2018版高中物理 第三章 原子核 3.6 核聚变 3.7 粒子物理学简介导学案 教科版选修3-5

1、6核聚变7粒子物理学简介目标定位1.知道什么是聚变反应，会计算核聚变中释放的核能.2.知道热核反应，了解可控热核反应及其研究和发展.3.了解构成物质的“基本粒子”及粒子物理的发展史.一、核聚变1定义：两个轻核结合成较重原子核的反应，轻核聚变必须在高温下进行，因此又叫热核反应2能量变化：轻核聚变后，平均结合能增加，反应中会释放能量3核反应举例：HHHen17.6 MeV.4核反应条件：必须使它们的距离达到1015 m以内，使核具有足够的动能，轻核才能够发生聚变5特点：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，靠自身产生的热就会使反应继续下

2、去6氢弹原理：首先由普通炸药引爆原子弹再由原子弹爆炸产生的高温高压引发热核爆炸二、可控热核反应与恒星演化中的核反应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太阳等恒星内部进行的核反应是轻核聚变反应三、粒子1“基本粒子”不基本“基本粒子”：直到19世纪末，人们认为光子、电子、质子、中子是“基本粒子”，随着科学的发展，一方面逐渐发现了数以百计的新粒子，它们都不是由中子、质子、电子组成的；另一方面科学家又发现质子、中子等本身也有自己的复杂的结构因此，20世纪后半期，就将“基本”去掉，统称粒子2粒子的分类：按照粒子与各种相互作用的关

3、系，可将粒子分为三大类：强子、轻子和媒介子3夸克模型(1)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，认为强子是由夸克构成的(2)分类：上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克、底夸克、顶夸克；它们带的电荷量分别为元电荷的或，每种夸克都有对应的反夸克(3)意义：元电荷不再是电荷的最小单位，即存在分数电荷(4)夸克的“禁闭”夸克不能以自由的状态单个出现，这种性质称为夸克的“禁闭”四、3种典型的粒子加速器1直线加速器(1)粒子运动轨迹是一条直线(2)满足的条件：要保持粒子与高频电场之间的谐振关系(3)优点：粒子束的强度高2回旋加速器(1)粒子运动轨迹：在磁场中的匀速圆周运动(2)满足

4、条件：高频电源的频率等于粒子回旋的频率(3)优点：粒子被加速到的能量可达40_MeV.3对撞机能够实现两束相对运动的粒子对撞的设备叫对撞机工作原理：粒子先在同步加速器中加速，然后射入对撞机，反向回旋在轨道交叉处相互碰撞，获得较大能量预习完成后，请把你疑惑的问题记录在下面的表格中问题1问题2问题3一、对轻核聚变的理解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1015 m，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2轻核聚变是放能反应：从平均结合能的图线看，轻核聚变后平均结合能增加，因此聚变

5、反应是一个放能反应3聚变方程：HHHen.4重核裂变与轻核聚变的区别 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容易得多【例1】下列说法不正确的是()A.HHHen是聚变B.UnXeSr2n是裂变C.RaRnHe是衰变D.NaMge是裂变答案D解析A选项中是两个质量较轻的核结合成了一个质量较重的核，是聚变反应，故A选项正确；B选项的核反应中是铀核捕获中子裂变为两个(或更多)中等质量的核，并放出几个中子，是

6、裂变反应，故B选项正确；在C选项的核反应中没有中子的轰击自发地放出了粒子，是衰变，C选项是正确的；而D应是衰变，不正确；故答案为D.借题发挥主要核反应类型有：(1)衰变：衰变是原子核自发转变为另一种核并辐射出或粒子(2)人工转变：人工转变常用粒子(也可用中子等)轰击原子核，该核捕获粒子后产生新原子核，并放出一个或几个粒子(3)核裂变：核裂变时铀核捕获中子裂变为两个(或更多)中等质量的核，并放出几个中子(4)核聚变：轻核聚变时也会放出中子针对训练1以下说法正确的是()A聚变是裂变的逆反应B如果裂变释放能量，则聚变反应必定吸收能量C聚变须将反应物加热至数百万开尔文以上的高温，显然是吸收能量D裂变与

7、聚变均可释放巨大的能量答案D解析A选项从形式上看，裂变与聚变似乎是互为逆反应，但其实不然，因为二者的反应物和生成物完全不同裂变是重核分裂成中等核，而聚变则是轻核聚合成为次轻核，无直接关联，并非互为逆反应；B选项既然裂变与聚变不是互为逆反应，则在能量流向上也不必相反；C选项要实现聚变反应，必须使参加反应的轻核充分接近，需要数百万开尔文的高温提供能量但聚变反应一旦实现，所释放的能量远大于所吸收的能量因此，总的来说，聚变反应还是释放能量二、聚变反应中释放核能的计算【例2】太阳内部持续不断地发生着四个质子聚变为一个氦核同时放出两个正电子的热核反应，这个核反应释放出的大量能量就是太阳的能源(1)写出这个

8、核反应方程(2)这一核反应能释放多少能量？(3)已知太阳每秒释放的能量为3.81026 J，则太阳每秒减少的质量为多少千克？(mp1.007 3 u，mHe4.001 5 u，me0.000 55 u)答案(1)4HHe2e(2)24.78 MeV(3)4.2109 kg解析(1)核反应方程4HHeX，而X只能是2个正电子因此核反应方程应为4HHe2 01e.(2)反应前的质量m14mp41.007 3 u4.029 2 u，反应后m2mHe2me4.001 5 u20.000 55 u4.002 6 u，mm1m20.026 6 u，由质能方程得，释放能量Emc20.026 6931.5 M

9、eV24.78 MeV.(3)由质能方程Emc2得每秒减少的质量m kg4.2109 kg.针对训练2一个质子和两个中子聚变为一个氚核，已知质子质量mH1.007 3 u，中子质量mn1.008 7 u，氚核质量mT3.018 0 u求：(1)写出聚变方程；(2)释放出的核能多大？(3)平均每个核子释放的能量是多大？答案(1)H2nH(2)6.24 MeV(3)2.08 MeV解析(1)聚变方程H2nH.(2)质量亏损mmH2mnmT(1.007 321.008 73.018 0) u0.006 7 u，释放的核能Emc20.006 7931.5 MeV6.24 MeV.(3)平均每个核子放出

10、的能量为 MeV2.08 MeV.三、粒子的分类和夸克模型1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”粒子构成的；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、玻色子、胶子分别传递电磁、弱、强相互作用2.夸克的分类夸克有6种，它们是上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克、底夸克、顶夸克，它们带的电荷分别为元电荷的或.每种夸克都有对应的反夸克【例3】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

11、们的带电量如下表所示，表中e为元电荷ud带电量eeeeee下列说法正确的是()A由u和组成 B由d和组成C由u和组成 D由d和组成答案AD解析根据电荷量关系可知，由于介子带有e的电荷量，又由于介子是由一个夸克和一个反夸克组成，根据题意可知介子(e)应由一个夸克u和一个反夸克组成，A正确；同理介子由夸克d和反夸克组成，D正确故正确答案为A、D.针对训练3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

12、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夸克组成答案B解析质子H带电荷量为2ee，中子n带电荷量为e20.可见B正确.对核聚变的理解1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()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聚变反应没有质量亏损D目前核电站都采用He聚变反应发电答案B解析核聚变反应中产生新的原子核，同时由于发生了质量亏损，会有核能的释放

13、，这是人类利用核能的途径之一目前核电站大多采用重核裂变的方法来释放与利用核能发电2(多选)下列关于聚变的说法中，正确的是()A要使聚变产生，必须克服库仑斥力做功B轻核聚变需要几百万开尔文的高温，因此聚变又叫做热核反应C原子弹爆炸能产生几百万开尔文的高温，所以氢弹利用原子弹引发热核反应D太阳和许多恒星内部都在激烈地进行着热核反应，在地球内部也可以自发地进行答案ABC解析轻核聚变时，要使轻核之间距离达到1015 m，所以必须克服库仑斥力做功，A正确；原子核必须有足够的动能，才能使它们接近到核力能发生作用的范围，实验证实，原子核必须处在几百万开尔文下才有这样的能量，这样高的温度通过利用原子弹爆炸获得

14、，故B、C正确；在太阳和其他恒星内部都存在着热核反应，但在地球上不会自发地进行，D错误核聚变释放核能的计算3氘和氚发生聚变反应的核反应方程式是HHHen17.6 MeV，若有2 g氘和3 g 氚全部发生聚变，NA为阿伏加德罗常数，则释放的能量是()ANA17.6 MeV B5NA17.6 MeVC2NA17.6 MeV D3NA17.6 MeV答案A解析由核反应方程可知1个氘核和1个氚核聚变成氦核时放出17.6 MeV能量和1个中子，则1 mol的氘和1 mol氚全部聚变成1 mol氦核时释放的能量为ENA17.6 MeV.4氘核(H)和氚核(H)结合成氦核(He)的核反应方程如下：HHHen

15、17.6 MeV(1)这个核反应称为_(2)要发生这样的核反应，需要将反应物质的温度加热到几百万开尔文式中17.6 MeV是核反应中_(填“放出”或“吸收”)的能量，核反应后生成物的总质量比核反应前物质的总质量_(填“增加”或“减少”)了_kg(保留一位有效数字)答案(1)聚变(2)放出减少31029解析在轻核聚变反应中，由于质量亏损，放出核能，由Emc2，可以求得m31029 kg.(时间：60分钟)题组一核聚变1下列关于热核反应是一种理想能源的原因的说法中不正确的是()A就每一个核子平均来说，比重核裂变时释放的能量多B对环境的放射性污染较裂变轻，且较容易处理C热核反应的原料在地球上储量丰富

16、D热核反应的速度容易控制答案 D解析受控热核反应的实际应用的技术尚不成熟，它的反应速度是不易控制的2关于核能的利用，下列说法正确的是()A现在的核电站既有裂变反应堆也有聚变反应堆B在地球上，人类还无法实现聚变反应C当人类实现了受控核聚变，稳定输出核能时，世界就会克服“能源危机”D世界现有核电站能够进行聚变反应而输出核能答案C解析现有核电站均为重核裂变反应释放能量，而裂变反应和聚变反应的条件不同，现在的核电站不能进行聚变反应，故A、D错误；虽然人类已经掌握了聚变反应的技术，但还不能实现大规模的受控核聚变，故B错误；由于地球上储备有大量的聚变原料，一旦实现受控核聚变，世界将不再存在“能源危机”，故

17、C正确3(多选)2009年10月31日8时6分，中国科学界“两弹一星”巨星钱学森在北京逝世，享年98岁人民群众深刻悼念这位有着“中国航天之父”称号的伟大科学家下列核反应方程中属研究两弹的基本核反应方程式的是()A.NHeOHB.UnSrXe10nC.UThHeD.HHHen答案BD解析“两弹”指原子弹和氢弹，它们的核反应属于重核的裂变与轻核的聚变，故应选B、D.4(多选)关于聚变，以下说法中正确的是()A两个轻核聚变为中等质量的原子核时放出能量B同样质量的物质发生聚变时放出的能量比同样质量的物质裂变时释放的能量大好多倍C聚变反应的条件是聚变物质的体积达到临界体积D发生聚变反应时的原子核必须有足

18、够大的动能答案BD解析两个轻核聚合为较大质量的原子核就可释放能量但不一定是中等质量的核，故A项错误聚变反应放出的能量比同样质量的物质裂变时释放的能量大得多，这点由聚变反应的特点我们就可以知道，故B项正确裂变反应的条件是裂变物质的体积达到临界体积，而聚变反应的条件是原子核间距达到1015 m，故要求有足够大的动能才能克服原子核间的斥力做功，故C错、D正确5关于核聚变，以下说法不正确的是()A与裂变相比轻核聚变辐射极少，更为安全、清洁B世界上已经有利用核聚变能来发电的核电站C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D地球聚变燃料的储量十分丰富，从海水中可以提炼出大量核

19、聚变所需的氘核答案B解析与裂变相比，核聚变有下面的几个优势：(1)安全、清洁、辐射少；(2)核燃料储量多；(3)核废料易处理但核聚变发电还没有投入实际运行所以B项是不正确的6原子核聚变可望给人类未来提供丰富的洁净能源当氘等离子体被加热到适当高温时，氘核参与的几种聚变反应可能发生，并放出能量这几种反应的总效果可以表示为6HkHedH2n43.15 MeV，则由守恒条件可知()Ak1，d4 Bk2，d2Ck1，d6 Dk2，d3答案B解析由质量数守恒和电荷数守恒，分别有4kd10,2kd6，解得k2，d2.正确选项为B.题组二基本粒子7K介子衰变的方程为K0.其中K介子和介子是带负电的基元电荷，0

20、介子不带电如图1所示的1个K介子沿垂直于磁场的方向射入匀强磁场中，其轨迹为圆弧AP，衰变后产生的介子的轨迹为圆弧PB，两轨迹在P点相切，它们的半径RK与R之比为21.0介子的轨迹未画出由此可知的动量大小与0的动量的大小之比为()图1A11 B12 C13 D16答案C解析带电粒子K与在磁场中做匀速圆周运动，洛伦兹力提供向心力Bqv得R，K介子与介子带电量相同，故运动的半径之比等于动量之比pKpRKR21在衰变后介子与0介子动量方向相反，设K介子的动量为正，则介子动量为负值，由动量守恒pKpp0则pp013故A、B、D错，C对8现在，科学家们正在设法寻找“反物质”，所谓“反物质”是由“反粒子”构

21、成的，“反粒子”与其对应的正粒子具有相同的质量和相同的电量，但电荷的符号相反据此，反粒子为()A.He B.He C.He D.He答案D解析这类问题在前两年的高考中经常出现根据题目中的描述，结合粒子的特点很容易选出正确选项为D.题组三粒子加速器9(多选)1930年劳伦斯制成了世界上第一台回旋加速器，其原理如图图2所示，这台加速器由两个铜质D形盒D1、D2构成，其间留有空隙，下列说法正确的是()图2A离子由加速器的中心附近进入加速器B离子由加速器的边缘进入加速器C离子从磁场中获得能量D离子从电场中获得能量答案AD解析回旋加速器的工作原理是使离子在两个D形盒的缝隙中受电场力加速，在D形盒的内部受洛伦兹力作匀速圆周运动，在磁场中所受的洛伦兹力不做功因此选项C错、D正确随着加速次数的增加，离子的能量越来越大，速度越来越大，由r可知离子的圆周运动半径越来越大，最后从加速器的边缘飞出