高中物理 19.719.8核聚变 粒子和宇宙（精讲优练课型）课件 新人教版选修35.pptVIP

7核聚变8粒子和宇宙 一 核聚变1 定义 两个轻核结合成 的核 并释放出 的反应 2 举例 3 条件 要使轻核发生聚变 必须使它们的距离达到 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 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 开尔文 因此聚变又叫 质量较大 能量 10 15 库仑斥力 几百万 热核反应 4 应用 目前 热核反应主要用在核武器上 那就是 需要用 爆炸产生的高温高压引发核爆炸 5 太阳能 太阳的主要成分是 太阳中心温度可达1 5 107k 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 释放的核能 氢弹 原子弹 氢 聚变 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 热核反应主要用在核武器上 那就是原子弹 提示 1 核聚变时不是吸收能量而是放出能量 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 4倍 3 热核反应主要用在核武器上 那是氢弹 二 受控热核反应1 聚变的优点 第一 轻核聚变产能效率高 第二 地球上聚变燃料的储量丰富 第三 轻核聚变更为安全 清洁 控制温度 可控制反应 而且生成的废物数量少 易处理 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 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 从各个方向照射反应物 使它们 挤 在一起发生反应 环流器 激光 判一判 1 轻核聚变比裂变更安全 清洁 2 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 3 现在已经实现了技术突破 能够稳定地输出聚变能 提示 1 轻核聚变比裂变更安全 清洁 2 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 3 实现受控核聚变还有一段很长的路要走 三 粒子和宇宙1 基本粒子不基本 1 19世纪末 人们都认为 电子 和中子是组成物质的不可再分的最基本的粒子 2 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 等本身也有自己的复杂结构 光子 质子 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 和 及以后的质量比质子的质量大的 2 粒子的分类 按照 的不同关系 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 认为强子是由更基本的成分组成 这种成分叫作 夸克模型指出电子电荷不再是电荷的最小单位 即存在 正电子 子 k介子 介子 超子 粒子与各种相互作用 强子 轻子 媒介子 夸克 分数电荷 3 宇宙和恒星的演化 1 宇宙的演化 宇宙大爆炸温度为1032k 产生了 等粒子温度下降到1013k左右 时代 温度下降到1011k时 时代 温度下降到109k时 时代温度下降到104k 混合电离态 温度下降到3000k时 夸克 轻子 胶子 强子 轻子 核合成 中性的氢原子 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 星云团 氦核 中子星 判一判 1 质子 中子不能再分 2 夸克的带电量是电子电荷的整数倍 3 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 提示 1 质子 中子本身也有复杂的结构 是可再分的 2 夸克的带电量不是电子电荷的整数倍 3 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 一 核聚变的特点及应用思考探究 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 必须使核之间的距离达到10 15m以内 2 由原子弹爆炸产生的高温引发氢弹的热核反应 归纳总结 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 有一种办法就是把它们加热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 典例示范 氘核和氚核可发生热核聚变而释放出巨大的能量 该反应方程为 式中x是某种粒子 已知和粒子x的质量分别为2 0141u 3 0161u 4 0026u和1 0087u 1u c是真空中的光速 由上述反应方程和数据可知 粒子x是 该反应释放出的能量为mev 结果保留3位有效数字 解题探究 1 依据什么规律书写核反应方程 提示 根据质量数守恒和电荷数守恒书写核反应方程 2 如何计算释放的核能 提示 先计算出核反应前后的质量亏损 再根据爱因斯坦质能方程 e mc2计算释放的核能 正确解答 根据质量数和电荷数守恒可得x是 中子 核反应中的质量亏损为 m 2 0141u 3 0161u 4 0026u 1 0087u 0 0189u所以该反应释放出的能量为 e m c2 17 6mev答案 或中子 17 6 过关训练 1 2015 福州高二检测 关于太阳辐射的主要由来 下列说法正确的是 a 来自太阳中氢元素聚变反应释放的核能b 来自太阳中碳元素氧化释放的化学能c 来自太阳中重元素裂变反应释放的核能d 来自太阳中本身储存的大量内能 解析 选a 太阳辐射的巨大能量主要来自太阳内部氢核聚变成氦核时释放的能量 只有选项a正确 2 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 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 补偿训练 1 我国科学家研制 两弹 所涉及的基本核反应方程有 关于这两个方程的下列说法 正确的是 a 方程 1 中k 10 方程 2 中d 1b 方程 1 中k 6 方程 2 中d 1c 方程 1 属于轻核聚变d 方程 2 属于 衰变 解析 选a 根据质量数守恒 方程 1 中箭头左侧的质量数之和为236 箭头右侧应有90 136 k 236 解得k 10 根据质量数守恒 方程 2 中应满足2 3 4 d 解得d 1 a正确 b错误 方程 1 为重核裂变 方程 2 为轻核聚变 c d均错误 2 太阳内部持续不断地发生着4个质子 聚变为1个氦核 的热核反应 核反应方程是这个核反应释放出大量核能 已知质子 氦核 x的质量分别为m1 m2 m3 真空中的光速为c 方程中的x表示 这个核反应中质量亏损 m 这个核反应中释放的核能 e 解析 由质量数守恒和核电荷数守恒知 x为正电子 该反应中质量亏损 m 4m1 m2 2m3 e mc2 4m1 m2 2m3 c2 答案 正电子4m1 m2 2m3 4m1 m2 2m3 c2 二 新粒子的发现和夸克模型思考探究 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 原来发现的基本粒子都是由更基本的粒子组成 现在发现的粒子也可能会被证实会由其他粒子组成 所以现在将 基本 二字去掉 统称为粒子 2 夸克模型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位 即存在分数电荷 归纳总结 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 或 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 典例示范 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e d夸克的带电荷量为 e 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 解题探究 1 质子的带电量是多少 u夸克和d夸克如何才能组合成一个质子 提示 质子带一个元电荷e的电量 两个u夸克和1个d夸克可组成一个质子 2 中子的带电量是多少 u夸克和d夸克如何才能组合成一个中子 提示 中子不带电 1个u夸克和两个d夸克可组成一个中子 正确解答 选b 质子带电荷量为2 e e e 中子带电荷量为e 2 e 0 可见b正确 过关训练 拓展延伸 典例示范 中 若 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 它们的带电荷量如表所示 表中e为元电荷 1 按最简单的组成 介子由谁和谁组成 解析 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 夸克u带 e和反夸克带 e合成电荷量为e 答案 介子就是由夸克u和反夸克组成的 2 按最简单的组成 介子由谁和谁组成 解析 介子带有 e的电荷量 是由一个夸克和一个反夸克组成的 夸克d带 e和反夸克带 e合成电荷量为 e 答案 介子由夸克d和反夸克组成 补偿训练 1 多选 关于粒子 下列说法正确的是 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 中子本身也是复合粒子 它们拥有复杂的结构c 质子是带电的轻子d 夸克模型说明元电荷不再是电荷的最小单位 解析 选b d 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a错 b对 不同的夸克组成强子 有的强子带电 有的强子不带电 质子是最早发现的强子 故c错 夸克模型是研究强子的理论 不同夸克带电不同 分别为 e和 e 这说明电子电荷不再是电荷的最小单位 故d对 2 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 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 选a 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正确 b c d错误 误区警示 对轻核聚变理解的两个误区 1 误认为聚变就是裂变的逆反应 产生这种误区的原因是对聚变和裂变的本质没有理解透 裂变时重核分裂成中等核 而聚变是轻核聚合成为次轻核 无直接关联 并非互为逆反应 2 不能正确判断聚变 裂变 衰变及人工转变的方程 这是由对以上四种核反应方程的理解不到位造成的 这四种方程在形式上很相近 因此判断时容易混淆出错 要想正确判断必须抓住它们的实质 核聚变是轻核结合成质量较大的核 也会放出中子 重核裂变时铀核捕获中子裂变为两个或更多个中等质量的核 并放出几个中子 人工转变常用 粒子或中子去轰击原子核 产生新原子核并放出一个或几个粒子 衰变是原子核自发地转变为另一种核 并向外辐射出 粒子或 粒子的反应 衰变根据向外辐射粒子的不同分为 衰变和 衰变两种 拓展例题 考查内容 聚变过程的核能计算 典例示范 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 核反应为两个电子和四个质子聚变为氦 已知太阳的质量为2 1030kg 太阳向周围空间辐射能量的总功率为3 8 1023kw 1 写出上述聚变反应的方程 2 已知质子质量mp 1 67 10 27kg 氦核质量m 6 6458 10 27kg 电子质量me 9 0 10 31kg 光速c 3 108m 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 正确解答 1 根据聚变反应满足质量数