2024-2025学年高中物理第三章原子核67核聚变粒子物理学简介选学教案教科版选修3-5

PAGE12-6核聚变7粒子物理学简介(选学)一、核聚变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＋17.6MeV3．条件要使轻核发生聚变，必需使它们的距离达到10－15m以内，核力才能起作用．由于原子核都带正电，要使它们接近到这种程度，必需克服巨大的库仑斥力，这就要求原子核具有足够的动能，有一种方法就是把它们加热到很高的温度，温度高达几百万开尔文，因此聚变又叫4．应用目前，热核反应主要用在核武器上，那就是氢弹，须要用原子弹爆炸产生的高温高压引发核爆炸．5．太阳能太阳的主要成分是氢，太阳中心温度可达1.5×107K，在此高温下，氢核聚变成氦核的反应不停地进行着，太阳能就来自于太阳内部聚变释放的核能．氢弹的威力相比原子弹的威力谁大？为什么？提示：氢弹的威力大．氢弹内部发生的是核聚变，比核裂变放出的能量更多．二、受控热核反应1．聚变的优点第一：轻核聚变产能效率高．其次：地球上聚变燃料的储量丰富．第三：轻核聚变更为平安、清洁，限制温度可限制反应，而且生成的废物数量少、易处理．2．聚变的难点地球上没有任何容器能够经受热核反应的高温．3．限制方法(1)磁约束：利用磁场约束参与反应的物质，目前最好的一种磁约束装置是环流器．(2)惯性约束：聚变物质因自身的惯性，在极短时间内来不及扩散就完成了核反应，在惯性约束下，用激光从各个方向照耀反应物，使它们“挤”在一起发生反应．三、基本粒子的分类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，一方面渐渐发觉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觉质子、中子等本身也有自己的困难的结构．因此，20世纪后半期，就将“基本”去掉，统称粒子．2．粒子的分类依据粒子与各种相互作用的关系，可将粒子分为三大类：媒介子、轻子和强子．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＋eq\f(2,3)或－eq\f(1,3)，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、粒子加速器1．直线加速器(1)粒子运动轨迹是一条直线．(2)满意的条件：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：在磁场中做匀速圆周运动．(2)满意条件：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做对撞机．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．考点一轻核的聚变及核能的计算1．能量改变：比较比结合能的图线，聚变后比结合能增加，因此反应中会释放能量．2．聚变发生的条件要使轻核聚变，就必需使轻核接近核力发生作用的距离10－15m，但是原子核是带正电的，要使它们接近10－153．重核裂变和轻核聚变的对比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洁得多原料的隐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0.7%主要原料是氘，氘在地球上的储量特别丰富.1L海水中大约有0.03g氘，假如用来进行热核反应放出的能量和燃烧300L汽油相当可控性速度比较简洁进行人工限制，现在的核电站还都是用裂变反应释放核能目前，除氢弹以外，人们还不能限制它【例1】一个质子和两个中子聚变为一个氚核，已知质子质量mH＝1.0073u，中子质量mn＝1.0087u，氚核质量m＝3.0180u.(1)写出核聚变方程；(2)释放出的核能多大？(3)平均每个核子释放的能量是多大？1．书写核反应方程应留意哪些问题？2．如何求核聚变过程中释放的核能？【解析】(1)eq\o\al(1,1)H＋2eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(3,1)H.(2)质量亏损Δm＝mH＋2mn－m＝(1.0073＋2×1.0087－3.0180)u＝0.0067u，释放的核能ΔE＝Δmc2＝0.0067×931.5MeV≈6.24MeV.(3)平均每个核子放出的能量为eq\f(6.24,3)MeV＝2.08MeV.【答案】(1)eq\o\al(1,1)H＋2eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(3,1)H(2)6.24MeV(3)2.08MeV总结提能质量数守恒、电荷数守恒是书写核反应方程必需遵守的规律．只有正确地计算出质量亏损，才能计算出释放的核能．我国自主研发制造的国际热核聚变核心部件在国际上领先通过权威机构认证，这是我国对国际热核聚变项目的重大贡献．下列核反应方程中属于聚变反应的是(A)A.eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)nB.eq\o\al(14,7)N＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(17,8)O＋eq\o\al(1,1)HC.eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(27,13)Al→eq\o\al(30,15)P＋eq\o\al(1,0)nD.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解析：A项是氢元素的两种同位素氘和氚聚变成氦元素的核反应方程，B项是用α粒子轰击氮原子核发觉质子的核反应方程，C项属于原子核的人工转变，D项属于重核的裂变，因此只有A项符合要求．考点二粒子世界1．粒子世界(1)电子、质子和中子直到19世纪末，人们都认为原子是组成物质的不行再分的最小微粒．后来发觉了电子、质子和中子．随着科学家们的探讨逐步发觉了数以百计的不同种类的新粒子，它们都不是由质子、中子、电子组成的；又发觉质子、中子等本身是复合粒子，它们还有着自己的困难结构，所以电子、质子、中子并不是组成物质世界的基本粒子．(2)新粒子从20世纪30年头以来，人们在对宇宙线的探讨中接连发觉了一些新粒子，宇宙线中粒子的能量很高，但数量很少．人们用高能加速器进行试验，发觉了更多的粒子．如1932年发觉了正电子，1937年发觉了μ子，1947年发觉了K介子和π介子，此后不久又发觉了超子．2．粒子的分类依据粒子与各种相互作用的关系，分类如下表所示：比较项分类参与的相互作用发觉的粒子备注强子强相互作用质子、中子、超子质子是最早发觉的强子；强子又分为介子和重子两类；强子有内部结构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子中微子现代试验还没有发觉轻子的内部结构媒介子传递各种相互作用光子、中间玻色子、胶子光子传递电磁相互作用；中间玻色子传递弱相互作用；胶子传递强相互作用3.反粒子试验发觉，很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．例如，电子和正电子，质子和反质子等．由反粒子构成的物质叫反物质．反粒子(反物质)最显著的特点是当它们与相应的正粒子(物质)相遇时，会发生“湮灭”，即同时消逝而转化成其他的粒子．4．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)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).【例2】在β衰变中常伴有一种称为“中微子”的粒子放出．中微子的性质特别特殊，因此在试验中很难探测.1953年，莱尼斯和柯文建立了一个由大水槽和探测器组成的试验系统，利用中微子与水中eq\o\al(1,1)H的核反应，间接地证明了中微子的存在．(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________．(填写选项前的字母)A．0和0 B．0和1C．1和0 D．1和1(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9.1×10－31kg，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行能只转变为一个光子，缘由是________．(3)试通过分析比较，具有相同动能的中子和电子的物质波波长的大小．①依据核反应中质量数与电荷数守恒，推断出质量数与电荷数．②利用质能方程可得出每个光子的能量，正电子与电子相遇遵循动量守恒定律，不行能只转化为一个光子．【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，A项正确．(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)＝8.2×10－14J．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，故假如只产生一个光子是不行能的，因为此过程遵循动量守恒定律．(3)物质波的波长为λ＝eq\f(h,p)，要比较波长须要将中子和电子的动量用动能表示出来即p＝eq\r(2mEk)，因为mn>me，所以pn>pe，故λe>λn.【答案】(1)A(2)8.2×10－14此过程遵循动量守恒定律(3)λe>λn总结提能核反应过程中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．此题考查的学问点较多，所以应娴熟地驾驭物理学问，并敏捷运用．(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，它们的带电量如下表所示，e为元电荷.π＋π－udeq\x\to(u)eq\x\to(d)带电量＋e－e＋eq\f(2,3)e－eq\f(1,3)e－eq\f(2,3)e＋eq\f(1,3)e下列说法中正确的是(AD)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)组成解析：依据电荷量关系可知，由于π＋介子带有＋e的电量，又由于π＋介子是由一个夸克和一个反夸克组成，依据题意可知π＋介子(＋e)应由夸克ueq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(＋\f(2,3)e))和反夸克eq\x\to(d)eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(＋\f(1,3)e))构成，同理π－介子由夸克d和反夸克eq\x\to(u)构成．考点三粒子加速器原理1．直线加速器(1)粒子的运动轨迹是一条直线．(2)所加的加速电场是强度和方向都随时间改变的交变电场．(3)粒子只在相邻两漂移管之间被加速，在飘移管内匀速．2．回旋加速器(如图)(1)粒子在D形盒中受磁场力的作用而做匀速圆周运动．粒子在两D形盒缝隙处被交变电场加速．(2)交变电压的周期与带电粒子做圆周运动的周期相同．(3)当带电粒子在磁场中的轨道半径等于D形盒半径R时，速度达到最大值．由R＝eq\f(mvm,qB)和Ekm＝eq\f(1,2)mveq\o\al(2,m)可知，Ekm＝eq\f(q2B2R2,2m)，与加速电压无关．【例3】中国科学院2024年10月宣布中国将在2024年起先建立世界上最大的粒子加速器．加速器是人类揭示物质本源的关键设备，在放射治疗、食品平安、材料科学等方面有广泛应用．如图所示，某直线加速器由沿轴线分布的一系列金属圆管(漂移管)组成，相邻漂移管分别接在高频脉冲电源的两极，质子从K点沿轴线进入加速器并依次向右穿过各漂移管，在漂移管内做匀速直线运动，在漂移管间被电场加速，加速电压视为不变．设质子进入漂移管B时速度为8×106m/s，进入漂移管E时速度为1×107m/s，电源频率为1×107Hz，漂移管间缝隙很小，质子在每个管内运动时间视为电源周期的eq\f(1,2).质子的荷质比取1×10(1)漂移管B的长度；(2)相邻漂移管间的加速电压．【解析】(1)设质子进入漂移管B的速度为vB，电源频率、周期分别为f、T，漂移管B的长度为L，则T＝eq\f(1,f)①L＝vB·eq\f(T,2)②联立①②式并代入数据得L＝0.4m③(2)设质子进入漂移管E的速度为vE，相邻漂移管间的加速电压为U，电场对质子所做的功为W.质子从漂移管B运动到E电场做功W′，质子的电荷量为q、质量为m，则W＝qU④W′＝3W⑤W′＝eq\f(1,2)mveq\o\al(2,E)－eq\f(1,2)mveq\o\al(2,B)⑥联立④⑤⑥式并代入数据得U＝6×104V.【答案】(1)0.4m(2)6×104V1989年初，我国投入运行的高能粒子回旋加速器可以把电子的能量加速到2.8GeV；若改用直线加速器加速．设每级的加速电压为U＝2.0×105V，则须要几级加速？答案：1.4×104级解析：设经n级加速，由neU＝Ek，有n＝eq\f(Ek,eU)＝1.4×104(级)．1．(多选)下列关于聚变的说法中，正确的是(ABC)A．要使聚变产生，必需克服库仑斥力做功B．轻核聚变须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．太阳和很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解析：轻核聚变时，要使轻核之间距离达到10－15m2．关于粒子，下列说法正确的是(D)A．电子、质子和中子是组成物质的不行再分的最基本的粒子B．强子都是带电粒子C．夸克模型是探究三大类粒子结构的理论D．夸克模型说明电子电荷不再是电荷的最小单位解析：由于质子、中子是由不同夸克组成的，它们不是最基本的粒子，不同夸克构成强子，有的强子带电，有的强子不带电，故选项A、B错误；夸克模型是探讨强子结构的理论，不同夸克带电不同，分别为＋eq\f(2,3)e和－eq\f(e,3)，说明电子电荷不再是电荷的最小单位，故选项C错误，D正确．3．(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，则下列说法正确的是(AB)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．目前核电站都采纳上述核反应发电D．该核反应没有质量亏损解析：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．故选项A、B正确；目前核电站都采纳核裂变发电．故选项C错误；