高中物理人教版 (新课标)选修37 核聚变学案及答案

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一、核聚变
1．定义
两个轻核结合成质量较大的核，并释放出能量的反应．
2．举例
eq \\al(2,1)H＋eq \\al(3,1)H→eq \\al(4,2)He＋eq \\al(1,0)n＋17.6 MeV.
3．条件
(1)轻核的距离要达到10－15 m以内．
(2)需要加热到很高的温度，因此又叫热核反应．
4．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)轻核聚变更为安全、清洁．
5．约束方法
磁约束和惯性约束．
二、粒子和宇宙
1．基本粒子不基本
(1)直到19世纪末，人们都认为光子、电子、质子和中子是基本粒子．
(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年发现了μ子，1947年发现了K介子和π介子及以后的超子等．
(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：强子、轻子和媒介子．
(3)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．
3．宇宙及恒星的演化
(1)宇宙演化
根据大爆炸理论，在宇宙形成之初是“粒子家族”尽显风采的时期．在大爆炸之后逐渐形成了夸克、轻子和胶子等粒子，随后经过强子时代、轻子时代、核合成时代，继续冷却，质子、电子、原子等与光子分离而逐步组成恒星和星系．
(2)恒星的演化
①恒星的形成：大爆炸后，在万有引力作用下形成星云团，进一步凝聚使引力势能转变为内能，温度升高，直到发光，于是恒星诞生了．
②恒星演变：核聚变反应，层级递进地在恒星内发生，直到各种热核反应不再发生时，恒星的中心密度达到极大．
③恒星归宿：恒星最后的归宿有三种，它们是白矮星、中子星、黑洞．
1．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)核聚变反应中平均每个核子放出的能量比裂变时小一些．(×)
(2)现在地球上消耗的能量绝大部分来自太阳内部的聚变反应．(√)
(3)质子、中子、电子都是不可再分的基本粒子．(×)
(4)按照夸克模型，电子所带电荷不再是电荷的最小单元．(√)
2．(多选)下列关于聚变的说法中正确的是( )
A．要使聚变产生，必须克服库仑斥力做功
B．轻核聚变需要几百万摄氏度的高温，因此聚变又叫做热核反应
C．原子弹爆炸能产生几百万摄氏度的高温，所以氢弹利用原子弹引发热核反应
D．自然界中不存在天然的热核反应
[解析] 轻核聚变时，必须使轻核之间距离达到10－15 m以内，所以必须克服库仑斥力做功，A正确；原子核必须有足够的动能，才能使它们接近到核力能发生作用的范围，实验证实，原子核必须处在几百万摄氏度下才有这样的能量，这样高的温度通常利用原子弹爆炸获得，故B、C正确；在太阳内部或其他恒星内部都进行着热核反应，D错误．
[答案] ABC
3．(多选)根据宇宙大爆炸的理论，在宇宙形成之初是“粒子家族”尽显风采的时期，那么在大爆炸之后最早产生的粒子是( )
A．夸克 B．质子
C．轻子D．中子
[解析] 宇宙形成之初产生了夸克、轻子和胶子等粒子，之后又经历了质子和中子等强子时代，再之后是自由光子、中微子、电子大量存在的轻子时代，再之后是中子和质子组合成氘核，并形成氦核的核合成时代，之后电子和质子复合成氢原子，最后形成恒星和星系，因此A、C正确，B、D错误．
[答案] AC
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10－15 m，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．核聚变的特点
(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：热核反应在宇宙中时时刻刻地进行着，太阳就是一个巨大的热核反应堆．
4．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聚变爆炸．
(2)可控热核反应：目前处于探索阶段．
5．重核裂变与轻核聚变的区别
【例1】 氘核(eq \\al(2,1)H)和氚核(eq \\al(3,1)H)结合成氦核(eq \\al(4,2)He)的核反应方程如下：eq \\al(2,1)H＋eq \\al(3,1)H→eq \\al(4,2)He＋eq \\al(1,0)n＋17.6 MeV
(1)这个核反应称为________．
(2)要发生这样的核反应，需要将反应物质的温度加热到几百万开尔文．式中17.6 MeV是核反应中________(填“放出”或“吸收”)的能量，核反应后生成物的总质量比核反应前物质的总质量________(填“增加”或“减少”)了________kg(保留一位有效数字)．
[解析] 在轻核聚变反应中，由于质量亏损，放出核能，由ΔE＝Δmc2，可以求得Δm＝eq \f(ΔE,c2)≈3×10－29 kg.
[答案] (1)核聚变 (2)放出 减少 3×10－29
1核聚变反应和一般的核反应一样，也遵循电荷数和质量数守恒，这是书写核反应方程式的重要依据.
2核能的计算关键是要求出核反应过程中的质量亏损，然后代入ΔE＝Δmc2进行计算.
1．(2019·全国卷Ⅱ)太阳内部核反应的主要模式之一是质子－质子循环，循环的结果可表示为
4eq \\al(1,1)H→eq \\al(4,2)He＋2eq \\al(0,1)e＋2ν
已知eq \\al(1,1)H和eq \\al(4,2)He的质量分别为mp＝1.007 8 u和mα＝4.002 6 u，1 u＝931 MeV/c2，c为光速．在4个eq \\al(1,1)H转变为1个eq \\al(4,2)He的过程中，释放的能量约为( )
A．8 MeV B．16 MeV C．26 MeV D．52 MeV
[解析] 核反应质量亏损Δm＝4×1.007 8 u－4.002 6 u＝0.028 6 u，释放的能量ΔE＝0.028 6×931 MeV＝26.6 MeV，选项C正确．
[答案] C
1．新粒子的发现及特点
2．粒子的分类
3．夸克模型
(1)夸克的提出：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)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)．
(3)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－eq \f(1,3)或＋eq \f(2,3).例如，上夸克带的电荷量为＋eq \f(2e,3)，下夸克带的电荷量为－eq \f(e,3).
(4)意义：电子电荷不再是电荷的最小单位，即存在分数电荷．
【例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eq \\al(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eq \\al(1,1)H发生核反应，产生中子(eq \\al(1,0)n)和正电子(eq \\al(0,1)e)，即：中微子＋eq \\al(1,1)H→eq \\al(1,0)n＋eq \\al(0,1)e
可以判定，中微子的质量数和电荷数分别是________．
(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eq \\al(0,1)e＋eq \\al( 0,－1)e→2γ，已知正电子和电子的质量都为9.1×10－31 kg，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，原因是什么？
[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.
(2)产生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ΔE＝Δmc2，故一个光子的能量为eq \f(ΔE,2)，代入数据得eq \f(ΔE,2)＝8.2×10－14 J．正电子与水中的电子相遇，与电子形成几乎静止的整体，故系统总动量为零，故只有产生2个光子，此过程才遵循动量守恒定律．
[答案] (1)0和0 (2)8.2×10－14 原因略
对核反应中新生成粒子的认识
新生成的粒子和实物粒子一样，也能产生物质波，它们之间发生相互作用时，同样遵循动量守恒定律等力学规律．
2．目前普遍认为，质子和中子都是由被称为u夸克和d夸克的两类夸克组成．u夸克带电荷量为＋eq \f(2,3)e，d夸克带电荷量为－eq \f(1,3)e，e为元电荷，下列论断可能正确的是( )
A．质子由1个u夸克和1个d夸克组成，中子由1个u夸克和2个d夸克组成
B．质子由2个u夸克和1个d夸克组成，中子由1个u夸克和2个d夸克组成
C．质子由1个u夸克和2个d夸克组成，中子由2个u夸克和1个d夸克组成
D．质子由2个u夸克和1个d夸克组成，中子由1个u夸克和1个d夸克组成
[解析] 由于质子带e的正电荷，则由两个u夸克和一个d夸克组成，其总的电荷量为e；中子不带电，则由一个u夸克、两个d夸克组成，其总的电荷量为0，由此可知B正确．
[答案] B
1．(多选)关于人们发现的新粒子，下列说法正确的是( )
A．许多粒子都有自己的反粒子
B．把粒子分为强子、轻子、媒介子，根据是粒子与各种相互作用的关系
C．质子属于强子
D．光子属于轻子
[解析] 根据粒子的分类、粒子与反粒子描述知A、B、C正确；光子属媒介子，D错误．
[答案] ABC
2．(多选)下列说法正确的是( )
A．聚变是裂变的逆反应
B．核聚变反应须将反应物加热到数百万开尔文以上的高温，反应时放出能量
C．轻核聚变比裂变更为安全、清洁
D．强子是参与强相互作用的粒子，中子是最早发现的强子
[解析] 聚变和裂变的反应物和生成物完全不同，两者无直接关系，并非互为逆反应，故A错；实现聚变反应必须使参加反应的轻核充分接近，需要数百万开尔文的高温，但聚变反应一旦实现，所释放的能量远大于所吸收的能量，所以聚变反应还是释放能量，故B正确；实现聚变需要高温，一旦出现故障，高温不能维持，反应就自动终止了，另外，聚变反应比裂变反应生成的废物数量少，容易处理，故C对；质子是最早发现的强子，故D错．
[答案] BC
3．(多选)重核裂变和轻核聚变是人们获得核能的两个途径，下列说法中正确的是( )
A．裂变过程质量增加
B．裂变过程质量亏损
C．裂变过程和聚变过程都有质量增加
D．聚变过程有质量亏损
[解析] 重核裂变和轻核聚变都能释放巨大的能量，由爱因斯坦质能方程知两过程均会有质量亏损．
[答案] BD
4．(多选)下列所述正确的是( )
A．强子是参与强相互作用的粒子
B．轻子是不参与强相互作用的粒子
C．目前发现的轻子只有8种
D．夸克有6种，它们带的电荷量分别为元电荷的＋eq \f(2,3)或－eq \f(1,3)
[解析] 由三类粒子的特性可知A、B正确；而目前发现的轻子只有6种，C错误；夸克模型经过几十年的发展，已知夸克有6种，它们带的电荷分别为元电荷的＋eq \f(2,3)或－eq \f(1,3)，D正确．
[答案] ABD
对核聚变的理解
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
燃料储
量情况
聚变燃料储量丰富
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得多
粒子的发现与分类
发现时间
1932年
1937年
1947年
20世纪60年代后
新粒子
反粒子
μ子
K介子与π介子
超子
基本
特点
质量与相对应的粒子相同而电荷及其他一些物理性质相反
比质子的质量小
质量介于电子与核子之间
其质量比质子大
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、μ子、μ子中微子、τ子、τ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
课 堂 小 结
知 识 脉 络
1.两个轻核结合成质量较大的核，这样的核反应叫聚变.
2.约束核聚变材料的方法：磁约束和惯性约束.
3.粒子分为三大类，有媒介子、轻子、强子．美国物理学家盖尔曼提出，强子是由夸克构成的.