7 8核聚變粒子和宇宙 一 核聚變1 定義兩個輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的原子核的反應(yīng) 2 條件 1 輕核的距離要達(dá)到10 15m以內(nèi) 2 聚變可以通過高溫來實現(xiàn) 因此又叫熱核反應(yīng) 3 核反應(yīng)舉例 1 熱核反應(yīng)主要應(yīng)用在核武器上 如氫彈 2 熱核反應(yīng)在宇宙中時時刻刻地進(jìn)行著 太陽就是一個巨大的熱核反應(yīng)堆 3 典型的核聚變 一個氘核和一個氚核的聚變 該反應(yīng)平均每個核子放出的能量比裂變反應(yīng)平均每個核子放出的能量大3 4倍 4 聚變與裂變相比有很多優(yōu)點 1 輕核聚變產(chǎn)能效率高 2 地球上聚變?nèi)剂系膬α控S富 3 輕核聚變更為安全 清潔 5 實現(xiàn)核聚變的方法 1 難點 地球上沒有任何容器能夠經(jīng)受幾百萬開爾文的高溫 2 方案 科學(xué)家設(shè)想了兩種方案 即磁約束和慣性約束 環(huán)流器是目前性能最好的一種磁約束裝置 二 粒子和宇宙1 基本粒子 不基本 1 19世紀(jì)末 人們認(rèn)為原子是組成物質(zhì)的不可再分的最小微粒 2 后來認(rèn)為光子 電子 質(zhì)子和中子是組成物質(zhì)的不可再分的最基本的粒子 并稱為 基本粒子 隨著科學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展 科學(xué)家們逐漸發(fā)現(xiàn)了數(shù)以百計的不同種類的新粒子 它們都不是由質(zhì)子 中子 電子組成的 另外又發(fā)現(xiàn)質(zhì)子 中子等本身也有自己的復(fù)雜的結(jié)構(gòu) 所以 從20世紀(jì)后半期起 就將 基本 二字去掉 統(tǒng)稱為粒子 2 發(fā)現(xiàn)新粒子與夸克模型 1 反粒子實驗中發(fā)現(xiàn) 對應(yīng)著許多粒子都存在質(zhì)量 壽命 自旋等物理性質(zhì)與過去已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的粒子相同 而電荷等其他性質(zhì)相反的粒子 這些粒子叫做反粒子 例如 電子的反粒子就是正電子 2 粒子的分類按照粒子與各種相互作用的不同關(guān)系 可將粒子分為三大類 強(qiáng)子 參與強(qiáng)相互作用的粒子 質(zhì)子是最早發(fā)現(xiàn)的強(qiáng)子 輕子 不參與強(qiáng)相互作用的粒子 最早發(fā)現(xiàn)的輕子是電子 媒介子 是傳遞各種相互作用的粒子 如光子 中間玻色子 膠子 3 夸克模型的提出1964年提出的夸克模型 認(rèn)為強(qiáng)子是由更基本的夸克組成的 3 宇宙及恒星的演化 1 宇宙演化根據(jù)大爆炸理論 在宇宙形成之初是 粒子家族 盡顯風(fēng)采的時期 在大爆炸之后逐漸形成了夸克 輕子和膠子等粒子 隨后經(jīng)過強(qiáng)子時代 輕子時代 核合成時代 繼續(xù)冷卻 質(zhì)子 電子 原子等與光子分離而逐步組成恒星和星系 2 恒星的演化 恒星的形成 大爆炸后 在萬有引力作用下形成星云團(tuán) 進(jìn)一步凝聚使引力勢能轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)能 溫度升高 直到發(fā)光 于是恒星誕生了 恒星演變 核聚變反應(yīng) 層級遞進(jìn)地在恒星內(nèi)發(fā)生 直到各種熱核反應(yīng)不再發(fā)生時 恒星的中心密度達(dá)到極大 恒星歸宿 恒星最后的歸宿有三種 它們是白矮星 中子星 黑洞 自我檢測1 思考辨析 1 光子 電子 質(zhì)子和中子是組成物質(zhì)的不可再分的最基本的粒子 解析 隨著科學(xué)的發(fā)展 科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)質(zhì)子 中子等本身也有復(fù)雜結(jié)構(gòu) 答案 2 太陽輻射的巨大能量來自太陽中本身儲存的大量內(nèi)能 解析 太陽輻射的巨大能量主要來自太陽內(nèi)部氫核聚變成氦核時釋放的能量 答案 3 要使聚變產(chǎn)生 必須克服庫侖斥力做功 解析 輕核聚變時 要使輕核之間距離達(dá)到10 15m 所以必須克服庫侖斥力做功 答案 2 探究討論 1 夸克模型是如何提出的 答案 1964年美國物理學(xué)家蓋爾曼提出了強(qiáng)子的夸克模型 認(rèn)為強(qiáng)子是由夸克構(gòu)成的 2 輕核聚變?yōu)槭裁丛诘厍蛏喜蝗菀装l(fā)生 要發(fā)生聚變有什么苛刻條件嗎 答案 要使輕核聚變 必須使輕核接近核力發(fā)生作用的距離10 15m 這要克服電荷間強(qiáng)大的庫侖斥力作用 要求使輕核具有足夠大的動能 要使原子核具有足夠大的動能 有一種方法就是給它們加熱 使物質(zhì)達(dá)到幾百萬開爾文以上的高溫 在地球上是不容易達(dá)到這個條件的 探究一 探究二 核聚變問題探究太陽是人類最大的能量來源 千萬年來 它的光輝沒有絲毫的減弱 人們對如此巨大和持久的太陽能的來源充滿了各種設(shè)想 最初人類設(shè)想太陽是一個大煤爐 靠燃燒煤的化學(xué)能維持它的光和熱 可是研究表明 太陽表面的溫度超過6000K 太陽的輻射功率約3 9 1026W 碳和氧的化合反應(yīng)很難達(dá)到這樣的溫度 也很難持久地輻射如此巨大的能量 太陽的能量究竟來自于何方 要點提示 氫是太陽中的燃料 太陽內(nèi)不斷發(fā)生著輕核聚變變成氦核的反應(yīng) 同時放出巨大的能量 探究一 探究二 知識歸納1 聚變發(fā)生的條件要使輕核聚變 必須使輕核接近核力發(fā)生作用的距離10 15m 這要克服電荷間強(qiáng)大的斥力作用 要求使輕核具有足夠大的動能 有一種辦法就是把它們加熱到幾百萬開爾文的高溫 2 輕核聚變是放能反應(yīng)從比結(jié)合能的圖線看 輕核聚變后比結(jié)合能增加 因此聚變反應(yīng)是一個放能反應(yīng) 探究一 探究二 3 核聚變的特點 1 在消耗相同質(zhì)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(yīng)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(yīng)進(jìn)行下去 3 普遍性 熱核反應(yīng)在宇宙中時時刻刻地進(jìn)行著 太陽就是一個巨大的熱核反應(yīng)堆 4 核聚變的應(yīng)用 1 核武器 氫彈 一種不需要人工控制的輕核聚變反應(yīng)裝置 它利用彈體內(nèi)的原子彈爆炸產(chǎn)生的高溫高壓引發(fā)熱核聚變爆炸 2 可控?zé)岷朔磻?yīng) 目前處于探索階段 探究一 探究二 探究一 探究二 例題1 多選 據(jù)新華社報道 由我國自行設(shè)計 研制的世界第一套全超導(dǎo)核聚變實驗裝置 又稱 人造太陽 已完成了首次工程調(diào)試 下列關(guān)于 人造太陽 的說法正確的是 C 根據(jù)公式E mc2可知 核燃料的質(zhì)量相同時 聚變反應(yīng)釋放的能量比裂變反應(yīng)大得多D 根據(jù)公式E mc2可知 核燃料的質(zhì)量相同時 聚變反應(yīng)釋放的能量與裂變反應(yīng)相同 思考問題 輕核聚變的方程是什么 探究一 探究二 規(guī)律總結(jié)核聚變反應(yīng)方程的書寫與核能的計算 1 聚變的核反應(yīng)方程遵循質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒 2 核能計算的關(guān)鍵是求出核反應(yīng)中的質(zhì)量虧損 然后根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程求解 探究一 探究二 粒子與宇宙問題探究對粒子的認(rèn)識下圖為粒子發(fā)展示意圖 1 為什么現(xiàn)在將 基本 二字去掉 統(tǒng)稱為粒子 2 為什么說夸克模型是物理學(xué)發(fā)展中的一個重大突破 探究一 探究二 要點提示 1 隨著科學(xué)的發(fā)展 科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了很多的新粒子都不是由質(zhì)子 中子 電子組成的 又發(fā)現(xiàn)質(zhì)子 中子等本身也有自己的復(fù)雜結(jié)構(gòu) 所以現(xiàn)在將 基本 二字去掉 統(tǒng)稱為粒子 2 夸克模型的提出是物理學(xué)發(fā)展中的一個重大突破 它指出電子電荷不再是電荷的最小單元 即存在分?jǐn)?shù)電荷 探究一 探究二 知識歸納1 新粒子的發(fā)現(xiàn)及特點 探究一 探究二 探究一 探究二 典例剖析 例題2 太陽內(nèi)部持續(xù)不斷地發(fā)生著四個質(zhì)子聚變?yōu)橐粋€氦核同時放出兩個正電子的熱核反應(yīng) 這個核反應(yīng)釋放出的大量能量就是太陽的能源 已知質(zhì)子質(zhì)量為mH 1 0073u 氦核質(zhì)量為mHe 4 0015u 電子質(zhì)量為me 0 00055u 1 寫出這個核反應(yīng)方程 2 這一核反應(yīng)能釋放多少能量 3 已知太陽每秒釋放的能量為3 8 1026J 則太陽每秒減少的質(zhì)量為多少千克 探究一 探究二 1 2 解析 由核反應(yīng)過程必須遵守的質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒知X是 放出熱量分別為Q1和Q2的兩個核反應(yīng)中質(zhì)量虧損分別為0 0021u和0 0053u 故Q2 Q1 答案 B 1 2 個中子 已知氘核質(zhì)量為m1 2 0141u 氚核質(zhì)量為m2 3 0160u 氦核質(zhì)量為m3 4 0026u 中子質(zhì)量為m4 1 008665u 求 1 寫出聚變的核反應(yīng)方程 2 此反應(yīng)過程中釋放的能量為多少 平均每個核子釋放出多少核能 2 此反應(yīng)過程的質(zhì)量虧損為 m 2 0141u 3 0160u 4 0026u 1 008665u 0 018835u E mc2 0 018835 931 5MeV 17 5MeV