2018-2019學年高中物理 第三章 原子核 3.6 核聚變課件 教科版選修3-5.ppt

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1、6 核 聚 變,一、核聚變 1.核聚變:輕原子核聚合成_____原子核的反應稱為 聚變反應,簡稱核聚變。 2.輕核聚變必須在高溫下進行,因此核聚變又叫 _________。 3.核反應舉例:,較重,熱核反應,4.聚變與裂變相比有很多優(yōu)點: (1)輕核聚變產能_______。 (2)地球上聚變燃料的儲量_____。 (3)輕核聚變更為___________。,效率高,豐富,安全、清潔,5.熱核反應:實際舉例 (1)氫彈的原理。 (2)太陽內部核聚變釋放核能。,二、可控核聚變反應研究的進展 1.我們把_________情況下釋放能量的裝置,稱為 ___________。 2.一種被稱作______

2、___受控熱核反應的研究領先于 其他途徑。 3.近年來的重大突破是將_________成功地應用于 產生_______________的線圈上。,受控聚變,聚變反應堆,托卡馬克,超導技術,托卡馬克強磁場,【判一判】 (1)用加速器給氘核加速,很容易發(fā)生聚變反 應。 ( ) (2)托卡馬克是利用電磁感應產生的大電流對等離子 體加熱的。 ( ) (3)目前,人類已經實現(xiàn)了受控熱核聚變。 ( ),提示:(1)用加速器給氘核加速,加速了的氘( H)核打在 氚( H)核的固體靶上,大部分能量會消耗在與電子的碰 撞上,發(fā)生聚變的概率非常小,(1)錯。 (2)托卡馬克是用電磁感應產生的大電流對等離子進行 加

3、熱,從而實現(xiàn)等離子體核燃料的“點火”,(2)對。 (3)目前,受控熱核聚變還處在研究階段,(3)錯。,三、恒星演化中的核反應 1.引力坍縮:由于物質間_________而聚集到一起的 現(xiàn)象。 2.供太陽發(fā)生核聚變過程的燃料是___。太陽內部核 聚變的反應方程式為_______________。,相互吸引,氫,知識點一、核聚變與恒星的演化 思考探究: 如圖是1967年6月17日,我國第一顆氫彈 爆炸成功的圖片資料,請思考以下問題: (1)氫彈的威力相比原子彈的威力哪一個大? (2)氫彈爆炸過程中的核反應是如何進行的?,【歸納總結】 1.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

4、個放能反應。 例如,,2.聚變發(fā)生的條件:要使輕核聚變,必須使輕核接近核力發(fā)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。,3.,4.恒星的演化:,【典例探究】 【典例】核聚變能是一種具有經濟性能優(yōu)越、安全可 靠、無環(huán)境污染等優(yōu)勢的新能源。近年來,受控核聚變 的科學可行性已得到驗證,目前正在突破關鍵技術,最 終將建成商用核聚變電站。一種常見的核聚變反應是 由氫的同位素氘(又叫重氫)和氚(又叫超重氫)聚合成 氦,并釋放一個中子。若已知氘原子的質量為2.014u,,氚原子的質量為3.01

5、6 0u,氦原子的質量為4.0026u,中子的質量為1.008 7u,1u=1.6610-27kg。 (1)寫出氘和氚聚合的反應方程。 (2)試計算這個核反應釋放出來的能量。 (3)若建一座功率為3.0105kW的核聚變電站,假設聚變所產生的能量有一半變成了電能,每年要消耗多少質量的氘?(一年按3.2107s計算,光速c=3.00108m/s,結果取兩位有效數(shù)字),【思路點撥】解答該題應關注以下三點: (1)根據(jù)質量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒書寫核反應方程。 (2)由愛因斯坦質能方程求解釋放的能量。 (3)由功率的意義求一年內核反應次數(shù)。,【正確解答】(1)根據(jù)質量數(shù)和電荷數(shù)守恒,可得核 反應方程為,

6、(2)質量虧損 Δm=m2+m3-m4-m1 =(2.014+3.016 0-4.002 6-1.008 7)u =0.018 71.6610-27kg =3.104 210-29kg 根據(jù)愛因斯坦質能方程ΔE=Δmc2 核反應釋放的核能 ΔE=Δmc2=3.104 210-29(3108)2J=2.810-12J,(3)一年中產生的電能發(fā)生的核反應次數(shù)為n= 所需氘的質量m=nm21.6610-27kg=23kg. 答案:(1) (2)2.810-12J (3)23kg,【總結提升】輕核聚變釋放核能的計算 (1)正確書寫核反應方程式是解題的前提。 書寫核反應方程式時,要明確反應物和生成物,

7、并注意它們的元素符號,特別是同位素,不要忘記根據(jù)質量數(shù)守恒與電荷數(shù)守恒配平方程式。,(2)核能計算式要選取正確的單位。 在利用ΔE=Δmc2進行計算時,若Δm取kg為單位,則c的單位為m/s;若質量單位用原子質量單位u,則要利用1u相當于931.5MeV計算核能。,【補償訓練】 一個質子和兩個中子聚變?yōu)橐粋€氚核,已知質子質量mH=1.0073u,中子質量mn=1.0087u,氚核質量m=3.0180u. (1)寫出聚變方程. (2)求釋放出的核能多大. (3)求平均每個核子釋放的能量是多大.,【解析】(1)聚變方程 (2)質量虧損Δm=mH+2mn-m=(1.0073+21.0087- 3.

8、0180)u=0.0067u,釋放的核能ΔE=Δmc2=0.0067931.5MeV≈6.24MeV。 (3)平均每個核子放出的能量為 MeV=2.08MeV. 答案:(1) (2)6.24MeV (3)2.08MeV,【過關訓練】 氘核和氚核可發(fā)生熱核聚變而釋放出巨大的能量, 該反應方程為: ,式中x是某種粒子。 已知: 和粒子x的質量分別為2.014 1 u、 3.016 1 u、4.002 6 u和1.008 7 u;1 u= c是真空中的光速。由上述反應方程和數(shù)據(jù)可知,粒子x 是____,該反應釋放出的能量為____MeV(結果保留3位 有效數(shù)字)。,【解析】根據(jù)質量數(shù)

9、和電荷數(shù)守恒可得x是 (中子)。核反應中的質量虧損為 Δm=(2.014 1 u+3.016 1 u-4.002 6 u-1.008 7 u) =0.018 9 u 所以該反應釋放出的能量為ΔE=Δmc2=17.6 MeV 答案:(1) (或中子) 17.6,知識點二、可控核聚變反應的研究進展 思考探究: 如圖描述的是我國第一顆氫彈爆炸 成功的消息傳出后,人們歡呼慶祝 的場景,請思考以下問題: (1)氫彈爆炸時,核能釋放的速度應該快還是慢? (2)目前,人們能否有效地控制核聚變的速度?,【歸納總結】 1.核子聚變的條件: 要使核子發(fā)生聚變,必須使核子接近核力能發(fā)生作用的范圍。 2.聚變反應堆:

10、受控聚變情況下釋放能量的裝置。,3.聚變反應堆研究進展: (1)托卡馬克受控熱核反應的研究領先于其他途徑。 (2)環(huán)流器:托卡馬克是一種環(huán)形磁約束受控熱核反應裝置。,(3)環(huán)流器原理:在這種裝置中,等離子體被不同方向的磁場約束在一個環(huán)管狀的金屬反應室中,用電磁感應產生的大電流對等離子體進行加熱,從而實現(xiàn)等離子體熱核燃料的“點火”。 (4)超導托卡馬克:將超導技術成功地應用于產生托卡馬克強磁場的線圈上制成。,4.核聚變是一種安全、不產生放射性物質、原料成本低廉的能源,是人類未來能源的希望。,【典例探究】 【典例】(2016全國卷Ⅱ)在下列描述的核過程的方程中,屬于α衰變的是________,屬于

11、β衰變的是________,屬于裂變的是________,屬于聚變的是________。,【正確解答】原子核發(fā)生α衰變會產生一個新核和 ,所以選項C是α衰變;原子核發(fā)生β衰變會產 生一個新核和 ,所以A、B選項為β衰變;重核被轟擊后,發(fā)生裂變會產生幾個質量差不多的新核,所以選項E為裂變;兩個輕核結合成質量較大的核的核反應,為核聚變,所以選項F為核聚變。 答案:C A、B E F,【過關訓練】 (多選)能源是社會發(fā)展的基礎,發(fā)展核能是解決能源問題的途徑之一,下列釋放核能的反應方程,表述正確的有 ( ),【解析】選A、C。兩個輕核聚合成一個較重的核的反應為核聚變反應,故A對B錯。重核被中子轟擊后

12、分裂成兩個中等質量的原子核并放出若干個中子的反應為核裂變反應,故C對。原子核放出α或β粒子后變成另一種原子核的反應稱為原子核的衰變。原子核的衰變的反應物只有一種,故D錯。,【補償訓練】 我國自行設計、研制的“人造太陽”裝置——全超導非圓截面核聚變實驗裝置(EAST)成為世界上第一個同時具有全超導磁體和主動冷卻結構的核聚變實驗裝置.它的建成使我國邁入磁約束核聚變領域先進國家行列.下列關于“人造太陽”的說法正確的是 ( ),A.“人造太陽”的核反應方程是 B.“人造太陽”的核反應方程是 C.“人造太陽”核能大小的計算公式是E= mc2 D.“人造太陽”釋放的能量大小的計算公式是ΔE=Δmc2,

13、【解析】選B、D.“人造太陽”內進行的是核聚變反應,故A錯誤,B正確.核反應放出的能量應由愛因斯坦質能方程計算,C錯誤,D正確.,【溫馨提示】輕核發(fā)生聚變反應時,同樣滿足能量守恒和動量守恒,因此聚變反應經常與能量、動量結合起來進行考查。,【拓展例題】考查內容:能量守恒與輕核聚變反應的 綜合應用 兩個動能均為1 MeV的氘核發(fā)生正面碰撞,引起如下 反應: 已知:氘核的質量為2.013 6 u, 氚核的質量為3.015 6 u,氫核的質量為1.007 3 u,1 原子質量單位(u)相當于931.5 MeV.試求,(1)此核反應中放出的能量ΔE為多少MeV? (2)若放出的能量全部變?yōu)樾律说?/p>

14、動能,則新生的氫核所具有的動能為多少MeV?,【思路點撥】氘核碰撞過程動量守恒,找到新生核的動能與其動量的關系,進而找到兩新生核動能之間的關系.,【正確解答】(1)由質能方程,核反應中放出的能量為: ΔE=Δm931.5MeV=(22.013 6 u-3.015 6 u- 1.007 3 u)931.5 MeV=4.005 MeV.,(2)相互作用過程中動量守恒p1=p2 新生的氚核的動能: 新生的氫核的動能: 由能量守恒得:2Ek+ΔE= 代入數(shù)據(jù)得新生的氫核的動能: =4.5 MeV 答案:(1)4.005 MeV (2)4.5 MeV,輕核聚變與重核裂變的區(qū)別,【案例展示】下面關于原子核

15、的裂變和聚變的說法,正確的是 ( ) A.重核裂變和輕核聚變都放出核能,但地球上裂變材料比聚變材料豐富得多 B.目前人類建成的核電站全部是利用重核裂變放出的能量來發(fā)電的,C.要使輕原子核發(fā)生聚變,必須使它們之間的距離至少接近到10-10m D.太陽發(fā)出的光和熱主要來自太陽內部原子核的聚變反應,【正確解答】選B、D。裂變的材料是鈾,在地球上儲量有限,而聚變的主要原料是氘,在地球上儲量非常豐富,1L海水中大約有0.03g氘,A錯誤;目前人們還不能有效地控制聚變的速度,核電站全部是利用重核裂變放出的能量來發(fā)電的,B正確;要發(fā)生聚變必須使輕核進入到核力的作用范圍(10-15m)內,C錯誤;太陽的光和熱來自于原子核的聚變反應,D正確.,【易錯分析】本題易錯選項及錯誤原因分析如下:,