高二物理課件 19.7 《核聚變》 19.8 粒子和宇宙 （人教選修3-5）

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歡迎進(jìn)入物理課堂 一 核聚變的發(fā)生條件 特點(diǎn)及其與核裂變的比較 1 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) 例如21H 31H10n 42He 17 6MeV2 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 要使原子核具有足夠大的動(dòng)能 就要給它們加熱 使物質(zhì)達(dá)到幾百萬(wàn)開(kāi)爾文的高溫 4 應(yīng)用 1 核武器 氫彈 2 可控?zé)岷朔磻?yīng) 目前處于探索階段 常見(jiàn)的聚變反應(yīng) 21H 21H31H 11H 4MeV 21H 31H42He 10n 17 6MeV 在這兩個(gè)反應(yīng)中 前一反應(yīng)的材料是氘 后一反應(yīng)的材料是氘和氚 而氚又是前一反應(yīng)的產(chǎn)物 所以氘是實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)反應(yīng)的原始材料 而氘是重水的組成部分 在覆蓋地球表面三分之二的海水中是取之不盡的 從這個(gè)意義上講 輕核聚變是能源危機(jī)的終結(jié)者 典例1 2011 長(zhǎng)沙高二檢測(cè) 太陽(yáng)的能量來(lái)自下面的反應(yīng) 四個(gè)質(zhì)子 氫核 聚變成一個(gè) 粒子 同時(shí)發(fā)射兩個(gè)正電子 若太陽(yáng)輻射能量的總功率為P 質(zhì)子11H 氦核42He 正電子01e的質(zhì)量分別為mp m me 真空中的光速為c 求 1 寫出核反應(yīng)方程 2 核反應(yīng)所釋放的能量 E 3 1s內(nèi)參與上述熱核反應(yīng)的質(zhì)子數(shù)目 解題指導(dǎo) 解答該題應(yīng)關(guān)注以下幾點(diǎn) 標(biāo)準(zhǔn)解答 1 根據(jù)質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒 可得核反應(yīng)方程為411H42He 201e 2 質(zhì)量虧損 m 4mp m 2me 根據(jù)愛(ài)因斯坦質(zhì)能方程 E mc2 核反應(yīng)釋放的能量 E 4mp m 2me c2 3 設(shè)單位時(shí)間內(nèi)參與熱核反應(yīng)的質(zhì)子數(shù)為N 依據(jù)能量關(guān)系答案 1 411H42He 201e 2 4mp m 2me c2 3 規(guī)律方法 輕核聚變釋放核能的計(jì)算方法 1 根據(jù)質(zhì)量虧損計(jì)算根據(jù)愛(ài)因斯坦質(zhì)能方程 用核子結(jié)合成原子核時(shí)質(zhì)量虧損 m 的千克數(shù)乘以真空中的光速 c 3 108m s 的平方 即 E mc2 2 根據(jù)1原子質(zhì)量單位 u 相當(dāng)于931 5MeV能量 用核子結(jié)合成原子核時(shí)質(zhì)量虧損的原子質(zhì)量單位數(shù)乘以931 5MeV 即 E m 931 5MeV 注意 式 中 m的單位為kg 式 中 m的單位是u E的單位是MeV 變式訓(xùn)練 一個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子聚變?yōu)橐粋€(gè)氚核 已知質(zhì)子質(zhì)量mH 1 0073u 中子質(zhì)量mn 1 0087u 氚核質(zhì)量m 3 0180u 1 寫出聚變方程 2 求釋放出的核能多大 3 求平均每個(gè)核子釋放的能量是多大 解析 1 聚變方程11H 210n31H 2 質(zhì)量虧損 m mH 2mn m 1 0073 2 1 0087 3 0180 u 0 0067u 釋放的核能 E mc2 0 0067 931 5MeV 6 24MeV 3 平均每個(gè)核子放出的能量為MeV 2 08MeV 答案 1 11H 210n31H 2 6 24MeV 3 2 08MeV 變式備選 我國(guó)自行設(shè)計(jì) 研制的 人造太陽(yáng) 裝置 全超導(dǎo)非圓截面核聚變實(shí)驗(yàn)裝置 EAST 成為世界上第一個(gè)同時(shí)具有全超導(dǎo)磁體和主動(dòng)冷卻結(jié)構(gòu)的核聚變實(shí)驗(yàn)裝置 它的建成使我國(guó)邁入磁約束核聚變領(lǐng)域先進(jìn)國(guó)家行列 下列關(guān)于 人造太陽(yáng) 的說(shuō)法正確的是 A 人造太陽(yáng) 的核反應(yīng)方程是23592U 10n14156Ba 9236Kr 310nB 人造太陽(yáng) 的核反應(yīng)方程是21H 31H42He 10nC 人造太陽(yáng) 核能大小的計(jì)算公式是E mc2D 人造太陽(yáng) 釋放的能量大小的計(jì)算公式是 E mc2 解析 選B D 人造太陽(yáng) 內(nèi)進(jìn)行的是核聚變反應(yīng) 故A錯(cuò)誤 B正確 核反應(yīng)放出的能量應(yīng)由愛(ài)因斯坦質(zhì)能方程計(jì)算 C錯(cuò)誤 D正確 二 對(duì)粒子的認(rèn)識(shí) 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例如上夸克帶的電荷量為 2e 3 下夸克帶的電荷量為 e 3 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d夸克的帶電荷量為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 解題指導(dǎo) 題目中給出的信息是u夸克與d夸克的帶電荷量 據(jù)質(zhì)子11H帶一個(gè)元電荷的電荷量及中子10n不帶電進(jìn)行判斷 標(biāo)準(zhǔn)解答 選B 根據(jù)質(zhì)子和中子所帶電荷量 經(jīng)驗(yàn)證 質(zhì)子11H帶電荷量為中子10n帶電荷量為故B正確 變式訓(xùn)練 已知 介子 介子都是由一個(gè)夸克 夸克u或夸克d 和一個(gè)反夸克 反夸克或反夸克 組成的 它們的帶電荷量如下表所示 表中e為元電荷 下列說(shuō)法正確的是 A 由u和組成B 由d和組成C 由u和組成D 由d和組成 解析 選A D 因 介子帶有 e的電荷量 且是由一個(gè)夸克和一個(gè)反夸克組成的 則夸克u帶和反夸克帶 e合成電荷量為e 那么 介子就是由夸克u和反夸克組成的 同理 介子由夸克d和反夸克組成 所以A D正確 典例 2011 聊城高二檢測(cè) 兩個(gè)動(dòng)能均為1MeV的氘核發(fā)生正面碰撞 引起如下反應(yīng) 21H 21H31H 11H 已知 氘核的質(zhì)量為2 0136u 氚核的質(zhì)量為3 0156u 氫核的質(zhì)量為1 0073u 1原子質(zhì)量單位 u 相當(dāng)于931 5MeV 試求 1 此核反應(yīng)中放出的能量 E為多少M(fèi)eV 2 若放出的能量全部變?yōu)樾律说膭?dòng)能 則新生的氫核所具有的動(dòng)能為多少M(fèi)eV 解題指導(dǎo) 解答本題應(yīng)把握以下關(guān)鍵點(diǎn) 1 應(yīng)用質(zhì)能方程求核反應(yīng)釋放的能量 2 氘核碰撞過(guò)程動(dòng)量守恒 3 反應(yīng)過(guò)程中能量守恒 氘核初動(dòng)能與反應(yīng)放出的能量之和等于新生核的動(dòng)能 標(biāo)準(zhǔn)解答 1 由質(zhì)能方程 核反應(yīng)中放出的能量為 E mc2 2 2 0136u 3 0156u 1 0073u 3 108m s 2 4 005MeV 2 相互作用過(guò)程中動(dòng)量守恒p1 p2新生的氚核的動(dòng)能 新生的氫核的動(dòng)能 由能量守恒得 代入數(shù)據(jù)得新生的氫核的動(dòng)能 4 5MeV 一 選擇題1 2011 昆明高二檢測(cè) 一個(gè)氘核 21H 與一個(gè)氚核 31H 發(fā)生聚變 產(chǎn)生一個(gè)中子和一個(gè)新核 并出現(xiàn)質(zhì)量虧損 聚變過(guò)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 選B 聚變過(guò)程中存在質(zhì)量虧損 應(yīng)放出能量 由核反應(yīng)21H 31H10n 42He 可知新核為42He B對(duì) 2 關(guān)于輕核聚變釋放核能 下列說(shuō)法正確的是 A 一次聚變反應(yīng)一定比一次裂變反應(yīng)釋放的能量多B 聚變反應(yīng)比裂變反應(yīng)每個(gè)核子釋放的平均能量一定大C 聚變反應(yīng)中粒子的比結(jié)合能變小D 聚變反應(yīng)中由于形成質(zhì)量較大的核 故反應(yīng)后質(zhì)量變大 解析 選B 在一次聚變反應(yīng)中釋放的能量不一定比裂變反應(yīng)多 但平均每個(gè)核子釋放的能量一定大 故A錯(cuò)誤 B正確 由于聚變反應(yīng)中釋放出巨大能量 則比結(jié)合能一定增加 質(zhì)量發(fā)生虧損 故C D錯(cuò)誤 3 2011 宣武區(qū)高二檢測(cè) 太陽(yáng)內(nèi)部持續(xù)不斷地發(fā)生著4個(gè)質(zhì)子 11H 聚變?yōu)?個(gè)氦核 42He 的熱核反應(yīng) 核反應(yīng)方程是411H42He 2X 這個(gè)核反應(yīng)釋放出大量核能 已知質(zhì)子 氦核 X的質(zhì)量分別為m1 m2 m3 真空中的光速為c 下列說(shuō)法中正確的是 A 方程中的X表示中子 10n B 方程中的X表示電子 0 1e C 這個(gè)核反應(yīng)中質(zhì)量虧損 m 4m1 m2D 這個(gè)核反應(yīng)中釋放的核能 E 4m1 m2 2m3 c2 解析 選D 由質(zhì)量數(shù)守恒和核電荷數(shù)守恒知 X為0 1e A B均錯(cuò) 該反應(yīng)中質(zhì)量虧損 m 4m1 m2 2m3 C錯(cuò) E mc2 4m1 m2 2m3 c2 D對(duì) 4 2011 吉水高二檢測(cè) 核聚變能是一種具有經(jīng)濟(jì)性能優(yōu)越 安全可靠 無(wú)環(huán)境污染等優(yōu)勢(shì)的新能源 近年來(lái) 受控核聚變的科學(xué)可行性已得到驗(yàn)證 目前正在突破關(guān)鍵技術(shù) 最終將建成商用核聚變電站 一種常見(jiàn)的核聚變反應(yīng)是由氫的同位素氘 又叫重氫 和氚 又叫超重氫 聚合成氦 并釋放一個(gè)中子 若已知氘原子的質(zhì)量為2 0141u 氚原子的質(zhì)量為3 0160u 氦原子的質(zhì)量為4 0026u 中子的質(zhì)量為1 0087u 1u 1 66 10 27kg 則這個(gè)核反應(yīng)釋放出來(lái)的能量為 光速c 3 00 108m s 1u相當(dāng)于931 5MeV A 2 8 10 10JB 2 8 10 12JC 1 75MeVD 17 5MeV 解析 選B D 核反應(yīng)釋放出來(lái)的能量 E mc2 m m氘 m氚 mHe mn 0 0188u 由計(jì)算得 E 2 8 10 12J 17 5MeV 故B D正確 5 下列關(guān)于聚變的說(shuō)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(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)和許多恒星內(nèi)部都在激烈地進(jìn)行著熱核反應(yīng) 解析 選A B C D 輕核聚變時(shí) 要使輕核之間距離達(dá)到10 15m以內(nèi) 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(wàn)攝氏度的高溫下才有這樣的能量 這樣高的溫度通常利用原子彈爆炸獲得 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) D正確 6 下列所述正確的是 A 原子是組成物質(zhì)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電子構(gòu)成 質(zhì)子和中子組成了原子核D 質(zhì)子 中子本身也是復(fù)合粒子 它們也有著自己復(fù)雜的結(jié)構(gòu) 解析 選C D 原子由原子核和核外電子構(gòu)成 是可分的 比原子大的微粒還有分子 質(zhì)子和中子組成原子核 質(zhì)子 中子本身也是復(fù)合粒子 由此可知 質(zhì)子 中子不是構(gòu)成物質(zhì)的最小微粒 故A B錯(cuò)誤 C D選項(xiàng)正確 7 關(guān)于聚變 以下說(shuō)法正確的是 A 兩個(gè)氘核可以聚變成一個(gè)中等質(zhì)量的原子核 同時(shí)釋放出能量B 同樣質(zhì)量的物質(zhì)發(fā)生聚變時(shí)放出的能量比同樣質(zhì)量的物質(zhì)裂變時(shí)釋放的能量大得多C 聚變反應(yīng)的條件是聚變物質(zhì)的體積達(dá)到臨界體積D 發(fā)生聚變反應(yīng)時(shí)的原子核必須有足夠大的動(dòng)能 解析 選B D 兩個(gè)輕核聚合為較大質(zhì)量的原子核就可釋放能量 但兩個(gè)氘核的生成物不是中等質(zhì)量的核 仍然是輕核 故A錯(cuò)誤 聚變反應(yīng)放出的能量比同樣質(zhì)量的物質(zhì)裂變時(shí)釋放的能量大得多 這點(diǎn)由聚變反應(yīng)的特點(diǎn)就可以知道 故B正確 裂變反應(yīng)的條件是裂變物質(zhì)的體積達(dá)到臨界體積 而聚變反應(yīng)的條件是原子核間距達(dá)到10 15m以內(nèi) 故要求有足夠大的動(dòng)能克服原子核間的斥力做功 故C錯(cuò) D正確 8 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) 二 非選擇題9 我國(guó)在核聚變研究領(lǐng)域處于世界先進(jìn)行列 在實(shí)驗(yàn)中觀察到有下列4種核反應(yīng) 21H 21H32He 10n 3 25MeV 21H 21H31H 11H 4 00MeV 21H 31H42He 10n 17 5MeV 21H 32He42He 11H 18 3MeV 已知在實(shí)際發(fā)生核聚變時(shí) 上述4種反應(yīng)的概率相同 其原料直接或間接都是氘核 而氘核在地球上的儲(chǔ)量非常豐富 每升海水中大約有0 030g氘 那么1L海水中的氘全部發(fā)生聚變釋放的總能量為多少 NA取6 02 1023 mol 解析 由于發(fā)生4種反應(yīng)的概率相同 將4個(gè)核反應(yīng)相加得總反應(yīng)為621H242He 210n 211H 43 05MeV1mol氘全部聚變釋放的能量為每升海水中所含的氘為0 030g 釋放的總能量應(yīng)為答案 1 04 1010J 10 已知氘核的質(zhì)量為2 0136u 中子的質(zhì)量為1 0087u 32He的質(zhì)量為3 0150u 1 試寫出兩個(gè)氘核聚變生成32He的核反應(yīng)方程 2 計(jì)算上述反應(yīng)中釋放的核能 3 若兩個(gè)氘核以相等的動(dòng)能0 35MeV做對(duì)心碰撞即可發(fā)生上述核反應(yīng) 且釋放的核能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能 則反應(yīng)中生成32He核和中子的動(dòng)能各是多少 解析 1 21H 21H32He 10n 2 核反應(yīng)中質(zhì)量虧損 m 2 0136u 2 3 0150u 1 0087u 0 0035u釋放的核能 E mc2 0 0035 931 5MeV 3 26MeV 3 設(shè)32He核和中子的質(zhì)量分別為m1 m2 速度分別為v1 v2 則由動(dòng)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 核反應(yīng)中的能量守恒問(wèn)題本題容易出錯(cuò)的地方是列能量守恒定律式時(shí) 漏掉碰前兩個(gè)氘核的動(dòng)能 原因是對(duì)能量轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移的途徑?jīng)]有搞清楚 碰前兩個(gè)氘核的動(dòng)能應(yīng)轉(zhuǎn)移到新生核的動(dòng)能上 而不是憑空消失 Thankyou 同學(xué)們 來(lái)學(xué)校和回家的路上要注意安全 同學(xué)們 來(lái)學(xué)校和回家的路上要注意安全