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7 核聚变 (2)_图文

核聚变

1967 年 6 月 17 日, 我国第一颗氢弹爆炸成功。 从 第一颗原子弹爆炸成功到第一颗氢 弹爆炸成功,我国仅 用了两年零八个月。前苏联用了四年,美国用了 7 年。 氢弹爆炸释 放核能是通过轻核的聚变来实现的。这节课 我们就来研究聚变的问题。

主题1 核聚变

研读教材·自主认知

1.核聚变:

(1)定义:两个轻核结合成质量_较__大__的核的反应。轻核聚变必须在高

温下进行,因此又叫_热__核__反__应__。

(2)核反应举例:

2 1

H

?13

H

?

__42 H__e__

?10

n

?17.6

MeV。

2.受控热核反应: (1)定义:为了使巨大的热核反应能量不以爆炸的形式释放,而是在 _人__工__控制下逐渐释放出来并加以_利__用__的热核反应。 (2)条件:热核燃料加热到非常高的_温__度__;热核反应释放的能量足以 补偿形成聚变过程中所损失的能量。

(3)聚变与裂变的对比优点。 ①轻核聚变_产__能__效率高; ②地球上聚变燃料的储量_丰__富__; ③轻核聚变更_安__全__、__清__洁__。 (4)约束核聚变材料的方法:_磁__约__束__和惯性约束。

合作探究·核心归纳 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? 提示:(1)微观上:参与反应的原子核必须接近到核力的作用范围内,约 为10-15m这种程度,因而必须使它们具有很大的动能以克服原子核之间 巨大的库仑斥力做功,由原子核的动能转化为原子核的电势能,使核子 之间的核力发生作用,轻核才能聚变成质量较大的核。 (2)宏观上:要使原子核具有足够大的动能,就得把它加热到几百万开 尔文的高温,才能使聚变反应发生,因此聚变又叫热核反应。

2.与重核的裂变相比聚变有哪些特点? 提示:(1)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。 (2)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 可以使反应进行下去。 (3)普遍性:热核反应在宇宙的恒星中时时刻刻地进行着,太阳就是一 个巨大的热核反应堆。

3.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? 提示:(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,但这是不可 控制的。 (2)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。

4.如何实现对热核反应的控制?可控热核反应有哪些优点? 提示:(1)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 加反应的物质。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。 (2)可控热核反应的优点:放射性污染小,不产生核废料,核燃料十分丰 富。

【归纳总结】 1.聚变发生的条件:要使轻核聚变,必须使轻核接近核力发生作用的距 离10-15m,这要克服电荷间强大的斥力作用,要求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,使物质达到几 百万开尔文的高温。

2.轻核聚变与重核裂变的区别:

放能 原理
放能 多少
核废料 处理难


重核裂变

轻核聚变

重核分裂成两个或多个中等 两个轻核结合成质量较大

质量的原子核,放出核能

的原子核,放出核能

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

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
可控性

重核裂变
核裂变燃料铀在地球上储 量有限,尤其用于核裂变 的铀235在铀矿石中只占 0.7%
速度比较容易进行人工控 制,现在的核电站都是用 裂变反应释放核能

轻核聚变 主要原料是氘,氘在地球上 的储量非常丰富,1L海水中 大约有0.03g氘,如果用来进 行热核反应,放出的能量约 与燃烧300L汽油相当
目前,除氢弹以外,人们还不 能控制它

3.核聚变反应的特点: (1)释放能量大。 (2)一旦反应,可自发进行。 (3)不可控制。 (4)普遍存在于宇宙中。 (5)污染小,核燃料丰富。

过关小练·即时应用 1.关于核聚变的说法正确的是( ) A.聚变是裂变的逆反应 B.如果裂变释放能量,则聚变反应一定吸收能量 C.聚变反应须将热核燃料加热到数百万度以上的温度,显然是吸热反 应 D.聚变和裂变都可以释放出巨大的能量

【解题指南】解答本题时应注意以下三点: (1)聚变反应和裂变反应的定义。 (2)吸能和放能的判断依据。 (3)聚变反应的条件。

【解析】选D。从形式上看聚变和裂变好像是互逆反应,其实不然,两 者的反应物和生成物全然不同,裂变是重核分裂成中等核,而聚变是两 个轻核聚合为质量较大的轻核,两者不可能互为逆反应,A错误;聚变和 裂变反应的质量都发生了亏损,故都是放能反应,要放出巨大的能量,B 错误,D对;聚变反应须将热核燃料加热到数百万度以上的温度,但一旦 反应进行,自身释放的巨大能量足以提供高温使反应继续进行,故聚变 反应是放能反应,C错。

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

2 1

H

?

3 1

H

?

4 2

He

?

x,式中x是某种粒子。已知:21H、31H、24 He

和粒子x的质

量分别为2.0141u、3.0161u、4.0026u和1.0087u;1u= 931.5 MeV。c
c2

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)。

【解析】根据质量数和电荷数守恒可得x是

1 0

n(中子)。核反应中的质

量亏损为Δm=(2.0141u+3.0161u-4.0026u-1.0087u)=0.0189u

所以该反应释放出的能量为ΔE=Δm·c2=17.6MeV

答案:

1 0

n

(或中子)

17.6

【补偿训练】

1.太阳不断地向外辐射能量,仍保持1千万度以上的高温,其主要原因

是太阳内部进行着剧烈的( )

A.衰变反应

B.人工核反应

C.裂变反应

D.热核反应

【解析】选D。太阳的内部时刻都在进行着氢核的聚变,即热核反应,

故D对。

2.原子核聚变有望给人类未来提供丰富的洁净能源。当氘等离子体被

加热到适当高温时,氘核参与的几种聚变反应可能发生,放出能量。这

几种反应的总效果可以表示为

6 21H

?

k

4 2

He

?

d 11 H

?

2

1 0

n

?

43.15

MeV,

由平衡条件可知( )

A.k=1,d=4

B.k=2,d=2

C.k=1,d=6

D.k=2,d=3

【解析】选B。由质量数守恒和电荷数守恒,分别有4k+d+2=12,

2k+d=6,解得k=2,d=2。正确选项为B。

【通法悟道】衰变、人工转变、裂变和聚变方程的区别 (1)衰变是原子核自发地转变为另一种核,并向外辐射出α 粒子或β 粒 子的反应,衰变根据向外辐射粒子的不同分为α 衰变和β 衰变两种。 (2)人工转变通常是用α 粒子或中子去轰击靶核,靶核俘获入射粒子后 产生新的原子核,并放出一个或几个粒子的反应。 (3)重核分解成中等质量的核的反应叫裂变,轻核聚合成重核的反应叫 聚变。

主题2 粒子和宇宙 研读教材·自主认知
1.发现新粒子: (1)新粒子的发现:1932年发现了_正__电__子__,1937年发现了_μ__子__,1947 年发现了K介子和π 介子,迄今发现的粒子已达到400多种。 (2)反粒子:实验中发现,许多粒子都存在着质量与它们_相__同__,而电荷 及其他一些物理性质_相__反__的粒子。

(3)分类:强子、_轻__子__和_媒__介__子__。 (4)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。 2.宇宙及恒星的演化: (1)宇宙的演化从_宇__宙__大__爆__炸__开始。 (2)恒星的演化经历了宇宙尘埃,星云团,恒星诞生,最后恒星的热核反 应停止后恒星演变为_白__矮__星__、_中__子__星__或_黑__洞__。

合作探究·核心归纳

1.结合下表分析粒子的分类及特点。

分类 强子 轻子

参与的 相互作用

发现的粒子

参与强相互 质子、中子、

作用

介子、超子

特点
强子有内部结构,由_夸__克__ 构成,强子又可分为_介__子__ _和__重__子__

电子、电子中微

不参与强相 子、μ 子、μ 子

互作用

中微子、τ 子、

τ 子中微子

未发现_内__部__结__构__

分类 媒介子

参与的 发现的粒子
相互作用 光子、中间
传递各种相 玻色子、胶
互作用 子

特点
_光__子__传__递__电__磁__相__互__作__用__、__ _中__间__玻__色__子__传__递__弱__相__互__作__ _用__、__胶__子__传__递__强__相__互__作__用__

2.强子和夸克的关系是怎样的?夸克分多少种?它的带电性是怎样的? 什么是夸克的“禁闭”? 提示:夸克是强子的基本组成成分;夸克有6种:上夸克、下夸克、奇 异夸克、粲夸克、底夸克、顶夸克;它们带的电荷分别为元电荷的 ? 2 或 ? 1;每种夸克都有对应的反夸克;夸克不能以自由的状态单个出
33
现的性质,叫夸克的“禁闭”。

3.什么是反粒子?所有的粒子都存在反粒子吗? 提示:实验发现,许多粒子都有和它质量相同而电荷及其他一些物理量 相反的粒子,叫反粒子。按照粒子的对称性,有一个粒子,就应该有一 个反粒子。

4.“夸克模型”的提出有什么物理意义? 提示:夸克模型的提出是物理学发展史中的一个重大突破,它指出电子 电荷不再是电荷的最小单元,即存在分数电荷。而另一方面也说明科 学正是由于一个一个的突破才得到进一步的发展。

【归纳总结】 1.粒子:强子、轻子和媒介子。 2.夸克:是强子的基本组成成分,有6种,带 ? 2 或 ? 1 的元电荷。
33

过关小练·即时应用 1.为了探究宇宙起源,“阿尔法磁谱仪”(AMS)将在太空中寻找“反物 质”。所谓“反物质”是由“反粒子”构成的。“反粒子”与其对应 的正粒子具有相同的质量和相同的电荷量,但电荷的符号相反。由此 可知反氢原子是( ) A.由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个不带电的中子和1个带正电荷的正电子构成

【解析】选B。氢原子由一个电子和一个质子组成,根据“反物质”和 “反粒子”的概念,可知反氢原子由一个带负电荷的反质子和一个带 正电荷的正电子组成,故选项B正确,其他选项错误。

2.在β 衰变中常伴有一种称为“中微子”的粒子放出。中微子的性质

十分特别,因此在实验中很难探测。1953年,莱尼斯和柯文建造了一个

由大水槽和探测器组成的实验系统,利用中微子与水中

1 1

H

的核反应,

间接地证实了中微子的存在。

(1)中微子与水中的

1 1

H

发生核反应,产生中子(10n)和正电子

(0?1e),

即中微子 ?11H ?10 n ?0?1 e,可以判定,中微子的质量数和电荷数分别是

________。(填写选项前的字母)

A.0和0

B.0和1

C.1和0

D.1和1

(2)上述核反应产生的正电子与水中的电子相遇,与电子形成几乎静止

的整体后,可以转变为两个光子(γ

),即

0 ?1

e

?0?1

e

?

2?。

已知正电子和

电子的质量都为9.1×10-31kg,反应中产生的每个光子的能量约为

________J。正电子与电子相遇不可能只转变为一个光子,原因是

_________________。

【解题指南】解答本题时应注意以下三点: (1)对核反应根据质量数和电荷数守恒,判断质量数和电荷数。 (2)正电子和负电子的湮灭,根据质能方程判断光子的能量。 (3)根据动量守恒定律判断产生光子的个数。

【解析】(1)发生核反应前后,粒子的质量数和电荷数均不变,据此可

知中微子的质量数和电荷数都是0,A项正确。(2)产生的能量是由于质

量亏损。两个电子转变为两个光子之后,质量变为零,则E=Δmc2,故一

个光子的能量为 E ,代入数据得 E =8.2×10-14J。正电子与水中的电

2

2

子相遇,与电子形成几乎静止的整体,故系统总动量为零,故如果只产

生一个光子是不可能的,因为此过程遵循动量守恒定律。

答案:(1)A (2)8.2×10-14 此过程遵循动量守恒定律

【补偿训练】(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 或 ? 1
33
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 【解析】选A、B、C。夸克不能以自由的状态单个出现,D错误,A、B、 C正确。


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