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7核聚变8粒子和宇宙1967年6月17日，我国第一颗氢弹爆炸成功。从第一颗原子弹爆炸成功到第一颗氢弹爆炸成功，我国仅用了两年零八个月。前苏联用了四年，美国用了7年。氢弹爆炸释放核能是通过轻核的聚变来实现的。这节课我们就来研究聚变的问题。主题1核聚变研读教材·自主认知1.核聚变:(1)定义:两个轻核结合成质量_____的核的反应。轻核聚变必须在高温下进行,因此又叫_________。(2)核反应举例:231110HH______n17.6MeV。42He较大热核反应2.受控热核反应:(1)定义:为了使巨大的热核反应能量不以爆炸的形式释放,而是在_____控制下逐渐释放出来并加以_____的热核反应。(2)条件:热核燃料加热到非常高的_____;热核反应释放的能量足以补偿形成聚变过程中所损失的能量。人工利用温度(3)聚变与裂变的对比优点。①轻核聚变_____效率高;②地球上聚变燃料的储量_____;③轻核聚变更___________。(4)约束核聚变材料的方法:_______和惯性约束。产能丰富安全、清洁磁约束合作探究·核心归纳1.为什么实现核聚变要使聚变的燃料加热到几百万开尔文的高温?提示:(1)微观上:参与反应的原子核必须接近到核力的作用范围内,约为10-15m这种程度,因而必须使它们具有很大的动能以克服原子核之间巨大的库仑斥力做功,由原子核的动能转化为原子核的电势能,使核子之间的核力发生作用,轻核才能聚变成质量较大的核。(2)宏观上:要使原子核具有足够大的动能,就得把它加热到几百万开尔文的高温,才能使聚变反应发生,因此聚变又叫热核反应。2.与重核的裂变相比聚变有哪些特点?提示:(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:热核反应在宇宙的恒星中时时刻刻地进行着,太阳就是一个巨大的热核反应堆。3.目前人们实现的核聚变是什么?实现热核反应存在的困难是什么?提示:(1)目前人们能实现的热核反应是氢弹的爆炸,是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热核反应,但这是不可控制的。(2)实现热核反应存在的困难是地球上没有任何容器能够经受住热核反应所需要的高温。4.如何实现对热核反应的控制?可控热核反应有哪些优点?提示:(1)可能实现对热核反应的控制方法:磁约束:利用磁场来约束参加反应的物质。环流器是目前性能最好的一种磁约束装置。惯性约束:利用强激光从各个方向照射参加反应的物质,使它们由于惯性还来不及扩散就完成了核反应。(2)可控热核反应的优点:放射性污染小,不产生核废料,核燃料十分丰富。【归纳总结】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.轻核聚变与重核裂变的区别: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单得多重核裂变轻核聚变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0.7%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0.03g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裂变反应释放核能目前,除氢弹以外,人们还不能控制它3.核聚变反应的特点:(1)释放能量大。(2)一旦反应,可自发进行。(3)不可控制。(4)普遍存在于宇宙中。(5)污染小,核燃料丰富。过关小练·即时应用1.关于核聚变的说法正确的是()A.聚变是裂变的逆反应B.如果裂变释放能量,则聚变反应一定吸收能量C.聚变反应须将热核燃料加热到数百万度以上的温度,显然是吸热反应D.聚变和裂变都可以释放出巨大的能量【解题指南】解答本题时应注意以下三点:(1)聚变反应和裂变反应的定义。(2)吸能和放能的判断依据。(3)聚变反应的条件。【解析】选D。从形式上看聚变和裂变好像是互逆反应,其实不然,两者的反应物和生成物全然不同,裂变是重核分裂成中等核,而聚变是两个轻核聚合为质量较大的轻核,两者不可能互为逆反应,A错误;聚变和裂变反应的质量都发生了亏损,故都是放能反应,要放出巨大的能量,B错误,D对;聚变反应须将热核燃料加热到数百万度以上的温度,但一旦反应进行,自身释放的巨大能量足以提供高温使反应继续进行,故聚变反应是放能反应,C错。2.氘核和氚核可发生热核聚变而释放出巨大的能量,该反应方程为式中x是某种粒子。已知：和粒子x的质量分别为2.0141u、3.0161u、4.0026u和1.0087u;1u=c是真空中的光速。由上述反应方程和数据可知,粒子x是__________,该反应释放出的能量为____________MeV(结果保留3位有效数字)。234112HHHex，234112HHHe、、2931.5MeVc。【解析】根据质量数和电荷数守恒可得x是(中子)。核反应中的质量亏损为Δm=(2.0141u+3.0161u-4.0026u-1.0087u)=0.0189u所以该反应释放出的能量为ΔE=Δm·c2=17.6MeV答案:(或中子)17.610n10n【补偿训练】1.太阳不断地向外辐射能量,仍保持1千万度以上的高温,其主要原因是太阳内部进行着剧烈的()A.衰变反应B.人工核反应C.裂变反应D.热核反应【解析】选D。太阳的内部时刻都在进行着氢核的聚变,即热核反应,故D对。2.原子核聚变有望给人类未来提供丰富的洁净能源。当氘等离子体被加热到适当高温时,氘核参与的几种聚变反应可能发生,放出能量。这几种反应的总效果可以表示为由平衡条件可知()A.k=1,d=4B.k=2,d=2C.k=1,d=6D.k=2,d=3【解析】选B。由质量数守恒和电荷数守恒,分别有4k+d+2=12,2k+d=6,解得k=2,d=2。正确选项为B。241112106HkHedH2n43.15MeV，【通法悟道】衰变、人工转变、裂变和聚变方程的区别(1)衰变是原子核自发地转变为另一种核,并向外辐射出α粒子或β粒子的反应,衰变根据向外辐射粒子的不同分为α衰变和β衰变两种。(2)人工转变通常是用α粒子或中子去轰击靶核,靶核俘获入射粒子后产生新的原子核,并放出一个或几个粒子的反应。(3)重核分解成中等质量的核的反应叫裂变,轻核聚合成重核的反应叫聚变。主题2粒子和宇宙研读教材·自主认知1.发现新粒子:(1)新粒子的发现:1932年发现了_______,1937年发现了_____,1947年发现了K介子和π介子,迄今发现的粒子已达到400多种。(2)反粒子:实验中发现,许多粒子都存在着质量与它们_____,而电荷及其他一些物理性质_____的粒子。正电子μ子相同相反(3)分类:强子、_____和_______。(4)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_____构成的。2.宇宙及恒星的演化:(1)宇宙的演化从___________开始。(2)恒星的演化经历了宇宙尘埃,星云团,恒星诞生,最后恒星的热核反应停止后恒星演变为_______、_______或_____。轻子媒介子夸克宇宙大爆炸白矮星中子星黑洞合作探究·核心归纳1.结合下表分析粒子的分类及特点。分类参与的相互作用发现的粒子特点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_____构成,强子又可分为____________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_________夸克介子和重子内部结构分类参与的相互作用发现的粒子特点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2.强子和夸克的关系是怎样的?夸克分多少种?它的带电性是怎样的?什么是夸克的“禁闭”?提示:夸克是强子的基本组成成分;夸克有6种:上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克、底夸克、顶夸克;它们带的电荷分别为元电荷的每种夸克都有对应的反夸克;夸克不能以自由的状态单个出现的性质,叫夸克的“禁闭”。2133或；3.什么是反粒子?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。4.“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。【归纳总结】1.粒子:强子、轻子和媒介子。2.夸克:是强子的基本组成成分,有6种,带的元电荷。2133或过关小练·即时应用1.为了探究宇宙起源,“阿尔法磁谱仪”(AMS)将在太空中寻找“反物质”。所谓“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,但电荷的符号相反。由此可知反氢原子是()A.由1个带正电荷的质子和1个带负电荷的电子构成B.由1个带负电荷的反质子和1个带正电荷的正电子构成C.由1个带负电荷的反质子和1个带负电荷的电子构成D.由1个不带电的中子和1个带正电荷的正电子构成【解析】选B。氢原子由一个电子和一个质子组成,根据“反物质”和“反粒子”的概念,可知反氢原子由一个带负电荷的反质子和一个带正电荷的正电子组成,故选项B正确,其他选项错误。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,利用中微子与水中的核反应,间接地证实了中微子的存在。(1)中微子与水中的发生核反应,产生中子和正电子即中微子可以判定,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0B.0和1C.1和0D.1和111H11H10n（）01e()，110101Hne，(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可能只转变为一个光子,原因是_________________。0011ee2。【解题指南】解答本题时应注意以下三点:(1)对核反应根据质量数和电荷数守恒,判断质量数和电荷数。(2)正电子和负电子的湮灭,根据质能方程判断光子的能量。(3)根据动量守恒定律判断产生光子的个数。【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,代入数据得=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,故如果只产生一个光子是不可能的,因为此过程遵循动量守恒定律。答案:(1)A(2)8.2×10-14此过程遵循动量守恒定律E2E2【补偿训练】(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【解析】选A、B、C。夸克不能以自由的状态单个出现,D错误,A、B、C正确。2133或