高中物理人教版5本册总复习总复习 第19章7核聚变8粒子和宇宙

7核聚变8粒子和宇宙学习目标知识脉络1.知道聚变反应，关注受控聚变反应研究的进展．2．通过核能的利用，思考科学技术与社会进步的关系．3．初步了解粒子物理学的基础知识及恒星演化．4．了解、感受科学发展过程中蕴藏着的科学和人文精神.核聚变eq\a\vs4\al([先填空])1．定义两个轻核结合成质量较大的核，并释放出能量的反应．2．举例eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)n＋MeV3．条件(1)轻核的距离要达到10－15_m以内．(2)需要加热到很高的温度，因此又叫热核反应．4．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．5．约束方法磁约束和惯性约束．eq\a\vs4\al([再判断])1．核聚变反应中平均每个核子放出的能量比裂变时小一些．(×)2．轻核的聚变只要达到临界质量就可以发生．(×)3．现在地球上消耗的能量绝大部分来自太阳内部的聚变反应．(√)eq\a\vs4\al([后思考])1．核聚变为什么需要几百万度的高温？【提示】要使轻核发生聚变就必须使它们间的距离达到核力发生作用的距离，而核力是短程力，作用距离在10－15m，在这个距离上时，质子间的库仑斥力非常大，为了克服库仑斥力就需要原子核具有非常大的动能才会撞到一起，当温度达到几百万度时，原子核就可以具有这样大的动能．2．受控核聚变中磁约束的原理是什么？【提示】原子核带有正电，垂直磁场方向射入磁场后在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动，绕着一个中心不断旋转而不飞散开，达到约束原子核的作用．eq\a\vs4\al([合作探讨])氢弹是核武器的一种，其杀伤破坏因素与原子弹相同，但威力比原子弹大得多，但要使氢弹内发生轻核聚变反应必须有极高的温度和足够大的碰撞几率．探讨1：怎样才能引发氢弹爆炸？【提示】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氢弹爆炸．探讨2：为什么轻核的聚变反应能够比重核的裂变反应释放更多的核能？【提示】因为很轻的原子核比较重的原子核的核子平均质量更大，聚变成质量较大的原子核能产生更多的质量亏损，所以平均每个核子释放的能量就更大．eq\a\vs4\al([核心点击])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．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在铀矿石中只占%主要原料是氘，氘在地球上的储量非常丰富.1L海水中大约有g氘，如果用来进行热核反应，放出的能量约与燃烧300L汽油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1．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摄氏度的高温，因此聚变又叫做热核反应C．原子弹爆炸能产生几百万摄氏度的高温，所以氢弹利用原子弹引发热核反应D．自然界中不存在天然的热核反应E．轻核聚变易控制，目前世界上的核电站多数是利用核聚变反应释放核能【解析】轻核聚变时，必须使轻核之间距离达到10－15m，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摄氏度下才有这样的能量，这样高的温度通常利用原子弹爆炸获得，故B、C正确E错误；在太阳内部或其他恒星内部都进行着热核反应，D错误．【答案】ABC2．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方程为eq\o\al(3,2)He＋eq\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E．聚变反应一定有质量亏损【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，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．【答案】ABE3．氘核(eq\o\al(2,1)H)和氚核(eq\o\al(3,1)H)结合成氦核(eq\o\al(4,2)He)的核反应方程如下：eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)n＋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)．【解析】在轻核聚变反应中，由于质量亏损，放出核能，由ΔE＝Δmc2，可以求得Δm＝eq\f(ΔE,c2)≈3×10－29kg.【答案】(1)核聚变(2)放出减少3×10－291核聚变反应和一般的核反应一样，也遵循电荷数和质量数守恒，这是书写核反应方程式的重要依据.2核能的计算关键是要求出核反应过程中的质量亏损，然后代入ΔE＝Δmc2进行计算.粒子和宇宙eq\a\vs4\al([先填空])1．基本粒子不基本(1)直到19世纪末，人们都认为光子、电子、质子和中子是基本粒子．(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介子及以后的超子等．(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．3．宇宙及恒星的演化(1)宇宙演化根据大爆炸理论，在宇宙形成之初是“粒子家族”尽显风采的时期．在大爆炸之后逐渐形成了夸克、轻子和胶子等粒子，随后经过强子时代、轻子时代、核合成时代．继续冷却，质子、电子、原子等与光子分离而逐步组成恒星和星系．(2)恒星的演化①恒星的形成：大爆炸后，在万有引力作用下形成星云团，进一步凝聚使引力势能转变为内能，温度升高，直到发光，于是恒星诞生了．②恒星演变：核聚变反应，层级递进地在恒星内发生，直到各种热核反应不再发生时，恒星的中心密度达到极大．③恒星归宿：恒星最后的归宿有三种，它们是白矮星、中子星、黑洞．eq\a\vs4\al([再判断])1．质子、中子、电子都是不可再分的基本粒子．(×)2．质子和反质子的电量相同，电性相反．(√)3．按照夸克模型，电子所带电荷不再是电荷的最小单元．(√)eq\a\vs4\al([后思考])1．为什么说基本粒子不基本？【提示】一方面是因为这些原来被认为不可再分的粒子还有自己的复杂结构，另一方面是因为新发现的很多种新粒子都不是由原来认为的那些基本粒子组成的．2．恒星是如何形成的？它在哪个阶段停留的时间最长？【提示】宇宙尘埃在外界影响下聚集，某些区域在万有引力作用下开始向内收缩，密度不断增加，形成星云团，星云团进一步凝聚使得引力势能转化为内能，温度升高．当温度上升到一定程度时就开始发光，形成恒星．恒星在辐射产生向外的压力和引力产生的收缩压力平衡阶段停留时间最长．eq\a\vs4\al([合作探讨])探讨1：什么是反粒子？所有的粒子都存在反粒子吗？【提示】实验发现，许多粒子都有和它质量相同而电荷及其他一些物理量相反的粒子，叫反粒子．按照粒子的对称性，有一个粒子，就应该有一个反粒子．探讨2：夸克模型的提出有什么物理意义？【提示】夸克模型的提出是物理学发展史中的一个重大突破，它指出电子电荷不再是电荷的最小单元，即存在分数电荷．而另一方面也说明科学正是由于一个一个的突破才得到进一步的发展．eq\a\vs4\al([核心点击])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与相对应的粒子相同而电荷及其他一些物理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、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(1,3)或＋eq\f(2,3).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位，即存在分数电荷．4．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 B．质子C．轻子 D．中子E．胶子【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、C、E正确，B、D错误．【答案】ACE5．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)由此可知π＋由________和________组成，π－由________和________组成．【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．【答案】ueq\x\to(d)，deq\x\to(u)6．在β衰变中常伴有一种称为“中微子”的粒子放出．中微子的性质十分特别，因此在实验中很难探测.1953年，莱尼斯和柯文建造了一个由大水槽和探测器组成的实验系统，利用中微子与水中eq\o\al(1,1)H的核反应，间接地证实了中微子的存在．(1)中微子与水中的eq\o\al(1,1)H发生核反应，产生中子(eq\o\al(1,0)n)和正电子(eq\o\al(0,1)e)，即：中微子＋eq\o\al(1,1)H→eq\o\al(1,0)n＋eq\o\al(0,1)e可以判定，中微子的质量数和电荷数分别是________．(2)上述核反应产生的正电子与水中的电子相遇，与电子形成几乎静止的整体后，可以转变为两个光子(γ)，即eq\o\al(0,1)e＋eq\o\al(0,－1)e→2γ已知正电子和电子的质量都为×10－31kg，反应中产生的每个光子的能量约为________J．正电子与电子相遇不可能只转变为一个光子，原因是什么？【解析】(1)发生核反应前后，粒子的质量数和电荷数均不变，据此可知中微子的质量数和电荷数都是0.(2)产生的能量是由于质量亏损．两个电子转变为两个光子之后，质量变为零，则E＝Δmc2，故一个光子的能量为eq\f(E,2)，代入数据得eq\f(E,2)＝×10－14J．正电子与水中的电子相遇，与电子形成几乎静止的整体，故系统总动量为零，故只有产生2个光子，此过程才遵循动量守恒定律．【答案】0和0×10－14J略对核反应中新生成粒子的认识新生成的粒子和实物粒子一样，也能产生物质波，它们之间发生相互作用时，同样遵循动量守恒定律等力学规律．学业分层测评(十八)(建议用时：45分钟)[学业达标]1．关于人们发现的新粒子，下列说法正确的是()A．许多粒子都有自己的反粒子B．把粒子分为强子、轻子、媒介子，根据是粒子与各种相互作用的关系C．质子属于强子D．光子属于轻子E．τ子的质量比核子的质量大，因此它属于强子【解析】根据粒子的分类、粒子与反粒子描述知A、B、C正确；光子属媒介子，τ子属于轻子．【答案】ABC2．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，反应时放出能量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E．媒介子是传递各种相互作用的粒子，胶子传递强相互作用【解析】聚变和裂变的反应物和生成物完全不同，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正确；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．根据粒子相互作用的关系知E是正确的．【答案】BCE3．重核裂变和轻核聚变是人们获得核能的两个途径，下列说法中正确的是()A．裂变过程质量增加B．裂变过程质量亏损C．裂变过程和聚变过程都有质量增加D．聚变过程有质量亏损E．两种核反应都释放出巨大的能量【解析】重核裂变和轻核聚变都能释放巨大的能量，由爱因斯坦质能方程知两过程均会有质量亏损．【答案】BDE4．下列所述正确的是()A．强子是参与强相互作用的粒子B．轻子是不参与强相互作用的粒子C．目前发现的轻子只有8种D．夸克有6种，它们带的电荷量分别为元电荷的＋eq\f(2,3)或－eq\f(1,3)E．光子是传递弱相互作用的粒子【解析】由三类粒子的特性可知A、B正确E错误；而目前发现的轻子只有6种，C错误；夸克模型经过几十年的发展，已知夸克有6种，它们带的电荷分别为元电荷的＋eq\f(2,3)或－eq\f(1,3)，D正确．【答案】ABD5．关于核聚变，以下说法正确的是()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10－15mD．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聚变所需的氘核E．核聚变比核裂变更易控制【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．但核聚变不易控制其发电还没有投入实际运行，所以B、E项是不正确的．【答案】ACD6．如图19­7­1所示，托卡马克(Tokamak)是研究受控核聚变的一种装置，这个词是toroidal(环形的)、kamera(真空室)、magnit(磁)的头两个字母以及katushka(线圈)的第一个字母组成的缩写词．根据以上信息，下述判断中可能正确的是()图19­7­1A．这种装置的核反应原理是轻核的聚变，同时释放出大量的能量，和太阳发光的原理类似B．线圈的作用是通电产生磁场使带电粒子在磁场中旋转而不溢出C．这种装置同我国秦山、大亚湾核电站所使用核装置的核反应原理相同D．这种装置可以控制热核反应速度，使聚变能缓慢而稳定地进行E．这种装置是利用电场来约束带电粒子的【解析】聚变反应原料在装置中发生聚变，放出能量，故A正确；线圈通电时产生磁场，带电粒子在磁场中受洛伦兹力作用不飞出，故B正确，E错误；核电站的原理是裂变，托卡马克的原理是聚变，故C错误；该装置使人们可以在实验中控制反应速度，平稳释放核能，故D正确．【答案】ABD7．“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，但电荷符号相反，则反氢原子是由1个带负电荷的________和1个带正电荷的________构成．【解析】根据反粒子定义，“反粒子”与“正粒子”具有相同质量，但带有等量的异种电荷．因此反氢原子是由eq\o\al(1,－1)H核和eq\o\al(0,1)e构成的．【答案】反质子正电子8．如下一系列核反应是恒星内部发生的．p＋1eq\o\al(2,6)C→1eq\o\al(3,7)N 1eq\o\al(3,7)N→1eq\o\al(3,6)C＋e＋＋νp＋1eq\o\al(3,6)C→1eq\o\al(4,7)N p＋1eq\o\al(4,7)N→1eq\o\al(5,8)O1eq\o\al(5,8)O→1eq\o\al(5,7)N＋e＋＋ν p＋1eq\o\al(5,7)N→1eq\o\al(2,6)C＋α其中p为质子，α为α粒子，e＋为正电子，ν为一种中微子．已知质子的质量为mp＝648×10－27kg，α粒子的质量为mα＝929×10－27kg，正电子的质量为me＝×10－31kg，中微子的质量可忽略不计．真空中的光速c＝×108m/s，试计算该系列反应完成后释放的能量．【解析】为求出系列反应后释放的能量，将题中所给的诸核反应方程左右两侧分别相加，消去两侧相同的项，系列反应最终等效为4p→α＋2e＋＋2ν设反应后释放的能量为Q，根据质能关系和能量守恒得4mpc2＝mαc2＋2mec2＋Q代入数值可得Q＝×10－12J.【答案】×10－12J[能力提升]9．我国最新一代核聚变装置“EAST”在安徽合肥首次放电，显示了EAST装置具有良好的整体性能，使等离子体约束时间达1000s，温度超过1亿摄氏度，这标志着我国磁约束核聚变研究进入国际先进水平．合肥也成为世界上第一个建成此类全超导非圆截面核聚变实验装置并能实际运行的地方．核聚变的主要原料是氘，在海水中含量极其丰富．已知氘核的质量为m1，中子的质量为m2，eq\o\al(3,2)He的质量为m3，质子的质量为m4，则下列说法中正确的是()A．两个氘核聚变成一个eq\o\al(3,2)He所产生的另一个粒子是质子B．两个氘核聚变成一个eq\o\al(3,2)He所产生的另一个粒子是中子C．两个氘核聚变成一个eq\o\al(3,2)He所释放的核能为(2m1－m3－m4)c2D．两个氘核聚变成一个eq\o\al(3,2)He所释放的核能为(2m1－m3－m2)c2E．与受控核聚变比较，现行的核反应堆产生的废物具有放射性【解析】由核反应方程2eq\o\al(2,1)H→eq\o\al(3,2)He＋eq\o\al(1,0)X知X应为中子，释放的核能应为ΔE＝(2m1－m3－m2)c2，聚变反应的污染非常小，而现行的裂变反应的废料具有很强的放射性，故A、C错误，B、D、E正确．【答案】BDE10．K－介子衰变的方程为K－→π－＋π0，其中K－介子和π－介子所带负电的电荷量为元电荷，π0介子不带电．如图19­8­1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π－介子的轨迹为圆弧PB，两轨迹在P点相切，它的半径Req\o\al(－,K)与Req\o\al(－,π)之比为2∶1，π0介子的轨迹未画出，由此可知，π－的动量大小与π0的动量大小之比为________．图19­8­1【解析】根据洛伦兹力提供向心力知，qvB＝mv2/R，故有p＝mv＝qBR，所以K－与π－的动量大小之比为2∶1，规定K－的方向为正方向，由动量守恒定律得：peq\o\al(－,K)＝－pπ－＋pπ0，所以pπ0＝3pπ－.【答案】1∶311．已知氘核质量为6u，中子质量为7u，eq\o\al(3,2)He核的质量为0u．两个速率相等的氘核对心碰撞聚变成eq\o\al(3,2)He并放出一个中子，释放的核能全部转化为机械能．(质量亏损为1u时，释放的能量为MeV.除了计算质量亏