2018-2019高中物理 第19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,【自主預習】1.核聚變:(1)定義:兩個輕核結合成質量_____的核的反應。輕核聚變必須在高溫下進行,因此又叫_________。(2)核反應舉例:,較大,熱核反應,,2.受控熱核反應:(1)定義:為了使巨大的熱核反應能量不以爆炸的形式釋放,而是在_____控制下逐漸釋放出來并加以_____的熱核反應。(2)條件:熱核燃料加熱到非常高的_____;熱核反應釋放的能量足以補償形成聚變過程中所損失的能量。,人工,利用,溫度,,(3)聚變與裂變的對比優(yōu)點。①輕核聚變_____效率高;②地球上聚變燃料的儲量_____;③輕核聚變更___________。(4)約束核聚變材料的方法:_______和慣性約束。,產(chǎn)能,豐富,安全、清潔,磁約束,,3.發(fā)現(xiàn)新粒子:(1)新粒子的發(fā)現(xiàn):1932年發(fā)現(xiàn)了_______,1937年發(fā)現(xiàn)了_____,1947年發(fā)現(xiàn)了K介子和π介子,迄今發(fā)現(xiàn)的粒子已達到400多種。(2)反粒子:實驗中發(fā)現(xiàn),許多粒子都存在著質量與它們_____,而電荷及其他一些物理性質_____的粒子。,正電子,μ子,相同,相反,,(3)分類:強子、_____和_______。(4)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_____構成的。,輕子,媒介子,夸克,,4.宇宙及恒星的演化:(1)宇宙的演化從___________開始。(2)恒星的演化經(jīng)歷了宇宙塵埃,星云團,恒星誕生,最后恒星的熱核反應停止后恒星演變?yōu)開______、_______或_____。,宇宙大爆炸,白矮星,中子星,黑洞,,【預習小測】1.太陽能是由太陽內部熱核聚變反應形成的,其核反應主要是(),,【解析】選A。太陽內部核聚變是氫原子核的聚變,故A正確;B項中為實現(xiàn)原子核人工轉變的反應,C項中為重核裂變,D項中為α衰變,均不屬聚變反應。故B、C、D不正確。,,2.原子核聚變有望給人類未來提供豐富的潔凈能源。當氘等離子體被加熱到適當高溫時,氘核參與的幾種聚變反應可能發(fā)生,放出能量。這幾種反應的總效果可以表示為由平衡條件可知()A.k=1,d=4B.k=2,d=2C.k=1,d=6D.k=2,d=3,,【解析】選B。由質量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒,分別有4k+d+2=12,2k+d=6,解得k=2,d=2。正確選項為B。,,3.一個氘核與一個氚核發(fā)生聚變,產(chǎn)生一個中子和一個新核,并出現(xiàn)質量虧損。聚變過程中()A.吸收能量,生成的新核是B.放出能量,生成的新核是C.吸收能量,生成的新核是D.放出能量,生成的新核是,,【解析】選B。聚變反應出現(xiàn)質量虧損,一定放出能量,由質量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒可知,生成的新核是,選項B正確。,主題一核聚變【互動探究】1.為什么實現(xiàn)核聚變要使聚變的燃料加熱到幾百萬開爾文的高溫?,提示:(1)微觀上:參與反應的原子核必須接近到核力的作用范圍內,約為10-15m這種程度,因而必須使它們具有很大的動能以克服原子核之間巨大的庫侖斥力做功,由原子核的動能轉化為原子核的電勢能,使核子之間的核力發(fā)生作用,輕核才能聚變成質量較大的核。,,(2)宏觀上:要使原子核具有足夠大的動能,就得把它加熱到幾百萬開爾文的高溫,才能使聚變反應發(fā)生,因此聚變又叫熱核反應。,2.與重核的裂變相比聚變有哪些特點?提示:(1)在消耗相同質量的核燃料時,輕核聚變比重核裂變釋放更多的能量。(2)熱核反應一旦發(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進行下去。(3)普遍性:熱核反應在宇宙的恒星中時時刻刻地進行著,太陽就是一個巨大的熱核反應堆。,,3.目前人們實現(xiàn)的核聚變是什么?實現(xiàn)熱核反應存在的困難是什么?提示:(1)目前人們能實現(xiàn)的熱核反應是氫彈的爆炸,是由普通炸藥引爆原子彈,再由原子彈爆炸產(chǎn)生的高溫高壓引發(fā)熱核反應,但這是不可控制的。(2)實現(xiàn)熱核反應存在的困難是:地球上沒有任何容器能夠經(jīng)受住熱核反應所需要的高溫。,,4.如何實現(xiàn)對熱核反應的控制?可控熱核反應有哪些優(yōu)點?提示:(1)可能實現(xiàn)對熱核反應的控制方法:磁約束:利用磁場來約束參加反應的物質。環(huán)流器是目前性能最好的一種磁約束裝置。慣性約束:利用強激光從各個方向照射參加反應的物質,使它們由于慣性還來不及擴散就完成了核反應。,,(2)可控熱核反應的優(yōu)點:放射性污染小,不產(chǎn)生核廢料,核燃料十分豐富。,,【探究總結】1.核聚變反應的條件:反應物質應達到極高的溫度。2.核聚變反應的特點:(1)釋放能量大。(2)一旦反應,可自發(fā)進行。(3)不可控制。(4)普遍存在于宇宙中。(5)污染小,核燃料豐富。,,【典例示范】關于核聚變的說法正確的是()A.聚變是裂變的逆反應B.如果裂變釋放能量,則聚變反應一定吸收能量C.聚變反應須將熱核燃料加熱到數(shù)百萬度以上的溫度,顯然是吸熱反應D.聚變和裂變都可以釋放出巨大的能量,,【解題指南】(1)聚變反應和裂變反應的定義。(2)吸能和放能的判斷依據(jù)。(3)聚變反應的條件。,,【解析】選D。從形式上看聚變和裂變好像是互逆反應,其實不然,兩者的反應物和生成物全然不同,裂變是重核分裂成中等核,而聚變是兩個輕核聚合為質量較大的輕核,兩者不可能互為逆反應,A錯;聚變和裂變反應的質量都發(fā)生了虧損,故都是放能反應,要放出巨大的能量,B錯D對;聚變反應須將熱核燃料加熱到數(shù)百萬度以,,上的溫度,但一旦反應進行,自身釋放的巨大能量足以提供高溫使反應繼續(xù)進行,故聚變反應是放能反應,C錯。,,【探究訓練】1.關于輕核聚變釋放核能,下列說法正確的是()A.一次聚變反應一定比一次裂變反應釋放的能量多B.聚變反應比裂變反應每個核子釋放的平均能量一定大C.聚變反應中粒子的比結合能變小D.聚變反應中由于形成質量較大的核,故反應后質量增加,,【解析】選B。在一次聚變反應中釋放的能量不一定比裂變反應多,但平均每個核子釋放的能量一定大,故A錯誤、B正確;由于聚變反應中釋放出巨大能量,則比結合能一定增加,質量發(fā)生虧損,故C、D錯誤。,,2.現(xiàn)在太陽向外輻射的能量是由于太陽內部氫核聚變產(chǎn)生的,大約在40億年以后太陽內部將會啟動另一種核反應,其核反應方程為那時太陽向外輻射的能量是由上述兩種核反應產(chǎn)生的。已知的質量為m1，的質量為m2,則下列判斷正確的是()A.3m1>m2B.3m1m2,即選項A正確。,,【補償訓練】(多選)科學家發(fā)現(xiàn)在月球上含有豐富的(氦3)。它是一種高效、清潔、安全的核聚變燃料,其參與的一種核聚變反應的方程式為關于聚變下列表述正確的是(),,A.聚變反應不會釋放能量B.聚變反應產(chǎn)生了新的原子核C.聚變反應會有質量虧損D.目前核電站都采用聚變反應發(fā)電,,【解析】選B、C。聚變反應是將質量較小的輕核聚變成質量較大的核,聚變過程會有質量虧損,要放出大量的能量。但目前核電站都采用鈾核的裂變反應發(fā)電。綜上所述,選項B、C正確。,,【通法悟道】衰變、人工轉變、裂變和聚變方程的區(qū)別(1)衰變是原子核自發(fā)地轉變?yōu)榱硪环N核,并向外輻射出α粒子或β粒子的反應,衰變根據(jù)向外輻射粒子的不同分為α衰變和β衰變兩種。,,(2)人工轉變通常是用α粒子或中子去轟擊靶核,靶核俘獲入射粒子后產(chǎn)生新的原子核,并放出一個或幾個粒子的反應。(3)重核分解成中等質量的核的反應叫裂變,輕核聚合成重核的反應叫聚變。,主題二粒子和宇宙【互動探究】1.結合下表分析粒子的分類及特點。,夸克,介子和重子,內部結構,光子傳遞電磁相,互作用、中間玻,色子傳遞弱相互,作用、膠子傳遞,強相互作用,,2.強子和夸克的關系是怎樣的?夸克分多少種?它的帶電性是怎樣的?什么是夸克的“禁閉”?提示:夸克是強子的基本組成成分;夸克有6種:上夸克、下夸克、奇異夸克、粲夸克、底夸克、頂夸克;它們帶的電荷分別為元電荷的每種夸克都有對應的反夸克;夸克不能以自由的狀態(tài)單個出現(xiàn)的性質,叫夸克的“禁閉”。,,3.什么是反粒子?所有的粒子都存在反粒子嗎?提示:實驗發(fā)現(xiàn),許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。按照粒子的對稱性,有一個粒子,就應該有一個反粒子。,,4.“夸克模型”的提出有什么物理意義?提示:夸克模型的提出是物理學發(fā)展史中的一個重大突破,它指出電子電荷不再是電荷的最小單元,即存在分數(shù)電荷。而另一方面也說明科學正是由于一個一個的突破才得到進一步的發(fā)展。,,【探究總結】1.粒子:強子、輕子和媒介子。2.夸克:是強子的基本組成成分,有6種,帶的元電荷。,,【典例示范】在β衰變中常伴有一種稱為“中微子”的粒子放出。中微子的性質十分特別,因此在實驗中很難探測。1953年,萊尼斯和柯文建造了一個由大水槽和探測器組成的實驗系統(tǒng),利用中微子與水中的核反應,間接地證實了中微子的存在。,,(1)中微子與水中的發(fā)生核反應,產(chǎn)生中子和正電子即中微子可以判定,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0B.0和1C.1和0D.1和1,,(2)上述核反應產(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,可以轉變?yōu)閮蓚€光子(γ),即已知正電子和電子的質量都為9.110-31kg,反應中產(chǎn)生的每個光子的能量約為________J。正電子與電子相遇不可能只轉變?yōu)橐粋€光子,原因是_________________________________。,,【解題指南】解答本題時應注意以下三點:(1)對核反應根據(jù)質量數(shù)和電荷數(shù)守恒,判斷質量數(shù)和電荷數(shù)。(2)正電子和負電子的湮滅,根據(jù)質能方程判斷光子的能量。(3)根據(jù)動量守恒定律判斷產(chǎn)生光子的個數(shù)。,【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(jù)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(chǎn)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,代入數(shù)據(jù)得=8.210-14J。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,故如果只產(chǎn)生一個光子是不可能的,因為此過程遵循動量守恒定律。,,答案:(1)A(2)8.210-14此過程遵循動量守恒定律,,【探究訓練】1.(多選)下列說法中正確的是()A.聚變反應中有質量虧損,所以必向外界放出能量B.發(fā)生核聚變反應必須使核之間的距離接近到10-15m,也就是接近到核力能夠發(fā)生作用的范圍內C.要使核發(fā)生聚變反應,必須克服核力做功D.熱核反應只有在人工控制下才能發(fā)生,,【解析】選A、B。由質能方程可知A正確。輕核結合成質量較大的核,必須使輕核間的距離達到能發(fā)生核力的范圍,才能使它們緊密地結合起來,B正確、C錯誤。熱核反應必須在很高的溫度下才能發(fā)生,不一定要人工控制,D錯。,,2.(多選)下列說法正確的是()A.是α衰變方程B.是核聚變反應方程C.是核裂變反應方程D.是原子核的人工轉變方程,,【解析】選B、D。本題主要考查核反應方程問題,A中方程為人工轉變方程,A錯誤。B為核聚變方程,B正確。C為α衰變方程,C錯誤。D為原子核的人工轉變方程,D正確,正確答案B、D。,,【補償訓練】(多選)下列關于夸克模型的說法正確的是()A.強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C.每種夸克都有對應的反夸克D.夸克能以自由的狀態(tài)單個出現(xiàn),,【解析】選A、B、C?？淇瞬荒芤宰杂傻臓顟B(tài)單個出現(xiàn),D錯誤,A、B、C正確。,【課堂小結】,