第十九章原子核19-7核聚變19-8粒子和宇宙第十九章原子核19-711、了解聚變反應的特點及其條件；2、了解可控熱核反應及其研究和發展；3、知道輕核的聚變能夠釋放出很多的能量,如果能加以控制將為人類提供廣闊的能源前景。19-7核聚變1、了解聚變反應的特點及其條件；19-7核聚變2現在環境問題日趨嚴重，人們在提高生活品質的同時，也在對能源可持續發展提出了嚴峻的考驗。通過讓學生自己閱讀課本，讓他們聚變核反應的特點及聚變反應的條件，培養他們歸納與概括知識的能力和提出問題的能力?，F在環境問題日趨嚴重，人們在提高生活品質的同時3〓聚變〓裂變

物理學中把重核分裂成質量較小的核，釋放核能的反應叫做裂變。把輕核結合成質量較大的核，釋放出核能的反應叫做聚變。一、核聚變〓聚變〓裂變物理學中把重核分裂成質量較小的核，釋放核41.輕核的聚變（熱核反應）某些輕核能夠結合在一起，生成一個較大的原子核，這種核反應叫做聚變。1.輕核的聚變（熱核反應）某些輕核能夠結合在一起5輕核的聚變:輕核的聚變:6根據所給數據,計算下面核反應放出的能量:氘核的質量：mD=2.014102u氚核的質量：mT=3.016050u氦核的質量：mα=4.002603u中子的質量：mn=1.008665u解析：虧損的質量損失的能量根據所給數據,計算下面核反應放出的能量:氘核的質量：mD=7發生聚變的條件:使原子核間的距離達到10-15m實現的方法有:1、用加速器加速原子核；２、把原子核加熱到很高的溫度；108～109K不經濟聚變反應又叫熱核反應發生聚變的條件:使原子核間的距離達到10-15m實現的方法有8核聚變的利用——氫彈彈體引爆裝置小型原子彈三種炸藥：普通炸藥Ｕ235氘、氚爆炸裂變聚變氘、氚、重氫化鉀等鈾235外殼普通炸藥核聚變的利用——氫彈彈體引爆裝置小型原子彈三種炸藥：普通炸藥9

【分析】算出核反應中的質量虧損，利用愛因斯坦質能方程即可求出反應釋放的核能。

（2）由題給條件可求得質量虧損為：Δm=2.0136×2－(3.0150+1.0087)=0.0035u∴釋放的核能為ΔE=Δmc2=931.5×0.0035=3.26MeV

【分析】算出核反應中的質量虧損，利用愛因斯坦質能方程即可求10

0=mUvU-mαvα(1)由帶電粒子在勻強磁場中做勻速圓周運動的半徑公式得

0=mUvU-mαvα(1)由帶電粒子在勻強磁場中11（2）核反應中釋放的核能為ΔE=Δmc2=(238.999655-234.99347-4.001509)×931.5=4.356MeV由能的轉化和守恒定律知EkU+Ekα=ΔE-0.09MeV=4.266MeV∵pU=pα

∴α粒子的動能為

（2）核反應中釋放的核能為ΔE=Δmc2=(238.9121.熱核反應和裂變反應相比較，具有許多優越性。二、可控熱核反應——核聚變的利用可控熱核反應將為人類提供巨大的能源,和平利用聚變產生的核量是非常吸引人的重大課題，我國的可控核聚變裝置“中國環流器1號”已取得不少研究成果.①輕核聚變產能效率高。②地球上聚變燃料的儲量豐富。③輕聚變更為安全、清潔。1.熱核反應和裂變反應相比較，具有許多優越性。二、可控熱核反132.現在的技術還不能控制熱核反應。問題有：①熱核反應的的點火溫度很高；②如何約束聚變所需的燃料；磁場約束③反應裝置中的氣體密度要很低，相當于常溫常壓下氣體密度的幾萬分之一；2.現在的技術還不能控制熱核反應。問題有：①熱核反應的的點火14②慣性約束3.實現核聚變的兩種方案。①磁約束環流器的結構慣性約束②慣性約束3.實現核聚變的兩種方案。①磁約束環流器的結構慣性151.了解構成物質的“基本粒子”及粒子物理的發展史；2.知道高能加速器是粒子物理學研究的工具。3.知道反粒子與粒子的關系。知道夸克可以帶分數電荷。4.初步了解宇宙的演化過程及宇宙與粒子的和諧統一。學習目標19-8粒子和宇宙1.了解構成物質的“基本粒子”及粒子物理的發展史；學習目標16預讀教材，了解知識，感知人類（科學家）探究宇宙奧秘的過程和方法；了解構成物質的粒子和宇宙演化過程。通過探究討論學習，能夠突破傳統思維理解各種微觀粒子模型。設計思路預讀教材，了解知識，感知人類（科學家）探究宇宙17關于物質結構的探尋……是否還有其他的微觀粒子？19世紀末，人們認為原子是組成物質的最小微粒道爾頓發現夸克蓋爾曼經典散射實驗，發現質子盧瑟福發現了原子內部結構中的電子湯姆遜查德威克發現中子新課導入關于物質結構的探尋……是否還有其他的微觀粒子？19世紀末，人18一、“基本粒子”不基本新課講授人們逐漸意識到，這些我們認為的“基本粒子”，實際并不基本。還有很多我們并不了解的粒子等待發現。

1.“基本粒子”不基本

19世紀末，許多人認為光子、電子、質子和中子是組成物質的不可再分的最基本粒子。從20世紀起科學家陸續發現了400多種同種類的新粒子，它們不是由質子、中子、電子組成的?？茖W家進一步發現質子、中子、電子等本身也是復合粒子，且還有著復雜的結構。一、“基本粒子”不基本新課講授人們逐漸意識到192.發現新粒子為了探尋這些新粒子，實驗物理學家想了各種辦法，圖中美麗的花樹實際是在人造云室的強磁場中，攜帶電荷的粒子受洛倫茲力偏轉的蹤跡。這是比較原始的實驗方法經過半個多世紀的發展，歐洲核子中心（CERN）建造了迄今最為龐大的雙圈強子對撞機—LHC2.發現新粒子為了探尋這些新粒子，實驗物理20大型強子對撞機是世界上最大、能量最高的粒子加速器，它的核心就是一系列探測中心以及先進的第三代同步加速器2.發現新粒子大型強子對撞機是世界上最大、能量最高的粒子加212.發現新粒子2012年7月4日，位于瑞士日內瓦的歐洲核子中心在發布會上向全球宣布，在雙光子道和輕子道分別以6個西格瑪的標準差探測到了希格斯玻色子(Higgs)。人們發現并證實了標準模型預言中最后一種粒子，這是現代物理學的一大步！2.發現新粒子2012年7月4日，位于瑞士日內瓦的歐洲核22分類自旋泡利不相容原理統計規律費米子

(電子質子中子各種重子)半整數1/2，3/2，…服從費米—狄拉克統計分布玻色子

(光子介子K介子、介子)整數0或1等不服從玻色—愛因斯坦統計分布泡利原理3.粒子的分類分類自旋泡利不相容原理統計規律費米子半整數服從費米—狄拉克統23正、反粒子物理量的絕對值都相同，但某些物理量(如電荷、磁矩等)的符號相反。但反粒子由于很容易湮滅，所以很難長時間存活。歐核反粒子的存儲裝置演示，原理簡單的說就是用迅速變換的電場制作的牢籠電性、磁矩3.粒子的分類正、反粒子物理量的絕對值都相同，但某些物理量24萬有引力電磁力弱相互作用強相互作用引力子＋光子＋＋輕子＋＋＋強子＋＋＋＋

引力子：由于自旋為2，無法量子化，尚未囊括進標準模型、靜止質量和電荷為零，以光速運動。

光

子：自旋為1，是玻色子。相互作用3.粒子的分類萬有引力電磁力弱相互作用強相互作用引力子＋光子＋＋輕子＋＋＋25分類粒子名稱自旋介子、、K介子等整數玻色子重子核子質子、中子及其反粒子1/2(Ω超子3/2)費密子超子ΩΣΛΞ超子及反粒子強子分類分類粒子名稱自旋介子、、K介子等整數玻色子重子26輕子分類（共12種）中微子系中性粒子，質量為零，只參與弱相互作用。分類正反粒子自旋η電荷量e重子數B輕子數Le、Lμ、Lτ壽命10-6s輕子電子e-

e+1/2-1+10-1+1穩定μ子μ-

μ+-1+12.2τ子τ-

τ+-1+1<2.3中微子νe

??νe0穩定νμ

??νμ0ντ

??ντ0輕子分類（共12種）中微子系中性粒子，質量為零，只參與弱相互27下夸克d上夸克u奇夸克s粲夸克c底夸克b頂夸克t4.夸克模型1964年提出強子結構夸克模型介子（夸克和反夸克組成）重子（三個夸克組成）六種夸克下夸克d上夸克u奇夸克s粲夸克c28夸克質量電荷e自旋重子數同位旋同位旋分量奇異數超荷粲數底數頂數d下夸克0.008-1/31/21/31/2-1/20+1/3000u上夸克0.0042/31/20+1/3000s奇夸克0.15-1/300-1-2/3000c粲夸克1.52/30+1/3+100b底夸克4.7-1/30+1/30+10t頂夸克1742/30+1/300+1夸克質量電荷自旋重子數同位旋同位旋分量奇異數超荷粲數底數頂數29費米子與玻色子的夸克圖費米子與玻色子的夸克圖30大爆炸理論(TheBigBangTheory)宇宙從一個“奇點”爆炸產生大爆炸是在無限的宇宙各處同時產生時間的零點二、宇宙和恒星的演化大爆炸理論(TheBigBangTheory)大爆炸311929年埃德溫·哈勃提出宇宙膨脹理論，即不管你往哪個方向看，遠處的星系正急速地遠離我們而去。這意味著，在早先星體相互之間更加靠近。事實上，似乎在大約100億至200億年之前的某一時刻，它們剛好在同一地方，所以哈勃的發現暗示存在一個叫做大爆炸的時刻，當時宇宙無限緊密。1.大爆炸理論1929年埃德溫·哈勃提出宇宙膨脹理論，即不321950年前后，伽莫夫第一個建立了熱大爆炸的觀念。這個創生宇宙的大爆炸不是習見于地球上發生在一個確定的點，然后向四周的空氣傳播開去的那種爆炸，而是一種在各處同時發生，從一開時就充滿整個空間的那種爆炸，爆炸中每一個粒子都離開其它每一個粒子飛奔。事實上應該理解為空間的急劇膨脹?！罢麄€空間”可以指的是整個無限的宇宙，或者指的是一個就象球面一樣能彎曲地回到原來位置的有限宇宙。1.大爆炸理論1950年前后，伽莫夫第一個建立了熱大爆炸的33根據大爆炸宇宙論，甚早期的宇宙是一大片由微觀粒子構成的均勻氣體，溫度極高，密度極大，且以很大的速率膨脹著。這些氣體在熱平衡下有均勻的溫度。這統一的溫度是當時宇宙狀態的重要標志，因而稱宇宙溫度。氣體的絕熱膨脹將使溫度降低，使得原子核、原子乃至恒星系統得以相繼出現。1.大爆炸理論根據大爆炸宇宙論，甚早期的宇宙是一大片由微觀342.恒星的演化大爆炸恒星白矮星中子星黑洞宇宙塵埃星云團2.恒星的演化大爆炸恒星白矮星黑洞宇宙塵埃星云團35粒子物理與宇宙學殊途同歸粒子物理與宇宙學殊途同歸36第十九章原子核19-7核聚變19-8粒子和宇宙第十九章原子核19-7371、了解聚變反應的特點及其條件；2、了解可控熱核反應及其研究和發展；3、知道輕核的聚變能夠釋放出很多的能量,如果能加以控制將為人類提供廣闊的能源前景。19-7核聚變1、了解聚變反應的特點及其條件；19-7核聚變38現在環境問題日趨嚴重，人們在提高生活品質的同時，也在對能源可持續發展提出了嚴峻的考驗。通過讓學生自己閱讀課本，讓他們聚變核反應的特點及聚變反應的條件，培養他們歸納與概括知識的能力和提出問題的能力。現在環境問題日趨嚴重，人們在提高生活品質的同時39〓聚變〓裂變

物理學中把重核分裂成質量較小的核，釋放核能的反應叫做裂變。把輕核結合成質量較大的核，釋放出核能的反應叫做聚變。一、核聚變〓聚變〓裂變物理學中把重核分裂成質量較小的核，釋放核401.輕核的聚變（熱核反應）某些輕核能夠結合在一起，生成一個較大的原子核，這種核反應叫做聚變。1.輕核的聚變（熱核反應）某些輕核能夠結合在一起41輕核的聚變:輕核的聚變:42根據所給數據,計算下面核反應放出的能量:氘核的質量：mD=2.014102u氚核的質量：mT=3.016050u氦核的質量：mα=4.002603u中子的質量：mn=1.008665u解析：虧損的質量損失的能量根據所給數據,計算下面核反應放出的能量:氘核的質量：mD=43發生聚變的條件:使原子核間的距離達到10-15m實現的方法有:1、用加速器加速原子核；２、把原子核加熱到很高的溫度；108～109K不經濟聚變反應又叫熱核反應發生聚變的條件:使原子核間的距離達到10-15m實現的方法有44核聚變的利用——氫彈彈體引爆裝置小型原子彈三種炸藥：普通炸藥Ｕ235氘、氚爆炸裂變聚變氘、氚、重氫化鉀等鈾235外殼普通炸藥核聚變的利用——氫彈彈體引爆裝置小型原子彈三種炸藥：普通炸藥45

【分析】算出核反應中的質量虧損，利用愛因斯坦質能方程即可求出反應釋放的核能。

（2）由題給條件可求得質量虧損為：Δm=2.0136×2－(3.0150+1.0087)=0.0035u∴釋放的核能為ΔE=Δmc2=931.5×0.0035=3.26MeV

【分析】算出核反應中的質量虧損，利用愛因斯坦質能方程即可求46

0=mUvU-mαvα(1)由帶電粒子在勻強磁場中做勻速圓周運動的半徑公式得

0=mUvU-mαvα(1)由帶電粒子在勻強磁場中47（2）核反應中釋放的核能為ΔE=Δmc2=(238.999655-234.99347-4.001509)×931.5=4.356MeV由能的轉化和守恒定律知EkU+Ekα=ΔE-0.09MeV=4.266MeV∵pU=pα

∴α粒子的動能為

（2）核反應中釋放的核能為ΔE=Δmc2=(238.9481.熱核反應和裂變反應相比較，具有許多優越性。二、可控熱核反應——核聚變的利用可控熱核反應將為人類提供巨大的能源,和平利用聚變產生的核量是非常吸引人的重大課題，我國的可控核聚變裝置“中國環流器1號”已取得不少研究成果.①輕核聚變產能效率高。②地球上聚變燃料的儲量豐富。③輕聚變更為安全、清潔。1.熱核反應和裂變反應相比較，具有許多優越性。二、可控熱核反492.現在的技術還不能控制熱核反應。問題有：①熱核反應的的點火溫度很高；②如何約束聚變所需的燃料；磁場約束③反應裝置中的氣體密度要很低，相當于常溫常壓下氣體密度的幾萬分之一；2.現在的技術還不能控制熱核反應。問題有：①熱核反應的的點火50②慣性約束3.實現核聚變的兩種方案。①磁約束環流器的結構慣性約束②慣性約束3.實現核聚變的兩種方案。①磁約束環流器的結構慣性511.了解構成物質的“基本粒子”及粒子物理的發展史；2.知道高能加速器是粒子物理學研究的工具。3.知道反粒子與粒子的關系。知道夸克可以帶分數電荷。4.初步了解宇宙的演化過程及宇宙與粒子的和諧統一。學習目標19-8粒子和宇宙1.了解構成物質的“基本粒子”及粒子物理的發展史；學習目標52預讀教材，了解知識，感知人類（科學家）探究宇宙奧秘的過程和方法；了解構成物質的粒子和宇宙演化過程。通過探究討論學習，能夠突破傳統思維理解各種微觀粒子模型。設計思路預讀教材，了解知識，感知人類（科學家）探究宇宙53關于物質結構的探尋……是否還有其他的微觀粒子？19世紀末，人們認為原子是組成物質的最小微粒道爾頓發現夸克蓋爾曼經典散射實驗，發現質子盧瑟福發現了原子內部結構中的電子湯姆遜查德威克發現中子新課導入關于物質結構的探尋……是否還有其他的微觀粒子？19世紀末，人54一、“基本粒子”不基本新課講授人們逐漸意識到，這些我們認為的“基本粒子”，實際并不基本。還有很多我們并不了解的粒子等待發現。

1.“基本粒子”不基本

19世紀末，許多人認為光子、電子、質子和中子是組成物質的不可再分的最基本粒子。從20世紀起科學家陸續發現了400多種同種類的新粒子，它們不是由質子、中子、電子組成的?？茖W家進一步發現質子、中子、電子等本身也是復合粒子，且還有著復雜的結構。一、“基本粒子”不基本新課講授人們逐漸意識到552.發現新粒子為了探尋這些新粒子，實驗物理學家想了各種辦法，圖中美麗的花樹實際是在人造云室的強磁場中，攜帶電荷的粒子受洛倫茲力偏轉的蹤跡。這是比較原始的實驗方法經過半個多世紀的發展，歐洲核子中心（CERN）建造了迄今最為龐大的雙圈強子對撞機—LHC2.發現新粒子為了探尋這些新粒子，實驗物理56大型強子對撞機是世界上最大、能量最高的粒子加速器，它的核心就是一系列探測中心以及先進的第三代同步加速器2.發現新粒子大型強子對撞機是世界上最大、能量最高的粒子加572.發現新粒子2012年7月4日，位于瑞士日內瓦的歐洲核子中心在發布會上向全球宣布，在雙光子道和輕子道分別以6個西格瑪的標準差探測到了希格斯玻色子(Higgs)。人們發現并證實了標準模型預言中最后一種粒子，這是現代物理學的一大步！2.發現新粒子2012年7月4日，位于瑞士日內瓦的歐洲核58分類自旋泡利不相容原理統計規律費米子

(電子質子中子各種重子)半整數1/2，3/2，…服從費米—狄拉克統計分布玻色子

(光子介子K介子、介子)整數0或1等不服從玻色—愛因斯坦統計分布泡利原理3.粒子的分類分類自旋泡利不相容原理統計規律費米子半整數服從費米—狄拉克統59正、反粒子物理量的絕對值都相同，但某些物理量(如電荷、磁矩等)的符號相反。但反粒子由于很容易湮滅，所以很難長時間存活。歐核反粒子的存儲裝置演示，原理簡單的說就是用迅速變換的電場制作的牢籠電性、磁矩3.粒子的分類正、反粒子物理量的絕對值都相同，但某些物理量60萬有引力電磁力弱相互作用強相互作用引力子＋光子＋＋輕子＋＋＋強子＋＋＋＋

引力子：由于自旋為2，無法量子化，尚未囊括進標準模型、靜止質量和電荷為零，以光速運動。

光

子：自旋為1，是玻色子。相互作用3.粒子的分類萬有引力電磁力弱相互作用強相互作用引力子＋光子＋＋輕子＋＋＋61分類粒子名稱自旋介子、、K介子等整數玻色子重子核子質子、中子及其反粒子1/2(Ω超子3/2)費密子超子ΩΣΛΞ超子及反粒子強子分類分類粒子名稱自旋介子、、K介子等整數玻色子重子62輕子分類（共12種）中微子系中性粒子，質量為零，只參與弱相互作用。分類正反粒子自旋η電荷量e重子數B輕子數Le、Lμ、Lτ壽命10-6s輕子電子e-

e+1/2-1+10-1+1穩定μ子μ-

μ+-1+12.2τ子τ-

τ+-1+1<2.3中微子νe

??νe0穩定νμ

??νμ0ντ

??ντ0輕子分類（共12種）中微子系中性粒子，質量為零，只參與弱相互63下夸克d上夸克u奇夸克s粲夸克c底夸克b頂夸克t4.夸克模型1964年提出強子結構夸克模型介子（夸克和反夸克組成）重子（三個夸克組成）六種夸克下夸克d上夸克u奇夸克s粲夸克c64夸克質量電荷e自旋重子數同位旋同位旋分量奇異數超荷粲數底數頂數d下夸克0.008-1