2024-2025學(xué)年高中物理第十九章原子核第7節(jié)第8節(jié)核聚變粒子和宇宙學(xué)案新人教版選修3-5

PAGE8-第7節(jié)核聚變第8節(jié)粒子和宇宙1．了解核聚變的特點(diǎn)和條件，了解核聚變的優(yōu)點(diǎn)。2．會(huì)推斷和書(shū)寫(xiě)核聚變反應(yīng)方程。3．能計(jì)算核聚變釋放的能量。4．知道粒子的分類(lèi)及其特點(diǎn)，了解夸克模型。5．了解宇宙起源的大爆炸學(xué)說(shuō)及恒星的演化。一、核聚變1．定義：兩個(gè)輕核結(jié)合成質(zhì)量eq\o(□,\s\up3(01))較大的核的反應(yīng)。輕核聚變反應(yīng)必需在eq\o(□,\s\up3(02))高溫下進(jìn)行，因此又叫熱核反應(yīng)。2．核反應(yīng)舉例：eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o(□,\s\up3(03))eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)n＋17.6MeV。3．實(shí)例分析(1)核武器：eq\o(□,\s\up3(04))氫彈，由一般炸藥引爆eq\o(□,\s\up3(05))原子彈，再由eq\o(□,\s\up3(06))原子彈爆炸產(chǎn)生的高溫高壓引發(fā)熱核爆炸。(2)宇宙天體：熱核反應(yīng)在宇宙中時(shí)時(shí)刻刻地進(jìn)行著，太陽(yáng)就是一個(gè)巨大的熱核反應(yīng)堆。二、受控?zé)岷朔磻?yīng)1．聚變與裂變相比有很多優(yōu)點(diǎn)(1)輕核聚變產(chǎn)能eq\o(□,\s\up3(01))效率高；(2)地球上聚變?nèi)剂系膬?chǔ)量eq\o(□,\s\up3(02))豐富；(3)輕核聚變更為eq\o(□,\s\up3(03))平安、清潔。2．約束核聚變材料的方法：eq\o(□,\s\up3(04))磁約束和eq\o(□,\s\up3(05))慣性約束。三、粒子的概念1．“基本粒子”不基本(1)傳統(tǒng)的“基本粒子”：光子、eq\o(□,\s\up3(01))電子、質(zhì)子和eq\o(□,\s\up3(02))中子。(2)“基本粒子”不基本的緣由①科學(xué)家們漸漸發(fā)覺(jué)了數(shù)以百計(jì)的eq\o(□,\s\up3(03))不同種類(lèi)的新粒子。②科學(xué)家們又發(fā)覺(jué)質(zhì)子、中子等本身也有自己的eq\o(□,\s\up3(04))困難結(jié)構(gòu)。2．發(fā)覺(jué)新粒子(1)新粒子：1932年發(fā)覺(jué)了eq\o(□,\s\up3(05))正電子，1937年發(fā)覺(jué)eq\o(□,\s\up3(06))μ子，1947年發(fā)覺(jué)K介子和π介子，后來(lái)又發(fā)覺(jué)超子、反粒子等。(2)分類(lèi)：依據(jù)粒子與各種相互作用的關(guān)系分為：強(qiáng)子、輕子和eq\o(□,\s\up3(07))媒介子。3．夸克模型(1)夸克模型的提出：1964年美國(guó)物理學(xué)家提出了強(qiáng)子的夸克模型，認(rèn)為強(qiáng)子是由eq\o(□,\s\up3(08))夸克構(gòu)成的。(2)分類(lèi)：上夸克、下夸克、奇異夸克、粲夸克、底夸克、頂夸克；它們的電荷量分別為元電荷的eq\o(□,\s\up3(09))＋eq\f(2,3)或eq\o(□,\s\up3(10))－eq\f(1,3)，每種夸克都有對(duì)應(yīng)的eq\o(□,\s\up3(11))反夸克。(3)意義：電子電荷不再是電荷的eq\o(□,\s\up3(12))最小單元，即存在分?jǐn)?shù)電荷。四、宇宙及恒星的演化1．宇宙演化：依據(jù)大爆炸理論，在宇宙形成之初是“粒子家族”盡顯風(fēng)采的時(shí)期，在大爆炸之后漸漸形成了夸克、輕子和eq\o(□,\s\up3(01))膠子等粒子，隨后經(jīng)過(guò)eq\o(□,\s\up3(02))強(qiáng)子時(shí)代、eq\o(□,\s\up3(03))輕子時(shí)代、eq\o(□,\s\up3(04))核合成時(shí)代。接著冷卻，質(zhì)子、電子、原子等與eq\o(□,\s\up3(05))光子分別而逐步組成恒星和星系。2．恒星的演化(1)恒星的形成：大爆炸后，宇宙塵埃在萬(wàn)有引力作用下形成eq\o(□,\s\up3(06))星云團(tuán)，進(jìn)一步凝合使引力勢(shì)能轉(zhuǎn)變?yōu)閑q\o(□,\s\up3(07))內(nèi)能，溫度上升，直到發(fā)光，于是eq\o(□,\s\up3(08))恒星誕生了。(2)恒星的演化：核聚變反應(yīng)，層級(jí)遞進(jìn)地在恒星內(nèi)發(fā)生，直到eq\o(□,\s\up3(09))各種熱核反應(yīng)不再發(fā)生時(shí)，恒星的eq\o(□,\s\up3(10))中心密度達(dá)到極大。(3)恒星的歸宿：恒星最終歸宿與恒星的質(zhì)量大小有關(guān)。當(dāng)恒星的質(zhì)量是太陽(yáng)質(zhì)量的1～8倍時(shí)，演化為eq\o(□,\s\up3(11))白矮星；當(dāng)恒星的質(zhì)量是太陽(yáng)質(zhì)量的10～20倍時(shí)，演化為eq\o(□,\s\up3(12))中子星；當(dāng)恒星的質(zhì)量更大時(shí)，演化為eq\o(□,\s\up3(13))黑洞。判一判(1)發(fā)生聚變的條件是核子間距離達(dá)到10－15m(2)聚變的難點(diǎn)是地球上沒(méi)有任何容器能夠經(jīng)受熱核反應(yīng)的高溫。()(3)輕子的質(zhì)量肯定輕。()(4)反質(zhì)子的電荷量與質(zhì)子相同，但帶的是負(fù)電荷。()提示：(1)√(2)√(3)×(4)√想一想(1)受控?zé)岷朔磻?yīng)不簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)的緣由是什么？提示：主要緣由是聚變的條件和難以約束聚變的材料。(2)氫彈爆炸的威力相比原子彈爆炸的威力哪一個(gè)大？為什么？提示：氫彈的威力大。氫彈爆炸是核聚變的結(jié)果，而核聚變釋放的核能比原子彈中核裂變釋放的核能要大得多，故氫彈的威力大。課堂任務(wù)核聚變1．從比結(jié)合能的圖線(xiàn)看，輕核聚變后比結(jié)合能增加，因此核聚變反應(yīng)是一個(gè)放能反應(yīng)。2．核聚變發(fā)生的條件：要使輕核聚變，必需使輕核接近核力發(fā)生作用的距離10－15m3．核聚變的特點(diǎn)(1)在消耗相同質(zhì)量的核燃料時(shí)，輕核聚變比重核裂變釋放更多的能量。(2)熱核反應(yīng)一旦發(fā)生，就不再須要外界給它能量，靠自身產(chǎn)生的熱就可以使反應(yīng)進(jìn)行下去。4．核聚變的應(yīng)用(1)核武器——?dú)鋸棥?2)可控?zé)岷朔磻?yīng)：尚未實(shí)現(xiàn)。期盼酷愛(ài)物理的你投身可控?zé)岷朔磻?yīng)，探究探討的科學(xué)事業(yè)。5．輕核聚變與重核裂變的區(qū)分例1(多選)下列關(guān)于聚變的說(shuō)法中，正確的是()A．要使聚變發(fā)生，必需克服庫(kù)侖斥力做功B．輕核聚變須要幾百萬(wàn)攝氏度的高溫，因此聚變又叫做熱核反應(yīng)C．原子彈爆炸能產(chǎn)生幾百萬(wàn)攝氏度的高溫，所以氫彈利用原子彈引發(fā)熱核反應(yīng)D．太陽(yáng)和很多恒星內(nèi)部都在激烈地進(jìn)行著熱核反應(yīng)(1)發(fā)生聚變的條件是什么？提示：聚變條件是核子間距離達(dá)到10－15m(2)如何使原子核靠得足夠近？提示：使原子核具有足夠大的動(dòng)能，使它們能夠克服庫(kù)侖斥力做功靠得很近。[規(guī)范解答]輕核聚變時(shí)，要使輕核之間距離達(dá)到10－15m[完備答案]ABCDeq\a\vs4\al(1.聚變反應(yīng)核能的計(jì)算方法,1依據(jù)核反應(yīng)過(guò)程質(zhì)量數(shù)守恒、電荷數(shù)守恒寫(xiě)出正確核反應(yīng)方程式。,2計(jì)算出反應(yīng)前后的質(zhì)量虧損Δm。,3由ΔE＝Δmc2計(jì)算釋放的核能。,2.幾種核反應(yīng)方程式的特點(diǎn),1衰變是元素自發(fā)進(jìn)行的，因而方程式左側(cè)只有一種元素。,2裂變是質(zhì)量較大原子核被其他粒子轟擊后分裂為質(zhì)量中等原子核的過(guò)程。,3聚變是質(zhì)量較輕原子核結(jié)合成質(zhì)量較大原子核的過(guò)程。)eq\a\vs4\al([變式訓(xùn)練1－1])(多選)下列說(shuō)法正確的是()A.eq\o\al(15,)7N＋eq\o\al(1,1)H→eq\o\al(12,)6C＋eq\o\al(4,2)He是α衰變方程B.eq\o\al(1,1)H＋eq\o\al(2,1)H→eq\o\al(3,2)He＋γ是核聚變反應(yīng)方程C.eq\o\al(238,92)U→eq\o\al(234,)90Th＋eq\o\al(4,2)He是核裂變反應(yīng)方程D.eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(27,13)Al→eq\o\al(30,15)P＋eq\o\al(1,0)n是原子核的人工轉(zhuǎn)變方程答案BD解析本題考查了核反應(yīng)的相關(guān)學(xué)問(wèn)，意在考查同學(xué)們對(duì)自然放射現(xiàn)象、重核裂變、輕核聚變、原子核的人工轉(zhuǎn)變等相關(guān)學(xué)問(wèn)的記憶及分析推斷實(shí)力。選項(xiàng)A、D為原子核的人工轉(zhuǎn)變，選項(xiàng)B為輕核聚變，選項(xiàng)C為原子核的衰變，故選項(xiàng)B、D正確。eq\a\vs4\al([變式訓(xùn)練1－2])太陽(yáng)內(nèi)部持續(xù)不斷地發(fā)生著四個(gè)質(zhì)子聚變?yōu)橐粋€(gè)氦核的熱核反應(yīng)。這個(gè)核反應(yīng)釋放出的大量能量就是太陽(yáng)的能源。(1)寫(xiě)出這個(gè)核反應(yīng)方程；(2)這一核反應(yīng)能釋放出多少能量？(3)依據(jù)太陽(yáng)每秒釋放能量3.8×1026J計(jì)算每秒鐘太陽(yáng)的質(zhì)量削減多少千克？(mp＝1.0073u，mα＝4.0026u，me＝0.00055u)答案(1)4eq\o\al(1,1)H→eq\o\al(4,2)He＋2eq\o\al(0,1)e(2)23.75MeV(3)4.2×10解析(1)核反應(yīng)方程4eq\o\al(1,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(0,2)X，而eq\o\al(0,2)X只能是2個(gè)正電子，因此核反應(yīng)方程應(yīng)為4eq\o\al(1,1)H→eq\o\al(4,2)He＋2eq\o\al(0,1)e。(2)反應(yīng)前的質(zhì)量m1＝4mp＝4×1.0073u＝4.0292u，反應(yīng)后m2＝mHe＋2me＝4.0026u＋2×0.00055u＝4.0037u。Δm＝m1－m2＝0.0255u，由質(zhì)能方程得，釋放能量ΔE＝Δmc2＝0.0255×931.5MeV＝23.75MeV。(3)由質(zhì)能方程，ΔE＝Δmc2得每秒削減的質(zhì)量Δm＝eq\f(ΔE,c2)＝eq\f(3.8×1026,3×1082)kg＝4.2×109kg。課堂任務(wù)對(duì)粒子的相識(shí)1．新粒子的發(fā)覺(jué)及特點(diǎn)2．粒子的分類(lèi)續(xù)表3．夸克的分類(lèi)：夸克有6種，它們是上夸克、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(duì)應(yīng)的反夸克。例2(多選)已知π＋介子、π－介子都是由一個(gè)夸克(夸克u或夸克d)和一個(gè)反夸克(反夸克eq\x\to(u)或反夸克eq\x\to(d))組成的，它們的電荷量如下表所示，表中e為元電荷。π＋π－udeq\x\to(u)eq\x\to(d)電荷量＋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(shuō)法中正確的是()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(1)π＋介子電荷量是多少？哪些夸克組合才能合成一個(gè)π＋介子？提示：π＋介子電荷量為＋e，由一個(gè)u夸克和一個(gè)eq\x\to(d)夸克組成。(2)π－介子電荷量如何？由哪些夸克組成？提示：π－介子電荷量為－e，由一個(gè)d夸克和一個(gè)eq\x\to(u)夸克組成。[規(guī)范解答]依據(jù)電荷量關(guān)系可知，由于π＋介子帶有＋e的電荷量，又由于π＋介子是由夸克和反夸克組成，依據(jù)題意可知π＋介子(＋e)應(yīng)由一個(gè)u夸克eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(＋\f(2,3)e))和一個(gè)反夸克eq\o(d,\s\up6(－))eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(＋\f(1,3)e))組成，A正確，B錯(cuò)誤；同理π－介子由一個(gè)d夸克和一個(gè)反夸克eq\x\to(u)組成，D正確，C錯(cuò)誤。[完備答案]AD關(guān)于夸克模型的解題思路(1)明確粒子帶電狀況及各種夸克的電性、電荷量。(2)進(jìn)行夸克組合，使組合成的粒子與原粒子電性、電荷量完全相同。eq\a\vs4\al([變式訓(xùn)練2])正電子是電子的反粒子，它跟一般電子的電荷量相等，而電性相反，科學(xué)