2024-2025學(xué)年高中物理第十九章原子核第七節(jié)核聚變第八節(jié)粒子和宇宙學(xué)案新人教版選修3-5

PAGE9-第七節(jié)核聚變第八節(jié)粒子和宇宙【素養(yǎng)目標(biāo)定位】※知道聚變反應(yīng)的特點(diǎn)※能寫(xiě)出聚變方程并計(jì)算聚變能量※了解可控?zé)岷朔磻?yīng)※知道粒子的分類及其作用※了解宇宙起源的大爆炸說(shuō)及恒星的演化【素養(yǎng)思維脈絡(luò)】課前預(yù)習(xí)反饋教材梳理·夯基固本·落實(shí)新知學(xué)問(wèn)點(diǎn)1核聚變1．定義輕核結(jié)合成__質(zhì)量較大__的原子核的反應(yīng)叫聚變。例如eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)n2．聚變發(fā)生的條件要使輕核發(fā)生聚變，必需使它們的距離達(dá)到__10－15__m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(kù)侖斥力__，這就要求原子核具有足夠的動(dòng)能，有一種方法就是把它們加熱到很高的溫度，溫度高達(dá)__幾百萬(wàn)__開(kāi)爾文，因此聚變又叫__熱核反應(yīng)__。3．應(yīng)用目前，熱核反應(yīng)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。4．太陽(yáng)能太陽(yáng)的主要成分是__氫__，太陽(yáng)中心溫度可達(dá)1.5×107K，在此高溫下，氫核聚變成氦核的反應(yīng)不停地進(jìn)行著，太陽(yáng)能就來(lái)自于太陽(yáng)內(nèi)部__聚變__釋放的核能。學(xué)問(wèn)點(diǎn)2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__效率高_(dá)_；(2)地球上聚變?nèi)剂系膬?chǔ)量__豐富__；(3)輕核聚變更為_(kāi)_平安、清潔__。2．聚變的難點(diǎn)地球上沒(méi)有任何容器能夠經(jīng)受熱核反應(yīng)的高溫。3．限制方法(1)磁約束：利用磁場(chǎng)約束參與反應(yīng)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(shí)間內(nèi)來(lái)不及擴(kuò)散就完成了核反應(yīng)，在慣性約束下，用__激光__從各個(gè)方向照耀反應(yīng)物，使它們“擠”在一起發(fā)生反應(yīng)。學(xué)問(wèn)點(diǎn)3“基本粒子”不基本1．“基本”粒子19世紀(jì)末，很多人認(rèn)為光子、電子、__質(zhì)子__和__中子__是組成物質(zhì)的不行再分的最基本粒子。2．發(fā)覺(jué)新粒子(1)從20世紀(jì)起科學(xué)家接連發(fā)覺(jué)了400多種不同種類的新粒子，它們不是由__質(zhì)子__、__中子__、__電子__組成。(2)科學(xué)家進(jìn)一步發(fā)覺(jué)質(zhì)子、中子等本身也是復(fù)合粒子，且還有著__困難__的結(jié)構(gòu)。3．探測(cè)工具粒子__加速器__和粒子__探測(cè)器__是探討粒子物理的主要工具。學(xué)問(wèn)點(diǎn)4發(fā)覺(jué)新粒子1．新粒子1932年發(fā)覺(jué)了__正電子__,1937年發(fā)覺(jué)了__μ子__,1947年發(fā)覺(jué)了K介子和π介子及以后的超子等。2．粒子的分類依據(jù)粒子與各種相互作用的關(guān)系，可將粒子分為三大類：__強(qiáng)子__、__輕子__和__媒介子__。學(xué)問(wèn)點(diǎn)5夸克模型組成強(qiáng)子的粒子有六種夸克，分為上夸克和下夸克、奇夸克、粲夸克、底夸克、頂夸克，所帶電荷分別為元電荷的__±eq\f(2,3)__或__±eq\f(1,3)__，每種夸克都有對(duì)應(yīng)的反夸克，夸克不能以自由的狀態(tài)單個(gè)出現(xiàn)。學(xué)問(wèn)點(diǎn)6宇宙與恒量的演化1．宇宙的演化經(jīng)驗(yàn)了①__強(qiáng)子__時(shí)代②__輕子__時(shí)代③__核合成__時(shí)代④10萬(wàn)年之后，隨著溫度降低逐步組成__恒星__和星系。2．恒星的演化宇宙塵埃eq\o(→,\s\up7(萬(wàn)有引力))__星云團(tuán)__eq\o(→,\s\up7(凝合))恒星?eq\b\lc\{(\a\vs4\al\co1(m<1.4m日白矮星,m＝1.4～2m日中子星,m>2m日黑洞))思索辨析『判一判』(1)核聚變時(shí)汲取能量。(×)(2)核聚變平均每個(gè)核子放出的能量，比裂變反應(yīng)中平均每個(gè)核子放出的能量大。(√)(3)實(shí)現(xiàn)核聚變的難點(diǎn)是地球上沒(méi)有任何容器能夠經(jīng)受如此高的溫度。(√)(4)質(zhì)子、中子不能再分。(×)(5)夸克的帶電量是電子電荷的整數(shù)倍。(×)(6)太陽(yáng)目前正處于氫通過(guò)熱核反應(yīng)成為氦，以電磁波的形式向外輻射核能。(√)『選一選』(多選)我國(guó)科學(xué)家研制“兩彈”所涉及的基本核反應(yīng)有：(1)eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(90,38)Sr＋eq\o\al(136,54)Xe＋keq\o\al(1,0)n(2)eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋deq\o\al(1,0)n關(guān)于這兩個(gè)方程，下列說(shuō)法正確的是(BC)A．方程(1)屬于α衰變B．方程(2)屬于輕核聚變C．方程(1)中k＝10，方程(2)中d＝1D．方程(1)中k＝6，方程(2)中d＝1解析：方程(1)屬于重核裂變，方程(2)屬于輕核聚變，選項(xiàng)A錯(cuò)誤而B(niǎo)正確；由質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒得，k＝10，d＝1，選項(xiàng)C正確而D錯(cuò)誤?！合胍幌搿蝗f(wàn)物生長(zhǎng)靠太陽(yáng)(如圖)，太陽(yáng)在我們?nèi)粘Ｉ钪惺遣恍刑娲?，它供?yīng)應(yīng)地球足夠的能源，假如說(shuō)太陽(yáng)一旦沒(méi)有了，那么地球上的一切生物都將隨之消逝。你知道太陽(yáng)的能量來(lái)源嗎？答：來(lái)源于太陽(yáng)內(nèi)部的核聚變反應(yīng)課內(nèi)互動(dòng)探究細(xì)研深究·破疑解難·萃取精華探究輕核的聚變┃┃思索探討1__■如圖為氫彈原理示意圖。(1)核聚變須要滿意什么條件？(2)為什么要用原子彈才能引爆氫彈？提示：(1)要使輕核聚變，必需使輕核接近核力發(fā)生作用的距離10－15m。(2)它利用彈體內(nèi)的原子彈爆炸產(chǎn)生的高溫高壓引發(fā)熱核聚變爆炸。┃┃歸納總結(jié)__■1．輕核聚變是放能反應(yīng)從比結(jié)合能的圖線看，輕核聚變后比結(jié)合能增加，因此聚變反應(yīng)是一個(gè)放能反應(yīng)。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10－15m就必需克服很大的庫(kù)侖斥力作用，這就要求原子核應(yīng)具有足夠的動(dòng)能。方法是給原子核加熱，使其達(dá)到幾百萬(wàn)度的高溫。3．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。(3)普遍性：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。4．核聚變的應(yīng)用(1)核武器——?dú)鋸棧阂环N不須要人工限制的輕核聚變反應(yīng)裝置。它利用彈體內(nèi)的原子彈爆炸產(chǎn)生的高溫高壓引發(fā)熱核聚變爆炸。(2)可控?zé)岷朔磻?yīng)：目前處于探究階段。┃┃典例剖析__■典例1太陽(yáng)現(xiàn)在正處于主序星演化階段，它主要是由電子和質(zhì)子、氦核等組成，維持太陽(yáng)輻射的是它內(nèi)部的核聚變反應(yīng)，核反應(yīng)為兩個(gè)電子與四個(gè)質(zhì)子聚變?yōu)楹?。已知太?yáng)的質(zhì)量為2×1030kg，太陽(yáng)向四周空間輻射能量的總功率為3.8×1026W。(1)寫(xiě)出上述聚變反應(yīng)的方程；(2)已知質(zhì)子質(zhì)量mp＝1.67×10－27kg，氦核質(zhì)量mα＝6.6458×10－27kg，電子質(zhì)量me＝9.0×10－31kg，光速c＝3.0×108m/s，求每發(fā)生一次上述核反應(yīng)所釋放的能量。(3)依據(jù)題目中數(shù)據(jù)計(jì)算太陽(yáng)1秒鐘削減的質(zhì)量。太陽(yáng)還能用多少年？解題指導(dǎo)：(1)聚變的核反應(yīng)方程遵循質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒。(2)核能計(jì)算的關(guān)鍵是求出核反應(yīng)中的質(zhì)量虧損，然后依據(jù)受因斯坦質(zhì)能方程求解。(3)由m＝tΔm求時(shí)間。解析：(1)依據(jù)聚變反應(yīng)滿意質(zhì)量數(shù)、電荷數(shù)守恒得核反應(yīng)方程為2eq\o\al(0,－1)e＋4eq\o\al(1,1)H→eq\o\al(4,2)He(2)反應(yīng)中的質(zhì)量虧損Δm＝2me＋4mp－mα＝(2×9.0×10－31＋4×1.67×10－27－6.6458×10－27)kg＝3.6×10－29kg由愛(ài)因斯坦質(zhì)能方程可知核反應(yīng)釋放的能量ΔE＝Δmc2＝3.6×10－29×(3.0×108)2J＝3.24×10－12J(3)太陽(yáng)每秒釋放的能量為3.8×1026J，則太陽(yáng)每秒削減的質(zhì)量Δm＝eq\f(ΔE,c2)＝eq\f(3.8×1026,3×1082)kg＝4.2×109kg太陽(yáng)還能用t＝eq\f(m,Δm)＝eq\f(2×1030,4.2×109)s＝4.76×1020s＝1.5×1013年答案：(1)2eq\o\al(0,－1)e＋4eq\o\al(1,1)H→eq\o\al(4,2)He(2)3.24×10－12J(3)4.2×109kg1.5×1013年┃┃對(duì)點(diǎn)訓(xùn)練__■1．(2024·廣東省佛山一中、順德一中、石門(mén)中學(xué)高二下學(xué)期期末)太陽(yáng)內(nèi)部有多種熱核反應(yīng)，其中的一個(gè)反應(yīng)方程是：eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋x，若已知eq\o\al(2,1)H的質(zhì)量為m1，eq\o\al(3,1)H的質(zhì)量為m2，eq\o\al(4,2)He的質(zhì)量為m3，x的質(zhì)量為m4，則下列說(shuō)法中正確的是(C)A．x是質(zhì)子B．x是電子C．這個(gè)反應(yīng)釋放的核能為ΔE＝(m1＋m2－m3－m4)c2D．eq\o\al(2,1)H和eq\o\al(3,1)H在常溫下就能夠發(fā)生聚變解析：依據(jù)核反應(yīng)方程質(zhì)量數(shù)和核電荷數(shù)守恒，可知x的電荷數(shù)是0，質(zhì)量數(shù)是1，所以x是中子，故AB錯(cuò)誤；由質(zhì)能方程可知，這個(gè)反應(yīng)釋放的核能為ΔE＝(m1＋m2－m3－m4)c2；eq\o\al(2,1)H和eq\o\al(3,1)H只有在極高溫度下才能夠發(fā)生聚變反應(yīng)，故D錯(cuò)誤。探究新粒子的發(fā)覺(jué)和夸克模型┃┃思索探討2__■如圖所示為粒子發(fā)展示意圖。(1)為什么現(xiàn)在將“基本”二字去掉，統(tǒng)稱為粒子？(2)為什么說(shuō)夸克模型是物理學(xué)發(fā)展中的一個(gè)重大突破？提示：(1)隨著科學(xué)的發(fā)展，科學(xué)家們發(fā)覺(jué)了很多的新粒子都不是由質(zhì)子、中子、電子組成的，又發(fā)覺(jué)質(zhì)子、中子等本身也有自己的困難結(jié)構(gòu)。所以現(xiàn)在將“基本”二字去掉，統(tǒng)稱為粒子。(2)夸克模型的提出是物理學(xué)發(fā)展中的一個(gè)重大突破，它指出電子電荷不再是電荷的最小單元，即存在分?jǐn)?shù)電荷。┃┃歸納總結(jié)__■1．發(fā)覺(jué)新粒子發(fā)覺(jué)時(shí)間1932年1937年1947年60年頭后新粒子反粒子μ子K介子與π介子超子基本特點(diǎn)質(zhì)量與相對(duì)應(yīng)的粒子相同而電荷及其他一些物理性質(zhì)相反比質(zhì)子的質(zhì)量小質(zhì)量介于電子與質(zhì)子之間其質(zhì)量比質(zhì)子大依據(jù)粒子與各種相互作用的關(guān)系，可以將粒子分為三大類：強(qiáng)子、輕子和媒介子。2．粒子的分類分類參與的相互作用發(fā)覺(jué)的粒子備注強(qiáng)子參與強(qiáng)相互作用質(zhì)子、中子、介子、超子強(qiáng)子有內(nèi)部結(jié)構(gòu)，由“夸克”構(gòu)成；強(qiáng)子又可分為介子和重子輕子不參與強(qiáng)相互作用電子、電子中微子、μ子、μ子中微子，τ子、τ子中微子未發(fā)覺(jué)內(nèi)部結(jié)構(gòu)媒介子傳遞各種相互作用光子、中間玻色子、膠子光子、中間玻色子、膠子分別傳遞電磁、弱、強(qiáng)相互作用3.夸克模型(1)夸克的提出1964年美國(guó)物理學(xué)家蓋爾曼提出了強(qiáng)子的夸克模型，認(rèn)為強(qiáng)子是由夸克構(gòu)成的。(2)夸克的種類上夸克(u)、下夸克(d)、奇夸克(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?jǐn)?shù)電荷量，即其電荷量為元電荷的±eq\f(1,3)或±eq\f(2,3)。例如上夸克帶的電荷量為＋2e/3，下夸克帶的電荷量為－e/3。特殊提示粒子具有對(duì)稱性，有一個(gè)粒子，必存在一個(gè)反粒子，所以每種夸克都有對(duì)應(yīng)的反夸克。┃┃典例剖析__■典例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(yàn)中很難探測(cè)。1953年，萊尼斯和柯文建立了一個(gè)由大水槽和探測(cè)器組成的試驗(yàn)系統(tǒng)，利用中微子與水中eq\o\al(1,1)H的核反應(yīng)，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(yīng)，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__A__。(填寫(xiě)選項(xiàng)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(yīng)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(zhuǎn)變?yōu)閮蓚€(gè)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(yīng)中產(chǎn)生的每個(gè)光子的能量約為_(kāi)_8.2×10－14__J。正電子與電子相遇不行能只轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)光子，緣由是__此過(guò)程遵循動(dòng)量守恒定律__。解題指導(dǎo)：(1)由核反應(yīng)過(guò)程質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒推斷。(2)依據(jù)E＝Δmc2和動(dòng)量守恒求解。解析：(1)發(fā)生核反應(yīng)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(xiàng)正確。(2)產(chǎn)生的能量是由于質(zhì)量虧損。兩個(gè)電子轉(zhuǎn)變?yōu)閮蓚€(gè)光子之后，質(zhì)量變?yōu)榱?，則E＝Δmc2，故一個(gè)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(dòng)量為零，所以假如只產(chǎn)生一個(gè)光子是不行能的，因?yàn)榇诉^(guò)程遵循動(dòng)量守恒定律。┃┃對(duì)點(diǎn)訓(xùn)練__■2．(多選)(2024·北京臨川育人學(xué)校高二下學(xué)期期中)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，它們帶電量如下表所示，表中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(shuō)法正確的是(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)題目所給圖表可以知道各種粒子的帶電量，由電荷守恒定律可得A、D正確，B、C錯(cuò)誤。核心素養(yǎng)提升易錯(cuò)警示·以題說(shuō)法·啟智培優(yōu)輕核聚變與重核裂變的區(qū)分反應(yīng)方式比較項(xiàng)目重核裂變輕核聚變放能原理重核分裂成兩個(gè)或多個(gè)中等質(zhì)量的原子核放出核能兩個(gè)輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的原子核放出核能放能多少聚變反應(yīng)比裂變反應(yīng)平均每個(gè)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(yīng)的核廢料處理要比裂變反應(yīng)簡(jiǎn)潔得多原料的隱藏量核裂變?nèi)剂镶櫾诘厍蛏蟽?chǔ)量有限，尤其用