高中物理第3章6核聚变7粒子物理学简介学案教科版选修35
高中物理第3章6核聚变7粒子物理学简介学案教科版选修35
6.核聚变 7．粒子物理学简介(选学)
[学习目标] 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．
一、核聚变
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：2
1H ＋3
1H ―→4
2He ＋1
0n ＋17.60 MeV
(2)反应条件
①轻核的距离要达到10
－15
m 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． 4．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：
42
He ＋42He→84Be ，42He ＋84Be→12
6C.
二、粒子物理学简介 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作对撞机．
1．正误判断(正确的打“√”，错误的打“×”)
(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． (√) (4)质子、中子、电子都是不可再分的基本粒子． (×) (5)质子和反质子的电量相同，电性相反．
(√) (6)按照夸克模型，电子所带电荷不再是电荷的最小单元． (√)
2．(多选)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，因此聚变又叫作热核反应
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
ABC [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；在太阳内部或其他恒星内部都进行着热核反应，D 错误．]
3．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 ．强子中都是带电的粒子
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
D [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 、B 错误；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．]
对核聚变的理解及应用
1
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
两个正电子，若太阳辐射能量的总功率为P，质子11H、氦核42He、正电子01e的质量分别为m p、mα、m e，真空中的光速为c，求：
(1)写出核反应方程；
(2)核反应所释放的能量ΔE；
(3)1 s内参与上述热核反应的质子数目．
[思路点拨](1)根据质量数守恒和电荷数守恒书写核反应方程．
(2)由爱因斯坦质能方程求解释放的能量．
(3)由功率的定义求1 s内参与反应的质子数．
[解析](1)根据质量数守恒和电荷数守恒，可得核反应方程为411H→42He＋201e.
(2)质量亏损Δm＝4m p－mα－2m e，根据爱因斯坦质能方程：ΔE＝Δmc2，核反应释放的能量，ΔE＝(4m p－mα－2m e)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P＝NΔE
4
，有N＝
4P
(4m p－mα－2m e)c2
.
[答案](1)411H→42He＋201e (2)(4m p－mα－2m e)c2
(3)4P
(4m p－mα－2m e)c2
轻核聚变释放核能的计算方法
(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(Δm)的千克数乘以真空中的光速(c＝3×108 m/s)的平方，即ΔE＝Δmc2. ①
(2)根据1个原子质量单位(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ΔE＝Δm×931.5 MeV.②
注意：式①中Δm的单位为kg，ΔE的单位是J；式②中Δm的单位是u，ΔE的单位是MeV.
1．氘核(21H)和氚核(31H)结合成氦核(42He)的核反应方程如下：21H＋31H→42He＋10n＋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＝Δmc2，可以求得Δm ＝
ΔE
c2
≈3×10－29 kg.
[答案](1)核聚变(2)放出减少3×10－29
对粒子的认识
1
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
2
3
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．
【例2】 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．
(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 ＋0
1e 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0
1e ＋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．
2．(多选)下列关于夸克模型的说法正确的是( ) A ．强子是由更基本的夸克组成的 B ．夸克的电荷量分别为元电荷的＋23或－1
3
C ．每种夸克都有对应的反夸克
D ．夸克能以自由的状态单个出现
ABC [夸克不能以自由的状态单个出现，D 错误，A 、B 、C 正确．]
课堂小结知识网络
1.热核反应的概念及聚变方程.
2.轻核聚变的条件及其应用.
3.基本粒子的分类及认识.
4.加速器的工作原理.
1．(多选)据新华社报道，由我国自行设计、研制的世界第一套全超导核聚变实验装置(又称“人造太阳”)已完成了首次工程调试．下列关于“人造太阳”的说法正确的是( ) A．“人造太阳”的核反应方程是21H＋31H→42He＋10n
B．“人造太阳”的核反应方程是235 92U＋10n→141 56Ba＋9236Kr＋310n
C．根据公式E＝mc2可知，核燃料的质量相同时，聚变反应释放的能量比裂变反应大得多D．根据公式E＝mc2可知，核燃料的质量相同时，聚变反应释放的能量与裂变反应相同AC[21H＋31H→42He＋10n是氢核聚变方程，故A项正确；根据氢核聚变特点，聚变反应比裂变反应平均每个核子放出的能量大约要大3～4倍，相同质量的核燃料，氢核聚变释放的能量比裂变反应大得多，故选项C正确．]
2．(2019·全国卷Ⅱ)太阳内部核反应的主要模式之一是质子－质子循环，循环的结果可表示为
411H→42He＋201e＋2ν
已知11H和42He的质量分别为m p＝1.007 8 u和mα＝4.002 6 u，1u＝931 MeV/c2，c为光速．在4个11H转变为1个42He的过程中，释放的能量约为( )
A．8 MeV B．16 MeV
C．26 MeV D．52 MeV
C[核反应质量亏损Δm＝4×1.007 8 u－4.002 6 u＝0.028 6 u，释放的能量ΔE＝0.028 6×931 MeV＝26.6 MeV，选项C正确．]
3．(多选)如图所示，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( )
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
ABD[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；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．] 4．一个氘核(21H)和一个氚核(31H)结合成一个氦核(42He)，同时放出一个中子，已知氘核质量为m1＝2.014 1 u，氚核质量为m2＝3.016 0 u，氦核质量为m3＝4.002 6 u，中子质量为m4＝1.008 665 u，求：
(1)写出聚变的核反应方程；
(2)此反应过程中释放的能量为多少？平均每个核子释放出多少核能？
[解析](1)核反应方程为21H＋31H→42He＋10n.
(2)此反应过程的质量亏损为
Δm＝2.014 1 u＋3.016 0 u－4.002 6 u－1.008 665 u＝0.018 835 u
ΔE＝Δmc2＝0.018 835×931.5 MeV≈17.5 MeV
平均每个核子释放的核能为17.5
5
MeV＝3.5 MeV.
[答案](1)21H＋31H→42He＋10n (2)17.5 MeV 3.5 MeV