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第7节核聚变第8节粒子和宇宙学习目标1．知道核聚变反应的定义和聚变反应的特点．2．会判断和书写核聚变反应的方程，能计算核聚变释放的能量．3．了解受控热核反应．4．知道粒子的分类及其应用，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．填一填、做一做、记一记课前自主导学|基础知识·填一填|一、核聚变1．定义：两个轻核结合成1__________的核，并释放出2__________的反应．质量较大能量2．举例：21H＋31H→3__________＋10n＋17.6MeV.3．条件：要使轻核发生聚变，必须使它们的距离达到4__________m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，必须克服巨大的5__________，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6__________开尔文，因此聚变又叫7__________．42He10－15库仑斥力几百万热核反应4．应用：目前，热核反应主要用在核武器上，那就是8__________，需要用9__________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10__________，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11__________释放的核能．氢弹原子弹氢聚变二、受控热核反应1．聚变的优点：第一：轻核聚变产能效率高．第二：地球上聚变燃料的储量丰富．第三：轻核聚变更为安全、清洁，控制温度，可控制反应，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．控制方法(1)磁约束：利用磁场约束参加反应的物质，目前最好的一种磁约束装置是12__________．(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13__________从各个方向照射反应物，使它们“挤”在一起发生反应．环流器激光三、粒子和宇宙1．“基本粒子”不基本(1)19世纪末，人们都认为14_______、电子、15_________和中子是组成物质的不可再分的最基本的粒子．(2)随着科学的发展，科学家们发现了很多的新粒子都不是由质子、中子、电子组成的，又发现16_____________等本身也有自己的复杂结构．光子质子质子、中子2．发现新粒子(1)新粒子：1932年发现了17__________，1937年发现了18__________，1947年发现了19__________和20__________及以后的质量比质子的质量大的21________.(2)粒子的分类：按照22_____________________的不同关系，可将粒子分为三大类：23______、24__________和25__________.正电子μ子K介子π介子超子粒子与各种相互作用强子轻子媒介子(3)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，认为强子是由更基本的成分组成，这种成分叫做26__________.夸克模型指出电子电荷不再是电荷的最小单位，即存在27__________.夸克分数电荷3．宇宙和恒星的演化(1)宇宙的演化：宇宙大爆炸――→约10－44s后温度为1032K，产生了28________________等粒子―――――→约10－6s后温度下降到1013K左右，29__________时代―→温度下降到1011K时，30_______时代―→温度下降到109K时，31_________时代――――→一万年后温度下降到104K，混合电离态―→温度下降到3000K时，32______________――――→继续冷却33_______________．夸克、轻子、胶子强子轻子核合成中性的氢原子恒星和星系(2)恒星的演化：宇宙尘埃→34__________→恒星诞生→氢核聚合成35__________→氦核聚合成碳核→其他聚变过程→无聚变反应，形成白矮星或36__________或黑洞．星云团氦核中子星|基础小题·做一做|1．正误判断(1)核聚变平均每个核子放出的能量，比裂变反应中平均每个核子放出的能量大．()(2)热核反应除用在核武器上外，还用于核电站发电．()(3)热核反应一旦发生，就不再需要外界给它能量．()(4)质子、中子不能再分．()(5)夸克的带电量是电子电荷的整数倍．()√×√××2．(多选)关于聚变，以下说法正确的是()A．两个轻核聚变为中等质量的原子核时放出能量B．同样质量的较轻核发生聚变时放出的能量比同样质量的较重核裂变时释放的能量大好多倍C．聚变反应的条件是聚变物质的体积达到临界体积D．发生聚变反应时的原子核必须有足够大的动能解析：选BD两个轻核聚合为较大质量的原子核就可释放能量，但其生成物不是中等质量的核，故A错误；聚变反应放出的能量比同样质量的物质裂变时释放的能量大得多，这点由聚变反应的特点我们就可以知道，故B正确；裂变反应的条件是裂变物质的体积达到临界体积，而聚变反应的条件是原子核间距达到10－15m，故要求有足够大的动能克服原子核间的斥力做功，故C错误，D正确．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可再分的最基本的粒子B．强子都是带电的粒子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解析：选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；夸克模型是研究强子结构的理论，不同夸克带电不同，分别为＋23e和－e3，说明电子电荷不再是电荷的最小单位，C错误，D正确．故正确答案为D.4．为什么说基本粒子不基本？提示：一方面是因为这些原来被认为不可再分的粒子还有自己的复杂结构，另一方面是因为新发现的很多种新粒子都不是由原来认为的那些基本粒子组成的．|核心知识·记一记|1．两个轻核结合成质量较大的核，这样的核反应叫聚变．2．约束核聚变材料的方法：磁约束和惯性约束．3．粒子分为三大类，有媒介子、轻子、强子．美国物理学家盖尔曼提出，强子是由夸克构成的．析要点、研典例、重应用课堂互动探究★要点一核聚变的特点及应用|要点归纳|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，有一种办法就是把它们加热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：一种不需要人工控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：目前处于探索阶段．5．重核裂变与轻核聚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原料的蕴藏量核裂变燃料铀在地球上储量有限主要原料是氘，氘在地球上的储量非常丰富可控性速度比较容易进行人工控制，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，人们还不能控制它|例题展示|【例1】(多选)下列关于聚变的说法中，正确的是()A．要使聚变产生，必须克服库仑斥力做功B．轻核聚变需要几百万开尔文的高温，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．太阳和许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10－15m．所以必须克服库仑斥力做功，A正确；原子核必须有足够的动能，才能使它们接近到核力能发生作用的范围，实验证实，原子核必须处在几百万开尔文的高温下才有这样的能量，这样高的温度通过原子弹爆炸获得，B、C正确；在太阳和其他恒星内部都存在着热核反应，但在地球上不会自发地进行，D错误．[答案]ABC【例2】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？[解析](1)聚变方程：11H＋210n→31H.(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＝0.0067×931MeV≈6.24MeV.(3)平均每个核子放出的能量为6.243MeV＝2.08MeV.[答案](1)11H＋210n→31H(2)6.24MeV(3)2.08MeV[规律方法](1)核聚变反应和一般的核反应一样，也遵循电荷数和质量数守恒，这是书写核反应方程式的重要依据．(2)核能的计算关键是求出核反应过程中的质量亏损，然后代入ΔE＝Δmc2进行计算．|对点训练|1．(多选)(2019·天津卷)我国核聚变反应研究大科学装置“人造太阳”2018年获得重大突破，等离子体中心电子温度首次达到1亿度，为人类开发利用核聚变能源奠定了重要的技术基础．下列关于聚变的说法正确的是()A．核聚变比核裂变更为安全、清洁B．任何两个原子核都可以发生聚变C．两个轻核结合成质量较大的核，总质量较聚变前增加D．两个轻核结合成质量较大的核，核子的比结合能增加解析：选AD与核裂变相比轻核聚变更为安全、清洁，A正确；自然界中最容易实现的聚变反应是氢的同位素氘与氚的聚变，不是任意两个原子核都能发生核聚变，B错误；两个轻核发生聚变结合成质量较大的核时，放出巨大的能量，根据E＝mc2可知，聚变反应中存在质量亏损，则总质量较聚变前减少，C错误；两个轻核结合成质量较大的核的过程中要释放能量，核子的平均质量减少，所以核子的比结合能增加，D正确．2．(多选)能源是社会发展的基础，发展核能是解决能源问题的途径之一，下列释放核能的反应方程，表述正确的有()A.31H＋21H→42He＋10n是核聚变反应B.31H＋21H→42He＋10n是β衰变C.23592U＋10n→14456Ba＋8936Kr＋310n是核裂变反应D.23592U＋10n→14054Xe＋9438Sr＋210n是α衰变解析：选AC两个轻核聚合成一个较重的核的反应为核聚变反应，故A对，B错；重核被中子轰击后分裂成两个中等质量的原子核并放出若干个中子的反应为核裂变反应，故C对；原子核放出α或β粒子后变成另一种原子核的反应称为原子核的衰变．原子核的衰变的反应物只有一种，故D错．3．(2019·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411H→42He＋201e＋2ν已知11H和42He的质量分别为mp＝1.0078u和mα＝4.0026u，1u＝931MeV/c2，c为光速．在4个11H转变成1个42He的过程中，释放的能量约为()A．8MeVB．16MeVC．26MeVD．52MeV解析：选C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．★要点二对粒子的认识|要点归纳|1．粒子与反粒子：随着科学技术的发展，人们发现了更多的粒子，一方面“基本粒子”不基本，另一方面发现了反粒子．粒子的质量、寿命、自旋等物理性质与过去已经发现的粒子相同，而电荷等其他性质相反，这类粒子叫作反粒子，例如电子的反粒子是正电子，带正电荷，质子的反粒子是反质子，反质子带负电荷．2．新粒子的发现及特点发现时间1932年1937年1947年20世