1、7 核 聚 变 8 粒子和宇宙,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:,质量较大,能量,3.条件:要使轻核发生聚变,必须使它们的距离达到 _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_, 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_。,10-15,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_, 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
2、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。,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_。,环流器,(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。,激光,三、粒子和宇宙 1.
3、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。,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_。,正电子,子,K介子,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
4、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_。,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 温度为1032K,产生了_ _等粒子 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 温度下降到104K,混合电离态温度 下降到3000K时,_ _。,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_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。,星云团,氦核,中子星,【预习诊断】 1.请判断
5、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。( ),提示:(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34倍。 (2)。热核反应主要用在核武器上,核电站发电利用的是重核裂变。 (3)。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。,(4)。质子、中子本身也有复杂的结构,是可再分的。 (5)。
6、夸克的带电量不是电子电荷的整数倍。,2.(多选)下列说法中正确的是( ) A.聚变反应中有质量亏损,所以必向外界放出能量 B.使核发生聚变反应必须使核之间的距离接近到1.510-15m,也就是接近到核力能够发生作用的范围内 C.要使核发生聚变反应,无须克服核力做功 D.热核反应只有在人工控制下才能发生,【解析】选A、B。由质能方程可知A正确;轻核结合成质量较大核,必须使轻核间的距离达到能产生核力的范围,才能使它们紧密地结合起来,B正确、C错误;热核反应必须在很高的温度下才能发生,不一定要人工控制,D错误。,3.太阳放出的大量中微子向地球飞来,但实验测定的数目只有理论的三分之一,后来科学家发现中
7、微子在向地球传播过程中衰变成一个子和一个子。若在衰变过程中子的速度方向与中微子原来的方向一致,则子的运动方向( ),A.一定与子同方向 B.一定与子反方向 C.一定与子在同一直线上 D.不一定与子在同一直线上,【解析】选C。中微子衰变成子和子,满足动量守恒,子的速度方向与中微子原来的方向一致,子必定也在这条直线上。,知识点一 核聚变的特点及应用 探究导入: 如图为氢弹原理示意图。,(1)若要发生核聚变,对原子核间的距离有什么要求? (2)核聚变为何又叫热核反应?,提示:(1)原子核间的距离达到10-15m以内。 (2)核聚变需要在几百万开尔文的高温下才能进行,因此核聚变又叫热核反应。,【归纳总
8、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,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
9、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:,【典例探究】 考查角度1 对核聚变的理解 【典例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】选A、B、C。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;
10、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,故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。,考查角度2 核聚变释放核能的计算 【典例2】(2017全国卷)大科学工程“人造太阳”主 要是将氘核聚变反应释放的能量用来发电，氘核聚变反 应方程是 已知 的质量为2.013 6 u，的质量为3.015 0 u， 的质量为1.008 7 u，1 u =931 MeV/c2。氘核聚变反应中释放的核能约为( ) A.3.7 MeV B. 3.3 MeV C. 2
11、.7 MeV D.0.93 MeV,【解析】选B。氘核聚变反应的质量亏损m=2m氘-m氦- mn=0.003 5 u，则该反应释放的核能为E=m 931 MeV=3.258 5 MeV3.3 MeV。,【过关训练】 1.科学家发现在月球上含有丰富的 (氦3),它是一 种高效、清洁、安全的核聚变燃料,其参与的一种核聚 变反应的方程式为 关于 聚变 下列表述正确的是( ),A.聚变反应不会释放能量 B.聚变反应产生了新的原子核 C.聚变反应没有质量亏损 D.目前核电站都采用 聚变反应发电,【解析】选B。核聚变反应中产生新的原子核,同时由于发生了质量亏损,会有核能的释放,B正确,A、C错误;核聚变是
12、人类利用核能的途径之一。目前核电站大多采用重核裂变的方法来释放与利用核能发电,D错误。,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( ),【解析】选A、C。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。原子核放出或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。,知识点二 新粒子的发现和夸克模型 探究导入: 图为欧洲粒子加速器,能使粒子获得13万亿电子伏特的能量。,(1)高速粒子碰撞能产生一些新的粒子
13、,试说出部分20世纪30年代以来发现的新粒子。 (2)随着新粒子的发现,质子与中子为什么不再被称为“基本粒子”?,提示:(1)介子、超子、电子中微子、子、子中微子、子、子中微子等。 (2)因为质子与中子也有着复杂的内部结构,它们也是由更基本的粒子组成,质子与中子不再被称为“基本粒子”。,【归纳总结】 1.新粒子的发现及特点:,2.粒子的分类:,3.夸克模型: (1)夸克的提出:1964年美国物理学家盖尔曼提出了强子的夸克模型,认为强子是由夸克构成的。 (2)夸克的种类:上夸克(u)、下夸克(d)、奇异夸克(s)、粲夸克(c)、底夸克(b)和顶夸克(t)。,(3)夸克所带电荷:夸克所带的电荷量是
14、分数电荷量,即 其电荷量为元电荷的- 或+ 。例如,上夸克带的电荷 量为+ ,下夸克带的电荷量为- 。 (4)意义:电子电荷不再是电荷的最小单位,即存在分数 电荷。,【典例探究】 【典例】以下说法正确的是( ) A.最早发现的轻子是电子,最早发现的强子是中子 B.质子、中子、介子和超子都属于强子 C.强子、轻子都有内部结构 D.子质量比核子质量大,子不属于轻子,【解析】选B。最早发现的强子是质子,最早发现的轻子是电子,故选项A错误;强子有内部结构,由夸克组成,轻子没有内部结构,所以C错误;质子、中子、介子、超子都属于强子,子质量比核子质量大,但仍属于轻子,B正确、D不正确。,【过关训练】 (多
15、选)(2018合肥高二检测)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+ 或- 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。,【补偿训练】 1.根据宇宙大爆炸的理论,在宇宙形成之初是“粒子家族”尽显风采的时期,那么在大爆炸之后最早产生的粒子是( ) A.夸克、轻子、胶子等粒子 B.质子和中子等强子 C.光子、中微子和电子等轻子 D.氢核、氘核、氦核等轻核,【解析】选A。宇宙形成之初产生了夸克、轻子和胶子等粒子,之后又经历了质子和中子等强子时代
16、,再之后是自由光子、中微子、电子大量存在的轻子时代,再之后是中子和质子组合成氘核,并形成氦核的核合成时代,之后电子和质子复合成氢原子,最后形成恒星和星系,因此A正确,B、C、D错误。,2.目前普遍认为,质子和中子都是由被称为u夸克和d夸 克的两类夸克组成的。u夸克带电荷量为 e,d夸克的 带电荷量为- e,e为元电荷,下列论断中可能正确的是( ) A.质子由1个u夸克和2个d夸克组成,中子由1个u夸克 和2个d夸克组成,B.质子由2个u夸克和1个d夸克组成,中子由1个u夸克和2个d夸克组成 C.质子由1个u夸克和2个d夸克组成,中子由2个u夸克和1个d夸克组成 D.质子由2个u夸克和1个d夸克
17、组成,中子由2个u夸克和1个d夸克组成,【解析】选B。质子 带电荷量为2 e+(- e)=e, 中子 带电荷量为 e+2(- e)=0。可见B正确。,【拓展例题】考查内容:聚变过程的核能计算 【典例示范】太阳现在正处于主序星演化阶段,它主要是由电子和质子、氦核等组成,维持太阳辐射的是它内部的核聚变反应,核反应为两个电子和四个质子聚变为氦,已知太阳的质量为21030kg,太阳向周围空间辐射能量的总功率为3.81023kW。,(1)写出上述聚变反应的方程; (2)已知质子质量mp=1.6710-27kg,氦核质量m= 6.645 810-27kg,电子质量me=9.010-31kg,光速c=3 1
18、08m/s,求每发生一次上述核反应所释放的能量; (3)根据题目中数据计算太阳1秒钟减少的质量。,【解析】(1)根据聚变反应满足质量数和电荷数守恒, 得核反应方程为 (2)反应中的质量亏损 m=2me+4mp-m=29.010-31kg+41.6710-27kg- 6.645 810-27kg=3.610-29kg,由爱因斯坦质能方程可知核反应释放的能量 E=mc2=3.610-29(3108)2J=3.2410-12J。 (3)太阳每秒释放的能量为3.81026J,则太阳每秒减少 的质量为 m= 4.2109kg。,答案:(1) (2)3.2410-12J (3)4.2109kg,答案速填:自发地 射线 射线 射线 半数 核子 质子数 中子数 电荷数 质量数 核子 核子数 mc2 小于,
