2018-2019版物理新导学笔记人教通用版选修3-5讲义：第十九章 原子核 7~8

学必求其心得，业必贵于专精学必求其心得，业必贵于专精学必求其心得，业必贵于专精7核聚变8粒子和宇宙[学习目标]1.了解核聚变及其特点和条件。2。会判断和书写核聚变反应方程，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。了解宇宙起源的大爆炸学说及恒星的演化．一、核聚变1．聚变两个轻核结合成质量较大的核,释放出核能的反应,称为核聚变，聚变反应又称为热核反应．2．聚变方程eq\o\al(2,1）H＋eq\o\al（3，1)H→eq\o\al(4，2）He＋eq\o\al(1,0)n＋17.6MeV.3．聚变发生的条件要使轻核聚变，必须使轻核间的距离接近核力发生作用的距离10－15m，这要克服电荷间巨大的库仑斥力作用,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，有一种方法就是给它们加热，使物质达到几百万开尔文的高温．二、粒子和宇宙1．“基本粒子"不基本（1)直到19世纪末，人们都认为原子是组成物质的不可再分的最小微粒，后来人们发现了光子、电子、质子、中子，并把它们叫做“基本粒子"．(2）随着科学的发展,科学家们发现了很多的新粒子并不是由以上基本粒子组成的,并发现质子、中子等本身也有复杂结构．2．发现新粒子(1)新粒子：1932年发现了正电子，1937年发现了μ子，1947年发现了K介子和π介子，后来发现了超子等．(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：强子、轻子和媒介子．3．夸克模型的提出1964年提出的强子的夸克模型,认为强子是由夸克构成的．

［即学即用]1．判断下列说法的正误．(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)轻核聚变比裂变更安全、清洁．(√)（4）实现核聚变的难点是地球上没有任何容器能够经受热核反应所需的温度．(√)(5)质子、中子不能再分．（×）(6)夸克的带电荷量是电子电荷量的整数倍．(×）2．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：eq\o\al(2，1）H＋eq\o\al（3,1)H→eq\o\al（4,2）He＋x，式中x是某种粒子．已知：eq\o\al（2,1）H、eq\o\al（3，1)H、eq\o\al(4,2）He和粒子x的质量分别为2.0141u、3.0161u、4。0026u和1。0087u；1u＝eq\f(931.5MeV,c2),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）．答案eq\o\al（1，0）n（或中子）17.6解析根据质量数和电荷数守恒可得x是eq\o\al（1,0）n(中子)．核反应中的质量亏损为Δm＝2。0141u＋3。0161u－4.0026u－1.0087u＝0.0189u所以该反应释放出的能量为ΔE＝Δm·c2≈17.6MeV.一、核聚变的特点及应用[导学探究]1．为什么实现核聚变要使聚变的燃料加热到几百万开尔文的高温？答案轻核的聚变反应，是较轻的核子聚合成较重的核子，要使得核子的强相互作用发挥作用，必须使核子间的距离达到10－15m以内；同时由于原子核之间在此距离时的库仑斥力十分巨大，因而需要核子有很大的动能,表现在宏观上就是核燃料需要达到极高的温度．2．目前人们实现的核聚变是什么？实现热核反应存在的困难是什么?可能实现对热核反应的控制的方法是什么？答案（1)目前人们能实现的热核反应是氢弹的爆炸,是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反应，但这是不可控制的．（2）实现热核反应存在的困难是：地球上没有任何容器能够经受住热核反应所需要的高温．（3）可能实现对热核反应的控制方法：磁约束：利用磁场来约束参与反应的物质．环流器是目前性能最好的一种磁约束装置．惯性约束：利用强激光从各个方向照射参加反应的物质，使它们由于惯性还来不及扩散就完成了核反应．[知识深化］1．对核聚变的理解（1)聚变发生的条件：要使轻核聚变，必须使轻核间的距离达到10－15m以内，这要克服电荷间强大的库仑斥力作用，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)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继续下去．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．(3）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爆炸．②可控热核反应：目前处于探索阶段．2．重核裂变与轻核聚变的区别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要大3～4倍核废料处理难度聚变反应的核废料处理要比裂变反应简单得多原料的蕴藏量核裂变燃料铀在地球上储量有限，尤其用于核裂变的铀235在天然铀中只占0.7%主要原料是氘，氘在地球上的储量非常丰富。1L水中大约有0.03g氘，如果用来进行热核反应，放出的能量约与燃烧300L汽油释放的能量相当可控性速度比较容易进行人工控制，现在的核电站都是用核裂变反应释放核能目前，除氢弹以外，人们还不能控制它例1大科学工程“人造太阳”主要是将氘核聚变反应释放的能量用来发电．氘核聚变反应方程是：eq\o\al（2,1)H＋eq\o\al(2，1)H→eq\o\al(3,2)He＋eq\o\al(1,0）n。已知eq\o\al(2,1）H的质量为2。0136u，eq\o\al（3，2）He的质量为3.0150u，eq\o\al(1，0)n的质量为1.0087u，1u＝931MeV/c2.氘核聚变反应中释放的核能约为（)A．3.7MeV B．3.3MeVC．2.7MeV D．0。93MeV答案B解析根据质能方程,释放的核能ΔE＝Δmc2，Δm＝2mH－mHe－mn＝0。0035u，则ΔE＝0。0035×931MeV＝3.2585MeV≈3。3MeV，故B正确,A、C、D错误．针对训练1（多选)据新华社报道，由我国自行设计、研制的世界第一套全超导核聚变实验装置(又称“人造太阳")已完成了首次工程调试．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eq\o\al(2，1)H＋eq\o\al(3,1）H→eq\o\al(4，2）He＋eq\o\al(1,0）nB．“人造太阳”的核反应方程是eq\o\al（235，92）U＋eq\o\al（1,0）n→eq\o\al(141，56)Ba＋eq\o\al(92，36)Kr＋3eq\o\al（1,0)nC．根据公式E＝mc2可知，核燃料的质量相同时，聚变反应释放的能量比裂变反应大得多D．根据公式E＝mc2可知，核燃料的质量相同时，聚变反应释放的能量与裂变反应相同答案AC解析eq\o\al(2，1)H＋eq\o\al（3,1)H→eq\o\al（4,2）He＋eq\o\al（1,0）n是轻核聚变方程，故A项正确；根据轻核聚变特点，相同质量的核燃料，轻核聚变释放的能量比裂变反应大得多，故选项C正确．二、新粒子的发现和夸克模型[导学探究］图1为欧洲粒子加速器,能使粒子获得13万亿电子伏特的能量．图1（1)高速粒子碰撞能产生一些新的粒子，试说出部分20世纪30年代以来发现的新粒子．（2)随着新粒子的发现，质子与中子为什么不再被称为“基本粒子”？答案(1)正电子、μ子、K介子、π介子、超子．（2）因为科学家们发现质子、中子等本身也是复合粒子，也有着自己的复杂的结构，所以它们不再是“基本粒子”．[知识深化]1．新粒子的发现及特点发现时间1932年1937年1947年20世纪60年代后新粒子反粒子μ子K介子与π介子超子基本特点质量、寿命等物理性质与相对应的粒子相同，而电荷等其他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.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”构成；强子又分为介子和重子两类轻子不参与强相互作用电子、电子中微子、μ子、μ子中微子、τ子、τ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、中间玻色子、胶子分别传递电磁、弱、强相互作用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＋eq\f(2,3）或－eq\f(1,3)。例如，上夸克带的电荷量为＋eq\f(2e,3），下夸克带的电荷量为－eq\f（e，3）.（4）意义：电子电荷不再是电荷的最小单元,即存在分数电荷．例2(多选)下列关于夸克模型的说法正确的是（)A．强子是由更基本的夸克组成的B．夸克的电荷量分别为元电荷的＋eq\f（2,3)或－eq\f（1，3)C．每种夸克都有对应的反夸克D．夸克能以自由的状态单个出现答案ABC解析夸克不能以自由的状态单个出现，D错误，A、B、C正确．针对训练2(多选）已知π＋介子、π－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eq\x\to（u）或反夸克eq\x\to（d））组成的，它们的带电荷量如下表所示,表中e为元电荷.粒子π＋π－udeq\x\to（u)eq\x\to(d）带电荷量＋e－e＋eq\f(2e，3)－eq\f（e，3）－eq\f（2e,3）＋eq\f(e，3）下列说法正确的是(）A．π＋由u和eq\x\to（d）组成 B．π＋由d和eq\x\to(u）组成C．π－由u和eq\x\to（d）组成 D．π－由d和eq\x\to（u）组成答案AD解析因π＋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＋eq\f(2，3）e和反夸克eq\x\to（d)带＋eq\f(1，3）e合成电荷量为＋e，那么π＋介子就是由夸克u和反夸克eq\x\to(d）组成的；同理,π－介子由夸克d和反夸克eq\x\to（u)组成，所以A、D正确．1．（对核聚变的理解)科学家发现在月球上含有丰富的eq\o\al(3,2)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2eq\o\al(3，2)He→2eq\o\al（1，1）H＋eq\o\al（4，2）He，关于eq\o\al（3，2）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eq\o\al（3，2）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，B正确，A、C错误；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，D错误．2．（核反应方程的理解）(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中，表述正确的是()A.eq\o\al(3,1)H＋eq\o\al(2，1）H→eq\o\al（4,2)He＋eq\o\al（1,0）n是核聚变反应B。eq\o\al（3，1)H＋eq\o\al(2，1）H→eq\o\al(4，2)He＋eq\o\al（1，0）n是β衰变C。eq\o\al（235，92）U＋eq\o\al（1，0）n→eq\o\al(144,56)Ba＋eq\o\al（89,36）Kr＋3eq\o\al(1，0）n是核裂变反应D。eq\o\al(235,92）U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al（140,54)Xe＋eq\o\al(94，38)Sr＋2eq\o\al（1，0)n是α衰变答案AC解析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α或β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．

3．（对宇宙粒子的理解)以下说法正确的是()A．最早发现的轻子是电子,最早发现的强子是中子B．质子、中子、介子和超子都属于强子C．强子、轻子都有内部结构D．τ子质量比核子质量大,τ子不属于轻子答案B解析最早发现的强子是质子，最早发现的轻子是电子，故选项A错误；强子有内部结构，由夸克组成，轻子没有内部结构，所以C错误;质子、中子、介子、超子都属于强子，τ子质量比核子质量大,但仍属于轻子，B正确，D错误．4．(核聚变释放核能的计算）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．（已知质子质量为mH＝1.0073u，氦核质量为mHe＝4。0015u，电子质量为me＝0。00055u，1u＝931。5MeV/c2)（1)写出这个核反应方程．（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。8×1026J，则太阳每秒减少的质量为多少千克？答案(1)4eq\o\al（1，1)H→eq\o\al（4,2)He＋2eq\o\al(

0,＋1）e(2)24。78MeV（3)4.22×109kg解析（1)由题意可得核反应方程应为4eq\o\al（1，1）H→eq\o\al（4，2）He＋2eq\o\al（

0，＋1)e。(2)反应前的质量m1＝4mH＝4×1.0073u＝4.0292u，反应后的质量m2＝mHe＋2me＝4。0015u＋2×0.00055u＝4。0026u,Δm＝m1－m2＝0.0266u，由质能方程得，释放的能量ΔE＝Δmc2＝0。0266×931。5MeV≈24。78MeV.(3）由质能方程ΔE＝Δmc2得太阳每秒减少的质量Δm＝eq\f(ΔE,c2)＝eq\f(3.8×1026,3×1082）kg≈4。22×109kg。一、选择题考点一对核聚变的理解1．（多选）下列关于聚变的说法，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，所以氢弹可以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10－15m，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的高温下才有这样的能量，这样高的温度可以通过原子弹爆炸获得,故B、C正确;在太阳和其他恒星内部都存在着热核反应,但在地球内部不会自发地进行，D错误．2．(多选）在某次核反应中,1个氘核和1个氚核结合生成1个氦核，则下列说法中正确的是（）A．这是一个聚变反应B．核反应方程式为eq\o\al（2,1)H＋eq\o\al(3，1)H→eq\o\al（4,2）He＋eq\o\al（1,0）nC．目前核电站都采用上述核反应发电D．该核反应没有质量亏损答案AB解析1个氘核和1个氚核结合生成1个氦核，反应方程为eq\o\al（2，1）H＋eq\o\al（3，1）H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al（1,0）n,这是聚变反应，故A、B正确；目前核电站采用核裂变发电，故C错误；该反应放出热量,所以一定有质量亏损，故D错误．3．下列说法正确的是()A．聚变是裂变的逆反应B．核聚变反应须将反应物加热到数百万开尔文以上的高温，显然是吸收能量C．轻核聚变比裂变更为安全、清洁D．强子是参与强相互作用的粒子，中子是最早发现的强子答案C解析聚变和裂变的反应物和生成物不同，两者无直接关系，并非互为逆反应，故A错；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，但聚变反应一旦实现，所释放的能量远大于所吸收的能量,所以聚变反应还是释放能量,故B错；实现聚变需要高温,一旦出现故障,高温不能维持，反应就自动终止了，另外，聚变反应比裂变反应生成的废物数量少，容易处理，故C对；质子是最早发现的强子,故D错．4．（多选)关于核反应的类型，下列表述正确的有（）A.eq\o\al（238，92）U→eq\o\al(234,90)Th＋eq\o\al(4，2)He是α衰变B。eq\o\al（14,7)N＋eq\o\al（4,2)He→eq\o\al(17,8）O＋eq\o\al(1，1)H是β衰变C.eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al（3，1）H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)n是轻核聚变D。eq\o\al(82，34）Se→eq\o\al（82，36)Kr＋2eq\o\al(0，－1）e是重核裂变答案AC5．某科学家提出年轻热星体中核聚变的一种理论，其中的两个核反应方程为eq\o\al（1，1）H＋eq\o\al（12，6)C→eq\o\al(13，7）N＋Q1①eq\o\al(1,1)H＋eq\o\al（15,7）N→eq\o\al（12,6）C＋X＋Q2②方程中Q1、Q2表示释放的能量，相关的原子核质量如表:原子核eq\o\al（1,1)Heq\o\al(3，1)Heq\o\al（4,2）Heeq\o\al(12,6)Ceq\o\al（13,7)Neq\o\al(15,7）N质量/u1。00783.01664。002612。000013。005715.0001以下推断正确的是（）A．X是eq\o\al(3，2)He，Q2〉Q1 B．X是eq\o\al(4,2)He，Q2〉Q1C．X是eq\o\al(3,2)He,Q2〈Q1 D．X是eq\o\al（4,2）He,Q2〈Q1答案B解析由质量数守恒和电荷数守恒,可判断X为eq\o\al（4，2）He，①式的质量亏损为Δm1＝1.0078u＋12.0000u－13.0057u＝0.0021u．②式的质量亏损为Δm2＝1。0078u＋15.0001u－12。0000u－4.0026u＝0。0053u,所以Δm2〉Δm1.根据质能方程ΔE＝Δmc2可求得Q2>Q1，故选B。6．我国自行研制了可控热核反应实验装置“超导托卡马克”（英文名称：EAST，俗称“人造太阳”）．设可控热核实验反应前氘核（eq\o\al（2,1）H）的质量为m1，氚核(eq\o\al（3，1)H)的质量为m2，反应后氦核（eq\o\al(4,2）He)的质量为m3，中子(eq\o\al(1，0）n)的质量为m4，光速为c,下列说法正确的是（)A．这种装置中发生的核反应方程式是eq\o\al（2，1）H＋eq\o\al（3，1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al（1,0)nB．由核反应过程质量守恒可知m1＋m2＝m3＋m4C．核反应放出的能量等于(m1－m2－m3－m4）c2D．这种装置与我国大亚湾核电站所使用装置的核反应原理相同答案A解析核反应方程为eq\o\al（2，1)H＋eq\o\al（3,1)H→eq\o\al（4，2)He＋eq\o\al（1,0)n，选项A正确；反应过程中向外释放能量,故质量有亏损，且释放的能量ΔE＝Δmc2＝（m1＋m2－m3－m4)c2，选项B、C错误;可控热核反应为核聚变,大亚湾核电站所用核装置反应原理为核裂变，选项D错误．7．当两个中子和两个质子结合成一个α粒子时,放出28.3MeV的能量，当三个α粒子结合成一个碳（C）核时,放出7.26MeV的能量，则当6个中子和6个质子结合成一个碳（C）核时，释放的能量约为(）A．21。04MeV B．35。56MeVC．77。64MeV D．92.16MeV答案D解析6个中子和6个质子可结合成3个α粒子，放出能量3×28。3MeV＝84.9MeV，3个α粒子再结合成一个碳核,放出7。26MeV能量，故6个中子和6个质子结合成一个碳核时，释放的能量为84.9MeV＋7。26MeV＝92。16MeV。考点二宇宙与粒子8．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、氦核等轻核答案A解析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,再之后是自由的光子、中微子、电子大量存在的轻子时代,再之后是中子和质子结合成氘核,并形成氦核的核时代,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的产生都在A之后，故B、C、D错．9．为了探究宇宙起源，“阿尔法磁谱仪”（AMS）将在太空中寻找“反物质"．所谓“反物质”是由“反粒子"构成的．“反粒子”与其对应的正粒子具有相同的质量和相同的电荷量，但电荷的符号相反．由此可知反氢原子是（)A．由1个带正电荷的质子和1个带负电荷的电子构成B．由1个带负电荷的反质子和1个带正电荷的正电子构成C．由1个带负电荷的反质子和1个带负电荷的电子构成D．由1个不带电的中子和1个带正电荷的正电子构成答案B解析氢原子由一个电子和一个质子组成，根据“反物质”和“反粒子”的概念，可知反氢原子由一个带负电荷的反质子和一个带正电荷的正电子组成，故选项B正确，选项A、C、D错误．二、非选择题10．(聚变释放能量的计算）两个氘核聚变产生一个中子和一个氦核，已知氘核质量mD＝2。0136u，氦核质量mHe＝3。0150u,中子质量mn＝1。0087u．(1u＝931.5MeV/c2）(1)计算释放出的结合能；（2）若反应前两氘核的动能均为Ek0＝0.35MeV,它们正撞发生聚变，且反应后释放的核能全部转变为动能，则反应产生的氦核和中子的动能各为多大？答案（1)3。26MeV（2）0。99