2024-2025學年高中物理第三章原子核67核聚變粒子物理學簡介選學教案教科版選修3-5

PAGE12-6核聚變7粒子物理學簡介(選學)一、核聚變1．定義兩個輕核結合成質(zhì)量較大的核，并釋放出能量的反應．2．舉例eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)n＋17.6MeV3．條件要使輕核發(fā)生聚變，必需使它們的距離達到10－15m以內(nèi)，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，必需克服巨大的庫侖斥力，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，溫度高達幾百萬開爾文，因此聚變又叫4．應用目前，熱核反應主要用在核武器上，那就是氫彈，須要用原子彈爆炸產(chǎn)生的高溫高壓引發(fā)核爆炸．5．太陽能太陽的主要成分是氫，太陽中心溫度可達1.5×107K，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(nèi)部聚變釋放的核能．氫彈的威力相比原子彈的威力誰大？為什么？提示：氫彈的威力大．氫彈內(nèi)部發(fā)生的是核聚變，比核裂變放出的能量更多．二、受控熱核反應1．聚變的優(yōu)點第一：輕核聚變產(chǎn)能效率高．其次：地球上聚變?nèi)剂系膬α控S富．第三：輕核聚變更為平安、清潔，限制溫度可限制反應，而且生成的廢物數(shù)量少、易處理．2．聚變的難點地球上沒有任何容器能夠經(jīng)受熱核反應的高溫．3．限制方法(1)磁約束：利用磁場約束參與反應的物質(zhì)，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(zhì)因自身的慣性，在極短時間內(nèi)來不及擴散就完成了核反應，在慣性約束下，用激光從各個方向照耀反應物，使它們“擠”在一起發(fā)生反應．三、基本粒子的分類1．“基本粒子”不基本“基本粒子”：直到19世紀末，人們認為光子、電子、質(zhì)子、中子是“基本粒子”，隨著科學的發(fā)展，一方面漸漸發(fā)覺了數(shù)以百計的新粒子，它們都不是由中子、質(zhì)子、電子組成的；另一方面科學家又發(fā)覺質(zhì)子、中子等本身也有自己的困難的結構．因此，20世紀后半期，就將“基本”去掉，統(tǒng)稱粒子．2．粒子的分類依據(jù)粒子與各種相互作用的關系，可將粒子分為三大類：媒介子、輕子和強子．3．夸克模型(1)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，認為強子是由夸克構成的．(2)分類：上夸克、下夸克、奇異夸克、粲夸克、底夸克、頂夸克；它們帶的電荷量分別為元電荷的＋eq\f(2,3)或－eq\f(1,3)，每種夸克都有對應的反夸克．(3)意義：元電荷不再是電荷的最小單位，即存在分數(shù)電荷．(4)夸克的“禁閉”夸克不能以自由的狀態(tài)單個出現(xiàn)，這種性質(zhì)稱為夸克的“禁閉”．四、粒子加速器1．直線加速器(1)粒子運動軌跡是一條直線．(2)滿意的條件：要保持粒子與高頻電場之間的諧振關系．(3)優(yōu)點：粒子束的強度高．2．回旋加速器(1)粒子運動軌跡：在磁場中做勻速圓周運動．(2)滿意條件：高頻電源的頻率等于粒子回旋的頻率．(3)優(yōu)點：粒子被加速到的能量可達40_MeV.3．對撞機能夠實現(xiàn)兩束相對運動的粒子對撞的設備叫做對撞機．工作原理：粒子先在同步加速器中加速，然后射入對撞機，反向回旋在軌道交叉處相互碰撞，獲得較大能量．考點一輕核的聚變及核能的計算1．能量改變：比較比結合能的圖線，聚變后比結合能增加，因此反應中會釋放能量．2．聚變發(fā)生的條件要使輕核聚變，就必需使輕核接近核力發(fā)生作用的距離10－15m，但是原子核是帶正電的，要使它們接近10－153．重核裂變和輕核聚變的對比反應方式比較項目重核裂變輕核聚變放能原理重核分裂成兩個或多個中等質(zhì)量的原子核放出核能兩個輕核結合成質(zhì)量較大的原子核放出核能放能多少聚變反應比裂變反應平均每個核子放出的能量大約要大3～4倍核廢料處理難度聚變反應的核廢料處理要比裂變反應簡潔得多原料的隱藏量核裂變?nèi)剂镶櫾诘厍蛏蟽α坑邢?，尤其用于核裂變的?35在鈾礦石中只占0.7%主要原料是氘，氘在地球上的儲量特別豐富.1L海水中大約有0.03g氘，假如用來進行熱核反應放出的能量和燃燒300L汽油相當可控性速度比較簡潔進行人工限制，現(xiàn)在的核電站還都是用裂變反應釋放核能目前，除氫彈以外，人們還不能限制它【例1】一個質(zhì)子和兩個中子聚變?yōu)橐粋€氚核，已知質(zhì)子質(zhì)量mH＝1.0073u，中子質(zhì)量mn＝1.0087u，氚核質(zhì)量m＝3.0180u.(1)寫出核聚變方程；(2)釋放出的核能多大？(3)平均每個核子釋放的能量是多大？1．書寫核反應方程應留意哪些問題？2．如何求核聚變過程中釋放的核能？【解析】(1)eq\o\al(1,1)H＋2eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(3,1)H.(2)質(zhì)量虧損Δm＝mH＋2mn－m＝(1.0073＋2×1.0087－3.0180)u＝0.0067u，釋放的核能ΔE＝Δmc2＝0.0067×931.5MeV≈6.24MeV.(3)平均每個核子放出的能量為eq\f(6.24,3)MeV＝2.08MeV.【答案】(1)eq\o\al(1,1)H＋2eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(3,1)H(2)6.24MeV(3)2.08MeV總結提能質(zhì)量數(shù)守恒、電荷數(shù)守恒是書寫核反應方程必需遵守的規(guī)律．只有正確地計算出質(zhì)量虧損，才能計算出釋放的核能．我國自主研發(fā)制造的國際熱核聚變核心部件在國際上領先通過權威機構認證，這是我國對國際熱核聚變項目的重大貢獻．下列核反應方程中屬于聚變反應的是(A)A.eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)nB.eq\o\al(14,7)N＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(17,8)O＋eq\o\al(1,1)HC.eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(27,13)Al→eq\o\al(30,15)P＋eq\o\al(1,0)nD.eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(144,56)Ba＋eq\o\al(89,36)Kr＋3eq\o\al(1,0)n解析：A項是氫元素的兩種同位素氘和氚聚變成氦元素的核反應方程，B項是用α粒子轟擊氮原子核發(fā)覺質(zhì)子的核反應方程，C項屬于原子核的人工轉變，D項屬于重核的裂變，因此只有A項符合要求．考點二粒子世界1．粒子世界(1)電子、質(zhì)子和中子直到19世紀末，人們都認為原子是組成物質(zhì)的不行再分的最小微粒．后來發(fā)覺了電子、質(zhì)子和中子．隨著科學家們的探討逐步發(fā)覺了數(shù)以百計的不同種類的新粒子，它們都不是由質(zhì)子、中子、電子組成的；又發(fā)覺質(zhì)子、中子等本身是復合粒子，它們還有著自己的困難結構，所以電子、質(zhì)子、中子并不是組成物質(zhì)世界的基本粒子．(2)新粒子從20世紀30年頭以來，人們在對宇宙線的探討中接連發(fā)覺了一些新粒子，宇宙線中粒子的能量很高，但數(shù)量很少．人們用高能加速器進行試驗，發(fā)覺了更多的粒子．如1932年發(fā)覺了正電子，1937年發(fā)覺了μ子，1947年發(fā)覺了K介子和π介子，此后不久又發(fā)覺了超子．2．粒子的分類依據(jù)粒子與各種相互作用的關系，分類如下表所示：比較項分類參與的相互作用發(fā)覺的粒子備注強子強相互作用質(zhì)子、中子、超子質(zhì)子是最早發(fā)覺的強子；強子又分為介子和重子兩類；強子有內(nèi)部結構輕子不參與強相互作用電子、電子中微子、μ子、μ子中微子、τ子、τ子中微子現(xiàn)代試驗還沒有發(fā)覺輕子的內(nèi)部結構媒介子傳遞各種相互作用光子、中間玻色子、膠子光子傳遞電磁相互作用；中間玻色子傳遞弱相互作用；膠子傳遞強相互作用3.反粒子試驗發(fā)覺，很多粒子都有和它質(zhì)量相同而電荷及其他一些物理量相反的粒子，叫反粒子．例如，電子和正電子，質(zhì)子和反質(zhì)子等．由反粒子構成的物質(zhì)叫反物質(zhì)．反粒子(反物質(zhì))最顯著的特點是當它們與相應的正粒子(物質(zhì))相遇時，會發(fā)生“湮滅”，即同時消逝而轉化成其他的粒子．4．夸克模型(1)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：夸克所帶的電荷量為元電荷的－eq\f(1,3)或＋eq\f(2,3).例如，上夸克帶的電荷量為＋eq\f(2e,3)，下夸克帶的電荷量為－eq\f(e,3).【例2】在β衰變中常伴有一種稱為“中微子”的粒子放出．中微子的性質(zhì)特別特殊，因此在試驗中很難探測.1953年，萊尼斯和柯文建立了一個由大水槽和探測器組成的試驗系統(tǒng)，利用中微子與水中eq\o\al(1,1)H的核反應，間接地證明了中微子的存在．(1)中微子與水中的eq\o\al(1,1)H發(fā)生核反應，產(chǎn)生中子(eq\o\al(1,0)n)和正電子(eq\o\al(0,1)e)，即：中微子＋eq\o\al(1,1)H→eq\o\al(1,0)n＋eq\o\al(0,1)e.可以判定，中微子的質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)分別是________．(填寫選項前的字母)A．0和0 B．0和1C．1和0 D．1和1(2)上述核反應產(chǎn)生的正電子與水中的電子相遇，與電子形成幾乎靜止的整體后，可以轉變?yōu)閮蓚€光子(γ)，即eq\o\al(0,1)e＋eq\o\al(0,－1)e→2γ，已知正電子和電子的質(zhì)量都為9.1×10－31kg，反應中產(chǎn)生的每個光子的能量約為________J．正電子與電子相遇不行能只轉變?yōu)橐粋€光子，緣由是________．(3)試通過分析比較，具有相同動能的中子和電子的物質(zhì)波波長的大小．①依據(jù)核反應中質(zhì)量數(shù)與電荷數(shù)守恒，推斷出質(zhì)量數(shù)與電荷數(shù)．②利用質(zhì)能方程可得出每個光子的能量，正電子與電子相遇遵循動量守恒定律，不行能只轉化為一個光子．【解析】(1)發(fā)生核反應前后，粒子的質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)均不變，據(jù)此可知中微子的質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)都是0，A項正確．(2)產(chǎn)生的能量是由于質(zhì)量虧損．兩個電子轉變?yōu)閮蓚€光子之后，質(zhì)量變?yōu)榱悖瑒tE＝Δmc2，故一個光子的能量為eq\f(E,2)，代入數(shù)據(jù)得eq\f(E,2)＝8.2×10－14J．正電子與水中的電子相遇，與電子形成幾乎靜止的整體，故系統(tǒng)總動量為零，故假如只產(chǎn)生一個光子是不行能的，因為此過程遵循動量守恒定律．(3)物質(zhì)波的波長為λ＝eq\f(h,p)，要比較波長須要將中子和電子的動量用動能表示出來即p＝eq\r(2mEk)，因為mn>me，所以pn>pe，故λe>λn.【答案】(1)A(2)8.2×10－14此過程遵循動量守恒定律(3)λe>λn總結提能核反應過程中新生成的粒子和實物粒子一樣，也能產(chǎn)生物質(zhì)波，它們之間發(fā)生相互作用時，同樣遵循動量守恒定律等力學規(guī)律．此題考查的學問點較多，所以應嫻熟地駕馭物理學問，并敏捷運用．(多選)已知π＋介子、π－介子都是由一個夸克(夸克u或夸克d)和一個反夸克(反夸克eq\x\to(u)或反夸克eq\x\to(d))組成的，它們的帶電量如下表所示，e為元電荷.π＋π－udeq\x\to(u)eq\x\to(d)帶電量＋e－e＋eq\f(2,3)e－eq\f(1,3)e－eq\f(2,3)e＋eq\f(1,3)e下列說法中正確的是(AD)A．π＋由u和eq\x\to(d)組成 B．π＋由d和eq\x\to(u)組成C．π－由u和eq\x\to(d)組成 D．π－由d和eq\x\to(u)組成解析：依據(jù)電荷量關系可知，由于π＋介子帶有＋e的電量，又由于π＋介子是由一個夸克和一個反夸克組成，依據(jù)題意可知π＋介子(＋e)應由夸克ueq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(＋\f(2,3)e))和反夸克eq\x\to(d)eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(＋\f(1,3)e))構成，同理π－介子由夸克d和反夸克eq\x\to(u)構成．考點三粒子加速器原理1．直線加速器(1)粒子的運動軌跡是一條直線．(2)所加的加速電場是強度和方向都隨時間改變的交變電場．(3)粒子只在相鄰兩漂移管之間被加速，在飄移管內(nèi)勻速．2．回旋加速器(如圖)(1)粒子在D形盒中受磁場力的作用而做勻速圓周運動．粒子在兩D形盒縫隙處被交變電場加速．(2)交變電壓的周期與帶電粒子做圓周運動的周期相同．(3)當帶電粒子在磁場中的軌道半徑等于D形盒半徑R時，速度達到最大值．由R＝eq\f(mvm,qB)和Ekm＝eq\f(1,2)mveq\o\al(2,m)可知，Ekm＝eq\f(q2B2R2,2m)，與加速電壓無關．【例3】中國科學院2024年10月宣布中國將在2024年起先建立世界上最大的粒子加速器．加速器是人類揭示物質(zhì)本源的關鍵設備，在放射治療、食品平安、材料科學等方面有廣泛應用．如圖所示，某直線加速器由沿軸線分布的一系列金屬圓管(漂移管)組成，相鄰漂移管分別接在高頻脈沖電源的兩極，質(zhì)子從K點沿軸線進入加速器并依次向右穿過各漂移管，在漂移管內(nèi)做勻速直線運動，在漂移管間被電場加速，加速電壓視為不變．設質(zhì)子進入漂移管B時速度為8×106m/s，進入漂移管E時速度為1×107m/s，電源頻率為1×107Hz，漂移管間縫隙很小，質(zhì)子在每個管內(nèi)運動時間視為電源周期的eq\f(1,2).質(zhì)子的荷質(zhì)比取1×10(1)漂移管B的長度；(2)相鄰漂移管間的加速電壓．【解析】(1)設質(zhì)子進入漂移管B的速度為vB，電源頻率、周期分別為f、T，漂移管B的長度為L，則T＝eq\f(1,f)①L＝vB·eq\f(T,2)②聯(lián)立①②式并代入數(shù)據(jù)得L＝0.4m③(2)設質(zhì)子進入漂移管E的速度為vE，相鄰漂移管間的加速電壓為U，電場對質(zhì)子所做的功為W.質(zhì)子從漂移管B運動到E電場做功W′，質(zhì)子的電荷量為q、質(zhì)量為m，則W＝qU④W′＝3W⑤W′＝eq\f(1,2)mveq\o\al(2,E)－eq\f(1,2)mveq\o\al(2,B)⑥聯(lián)立④⑤⑥式并代入數(shù)據(jù)得U＝6×104V.【答案】(1)0.4m(2)6×104V1989年初，我國投入運行的高能粒子回旋加速器可以把電子的能量加速到2.8GeV；若改用直線加速器加速．設每級的加速電壓為U＝2.0×105V，則須要幾級加速？答案：1.4×104級解析：設經(jīng)n級加速，由neU＝Ek，有n＝eq\f(Ek,eU)＝1.4×104(級)．1．(多選)下列關于聚變的說法中，正確的是(ABC)A．要使聚變產(chǎn)生，必需克服庫侖斥力做功B．輕核聚變須要幾百萬開爾文的高溫，因此聚變又叫做熱核反應C．原子彈爆炸能產(chǎn)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．太陽和很多恒星內(nèi)部都在激烈地進行著熱核反應，在地球內(nèi)部也可以自發(fā)地進行解析：輕核聚變時，要使輕核之間距離達到10－15m2．關于粒子，下列說法正確的是(D)A．電子、質(zhì)子和中子是組成物質(zhì)的不行再分的最基本的粒子B．強子都是帶電粒子C．夸克模型是探究三大類粒子結構的理論D．夸克模型說明電子電荷不再是電荷的最小單位解析：由于質(zhì)子、中子是由不同夸克組成的，它們不是最基本的粒子，不同夸克構成強子，有的強子帶電，有的強子不帶電，故選項A、B錯誤；夸克模型是探討強子結構的理論，不同夸克帶電不同，分別為＋eq\f(2,3)e和－eq\f(e,3)，說明電子電荷不再是電荷的最小單位，故選項C錯誤，D正確．3．(多選)在某次核反應中，1個氘核和1個氚核結合生成1個氦核，則下列說法正確的是(AB)A．這是一個聚變反應B．核反應方程式為eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)nC．目前核電站都采納上述核反應發(fā)電D．該核反應沒有質(zhì)量虧損解析：1個氘核和1個氚核結合生成1個氦核，反應方程為eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)n，這是聚變反應．故選項A、B正確；目前核電站都采納核裂變發(fā)電．故選項C錯誤；