核聚变粒子和宇宙课堂

关于核聚变粒子和宇宙课堂第1页，讲稿共49页，2023年5月2日，星期三比结合能核子的比结合能随质量数的变化A核子平均质量核子的平均质量随原子序数的变化第2页，讲稿共49页，2023年5月2日，星期三一、核聚变第3页，讲稿共49页，2023年5月2日，星期三1、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，同时放出大量的核能。这种核反应叫做核聚变。一、核聚变第4页，讲稿共49页，2023年5月2日，星期三2、聚变核能比裂变反应中平均每个核子放出的能量大3～4倍第5页，讲稿共49页，2023年5月2日，星期三3、发生聚变的条件:

要使原子核间的距离达到10-15m4、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；不经济如何能使轻核具有较大的动能呢？

需要克服极大的库仑斥力，因此必须让轻核具有很大的动能。几百万K高温聚变反应又叫热核反应第6页，讲稿共49页，2023年5月2日，星期三核聚变的利用——氢弹第7页，讲稿共49页，2023年5月2日，星期三核聚变的利用——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外壳普通炸药第8页，讲稿共49页，2023年5月2日，星期三世界第一颗氢弹——麦克第9页，讲稿共49页，2023年5月2日，星期三第10页，讲稿共49页，2023年5月2日，星期三我国第一颗氢弹爆炸成功第11页，讲稿共49页，2023年5月2日，星期三氢弹爆炸形成的磨姑云第12页，讲稿共49页，2023年5月2日，星期三第13页，讲稿共49页，2023年5月2日，星期三太阳是一个巨大的热核反应堆。热核反应在宇宙中时时刻刻地进行着，太阳的中心温度达1.5×107K，因而在那里进行着激烈的热核反应，不断向外界释放着巨大的能量。太阳每秒释放的能量约为3.8×1026J，地球只接受了其中的二十亿分之一。太阳在“核燃烧”的过程中“体重”不断减轻。它每秒有７亿吨原子核参与碰撞，辐射出的能量与400万吨的物质相当。科学家估计，太阳的这种“核燃烧”还能维持几十亿年。当然，与人类历史相比，这个时间很长很长！太阳的中心发生核聚变，放出巨大能量，这个天然的核聚变过程已经发生了好几十亿年第14页，讲稿共49页，2023年5月2日，星期三（1）轻核聚变产能效率高1.聚变与裂变相比的优点：（2）地球上聚变燃料的储量丰富（3）轻核聚变更安全、清洁（4）反应中放射物质的处理较容易相同的核燃料释放的能量多。常见的聚变反应平均每个核子放出的能量约3.3MeV，而裂变时平均每个核子释放的能量约为1MeV。1L海水中大约有0.03g氘，大约有40多万亿吨氘。锂的储量有2000亿吨，用来制取氚足以满足聚变的需要。

实现核聚变需要高温，一旦出现故障，高温不能维持，反应就自动终止了。

氘和氚聚变反应中产生的氦是没有放射性的，放射性废物主要是泄漏的氚以及聚变时高速中子、质子与其他物质反应而生成的放射性物质，比裂变所生成的废物的数量少，容易处理。

二、受控热核反应——核聚变的利用第15页，讲稿共49页，2023年5月2日，星期三磁约束

带电粒子运动时在均匀磁场中会洛伦兹力的作用而不飞散，因此有可能利用磁场来约束参加反应的物质。2.实现核聚变的难点：地球上没有任何容器能够经受如此高的温度。为了解决这个难题，科学家设想了两种方案：1.磁约束2.惯性约束第16页，讲稿共49页，2023年5月2日，星期三用激光引发核聚变的设备第17页，讲稿共49页，2023年5月2日，星期三惯性约束

由于聚变反应的时间非常短，聚变物质因自身的惯性还来不及扩散就完成了核反应。在惯性约束下，可以用激光从各个方向照射参加反应的物质，使它们“挤”在一起发生反应。第18页，讲稿共49页，2023年5月2日，星期三

“国际热核聚变实验堆（ITER）计划”是目前全球规模最大、影响最深远的国际科研合作项目之一，建造约需10年，耗资50亿美元（1998年值）。ITER装置是一个能产生大规模核聚变反应的超导托克马克，俗称“人造太阳”。2003年1月，国务院批准我国参加ITER计划谈判，2006年5月，经国务院批准，中国ITER谈判联合小组代表我国政府与欧盟、印度、日本、韩国、俄罗斯和美国共同草签了ITER计划协定。ITER计划将历时35年，其中建造阶段10年、运行和开发利用阶段20年、去活化阶段5年。第19页，讲稿共49页，2023年5月2日，星期三ITER计划（地点：法国卡达拉舍）第20页，讲稿共49页，2023年5月2日，星期三第21页，讲稿共49页，2023年5月2日，星期三第22页，讲稿共49页，2023年5月2日，星期三例1、已知氘核质量为2.0136u，中子质量为1.0087u

核的质量为3.0150u。求：（1）写出两个氘核聚变成的核反应方程式（2）计算上述核反应中释放的核能。23He23He【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。解答：（1）（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第23页，讲稿共49页，2023年5月2日，星期三

静止在匀强磁场中的原子核，俘获一个速度为7.7×104m/s的中子而发生核反应放出α粒子后变成一个新原子核，已知中子速度方向与磁场方向垂直，测得α粒子速度为：2×104m/s，方向与中子速度方向相同，求：（1）生成的新核是什么？写出核反应方程式。（2）生成的新核的速度大小和方向。（3）若α粒子与新核间相互作用不计，则二者在磁场中运动轨道半径之比及周期之比各为多少？6Li3解：（1）写出核反应方程式生成的新核是氚核例2、第24页，讲稿共49页，2023年5月2日，星期三（2）由动量守恒定律mnvn=mαvα+mHvHvn=7.7×104m/svα=2×104m/s∴VH=(mnvn-mαvα)/mH=(1×7.7×104-4×2×104)／3=-1.0×103m/s方向与中子方向相反（3）由r=mv/qB∝mv/qrα:rH=mαvα/qα

：

mHvH/qH

=（4×2／

2

）:（3×0.1）=40:3T=2πm/qB∝m/qTα:TH=4/2:3/1=2:3第25页，讲稿共49页，2023年5月2日，星期三8粒子和宇宙第26页，讲稿共49页，2023年5月2日，星期三道尔顿（原子）汤姆逊（电子）卢瑟福（质子）查德威克（中子）盖尔曼（夸克）第27页，讲稿共49页，2023年5月2日，星期三一、“基本粒子”不基本发现了电子、质子和中子后，许多人认为光子和它们是组成物质的“基本粒子”。逐渐发现了数以百计的不由质子、中子、电子组成的新粒子；又发现质子、中子等本身也有自己的复杂的结构。从20世纪后半期起，就将“基本”二字去掉，统称为粒子。19世纪末都认为原子是组成物质的最小微粒。第28页，讲稿共49页，2023年5月2日，星期三二、发现新粒子20世纪30年代以来，人们在对宇宙射线的研究中陆续发现了一些新的粒子。1932年发现了正电子1937年发现了子1947年发现了K介子和介子后来还发现了一些粒子，质量比质子的质量大，叫做超子。第29页，讲稿共49页，2023年5月2日，星期三粒子加速器使带电粒子加速到很高的能量，有助于发现更多的新粒子。第30页，讲稿共49页，2023年5月2日，星期三反粒子质量、寿命、自旋等物理性质相同而电荷等其他性质相反的粒子。电子正电子质子反质子第31页，讲稿共49页，2023年5月2日，星期三粒子的分类按照粒子与各种相互作用的不同关系，将粒子分为三类。强子：参与强相互作用的粒子。例如：质子。强子又分为介子和重子两类。轻子：不参与强相互作用的粒子。例如：电子和电子中微子、μ子和μ子中微子、τ子和τ子中微子。每种轻子都有对应的反粒子。τ子质量比核子大。现代实验还没有发现轻子的内部结构。媒介子：传递各种相互作用的粒子。如：光子、中间玻色子、胶子。分别传递电磁相互作用、弱相互作用、强相互作用。现在已经发现的粒子达到400多种。第32页，讲稿共49页，2023年5月2日，星期三三、夸克模型1964年盖尔曼提出夸克的设想，认为强子由更基本的成分组成，这种成分叫做夸克。。第33页，讲稿共49页，2023年5月2日，星期三6种夸克：上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克、底夸克、顶夸克。夸克所带电荷分别为元电荷的或。每种夸克都有对应的反夸克。1995美国费米国家加速器实验室证实了顶夸克的存在。到目前为止，人们已经从实验中发现了所有6种夸克及其反夸克存在的证据。夸克模型指出电子电荷不再是电荷的最小单位，即存在分数电荷。科学家直到今天都还未捕捉到自由的夸克。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”。能否解放被禁闭的夸克，是21世纪物理学面临的重大课题之一。第34页，讲稿共49页，2023年5月2日，星期三四、宇宙的演化物理学中有一个非常有趣的现象：研究微观世界的粒子物理、量子理论，与研究宇宙的理论竟然相互沟通、相互支撑。正如诺贝尔物理学奖获得者格拉肖所说：“隐藏在原子内心的，是宇宙结构的秘密。”第35页，讲稿共49页，2023年5月2日，星期三

早在1929年，埃德温·哈勃作出了一个具有里程碑意义的发现，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。换言之，宇宙正在不断膨胀。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。大爆炸宇宙论第36页，讲稿共49页，2023年5月2日，星期三大爆炸理论(TheBigBangTheory)宇宙从一个“奇点”爆炸产生1948年，伽莫夫与他的两个学生——拉尔夫·阿尔菲和罗伯特·赫尔曼一道，提出了热大爆炸宇宙学模型。第37页，讲稿共49页，2023年5月2日，星期三大爆炸之后约10-44s，温度为1032K，产生了夸克、轻子、胶子等粒子。大爆炸后约10-6s，温度下降到1013K，夸克构成了质子和中子等强子，成为强子时代。再晚一些时候，温度下降到1011K，只剩下少量夸克，而自由的光子、中微子和电子等轻子大量存在，成为轻子时代。温度下降到109K，中子和质子结合成氘核，并很快生成氦核，同时有氚核、氦3等其他轻核生成，成为核合成的时代。大爆炸1万年之后，温度降到104K，宇宙由电子、质子和氦核的混合电离气体组成。温度降到3000K，电子和质子复合成为中性的氢原子。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。第38页，讲稿共49页，2023年5月2日，星期三大爆炸理论的主要观点是认为我们的宇宙曾有一段从热到冷的演化史。早期只有中子、质子、中微子等一些基本粒子形态的物质。当温度降到几千度时，辐射减退，宇宙间主要是气态物质。

温度下降到,核合成的时代。继续冷却,逐渐形成恒星和星系。

第39页，讲稿共49页，2023年5月2日，星期三五、恒星的演化大爆炸10万年后，温度下降到3000K，出现由中性原子构成的宇宙尘埃。由于万有引力的作用，尘埃形成了气体状态的星云团。星云团的进一步凝聚使得引力势能转化为内能，温度升高，到一定程度就开始发光，于是恒星诞生了。第40页，讲稿共49页，2023年5月2日，星期三恒星继续收缩、升温。当温度超过107K时，氢通过热核反应成为氦，核能以电磁波的形式向外辐射。辐射产生的向外的压力与引力产生的收缩压力平衡,星体稳定下来。太阳目前正处于这一阶段的中期，要再过50亿年才会转到另一个演化阶段。第41页，讲稿共49页，2023年5月2日，星期三当恒星核心部分的氢大部分聚变为氦以后，核反应变弱，辐射压力下降，星核在引力作用下再次收缩。引力势能产生的热将使温度继续升高，发生氦核聚合成碳核的聚变反应，类似过程一波接一波继续下去，出现了氧、硅，直到铁等更重的元素。恒星多次膨胀与收缩，光度也反复变化。各种热核反应不再发生时，辐射压力消失。星体在引力作用下进一步收缩，中心密度极大。第42页，讲稿共49页，2023年5月2日，星期三恒星的最后归宿与恒星的质量大小有关。1、若恒星的质量小于1.4倍太阳质量，演变为白矮星。2、若恒星的质量为太阳质量的1.4～2倍，演变为中子星。3、恒星的质量更大时，演变为黑洞。第43页，讲稿共49页，2023年5月2日，星期三恒星的演化瞬间的绚烂——超新星爆发

对于大质量的恒星，由于引力巨大，氢烧完后，引力导致的坍缩会十分猛烈，这时，大量的能量瞬间爆发出来，恒星的亮度瞬间爆增上千万倍，乃至上百亿倍，这就是超新星爆发。一颗超新星在爆发时输出的能量可高达1043焦，这几乎相当于我们的太阳在100亿年时间里输出能量的总和。超新星爆发时，抛射物质的速度可达107m/s，超新星并不是新的星，而是恒星死亡的绽放。金牛座蟹状星云是1054年爆发超新星的遗骸大麦哲伦星云1987A超新星第44页