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第7、8节核聚变、粒子和宇宙[学习目标]1．了解核聚变反应的特点及发生条件。2．会判断和书写核聚变方程，能计算核聚变放出的能量。3．知道粒子的分类及其作用，了解夸克模型。4．了解宇宙及恒星的演化。课前预习·落实基础一、核聚变1．定义：两个轻核结合成___________的核，并释放出_________的反应。2．举例：21H＋31H→________＋10n＋17.6MeV。3．条件：要使轻核发生聚变，必须使它们的距离达到_________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___________，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__________开尔文，因此聚变又叫___________。质量较大能量42He10－15m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______，需要用_______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____，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______释放的核能。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。氢弹原子弹氢聚变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__________。(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________从各个方向照射反应物，使它们“挤”在一起发生反应。三、粒子和宇宙1．基本粒子不基本(1)19世纪末，人们都认为_______、电子、______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___________等本身也有自己的复杂结构。环流器激光光子质子质子中子2．发现新粒子(1)新粒子：1932年发现了____________1937年发现了_______，1947年发现了___________和___________及以后的质量比质子的质量大的___________。(2)粒子的分类：按照________________________的不同关系，可将粒子分为三大类：_____、____和_______。(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，这种成分叫作_______。夸克模型指出电子电荷不再是电荷的最小单位，即存在____________。正电子u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10－14s后温度为1032K，产生了_______________等粒子约――→10－6s后，温度下降到1013K左右，_____时代―→温度下降到1011K时，_____时代―→温度下降到109K时，________时代――→一万年后温度下降到104K，混合电离态―→温度下降到3000K时，__________――→继续冷却__________。(2)恒星的演化：宇宙尘埃→________→恒星诞生→氢核聚合成________→氦核聚合成碳核→其他聚变过程→无聚变反应，形成白矮星或________或黑洞。夸克、轻子、胶子强子轻子核合成中性的氢原子恒星和星系星云团氦核中子星[自主思考]判断下列说法的正误。(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。()√×√××课堂互动·考点突破考点一核聚变的特点及应用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．核聚变与核裂变的比较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平均每个核子放出的能量是裂变反应平均每个核子放出能量的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，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，放出的能量约和燃烧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[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)写出聚变方程；(2)求释放出的核能多大？(3)求平均每个核子释放的能量是多大？[思路引导]核反应方程要根据电荷数守恒和质量数守恒，核能的计算关键是求出核反应中的质量亏损，然后根据爱因斯坦质能方程求解。[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＝Δmc2＝0.0067×931.5MeV≈6.24MeV。(3)平均每个核子放出的能量为6.243MeV＝2.08MeV。[答案](1)H＋2n→H(2)6.24MeV(3)2.08MeV[规律总结]核聚变反应中核能计算的方法(1)根据质量亏损计算，即ΔE＝Δmc2，Δm单位是kg，ΔE单位为J。(2)根据1u相当于931.5MeV的能量计算ΔE＝Δm×931.5MeV，Δm单位为u，ΔE单位为MeV。变式训练1．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：21H＋31H―→42He＋X，式中X是某种粒子。已知：21H、31H、42He和粒子X的质量分别为2.0141u、3.0161u、4.0026u和1.0087u；1u＝931.5MeVc2，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(结合保留3位有效数字)。解析根据质量数和电荷数守恒可得X是10n(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10n(或中子)17.6考点二粒子的分类和夸克模型1．新粒子的发现及特点发现时间1932年1937年1947年60年代后新粒子反粒子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质子之间其质量比质子大2.粒子的分类分类参与的相互作用发现的粒子备注强子强相互作用质子、中子、介子、超子质子是最早发现的强子；强子有内部结构，由“夸克”粒子构成的；强子又可分为介子和重子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玻色子传递弱相互作用胶子传递强相互作用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，它们带的电荷分别为元电荷的＋23或－13。每种夸克都有对应的反夸克。[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11H的核反应，间接地证实了中微子的存在。(1)中微子与水中的11H发生核反应，产生中子(10n)和正电子(01e)，即中微子＋11H→10n＋01e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01e＋0－1e→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可能只转变为一个光子，原因是________。[思路引导](1)怎样判定中微子的质量数和电荷数？(2)怎样计算光子的能量？[引导提示](1)根据核反应中质量数与电荷数守恒，判定出质量数与电荷数。(2)利用质能方程可得出每个光子的能量。[解析](1)发生核反应前后，质量数和电荷数守恒，据此可知中微子的质量数和电荷数都是0，选项A正确。(2)产生的能量是由于质量亏损。正电子和电子转变为两个光子之后，质量变为零，则ΔE＝Δmc2，故一个光子的能量为ΔE2，代入数据得ΔE2＝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]见解析[规律总结]对核反应中新生成粒子的认识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。变式训练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u或反夸克d)组成的，它们的带电荷量如下表所示，e为元电荷。π＋π－udud带电荷量＋e－e＋23e－13e－23e＋13e下列说法正确的是A．π＋由u和d组成B．π＋由d和u组成C．π－由u和d组成D．π－由d和u组成解析根据电荷量关系可知，由于π＋介子带有＋e的电荷量，根据题意可知π＋介子(＋e)应由一个夸克u＋23e和反夸克d＋13e构成，同理π－介子由夸克d和反夸克u构成。答案AD