2018-2019學(xué)年高中物理 第十九章 原子核 19.7-19.8 核聚變 粒子和宇宙課件 新人教版選修3-5.ppt

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7核聚變8粒子和宇宙,,一、核聚變1.定義:兩個(gè)輕核結(jié)合成_________的核,并釋放出_____的反應(yīng)。2.舉例:,質(zhì)量較大,能量,,3.條件:要使輕核發(fā)生聚變,必須使它們的距離達(dá)到_____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,必須克服巨大的_________,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)_______開爾文,因此聚變又叫_________。,10-15,庫(kù)侖斥力,幾百萬,熱核反應(yīng),,4.應(yīng)用:目前,熱核反應(yīng)主要用在核武器上,那就是_____,需要用_______爆炸產(chǎn)生的高溫高壓引發(fā)核爆炸。5.太陽(yáng)能:太陽(yáng)的主要成分是___,太陽(yáng)中心溫度可達(dá)1.5107K,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)能就來自于太陽(yáng)內(nèi)部_____釋放的核能。,氫彈,原子彈,氫,聚變,,二、受控?zé)岷朔磻?yīng)1.聚變的優(yōu)點(diǎn):第一:輕核聚變產(chǎn)能效率高。第二:地球上聚變?nèi)剂系膬?chǔ)量豐富。第三:輕核聚變更為安全、清潔,控制溫度,可控制反應(yīng),而且生成的廢物數(shù)量少、易處理。,,2.聚變的難點(diǎn):地球上沒有任何容器能夠經(jīng)受熱核反應(yīng)的高溫。3.控制方法:(1)磁約束:利用磁場(chǎng)約束參加反應(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)來不及擴(kuò)散就完成了核反應(yīng),在慣性約束下,用_____從各個(gè)方向照射反應(yīng)物,使它們“擠”在一起發(fā)生反應(yīng)。,激光,,三、粒子和宇宙1.基本粒子不基本:(1)19世紀(jì)末,人們都認(rèn)為_____、電子、_____和中子是組成物質(zhì)的不可再分的最基本的粒子。(2)隨著科學(xué)的發(fā)展,科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了很多的新粒子都不是由質(zhì)子、中子、電子組成的,又發(fā)現(xiàn)___________等本身也有自己的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。,光子,質(zhì)子,質(zhì)子、中子,,2.發(fā)現(xiàn)新粒子:(1)新粒子:1932年發(fā)現(xiàn)了_______,1937年發(fā)現(xiàn)了_____,1947年發(fā)現(xiàn)了______和_______及以后的質(zhì)量比質(zhì)子的質(zhì)量大的_____。(2)粒子的分類:按照___________________的不同關(guān)系,可將粒子分為三大類:_____、_____和_______。,正電子,μ子,K介子,π介子,超子,粒子與各種相互作用,強(qiáng)子,輕子,媒介子,,(3)夸克模型的提出: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)子是由更基本的成分組成,這種成分叫作_____。夸克模型指出電子電荷不再是電荷的最小單位,即存在_________。,夸克,分?jǐn)?shù)電荷,,3.宇宙和恒星的演化:(1)宇宙的演化:宇宙大爆炸溫度為1032K,產(chǎn)生了__________________等粒子溫度下降到1013K左右,_____時(shí)代→溫度下降到1011K時(shí),_____時(shí)代→溫度下降到109K時(shí),_______時(shí)代溫度下降到104K,混合電離態(tài)→溫度下降到3000K時(shí),________________________。,夸克、輕子、,膠子,強(qiáng)子,輕子,核合成,中性的氫原子,恒星和星系,,(2)恒星的演化:宇宙塵?！鷂______→恒星誕生→氫核聚合成_____→氦核聚合成碳核→其他聚變過程→無聚變反應(yīng),形成白矮星或_______或黑洞。,星云團(tuán),氦核,中子星,,【預(yù)習(xí)診斷】1.請(qǐng)判斷下列說法的正誤。(1)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。()(2)熱核反應(yīng)除用在核武器上外,還用于核電站發(fā)電。(),,(3)熱核反應(yīng)一旦發(fā)生,就不再需要外界給它能量。()(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。(),,提示:(1)√。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3～4倍。(2)。熱核反應(yīng)主要用在核武器上,核電站發(fā)電利用的是重核裂變。(3)√。熱核反應(yīng)一旦發(fā)生,就不再需要外界給它能量,靠自身產(chǎn)生的熱就可以使反應(yīng)進(jìn)行下去。,,(4)。質(zhì)子、中子本身也有復(fù)雜的結(jié)構(gòu),是可再分的。(5)?？淇说膸щ娏坎皇请娮与姾傻恼麛?shù)倍。,,2.(多選)下列說法中正確的是()A.聚變反應(yīng)中有質(zhì)量虧損,所以必向外界放出能量B.使核發(fā)生聚變反應(yīng)必須使核之間的距離接近到1.510-15m,也就是接近到核力能夠發(fā)生作用的范圍內(nèi)C.要使核發(fā)生聚變反應(yīng),無須克服核力做功D.熱核反應(yīng)只有在人工控制下才能發(fā)生,,【解析】選A、B。由質(zhì)能方程可知A正確;輕核結(jié)合成質(zhì)量較大核,必須使輕核間的距離達(dá)到能產(chǎn)生核力的范圍,才能使它們緊密地結(jié)合起來,B正確、C錯(cuò)誤;熱核反應(yīng)必須在很高的溫度下才能發(fā)生,不一定要人工控制,D錯(cuò)誤。,,3.太陽(yáng)放出的大量中微子向地球飛來,但實(shí)驗(yàn)測(cè)定的數(shù)目只有理論的三分之一,后來科學(xué)家發(fā)現(xiàn)中微子在向地球傳播過程中衰變成一個(gè)μ子和一個(gè)τ子。若在衰變過程中μ子的速度方向與中微子原來的方向一致,則τ子的運(yùn)動(dòng)方向(),,A.一定與μ子同方向B.一定與μ子反方向C.一定與μ子在同一直線上D.不一定與μ子在同一直線上,,【解析】選C。中微子衰變成μ子和τ子,滿足動(dòng)量守恒,μ子的速度方向與中微子原來的方向一致,τ子必定也在這條直線上。,知識(shí)點(diǎn)一核聚變的特點(diǎn)及應(yīng)用探究導(dǎo)入:如圖為氫彈原理示意圖。,,(1)若要發(fā)生核聚變,對(duì)原子核間的距離有什么要求?(2)核聚變?yōu)楹斡纸袩岷朔磻?yīng)?,,提示:(1)原子核間的距離達(dá)到10-15m以內(nèi)。(2)核聚變需要在幾百萬開爾文的高溫下才能進(jìn)行,因此核聚變又叫熱核反應(yīng)。,,【歸納總結(jié)】1.聚變發(fā)生的條件:要使輕核聚變,必須使輕核接近核力發(fā)生作用的距離10-15m,這要克服電荷間強(qiáng)大的斥力作用,要求使輕核具有足夠大的動(dòng)能,有一種辦法就是把它們加熱到幾百萬開爾文的高溫。2.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)。,,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,就不再需要外界給它能量,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?一種不需要人工控制的輕核聚變反應(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):目前處于探索階段。,,5.重核裂變與輕核聚變的區(qū)別:,,,【典例探究】考查角度1對(duì)核聚變的理解【典例1】(多選)下列關(guān)于聚變的說法中,正確的是()A.要使聚變產(chǎn)生,必須克服庫(kù)侖斥力做功B.輕核聚變需要幾百萬開爾文的高溫,因此聚變又叫作熱核反應(yīng),,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(yīng)D.太陽(yáng)和許多恒星內(nèi)部都在激烈地進(jìn)行著熱核反應(yīng),在地球內(nèi)部也可以自發(fā)地進(jìn)行,,【解析】選A、B、C。輕核聚變時(shí),要使輕核之間距離達(dá)到10-15m,所以必須克服庫(kù)侖斥力做功,A正確;原子核必須有足夠的動(dòng)能,才能使它們接近到核力能發(fā)生作用的范圍,實(shí)驗(yàn)證實(shí),原子核必須處在幾百萬開爾文的高溫下才有這樣的能量,這樣高的溫度通過原子彈爆炸獲得,故B、C正確;在太陽(yáng)和其他恒星內(nèi)部都存在著熱核反應(yīng),但在地球上不會(huì)自發(fā)地進(jìn)行,D錯(cuò)誤。,考查角度2核聚變釋放核能的計(jì)算【典例2】(2017全國(guó)卷Ⅰ)大科學(xué)工程“人造太陽(yáng)”主要是將氘核聚變反應(yīng)釋放的能量用來發(fā)電，氘核聚變反應(yīng)方程是已知的質(zhì)量為2.0136u，的質(zhì)量為3.0150u，的質(zhì)量為1.0087u，1u=931MeV/c2。氘核聚變反應(yīng)中釋放的核能約為()A.3.7MeVB.3.3MeVC.2.7MeVD.0.93MeV,,【解析】選B。氘核聚變反應(yīng)的質(zhì)量虧損Δm=2m氘-m氦-mn=0.0035u，則該反應(yīng)釋放的核能為ΔE=Δm931MeV=3.2585MeV≈3.3MeV。,,【過關(guān)訓(xùn)練】1.科學(xué)家發(fā)現(xiàn)在月球上含有豐富的(氦3),它是一種高效、清潔、安全的核聚變?nèi)剂?其參與的一種核聚變反應(yīng)的方程式為關(guān)于聚變下列表述正確的是(),,A.聚變反應(yīng)不會(huì)釋放能量B.聚變反應(yīng)產(chǎn)生了新的原子核C.聚變反應(yīng)沒有質(zhì)量虧損D.目前核電站都采用聚變反應(yīng)發(fā)電,,【解析】選B。核聚變反應(yīng)中產(chǎn)生新的原子核,同時(shí)由于發(fā)生了質(zhì)量虧損,會(huì)有核能的釋放,B正確,A、C錯(cuò)誤;核聚變是人類利用核能的途徑之一。目前核電站大多采用重核裂變的方法來釋放與利用核能發(fā)電,D錯(cuò)誤。,,2.(多選)能源是社會(huì)發(fā)展的基礎(chǔ),發(fā)展核能是解決能源問題的途徑之一,下列釋放核能的反應(yīng)方程,表述正確的有(),,【解析】選A、C。兩個(gè)輕核聚合成一個(gè)較重的核的反應(yīng)為核聚變反應(yīng),故A對(duì)B錯(cuò)。重核被中子轟擊后分裂成兩個(gè)中等質(zhì)量的原子核并放出若干個(gè)中子的反應(yīng)為核裂變反應(yīng),故C對(duì)。原子核放出α或β粒子后變成另一種原子核的反應(yīng)稱為原子核的衰變。原子核的衰變的反應(yīng)物只有一種,故D錯(cuò)。,,知識(shí)點(diǎn)二新粒子的發(fā)現(xiàn)和夸克模型探究導(dǎo)入:圖為歐洲粒子加速器,能使粒子獲得13萬億電子伏特的能量。,,(1)高速粒子碰撞能產(chǎn)生一些新的粒子,試說出部分20世紀(jì)30年代以來發(fā)現(xiàn)的新粒子。(2)隨著新粒子的發(fā)現(xiàn),質(zhì)子與中子為什么不再被稱為“基本粒子”?,,提示:(1)介子、超子、電子中微子、μ子、μ子中微子、τ子、τ子中微子等。(2)因?yàn)橘|(zhì)子與中子也有著復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu),它們也是由更基本的粒子組成,質(zhì)子與中子不再被稱為“基本粒子”。,【歸納總結(jié)】1.新粒子的發(fā)現(xiàn)及特點(diǎn):,,2.粒子的分類:,,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:夸克所帶的電荷量是分?jǐn)?shù)電荷量,即其電荷量為元電荷的-或+。例如,上夸克帶的電荷量為+,下夸克帶的電荷量為-。(4)意義:電子電荷不再是電荷的最小單位,即存在分?jǐn)?shù)電荷。,,【典例探究】【典例】以下說法正確的是()A.最早發(fā)現(xiàn)的輕子是電子,最早發(fā)現(xiàn)的強(qiáng)子是中子B.質(zhì)子、中子、介子和超子都屬于強(qiáng)子C.強(qiáng)子、輕子都有內(nèi)部結(jié)構(gòu)D.τ子質(zhì)量比核子質(zhì)量大,τ子不屬于輕子,,【解析】選B。最早發(fā)現(xiàn)的強(qiáng)子是質(zhì)子,最早發(fā)現(xiàn)的輕子是電子,故選項(xiàng)A錯(cuò)誤;強(qiáng)子有內(nèi)部結(jié)構(gòu),由夸克組成,輕子沒有內(nèi)部結(jié)構(gòu),所以C錯(cuò)誤;質(zhì)子、中子、介子、超子都屬于強(qiáng)子,τ子質(zhì)量比核子質(zhì)量大,但仍屬于輕子,B正確、D不正確。,,【過關(guān)訓(xùn)練】(多選)(2018合肥高二檢測(cè))下列關(guān)于夸克模型的說法正確的是()A.強(qiáng)子是由更基本的夸克組成的B.夸克的電荷量分別為元電荷的+或-C.每種夸克都有對(duì)應(yīng)的反夸克D.夸克能以自由的狀態(tài)單個(gè)出現(xiàn),,【解析】選A、B、C。夸克不能以自由的狀態(tài)單個(gè)出現(xiàn),D錯(cuò)誤,A、B、C正確。,,【補(bǔ)償訓(xùn)練】1.根據(jù)宇宙大爆炸的理論,在宇宙形成之初是“粒子家族”盡顯風(fēng)采的時(shí)期,那么在大爆炸之后最早產(chǎn)生的粒子是()A.夸克、輕子、膠子等粒子B.質(zhì)子和中子等強(qiáng)子C.光子、中微子和電子等輕子D.氫核、氘核、氦核等輕核,,【解析】選A。宇宙形成之初產(chǎn)生了夸克、輕子和膠子等粒子,之后又經(jīng)歷了質(zhì)子和中子等強(qiáng)子時(shí)代,再之后是自由光子、中微子、電子大量存在的輕子時(shí)代,再之后是中子和質(zhì)子組合成氘核,并形成氦核的核合成時(shí)代,之后電子和質(zhì)子復(fù)合成氫原子,最后形成恒星和星系,因此A正確,B、C、D錯(cuò)誤。,,2.目前普遍認(rèn)為,質(zhì)子和中子都是由被稱為u夸克和d夸克的兩類夸克組成的。u夸克帶電荷量為e,d夸克的帶電荷量為-e,e為元電荷,下列論斷中可能正確的是()A.質(zhì)子由1個(gè)u夸克和2個(gè)d夸克組成,中子由1個(gè)u夸克和2個(gè)d夸克組成,,B.質(zhì)子由2個(gè)u夸克和1個(gè)d夸克組成,中子由1個(gè)u夸克和2個(gè)d夸克組成C.質(zhì)子由1個(gè)u夸克和2個(gè)d夸克組成,中子由2個(gè)u夸克和1個(gè)d夸克組成D.質(zhì)子由2個(gè)u夸克和1個(gè)d夸克組成,中子由2個(gè)u夸克和1個(gè)d夸克組成,,【解析】選B。質(zhì)子帶電荷量為2e+(-e)=e,中子帶電荷量為e+2(-e)=0?？梢夿正確。,【拓展例題】考查內(nèi)容:聚變過程的核能計(jì)算【典例示范】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)電子和四個(gè)質(zhì)子聚變?yōu)楹?已知太陽(yáng)的質(zhì)量為21030kg,太陽(yáng)向周圍空間輻射能量的總功率為3.81023kW。,(1)寫出上述聚變反應(yīng)的方程;(2)已知質(zhì)子質(zhì)量mp=1.6710-27kg,氦核質(zhì)量mα=6.645810-27kg,電子質(zhì)量me=9.010-31kg,光速c=3108m/s,求每發(fā)生一次上述核反應(yīng)所釋放的能量;(3)根據(jù)題目中數(shù)據(jù)計(jì)算太陽(yáng)1秒鐘減少的質(zhì)量。,,【解析】(1)根據(jù)聚變反應(yīng)滿足質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒,得核反應(yīng)方程為(2)反應(yīng)中的質(zhì)量虧損Δm=2me+4mp-mα=29.010-31kg+41.6710-27kg-6.645810-27kg=3.610-29kg,,由愛因斯坦質(zhì)能方程可知核反應(yīng)釋放的能量ΔE=Δmc2=3.610-29(3108)2J=3.2410-12J。(3)太陽(yáng)每秒釋放的能量為3.81026J,則太陽(yáng)每秒減少的質(zhì)量為Δm=≈4.2109kg。,,答案:(1)(2)3.2410-12J(3)4.2109kg,答案速填:①自發(fā)地②α射線③β射線④γ射線⑤⑦半數(shù)⑧核子⑨質(zhì)子數(shù)⑩中子數(shù)?電荷數(shù)?質(zhì)量數(shù)?核子?核子數(shù)?mc2?小于,