2024-2025学年高中物理第3章6核聚变7粒子物理学简介学案教科版选修3-5

PAGE8-6.核聚变7．粒子物理学简介(选学)[学习目标]1.知道聚变反应，关注受控聚变反应探讨的进展.2.通过核能的利用，思索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学问.4.了解、感受科学发展过程中隐藏着的科学和人文精神．一、核聚变1．定义：把轻原子核聚合成较重原子核的反应称为聚变反应，简称核聚变．2．热核反应(1)举例：一个氘核和一个氚核聚变成一个氦核的核反应方程：eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)n＋17.60MeV(2)反应条件①轻核的距离要达到10－15m以内．②须要加热到很高的温度，因此又叫热核反应．(3)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轻核聚变更为平安、清洁．3．可控核聚变反应探讨的进展(1)把受控聚变状况下释放能量的装置，称为聚变反应堆，20世纪下半叶，聚变能的探讨取得重大进展．(2)核聚变的约束方法：磁约束和惯性约束，托卡马克采纳的是磁约束方式．(3)核聚变是一种平安，不产生放射性物质、原料成本低的能源，是人类将来能源的希望．4．恒星演化中的核反应(1)现阶段，供太阳发生核聚变过程的燃料是氢．(2)大约50亿年后，太阳的核心的核聚变过程是：eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(8,4)Be，eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(8,4)Be→eq\o\al(12,)6C.二、粒子物理学简介1．基本粒子(1)1897年汤姆孙发觉了电子后，人们又接连发觉了质子、中子，认为电子、中子、质子是组成物质的基本粒子．(2)1932年，安德森发觉了正电子，它的质量、电荷量与电子相同，电荷符号与电子相反，它被称为电子的反粒子，正电子也成为了基本粒子．2．基本粒子的分类按粒子参加相互作用的性质把粒子分为三类：它们分别是：媒介子、轻子、强子．3．加速器粒子加速器是用人工方法产生高速粒子的设备，按加速粒子的路径大致分为两类：一类是直线加速器，带电粒子沿直线运动；一类是回旋加速器，带电粒子沿圆弧运动，并反复加速．能够实现两束相对运动的粒子对接的设备叫作对撞机．1．正误推断(正确的打“√”，错误的打“×”)(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． (√)(4)质子、中子、电子都是不行再分的基本粒子． (×)(5)质子和反质子的电量相同，电性相反． (√)(6)依据夸克模型，电子所带电荷不再是电荷的最小单元． (√)2．(多选)下列关于聚变的说法中正确的是()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摄氏度的高温，因此聚变又叫作热核反应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．自然界中不存在自然的热核反应ABC[轻核聚变时，必需使轻核之间距离达到10－15m，所以必需克服库仑斥力做功，A正确；原子核必需有足够的动能，才能使它们接近到核力能发生作用的范围，试验证明，原子核必需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；在太阳内部或其他恒星内部都进行着热核反应，D错误．]3．关于粒子，下列说法正确的是()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．强子中都是带电的粒子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D[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，C错误，D正确．]对核聚变的理解及应用1．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10－15m，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．(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：一种不须要人工限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：目前处于探究阶段．5．重核裂变与轻核聚变的区分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，放出的能量约与燃烧300L汽油相当可控性速度比较简洁进行人工限制，现在的核电站都是用核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】太阳的能量来自下面的反应：四个质子(氢核)聚变成一个α粒子，同时放射两个正电子，若太阳辐射能量的总功率为P，质子eq\o\al(1,1)H、氦核eq\o\al(4,2)He、正电子eq\o\al(0,1)e的质量分别为mp、mα、me，真空中的光速为c，求：(1)写出核反应方程；(2)核反应所释放的能量ΔE；(3)1s内参加上述热核反应的质子数目．[思路点拨](1)依据质量数守恒和电荷数守恒书写核反应方程．(2)由爱因斯坦质能方程求说明放的能量．(3)由功率的定义求1s内参加反应的质子数．[解析](1)依据质量数守恒和电荷数守恒，可得核反应方程为4eq\o\al(1,1)H→eq\o\al(4,2)He＋2eq\o\al(0,1)e.(2)质量亏损Δm＝4mp－mα－2me，依据爱因斯坦质能方程：ΔE＝Δmc2，核反应释放的能量，ΔE＝(4mp－mα－2me)c2.(3)设单位时间内参加热核反应的质子数为N，依据能量关系P＝eq\f(NΔE,4)，有N＝eq\f(4P,4mp－mα－2mec2).[答案](1)4eq\o\al(1,1)H→eq\o\al(4,2)He＋2eq\o\al(0,1)e(2)(4mp－mα－2me)c2(3)eq\f(4P,4mp－mα－2mec2)轻核聚变释放核能的计算方法(1)依据质量亏损计算．依据爱因斯坦质能方程，用核子结合成原子核时质量亏损(Δm)的千克数乘以真空中的光速(c＝3×108m/s)的平方，即ΔE＝Δmc2.①(2)依据1个原子质量单位(u)相当于931.5MeV能量，用核子结合成原子核时质量亏损的原子质量单位数乘以931.5MeV，即ΔE＝Δm×931.5MeV.②留意：式①中Δm的单位为kg，ΔE的单位是J；式②中Δm的单位是u，ΔE的单位是MeV.1．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＋17.6MeV(1)这个核反应称为________．(2)要发生这样的核反应，须要将反应物质的温度加热到几百万开尔文．式中17.6MeV是核反应中________(选填“放出”或“汲取”)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________(选填“增加”或“削减”)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)放出削减3×10－29对粒子的相识1．新粒子的发觉及特点发觉时间1932年1937年1947年20世纪60年头后新粒子反粒子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.粒子的分类分类参加的相互作用发觉的粒子备注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、强相互作用轻子不参加强相互作用电子、电子中微子、μ子、μ子中微子、τ子、τ子中微子未发觉内部结构强子参加强相互作用质子、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，它们带的电荷是电子或质子所带电荷的eq\f(2,3)或eq\f(1,3).每种夸克都有对应的反夸克．4．两点提示(1)质子是最早发觉的强子，电子是最早发觉的轻子，τ子的质量比核子的质量大，但力的性质确定了它属于轻子．(2)粒子具有对称性，有一个粒子，必存在一个反粒子，它们相遇时会发生“湮灭”，即同时消逝而转化成其他的粒子．【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________．(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)＝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，故只有产生2个光子，此过程才遵循动量守恒定律．[答案]0和08.2×10－14J见解析对核反应中新生成粒子的相识新生成的粒子和实物粒子一样，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．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ABC[夸克不能以自由的状态单个出现，D错误，A、B、C正确．]课堂小结知识网络1.热核反应的概念及聚变方程.2.轻核聚变的条件及其应用.3.基本粒子的分类及相识.4.加速器的工作原理.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试验装置(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．依据公式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．依据公式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AC[eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)n是氢核聚变方程，故A项正确；依据氢核聚变特点，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，相同质量的核燃料，氢核聚变释放的能量比裂变反应大得多，故选项C正确．]2．(2024·全国卷Ⅱ)太阳内部核反应的主要模式之一是质子－质子循环，循环的结果可表示为4eq\o\al(1,1)H→eq\o\al(4,2)He＋2eq\o\al(0,1)e＋2ν已知eq\o\al(1,1)H和eq\o\al(4,2)He的质量分别为mp＝1.0078u和mα＝4.0026u，1u＝931MeV/c2，c为光速．在4个eq\o\al(1,1)H转变为1个eq\o\al(4,2)He的过程中，释放的能量约为()A．8MeV B．16MeVC．26MeV D．52MeVC[核反应质量亏损Δm＝4×1.0078u－4.0026u＝0.0286u，释放的能量ΔE＝0.0286×931MeV＝26.6MeV，选项C正确．]3．(多选)如图所示，托卡马克(Tokamak)是探讨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．依据以上信息，下述推断中可能正确的是()A．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、大亚湾核电站所运用核装置的核