2024-2025学年高中物理第十九章原子核第7节第8节核聚变粒子和宇宙学案新人教版选修3-5

PAGE8-第7节核聚变第8节粒子和宇宙1．了解核聚变的特点和条件，了解核聚变的优点。2．会推断和书写核聚变反应方程。3．能计算核聚变释放的能量。4．知道粒子的分类及其特点，了解夸克模型。5．了解宇宙起源的大爆炸学说及恒星的演化。一、核聚变1．定义：两个轻核结合成质量eq\o(□,\s\up3(01))较大的核的反应。轻核聚变反应必需在eq\o(□,\s\up3(02))高温下进行，因此又叫热核反应。2．核反应举例：eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o(□,\s\up3(03))eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)n＋17.6MeV。3．实例分析(1)核武器：eq\o(□,\s\up3(04))氢弹，由一般炸药引爆eq\o(□,\s\up3(05))原子弹，再由eq\o(□,\s\up3(06))原子弹爆炸产生的高温高压引发热核爆炸。(2)宇宙天体：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。二、受控热核反应1．聚变与裂变相比有很多优点(1)轻核聚变产能eq\o(□,\s\up3(01))效率高；(2)地球上聚变燃料的储量eq\o(□,\s\up3(02))丰富；(3)轻核聚变更为eq\o(□,\s\up3(03))平安、清洁。2．约束核聚变材料的方法：eq\o(□,\s\up3(04))磁约束和eq\o(□,\s\up3(05))惯性约束。三、粒子的概念1．“基本粒子”不基本(1)传统的“基本粒子”：光子、eq\o(□,\s\up3(01))电子、质子和eq\o(□,\s\up3(02))中子。(2)“基本粒子”不基本的缘由①科学家们渐渐发觉了数以百计的eq\o(□,\s\up3(03))不同种类的新粒子。②科学家们又发觉质子、中子等本身也有自己的eq\o(□,\s\up3(04))困难结构。2．发觉新粒子(1)新粒子：1932年发觉了eq\o(□,\s\up3(05))正电子，1937年发觉eq\o(□,\s\up3(06))μ子，1947年发觉K介子和π介子，后来又发觉超子、反粒子等。(2)分类：依据粒子与各种相互作用的关系分为：强子、轻子和eq\o(□,\s\up3(07))媒介子。3．夸克模型(1)夸克模型的提出：1964年美国物理学家提出了强子的夸克模型，认为强子是由eq\o(□,\s\up3(08))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；它们的电荷量分别为元电荷的eq\o(□,\s\up3(09))＋eq\f(2,3)或eq\o(□,\s\up3(10))－eq\f(1,3)，每种夸克都有对应的eq\o(□,\s\up3(11))反夸克。(3)意义：电子电荷不再是电荷的eq\o(□,\s\up3(12))最小单元，即存在分数电荷。四、宇宙及恒星的演化1．宇宙演化：依据大爆炸理论，在宇宙形成之初是“粒子家族”尽显风采的时期，在大爆炸之后渐渐形成了夸克、轻子和eq\o(□,\s\up3(01))胶子等粒子，随后经过eq\o(□,\s\up3(02))强子时代、eq\o(□,\s\up3(03))轻子时代、eq\o(□,\s\up3(04))核合成时代。接着冷却，质子、电子、原子等与eq\o(□,\s\up3(05))光子分别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，宇宙尘埃在万有引力作用下形成eq\o(□,\s\up3(06))星云团，进一步凝合使引力势能转变为eq\o(□,\s\up3(07))内能，温度上升，直到发光，于是eq\o(□,\s\up3(08))恒星诞生了。(2)恒星的演化：核聚变反应，层级递进地在恒星内发生，直到eq\o(□,\s\up3(09))各种热核反应不再发生时，恒星的eq\o(□,\s\up3(10))中心密度达到极大。(3)恒星的归宿：恒星最终归宿与恒星的质量大小有关。当恒星的质量是太阳质量的1～8倍时，演化为eq\o(□,\s\up3(11))白矮星；当恒星的质量是太阳质量的10～20倍时，演化为eq\o(□,\s\up3(12))中子星；当恒星的质量更大时，演化为eq\o(□,\s\up3(13))黑洞。判一判(1)发生聚变的条件是核子间距离达到10－15m(2)聚变的难点是地球上没有任何容器能够经受热核反应的高温。()(3)轻子的质量肯定轻。()(4)反质子的电荷量与质子相同，但带的是负电荷。()提示：(1)√(2)√(3)×(4)√想一想(1)受控热核反应不简单实现的缘由是什么？提示：主要缘由是聚变的条件和难以约束聚变的材料。(2)氢弹爆炸的威力相比原子弹爆炸的威力哪一个大？为什么？提示：氢弹的威力大。氢弹爆炸是核聚变的结果，而核聚变释放的核能比原子弹中核裂变释放的核能要大得多，故氢弹的威力大。课堂任务核聚变1．从比结合能的图线看，轻核聚变后比结合能增加，因此核聚变反应是一个放能反应。2．核聚变发生的条件：要使轻核聚变，必需使轻核接近核力发生作用的距离10－15m3．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，就不再须要外界给它能量，靠自身产生的热就可以使反应进行下去。4．核聚变的应用(1)核武器——氢弹。(2)可控热核反应：尚未实现。期盼酷爱物理的你投身可控热核反应，探究探讨的科学事业。5．轻核聚变与重核裂变的区分例1(多选)下列关于聚变的说法中，正确的是()A．要使聚变发生，必需克服库仑斥力做功B．轻核聚变须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．太阳和很多恒星内部都在激烈地进行着热核反应(1)发生聚变的条件是什么？提示：聚变条件是核子间距离达到10－15m(2)如何使原子核靠得足够近？提示：使原子核具有足够大的动能，使它们能够克服库仑斥力做功靠得很近。[规范解答]轻核聚变时，要使轻核之间距离达到10－15m[完备答案]ABCDeq\a\vs4\al(1.聚变反应核能的计算方法,1依据核反应过程质量数守恒、电荷数守恒写出正确核反应方程式。,2计算出反应前后的质量亏损Δm。,3由ΔE＝Δmc2计算释放的核能。,2.几种核反应方程式的特点,1衰变是元素自发进行的，因而方程式左侧只有一种元素。,2裂变是质量较大原子核被其他粒子轰击后分裂为质量中等原子核的过程。,3聚变是质量较轻原子核结合成质量较大原子核的过程。)eq\a\vs4\al([变式训练1－1])(多选)下列说法正确的是()A.eq\o\al(15,)7N＋eq\o\al(1,1)H→eq\o\al(12,)6C＋eq\o\al(4,2)He是α衰变方程B.eq\o\al(1,1)H＋eq\o\al(2,1)H→eq\o\al(3,2)He＋γ是核聚变反应方程C.eq\o\al(238,92)U→eq\o\al(234,)90Th＋eq\o\al(4,2)He是核裂变反应方程D.eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(27,13)Al→eq\o\al(30,15)P＋eq\o\al(1,0)n是原子核的人工转变方程答案BD解析本题考查了核反应的相关学问，意在考查同学们对自然放射现象、重核裂变、轻核聚变、原子核的人工转变等相关学问的记忆及分析推断实力。选项A、D为原子核的人工转变，选项B为轻核聚变，选项C为原子核的衰变，故选项B、D正确。eq\a\vs4\al([变式训练1－2])太阳内部持续不断地发生着四个质子聚变为一个氦核的热核反应。这个核反应释放出的大量能量就是太阳的能源。(1)写出这个核反应方程；(2)这一核反应能释放出多少能量？(3)依据太阳每秒释放能量3.8×1026J计算每秒钟太阳的质量削减多少千克？(mp＝1.0073u，mα＝4.0026u，me＝0.00055u)答案(1)4eq\o\al(1,1)H→eq\o\al(4,2)He＋2eq\o\al(0,1)e(2)23.75MeV(3)4.2×10解析(1)核反应方程4eq\o\al(1,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(0,2)X，而eq\o\al(0,2)X只能是2个正电子，因此核反应方程应为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＝4mp＝4×1.0073u＝4.0292u，反应后m2＝mHe＋2me＝4.0026u＋2×0.00055u＝4.0037u。Δm＝m1－m2＝0.0255u，由质能方程得，释放能量ΔE＝Δmc2＝0.0255×931.5MeV＝23.75MeV。(3)由质能方程，ΔE＝Δmc2得每秒削减的质量Δm＝eq\f(ΔE,c2)＝eq\f(3.8×1026,3×1082)kg＝4.2×109kg。课堂任务对粒子的相识1．新粒子的发觉及特点2．粒子的分类续表3．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。例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，它们的电荷量如下表所示，表中e为元电荷。π＋π－udeq\x\to(u)eq\x\to(d)电荷量＋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()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(1)π＋介子电荷量是多少？哪些夸克组合才能合成一个π＋介子？提示：π＋介子电荷量为＋e，由一个u夸克和一个eq\x\to(d)夸克组成。(2)π－介子电荷量如何？由哪些夸克组成？提示：π－介子电荷量为－e，由一个d夸克和一个eq\x\to(u)夸克组成。[规范解答]依据电荷量关系可知，由于π＋介子带有＋e的电荷量，又由于π＋介子是由夸克和反夸克组成，依据题意可知π＋介子(＋e)应由一个u夸克eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(＋\f(2,3)e))和一个反夸克eq\o(d,\s\up6(－))eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(＋\f(1,3)e))组成，A正确，B错误；同理π－介子由一个d夸克和一个反夸克eq\x\to(u)组成，D正确，C错误。[完备答案]AD关于夸克模型的解题思路(1)明确粒子带电状况及各种夸克的电性、电荷量。(2)进行夸克组合，使组合成的粒子与原粒子电性、电荷量完全相同。eq\a\vs4\al([变式训练2])正电子是电子的反粒子，它跟一般电子的电荷量相等，而电性相反，科学