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2019-2020年高三物理 第二十二章 原子核 七、輕核的聚變(第一課時) ●本節(jié)教材分析 輕核的聚變也是釋放核能的一條途徑，這在上一節(jié)已經(jīng)討論過.本節(jié)主要說明有些聚變反應(yīng)要比裂變反應(yīng)釋放更多的能量.但聚變反應(yīng)要求更高的條件——幾百萬攝氏度的高溫，因而也叫熱核反應(yīng).還要使學(xué)生了解熱核反應(yīng)在宇宙中是很普遍的，如太陽和許多恒星內(nèi)部就進行著激烈的熱核反應(yīng)，將巨大的能量源源不斷的釋放出來，這就是恒星能不斷發(fā)光發(fā)熱的原因.但宇宙中的熱核反應(yīng)是不能人為控制的，為了使熱核反應(yīng)釋放的能量造福于人類，科學(xué)家正在研究和實驗可控熱核反應(yīng)的裝置.可控熱核反應(yīng)比原子反應(yīng)堆具有更大的優(yōu)越性，如釋放能量更多、原料豐富、污染輕、核廢料容易處理等，我國在可控熱核反應(yīng)方面的研究和實驗也處于世界前列. ●教學(xué)目標 一、知識目標 1.了解聚變反應(yīng)的特點及其條件. 2.了解可控熱核反應(yīng)及其研究和發(fā)展. 二、能力目標 本節(jié)屬于了解內(nèi)容，無要求. 三、德育目標 通過了解核能的特點，認識核能的和平利用能為人類造福，但若用于戰(zhàn)爭目的將給人類帶來災(zāi)難. ●教學(xué)重點 聚變核反應(yīng)的特點. ●教學(xué)難點 聚變反應(yīng)的條件. ●教學(xué)方法 本節(jié)內(nèi)容以學(xué)生閱讀自學(xué)為主，輔之以教師的點撥，首先通過教師點撥學(xué)生仔細研究核子平均質(zhì)量曲線，了解較輕原子核平均核子質(zhì)量比較重原子核的核子平均質(zhì)量更大，因而輕核的聚變要比重核的裂變釋放更大的核能.再通過具體研究氘核和氚核的聚變反應(yīng)了解核聚變反應(yīng)條件——需要很高的溫度.然后通過學(xué)生自學(xué)了解可控熱核反應(yīng)的研究和實驗發(fā)展情況. ●教學(xué)用具 無特殊教具. ●課時安排 1課時 ●教學(xué)過程 一、引入新課 通過上一節(jié)的學(xué)習(xí)，我們知道除了通過重核裂變能夠釋放核能以外，另一條釋放核能的途徑就是輕核的聚變，這就是我們本節(jié)課要研究的問題. 二、新課教學(xué) （一）聚變反應(yīng)及其條件 ［教師點撥］請同學(xué)們再看看核子平均質(zhì)量曲線，想一想為什么輕核的聚變反應(yīng)能夠比重核的裂變反應(yīng)釋放更多的核能？ ［學(xué)生思考并討論］… ［學(xué)生回答］因為較輕的原子核比較重的原子核核子的平均質(zhì)量更大，聚變成質(zhì)量較大的原子核能產(chǎn)生更多的質(zhì)量虧損，所以平均每個核子釋放的能量就更大. 1.氫的聚變反應(yīng)： 21H+31H→42He+10n 2.釋放能量：ΔE＝Δmc2＝17.6 MeV，平均每個核子釋放能量3 MeV以上，約為裂變反應(yīng)釋放能量的3～4倍 ［教師點撥］請同學(xué)們試從微觀和宏觀兩個角度說明核聚變發(fā)生的條件？ ［學(xué)生閱讀教材，得出結(jié)論］ 3.產(chǎn)生條件 微觀上，參與反應(yīng)的原子核必須接近到原子核大小的尺寸范圍，即10-15 m，要使原子核接近到這種程度，必須使它們具有很大的動能以克服原子核之間強大的庫侖斥力. 宏觀上，要使原子核具有如此大的動能，就要把它加熱到幾百萬攝氏度的高溫. 說明：（1）熱核反應(yīng)在宇宙中是很普遍的，太陽和很多恒星的內(nèi)部溫度高達107 K以上，因而在那里進行著激烈的熱核反應(yīng)，不斷向外界釋放著巨大的能量.太陽每秒釋放的能量約為3.81026 J，地球只接受了其中的二十億分之一. （2）聚變反應(yīng)一旦發(fā)生，就不再需要外界給它能量，靠自身產(chǎn)生的熱就可以維持反應(yīng)持續(xù)進行下去，在短時間釋放巨大的能量，這就是聚變引起的核爆炸.上世紀四十年代，人們利用核聚變反應(yīng)制成了用于戰(zhàn)爭的氫彈，它的威力是原子彈的十幾倍. （二）可控熱核反應(yīng) ［教師點撥］目前，人們還不能控制核聚變的速度，但科學(xué)家們正在努力研究和嘗試可控熱核反應(yīng)，以使核聚變造福于人類.我國在這方面的研究和實驗也處于世界領(lǐng)先水平.請同學(xué)們自學(xué)教材的最后一部分，以了解這方面的情況. ［學(xué)生自學(xué)，了解以下要點］ 1熱核反應(yīng)相對裂變反應(yīng)的優(yōu)越性. 2我國在可控熱核反應(yīng)方面的研究和實驗發(fā)展情況. 三、小結(jié) 本節(jié)主要研究了聚變核反應(yīng)的特點和條件，聚變反應(yīng)要比裂變反應(yīng)釋放更多的能量，但它發(fā)生的條件是要達到幾百萬度的高溫，因而聚變反應(yīng)也叫熱核反應(yīng).可控熱核反應(yīng)的研究和實驗將為人類和平利用核能開發(fā)新的途徑. 四、布置作業(yè) 完成課后練習(xí) 五、板書設(shè)計 （一）聚變反應(yīng)及其條件 1.氫的聚變反應(yīng)： 21H+31H→42He+10n 2釋放能量：ΔE＝Δmc2＝17.6 MeV， 平均每個核子釋放能量3 MeV以上，約為裂變反應(yīng)釋放能量的3～4倍. 3.產(chǎn)生條件： 微觀上，原子核接近到10-15 m. 宏觀上，溫度達到幾百萬攝氏度. （二）可控熱核反應(yīng) 1.相對裂變反應(yīng)的優(yōu)越性：功率大、污染輕、核廢料容易處理. 2我國在可控熱核反應(yīng)方面的研究和實驗發(fā)展情況：世界前列. 六、本節(jié)優(yōu)化訓(xùn)練設(shè)計 1.太陽輻射能量主要來自太陽內(nèi)部的 A.化學(xué)反應(yīng)B.放射性衰變 C.裂變反應(yīng)D.熱核反應(yīng) 2.中子和質(zhì)子結(jié)合成氘核,在這一核反應(yīng)中 A.反應(yīng)物的質(zhì)量大于生成物的質(zhì)量 B.反應(yīng)前后質(zhì)量數(shù)一定守恒 C.此反應(yīng)一定釋放能量 D.此反應(yīng)一定吸收能量 3.氘核（21H）和氚核（31H）聚合成氦核（42He）的核反應(yīng)方程如下：21H+31H→42He+10n設(shè)氘核質(zhì)量為m1，氚核質(zhì)量為m2，氦核質(zhì)量為m3，中子質(zhì)量為m4，則反應(yīng)過程中釋放的能量為 A.(m1+m2-m3)c2 B. (m1+m2-m4)c2 C.(m1+m2－m3－m4)c2 D. (m3+m4-m1-m2)c2 4.已知兩氘核聚變成一個氦核放出23.76 MeV的能量，那么1 g氘完全聚變成氦時將會放出的能量為 A.約為1.136106 J B.約為2.2721011 J C.約為5.681011 J D.約為5.68106 J 5.完成氘核和氚核結(jié)合成氦的核反應(yīng)方程：21H+31H→42H+________.若反應(yīng)過程中發(fā)生的質(zhì)量虧損是m kg，則反應(yīng)放出的能量是________J. 6.用γ光子轟擊氘核，使之分成質(zhì)子和中子.已知氘核質(zhì)量為2.0135 u，質(zhì)子質(zhì)量為 1.0072 u，中子質(zhì)量為1.0086 u，其中1 u＝1.660510-27 kg.又知普朗克常量h＝6.6310-34 Js.則所用γ光子在真空中的波長應(yīng)為________m. 7.一個負電子和一個正電子相遇發(fā)生湮滅而轉(zhuǎn)化為一對光子,已知負電子和正電子的質(zhì)量都是m,光在真空中的速度是c,普朗克常量為h,轉(zhuǎn)化前它們的動能忽略不計,則轉(zhuǎn)化成光子的波長是________. 8.一個鋰核（73Li）受到一個質(zhì)子的轟擊，變成2個α粒子，這一過程的核反應(yīng)方程為________. 已知一個氫原子的質(zhì)量是1.673612-27 kg，一個鋰原子的質(zhì)量是11.650510－27 kg，一個氦原子的質(zhì)量是6.646610－27 kg.上述核反應(yīng)所釋放的能量等于________（最后結(jié)果取三位有效數(shù)字） 9.4個質(zhì)子在高溫下能聚變成一個α粒子同時放出能量.已知質(zhì)子質(zhì)量為1.007276 u,α粒子質(zhì)量為4.001506 u, 1 u=1.6610-27 kg,阿伏加德羅常數(shù)為6.021023/mol. (1)寫出核反應(yīng)方程; (2) 1 g氫完全聚變成α粒子能釋放出多少能量? 參考答案:1.D 2.ABC 3.C 4.C 5 .10n,mc2 6.5.810－13 7.h/cm 8.73Li+11H→242He，2.7810－12 J 9.(1)4(11H)→42He+2(01e)+能量 (2) 4個質(zhì)子聚變Δm=41.007276 u－4.001506 u=0.027598 u, ΔE=Δmc2=0.027598931.5 MeV=25.71 MeV 1 g氫含有6.021023個質(zhì)子,放出能量為E E=6.02102325.71/4 MeV=3.871024 MeV