3.6核聚变-3.7粒子物理学简介(选学) 学案（2020年教科版高中物理选修3-5）

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1、6 核聚变核聚变 7 粒子物理学简介粒子物理学简介(选学选学) 学科素养与目标要求 物理观念：1.知道什么是核聚变，了解核聚变的特点和条件.2.了解可控热核反应及其研究和 发展.3.了解构成物质的“基本粒子”和粒子物理学的发展史.4.了解几种典型的粒子加速器. 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 两个轻原子核结合成较重原子核的反应.轻核聚变需要在高温下进行， 因此聚变反应又称为热 核反应. 2.聚变方程举例 2 1H 3 1H 4 2He 1 0n17.60 MeV. 3.聚变发生的条件 要使轻核聚变，必须使轻核间的距离达到核力发生作用

2、的距离 10 15 m 以内，这要克服电荷 间巨大的静电斥力作用，使轻核具有足够大的动能.要使原子核具有足够大的动能，温度必须 达到 108 K 的高温. 4.特点：(1)在消耗相同质量的核燃料时，核聚变反应比核裂变反应释放更多的能量. (2)核聚变反应没有放射性废料产生. (3)核聚变反应所用的氘在地球上的储量丰富. 二、受控热核反应 1.聚变的优点：第一，轻核聚变产能效率高；第二，地球上聚变燃料的储量丰富；第三，轻 核聚变更为安全、清洁，控制温度，可控制反应，而且生成的废物数量少、易处理. 2.聚变的难点：地球上没有任何容器能够经受热核反应的高温. 3.控制方法： (1)磁约束：利用磁场约

3、束参加反应的物质，目前最好的一种磁约束装置是环流器. (2)惯性约束：聚变物质因自身的惯性，在极短时间内来不及扩散就完成了核反应，在惯性的 约束下，用激光从各个方向照射反应物，使它们“挤”在一起发生反应. 三、粒子 1.“基本粒子”不基本 “基本粒子”：直到 19 世纪末，人们认为电子、质子、中子是“基本粒子”，随着科学的发 展，一方面逐渐发现了数以百计的新粒子，它们都不是由中子、质子、电子组成的；另一方 面科学家又发现质子、 中子等本身也有自己的复杂的结构.因此， 20 世纪后半期， 就将“基本” 二字去掉，统称粒子. 2.粒子的分类：按照粒子与各种相互作用的关系，可将粒子分为三大类：媒介子

4、、轻子和强子. 3.夸克模型 夸克模型的提出：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.至今发现的夸克有 6 种. 四、3 种典型的粒子加速器 1.直线加速器 (1)粒子的运动轨迹是一条直线. (2)满足的条件：要保持粒子与高频电场之间的谐振关系. (3)优点：粒子束的强度高. 2.回旋加速器 (1)粒子运动轨迹：在磁场中做匀速圆周运动. (2)满足条件：高频电源的频率等于粒子回旋的频率. (3)优点：粒子被加速到的能量可达 40 MeV. 3.对撞机 (1)定义：能够实现两束相对运动的粒子对撞的设备叫做对撞机. (2)工作原理：粒子先在同步加速器中加速，然

5、后射入对撞机，两束粒子流反方向回旋在轨道 交叉处相互碰撞，获得较大能量. 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，比裂变反应中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热核反应所需的温度.( ) (5)太阳目前正处于氢通过热核反应成为氦的阶段，以电磁波的形式向外辐射核能.( ) 2.氘核和氚核可发生热核聚变而释放出巨大的能量，该反应方程为：21H31H 42HeX，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

6、1 u、3.016 1 u、4.002 6 u 和 1.008 7 u；1 u931.5 MeV c2 ，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(结果保留三位有效数字). 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能量为 E0.018 9931.5 MeV17.6 MeV. 一、核聚变 1.聚变发生的条件 要使轻核聚变，必须使轻核间的距离达到 10 15

7、m 以内，这要克服电荷间强大的静电斥力作 用，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 108 K 的高温. 2.轻核聚变是放能反应 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. 3.聚变方程 2 1H 3 1H 4 2He 1 0n. 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 放能原理 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大约要大3 4 倍 核废料处理难度 聚变反应的核废料处理要比裂变反应容易

8、得多 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，对应的质量亏损是 mm1m2(m3m4) D.该反应是轻核的聚变，反应中释放的核能为(m3m4m1m2)c2 答案 C 解析 氘核和氚核的比结合能小于氦核的比结合能，氘核和氚核的核子平均质量比氦核大， 该反应会放出一定的能量，故 A

9、、B 错误；该反应是轻核的聚变，对应的质量亏损是 m m1m2(m3m4)，释放的核能为 Emc2(m1m2m3m4)c2，故 C 正确，D 错误. 针对训练 1 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.聚变反应平均每个核子释放的能量一定比裂变反应大 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，故反应后质量增加 答案 B 解析 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 比裂变反应大，故选项 A 错误，B 正确；由于聚变反应中释放出巨大的能量，则比结合能一 定增加，质量发生亏损，

10、故选项 C、D 错误. 二、聚变反应中释放核能的计算 例 2 太阳内部持续不断地发生着四个质子聚变为一个氦核同时放出两个正电子的热核反 应，这个核反应释放出的大量能量就是太阳的能源.(已知质子质量为 mH1.007 3 u，氦核质 量为 mHe4.001 5 u，电子质量为 me0.000 55 u,1 u 相当于 931.5 MeV 的能量) (1)写出这个核反应方程. (2)这一核反应能释放多少能量？ (3)已知太阳每秒释放的能量为 3.81026 J，则太阳每秒减少的质量为多少千克？ 答案 (1)411H42He2 0 1e (2)24.78 MeV (3)4.22109 kg 解析 (

11、1)由题意可得核反应方程应为 411H42He2 0 1e. (2)反应前的质量 m14mH41.007 3 u4.029 2 u， 反应后的质量 m2mHe2me4.001 5 u 20.000 55 u4.002 6 u，mm1m20.026 6 u，由质能方程得，释放能量 E0.026 6 931.5 MeV24.78 MeV. (3)由质能方程 Emc2得太阳每秒减少的质量 mE c2 3.810 26 31082 kg4.2210 9 kg. 三、粒子的分类和夸克模型 1.粒子的分类 分类 参与的相 互作用 发现的粒子 备注 强子 参与强相 互作用 质子、中子、介子、超子 强子有内部

12、结构，由“夸 克”构成； 强子又可分为介 子和重子 轻子 不参与强 相互作用 电子、电子中微子、 子、 子中微子、 子、 子中微子 未发现内部结构 媒介子 传递各种 相互作用 光子、中间玻色子、胶子 光子、中间玻色子、胶子分 别传递电磁、弱、强相互作 用 2.夸克模型 (1)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). (2)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2 3或 1 3.例如， 上夸克带的电荷量为2e 3 ，下夸克带的电荷量为e 3. (3)意义：电子电荷不再是电荷的最小单元，即存在分数电荷. 例 3 (

13、多选)下列关于夸克模型的说法正确的是( ) A.强子是由更基本的夸克组成的 B.夸克的电荷量分别为元电荷的2 3或 1 3 C.每种夸克都有对应的反夸克 D.夸克能以自由的状态单个出现 答案 ABC 解析 夸克不能以自由的状态单个出现，D 错误. 针对训练 2 2010 年 3 月 31 日欧洲大型强子对撞机实现首次质子束对撞成功.科学家希望以 接近光速飞行的质子在发生撞击之后，能模拟宇宙大爆炸的能量，并产生新的粒子，帮助人 类理解暗物质、反物质以及其他超对称现象，从根本上加深了解宇宙本质，提示宇宙形成之 谜.欧洲科研机构宣布他们已经制造出 9 个反氢原子.请推测反氢原子的结构是( ) A.由

14、 1 个带正电荷的质子和 1 个带负电荷的电子构成 B.由 1 个带负电荷的反质子和 1 个带正电荷的正电子构成 C.由 1 个带负电荷的反质子和 1 个带负电荷的电子构成 D.由 1 个不带电荷的中子和 1 个带正电荷的正电子构成 答案 B 解析 根据反粒子定义，“反粒子”与“正粒子”具有相同的质量，但带有等量的异种电荷. 因此“反氢原子”应该具有与氢原子相同的质量，相反的电荷符号且等量的电荷量，所以 B 正确. 1.(对核聚变的理解)科学家发现在月球上含有丰富的32He(氦 3)，它是一种高效、清洁、安全的 核聚变燃料，其参与的一种核聚变反应的方程式为 232He 211H42He，关于3

15、2He 聚变下列表 述正确的是( ) A.聚变反应不会释放能量 B.聚变反应产生了新的原子核 C.聚变反应没有质量亏损 D.目前核电站都采用32He 聚变反应发电 答案 B 解析 核聚变反应中产生新的原子核，同时由于发生了质量亏损，会有核能的释放，B 正确， A、C 错误；目前核电站大多采用重核裂变的方法来释放与利用核能发电，D 错误. 2.(对核聚变的理解)(多选)月球土壤里大量存在着一种叫“氦 3(32He)”的化学元素，是热核聚 变的重要原料.科学家初步估计月球上至少有 100 万吨氦 3，如果相关技术开发成功，将可为 地球带来取之不尽的能源.关于“氦 3(32He)”与氘核聚变，下列说

16、法正确的是( ) A.核反应方程为32He21H42He11H B.核反应生成物的质量将大于参加反应物的质量 C.“氦 3(32He)”一个核子的结合能大于“氦 4(42He)”一个核子的结合能 D.“氦 3(32He)”的原子核与一个氘核发生聚变将放出能量 答案 AD 解析 根据质量数守恒、电荷数守恒和已知条件可以写出核反应方程为32He21H42He11H， 故 A 正确；由于此核反应过程中放出能量将出现质量亏损，所以 B、C 错误，D 正确. 3.(核反应方程的理解)(多选)能源是社会发展的基础，发展核能是解决能源问题的途径之一. 下列释放核能的反应方程中，表述正确的是( ) A.31H

17、21H42He10n 是核聚变反应 B.31H21H42He10n 是 衰变 C.235 92U 1 0n 144 56Ba 89 36Kr3 1 0n 是核裂变反应 D.235 92U 1 0n 140 54Xe 94 38Sr2 1 0n 是 衰变 答案 AC 解析 两个轻核聚合成一个较重的核的反应为核聚变反应， 故 A 对，B 错.重核被中子轰击后 分裂成两个中等质量的原子核并放出若干个中子的反应为核裂变反应， 故 C 对.原子核放出 或 粒子后变成另一种原子核的反应称为原子核的衰变.原子核的衰变的反应物只有一种， 故 D 错. 4.(核聚变释放核能的计算)大科学工程“人造太阳”主要是将氘核聚变反应释放的能量用来 发电.氘核聚变反应方程是： 2 1H 2 1H 3 2He 1 0n.已知 2 1H 的质量为2.013 6 u， 3 2He 的质量为3.015 0 u， 1 0n 的质量为 1.008 7 u，1 u931.5 MeV/c 2.氘核聚变反应中释放的核能约为( ) A.3.7 MeV B.3.3 MeV C.2.7 MeV D.0.93 MeV 答案 B 解析 反应的质量亏损m2mHmHemn0.003 5 u，则E0.003 5931.5 MeV3.3 MeV， 故 B 正确，A、C、D 错误.