1、78 核聚变 粒子和宇宙,一、核聚变 1.定义 两个轻核结合成质量较大的原子核的反应。 2.条件 (1)轻核的距离要达到10-15 m以内。 (2)聚变可以通过高温来实现,因此又叫热核反应。 3.核反应举例 (1)热核反应主要应用在核武器上,如氢弹。 (2)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。 (3)典型的核聚变:一个氘核和一个氚核的聚变,该反应平均每个核子放出的能量比裂变反应平均每个核子放出的能量大34倍。,4.聚变与裂变相比有很多优点 (1)轻核聚变产能效率高。 (2)地球上聚变燃料的储量丰富。 (3)轻核聚变更为安全、清洁。 5.实现核聚变的方法 (1)难点:
2、地球上没有任何容器能够经受几百万开尔文的高温。 (2)方案:科学家设想了两种方案,即磁约束和惯性约束,环流器是目前性能最好的一种磁约束装置。,二、粒子和宇宙 1.“基本粒子”不基本 (1)19世纪末,人们认为原子是组成物质的不可再分的最小微粒。 (2)后来认为光子、电子、质子和中子是组成物质的不可再分的最基本的粒子,并称为“基本粒子”。 随着科学的进一步发展,科学家们逐渐发现了数以百计的不同种类的新粒子,它们都不是由质子、中子、电子组成的,另外又发现质子、中子等本身也有自己的复杂的结构。所以,从20世纪后半期起,就将“基本”二字去掉,统称为粒子。,2.发现新粒子与夸克模型 (1)反粒子 实验中
3、发现,对应着许多粒子都存在质量、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的粒子,这些粒子叫做反粒子。例如,电子的反粒子就是正电子。 (2)粒子的分类 按照粒子与各种相互作用的不同关系,可将粒子分为三大类: 强子:参与强相互作用的粒子,质子是最早发现的强子。 轻子:不参与强相互作用的粒子,最早发现的轻子是电子。 媒介子:是传递各种相互作用的粒子,如光子、中间玻色子、胶子。 (3)夸克模型的提出 1964年提出的夸克模型,认为强子是由更基本的夸克组成的。,3.宇宙及恒星的演化 (1)宇宙演化 根据大爆炸理论,在宇宙形成之初是“粒子家族”尽显风采的时期。在大爆炸之后逐渐形成
4、了夸克、轻子和胶子等粒子,随后经过强子时代、轻子时代、核合成时代。继续冷却,质子、电子、原子等与光子分离而逐步组成恒星和星系。 (2)恒星的演化 恒星的形成:大爆炸后,在万有引力作用下形成星云团,进一步凝聚使引力势能转变为内能,温度升高,直到发光,于是恒星诞生了。 恒星演变:核聚变反应,层级递进地在恒星内发生,直到各种热核反应不再发生时,恒星的中心密度达到极大。 恒星归宿:恒星最后的归宿有三种,它们是白矮星、中子星、黑洞。,自我检测 1.思考辨析。 (1)光子、电子、质子和中子是组成物质的不可再分的最基本的粒子。 ( ) 解析:随着科学的发展,科学家们发现质子、中子等本身也有复杂结构。 答案:
5、 (2)太阳辐射的巨大能量来自太阳中本身储存的大量内能。 ( ) 解析:太阳辐射的巨大能量主要来自太阳内部氢核聚变成氦核时释放的能量。 答案:,(3)要使聚变产生,必须克服库仑斥力做功。 ( ) 解析:轻核聚变时,要使轻核之间距离达到10-15 m,所以必须克服库仑斥力做功。 答案:,2.探究讨论。 (1)夸克模型是如何提出的? 答案:1964年美国物理学家盖尔曼提出了强子的夸克模型,认为强子是由夸克构成的。 (2)轻核聚变为什么在地球上不容易发生?要发生聚变有什么苛刻条件吗? 答案:要使轻核聚变,必须使轻核接近核力发生作用的距离10-15 m,这要克服电荷间强大的库仑斥力作用,要求使轻核具有
6、足够大的动能。要使原子核具有足够大的动能,有一种方法就是给它们加热,使物质达到几百万开尔文以上的高温。在地球上是不容易达到这个条件的。,探究一,探究二,核聚变 问题探究 太阳是人类最大的能量来源。千万年来,它的光辉没有丝毫的减弱,人们对如此巨大和持久的太阳能的来源充满了各种设想。最初人类设想太阳是一个大煤炉,靠燃烧煤的化学能维持它的光和热。可是研究表明,太阳表面的温度超过6 000 K,太阳的辐射功率约3.91026 W,碳和氧的化合反应很难达到这样的温度,也很难持久地辐射如此巨大的能量。太阳的能量究竟来自于何方? 要点提示:氢是太阳中的燃料,太阳内不断发生着轻核聚变变成氦核的反应,同时放出巨
7、大的能量。,探究一,探究二,知识归纳 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10-15 m,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。,探究一,探究二,3.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
8、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。,探究一,探究二,探究一,探究二,【例题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实验装置(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( ),C.根据公式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.根据公式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 【思考问题】 轻核聚变的方程是什么?,探究一,探究二,规律总结核聚变
9、反应方程的书写与核能的计算 (1)聚变的核反应方程遵循质量数守恒和电荷数守恒。 (2)核能计算的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。,探究一,探究二,粒子与宇宙 问题探究 对粒子的认识 下图为粒子发展示意图:(1)为什么现在将“基本”二字去掉,统称为粒子? (2)为什么说夸克模型是物理学发展中的一个重大突破?,探究一,探究二,要点提示:(1)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,又发现质子、中子等本身也有自己的复杂结构。所以现在将“基本”二字去掉,统称为粒子。 (2)夸克模型的提出是物理学发展中的一个重大突破,它指出电子电荷不再是电荷
10、的最小单元,即存在分数电荷。,探究一,探究二,知识归纳 1.新粒子的发现及特点,探究一,探究二,探究一,探究二,典例剖析 【例题2】 太阳内部持续不断地发生着四个质子聚变为一个氦核同时放出两个正电子的热核反应,这个核反应释放出的大量能量就是太阳的能源。(已知质子质量为mH=1.007 3 u,氦核质量为mHe=4.001 5 u,电子质量为me=0.000 55 u) (1)写出这个核反应方程; (2)这一核反应能释放多少能量? (3)已知太阳每秒释放的能量为3.81026 J,则太阳每秒减少的质量为多少千克?,探究一,探究二,1,2,解析:由核反应过程必须遵守的质量数守恒和电荷数守恒知X是 。放出热量分别为Q1和Q2的两个核反应中质量亏损分别为0.002 1 u和0.005 3 u,故Q2Q1。 答案:B,1,2,个中子,已知氘核质量为m1=2.014 1u,氚核质量为m2=3.016 0 u,氦核质量为m3=4.002 6 u,中子质量为m4=1.008 665 u,求: (1)写出聚变的核反应方程; (2)此反应过程中释放的能量为多少?平均每个核子释放出多少核能?,(2)此反应过程的质量亏损为 m=2.014 1 u+3.016 0 u-4.002 6 u-1.008 665 u=0.018 835 u, E=mc2=0.018 835931.5 MeV17.5 MeV。,
