核聚變粒子和宇宙課堂

核聚變粒子和宇宙課堂第1頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期五比結(jié)合能核子的比結(jié)合能隨質(zhì)量數(shù)的變化A核子平均質(zhì)量核子的平均質(zhì)量隨原子序數(shù)的變化第2頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期五一、核聚變第3頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期五1、輕核的聚變（熱核反應(yīng)）

某些輕核能夠結(jié)合在一起，生成一個(gè)較大的原子核，同時(shí)放出大量的核能。這種核反應(yīng)叫做核聚變。一、核聚變第4頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期五2、聚變核能比裂變反應(yīng)中平均每個(gè)核子放出的能量大3～4倍第5頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期五3、發(fā)生聚變的條件:

要使原子核間的距離達(dá)到10-15m4、實(shí)現(xiàn)的方法有:

1）用加速器加速原子核；

2）把原子核加熱到很高的溫度；不經(jīng)濟(jì)如何能使輕核具有較大的動(dòng)能呢？

需要克服極大的庫(kù)侖斥力，因此必須讓輕核具有很大的動(dòng)能。幾百萬(wàn)K高溫聚變反應(yīng)又叫熱核反應(yīng)第6頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期五核聚變的利用——?dú)鋸椀?頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期五核聚變的利用——?dú)鋸棌楏w引爆裝置小型原子彈三種炸藥：普通炸藥Ｕ235氘、氚爆炸裂變聚變氘、氚、重氫化鉀等鈾235外殼普通炸藥第8頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期五世界第一顆氫彈——麥克第9頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期五第10頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期五我國(guó)第一顆氫彈爆炸成功第11頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期五氫彈爆炸形成的磨姑云第12頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期五第13頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期五太陽(yáng)是一個(gè)巨大的熱核反應(yīng)堆。熱核反應(yīng)在宇宙中時(shí)時(shí)刻刻地進(jìn)行著，太陽(yáng)的中心溫度達(dá)1.5×107K，因而在那里進(jìn)行著激烈的熱核反應(yīng)，不斷向外界釋放著巨大的能量。太陽(yáng)每秒釋放的能量約為3.8×1026J，地球只接受了其中的二十億分之一。太陽(yáng)在“核燃燒”的過程中“體重”不斷減輕。它每秒有７億噸原子核參與碰撞，輻射出的能量與400萬(wàn)噸的物質(zhì)相當(dāng)?？茖W(xué)家估計(jì)，太陽(yáng)的這種“核燃燒”還能維持幾十億年。當(dāng)然，與人類歷史相比，這個(gè)時(shí)間很長(zhǎng)很長(zhǎng)！太陽(yáng)的中心發(fā)生核聚變，放出巨大能量，這個(gè)天然的核聚變過程已經(jīng)發(fā)生了好幾十億年第14頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期五（1）輕核聚變產(chǎn)能效率高1.聚變與裂變相比的優(yōu)點(diǎn)：（2）地球上聚變?nèi)剂系膬?chǔ)量豐富（3）輕核聚變更安全、清潔（4）反應(yīng)中放射物質(zhì)的處理較容易相同的核燃料釋放的能量多。常見的聚變反應(yīng)平均每個(gè)核子放出的能量約3.3MeV，而裂變時(shí)平均每個(gè)核子釋放的能量約為1MeV。1L海水中大約有0.03g氘，大約有40多萬(wàn)億噸氘。鋰的儲(chǔ)量有2000億噸，用來(lái)制取氚足以滿足聚變的需要。

實(shí)現(xiàn)核聚變需要高溫，一旦出現(xiàn)故障，高溫不能維持，反應(yīng)就自動(dòng)終止了。

氘和氚聚變反應(yīng)中產(chǎn)生的氦是沒有放射性的，放射性廢物主要是泄漏的氚以及聚變時(shí)高速中子、質(zhì)子與其他物質(zhì)反應(yīng)而生成的放射性物質(zhì)，比裂變所生成的廢物的數(shù)量少，容易處理。

二、受控?zé)岷朔磻?yīng)——核聚變的利用第15頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期五磁約束

帶電粒子運(yùn)動(dòng)時(shí)在均勻磁場(chǎng)中會(huì)洛倫茲力的作用而不飛散，因此有可能利用磁場(chǎng)來(lái)約束參加反應(yīng)的物質(zhì)。2.實(shí)現(xiàn)核聚變的難點(diǎn)：地球上沒有任何容器能夠經(jīng)受如此高的溫度。為了解決這個(gè)難題，科學(xué)家設(shè)想了兩種方案：1.磁約束2.慣性約束第16頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期五用激光引發(fā)核聚變的設(shè)備第17頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期五慣性約束

由于聚變反應(yīng)的時(shí)間非常短，聚變物質(zhì)因自身的慣性還來(lái)不及擴(kuò)散就完成了核反應(yīng)。在慣性約束下，可以用激光從各個(gè)方向照射參加反應(yīng)的物質(zhì)，使它們“擠”在一起發(fā)生反應(yīng)。第18頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期五

“國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）計(jì)劃”是目前全球規(guī)模最大、影響最深遠(yuǎn)的國(guó)際科研合作項(xiàng)目之一，建造約需10年，耗資50億美元（1998年值）。ITER裝置是一個(gè)能產(chǎn)生大規(guī)模核聚變反應(yīng)的超導(dǎo)托克馬克，俗稱“人造太陽(yáng)”。2003年1月，國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)我國(guó)參加ITER計(jì)劃談判，2006年5月，經(jīng)國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)，中國(guó)ITER談判聯(lián)合小組代表我國(guó)政府與歐盟、印度、日本、韓國(guó)、俄羅斯和美國(guó)共同草簽了ITER計(jì)劃協(xié)定。ITER計(jì)劃將歷時(shí)35年，其中建造階段10年、運(yùn)行和開發(fā)利用階段20年、去活化階段5年。第19頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期五ITER計(jì)劃（地點(diǎn)：法國(guó)卡達(dá)拉舍）第20頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期五第21頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期五第22頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期五例1、已知氘核質(zhì)量為2.0136u，中子質(zhì)量為1.0087u

核的質(zhì)量為3.0150u。求：（1）寫出兩個(gè)氘核聚變成的核反應(yīng)方程式（2）計(jì)算上述核反應(yīng)中釋放的核能。23He23He【分析】算出核反應(yīng)中的質(zhì)量虧損，利用愛因斯坦質(zhì)能方程即可求出反應(yīng)釋放的核能。解答：（1）（2）由題給條件可求得質(zhì)量虧損為：Δm=2.0136×2－(3.0150+1.0087)=0.0035u∴釋放的核能為ΔE=Δmc2=931.5×0.0035=3.26MeV第23頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期五

靜止在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的原子核，俘獲一個(gè)速度為7.7×104m/s的中子而發(fā)生核反應(yīng)放出α粒子后變成一個(gè)新原子核，已知中子速度方向與磁場(chǎng)方向垂直，測(cè)得α粒子速度為：2×104m/s，方向與中子速度方向相同，求：（1）生成的新核是什么？寫出核反應(yīng)方程式。（2）生成的新核的速度大小和方向。（3）若α粒子與新核間相互作用不計(jì)，則二者在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)軌道半徑之比及周期之比各為多少？6Li3解：（1）寫出核反應(yīng)方程式生成的新核是氚核例2、第24頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期五（2）由動(dòng)量守恒定律mnvn=mαvα+mHvHvn=7.7×104m/svα=2×104m/s∴VH=(mnvn-mαvα)/mH=(1×7.7×104-4×2×104)／3=-1.0×103m/s方向與中子方向相反（3）由r=mv/qB∝mv/qrα:rH=mαvα/qα

：

mHvH/qH

=（4×2／

2

）:（3×0.1）=40:3T=2πm/qB∝m/qTα:TH=4/2:3/1=2:3第25頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期五8粒子和宇宙第26頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期五道爾頓（原子）湯姆遜（電子）盧瑟福（質(zhì)子）查德威克（中子）蓋爾曼（夸克）第27頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期五一、“基本粒子”不基本發(fā)現(xiàn)了電子、質(zhì)子和中子后，許多人認(rèn)為光子和它們是組成物質(zhì)的“基本粒子”。逐漸發(fā)現(xiàn)了數(shù)以百計(jì)的不由質(zhì)子、中子、電子組成的新粒子；又發(fā)現(xiàn)質(zhì)子、中子等本身也有自己的復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。從20世紀(jì)后半期起，就將“基本”二字去掉，統(tǒng)稱為粒子。19世紀(jì)末都認(rèn)為原子是組成物質(zhì)的最小微粒。第28頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期五二、發(fā)現(xiàn)新粒子20世紀(jì)30年代以來(lái)，人們?cè)趯?duì)宇宙射線的研究中陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了一些新的粒子。1932年發(fā)現(xiàn)了正電子1937年發(fā)現(xiàn)了子1947年發(fā)現(xiàn)了K介子和介子后來(lái)還發(fā)現(xiàn)了一些粒子，質(zhì)量比質(zhì)子的質(zhì)量大，叫做超子。第29頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期五粒子加速器使帶電粒子加速到很高的能量，有助于發(fā)現(xiàn)更多的新粒子。第30頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期五反粒子質(zhì)量、壽命、自旋等物理性質(zhì)相同而電荷等其他性質(zhì)相反的粒子。電子正電子質(zhì)子反質(zhì)子第31頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期五粒子的分類按照粒子與各種相互作用的不同關(guān)系，將粒子分為三類。強(qiáng)子：參與強(qiáng)相互作用的粒子。例如：質(zhì)子。強(qiáng)子又分為介子和重子兩類。輕子：不參與強(qiáng)相互作用的粒子。例如：電子和電子中微子、μ子和μ子中微子、τ子和τ子中微子。每種輕子都有對(duì)應(yīng)的反粒子。τ子質(zhì)量比核子大?，F(xiàn)代實(shí)驗(yàn)還沒有發(fā)現(xiàn)輕子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。媒介子：傳遞各種相互作用的粒子。如：光子、中間玻色子、膠子。分別傳遞電磁相互作用、弱相互作用、強(qiáng)相互作用。現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的粒子達(dá)到400多種。第32頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期五三、夸克模型1964年蓋爾曼提出夸克的設(shè)想，認(rèn)為強(qiáng)子由更基本的成分組成，這種成分叫做夸克。。第33頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期五6種夸克：上夸克、下夸克、奇異夸克、粲夸克、底夸克、頂夸克。夸克所帶電荷分別為元電荷的或。每種夸克都有對(duì)應(yīng)的反夸克。1995美國(guó)費(fèi)米國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室證實(shí)了頂夸克的存在。到目前為止，人們已經(jīng)從實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了所有6種夸克及其反夸克存在的證據(jù)。夸克模型指出電子電荷不再是電荷的最小單位，即存在分?jǐn)?shù)電荷?？茖W(xué)家直到今天都還未捕捉到自由的夸克?？淇瞬荒芤宰杂傻臓顟B(tài)單個(gè)出現(xiàn)，這種性質(zhì)稱為夸克的“禁閉”。能否解放被禁閉的夸克，是21世紀(jì)物理學(xué)面臨的重大課題之一。第34頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期五四、宇宙的演化物理學(xué)中有一個(gè)非常有趣的現(xiàn)象：研究微觀世界的粒子物理、量子理論，與研究宇宙的理論竟然相互溝通、相互支撐。正如諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者格拉肖所說(shuō)：“隱藏在原子內(nèi)心的，是宇宙結(jié)構(gòu)的秘密?！钡?5頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期五

早在1929年，埃德溫·哈勃作出了一個(gè)具有里程碑意義的發(fā)現(xiàn)，即不管你往哪個(gè)方向看，遠(yuǎn)處的星系正急速地遠(yuǎn)離我們而去。換言之，宇宙正在不斷膨脹。這意味著，在早先星體相互之間更加靠近。事實(shí)上，似乎在大約100億至200億年之前的某一時(shí)刻，它們剛好在同一地方，所以哈勃的發(fā)現(xiàn)暗示存在一個(gè)叫做大爆炸的時(shí)刻，當(dāng)時(shí)宇宙無(wú)限緊密。大爆炸宇宙論第36頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期五大爆炸理論(TheBigBangTheory)宇宙從一個(gè)“奇點(diǎn)”爆炸產(chǎn)生1948年，伽莫夫與他的兩個(gè)學(xué)生——拉爾夫·阿爾菲和羅伯特·赫爾曼一道，提出了熱大爆炸宇宙學(xué)模型。第37頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期五大爆炸之后約10-44s，溫度為1032K，產(chǎn)生了夸克、輕子、膠子等粒子。大爆炸后約10-6s，溫度下降到1013K，夸克構(gòu)成了質(zhì)子和中子等強(qiáng)子，成為強(qiáng)子時(shí)代。再晚一些時(shí)候，溫度下降到1011K，只剩下少量夸克，而自由的光子、中微子和電子等輕子大量存在，成為輕子時(shí)代。溫度下降到109K，中子和質(zhì)子結(jié)合成氘核，并很快生成氦核，同時(shí)有氚核、氦3等其他輕核生成，成為核合成的時(shí)代。大爆炸1萬(wàn)年之后，溫度降到104K，宇宙由電子、質(zhì)子和氦核的混合電離氣體組成。溫度降到3000K，電子和質(zhì)子復(fù)合成為中性的氫原子。繼續(xù)冷卻，質(zhì)子、電子、原子等與光子分離而逐步組成恒星和星系。第38頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期五大爆炸理論的主要觀點(diǎn)是認(rèn)為我們的宇宙曾有一段從熱到冷的演化史。早期只有中子、質(zhì)子、中微子等一些基本粒子形態(tài)的物質(zhì)。當(dāng)溫度降到幾千度時(shí)，輻射減退，宇宙間主要是氣態(tài)物質(zhì)。

溫度下降到,核合成的時(shí)代。繼續(xù)冷卻,逐漸形成恒星和星系。

第39頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期五五、恒星的演化大爆炸10萬(wàn)年后，溫度下降到3000K，出現(xiàn)由中性原子構(gòu)成的宇宙塵埃。由于萬(wàn)有引力的作用，塵埃形成了氣體狀態(tài)的星云團(tuán)。星云團(tuán)的進(jìn)一步凝聚使得引力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，溫度升高，到一定程度就開始發(fā)光，于是恒星誕生了。第40頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期五恒星繼續(xù)收縮、升溫。當(dāng)溫度超過107K時(shí)，氫通過熱核反應(yīng)成為氦，核能以電磁波的形式向外輻射。輻射產(chǎn)生的向外的壓力與引力產(chǎn)生的收縮壓力平衡,星體穩(wěn)定下來(lái)。太陽(yáng)目前正處于這一階段的中期，要再過50億年才會(huì)轉(zhuǎn)到另一個(gè)演化階段。第41頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期五當(dāng)恒星核心部分的氫大部分聚變?yōu)楹ひ院?，核反?yīng)變?nèi)?，輻射壓力下降，星核在引力作用下再次收縮。引力勢(shì)能產(chǎn)生的熱將使溫度繼續(xù)升高，發(fā)生氦核聚合成碳核的聚變反應(yīng)，類似過程一波接一波繼續(xù)下去，出現(xiàn)了氧、硅，直到鐵等更重的元素。恒星多次膨脹與收縮，光度也反復(fù)變化。各種熱核反應(yīng)不再發(fā)生時(shí)，輻射壓力消失。星體在引力作用下進(jìn)一步收縮，中心密度極大。第42頁(yè)，共46頁(yè)，2023年，2月20日，星期五