2018-2019學年高中物理 第十九章 原子核 19.7-19.8 核聚變 粒子和宇宙課件 新人教版選修3-5.ppt

7核聚變8粒子和宇宙,一、核聚變1.定義:兩個輕核結合成_的核,并釋放出_的反應。2.舉例:,質量較大,能量,3.條件:要使輕核發(fā)生聚變,必須使它們的距離達到_m以內,核力才能起作用。由于原子核都帶正電,要使它們接近到這種程度,必須克服巨大的_,這就要求原子核具有足夠的動能,有一種方法就是把它們加熱到很高的溫度,溫度高達_開爾文,因此聚變又叫_。,10-15,庫侖斥力,幾百萬,熱核反應,4.應用:目前,熱核反應主要用在核武器上,那就是_,需要用_爆炸產生的高溫高壓引發(fā)核爆炸。5.太陽能:太陽的主要成分是_,太陽中心溫度可達1.5107K,在此高溫下,氫核聚變成氦核的反應不停地進行著,太陽能就來自于太陽內部_釋放的核能。,氫彈,原子彈,氫,聚變,二、受控熱核反應1.聚變的優(yōu)點:第一:輕核聚變產能效率高。第二:地球上聚變燃料的儲量豐富。第三:輕核聚變更為安全、清潔,控制溫度,可控制反應,而且生成的廢物數量少、易處理。,2.聚變的難點:地球上沒有任何容器能夠經受熱核反應的高溫。3.控制方法:(1)磁約束:利用磁場約束參加反應的物質,目前最好的一種磁約束裝置是_。,環(huán)流器,(2)慣性約束:聚變物質因自身的慣性,在極短時間內來不及擴散就完成了核反應,在慣性約束下,用_從各個方向照射反應物,使它們“擠”在一起發(fā)生反應。,激光,三、粒子和宇宙1.基本粒子不基本:(1)19世紀末,人們都認為_、電子、_和中子是組成物質的不可再分的最基本的粒子。(2)隨著科學的發(fā)展,科學家們發(fā)現(xiàn)了很多的新粒子都不是由質子、中子、電子組成的,又發(fā)現(xiàn)_等本身也有自己的復雜結構。,光子,質子,質子、中子,2.發(fā)現(xiàn)新粒子:(1)新粒子:1932年發(fā)現(xiàn)了_,1937年發(fā)現(xiàn)了_,1947年發(fā)現(xiàn)了_和_及以后的質量比質子的質量大的_。(2)粒子的分類:按照_的不同關系,可將粒子分為三大類:_、_和_。,正電子,子,K介子,介子,超子,粒子與各種相互作用,強子,輕子,媒介子,(3)夸克模型的提出:1964年美國物理學家蓋爾曼提出了強子的夸克模型,認為強子是由更基本的成分組成,這種成分叫作_?？淇四Ｐ椭赋鲭娮与姾刹辉偈请姾傻淖钚挝?即存在_。,夸克,分數電荷,3.宇宙和恒星的演化:(1)宇宙的演化:宇宙大爆炸溫度為1032K,產生了_等粒子溫度下降到1013K左右,_時代溫度下降到1011K時,_時代溫度下降到109K時,_時代溫度下降到104K,混合電離態(tài)溫度下降到3000K時,_。,夸克、輕子、,膠子,強子,輕子,核合成,中性的氫原子,恒星和星系,(2)恒星的演化:宇宙塵埃_恒星誕生氫核聚合成_氦核聚合成碳核其他聚變過程無聚變反應,形成白矮星或_或黑洞。,星云團,氦核,中子星,【預習診斷】1.請判斷下列說法的正誤。(1)核聚變平均每個核子放出的能量,比裂變反應中平均每個核子放出的能量大。()(2)熱核反應除用在核武器上外,還用于核電站發(fā)電。(),(3)熱核反應一旦發(fā)生,就不再需要外界給它能量。()(4)質子、中子不能再分。()(5)夸克的帶電量是電子電荷的整數倍。(),提示:(1)。核聚變平均每個核子放出的能量,比裂變反應中平均每個核子放出的能量大34倍。(2)。熱核反應主要用在核武器上,核電站發(fā)電利用的是重核裂變。(3)。熱核反應一旦發(fā)生,就不再需要外界給它能量,靠自身產生的熱就可以使反應進行下去。,(4)。質子、中子本身也有復雜的結構,是可再分的。(5)。夸克的帶電量不是電子電荷的整數倍。,2.(多選)下列說法中正確的是()A.聚變反應中有質量虧損,所以必向外界放出能量B.使核發(fā)生聚變反應必須使核之間的距離接近到1.510-15m,也就是接近到核力能夠發(fā)生作用的范圍內C.要使核發(fā)生聚變反應,無須克服核力做功D.熱核反應只有在人工控制下才能發(fā)生,【解析】選A、B。由質能方程可知A正確;輕核結合成質量較大核,必須使輕核間的距離達到能產生核力的范圍,才能使它們緊密地結合起來,B正確、C錯誤;熱核反應必須在很高的溫度下才能發(fā)生,不一定要人工控制,D錯誤。,3.太陽放出的大量中微子向地球飛來,但實驗測定的數目只有理論的三分之一,后來科學家發(fā)現(xiàn)中微子在向地球傳播過程中衰變成一個子和一個子。若在衰變過程中子的速度方向與中微子原來的方向一致,則子的運動方向(),A.一定與子同方向B.一定與子反方向C.一定與子在同一直線上D.不一定與子在同一直線上,【解析】選C。中微子衰變成子和子,滿足動量守恒,子的速度方向與中微子原來的方向一致,子必定也在這條直線上。,知識點一核聚變的特點及應用探究導入:如圖為氫彈原理示意圖。,(1)若要發(fā)生核聚變,對原子核間的距離有什么要求?(2)核聚變?yōu)楹斡纸袩岷朔磻?,提示:(1)原子核間的距離達到10-15m以內。(2)核聚變需要在幾百萬開爾文的高溫下才能進行,因此核聚變又叫熱核反應。,【歸納總結】1.聚變發(fā)生的條件:要使輕核聚變,必須使輕核接近核力發(fā)生作用的距離10-15m,這要克服電荷間強大的斥力作用,要求使輕核具有足夠大的動能,有一種辦法就是把它們加熱到幾百萬開爾文的高溫。2.輕核聚變是放能反應:從比結合能的圖線看,輕核聚變后比結合能增加,因此聚變反應是一個放能反應。,3.核聚變的特點:(1)在消耗相同質量的核燃料時,輕核聚變比重核裂變釋放更多的能量。(2)熱核反應一旦發(fā)生,就不再需要外界給它能量,靠自身產生的熱就可以使反應進行下去。(3)普遍性:熱核反應在宇宙中時時刻刻地進行著,太陽就是一個巨大的熱核反應堆。,4.核聚變的應用:(1)核武器氫彈:一種不需要人工控制的輕核聚變反應裝置。它利用彈體內的原子彈爆炸產生的高溫高壓引發(fā)熱核聚變爆炸。(2)可控熱核反應:目前處于探索階段。,5.重核裂變與輕核聚變的區(qū)別:,【典例探究】考查角度1對核聚變的理解【典例1】(多選)下列關于聚變的說法中,正確的是()A.要使聚變產生,必須克服庫侖斥力做功B.輕核聚變需要幾百萬開爾文的高溫,因此聚變又叫作熱核反應,C.原子彈爆炸能產生幾百萬開爾文的高溫,所以氫彈利用原子彈引發(fā)熱核反應D.太陽和許多恒星內部都在激烈地進行著熱核反應,在地球內部也可以自發(fā)地進行,【解析】選A、B、C。輕核聚變時,要使輕核之間距離達到10-15m,所以必須克服庫侖斥力做功,A正確;原子核必須有足夠的動能,才能使它們接近到核力能發(fā)生作用的范圍,實驗證實,原子核必須處在幾百萬開爾文的高溫下才有這樣的能量,這樣高的溫度通過原子彈爆炸獲得,故B、C正確;在太陽和其他恒星內部都存在著熱核反應,但在地球上不會自發(fā)地進行,D錯誤。,考查角度2核聚變釋放核能的計算【典例2】(2017全國卷)大科學工程“人造太陽”主要是將氘核聚變反應釋放的能量用來發(fā)電，氘核聚變反應方程是已知的質量為2.0136u，的質量為3.0150u，的質量為1.0087u，1u=931MeV/c2。氘核聚變反應中釋放的核能約為()A.3.7MeVB.3.3MeVC.2.7MeVD.0.93MeV,【解析】選B。氘核聚變反應的質量虧損m=2m氘-m氦-mn=0.0035u，則該反應釋放的核能為E=m931MeV=3.2585MeV3.3MeV。,【過關訓練】1.科學家發(fā)現(xiàn)在月球上含有豐富的(氦3),它是一種高效、清潔、安全的核聚變燃料,其參與的一種核聚變反應的方程式為關于聚變下列表述正確的是(),A.聚變反應不會釋放能量B.聚變反應產生了新的原子核C.聚變反應沒有質量虧損D.目前核電站都采用聚變反應發(fā)電,【解析】選B。核聚變反應中產生新的原子核,同時由于發(fā)生了質量虧損,會有核能的釋放,B正確,A、C錯誤;核聚變是人類利用核能的途徑之一。目前核電站大多采用重核裂變的方法來釋放與利用核能發(fā)電,D錯誤。,2.(多選)能源是社會發(fā)展的基礎,發(fā)展核能是解決能源問題的途徑之一,下列釋放核能的反應方程,表述正確的有(),【解析】選A、C。兩個輕核聚合成一個較重的核的反應為核聚變反應,故A對B錯。重核被中子轟擊后分裂成兩個中等質量的原子核并放出若干個中子的反應為核裂變反應,故C對。原子核放出或粒子后變成另一種原子核的反應稱為原子核的衰變。原子核的衰變的反應物只有一種,故D錯。,知識點二新粒子的發(fā)現(xiàn)和夸克模型探究導入:圖為歐洲粒子加速器,能使粒子獲得13萬億電子伏特的能量。,(1)高速粒子碰撞能產生一些新的粒子,試說出部分20世紀30年代以來發(fā)現(xiàn)的新粒子。(2)隨著新粒子的發(fā)現(xiàn),質子與中子為什么不再被稱為“基本粒子”?,提示:(1)介子、超子、電子中微子、子、子中微子、子、子中微子等。(2)因為質子與中子也有著復雜的內部結構,它們也是由更基本的粒子組成,質子與中子不再被稱為“基本粒子”。,【歸納總結】1.新粒子的發(fā)現(xiàn)及特點:,2.粒子的分類:,3.夸克模型:(1)夸克的提出:1964年美國物理學家蓋爾曼提出了強子的夸克模型,認為強子是由夸克構成的。(2)夸克的種類:上夸克(u)、下夸克(d)、奇異夸克(s)、粲夸克(c)、底夸克(b)和頂夸克(t)。,(3)夸克所帶電荷:夸克所帶的電荷量是分數電荷量,即其電荷量為元電荷的-或+。例如,上夸克帶的電荷量為+,下夸克帶的電荷量為-。(4)意義:電子電荷不再是電荷的最小單位,即存在分數電荷。,【典例探究】【典例】以下說法正確的是()A.最早發(fā)現(xiàn)的輕子是電子,最早發(fā)現(xiàn)的強子是中子B.質子、中子、介子和超子都屬于強子C.強子、輕子都有內部結構D.子質量比核子質量大,子不屬于輕子,【解析】選B。最早發(fā)現(xiàn)的強子是質子,最早發(fā)現(xiàn)的輕子是電子,故選項A錯誤;強子有內部結構,由夸克組成,輕子沒有內部結構,所以C錯誤;質子、中子、介子、超子都屬于強子,子質量比核子質量大,但仍屬于輕子,B正確、D不正確。,【過關訓練】(多選)(2018合肥高二檢測)下列關于夸克模型的說法正確的是()A.強子是由更基本的夸克組成的B.夸克的電荷量分別為元電荷的+或-C.每種夸克都有對應的反夸克D.夸克能以自由的狀態(tài)單個出現(xiàn),【解析】選A、B、C。夸克不能以自由的狀態(tài)單個出現(xiàn),D錯誤,A、B、C正確。,【補償訓練】1.根據宇宙大爆炸的理論,在宇宙形成之初是“粒子家族”盡顯風采的時期,那么在大爆炸之后最早產生的粒子是()A.夸克、輕子、膠子等粒子B.質子和中子等強子C.光子、中微子和電子等輕子D.氫核、氘核、氦核等輕核,【解析】選A。宇宙形成之初產生了夸克、輕子和膠子等粒子,之后又經歷了質子和中子等強子時代,再之后是自由光子、中微子、電子大量存在的輕子時代,再之后是中子和質子組合成氘核,并形成氦核的核合成時代,之后電子和質子復合成氫原子,最后形成恒星和星系,因此A正確,B、C、D錯誤。,2.目前普遍認為,質子和中子都是由被稱為u夸克和d夸克的兩類夸克組成的。u夸克帶電荷量為e,d夸克的帶電荷量為-e,e為元電荷,下列論斷中可能正確的是()A.質子由1個u夸克和2個d夸克組成,中子由1個u夸克和2個d夸克組成,B.質子由2個u夸克和1個d夸克組成,中子由1個u夸克和2個d夸克組成C.質子由1個u夸克和2個d夸克組成,中子由2個u夸克和1個d夸克組成D.質子由2個u夸克和1個d夸克組成,中子由2個u夸克和1個d夸克組成,【解析】選B。質子帶電荷量為2e+(-e)=e,中子帶電荷量為e+2(-e)=0?？梢夿正確。,【拓展例題】考查內容:聚變過程的核能計算【典例示范】太陽現(xiàn)在正處于主序星演化階段,它主要是由電子和質子、氦核等組成,維持太陽輻射的是它內部的核聚變反應,核反應為兩個電子和四個質子聚變?yōu)楹?已知太陽的質量為21030kg,太陽向周圍空間輻射能量的總功率為3.81023kW。,(1)寫出上述聚變反應的方程;(2)已知質子質量mp=1.6710-27kg,氦核質量m=6.645810-27kg,電子質量me=9.010-31kg,光速c=3108m/s,求每發(fā)生一次上述核反應所釋放的能量;(3)根據題目中數據計算太陽1秒鐘減少的質量。,【解析】(1)根據聚變反應滿