高中物理原子核核聚变粒子物理学简介教师用书教科版

6.核聚变

7．粒子物理学简介(选学)

学习目标知识脉络

1.知道聚变反应，关注受控聚变反

应研究的进展.

2.通过核能的利用，思考科学技术

与社会进步的关系.

3.初步了解粒子物理学的基础知

识.

4.了解、感受科学发展过程中蕴藏

着的科学和人文精神.

核聚变

[先填空]

1．定义：把轻原子核聚合成较重原子核的反应称为聚变反应，简称核聚变．

2．热核反应

(1)举例：一个氘核和一个氚核聚变成一个氦核的核反应方程：21H＋31H―→42He＋10n＋17.60 MeV

(2)反应条件

①轻核的距离要达到10－15m以内．

②需要加热到很高的温度，因此又叫热核反应．

(3)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．

3．可控核聚变反应研究的进展

(1)把受控聚变情况下释放能量的装置，称为聚变反应堆，20世纪下半叶，聚变能的研究取得重大进展．

(2)核聚变的约束方法：磁约束和惯性约束，托卡马克采用的是磁约束方式．

(3)核聚变是一种安全，不产生放射性物质、原料成本低的能源，是人类未来能源的希

望．

3．恒星演化中的核反应

(1)现阶段，供太阳发生核聚变过程的燃料是氢．

(2)大约50亿年后，太阳的核心的核聚变过程是：42He＋42He→84Be，42He＋84Be→12 6C.

[再判断]

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．轻核的聚变只要达到临界质量就可以发生．(×)

3．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．(√)

[后思考]

1．核聚变为什么需要几百万度的高温？

【提示】要使轻核发生聚变就必须使它们间的距离达到核力发生作用的距离，而核力是短程力，作用距离在10－15 m，在这个距离上时，质子间的库仑斥力非常大，为了克服库仑斥力就需要原子核具有非常大的动能才会撞到一起，当温度达到几百万度时，原子核就可以具有这样大的动能．

2．受控核聚变中磁约束的原理是什么？

【提示】原子核带有正电，垂直磁场方向射入磁场后在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动，绕着一个中心不断旋转而不飞散开，达到约束原子核的作用．

3．恒星是如何形成的？它在哪个阶段停留的时间最长？

【提示】宇宙尘埃在外界影响下聚集，某些区域在万有引力作用下开始向内收缩，密度不断增加，形成星云团，星云团进一步凝聚使得引力势能转化为内能，温度升高．当温度上升到一定程度时就开始发光，形成恒星．恒星在辐射产生向外的压力和引力产生的收缩压力平衡阶段停留时间最长．

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

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要大3～4倍

核废料

处理难

度

聚变反应的核废料处理要比裂变反应简单得多

原料的

蕴藏量

核裂变燃料铀在地球上储量有限，尤其

用于核裂变的铀235在铀矿石中只占

0.7%

主要原料是氘，氘在地球上的储量非常

丰富.1 L海水中大约有0.03 g氘，如

果用来进行热核反应，放出的能量约与

燃烧300 L汽油相当

可控性

速度比较容易进行人工控制，现在的核

电站都是用核裂变反应释放核能

目前，除氢弹以外，人们还不能控制它

1．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

E．轻核聚变易控制，目前世界上的核电站多数是利用核聚变反应释放核能

【解析】轻核聚变时，必须使轻核之间距离达到10－15 m，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，E错误；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

2．如图3-6-1所示，托卡马克(Tokamak) 是研究受控核聚变的一种装置，这个词是toroidal(环形的)、kamera(真空室)、magnit(磁)的头两个字母以及katushka(线圈)的第一个字母组成的缩写词．根据以上信息，下述判断中可能正确的是( )

图3-6-1

A ．这种装置的核反应原理是轻核的聚变，同时释放出大量的能量，和太阳发光的原理类似

B ．线圈的作用是通电产生磁场使带电粒子在磁场中旋转而不溢出

C ．这种装置同我国秦山、大亚湾核电站所使用核装置的核反应原理相同

D ．这种装置可以控制热核反应速度，使聚变能缓慢而稳定地进行

E ．这种装置是利用电场来约束带电粒子的

【解析】 聚变反应原料在装置中发生聚变，放出能量，故A 正确；线圈通电时产生磁场，带电粒子在磁场中受洛伦兹力作用不飞出，故B 正确，E 错误；核电站的原理是裂变，托卡马克的原理是聚变，故C 错误；该装置使人们可以在实验中控制反应速度，平稳释放核能，故D 正确．

【答案】 ABD

3．氘核(2

1H)和氚核(3

1H)结合成氦核(4

2He)的核反应方程如下：2

1H ＋3

1H→4

2He ＋1

0n ＋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________(选填“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________(选填“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 ＝Δmc 2

，可以求得Δm ＝ΔE c

2≈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 ＝Δmc 2

进行计算.

粒 子 物 理 学 简 介

[先填空]

1．基本粒子

(1)1897年汤姆孙发现了电子后，人们又陆续发现了质子、中子，认为电子、中子、质子是组成物质的基本粒子．

(2)1932年，安德森发现了正电子，它的质量、电荷量与电子相同，电荷符号与电子相反，它被称为电子的反粒子，正电子也成为了基本粒子．

2．基本粒子的分类

按粒子参与相互作用的性质把粒子分为三类：它们分别是：媒介子、轻子、强子．3．加速器

粒子加速器是用人工方法产生高速粒子的设备，按加速粒子的路径大致分为两类：一类是直线加速器，带电粒子沿直线运动；一类是回旋加速器，带电粒子沿圆弧运动，并反复加速．能够实现两束相对运动的粒子对接的设备叫做对撞机．

[再判断]

1．质子、中子、电子都是不可再分的基本粒子．(×)

2．质子和反质子的电量相同，电性相反．(√)

3．按照夸克模型，电子所带电荷不再是电荷的最小单元．(√)

4．回旋加速器加速带电粒子时，高频电源的频率应等于回旋粒子的频率．(√)

[后思考]

1．为什么说基本粒子不基本？

【提示】一方面是因为这些原来被认为不可再分的粒子还有自己的复杂结构，另一方面是因为新发现的很多种新粒子都不是由原来认为的那些基本粒子组成的．2．北京正负电子对撞机于1988年10月完成建设，成功实现正负电子对撞，你了解对撞机的工作原理吗？它有什么作用？

【提示】对撞机的工作原理是粒子先在同步加速器中加速，然后射入对撞机．在对撞机里两束粒子流反方向回旋，并进一步加速，在轨道交叉的地方相互碰撞．对撞机的出现，大大提高了有效作用能，因此它在高能物质实验中起着日益显著的作用．近年来，在粒子物质中的一系列重大发现和研究成果，几乎都是在对撞机上获得的．

1．新粒子的发现及特点

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

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

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

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

夸克有6种，它们是上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克、底夸克、顶夸克，它们带的电荷是电子或质子所带电荷的23或1

3

.每种夸克都有对应的反夸克．

4．两点提醒

(1)质子是最早发现的强子，电子是最早发现的轻子，τ子的质量比核子的质量大，但力的性质决定了它属于轻子．

(2)粒子具有对称性，有一个粒子，必存在一个反粒子，它们相遇时会发生“湮灭”，即同时消失而转化成其他的粒子．

4．关于粒子，下列说法正确的是( )

A ．电子、质子和中子是组成物质的不可再分的最基本的粒子

B ．强子中也有不带电的粒子

C ．夸克模型是探究三大类粒子结构的理论

D ．夸克模型说明电子电荷不再是电荷的最小单位

E ．超子的质量比质子的质量还大

【解析】 由于质子、中子是由不同夸克组成的，它们不是最基本的粒子，不同夸克构成强子，有的强子带电，有的强子不带电，故A 错误，B 正确；夸克模型是研究强子结构的

理论，不同夸克带电不同，分别为＋23e 和－e

3，说明电子电荷不再是电荷的最小单位，C 错

误，D 正确，超子属于强子，其质量比质子质量还大些，E 正确．

【答案】 BDE

5．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1

1H 的核反应，间接地证实了中微子的存在.

【导学号：11010053】

(1)中微子与水中的1

1H 发生核反应，产生中子(1

0n)和正电子(0

1e)，即：中微子＋1

1H→1

0n ＋

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01e ＋0－1e→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)产生的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E ＝Δmc 2

，故一个光子的能量为E 2，代入数据得E

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】 0和0 8.2×10

－14

J 见解析

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，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．