1、13.3.7 核聚变3.3.8 粒子和宇宙学习目标 核心提炼1.了解聚变反应的特点及其条件。2.了解可控热核反应及其研究和发展，会判断和填写核聚变方程，并能计算核聚变释放的能量。3.知道轻核的聚变能够释放出很多的能量，如果能加以控制将为人类提供广阔的能源前景。4.知道粒子的分类及其作用，了解夸克模型。5.了解宇宙及恒星的演化。1 个概念核聚变1 个条件聚变反应条件一、核聚变1.定义：两个轻核结合成质量较大的核，并释放出能量的反应。2.举例： H H He n17.6 MeV21 31 42 103.条件：要使轻核发生聚变，必须使它们的距离达到 1015 m 以内，核力才能起作用。由于原子核都带
2、正电，要使它们接近到这种程度，必须克服巨大的库仑斥力，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，温度高达几百万开尔文，因此聚变又叫热核反应。4.应用：目前，热核反应主要用在核武器上，那就是氢弹，需要用原子弹爆炸产生的高温高压引发核爆炸。5.太阳能：太阳的主要成分是氢，太阳中心温度可达 1.5107 K，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聚变 释放的核能。思考判断(1)核聚变时吸收能量。( )(2)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。( )(3)热核反应主要用在核武器上，那就是原子弹。( )答案 (1)
3、(2) (3)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。第三：2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，用激光从各个方向照射反应物，使它们“挤”在一起发生反应。思考判断(1)轻核聚变比裂变更安全、清洁。( )(2)实现核聚变的难点是地球上没有任何容器能够经受如此高的温度。( )(
4、3)现在已经实现了技术突破，能够稳定地输出聚变能。( )答案 (1) (2) (3)三、粒子和宇宙1.基本粒子不基本(1)19 世纪末，人们都认为光子、电子、质子和中子是组成物质的不可再分的最基本的粒子。(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，又发现质子、中子等本身也有自己的复杂结构。2.发现新粒子(1)新粒子：1932 年发现了正电子，1937 年发现了 子，1947 年发现了 K 介子和 介子及以后的质量比质子的质量大的超子。(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、轻子和媒介子。(3)夸克模型的提出：1964 年
5、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。夸克模型指出电子电荷不再是电荷的最小单位，即存在分数电荷。3.宇宙和恒星的演化(1)宇宙的演化宇宙大爆炸约 温度为 1032 K，产生了夸克、轻子、胶子等粒子 温度 10 44 s后 约 10 6 s后 下降到 1013 K 左右，强子时代 温度下降到 1011K 时，轻子时代 温度下降到 109 K 时，核合成时代 温度下降到 104 K，混合电离态 温度下降到 3 000 K 时，中性的氢 一 万 年 后 原子 恒星和星系。 继 续 冷 却 (2)恒星的演化：宇宙尘埃 星云团 恒星诞生 氢核聚合成氦核
6、氦核聚合成碳核 其他聚变过程 无聚变反应，形成白矮星或中子星或黑洞。3思考判断(1)质子、中子不能再分。( )(2)夸克的带电量是电子电荷的整数倍。( )(3)太阳目前正处于氢通过热核反应成为氦，以电磁波的形式向外辐射核能的阶段。( )答案 (1) (2) (3)核聚变的特点及应用要点归纳1.核聚变的特点(1)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。(2)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。(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)普遍性：热核反应在宇宙中时时刻刻地进行着
7、，太阳就是一个巨大的热核反应堆。2.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。3.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 34 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。1 L 水
8、中大约有 0.03 g 氘，如果用来进行热核反应，放出的能量约与燃烧 300 L 汽油释放的能量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核裂变反应释放核能目前，除氢弹以外，人们还不能控制它精典示例例 1 关于核聚变的说法正确的是( )4A.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审题指导 (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 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
9、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，选项 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，选项 B 错误，D 正确；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，选项 C 错误。答案 D针对训练 1 关于轻核聚变释放核能，下列说法正确的是( )A.一次聚变反应一定比一次裂变反应释放的能量多B.聚变反应比裂变反应每个核子释放的平均能量一定大C.聚变反应中粒子的比结合能变小D.聚变反应中由于形成质量较大的核，故反应后质量增加解析 在一次聚变反应中释
10、放的能量不一定比裂变反应多，但平均每个核子释放的能量一定大，故选项 A 错误、B 正确；由于聚变反应中释放出巨大能量，则比结合能一定增加，质量发生亏损，故选项 C、D 错误。答案 B粒子的分类和夸克模型要点归纳1.粒子的分类分类 参与的相互作用 发现的粒子 备注强子 参与强相互作用 质子、中子、介子、超子强子有内部结构，由“夸克”构成；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、 子、 子中微子、 子、 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、中间玻色子、胶5子分别传递电磁、弱、强相互作用2.夸克模型(1)夸克的提出：1964 年美国物理
11、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)。精典示例例 2 在 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 H 的核反应，间接地证实了中微子的存在。1(1)中微子与水中的 H 发生核反应，产生中子( n)和正电子( e)，即中微子1 10 0 1 H n e，可以判定，中微子的质量数和电荷数分别是_。(填写选项前的1 10 0 1字母)A.0 和 0 B
12、.0 和 1 C.1 和 0 D.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()，即 e e 2。已知正电子和电子的质量都为 9.11031 kg，0 1 0 1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_。审题指导 解答本题时应注意以下三点：(1)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，选项
13、A 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 mc2，故一个光子的能量为 ，代入数据得 8.210 14 J。正电子E2 E2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)8.210 14 此过程遵循动量守恒定律针对训练 2 已知 介子、 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 或反夸克 )组成的，它们的带电荷量如表所示，表中 e 为元电荷。u d 6粒子 u d u d 带电荷量 e e e23 e13 e23 e13(1)按最
14、简单的组成， 介子由谁和谁组成？(2)按最简单的组成， 介子由谁和谁组成？解析 (1) 介子带有 e 的电荷量，且是由一个夸克和一个反夸克组成的，夸克 u 带 e 和反夸克 带 e 合成电荷量为 e。23 d 13(2) 介子带有 e 的电荷量，是由一个夸克和一个反夸克组成的，夸克 d 带 e 和反夸13克 带 e 合成电荷量为 e。u 23答案 (1) 介子是由夸克 u 和反夸克 组成的d (2) 介子由夸克 d 和反夸克 组成u 1.(多选)聚变与裂变相比，下列说法正确的是( )A.聚变比裂变产能效率高B.在目前情况下，使原子核聚变要比裂变容易C.原子弹的燃料是 235UD.氢弹的原理是核
15、的聚变，需由原子弹来引爆解析 聚变比裂变的平均结合能大，故选项 A 正确；在目前的条件下，核裂变要比核聚变容易很多，故选项 B 错误；原子弹利用的核裂变燃料为 235U，氢弹利用的核聚变需原子弹引爆，故选项 C、D 正确。答案 ACD2.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 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，再之后是自由的光子、中微子、电子大量存在的轻子时代，再之后是中子和质子结
16、合成氘核，并形成氦核的核时代，之后电子和质子复合成氢原子，最后形成恒星和星系，因此选项 A 正确，B、C、D 的产生都在 A 之后，故选项 B、C、D 错误。答案 A3.(多选)在某次核反应中，1 个氘核和 1 个氚核结合生成 1 个氦核，则下列说法正确的是( )7A.这是一个聚变反应 B.核反应方程式为 H H He n21 31 42 10C.目前核电站都采用上述核反应发电 D.该核反应没有质量亏损解析 1 个氘核和 1 个氚核结合生成 1 个氮核，反应方程为 H H He n，这是聚变反21 31 42 10应。故选项 A、B 正确；目前核电站都采用核裂变发电。故选项 C 错误；该反应放
17、出热量，所以一定有质量亏损。故选项 D 错误。答案 AB4.关于太阳辐射的主要由来，下列说法正确的是( )A.来自太阳中氢元素聚变反应释放的核能B.来自太阳中碳元素氧化释放的化学能C.来自太阳中重元素裂变反应释放的核能D.来自太阳中本身贮存的大量内能解析 太阳的能量来自于太阳内部原子核的聚变，通过聚变可以使太阳表面产生约 6 000 的高温。答案 A5.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 mH1.007 3 u，氦核质量为 mHe4.001 5 u，电子质量为 me0.000 55 u)(1)写
18、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？解析 (1)由题意可得核反应方程应为 4 H He2 e。1 42 0 1(2)反应前的质量 m14 mH41.007 3 u4.029 2 u，反应后的质量 m2 mHe2 me4.001 5 u20.000 55 u4.002 6 u， m m1 m20.026 6 u，由质能方程得，释放能量 E mc20.026 6931.5 MeV24.78 MeV。(3)由质能方程 E mc2得太阳每秒减少的质量 m kg4.2210 9 kg。 Ec2 3.8102
19、6（ 3108） 2答案 (1)4 H He2 e (2)24.78 MeV1 42 0 1(3)4.22109 kg891.下列说法正确的是( )A.聚变是裂变的逆反应B.核聚变反应须将反应物加热到数百万开尔文以上的高温，显然是吸收能量C.轻核聚变比裂变更为安全、清洁D.强子是参与强相互作用的粒子，中子是最早发现的强子解析 聚变和裂变的反应物和生成物完全不同，两者无直接关系，并非互为逆反应，故选项 A 错误；实现聚变反应必须使参加反应的轻核充分接近，需要数百万开尔文的高温，但聚变反应一旦实现，所释放的能量远大于所吸收的能量，所以聚变反应还是释放能量，故选项 B 错误；实现聚变需要高温，一旦出
20、现故障，高温不能维持，反应就自动终止了，另外，聚变反应比裂变反应生成的废物数量少，容易处理，故选项 C 正确；质子是最早发现的强子，故选项 D 错误。答案 C2.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 6 H k21He d H2 n43.15 MeV，由平衡条件可知( )42 1 10A.k1， d4 B.k2， d2C.k1， d6 D.k2， d3解析 由质量数守恒和电荷数守恒，分别有 4k d212，2 k d6，解得 k2， d2，选项 B 正确。答案 B3.下面是一核反应方程
21、： H H HeX。用 c 表示光速，则( )21 31 42A.X 是质子，核反应放出的能量等于质子质量乘以 c2B.X 是中子，核反应放出的能量等于中子质量乘以 c2C.X 是质子，核反应放出的能量等于氘核与氚核的质量和减去氦核与质子的质量和，再乘以 c2D.X 是中子，核反应放出的能量等于氘核与氚核的质量和减去氦核与中子质量和，再乘以c2解析 由质量数守恒及核电荷数守恒定律可得 X 为 n(中子)，再据质能方程可得核反应放10出的能量为反应前后质量亏损与 c2的乘积，故选项 D 正确。答案 D4.(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”
22、)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( )A.“人造太阳”的核反应方程是 H H He n21 31 42 1010B.“人造太阳”的核反应方程是 U n Ba Kr3 n23592 10 14156 9236 10C.“人造太阳”释放的能量大小的计算公式是 E mc2D.“人造太阳”核能大小的计算公式是 E mc212解析 “人造太阳”是全超导核聚变实验装置，核反应是轻核聚变而不是重核裂变，故选项 A 正确，B 错误；核能大小的计算根据爱因斯坦的质能方程，故选项 C 正确，D 错误。答案 AC5.一个质子和一个中子聚变组合成一个氘核，同时辐射出一个 光子。已知质子、中子
23、、氘核的质量分别为 m1、 m2、 m3，普朗克常数为 h，真空中的光速为 c，下列说法正确的是( )A.核反应方程是 H n H1 10 31B.聚变反应的质量亏损 m m1 m2 m3C.辐射出的 光子能量 E( m3 m1 m2)cD. 光子的波长 h（ m1 m2 m3） c2解析 选项 A 中核反应方程不满足质量数守恒，A 错误；选项 B 中 m 正好是结合前核子总质量与原子核质量之差，B 正确；由质能方程可知辐射出的 光子的能量为E( m1 m2 m3)c2，选项 C 错误；由 c 及 E h 得， 光子的波长为 ，故选项 D 错误。h（ m1 m2 m3） c答案 B6.关于粒子
24、，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 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，故选项 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 e 和 ，说明电子电荷不再是电荷的最小单位，故选项 C 错23 e3误，D 正确。答案 D7.(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 或23 13C.每种夸克都有对应
25、的反夸克11D.夸克能以自由的状态单个出现解析 夸克不能以自由的状态单个出现，选项 D 错误，A、B、C 正确。答案 ABC8.(多选)为应对能源危机和优化能源结构，提高清洁能源的比重，我国制定了优先选择核能，其次加快发展风能和再生能源的政策，在核电中长期发展规划中要求 2020 年核电运行装机总容量达到 4 000 万千瓦的水平，请根据所学物理知识，判断下列说法正确的是( )A.核能发电对环境的污染比火力发电要小B.核能发电对环境的污染比火力发电要大C.现有核电站都只利用重核裂变释放大量的原子能D.现有核电站既可以利用重核裂变，又可以利用轻核聚变释放大量的原子能解析 目前，核电站都用核裂变，
26、其原料是铀，且核裂变在核反应堆中应用的是比较清洁的能源，故选项 A、C 正确，B、D 错误。答案 AC9.某科学家提出年轻热星体中核聚变的一种理论，其中的两个核反应方程为H C N Q1， H N CX Q21 126 137 1 157 126方程中 Q1、 Q2表示释放的能量，相关的原子核质量见下表：原子核 H1 He32 He42 C126 N137 N157质量/u 1.007 8 3.016 0 4.002 6 12.000 0 13.005 7 15.000 1以下推断正确的是( )A.X 是 He， Q2Q1 B.X 是 He， Q2Q132 42C.X 是 He， Q2Q1 D
27、.X 是 He， Q2Q132 42解析 根据核反应中质量数与电荷数守恒容易求得新核 X 的质量数为 4、电荷数为 2，即 X是 He；根据表中提供的数据，可以求得第 2 个核反应的质量亏损大，根据爱因斯坦质能42方程必然有 Q1Q2。答案 B10.一个原来静止的锂核( Li)俘获一个速度为 7.7104 m/s 的中子后，生成一个氚核和一63个氦核，已知氚核的速度大小为 1.0103 m/s，方向与中子的运动方向相反。(1)试写出核反应方程；(2)求出氦核的速度大小。解析 (1) Li n H He。63 10 31 42(2)取中子的运动方向为正方向，由动量守恒定律得 mnv0 mTv1
28、mHev2v2 210 4 m/s。mnv0 mTv1mHe12答案 (1) Li n H He (2)210 4 m/s63 10 31 4211.一个质子和两个中子聚变为一个氚核，已知质子质量 mH1.007 3 u，中子质量mn1.008 7 u，氚核质量 mT3.018 0 u。(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 H2 n H1 10 31(2)质量亏损 m mH2 mn m(1.007 321.008 73.018 0) u0.006 7 u，释放的核能 E mc20.006 7931.5 MeV6.24 MeV。(3
29、)平均每个核子放出的能量为 MeV2.08 MeV。6.243答案 (1) H2 n H (2)6.24 MeV1 10 31(3)2.08 MeV12.核聚变能是一种具有经济性能优越、安全可靠、无环境污染等优势的新能源。近几年来，受控核聚变的科学可行性已得到验证，目前正在突破关键技术，最终将建成商用核聚变电站。一种常见的核聚变反应是由氢的同位素氘(又叫重氢)和氚(又叫超重氢)聚合成氦，并释放一个中子。若已知氘原子的质量为 2.014 1 u，氚原子的质量为 3.016 0 u，氦原子的质量为 4.002 6 u，中子的质量为 1.008 7 u，1 u1.6610 27 kg。(1)写出氘和
30、氚聚变的反应方程；(2)试计算这个核反应释放出来的能量；(3)若建一座功率为 3.0105 kW 的核聚变电站，假设聚变所产生的能量有一半转化成了电能，求每年要消耗的氘的质量。(一年按 3.2107 s 计算，光速 c3.010 8 m/s，结果取两位有效数字)解析 (1) H H He n21 31 42 10(2) E mc2(2.014 13.016 04.002 61.008 7)1.661027 91016 J2.810 12 J(3)M MD kg23 2Pt E 231083.21072.014 11.6610 272.810 12kg答案 (1) H H He n (2)2.810 12 J21 31 42 10(3)23 kg
