高二物理课件 19.7 《核聚变》 19.8 粒子和宇宙 （人教选修3-5）

欢迎进入物理课堂 一 核聚变的发生条件 特点及其与核裂变的比较 1 从比结合能的图线看 轻核聚变后比结合能增加 因此聚变反应是一个放能反应 例如21H 31H10n 42He 17 6MeV2 聚变发生的条件 要使轻核聚变 必须使轻核接近核力发生作用的距离10 15m 这要克服电荷间强大的斥力作用 要求使轻核具有足够大的动能 要使原子核具有足够大的动能 就要给它们加热 使物质达到几百万开尔文的高温 4 应用 1 核武器 氢弹 2 可控热核反应 目前处于探索阶段 常见的聚变反应 21H 21H31H 11H 4MeV 21H 31H42He 10n 17 6MeV 在这两个反应中 前一反应的材料是氘 后一反应的材料是氘和氚 而氚又是前一反应的产物 所以氘是实现这两个反应的原始材料 而氘是重水的组成部分 在覆盖地球表面三分之二的海水中是取之不尽的 从这个意义上讲 轻核聚变是能源危机的终结者 典例1 2011 长沙高二检测 太阳的能量来自下面的反应 四个质子 氢核 聚变成一个 粒子 同时发射两个正电子 若太阳辐射能量的总功率为P 质子11H 氦核42He 正电子01e的质量分别为mp m me 真空中的光速为c 求 1 写出核反应方程 2 核反应所释放的能量 E 3 1s内参与上述热核反应的质子数目 解题指导 解答该题应关注以下几点 标准解答 1 根据质量数守恒和电荷数守恒 可得核反应方程为411H42He 201e 2 质量亏损 m 4mp m 2me 根据爱因斯坦质能方程 E mc2 核反应释放的能量 E 4mp m 2me c2 3 设单位时间内参与热核反应的质子数为N 依据能量关系答案 1 411H42He 201e 2 4mp m 2me c2 3 规律方法 轻核聚变释放核能的计算方法 1 根据质量亏损计算根据爱因斯坦质能方程 用核子结合成原子核时质量亏损 m 的千克数乘以真空中的光速 c 3 108m s 的平方 即 E mc2 2 根据1原子质量单位 u 相当于931 5MeV能量 用核子结合成原子核时质量亏损的原子质量单位数乘以931 5MeV 即 E m 931 5MeV 注意 式 中 m的单位为kg 式 中 m的单位是u E的单位是MeV 变式训练 一个质子和两个中子聚变为一个氚核 已知质子质量mH 1 0073u 中子质量mn 1 0087u 氚核质量m 3 0180u 1 写出聚变方程 2 求释放出的核能多大 3 求平均每个核子释放的能量是多大 解析 1 聚变方程11H 210n31H 2 质量亏损 m mH 2mn m 1 0073 2 1 0087 3 0180 u 0 0067u 释放的核能 E mc2 0 0067 931 5MeV 6 24MeV 3 平均每个核子放出的能量为MeV 2 08MeV 答案 1 11H 210n31H 2 6 24MeV 3 2 08MeV 变式备选 我国自行设计 研制的 人造太阳 装置 全超导非圆截面核聚变实验装置 EAST 成为世界上第一个同时具有全超导磁体和主动冷却结构的核聚变实验装置 它的建成使我国迈入磁约束核聚变领域先进国家行列 下列关于 人造太阳 的说法正确的是 A 人造太阳 的核反应方程是23592U 10n14156Ba 9236Kr 310nB 人造太阳 的核反应方程是21H 31H42He 10nC 人造太阳 核能大小的计算公式是E mc2D 人造太阳 释放的能量大小的计算公式是 E mc2 解析 选B D 人造太阳 内进行的是核聚变反应 故A错误 B正确 核反应放出的能量应由爱因斯坦质能方程计算 C错误 D正确 二 对粒子的认识 3 夸克模型 1 夸克的提出1964年美国物理学家盖尔曼提出了强子的夸克模型 认为强子是由夸克构成的 2 夸克的种类上夸克 u 下夸克 d 奇异夸克 s 粲夸克 c 底夸克 b 和顶夸克 t 3 夸克所带电荷夸克所带的电荷量是分数电荷量 即其电荷量为元电荷的例如上夸克带的电荷量为 2e 3 下夸克带的电荷量为 e 3 粒子具有对称性 有一个粒子 必存在一个反粒子 所以每种夸克都有对应的反夸克 典例2 目前普遍认为 质子和中子都是由被称为u夸克和d夸克的两类夸克组成的 u夸克带电荷量为d夸克的带电荷量为e为元电荷 下列论断中可能正确的是 A 质子由1个u夸克和2个d夸克组成 中子由1个u夸克和2个d夸克组成B 质子由2个u夸克和1个d夸克组成 中子由1个u夸克和2个d夸克组成C 质子由1个u夸克和2个d夸克组成 中子由2个u夸克和1个d夸克组成D 质子由2个u夸克和1个d夸克组成 中子由2个u夸克和1个d夸克组成 解题指导 题目中给出的信息是u夸克与d夸克的带电荷量 据质子11H带一个元电荷的电荷量及中子10n不带电进行判断 标准解答 选B 根据质子和中子所带电荷量 经验证 质子11H带电荷量为中子10n带电荷量为故B正确 变式训练 已知 介子 介子都是由一个夸克 夸克u或夸克d 和一个反夸克 反夸克或反夸克 组成的 它们的带电荷量如下表所示 表中e为元电荷 下列说法正确的是 A 由u和组成B 由d和组成C 由u和组成D 由d和组成 解析 选A D 因 介子带有 e的电荷量 且是由一个夸克和一个反夸克组成的 则夸克u带和反夸克带 e合成电荷量为e 那么 介子就是由夸克u和反夸克组成的 同理 介子由夸克d和反夸克组成 所以A D正确 典例 2011 聊城高二检测 两个动能均为1MeV的氘核发生正面碰撞 引起如下反应 21H 21H31H 11H 已知 氘核的质量为2 0136u 氚核的质量为3 0156u 氢核的质量为1 0073u 1原子质量单位 u 相当于931 5MeV 试求 1 此核反应中放出的能量 E为多少MeV 2 若放出的能量全部变为新生核的动能 则新生的氢核所具有的动能为多少MeV 解题指导 解答本题应把握以下关键点 1 应用质能方程求核反应释放的能量 2 氘核碰撞过程动量守恒 3 反应过程中能量守恒 氘核初动能与反应放出的能量之和等于新生核的动能 标准解答 1 由质能方程 核反应中放出的能量为 E mc2 2 2 0136u 3 0156u 1 0073u 3 108m s 2 4 005MeV 2 相互作用过程中动量守恒p1 p2新生的氚核的动能 新生的氢核的动能 由能量守恒得 代入数据得新生的氢核的动能 4 5MeV 一 选择题1 2011 昆明高二检测 一个氘核 21H 与一个氚核 31H 发生聚变 产生一个中子和一个新核 并出现质量亏损 聚变过程中 A 吸收能量 生成的新核是42HeB 放出能量 生成的新核是42HeC 吸收能量 生成的新核是32HeD 放出能量 生成的新核是32He 解析 选B 聚变过程中存在质量亏损 应放出能量 由核反应21H 31H10n 42He 可知新核为42He B对 2 关于轻核聚变释放核能 下列说法正确的是 A 一次聚变反应一定比一次裂变反应释放的能量多B 聚变反应比裂变反应每个核子释放的平均能量一定大C 聚变反应中粒子的比结合能变小D 聚变反应中由于形成质量较大的核 故反应后质量变大 解析 选B 在一次聚变反应中释放的能量不一定比裂变反应多 但平均每个核子释放的能量一定大 故A错误 B正确 由于聚变反应中释放出巨大能量 则比结合能一定增加 质量发生亏损 故C D错误 3 2011 宣武区高二检测 太阳内部持续不断地发生着4个质子 11H 聚变为1个氦核 42He 的热核反应 核反应方程是411H42He 2X 这个核反应释放出大量核能 已知质子 氦核 X的质量分别为m1 m2 m3 真空中的光速为c 下列说法中正确的是 A 方程中的X表示中子 10n B 方程中的X表示电子 0 1e C 这个核反应中质量亏损 m 4m1 m2D 这个核反应中释放的核能 E 4m1 m2 2m3 c2 解析 选D 由质量数守恒和核电荷数守恒知 X为0 1e A B均错 该反应中质量亏损 m 4m1 m2 2m3 C错 E mc2 4m1 m2 2m3 c2 D对 4 2011 吉水高二检测 核聚变能是一种具有经济性能优越 安全可靠 无环境污染等优势的新能源 近年来 受控核聚变的科学可行性已得到验证 目前正在突破关键技术 最终将建成商用核聚变电站 一种常见的核聚变反应是由氢的同位素氘 又叫重氢 和氚 又叫超重氢 聚合成氦 并释放一个中子 若已知氘原子的质量为2 0141u 氚原子的质量为3 0160u 氦原子的质量为4 0026u 中子的质量为1 0087u 1u 1 66 10 27kg 则这个核反应释放出来的能量为 光速c 3 00 108m s 1u相当于931 5MeV A 2 8 10 10JB 2 8 10 12JC 1 75MeVD 17 5MeV 解析 选B D 核反应释放出来的能量 E mc2 m m氘 m氚 mHe mn 0 0188u 由计算得 E 2 8 10 12J 17 5MeV 故B D正确 5 下列关于聚变的说法中 正确的是 A 要使聚变产生 必须克服库仑斥力做功B 轻核聚变需要几百万摄氏度的高温 因此聚变又叫做热核反应C 原子弹爆炸能产生几百万摄氏度的高温 所以氢弹利用原子弹引发热核反应D 太阳和许多恒星内部都在激烈地进行着热核反应 解析 选A B C D 轻核聚变时 要使轻核之间距离达到10 15m以内 所以必须克服库仑斥力做功 A正确 原子核必须有足够的动能 才能使它们接近到核力能发生作用的范围 实验证实 原子核必须处在几百万摄氏度的高温下才有这样的能量 这样高的温度通常利用原子弹爆炸获得 故B C正确 在太阳和其他恒星内部都存在着热核反应 D正确 6 下列所述正确的是 A 原子是组成物质的不可再分的最小微粒B 原子是最大微粒C 原子由原子核和核外电子构成 质子和中子组成了原子核D 质子 中子本身也是复合粒子 它们也有着自己复杂的结构 解析 选C D 原子由原子核和核外电子构成 是可分的 比原子大的微粒还有分子 质子和中子组成原子核 质子 中子本身也是复合粒子 由此可知 质子 中子不是构成物质的最小微粒 故A B错误 C D选项正确 7 关于聚变 以下说法正确的是 A 两个氘核可以聚变成一个中等质量的原子核 同时释放出能量B 同样质量的物质发生聚变时放出的能量比同样质量的物质裂变时释放的能量大得多C 聚变反应的条件是聚变物质的体积达到临界体积D 发生聚变反应时的原子核必须有足够大的动能 解析 选B D 两个轻核聚合为较大质量的原子核就可释放能量 但两个氘核的生成物不是中等质量的核 仍然是轻核 故A错误 聚变反应放出的能量比同样质量的物质裂变时释放的能量大得多 这点由聚变反应的特点就可以知道 故B正确 裂变反应的条件是裂变物质的体积达到临界体积 而聚变反应的条件是原子核间距达到10 15m以内 故要求有足够大的动能克服原子核间的斥力做功 故C错 D正确 8 根据宇宙大爆炸的理论 在宇宙形成之初是 粒子家族 尽显风采的时期 那么在大爆炸之后最早产生的粒子是 A 夸克 轻子 胶子等粒子B 质子和中子等强子C 光子 中微子和电子等轻子D 氢核 氘核 氦核等轻核 解析 选A 宇宙形成之初产生了夸克 轻子和胶子等粒子 之后又经历了质子和中子等强子时代 再之后是自由光子 中微子 电子大量存在的轻子时代 再之后是中子和质子组合成氘核 并形成氦核的核时代 之后电子和质子复合成氢原子 最后形成恒星和星系 因此A正确 B C D错 二 非选择题9 我国在核聚变研究领域处于世界先进行列 在实验中观察到有下列4种核反应 21H 21H32He 10n 3 25MeV 21H 21H31H 11H 4 00MeV 21H 31H42He 10n 17 5MeV 21H 32He42He 11H 18 3MeV 已知在实际发生核聚变时 上述4种反应的概率相同 其原料直接或间接都是氘核 而氘核在地球上的储量非常丰富 每升海水中大约有0 030g氘 那么1L海水中的氘全部发生聚变释放的总能量为多少 NA取6 02 1023 mol 解析 由于发生4种反应的概率相同 将4个核反应相加得总反应为621H242He 210n 211H 43 05MeV1mol氘全部聚变释放的能量为每升海水中所含的氘为0 030g 释放的总能量应为答案 1 04 1010J 10 已知氘核的质量为2 0136u 中子的质量为1 0087u 32He的质量为3 0150u 1 试写出两个氘核聚变生成32He的核反应方程 2 计算上述反应中释放的核能 3 若两个氘核以相等的动能0 35MeV做对心碰撞即可发生上述核反应 且释放的核能全部转化为机械能 则反应中生成32He核和中子的动能各是多少 解析 1 21H 21H32He 10n 2 核反应中质量亏损 m 2 0136u 2 3 0150u 1 0087u 0 0035u释放的核能 E mc2 0 0035 931 5MeV 3 26MeV 3 设32He核和中子的质量分别为m1 m2 速度分别为v1 v2 则由动量守恒定律及能量守恒定律得 m1v1 m2v2 0 Ek1 Ek2 2Ek0 E解得 Ek1 2Ek0 E 2 0 35 3 26 MeV 0 99MeVEk2 2Ek0 E 2 0 35 3 26 MeV 2 97MeV 答案 1 21H 21H32He 10n 2 3 26MeV 3 0 99MeV2 97MeV 方法技巧 核反应中的能量守恒问题本题容易出错的地方是列能量守恒定律式时 漏掉碰前两个氘核的动能 原因是对能量转化和转移的途径没有搞清楚 碰前两个氘核的动能应转移到新生核的动能上 而不是凭空消失 Thankyou 同学们 来学校和回家的路上要注意安全 同学们 来学校和回家的路上要注意安全