2024-2025學年高中物理第十九章原子核7核聚變8粒子和宇宙學案新人教版選修3-5

PAGE13-7核聚變8粒子和宇宙一、核聚變1．核聚變把兩個質量較輕的原子核結合成質量較大的核，這種釋放核能的反應稱為輕核聚變．由于這種核反應需在幾百萬度的高溫下進行，因此，聚變又叫熱核反應．2．典型的核聚變一個氘核和一個氚核的聚變，eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)n＋γ.3．輕核聚變能釋放更多的核能輕核聚變有質量虧損，是放能核反應，核能的計算仍是用愛因斯坦質能方程．相同質量的燃料，聚變比裂變時產生的能量多．太陽內部進行著激烈的熱核反應．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．聚變與裂變相比有很多的優(yōu)點第一，輕核聚變產能效率高；其次，地球上聚變燃料的儲量豐富；第三，輕核聚變更為平安、清潔．2．科學家設想的受控熱核反應兩種方案磁約束和慣性約束．三、“基本粒子”不基本在19世紀末，人們認為光子、電子、質子和中子是組成物質的不行再分的最基本的粒子，20世紀后半期，科學家發(fā)覺質子、中子也有著自己的困難結構，于是基本粒子不再“基本”．四、發(fā)覺新粒子1．新粒子1932年發(fā)覺正電子，1937年發(fā)覺μ子，1947年發(fā)覺K介子和π介子；以后又發(fā)覺了質量比質子大的粒子叫做超子．2．反粒子試驗中發(fā)覺，對應著很多粒子都存在著質量與它相同而電荷及其他一些物理性質相反的粒子，叫做反粒子．例如，電子的反粒子是正電子，質子的反粒子是反質子等．3．粒子的分類依據粒子與各種相互作用的關系分為三大類：強子、輕子和媒介子．五、夸克模型1．夸克強子(質子、中子)有著自己困難的結構，它們由更為基本的成分組成，科學家認為這種成分叫夸克．2．分類上夸克、下夸克、奇異夸克、粲夸克、底夸克、頂夸克共有六種，它們所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．意義夸克理論的最大突破是電子電荷不再是電荷的最小單元，即存在分數(shù)電荷．4．夸克禁閉夸克不能以自由的狀態(tài)單個出現(xiàn)，這種性質稱為夸克禁閉．六、宇宙的演化宇宙起源于一次大爆炸，這種理論被稱為宇宙大爆炸理論．七、恒星的演化恒星的最終歸宿是：質量小于太陽質量的1.4倍的恒星會演化成白矮星，即體積很小，質量不太小的恒星；質量大于1.4倍小于2倍太陽質量的恒星，會演化成中子星；更大質量的恒星，會演化成“黑洞”．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【例1】一個質子和兩個中子聚變?yōu)橐粋€氚核，已知質子質量mH＝1.0073u，中子質量mn＝1.0087u，氚核質量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？【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【解析】(1)eq\o\al(1,1)H＋2eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(3,1)H.(2)質量虧損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.總結提能質量數(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、質子和中子直到19世紀末，人們都認為原子是組成物質的不行再分的最小微粒．后來發(fā)覺了電子、質子和中子．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，它們都不是由質子、中子、電子組成的；又發(fā)覺質子、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、質子、中子并不是組成物質世界的基本粒子．(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．粒子的分類依據粒子與各種相互作用的關系，分類如下表所示：3.反粒子試驗發(fā)覺，很多粒子都有和它質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，質子和反質子等．由反粒子構成的物質叫反物質．反粒子(反物質)最顯著的特點是當它們與相應的正粒子(物質)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．中微子的性質非常特殊，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量都為9.1×10－31kg，反應中產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波波長的大?。僖罁朔磻匈|量數(shù)與電荷數(shù)守恒，推斷出質量數(shù)與電荷數(shù)．②利用質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．【答案】(1)A(2)8.2×10－14此過程遵循動量守恒定律(3)λe>λn【解析】(1)發(fā)生核反應前后，粒子的質量數(shù)和電荷數(shù)均不變，據此可知中微子的質量數(shù)和電荷數(shù)都是0，A項正確．(2)產生的能量是由于質量虧損．兩個電子轉變?yōu)閮蓚€光子之后，質量變?yōu)榱?，則E＝Δmc2，故一個光子的能量為eq\f(E,2)，代入數(shù)據得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.總結提能核反應過程中新生成的粒子和實物粒子一樣，也能產生物質波，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.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．考點三宇宙和恒星的演化1．宇宙的演化2.恒星的演化密度很低的星際物質漸漸形成星云，大塊的星云由于引力作用而收縮漸漸凝成原恒星．原恒星接著收縮，溫度不斷上升，發(fā)生熱核反應，當熱核反應產生的斥力和引力作用達到平衡時，恒星不再收縮，進入相對穩(wěn)定階段．當核能源供應不足時，恒星的穩(wěn)定狀態(tài)遭到破壞，引力作用又起先大于斥力，星體又起先收縮，溫度上升，發(fā)光實力增加，光度增加，外部膨脹，表面積增大，但表面溫度并不高，看上去呈紅色，這時恒星便演化為紅巨星．當恒星核能耗盡時，就進入末期．恒星的末期形態(tài)主要有三種：白矮星，中子星或黑洞．【例3】太陽現(xiàn)在正處于主序星演化階段，它主要是由電子和eq\o\al(1,1)H、eq\o\al(4,2)He等原子核組成，維持太陽輻射的是它內部的核聚變反應，核反應方程是2eq\o\al(0,－1)e＋4eq\o\al(1,1)H→eq\o\al(4,2)He＋釋放的核能，這些核能最終轉化為輻射能．依據目前關于恒星演化的理論，若由于聚變反應而使太陽中的eq\o\al(1,1)H核數(shù)目從現(xiàn)有數(shù)量削減10%，太陽將離開主序星階段而轉入紅巨星的演化階段．為了簡化，假定目前太陽全部由電子和eq\o\al(1,1)H核組成．(1)為了探討太陽演化進程，需知道目前太陽的質量m1，已知地球半徑R＝6.4×106m，地球質量m2＝6.0×1024kg，日地中心的距離r＝1.5×1011m，地球表面處的重力加速度g取10m/s2(2)已知質子質量mp＝1.6726×10－27kg，eq\o\al(4,2)He質量mα＝6.6458×10－27kg，電子質量me＝0.9×10－30kg，光速c＝3×108(3)已知地球上與太陽光垂直的每平方米截面上，每秒通過的太陽輻射能ω＝1.35×103W/m2.試估算太陽接著保持在主序星階段還有多少年的壽命？1．地球繞太陽做圓周運動，其向心力由什么力來供應？2．估算太陽質量要用到引力常量G，而本題中沒有給出，如何處理？3．太陽中eq\o\al(1,1)H核數(shù)目從現(xiàn)有數(shù)量削減10%，發(fā)生核反應的總次數(shù)可以算出，即太陽在這個過程釋放出的總核能可以算出，但要估算太陽保持在主序星階段的壽命，還須要知道太陽在單位時間內輻射的能量，如何計算太陽在單位時間內釋放的能量呢？【答案】(1)2×1030kg(2)4.2×10(3)1百億年【解析】(1)設T為地球繞太陽運動的周期，由萬有引力定律和牛頓運動定律可知Geq\f(m2m1,r2)＝m2(eq\f(2π,T))2r①，地球表面處重力加速度g＝eq\f(Gm2,R2)②，聯(lián)立①②式得m1＝m2(eq\f(2π,T))2eq\f(r3,R2g)③.由題中所給數(shù)據代入得m1≈2×1030(2)依據質量虧損和質能方程，該核反應每發(fā)生一次釋放的核能為ΔE＝(4mp＋2me－mα)c2，代入數(shù)據，解得ΔE≈4.2×10－12J.(3)依據題給假定，在太陽接著保持在主序星階段的時間內，發(fā)生題中所述的核聚變反應次數(shù)為N＝eq\f(m1,4mp)×10%，因此，太陽總共輻射的能量為E＝NΔE，每秒內太陽向外放出的輻射能為ε＝4πr2ω，所以太陽接著保持在主序星階段的時間為t＝eq\f(E,ε)，由以上各式解得t＝eq\f(0.1m14mp＋2me－mαc2,4mp×4πr2ω).將題給數(shù)據代入，并以年為單位可得，t≈1×1010年＝1百億年．總結提能本題沒有干脆給出太陽每秒鐘輻射能，而給出了地球上與太陽光垂直的平面上每平方米每秒鐘得到的輻射能ω.本題關鍵是構建太陽光輻射模型，運用幾何學問計算每秒鐘太陽的輻射能．太陽內部持續(xù)地發(fā)生4個質子聚變?yōu)橐粋€氦核的熱核反應，這個反應釋放的大量能量就是太陽釋放出的能量．試求這個核反應所放出的能量．(已知質子、氦核、電子的質量分別為1.0073u、4.0015u、0.00055u)答案：24.8MeV解析：太陽內部這個熱核反應的方程為4eq\o\al(1,1)H→eq\o\al(4,2)He＋2eq\o\al(0,1)e.質量虧損為Δm＝4mp－mα－2me＝0.0266u＝4.42×10－29kg釋放的核能為ΔE＝Δmc2＝4.42×10－29×(3×108)2J＝3.978×10－12J＝24.8MeV.或依據1原子質量單位相當于931MeV，得ΔE＝0.0266×931MeV＝24.8MeV.1．(多選)下列說法正確的是(ABCD)A．強子是參加強相互作用的粒子B．輕子是不參加強相互作用的粒子C．媒介子是傳遞相互作用的粒子D．夸克只有六種，且?guī)Х謹?shù)電荷2．(多選)關于核衰變和核反應的類型，下列表述正確的有(AC)A.eq\o\al(238,92)U→eq\o\al(234,90)Th＋eq\o\al(4,2)He是α衰變B.eq\o\al(14,7)N＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(17,8)O＋eq\o\al(1