19.7核聚变-19.8粒子和宇宙 学案(含答案)
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1、7 7 核聚变核聚变 8 8 粒子和宇宙粒子和宇宙 学科素养与目标要求 物理观念:1.了解核聚变的特点和条件.2.知道粒子的分类及其特点,了解夸克模型.3.了解宇 宙起源的大爆炸学说及恒星的演化 科学思维:1.会判断和书写核聚变反应方程.2.能计算核聚变释放的能量 一、核聚变 1聚变 两个轻核结合成质量较大的核, 释放出核能的反应, 称为核聚变, 聚变反应又称为热核反应 2聚变方程 2 1H 3 1H 4 2He 1 0n17.6 MeV. 3聚变发生的条件 要使轻核发生聚变,必须使轻核间的距离达到核力发生作用的距离 10 15 m 以内,这要克服 原子核间巨大的库仑斥力作用,要求使轻核具有足
2、够大的动能要使原子核具有足够大的动 能,有一种方法就是给它们加热,使物质达到几百万开尔文的高温 4太阳能:太阳的主要成分是氢太阳的中心温度达 1.5107 K在这样的高温下,氢核聚 变成氦核的反应不停地进行着太阳能就是太阳内部聚变时释放的核能 二、粒子和宇宙 1“基本粒子”不基本 (1)直到 19 世纪末,人们都认为原子是组成物质的不可再分的最小微粒,后来人们发现了光 子、电子、质子、中子,并把它们叫做“基本粒子” (2)随着科学的发展,科学家们发现了很多的新粒子并不是由以上基本粒子组成的,并发现质 子、中子等本身也有复杂结构 2发现新粒子 (1)新粒子:1932 年发现了正电子,1937 年
3、发现了 子,1947 年发现了 K 介子和 介子,后 来发现了超子等 (2)粒子的分类:按照粒子与各种相互作用的不同关系,可将粒子分为三大类:强子、轻子和 媒介子 3夸克模型的提出 1964 年提出的强子的夸克模型,认为强子是由夸克组成的 1判断下列说法的正误 (1)核聚变时吸收能量( ) (2)核聚变平均每个核子放出的能量,比核裂变平均每个核子放出的能量大( ) (3)轻核聚变比裂变更安全、清洁( ) (4)实现核聚变的难点是地球上没有任何容器能够经受住热核反应所需的温度( ) (5)质子、中子不能再分( ) (6)夸克的带电荷量是电子电荷量的整数倍( ) 2氘核和氚核可发生热核聚变而释放出
4、巨大的能量,该反应方程为:21H31H42Hex,式 中 x 是某种粒子已知:21H、31H、42He 和粒子 x 的质量分别为 2.014 1 u、3.016 1 u、4.002 6 u 和 1.008 7 u;1 u931.5 MeV c2 ,其中 c 是真空中的光速由上述反应方程和数据可知,粒子 x 是_,该反应释放出的能量为_ MeV(结果保留 3 位有效数字) 答案 1 0n(或中子) 17.6 解析 根据质量数和电荷数守恒可得 x 是10n(中子) 核反应中的质量亏损为 m2.014 1 u3.016 1 u4.002 6 u1.008 7 u0.018 9 u 所以该反应释放出的
5、能量为 Em c217.6 MeV. 一、核聚变的特点及应用 1为什么实现核聚变要使聚变的燃料加热到几百万开尔文的高温? 答案 轻核的聚变反应,是较轻的核子聚合成较重的核子,要使得核子的强相互作用发挥作 用,必须使核子间的距离达到 10 15 m 以内;同时由于在此距离时原子核之间的库仑斥力十 分巨大,因而需要核子有很大的动能,表现在宏观上就是核燃料需要达到极高的温度 2 目前人们实现的核聚变是什么?实现热核反应存在的困难是什么?可能实现对热核反应的 控制的方法是什么? 答案 (1)目前人们能实现的热核反应是氢弹的爆炸,是由普通炸药引爆原子弹,再由原子弹 爆炸产生的高温高压引发热核反应 (2)
6、实现热核反应存在的困难是:地球上没有任何容器能够经受住热核反应所需要的高温 (3)可能实现对热核反应的控制方法: 磁约束:利用磁场来约束参与反应的物质环流器是目前性能最好的一种磁约束装置 惯性约束:利用强激光从各个方向照射参加反应的物质,使它们由于惯性还来不及扩散就完 成了核反应 1轻核的聚变是放能反应 从原子核的比结合能图线中看,轻核聚变后比结合能增加,因此聚变反应是一个放能反应 2核聚变的特点 在消耗相同质量的核燃料时,轻核聚变比重核裂变释放更多的能量 热核反应一旦发生,就不再需要外界给它能量,靠自身产生的热就可以使反应继续下去 普遍性:热核反应在宇宙中时时刻刻地进行着,太阳就是一个巨大的
7、热核反应堆 3核聚变的应用 (1)核武器氢弹:一种不需要人工控制的轻核聚变反应装置它利用弹体内的原子弹爆炸 产生的高温高压引发热核爆炸 (2)可控热核反应:目前处于探索阶段 4重核裂变与轻核聚变的区别 反应方式 比较项目 重核裂变 轻核聚变 反应过程 重核分裂成两个或多个中等 质量的原子核,放出核能 两个轻核结合成质量较大的原子核, 放出核能 放能多少 聚变反应比裂变反应平均每个核子放出的能量要大 34 倍 核废料处理难度 聚变反应的核废料处理要比裂变反应简单得多 原料的蕴藏量 核裂变燃料铀在地球上储量 有限,尤其用于核裂变的铀 235 在天然铀中只占 0.7% 主要原料是氘,氘在地球上的储量
8、非 常丰富.1 L 水中大约有 0.03 g 氘,如 果用来进行热核反应,放出的能量约 与燃烧 300 L 汽油释放的能量相当 可控性 反应速度比较容易进行人工 控制,现在的核电站都是用 核裂变反应释放核能 目前人们还不能控制它 例 1 (2018 成都外国语学校高二期末)氘核、氚核、中子、氦核的质量分别是 m1、m2、m3、 m4,氘核与氚核结合成一个氦核并释放一个中子:21H31H42He10n.对于这个反应,以下说 法正确的是( ) A氘核和氚核的比结合能比氦核大,所以该反应会释放核能 B氘核和氚核的核子的平均质量比氦核大,所以该反应会吸收一定的能量 C该反应是轻核的聚变,对应的质量亏损
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