山东省专用201X201x学年高中物理 第十九章 原子核 第78节 核聚变 粒子和宇宙讲义.docx
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山东省专用201X201x学年高中物理第十九章原子核第78节核聚变粒子和宇宙讲义
第7、8节核聚变粒子和宇宙
1.两个轻核结合成质量较大的核，这样的核反应叫核聚变。
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。
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，
H＋
H→
He＋
n＋γ
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3～4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．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。
6．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。
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：
①强子：
参与强相互作用的粒子，质子是最早发现的强子。
②轻子：
不参与强相互作用的粒子，最早发现的轻子是电子。
③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
①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。
②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。
③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。
1．自主思考——判一判
（1）核聚变反应中平均每个核子放出的能量比裂变时小一些。
（×）
（2）轻核的聚变只要达到临界质量就可以发生。
（×）
（3）现在地球上消耗的能量绝大部分来自太阳内部的聚变反应。
（√）
（4）质子、中子、电子都是不可再分的基本粒子。
（×）
（5）质子和反质子的电量相同，电性相反。
（√）
（6）按照夸克模型，电子所带电荷不再是电荷的最小单元。
（√）
2．合作探究——议一议
（1）核聚变为什么需要几百万开尔文的高温？
提示：
要使轻核发生聚变就必须使它们间的距离达到核力发生作用的距离，而核力是短程力，作用距离在10－15m，在这个距离上时，质子间的库仑斥力非常大，为了克服库仑斥力就需要原子核具有非常大的动能才会撞到一起，当温度达到几百万开尔文时，原子核就可以具有这样大的动能。
（2）受控核聚变中磁约束的原理是什么？
提示：
原子核带有正电，垂直磁场方向射入磁场后在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动，绕着一个中心不断旋转而不飞散开，达到约束原子核的作用。
（3）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。
对核聚变的理解及应用
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。
要使原子核具有足够大的动能，就要给它们加热，使物质达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，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，放出的能量约与燃烧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核裂变反应释放核能
目前，除氢弹以外，人们还不能控制它
[典例] 太阳的能量来自下面的反应：
四个质子（氢核）聚变成一个α粒子，同时发射两个正电子，若太阳辐射能量的总功率为P，质子
H、氦核
He、正电子
e的质量分别为mp、mα、me，真空中的光速为c，求：
（1）写出核反应方程；
（2）核反应所释放的能量ΔE；
（3）1s内参与上述热核反应的质子数目。
[思路点拨]
（1）根据质量数守恒和电荷数守恒书写核反应方程。
（2）由爱因斯坦质能方程求解释放的能量。
（3）由功率的定义求1s内参与反应的质子数。
[解析]
（1）根据质量数守恒和电荷数守恒，可得核反应方程为4
H→
He＋2
e。
（2）质量亏损Δm＝4mp－mα－2me，根据爱因斯坦质能方程：
ΔE＝Δmc2，核反应释放的能量，ΔE＝（4mp－mα－2me）c2。
（3）设单位时间内参与热核反应的质子数为N，依据能量关系
P＝
，有N＝
。
[答案]
（1）4
H→
He＋2
e
（2）（4mp－mα－2me）c2 （3）
轻核聚变释放核能的计算方法
1．根据质量亏损计算。
根据爱因斯坦质能方程，用核子结合成原子核时质量亏损（Δm）的千克数乘以真空中的光速（c＝3×108m/s）的平方，即ΔE＝Δmc2。
①
2．根据1个原子质量单位（u）相当于931.5MeV能量，用核子结合成原子核时质量亏损的原子质量单位数乘以931.5MeV，
即ΔE＝Δm×931.5MeV。
②
注意：
式①中Δm的单位为kg，ΔE的单位是J；式②中Δm的单位是u，ΔE的单位是MeV。
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，因此聚变又叫做热核反应
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ABC 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，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。
2．（2017·全国卷Ⅰ）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：
H＋
H―→
He＋
n。
已知
H的质量为2.0136u，
He的质量为3.0150u，
n的质量为1.0087u,1u＝931MeV/c2。
氘核聚变反应中释放的核能约为（ ）
A．3.7MeV B．3.3MeV
C．2.7MeVD．0.93MeV
解析：
选B 氘核聚变反应的质量亏损为Δm＝2×2.0136u－（3.0150u＋1.0087u）＝0.0035u，释放的核能为ΔE＝Δmc2＝0.0035×931MeV/c2×c2≈3.3MeV，选项B正确。
新粒子的发现和夸克模型
1．新粒子的发现及特点
发现时间
1932年
1937年
1947年
20世纪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
质量介于电子与核子之间
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
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、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、中间玻色子、胶子分别传递电磁、弱、强相互作用
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。
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，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．[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－
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ABC 夸克不能以自由的状态单个出现，D错误，A、B、C正确。
3．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
H的核反应，间接地证实了中微子的存在。
（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＋
H→
n＋
e，可以判定中微子的质量数和电荷数分别是________。
（填写选项前的字母）
A．0和0B．0和1
C．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
e＋
e→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________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
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＝Δmc2，故一个光子的能量为
，代入数据得
＝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：
（1）A
（2）8.2×10－14 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
1．发生轻核聚变的方法是（ ）
A．用中子轰击
B．保持室温环境，增大压强
C．把物质加热到几百万开尔文以上的高温
D．用γ光子照射
解析：
选C 轻核聚变需要几百万开尔文以上的高温，使核子间的距离达到10－15m，核力发生作用，发生聚变反应，C项正确。
2．20世纪30年代以来，人们在对宇宙射线的研究中，陆续发现了一些新的粒子，K介子和π介子就是科学家在1947年发现的。
K－介子的衰变方程为K－→π0＋π－，其中K－介子和π－介子带负电，电荷量等于元电荷的电荷量，π0介子不带电。
如图所示，一个K－介子沿垂直于磁场的方向射入匀强磁场中，其轨迹为图中的圆弧虚线，K－介子衰变后，π0介子和π－介子的轨迹可能是（ ）
解析：
选A π0介子不带电，在磁场中不偏转，π－介子带负电，在磁场中洛伦兹力作用下做匀速圆周运动，再根据动量守恒判定知A正确。
3．[多选]关于轻核聚变，下列说法正确的是（ ）
A．两个轻核聚变为中等质量的原子核时要吸收能量
B．同样质量的物质发生聚变时放出的能量比同样质量的物质裂变时释放的能量大很多
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 根据比结合能图线可知，聚变后比结合能增加，因此聚变反应中会释放能量，故A错误；聚变反应中平均每个核子放出的能量比裂变反应中每个核子放出的能量大3～4倍，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，而聚变反应时，要使轻核之间的距离达到10
－15m以内，这需要原子核有很大的动能才可以实现聚变反应，故C错误，D正确。
4．[多选]下列说法正确的是（ ）
A.
N＋
H→
C＋
He是α衰变方程
B.
H＋
H→
He＋γ是核聚变反应方程
C.
U→
Th＋
He是核裂变反应方程
D.
He＋
Al→
P＋
n是原子核的人工转变方程
解析：
选BD 衰变是在没有粒子轰击的情况下，原子核自发地放出α粒子或β粒子的反应，
N在质子的轰击下发生的核反应属于人工转变，A错；
H＋
H―→
He＋γ是两个质量较轻的核结合成了质量较重的核，是核聚变反应，B对；
U→
Th＋
He是α衰变，裂变必须形成两个中等质量的核，C错；用α粒子去轰击原子核，产生新原子核并放出一个粒子，这是原子核的人工转变，D对。
5．雷蒙德·戴维斯因研究来自太阳的电子中微子（νe）而获得了2002年度诺贝尔物理学奖。
他探测中微子所用的探测器的主体是一个贮满615t四氯乙烯（C2Cl4）溶液的巨桶。
电子中微子可以将一个氯核转变为一个氩核，其核反应方程式为νe＋
Cl→
Ar＋
e。
已知
Cl核的质量为36.95658u，
Ar核的质量为36.95691u，
e的质量为0.00055u,1u质量对应的能量为931.5MeV。
根据以上数据，可得参与上述反应的电子中微子的最小能量为（ ）
A．0.82MeV B．0.31MeV
C．1.33MeVD．0.51MeV
解析：
选A 反应后不释放能量时对应电子中微子的能量最小，
为E＝（36.95691＋0.00055－36.95658）×931.5MeV＝0.82MeV，选项A正确。
6．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．τ子质量比核子质量大，τ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，τ子质量比核子质量大，但仍属于轻子，B正确、D不正确。
7．正电子是电子的反粒子，它跟普通电子的电量相等，而电性相反，科学家设想在宇宙的某些部分可能存在完全由反粒子构成的物质——反物质。
1997年初和年底，欧洲和美国的科学研究机构先后宣布：
他们分别制造出9个和7个反氢原子，这是人类探索反物质的一大进步。
你推测反氢原子的结构是（ ）
A．由一个带正电荷的质子与一个带负电荷的电子构成
B．由一个带负电荷的质子与一个带正电荷的电子构成
C．由一个不带电的中子与一个带负电荷的电子构成
D．由一个带负电荷的质子与一个带负电荷的电子构成
解析：
选B 反氢原子的结构应该是反质子与反电子组成，即一个带负电荷的质子与一个带正电荷的电子构成。
8．一个氘核和一个氚核经过核反应后生成氦核和中子，同时放出一个γ光子。
已知氘核、氚核、中子、氦核的质量分别为m1、m2、m3、m4，普朗克常量为h，真空中的光速为c。
下列说法正确的是（ ）
A．这个核反应是裂变反应
B．这个反应的核反应方程是
H＋
H→
He＋2
n＋γ
C．辐射出的γ光子的能量E＝（m3＋m4－m1－m2）c2
D．辐射出的γ光子在真空中的波长λ＝
解析：
选D 一个氘核和一个氚核经过核反应后生成一个氦核和一个中子，这是核聚变反应，A、B选项错误。
核反应的质量亏损Δm＝m1＋m2－m3－m4，辐射出的γ光子的能量E＝（m1＋m2－m3－m4）c2，C选项错误，γ光子在真空中的频率ν＝
，
波长λ＝
＝
＝
＝
，D选项正确。
9．某一年，7颗人造卫星同时接收到来自远方的中子星发射的γ光子，经分析确认，1个负电子和1个正电子发生湮灭时放出2个频率相同的γ光子。
已知负电子、正电子的静止质量m0＝9.1×10－31kg，又已知静止质量为m0的粒子，其能量E和发生湮灭前的动量p满足关系E2＝c2p2＋m
c4，式中c为光速。
若负电子、正电子发生湮灭前的总动量为零。
（1）写出湮灭的核反应方程式；
（2）用动量的有关知识说明上述核反应不可能只放出一个光子；
（3）计算出γ光子的频率。
解析：
（1）核反应方程式为
e＋
e→2γ。
（2）若只放出一个光子，说明反应后总动量不为零，而反应前总动量为零，违反动量守恒定律，所以只放出一个光子是不可能的。
（3）由于正、负电子湮灭前的总动量为零，光子的能量满足E＝hν，
由能量守恒定律有m0c2＋m0c2＝2hν，
即得光子的频率为ν＝
＝
Hz＝1.24×1020Hz。
答案：
（1）
e＋
e→2γ
（2）见解析 （3）ν＝1.24×1020Hz
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