高中物理 第三章 原子核 3.6 核聚变课件 教科版选修35.ppt

6核聚变 一 核聚变1 核聚变 轻原子核聚合成 原子核的反应称为聚变反应 简称核聚变 2 轻核聚变必须在高温下进行 因此核聚变又叫 3 核反应举例 较重 热核反应 4 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 效率高 丰富 安全 清洁 5 热核反应 实际举例 1 氢弹的原理 2 太阳内部核聚变释放核能 二 可控核聚变反应研究的进展1 我们把 情况下释放能量的装置 称为 2 一种被称作 受控热核反应的研究领先于其他途径 3 近年来的重大突破是将 成功地应用于产生 的线圈上 受控聚变 聚变反应堆 托卡马克 超导技术 托卡马克强磁场 判一判 1 用加速器给氘核加速 很容易发生聚变反应 2 托卡马克是利用电磁感应产生的大电流对等离子体加热的 3 目前 人类已经实现了受控热核聚变 提示 1 用加速器给氘核加速 加速了的氘 h 核打在氚 h 核的固体靶上 大部分能量会消耗在与电子的碰撞上 发生聚变的概率非常小 1 错 2 托卡马克是用电磁感应产生的大电流对等离子进行加热 从而实现等离子体核燃料的 点火 2 对 3 目前 受控热核聚变还处在研究阶段 3 错 三 恒星演化中的核反应1 引力坍缩 由于物质间 而聚集到一起的现象 2 供太阳发生核聚变过程的燃料是 太阳内部核聚变的反应方程式为 相互吸引 氢 知识点一 核聚变与恒星的演化思考探究 如图是1967年6月17日 我国第一颗氢弹爆炸成功的图片资料 请思考以下问题 1 氢弹的威力相比原子弹的威力哪一个大 2 氢弹爆炸过程中的核反应是如何进行的 归纳总结 1 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 例如 2 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 4 恒星的演化 典例探究 典例 核聚变能是一种具有经济性能优越 安全可靠 无环境污染等优势的新能源 近年来 受控核聚变的科学可行性已得到验证 目前正在突破关键技术 最终将建成商用核聚变电站 一种常见的核聚变反应是由氢的同位素氘 又叫重氢 和氚 又叫超重氢 聚合成氦 并释放一个中子 若已知氘原子的质量为2 014u 氚原子的质量为3 0160u 氦原子的质量为4 0026u 中子的质量为1 0087u 1u 1 66 10 27kg 1 写出氘和氚聚合的反应方程 2 试计算这个核反应释放出来的能量 3 若建一座功率为3 0 105kw的核聚变电站 假设聚变所产生的能量有一半变成了电能 每年要消耗多少质量的氘 一年按3 2 107s计算 光速c 3 00 108m s 结果取两位有效数字 思路点拨 解答该题应关注以下三点 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 由功率的意义求一年内核反应次数 正确解答 1 根据质量数和电荷数守恒 可得核反应方程为 2 质量亏损 m m2 m3 m4 m1 2 014 3 0160 4 0026 1 0087 u 0 0187 1 66 10 27kg 3 1042 10 29kg根据爱因斯坦质能方程 e mc2核反应释放的核能 e mc2 3 1042 10 29 3 108 2j 2 8 10 12j 3 一年中产生的电能发生的核反应次数为n 所需氘的质量m n m2 1 66 10 27kg 23kg 答案 1 2 2 8 10 12j 3 23kg 总结提升 轻核聚变释放核能的计算 1 正确书写核反应方程式是解题的前提 书写核反应方程式时 要明确反应物和生成物 并注意它们的元素符号 特别是同位素 不要忘记根据质量数守恒与电荷数守恒配平方程式 2 核能计算式要选取正确的单位 在利用 e mc2进行计算时 若 m取kg为单位 则c的单位为m s 若质量单位用原子质量单位u 则要利用1u相当于931 5mev计算核能 补偿训练 一个质子和两个中子聚变为一个氚核 已知质子质量mh 1 0073u 中子质量mn 1 0087u 氚核质量m 3 0180u 1 写出聚变方程 2 求释放出的核能多大 3 求平均每个核子释放的能量是多大 解析 1 聚变方程 2 质量亏损 m mh 2mn m 1 0073 2 1 0087 3 0180 u 0 0067u 释放的核能 e mc2 0 0067 931 5mev 6 24mev 3 平均每个核子放出的能量为mev 2 08mev 答案 1 2 6 24mev 3 2 08mev 过关训练 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 解析 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 1 或中子 17 6 知识点二 可控核聚变反应的研究进展思考探究 如图描述的是我国第一颗氢弹爆炸成功的消息传出后 人们欢呼庆祝的场景 请思考以下问题 1 氢弹爆炸时 核能释放的速度应该快还是慢 2 目前 人们能否有效地控制核聚变的速度 归纳总结 1 核子聚变的条件 要使核子发生聚变 必须使核子接近核力能发生作用的范围 2 聚变反应堆 受控聚变情况下释放能量的装置 3 聚变反应堆研究进展 1 托卡马克受控热核反应的研究领先于其他途径 2 环流器 托卡马克是一种环形磁约束受控热核反应装置 3 环流器原理 在这种装置中 等离子体被不同方向的磁场约束在一个环管状的金属反应室中 用电磁感应产生的大电流对等离子体进行加热 从而实现等离子体热核燃料的 点火 4 超导托卡马克 将超导技术成功地应用于产生托卡马克强磁场的线圈上制成 4 核聚变是一种安全 不产生放射性物质 原料成本低廉的能源 是人类未来能源的希望 典例探究 典例 2016 全国卷 在下列描述的核过程的方程中 属于 衰变的是 属于 衰变的是 属于裂变的是 属于聚变的是 正确解答 原子核发生 衰变会产生一个新核和 所以选项c是 衰变 原子核发生 衰变会产生一个新核和 所以a b选项为 衰变 重核被轰击后 发生裂变会产生几个质量差不多的新核 所以选项e为裂变 两个轻核结合成质量较大的核的核反应 为核聚变 所以选项f为核聚变 答案 ca bef 过关训练 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 我国自行设计 研制的 人造太阳 装置 全超导非圆截面核聚变实验装置 east 成为世界上第一个同时具有全超导磁体和主动冷却结构的核聚变实验装置 它的建成使我国迈入磁约束核聚变领域先进国家行列 下列关于 人造太阳 的说法正确的是 a 人造太阳 的核反应方程是b 人造太阳 的核反应方程是c 人造太阳 核能大小的计算公式是e mc2d 人造太阳 释放的能量大小的计算公式是 e mc2 解析 选b d 人造太阳 内进行的是核聚变反应 故a错误 b正确 核反应放出的能量应由爱因斯坦质能方程计算 c错误 d正确 温馨提示 轻核发生聚变反应时 同样满足能量守恒和动量守恒 因此聚变反应经常与能量 动量结合起来进行考查 拓展例题 考查内容 能量守恒与轻核聚变反应的综合应用两个动能均为1mev的氘核发生正面碰撞 引起如下反应 已知 氘核的质量为2 0136u 氚核的质量为3 0156u 氢核的质量为1 0073u 1原子质量单位 u 相当于931 5mev 试求 1 此核反应中放出的能量 e为多少mev 2 若放出的能量全部变为新生核的动能 则新生的氢核所具有的动能为多少mev 思路点拨 氘核碰撞过程动量守恒 找到新生核的动能与其动量的关系 进而找到两新生核动能之间的关系 正确解答 1 由质能方程 核反应中放出的能量为 e m 931 5mev 2 2 0136u 3 0156u 1 0073u 931 5mev 4 005mev 2 相互作用过程中动量守恒p1 p2新生的氚核的动能 新生的氢核的动能 由能量守恒得 2ek e 代入数据得新生的氢核的动能 4 5mev答案 1 4 005mev 2 4 5mev 轻核聚变与重核裂变的区别 案例展示 下面关于原子核的裂变和聚变的说法 正确的是 a 重核裂变和轻核聚变都放出核能 但地球上裂变材料比聚变材料丰富得多b 目前人类建成的核电站全部是利用重核裂变放出的能量来发电的 c 要使轻原子核发生聚变 必须使它们之间的距离至少接近到10 10md 太阳发出的光和热主要来