高中物理 选修3 5：197 8 核聚变、粒子和宇宙 课件

第十九章原子核19-7核聚变19-8粒子和宇宙第十九章原子核19-711、了解聚变反应的特点及其条件；2、了解可控热核反应及其研究和发展；3、知道轻核的聚变能够释放出很多的能量,如果能加以控制将为人类提供广阔的能源前景。19-7核聚变1、了解聚变反应的特点及其条件；19-7核聚变2现在环境问题日趋严重，人们在提高生活品质的同时，也在对能源可持续发展提出了严峻的考验。通过让学生自己阅读课本，让他们聚变核反应的特点及聚变反应的条件，培养他们归纳与概括知识的能力和提出问题的能力。现在环境问题日趋严重，人们在提高生活品质的同时3〓聚变〓裂变

物理学中把重核分裂成质量较小的核，释放核能的反应叫做裂变。把轻核结合成质量较大的核，释放出核能的反应叫做聚变。一、核聚变〓聚变〓裂变物理学中把重核分裂成质量较小的核，释放核41.轻核的聚变（热核反应）某些轻核能够结合在一起，生成一个较大的原子核，这种核反应叫做聚变。1.轻核的聚变（热核反应）某些轻核能够结合在一起5轻核的聚变:轻核的聚变:6根据所给数据,计算下面核反应放出的能量:氘核的质量：mD=2.014102u氚核的质量：mT=3.016050u氦核的质量：mα=4.002603u中子的质量：mn=1.008665u解析：亏损的质量损失的能量根据所给数据,计算下面核反应放出的能量:氘核的质量：mD=7发生聚变的条件:使原子核间的距离达到10-15m实现的方法有:1、用加速器加速原子核；２、把原子核加热到很高的温度；108～109K不经济聚变反应又叫热核反应发生聚变的条件:使原子核间的距离达到10-15m实现的方法有8核聚变的利用——氢弹弹体引爆装置小型原子弹三种炸药：普通炸药Ｕ235氘、氚爆炸裂变聚变氘、氚、重氢化钾等铀235外壳普通炸药核聚变的利用——氢弹弹体引爆装置小型原子弹三种炸药：普通炸药9

【分析】算出核反应中的质量亏损，利用爱因斯坦质能方程即可求出反应释放的核能。

（2）由题给条件可求得质量亏损为：Δm=2.0136×2－(3.0150+1.0087)=0.0035u∴释放的核能为ΔE=Δmc2=931.5×0.0035=3.26MeV

【分析】算出核反应中的质量亏损，利用爱因斯坦质能方程即可求10

0=mUvU-mαvα(1)由带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的半径公式得

0=mUvU-mαvα(1)由带电粒子在匀强磁场中11（2）核反应中释放的核能为ΔE=Δmc2=(238.999655-234.99347-4.001509)×931.5=4.356MeV由能的转化和守恒定律知EkU+Ekα=ΔE-0.09MeV=4.266MeV∵pU=pα

∴α粒子的动能为

（2）核反应中释放的核能为ΔE=Δmc2=(238.9121.热核反应和裂变反应相比较，具有许多优越性。二、可控热核反应——核聚变的利用可控热核反应将为人类提供巨大的能源,和平利用聚变产生的核量是非常吸引人的重大课题，我国的可控核聚变装置“中国环流器1号”已取得不少研究成果.①轻核聚变产能效率高。②地球上聚变燃料的储量丰富。③轻聚变更为安全、清洁。1.热核反应和裂变反应相比较，具有许多优越性。二、可控热核反132.现在的技术还不能控制热核反应。问题有：①热核反应的的点火温度很高；②如何约束聚变所需的燃料；磁场约束③反应装置中的气体密度要很低，相当于常温常压下气体密度的几万分之一；2.现在的技术还不能控制热核反应。问题有：①热核反应的的点火14②惯性约束3.实现核聚变的两种方案。①磁约束环流器的结构惯性约束②惯性约束3.实现核聚变的两种方案。①磁约束环流器的结构惯性151.了解构成物质的“基本粒子”及粒子物理的发展史；2.知道高能加速器是粒子物理学研究的工具。3.知道反粒子与粒子的关系。知道夸克可以带分数电荷。4.初步了解宇宙的演化过程及宇宙与粒子的和谐统一。学习目标19-8粒子和宇宙1.了解构成物质的“基本粒子”及粒子物理的发展史；学习目标16预读教材，了解知识，感知人类（科学家）探究宇宙奥秘的过程和方法；了解构成物质的粒子和宇宙演化过程。通过探究讨论学习，能够突破传统思维理解各种微观粒子模型。设计思路预读教材，了解知识，感知人类（科学家）探究宇宙17关于物质结构的探寻……是否还有其他的微观粒子？19世纪末，人们认为原子是组成物质的最小微粒道尔顿发现夸克盖尔曼经典散射实验，发现质子卢瑟福发现了原子内部结构中的电子汤姆逊查德威克发现中子新课导入关于物质结构的探寻……是否还有其他的微观粒子？19世纪末，人18一、“基本粒子”不基本新课讲授人们逐渐意识到，这些我们认为的“基本粒子”，实际并不基本。还有很多我们并不了解的粒子等待发现。

1.“基本粒子”不基本

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。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、电子组成的。科学家进一步发现质子、中子、电子等本身也是复合粒子，且还有着复杂的结构。一、“基本粒子”不基本新课讲授人们逐渐意识到192.发现新粒子为了探寻这些新粒子，实验物理学家想了各种办法，图中美丽的花树实际是在人造云室的强磁场中，携带电荷的粒子受洛伦兹力偏转的踪迹。这是比较原始的实验方法经过半个多世纪的发展，欧洲核子中心（CERN）建造了迄今最为庞大的双圈强子对撞机—LHC2.发现新粒子为了探寻这些新粒子，实验物理20大型强子对撞机是世界上最大、能量最高的粒子加速器，它的核心就是一系列探测中心以及先进的第三代同步加速器2.发现新粒子大型强子对撞机是世界上最大、能量最高的粒子加212.发现新粒子2012年7月4日，位于瑞士日内瓦的欧洲核子中心在发布会上向全球宣布，在双光子道和轻子道分别以6个西格玛的标准差探测到了希格斯玻色子(Higgs)。人们发现并证实了标准模型预言中最后一种粒子，这是现代物理学的一大步！2.发现新粒子2012年7月4日，位于瑞士日内瓦的欧洲核22分类自旋泡利不相容原理统计规律费米子

(电子质子中子各种重子)半整数1/2，3/2，…服从费米—狄拉克统计分布玻色子

(光子介子K介子、介子)整数0或1等不服从玻色—爱因斯坦统计分布泡利原理3.粒子的分类分类自旋泡利不相容原理统计规律费米子半整数服从费米—狄拉克统23正、反粒子物理量的绝对值都相同，但某些物理量(如电荷、磁矩等)的符号相反。但反粒子由于很容易湮灭，所以很难长时间存活。欧核反粒子的存储装置演示，原理简单的说就是用迅速变换的电场制作的牢笼电性、磁矩3.粒子的分类正、反粒子物理量的绝对值都相同，但某些物理量24万有引力电磁力弱相互作用强相互作用引力子＋光子＋＋轻子＋＋＋强子＋＋＋＋

引力子：由于自旋为2，无法量子化，尚未囊括进标准模型、静止质量和电荷为零，以光速运动。

光

子：自旋为1，是玻色子。相互作用3.粒子的分类万有引力电磁力弱相互作用强相互作用引力子＋光子＋＋轻子＋＋＋25分类粒子名称自旋介子、、K介子等整数玻色子重子核子质子、中子及其反粒子1/2(Ω超子3/2)费密子超子ΩΣΛΞ超子及反粒子强子分类分类粒子名称自旋介子、、K介子等整数玻色子重子26轻子分类（共12种）中微子系中性粒子，质量为零，只参与弱相互作用。分类正反粒子自旋η电荷量e重子数B轻子数Le、Lμ、Lτ寿命10-6s轻子电子e-

e+1/2-1+10-1+1稳定μ子μ-

μ+-1+12.2τ子τ-

τ+-1+1<2.3中微子νe

͞͞νe0稳定νμ

͞͞νμ0ντ

͞͞ντ0轻子分类（共12种）中微子系中性粒子，质量为零，只参与弱相互27下夸克d上夸克u奇夸克s粲夸克c底夸克b顶夸克t4.夸克模型1964年提出强子结构夸克模型介子（夸克和反夸克组成）重子（三个夸克组成）六种夸克下夸克d上夸克u奇夸克s粲夸克c28夸克质量电荷e自旋重子数同位旋同位旋分量奇异数超荷粲数底数顶数d下夸克0.008-1/31/21/31/2-1/20+1/3000u上夸克0.0042/31/20+1/3000s奇夸克0.15-1/300-1-2/3000c粲夸克1.52/30+1/3+100b底夸克4.7-1/30+1/30+10t顶夸克1742/30+1/300+1夸克质量电荷自旋重子数同位旋同位旋分量奇异数超荷粲数底数顶数29费米子与玻色子的夸克图费米子与玻色子的夸克图30大爆炸理论(TheBigBangTheory)宇宙从一个“奇点”爆炸产生大爆炸是在无限的宇宙各处同时产生时间的零点二、宇宙和恒星的演化大爆炸理论(TheBigBangTheory)大爆炸311929年埃德温·哈勃提出宇宙膨胀理论，即不管你往哪个方向看，远处的星系正急速地远离我们而去。这意味着，在早先星体相互之间更加靠近。事实上，似乎在大约100亿至200亿年之前的某一时刻，它们刚好在同一地方，所以哈勃的发现暗示存在一个叫做大爆炸的时刻，当时宇宙无限紧密。1.大爆炸理论1929年埃德温·哈勃提出宇宙膨胀理论，即不321950年前后，伽莫夫第一个建立了热大爆炸的观念。这个创生宇宙的大爆炸不是习见于地球上发生在一个确定的点，然后向四周的空气传播开去的那种爆炸，而是一种在各处同时发生，从一开时就充满整个空间的那种爆炸，爆炸中每一个粒子都离开其它每一个粒子飞奔。事实上应该理解为空间的急剧膨胀。“整个空间”可以指的是整个无限的宇宙，或者指的是一个就象球面一样能弯曲地回到原来位置的有限宇宙。1.大爆炸理论1950年前后，伽莫夫第一个建立了热大爆炸的33根据大爆炸宇宙论，甚早期的宇宙是一大片由微观粒子构成的均匀气体，温度极高，密度极大，且以很大的速率膨胀着。这些气体在热平衡下有均匀的温度。这统一的温度是当时宇宙状态的重要标志，因而称宇宙温度。气体的绝热膨胀将使温度降低，使得原子核、原子乃至恒星系统得以相继出现。1.大爆炸理论根据大爆炸宇宙论，甚早期的宇宙是一大片由微观342.恒星的演化大爆炸恒星白矮星中子星黑洞宇宙尘埃星云团2.恒星的演化大爆炸恒星白矮星黑洞宇宙尘埃星云团35粒子物理与宇宙学殊途同归粒子物理与宇宙学殊途同归36第十九章原子核19-7核聚变19-8粒子和宇宙第十九章原子核19-7371、了解聚变反应的特点及其条件；2、了解可控热核反应及其研究和发展；3、知道轻核的聚变能够释放出很多的能量,如果能加以控制将为人类提供广阔的能源前景。19-7核聚变1、了解聚变反应的特点及其条件；19-7核聚变38现在环境问题日趋严重，人们在提高生活品质的同时，也在对能源可持续发展提出了严峻的考验。通过让学生自己阅读课本，让他们聚变核反应的特点及聚变反应的条件，培养他们归纳与概括知识的能力和提出问题的能力。现在环境问题日趋严重，人们在提高生活品质的同时39〓聚变〓裂变

物理学中把重核分裂成质量较小的核，释放核能的反应叫做裂变。把轻核结合成质量较大的核，释放出核能的反应叫做聚变。一、核聚变〓聚变〓裂变物理学中把重核分裂成质量较小的核，释放核401.轻核的聚变（热核反应）某些轻核能够结合在一起，生成一个较大的原子核，这种核反应叫做聚变。1.轻核的聚变（热核反应）某些轻核能够结合在一起41轻核的聚变:轻核的聚变:42根据所给数据,计算下面核反应放出的能量:氘核的质量：mD=2.014102u氚核的质量：mT=3.016050u氦核的质量：mα=4.002603u中子的质量：mn=1.008665u解析：亏损的质量损失的能量根据所给数据,计算下面核反应放出的能量:氘核的质量：mD=43发生聚变的条件:使原子核间的距离达到10-15m实现的方法有:1、用加速器加速原子核；２、把原子核加热到很高的温度；108～109K不经济聚变反应又叫热核反应发生聚变的条件:使原子核间的距离达到10-15m实现的方法有44核聚变的利用——氢弹弹体引爆装置小型原子弹三种炸药：普通炸药Ｕ235氘、氚爆炸裂变聚变氘、氚、重氢化钾等铀235外壳普通炸药核聚变的利用——氢弹弹体引爆装置小型原子弹三种炸药：普通炸药45

【分析】算出核反应中的质量亏损，利用爱因斯坦质能方程即可求出反应释放的核能。

（2）由题给条件可求得质量亏损为：Δm=2.0136×2－(3.0150+1.0087)=0.0035u∴释放的核能为ΔE=Δmc2=931.5×0.0035=3.26MeV

【分析】算出核反应中的质量亏损，利用爱因斯坦质能方程即可求46

0=mUvU-mαvα(1)由带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的半径公式得

0=mUvU-mαvα(1)由带电粒子在匀强磁场中47（2）核反应中释放的核能为ΔE=Δmc2=(238.999655-234.99347-4.001509)×931.5=4.356MeV由能的转化和守恒定律知EkU+Ekα=ΔE-0.09MeV=4.266MeV∵pU=pα

∴α粒子的动能为

（2）核反应中释放的核能为ΔE=Δmc2=(238.9481.热核反应和裂变反应相比较，具有许多优越性。二、可控热核反应——核聚变的利用可控热核反应将为人类提供巨大的能源,和平利用聚变产生的核量是非常吸引人的重大课题，我国的可控核聚变装置“中国环流器1号”已取得不少研究成果.①轻核聚变产能效率高。②地球上聚变燃料的储量丰富。③轻聚变更为安全、清洁。1.热核反应和裂变反应相比较，具有许多优越性。二、可控热核反492.现在的技术还不能控制热核反应。问题有：①热核反应的的点火温度很高；②如何约束聚变所需的燃料；磁场约束③反应装置中的气体密度要很低，相当于常温常压下气体密度的几万分之一；2.现在的技术还不能控制热核反应。问题有：①热核反应的的点火50②惯性约束3.实现核聚变的两种方案。①磁约束环流器的结构惯性约束②惯性约束3.实现核聚变的两种方案。①磁约束环流器的结构惯性511.了解构成物质的“基本粒子”及粒子物理的发展史；2.知道高能加速器是粒子物理学研究的工具。3.知道反粒子与粒子的关系。知道夸克可以带分数电荷。4.初步了解宇宙的演化过程及宇宙与粒子的和谐统一。学习目标19-8粒子和宇宙1.了解构成物质的“基本粒子”及粒子物理的发展史；学习目标52预读教材，了解知识，感知人类（科学家）探究宇宙奥秘的过程和方法；了解构成物质的粒子和宇宙演化过程。通过探究讨论学习，能够突破传统思维理解各种微观粒子模型。设计思路预读教材，了解知识，感知人类（科学家）探究宇宙53关于物质结构的探寻……是否还有其他的微观粒子？19世纪末，人们认为原子是组成物质的最小微粒道尔顿发现夸克盖尔曼经典散射实验，发现质子卢瑟福发现了原子内部结构中的电子汤姆逊查德威克发现中子新课导入关于物质结构的探寻……是否还有其他的微观粒子？19世纪末，人54一、“基本粒子”不基本新课讲授人们逐渐意识到，这些我们认为的“基本粒子”，实际并不基本。还有很多我们并不了解的粒子等待发现。

1.“基本粒子”不基本

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。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、电子组成的。科学家进一步发现质子、中子、电子等本身也是复合粒子，且还有着复杂的结构。一、“基本粒子”不基本新课讲授人们逐渐意识到552.发现新粒子为了探寻这些新粒子，实验物理学家想了各种办法，图中美丽的花树实际是在人造云室的强磁场中，携带电荷的粒子受洛伦兹力偏转的踪迹。这是比较原始的实验方法经过半个多世纪的发展，欧洲核子中心（CERN）建造了迄今最为庞大的双圈强子对撞机—LHC2.发现新粒子为了探寻这些新粒子，实验物理56大型强子对撞机是世界上最大、能量最高的粒子加速器，它的核心就是一系列探测中心以及先进的第三代同步加速器2.发现新粒子大型强子对撞机是世界上最大、能量最高的粒子加572.发现新粒子2012年7月4日，位于瑞士日内瓦的欧洲核子中心在发布会上向全球宣布，在双光子道和轻子道分别以6个西格玛的标准差探测到了希格斯玻色子(Higgs)。人们发现并证实了标准模型预言中最后一种粒子，这是现代物理学的一大步！2.发现新粒子2012年7月4日，位于瑞士日内瓦的欧洲核58分类自旋泡利不相容原理统计规律费米子

(电子质子中子各种重子)半整数1/2，3/2，…服从费米—狄拉克统计分布玻色子

(光子介子K介子、介子)整数0或1等不服从玻色—爱因斯坦统计分布泡利原理3.粒子的分类分类自旋泡利不相容原理统计规律费米子半整数服从费米—狄拉克统59正、反粒子物理量的绝对值都相同，但某些物理量(如电荷、磁矩等)的符号相反。但反粒子由于很容易湮灭，所以很难长时间存活。欧核反粒子的存储装置演示，原理简单的说就是用迅速变换的电场制作的牢笼电性、磁矩3.粒子的分类正、反粒子物理量的绝对值都相同，但某些物理量60万有引力电磁力弱相互作用强相互作用引力子＋光子＋＋轻子＋＋＋强子＋＋＋＋

引力子：由于自旋为2，无法量子化，尚未囊括进标准模型、静止质量和电荷为零，以光速运动。

光

子：自旋为1，是玻色子。相互作用3.粒子的分类万有引力电磁力弱相互作用强相互作用引力子＋光子＋＋轻子＋＋＋61分类粒子名称自旋介子、、K介子等整数玻色子重子核子质子、中子及其反粒子1/2(Ω超子3/2)费密子超子ΩΣΛΞ超子及反粒子强子分类分类粒子名称自旋介子、、K介子等整数玻色子重子62轻子分类（共12种）中微子系中性粒子，质量为零，只参与弱相互作用。分类正反粒子自旋η电荷量e重子数B轻子数Le、Lμ、Lτ寿命10-6s轻子电子e-

e+1/2-1+10-1+1稳定μ子μ-

μ+-1+12.2τ子τ-

τ+-1+1<2.3中微子νe

͞͞νe0稳定νμ

͞͞νμ0ντ

͞͞ντ0轻子分类（共12种）中微子系中性粒子，质量为零，只参与弱相互63下夸克d上夸克u奇夸克s粲夸克c底夸克b顶夸克t4.夸克模型1964年提出强子结构夸克模型介子（夸克和反夸克组成）重子（三个夸克组成）六种夸克下夸克d上夸克u奇夸克s粲夸克c64夸克质量电荷e自旋重子数同位旋同位旋分量奇异数超荷粲数底数顶数d下夸克0.008-1