人教版物理选修3-5课件 第十九章 原子核 7-8粒子和宇宙

D．太阳和许多恒星内部都在激烈地进行着热核反 应，在地球内部也可以自发地进行 解析： 轻核聚变时， 要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开尔文时才有这样的能量，
这样高的温度通过利用原子弹爆炸获得，故 B、C 正 确；在太阳和其他恒星内部都存在着热核反应，但在地球 内部不会自发地进行，D 错误． 答案：ABC
轻子
媒介子
3.夸克模型． (1)夸克的提出：1964 年美国物理学家盖尔曼提出了 强子的夸克模型，认为强子是由夸克构成的． (2)夸克的种类：上夸克(u)、下夸克(d)、奇异夸克(s)、 粲夸克(c)、底夸克(b)和顶夸克(t)．
(3)夸克所带电荷：夸克所带的电荷量是分数电荷量， 1 2 即其电荷量为元电荷的－ 或＋ .例如，上夸克带的电荷 3 3 2e e 量为＋ ，下夸克带的电荷量为－ . 3 3 (4)意义：电子电荷不再是电荷的最小单位，即存在 分数电荷．
然后采用“先拆散、后结合”的方法，即先把 2 个氘 核分解成 4 个自由核子(2 个中子和 2 个质子)，再使这 4 个自由核子结合成氦核， 比较前后两个过程中释放的结合 能，同样可得出结果．
如法一，核反应前后的质量亏损为Δ m ＝ 2mD － mHe ＝ 2×2.014 102 u－4.002 603 u＝0.025 601 u， 释放出的核能为 ΔE＝0.025 601×931.5 MeV＝23.847 331 5 MeV. 答案：23.847 331 5 MeV
B．质子由 2 个 u 夸克和 1 个 d 夸克组成，中子由 1 个 u 夸克和 2 个 d 夸克组成
C．质子由 1 个 u 夸克和 2 个 d 夸克组成，中子由 2 个 u 夸克和 1 个 d 夸克组成 D．质子由 2 个 u 夸克和 1 个 d 夸克组成，中子由 2 个 u 夸克和 1 个 d 夸克组成
4．宇宙的演化． 约10 44 s 宇宙大爆炸 ――→ 温度为 1032 k，产生了夸克、轻
－
约10－6 s后 子、胶子等粒子 ――→ 温度下降到 1013 K 左右，强子 时代→温度下降到 1011 K 时，轻子时代→温度下降到 一万年后 10 K 时，核合成时代 ――→ 温度下降到 104，混合电离
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．
【典例 2】 目前普遍认为，质子和中子都是由被称 为 u 夸克和 d 夸克的两类夸克组成的． u 夸克带电荷量为 2 1 e，d 夸克的带电荷量为－ e，e 为元电荷．下列论断中 3 3 可能正确的2 个 d 夸克组成，中子由 1 个 u 夸克和 2 个 d 夸克组成
4 22 H → 1 2He.
根据不同的已知条件，通常可以有两种计算方法．
法一：先查出氘核和氦核的质量 mD＝2.014 102 u，mHe＝4.002 603 u. 然后根据反应前后的质量亏损， 用质能方程计算出释 放的核能．
法二：先查出氘核和氦核的结合能 ED＝1.11 MeV，EHe＝7.07 MeV.
第十九章
原子核
7 核聚变 8 粒子和宇宙
学 习 目 标 重 点 难 点 1.知道核聚变的定义和 重点 1.核聚变反应特 反应特点． 点及应用． 2．会判断和书写核聚 2．粒子的分类 及夸克模型． 变反应的方程，能计算 核聚变反应释放的能 难点 量． 3．了解受控热核反 1.核裂变反应释 应． 放的能量． 4．知道粒子的分类及 2．粒子的分类 其应用． 及宇宙演化. 5．了解宇宙的起源及 恒星的演化.
对其中一个下夸克，受力如图所示，由于 F1 的水平 分力与 F2 大小相等，方向相反，故 F1 与 F2 的合力的方 向竖直向上． 答案：B
典型问题——轻核聚变释放核能的计算方法 轻核聚变时释放出的能量的计算可分为以下两种： (1)根据质量亏损计算． 根据爱因斯坦质能方程，用核子结合成原子核时质 量亏损 (Δ m)的千克数乘以真空中光速 (3×108 m/s)的平 方，即Δ E＝Δ mc2.①
解析：(1)根据质量数守恒和电荷数守恒，可得核反
4 0 应方程为 41 H → He ＋ 2 1 2 1e.
(2)反应过程中的质量亏损为 ΔE＝4mp－(mα＋2me)． 根据ΔE＝Δmc2 得
ΔE＝[4mp－(mα＋2me)]c2＝(4mp－mα－2me)c2.
(3)设单位时间内参与热核反应的质子数为 N，依据 能量关系得： N·ΔE Pt＝ ， 4 4Pt 4P 有 N＝ ＝ . 2 ΔE （4mp－mα－2me）c
2.粒子的分类．
分类 参与的 相互作用 发现的粒子 备注
强子
强子有内部结构， 参与强相互作 质子、中子、介子、 由“夸克”构成； 用 超子 强子又可分为介子 和重子 电子、电子中微子、 不参与强相互 μ子、μ子中微子、 未发现内部结构 作用 τ子、τ子中微子 光子、中间玻色子、 传递各种相互 光子、中间玻色子、 胶子分别传递电磁、 作用 胶子 弱、强相互作用
7.8×10
－16
s 后所剩下的8 4Be 占开
答案：4 2He
1 或 α 或 12.5% 8
拓展二 对粒子的认识 1．新粒子的发现及特点．
新粒子 反粒子 μ子 K介子 与π介子 超子
发现 时间 基本 特点
1932年
1937年
1947年
20世纪 60年代后
质量与相对 应的粒子相 比质子 质量介于 其质量比 同而电荷及 的质量 电子与核 质子大 小 子之间 其他一些物 理性质相反
(2)根据 1 原子质量单位(u)相当于 931.5 MeV 能量， 用核子结合成原子核时质量亏损的原子质量单位数乘以 931.5 MeV，即Δ E＝Δ m×931.5 MeV.② 注意：式①中Δm 的单位为 kg，式②中Δm 的单位是 u，ΔE 的单位是 MeV.
【典例】 使两个氘核聚变生成一个氦核要放出多少 核能？ 解析：聚变的核反应式为
－
B．π＋由 d 和 u 组成 D．π 由 d 和 u 组成
－
解析： 由题目给的图表可以知道各种带电粒子的带电 量及 π＋介子、π－介子都是由一个夸克和一个反夸克组成 的，运用电荷守恒定律可得 A、D 两选项正确． 答案：AD
拓展一 核聚变的特点及应用 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．
【典例 1】 太阳的能量来自下面的反应：四个质子 (氢核)聚变成一个 α 粒子，同时发射两个正电子，若太阳
4 0 辐射能量的总功率为 P，质子1 H 、氦核 He 、正电子 1 2 1e 的
质量分别为 mp、mα、me，真空中的光速为 c. (1)写出核反应方程； (2)求核反应所释放的能量Δ E； (3)求 1 s 内参与上述热核反应的质子数目．
小试身手 2．(多选)已知 π＋介子、π－介子都是由一个夸克(夸克 u 或夸克 d)和一个反夸克(反夸克 u 或反夸克 d)组成的， 它们的带电荷量如下表所示，(e 表示元电荷．)下列说法 正确的是( )
π
＋
π
－
u
d
u
d
2 1 2 1 ＋ e －e ＋ e － e － e ＋ e 3 3 3 3
A. π＋由 u 和 d 组成 C．π 由 u 和 d 组成
2 2.如图所示， 中子内有一个电荷量为＋ e 的上夸克和 3 1 两个电荷量为－ e 的下夸克，一简单模 3 型是三个夸克都在半径为 r 的同一圆周上． 在下图给出的四幅图中，能正确表示出各夸 克所受静电作用力的是( )
解析：本题考查的是库仑力的大小、 方向及力的合成，明确每个夸克皆受两个 2 力的作用．电荷量为＋ e 的上夸克受两个 3 下夸克的吸引力，合力的方向一定向下．
知识点二 粒子和宇宙 提炼知识 1． “基本粒子”不基本． (1)直到 19 世纪末，人们都认为光子、电子、质子和 中子是基本粒子． (2)随着科学的发展，科学家们发现了很多的新粒子 并不是由以上基本粒子组成的，并发现质子、中子等本 身也有复杂结构．
2．发现新粒子． (1)新粒子：1932 年发现了正电子，1937 年发现了μ 子，1947 年发现了 K 介子和π 介子及以后的超子等． (2)粒子的分类：按照粒子与各种相互作用的关系， 可将粒子分为三大类：强子、轻子和媒介子． 3．夸克模型的提出：1964 年美国物理学家盖尔曼提 出了强子的夸克模型，认为强子是由夸克构成的．
1．恒星向外辐射的能量来自于其内部发生的各种热 核反应，当温度达到 108 K 时，可以发生“氦燃烧”． (1)完成“氦燃烧”的核反应方程：
4 8 He ＋ ________ → 2 4Be＋γ.
－16 (2)8 Be 是一种不稳定的粒子，其半衰期为 2.6 × 10 4
s．一定质量的8 4Be，经 始时的__________．
4 0 2 答案：(1)41 H → He ＋ 2 e (2)(4 m － m α － 2 m ) c 1 2 1 p e
4P (3) （4mp－mα－2me）c2
名师点评 (1)核聚变反应和一般的核反应一样，也遵循电荷数 守恒和质量数守恒，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＝Δmc2 进行计算．