 根据质量数守恒和电荷数守恒 可得核反应方程为411h 42he 201e 2 质量亏损 m 4mp m 2me 根据爱因斯坦质能方程 e mc2 核反应释放的能量 e 4mp m 2me c2 3 设单位时间内参与热核反应的质子数为n 依据能量关系答案 1 411h 42he 201e 2 4mp m 2me c2 3 总结提升 轻核聚变释放核能的计算方法 1 根据质量亏损计算根据爱因斯坦质能方程 用核子结合成原子核时质量亏损 m 的千克数乘以真空中的光速 c 3 108m s 的平方 即 e mc2 2 根据1原子质量单位 u 相当于931 5mev能量 用核子结合成原子核时质量亏损的原子质量单位数乘以931 5mev 即 e m 931 5mev 注意 式 中 m的单位为kg 式 中 m的单位是u e的单位是mev 变式训练 2012 广东高考 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 衰变c 23592u 10n 14456ba 8936kr 310n是核裂变反应d 23592u 10n 14054xe 9438sr 210n是 衰变 解析 选a c 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 或 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 变式备选 太阳因核聚变释放出巨大的能量 同时其质量不断减少 太阳每秒钟辐射出的能量约为4 1026j 根据爱因斯坦质能方程 太阳每秒钟减少的质量最接近 a 1036kgb 1018kgc 1013kgd 109kg 解析 选d 根据爱因斯坦质能方程 通过比较 d正确 新粒子的发现和夸克模型 探究导引 粒子加速器可以使带电粒子加速到很高的能量 从而使许多物理实验不再依赖天然的宇宙射线 于是发现了更多的粒子 思考以下问题 1 20世纪30年代以来 人们发现了哪些新粒子 2 夸克模型 的物理意义是什么 要点整合 1 新粒子的发现及特点 反粒子 子 k介子与 介子 超子 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 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例如上夸克带的电荷量为下夸克带的电荷量为 4 意义 电子电荷不再是电荷的最小单位 即存在分数电荷 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 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d夸克的带电荷量为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 规范解答 选b 质子11h带电荷量为中子10n带电荷量为可见b正确 变式训练 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 它们的带电荷量如下表所示 表中e为元电荷 下列说法正确的是 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 选a d 因 介子带有 e的电荷量 且是由一个夸克和一个反夸克组成的 则夸克u带和反夸克带合成电荷量为e 那么 介子就是由夸克u和反夸克组成的 同理 介子由夸克d和反夸克组成 所以a d正确 温馨提示 核聚变可以产生大量的能量 为解决世界 能源危机 创造了美好的前景 因此高考针对核聚变的考查成为命题的热点 考查时常结合太阳内部的核聚变 月球上32he的开发和受控热核反应的研究等为背景进行命题 典例 我国在核聚变研究领域处于世界先进行列 在实验中观察到有下列4种核反应 21h 21h 32he 10n 3 25mev 21h 21h 31h 11h 4 00mev 21h 31h 42he 10n 17 5mev 21h 32he 42he 11h 18 3mev 已知在实际发生核聚变时 上述4种反应的概率相同 其原料直接或间接都是氘核 而氘核在地球上的储量非常丰富 每升海水中大约有0 030g氘 那么1l海水中的氘全部发生聚变释放的总能量为多少 na取6 02 1023 mol 1 思路点拨 解答此题应注意以下三点 关键点 1 计算1mol氘全部聚变释放的能量 2 计算每升海水含氘的质量的摩尔数 3 将4种核反应合并为一个方程进行计算 规范解答 由于发生4种反应的概率相同 将4个核反应相加得总反应为621h 242he 210n 211h 43 05mev1mol氘全部聚变释放的能量为每升海水中所含的氘为0 030g 释放的总能量应为e e 1 04 1010j 答案 1 04 1010j 核反应方程的类型和辨析书写核反应方程 一是要依据电荷数守恒和质量数守恒两个基本规律 二是要弄清核反应的四种类型 1 衰变和 衰变 能自发进行 无需外部条件 衰变生成物含有 粒子 衰变生成物中含有电子 例如 23892u 23490th 42he23490th 23491pa 0 1e 2 人工转变 在人工控制下进行 生成物中含有11h或中子 例如 147n 42he 178o 11h 3 重核的裂变 质量较大的核在人工控制下发生裂变 生成两个中等质量核 例如 23592u 10n 14456ba 8936kr 310n 4 轻核的聚变 两个轻核结合