6.核聚變7．粒子物理學簡介(選學)學習目標知識脈絡1.知道聚變反應，關注受控聚變反應研究的進展.2.通過核能的利用，思考科學技術與社會進步的關系.3.初步了解粒子物理學的基礎知識.4.了解、感受科學發展過程中蘊藏著的科學和人文精神.核聚變eq\o([先填空])1．定義：把輕原子核聚合成較重原子核的反應稱為聚變反應，簡稱核聚變．2．熱核反應(1)舉例：一個氘核和一個氚核聚變成一個氦核的核反應方程：eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)n＋MeV(2)反應條件①輕核的距離要達到10－15m以內．②需要加熱到很高的溫度，因此又叫熱核反應．(3)優點①輕核聚變產能效率高．②地球上聚變燃料的儲量豐富．③輕核聚變更為安全、清潔．3．可控核聚變反應研究的進展(1)把受控聚變情況下釋放能量的裝置，稱為聚變反應堆，20世紀下半葉，聚變能的研究取得重大進展．(2)核聚變的約束方法：磁約束和慣性約束，托卡馬克采用的是磁約束方式．(3)核聚變是一種安全，不產生放射性物質、原料成本低的能源，是人類未來能源的希望．3．恒星演化中的核反應(1)現階段，供太陽發生核聚變過程的燃料是氫．(2)大約50億年后，太陽的核心的核聚變過程是：eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(8,4)Be，eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(8,4)Be→eq\o\al(12,6)C.eq\o([再判斷])1．核聚變反應中平均每個核子放出的能量比裂變時小一些．(×)2．輕核的聚變只要達到臨界質量就可以發生．(×)3．現在地球上消耗的能量絕大部分來自太陽內部的聚變反應．(√)eq\o([后思考])1．核聚變為什么需要幾百萬度的高溫？【提示】要使輕核發生聚變就必須使它們間的距離達到核力發生作用的距離，而核力是短程力，作用距離在10－15m，在這個距離上時，質子間的庫侖斥力非常大，為了克服庫侖斥力就需要原子核具有非常大的動能才會撞到一起，當溫度達到幾百萬度時，原子核就可以具有這樣大的動能．2．受控核聚變中磁約束的原理是什么？【提示】原子核帶有正電，垂直磁場方向射入磁場后在洛倫茲力作用下做勻速圓周運動，繞著一個中心不斷旋轉而不飛散開，達到約束原子核的作用．3．恒星是如何形成的？它在哪個階段停留的時間最長？【提示】宇宙塵埃在外界影響下聚集，某些區域在萬有引力作用下開始向內收縮，密度不斷增加，形成星云團，星云團進一步凝聚使得引力勢能轉化為內能，溫度升高．當溫度上升到一定程度時就開始發光，形成恒星．恒星在輻射產生向外的壓力和引力產生的收縮壓力平衡階段停留時間最長．1．聚變發生的條件要使輕核聚變，必須使輕核接近核力發生作用的距離10－15m，這要克服電荷間強大的斥力作用，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，就要給它們加熱，使物質達到幾百萬開爾文的高溫．2．輕核聚變是放能反應從比結合能的圖線看，輕核聚變后比結合能增加，因此聚變反應是一個放能反應．3．核聚變的特點(1)在消耗相同質量的核燃料時，輕核聚變比重核裂變釋放更多的能量．(2)熱核反應一旦發生，就不再需要外界給它能量，靠自身產生的熱就可以使反應進行下去．(3)普遍性：熱核反應在宇宙中時時刻刻地進行著，太陽就是一個巨大的熱核反應堆．4．核聚變的應用(1)核武器——氫彈：一種不需要人工控制的輕核聚變反應裝置．它利用彈體內的原子彈爆炸產生的高溫高壓引發熱核聚變爆炸．(2)可控熱核反應：目前處于探索階段．5．重核裂變與輕核聚變的區別重核裂變輕核聚變放能原理重核分裂成兩個或多個中等質量的原子核，放出核能兩個輕核結合成質量較大的原子核，放出核能放能多少聚變反應比裂變反應平均每個核子放出的能量要大3～4倍核廢料處理難度聚變反應的核廢料處理要比裂變反應簡單得多原料的蘊藏量核裂變燃料鈾在地球上儲量有限，尤其用于核裂變的鈾235在鈾礦石中只占%主要原料是氘，氘在地球上的儲量非常豐富.1L海水中大約有g氘，如果用來進行熱核反應，放出的能量約與燃燒300L汽油相當可控性速度比較容易進行人工控制，現在的核電站都是用核裂變反應釋放核能目前，除氫彈以外，人們還不能控制它1．下列關于聚變的說法中正確的是()A．要使聚變產生，必須克服庫侖斥力做功B．輕核聚變需要幾百萬攝氏度的高溫，因此聚變又叫做熱核反應C．原子彈爆炸能產生幾百萬攝氏度的高溫，所以氫彈利用原子彈引發熱核反應D．自然界中不存在天然的熱核反應E．輕核聚變易控制，目前世界上的核電站多數是利用核聚變反應釋放核能【解析】輕核聚變時，必須使輕核之間距離達到10－15m，所以必須克服庫侖斥力做功，A正確；原子核必須有足夠的動能，才能使它們接近到核力能發生作用的范圍，實驗證實，原子核必須處在幾百萬攝氏度下才有這樣的能量，這樣高的溫度通常利用原子彈爆炸獲得，故B、C正確，E錯誤；在太陽內部或其他恒星內部都進行著熱核反應，D錯誤．【答案】ABC2．如圖3-6-1所示，托卡馬克(Tokamak)是研究受控核聚變的一種裝置，這個詞是toroidal(環形的)、kamera(真空室)、magnit(磁)的頭兩個字母以及katushka(線圈)的第一個字母組成的縮寫詞．根據以上信息，下述判斷中可能正確的是()圖3-6-1A．這種裝置的核反應原理是輕核的聚變，同時釋放出大量的能量，和太陽發光的原理類似B．線圈的作用是通電產生磁場使帶電粒子在磁場中旋轉而不溢出C．這種裝置同我國秦山、大亞灣核電站所使用核裝置的核反應原理相同D．這種裝置可以控制熱核反應速度，使聚變能緩慢而穩定地進行E．這種裝置是利用電場來約束帶電粒子的【解析】聚變反應原料在裝置中發生聚變，放出能量，故A正確；線圈通電時產生磁場，帶電粒子在磁場中受洛倫茲力作用不飛出，故B正確，E錯誤；核電站的原理是裂變，托卡馬克的原理是聚變，故C錯誤；該裝置使人們可以在實驗中控制反應速度，平穩釋放核能，故D正確．【答案】ABD3．氘核(eq\o\al(2,1)H)和氚核(eq\o\al(3,1)H)結合成氦核(eq\o\al(4,2)He)的核反應方程如下：eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)n＋MeV(1)這個核反應稱為________．(2)要發生這樣的核反應，需要將反應物質的溫度加熱到幾百萬開爾文．式中MeV是核反應中________(選填“放出”或“吸收”)的能量，核反應后生成物的總質量比核反應前物質的總質量________(選填“增加”或“減少”)了________kg(保留一位有效數字)．【解析】在輕核聚變反應中，由于質量虧損，放出核能，由ΔE＝Δmc2，可以求得Δm＝eq\f(ΔE,c2)≈3×10－29kg.【答案】(1)核聚變(2)放出減少3×10－291核聚變反應和一般的核反應一樣，也遵循電荷數和質量數守恒，這是書寫核反應方程式的重要依據.2核能的計算關鍵是要求出核反應過程中的質量虧損，然后代入ΔE＝Δmc2進行計算.粒子物理學簡介eq\o([先填空])1．基本粒子(1)1897年湯姆孫發現了電子后，人們又陸續發現了質子、中子，認為電子、中子、質子是組成物質的基本粒子．(2)1932年，安德森發現了正電子，它的質量、電荷量與電子相同，電荷符號與電子相反，它被稱為電子的反粒子，正電子也成為了基本粒子．2．基本粒子的分類按粒子參與相互作用的性質把粒子分為三類：它們分別是：媒介子、輕子、強子．3．加速器粒子加速器是用人工方法產生高速粒子的設備，按加速粒子的路徑大致分為兩類：一類是直線加速器，帶電粒子沿直線運動；一類是回旋加速器，帶電粒子沿圓弧運動，并反復加速．能夠實現兩束相對運動的粒子對接的設備叫做對撞機．eq\o([再判斷])1．質子、中子、電子都是不可再分的基本粒子．(×)2．質子和反質子的電量相同，電性相反．(√)3．按照夸克模型，電子所帶電荷不再是電荷的最小單元．(√)4．回旋加速器加速帶電粒子時，高頻電源的頻率應等于回旋粒子的頻率．(√)eq\o([后思考])1．為什么說基本粒子不基本？【提示】一方面是因為這些原來被認為不可再分的粒子還有自己的復雜結構，另一方面是因為新發現的很多種新粒子都不是由原來認為的那些基本粒子組成的．2．北京正負電子對撞機于1988年10月完成建設，成功實現正負電子對撞，你了解對撞機的工作原理嗎？它有什么作用？【提示】對撞機的工作原理是粒子先在同步加速器中加速，然后射入對撞機．在對撞機里兩束粒子流反方向回旋，并進一步加速，在軌道交叉的地方相互碰撞．對撞機的出現，大大提高了有效作用能，因此它在高能物質實驗中起著日益顯著的作用．近年來，在粒子物質中的一系列重大發現和研究成果，幾乎都是在對撞機上獲得的．1．新粒子的發現及特點發現時間1932年1937年1947年20世紀60年代后新粒子反粒子μ子K介子與π介子超子基本特點質量與相對應的粒子相同而電荷及其他一些物理性質相反比質子的質量小質量介于電子與核子之間其質量比質子大2.粒子的分類分類參與的相互作用發現的粒子備注媒介子傳遞各種相互作用光子、中間玻色子、膠子光子、中間玻色子、膠子分別傳遞電磁、弱、強相互作用輕子不參與強相互作用電子、電子中微子、μ子、μ子中微子、τ子、τ子中微子未發現內部結構強子參與強相互作用質子、中子、介子、超子強子有內部結構，由“夸克”構成；強子又可分為介子和重子3.夸克的分類夸克有6種，它們是上夸克、下夸克、奇異夸克、粲夸克、底夸克、頂夸克，它們帶的電荷是電子或質子所帶電荷的eq\f(2,3)或eq\f(1,3).每種夸克都有對應的反夸克．4．兩點提醒(1)質子是最早發現的強子，電子是最早發現的輕子，τ子的質量比核子的質量大，但力的性質決定了它屬于輕子．(2)粒子具有對稱性，有一個粒子，必存在一個反粒子，它們相遇時會發生“湮滅”，即同時消失而轉化成其他的粒子．4．關于粒子，下列說法正確的是()A．電子、質子和中子是組成物質的不可再分的最基本的粒子B．強子中也有不帶電的粒子C．夸克模型是探究三大類粒子結構的理論D．夸克模型說明電子電荷不再是電荷的最小單位E．超子的質量比質子的質量還大【解析】由于質子、中子是由不同夸克組成的，它們不是最基本的粒子，不同夸克構成強子，有的強子帶電，有的強子不帶電，故A錯誤，B正確；夸克模型是研究強子結構的理論，不同夸克帶電不同，分別為＋eq\f(2,3)e和－eq\f(e,3)，說明電子電荷不再是電荷的最小單位，C錯誤，D正確，超子屬于強子，其質量比質子質量還大些，E正確．【答案】BDE5．在β衰變中常伴有一種稱為“中微子”的粒子放出．中微子的性質十分特別，因此在實驗中很難探測.1953年，萊尼斯和柯文建造了一個由大水槽和探測器組成的實驗系統，利用中微子與水中eq\o\al(1,1)H的核反應，間接地證實了中微子的存在.【導學號：11010053】(1)中微子與水中的eq\o\al(1,1)H發生核反應，產生中子(eq\o\al(1,0)n)和正電子(eq\o\al(0,1)e)，即：中微子＋eq\o\al(1,1)H→eq\o\al(1,0)n＋eq\o\al(0,1)e可以判定，中微子的質量數和電荷數分別是________．(2)上述核反應產生的正電子與水中的電子相遇，與電子形成幾乎靜止的整體后，可以轉變為兩個光子(γ)，即eq\o\al(0,1)e＋eq\o\al(0,－1)e→2γ已知正電子和電子的質量都為×10－31kg，反應中產生的每個光子的能量約為________J．正電子與電子相遇不可能只轉變為一個光子，原因是什么？【解析】(1)發生