6核聚變7粒子物理學簡介[目標定位]1.知道什么是聚變反應，會計算核聚變中釋放的核能.2.知道熱核反應，了解可控熱核反應及其研究和發展.3.了解構成物質的“基本粒子”及粒子物理的發展史.一、核聚變1．定義：兩個輕核結合成較重原子核的反應，輕核聚變必須在高溫下進行，因此又叫熱核反應．2．能量變化：輕核聚變后，平均結合能增加，反應中會釋放能量．3．核反應舉例：eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)n＋17.6MeV.4．核反應條件：必須使它們的距離達到10－15m以內，使核具有足夠的動能5．特點：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．熱核反應一旦發生，就不再需要外界給它能量，靠自身產生的熱就會使反應繼續下去．6．氫彈原理：首先由普通炸藥引爆原子彈．再由原子彈爆炸產生的高溫高壓引發熱核爆炸．二、可控熱核反應與恒星演化中的核反應1．聚變與裂變相比有很多優點：(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．2．太陽等恒星內部進行的核反應是輕核聚變反應．三、粒子1．“基本粒子”不基本“基本粒子”：直到19世紀末，人們認為光子、電子、質子、中子是“基本粒子”，隨著科學的發展，一方面逐漸發現了數以百計的新粒子，它們都不是由中子、質子、電子組成的；另一方面科學家又發現質子、中子等本身也有自己的復雜的結構．因此，20世紀后半期，就將“基本”去掉，統稱粒子．2．粒子的分類：按照粒子與各種相互作用的關系，可將粒子分為三大類：強子、輕子和媒介子．3．夸克模型(1)夸克模型的提出：1964年美國物理學家蓋爾曼提出了強子的夸克模型，認為強子是由夸克構成的．(2)分類：上夸克、下夸克、奇異夸克、粲夸克、底夸克、頂夸克；它們帶的電荷量分別為元電荷的＋eq\f(2,3)或－eq\f(1,3)，每種夸克都有對應的反夸克．(3)意義：元電荷不再是電荷的最小單位，即存在分數電荷．(4)夸克的“禁閉”夸克不能以自由的狀態單個出現，這種性質稱為夸克的“禁閉”．四、3種典型的粒子加速器1．直線加速器(1)粒子運動軌跡是一條直線．(2)滿足的條件：要保持粒子與高頻電場之間的諧振關系．(3)優點：粒子束的強度高．2．回旋加速器(1)粒子運動軌跡：在磁場中的勻速圓周運動．(2)滿足條件：高頻電源的頻率等于粒子回旋的頻率．(3)優點：粒子被加速到的能量可達40_MeV.3．對撞機能夠實現兩束相對運動的粒子對撞的設備叫對撞機．工作原理：粒子先在同步加速器中加速，然后射入對撞機，反向回旋在軌道交叉處相互碰撞，獲得較大能量．預習完成后，請把你疑惑的問題記錄在下面的表格中問題1問題2問題3一、對輕核聚變的理解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10－15m2．輕核聚變是放能反應：從平均結合能的圖線看，輕核聚變后平均結合能增加，因此聚變反應是一個放能反應．3．聚變方程：eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)n＋γ.4．重核裂變與輕核聚變的區別反應方式比較項目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大約要大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容易得多【例1】下列說法不正確的是()A.eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)n是聚變B.eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(140,54)Xe＋eq\o\al(94,38)Sr＋2eq\o\al(1,0)n是裂變C.eq\o\al(226,88)Ra→eq\o\al(222,86)Rn＋eq\o\al(4,2)He是α衰變D.eq\o\al(24,11)Na→eq\o\al(24,12)Mg＋eq\o\al(0,－1)e是裂變答案D解析A選項中是兩個質量較輕的核結合成了一個質量較重的核，是聚變反應，故A選項正確；B選項的核反應中是鈾核捕獲中子裂變為兩個(或更多)中等質量的核，并放出幾個中子，是裂變反應，故B選項正確；在C選項的核反應中沒有中子的轟擊自發地放出了α粒子，是α衰變，C選項是正確的；而D應是β衰變，不正確；故答案為D.借題發揮主要核反應類型有：(1)衰變：衰變是原子核自發轉變為另一種核并輻射出α或β粒子．(2)人工轉變：人工轉變常用α粒子(也可用中子等)轟擊原子核，該核捕獲α粒子后產生新原子核，并放出一個或幾個粒子．(3)核裂變：核裂變時鈾核捕獲中子裂變為兩個(或更多)中等質量的核，并放出幾個中子．(4)核聚變：輕核聚變時也會放出中子．針對訓練1以下說法正確的是()A．聚變是裂變的逆反應B．如果裂變釋放能量，則聚變反應必定吸收能量C．聚變須將反應物加熱至數百萬開爾文以上的高溫，顯然是吸收能量D．裂變與聚變均可釋放巨大的能量答案D解析A選項從形式上看，裂變與聚變似乎是互為逆反應，但其實不然，因為二者的反應物和生成物完全不同．裂變是重核分裂成中等核，而聚變則是輕核聚合成為次輕核，無直接關聯，并非互為逆反應；B選項既然裂變與聚變不是互為逆反應，則在能量流向上也不必相反；C選項要實現聚變反應，必須使參加反應的輕核充分接近，需要數百萬開爾文的高溫提供能量．但聚變反應一旦實現，所釋放的能量遠大于所吸收的能量．因此，總的來說，聚變反應還是釋放能量．二、聚變反應中釋放核能的計算【例2】太陽內部持續不斷地發生著四個質子聚變為一個氦核同時放出兩個正電子的熱核反應，這個核反應釋放出的大量能量就是太陽的能源．(1)寫出這個核反應方程．(2)這一核反應能釋放多少能量？(3)已知太陽每秒釋放的能量為3.8×1026J，則太陽每秒減少的質量為多少千克？(mp＝1.0073u，mHe＝4.0015u，me＝0.00055u)答案(1)4eq\o\al(1,1)H→eq\o\al(4,2)He＋2eq\o\al(0,＋1)e(2)24.78MeV(3)4.2×10解析(1)核反應方程4eq\o\al(1,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(0,2)X，而eq\o\al(0,2)X只能是2個正電子．因此核反應方程應為4eq\o\al(1,1)H→eq\o\al(4,2)He＋20＋1e.(2)反應前的質量m1＝4mp＝4×1.0073u＝4.0292u，反應后m2＝mHe＋2me＝4.0015u＋2×0.00055u＝4.0026u，Δm＝m1－m2＝0.0266u，由質能方程得，釋放能量ΔE＝Δmc2＝0.0266×931.5MeV＝24.78MeV.(3)由質能方程ΔE＝Δmc2得每秒減少的質量Δm＝eq\f(ΔE,c2)＝eq\f(3.8×1026,3×1082)kg＝4.2×109kg.針對訓練2一個質子和兩個中子聚變為一個氚核，已知質子質量mH＝1.0073u，中子質量mn＝1.0087u，氚核質量mT＝3.0180u．求：(1)寫出聚變方程；(2)釋放出的核能多大？(3)平均每個核子釋放的能量是多大？答案(1)eq\o\al(1,1)H＋2eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(3,1)H(2)6.24MeV(3)2.08MeV解析(1)聚變方程eq\o\al(1,1)H＋2eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(3,1)H.(2)質量虧損Δm＝mH＋2mn－mT＝(1.0073＋2×1.0087－3.0180)u＝0.0067u，釋放的核能ΔE＝Δmc2＝0.0067×931.5MeV＝6.24MeV.(3)平均每個核子放出的能量為eq\f(6.24,3)MeV＝2.08MeV.三、粒子的分類和夸克模型1．粒子的分類分類參與的相互作用發現的粒子備注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”粒子構成的；強子又可分為介子和重子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媒介子傳遞各種相互作用光子、中間玻色子、膠子光子、玻色子、膠子分別傳遞電磁、弱、強相互作用2.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，它們帶的電荷分別為元電荷的＋eq\f(2,3)或－eq\f(1,3).每種夸克都有對應的反夸克．【例3】已知π＋介子、π－介子都是由一個夸克(夸克u或夸克d)和一個反夸克(反夸克eq\x\to(u)或反夸克eq\x\to(d))組成的，它們的帶電量如下表所示，表中e為元電荷．π＋π－udeq\x\to(u)eq\x\to(d)帶電量＋e－e＋eq\f(2,3)e－eq\f(1,3)e－eq\f(2,3)e＋eq\f(1,3)e下列說法正確的是()A．π＋由u和eq\x\to(d)組成B．π＋由d和eq\x\to(u)組成C．π－由u和eq\x\to(d)組成D．π－由d和eq\x\to(u)組成答案AD解析根據電荷量關系可知，由于π＋介子帶有＋e的電荷量，又由于π＋介子是由一個夸克和一個反夸克組成，根據題意可知π＋介子(＋e)應由一個夸克ueq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(＋\f(2,3)e))和一個反夸克eq\x\to(d)eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(＋\f(1,3)e))組成，A正確；同理π－介子由夸克d和反夸克eq\x\to(u)組成，D正確．故正確答案為A、D.針對訓練3目前普遍認為，質子和中子都是由被稱為u夸克和d夸克的兩類夸克組成的．u夸克帶電荷量為eq\f(2,3)e，d夸克的帶電荷量為－eq\f(1,3)e，e為元電荷，下列論斷中可能正確的是()A．質子由1個u夸克和2個d夸克組成，中子由1個u夸克和2個d夸克組成B．質子由2個u夸克和1個d夸克組成，中子由1個u夸克和2個d夸克組成C．質子由1個u夸克和2個d夸克組成，中子由2個u夸克和1個d夸克組成D．質子由2個u夸克和1個d夸克組成，中子由2個u夸克和1個d夸克組成答案B解析質子eq\o\al(1,1)H帶電荷量為2×eq\f(2,3)e＋eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(－\f(1,3)e))＝e，中子eq\o\al(1,0)n帶電荷量為eq\f(2,3)e＋2×eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(－\f(1,3)e))＝0.可見B正確.對核聚變的理解1．科學家發現在月球上含有豐富的eq\o\al(3,2)He(氦3)，它是一種高效、清潔、安全的核聚變燃料，其參與的一種核聚變反應的方程式為eq\o\al(3,2)He＋eq\o\al(3,2)He→2eq\o\al(1,1)H＋eq\o\al(4,2)He，關于eq\o\al(3,2)He聚變下列表述正確的是()A．聚變反應不會釋放能量B．聚變反應產生了新的原子核C．聚變反應沒有質量虧損D．目前核電站都采用eq\o\al(3,2)He聚變反應發電答案B解析核聚變反應中產生新的原子核，同時由于發生了質量虧損，會有核能的釋放，這是人類利用核能的途徑之一．目前核電站大多采用重核裂變的方法來釋放與利用核能發電．2．(多選)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開爾文的高溫，因此聚變又叫做熱核反應C．原子彈爆炸能產生幾百萬開爾文的高溫，所以氫彈利用原子彈引發熱核反應D．太陽和許多恒星內部都在激烈地進行著熱核反應，在地球內部也可以自發地進行答案ABC解析輕核聚變時，要使輕核之間距離達到10－15m核聚變釋放核能的計算3．氘和氚發生聚變反應的核反應方程式是eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)n＋17.6MeV，若有2g氘和3g氚全部發生聚變，NA為阿伏加德羅常數，則釋放的能量是()A．NA×17.6MeV B．5NA×17.6MeVC．2NA×17.6MeV D．3NA×17.6MeV答案A解析由核反應方程可知1個氘核和1個氚核聚變成氦核時放出17.6MeV能量和1個中子，則1mol的氘和1mol氚全部聚變成1mol氦核時釋放的能量為ΔE＝NA×17.6MeV.4．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＋17.6MeV(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17.6MeV是核反應中________(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________(填“增加”或“減少”)了________kg(保留一位有效數字)．答案(1)聚變(2)放出減少3×10－29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.(時間：60分鐘)題組一核聚變1．下列關于熱核反應是一種理想能源的原因的說法中不正確的是()A．就每一個核子平均來說，比重核裂變時釋放的能量多B．對環境的放射性污染較裂變輕，且較容易處理C．熱核反應的原料在地球上儲量豐富D．熱核反應的速度容易控制答案D解析受控熱核反應的實際應用的技術尚不成熟，它的反應速度是不易控制的．2．關于核能的利用，下列說法正確的是()A．現在的核電站既有裂變反應堆也有聚變反應堆B．在地球上，人類還無法實現聚變反應C．當人類實現了受控核聚變，穩定輸出核能時，世界就會克服“能源危機”D．世界現有核電站能夠進行聚變反應而輸出核能答案C解析現有核電站均為重核裂變反應釋放能量，而裂變反應和聚變反應的條件不同，現在的核電站不能進行聚變反應，故A、D錯誤；雖然人類已經掌握了聚變反應的技術，但還不能實現大規模的受控核聚變，故B錯誤；由于地球上儲備有大量的聚變原料，一旦實現受控核聚變，世界將不再存在“能源危機”，故C正確．3．(多選)2009年10月31日8時6分，中國科學界“兩彈一星”巨星錢學森在北京逝世，享年98歲．人民群眾深刻悼念這位有著“中國航天之父”稱號的偉大科學家．下列核反應方程中屬研究兩彈的基本核反應方程式的是()A.eq\o\al(14,7)N＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(17,8)O＋eq\o\al(1,1)HB.eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(90,38)Sr＋eq\o\al(136,54)Xe＋10eq\o\al(1,0)nC.eq\o\al(238,92)U→eq\o\al(234,90)Th＋eq\o\al(4,2)HeD.eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)n答案BD解析“兩彈”指原子彈和氫彈，它們的核反應屬于重核的裂變與輕核的聚變，故應選B、D.4．(多選)關于聚變，以下說法中正確的是()A．兩個輕核聚變為中等質量的原子核時放出能量B．同樣質量的物質發生聚變時放出的能量比同樣質量的物質裂變時釋放的能量大好多倍C．聚變反應的條件是聚變物質的體積達到臨界體積D．發生聚變反應時的原子核必須有足夠大的動能答案BD解析兩個輕核聚合為較大質量的原子核就可釋放能量但不一定是中等質量的核，故A項錯誤．聚變反應放出的能量比同樣質量的物質裂變時釋放的能量大得多，這點由聚變反應的特點我們就可以知道，故B項正確．裂變反應的條件是裂變物質的體積達到臨界體積，而聚變反應的條件是原子核間距達到10－15m5．關于核聚變，以下說法不正確的是()A．與裂變相比輕核聚變輻射極少，更為安全、清潔B．世界上已經有利用核聚變能來發電的核電站C．要使輕核發生聚變，必須使它們的距離達到10－15mD．地球聚變燃料的儲量十分豐富，從海水中可以提煉出大量核聚變所需的氘核答案B解析與裂變相比，核聚變有下面的幾個優勢：(1)安全、清潔、輻射少；(2)核燃料儲量多；(3)核廢料易處理．但核聚變發電還沒有投入實際運行．所以B項是不正確的．6．原子核聚變可望給人類未來提供豐富的潔凈能源．當氘等離子體被加熱到適當高溫時，氘核參與的幾種聚變反應可能發生，并放出能量．這幾種反應的總效果可以表示為6eq\o\al(2,1)H→keq\o\al(4,2)He＋deq\o\al(1,1)H＋2eq\o\al(1,0)n＋43.15MeV，則由守恒條件可知()A．k＝1，d＝4B．k＝2，d＝2C．k＝1，d＝6D．k＝2，d＝3答案B解析由質量數守恒和電荷數守恒，分別有4k＋d＝10,2k＋d＝6，解得k＝2，d＝2.正確選項為B.題組二基本粒子7．K－介子衰變的方程為K－→π－＋π0.其中K－介子和π－介子是帶負電的基元電荷，π0介子不帶電．如圖1所示的1個K－介子沿垂直于磁場的方向射入勻強磁場中，其軌跡為圓弧AP，衰變后產生的π－介子的軌跡為圓弧PB，兩軌跡在P點相切，它們的半徑RK－與Rπ－之比為2∶1.π0介子的軌跡未畫出．由此可知π－的動量大小與π0的動量的大小之比為()圖1A．1∶1B．1∶2C．1∶3D．1∶6答案C解析帶電粒子K－與π－在磁場中做勻速圓周運動，洛倫茲力提供向心力Bqv＝eq\f(mv2,R)得R＝eq\f(mv,Bq)＝eq\f(p,Bq)，K－介子與π－介子帶電量相同，故運動的半徑之比等于動量之比pK－∶pπ－＝RK－∶Rπ－＝2∶1在衰變后π－介子與π0介子動量方向相反，設K－介子的動量為正，則π－介子動量為負值，由動量守恒pK－＝－pπ－＋pπ0則pπ－∶pπ0＝1∶3故A、B、D錯，C對．8．現在，科學家們正在設法尋找“反物質”，所謂“反物質”是由“反粒子”構成的，“反粒子”與其對應的正粒子具有相同的質量和相同的電量，但電荷的符號相反．據此，反α粒子為()A.eq\o\al(4,2)HeB.eq\o\al(－4,2)HeC.eq\o\al(－4,－2)HeD.eq\o\al(4,－2)He答案D解析這類問題在前兩年的高考中經常出現．根據題目中的描述，結合α粒子的特點很容易選出正確選項為D.題組三粒子加速器9．(多選)1930年勞倫斯制成了世界上第一臺回旋加速器，其原理如圖圖2所示，這臺加速器由兩個銅質D形盒D1、D2構成，其間留有空隙，下列說法正確的是()圖2A．離子由加速器的中心附近進入加速器B．離子由加速器的邊緣進入加速器C．離子從磁場中獲得能量D．離子從電場中獲得能量答案AD解析回旋加速器的工作原理是使離子在兩個D形盒的縫隙中受電場力加速，在D形盒的內部受洛倫茲力作勻速圓周運動，在磁場中所受的洛倫茲力不做功因此選項C錯、D正確．隨著加速次數的增加，離子的能量越來越大，速度越來越大，由r＝eq\f(mv,qB)可知離子的圓周運動半徑越來越大，最后從加速器的邊緣飛出加速器，因此選項B錯、A正確．10．1989年初，我國投入運行的高能粒子回旋加速器可以把電子的能量加速到2.8GeV；若改用直線加速器加速，設每級的加速電壓為U＝2.0×105V，則需要幾級加速？答案1.4×104(級)解析設經n級加