2019-2020學年高中物理 第十九章 原子核 7、8 核聚變 粒子和宇宙課件 新人教版選修3-5.ppt

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7 8核聚變粒子和宇宙 一 核聚變1 定義兩個輕核結合成質(zhì)量較大的原子核的反應 2 條件 1 輕核的距離要達到10 15m以內(nèi) 2 聚變可以通過高溫來實現(xiàn) 因此又叫熱核反應 3 核反應舉例 1 熱核反應主要應用在核武器上 如氫彈 2 熱核反應在宇宙中時時刻刻地進行著 太陽就是一個巨大的熱核反應堆 3 典型的核聚變 一個氘核和一個氚核的聚變 該反應平均每個核子放出的能量比裂變反應平均每個核子放出的能量大3 4倍 4 聚變與裂變相比有很多優(yōu)點 1 輕核聚變產(chǎn)能效率高 2 地球上聚變?nèi)剂系膬α控S富 3 輕核聚變更為安全 清潔 5 實現(xiàn)核聚變的方法 1 難點 地球上沒有任何容器能夠經(jīng)受幾百萬開爾文的高溫 2 方案 科學家設想了兩種方案 即磁約束和慣性約束 環(huán)流器是目前性能最好的一種磁約束裝置 二 粒子和宇宙1 基本粒子 不基本 1 19世紀末 人們認為原子是組成物質(zhì)的不可再分的最小微粒 2 后來認為光子 電子 質(zhì)子和中子是組成物質(zhì)的不可再分的最基本的粒子 并稱為 基本粒子 隨著科學的進一步發(fā)展 科學家們逐漸發(fā)現(xiàn)了數(shù)以百計的不同種類的新粒子 它們都不是由質(zhì)子 中子 電子組成的 另外又發(fā)現(xiàn)質(zhì)子 中子等本身也有自己的復雜的結構 所以 從20世紀后半期起 就將 基本 二字去掉 統(tǒng)稱為粒子 2 發(fā)現(xiàn)新粒子與夸克模型 1 反粒子實驗中發(fā)現(xiàn) 對應著許多粒子都存在質(zhì)量 壽命 自旋等物理性質(zhì)與過去已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的粒子相同 而電荷等其他性質(zhì)相反的粒子 這些粒子叫做反粒子 例如 電子的反粒子就是正電子 2 粒子的分類按照粒子與各種相互作用的不同關系 可將粒子分為三大類 強子 參與強相互作用的粒子 質(zhì)子是最早發(fā)現(xiàn)的強子 輕子 不參與強相互作用的粒子 最早發(fā)現(xiàn)的輕子是電子 媒介子 是傳遞各種相互作用的粒子 如光子 中間玻色子 膠子 3 夸克模型的提出1964年提出的夸克模型 認為強子是由更基本的夸克組成的 3 宇宙及恒星的演化 1 宇宙演化根據(jù)大爆炸理論 在宇宙形成之初是 粒子家族 盡顯風采的時期 在大爆炸之后逐漸形成了夸克 輕子和膠子等粒子 隨后經(jīng)過強子時代 輕子時代 核合成時代 繼續(xù)冷卻 質(zhì)子 電子 原子等與光子分離而逐步組成恒星和星系 2 恒星的演化 恒星的形成 大爆炸后 在萬有引力作用下形成星云團 進一步凝聚使引力勢能轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)能 溫度升高 直到發(fā)光 于是恒星誕生了 恒星演變 核聚變反應 層級遞進地在恒星內(nèi)發(fā)生 直到各種熱核反應不再發(fā)生時 恒星的中心密度達到極大 恒星歸宿 恒星最后的歸宿有三種 它們是白矮星 中子星 黑洞 自我檢測1 思考辨析 1 光子 電子 質(zhì)子和中子是組成物質(zhì)的不可再分的最基本的粒子 解析 隨著科學的發(fā)展 科學家們發(fā)現(xiàn)質(zhì)子 中子等本身也有復雜結構 答案 2 太陽輻射的巨大能量來自太陽中本身儲存的大量內(nèi)能 解析 太陽輻射的巨大能量主要來自太陽內(nèi)部氫核聚變成氦核時釋放的能量 答案 3 要使聚變產(chǎn)生 必須克服庫侖斥力做功 解析 輕核聚變時 要使輕核之間距離達到10 15m 所以必須克服庫侖斥力做功 答案 2 探究討論 1 夸克模型是如何提出的 答案 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 輕核聚變?yōu)槭裁丛诘厍蛏喜蝗菀装l(fā)生 要發(fā)生聚變有什么苛刻條件嗎 答案 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庫侖斥力作用 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 有一種方法就是給它們加熱 使物質(zhì)達到幾百萬開爾文以上的高溫 在地球上是不容易達到這個條件的 探究一 探究二 核聚變問題探究太陽是人類最大的能量來源 千萬年來 它的光輝沒有絲毫的減弱 人們對如此巨大和持久的太陽能的來源充滿了各種設想 最初人類設想太陽是一個大煤爐 靠燃燒煤的化學能維持它的光和熱 可是研究表明 太陽表面的溫度超過6000K 太陽的輻射功率約3 9 1026W 碳和氧的化合反應很難達到這樣的溫度 也很難持久地輻射如此巨大的能量 太陽的能量究竟來自于何方 要點提示 氫是太陽中的燃料 太陽內(nèi)不斷發(fā)生著輕核聚變變成氦核的反應 同時放出巨大的能量 探究一 探究二 知識歸納1 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 有一種辦法就是把它們加熱到幾百萬開爾文的高溫 2 輕核聚變是放能反應從比結合能的圖線看 輕核聚變后比結合能增加 因此聚變反應是一個放能反應 探究一 探究二 3 核聚變的特點 1 在消耗相同質(zhì)量的核燃料時 輕核聚變比重核裂變釋放更多的能量 2 熱核反應一旦發(fā)生 就不再需要外界給它能量 靠自身產(chǎn)生的熱就可以使反應進行下去 3 普遍性 熱核反應在宇宙中時時刻刻地進行著 太陽就是一個巨大的熱核反應堆 4 核聚變的應用 1 核武器 氫彈 一種不需要人工控制的輕核聚變反應裝置 它利用彈體內(nèi)的原子彈爆炸產(chǎn)生的高溫高壓引發(fā)熱核聚變爆炸 2 可控熱核反應 目前處于探索階段 探究一 探究二 探究一 探究二 例題1 多選 據(jù)新華社報道 由我國自行設計 研制的世界第一套全超導核聚變實驗裝置 又稱 人造太陽 已完成了首次工程調(diào)試 下列關于 人造太陽 的說法正確的是 C 根據(jù)公式E mc2可知 核燃料的質(zhì)量相同時 聚變反應釋放的能量比裂變反應大得多D 根據(jù)公式E mc2可知 核燃料的質(zhì)量相同時 聚變反應釋放的能量與裂變反應相同 思考問題 輕核聚變的方程是什么 探究一 探究二 規(guī)律總結核聚變反應方程的書寫與核能的計算 1 聚變的核反應方程遵循質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒 2 核能計算的關鍵是求出核反應中的質(zhì)量虧損 然后根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程求解 探究一 探究二 粒子與宇宙問題探究對粒子的認識下圖為粒子發(fā)展示意圖 1 為什么現(xiàn)在將 基本 二字去掉 統(tǒng)稱為粒子 2 為什么說夸克模型是物理學發(fā)展中的一個重大突破 探究一 探究二 要點提示 1 隨著科學的發(fā)展 科學家們發(fā)現(xiàn)了很多的新粒子都不是由質(zhì)子 中子 電子組成的 又發(fā)現(xiàn)質(zhì)子 中子等本身也有自己的復雜結構 所以現(xiàn)在將 基本 二字去掉 統(tǒng)稱為粒子 2 夸克模型的提出是物理學發(fā)展中的一個重大突破 它指出電子電荷不再是電荷的最小單元 即存在分數(shù)電荷 探究一 探究二 知識歸納1 新粒子的發(fā)現(xiàn)及特點 探究一 探究二 探究一 探究二 典例剖析 例題2 太陽內(nèi)部持續(xù)不斷地發(fā)生著四個質(zhì)子聚變?yōu)橐粋€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 已知質(zhì)子質(zhì)量為mH 1 0073u 氦核質(zhì)量為mHe 4 0015u 電子質(zhì)量為me 0 00055u 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(zhì)量為多少千克 探究一 探究二 1 2 解析 由核反應過程必須遵守的質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒知X是 放出熱量分別為Q1和Q2的兩個核反應中質(zhì)量虧損分別為0 0021u和0 0053u 故Q2 Q1 答案 B 1 2 個中子 已知氘核質(zhì)量為m1 2 0141u 氚核質(zhì)量為m2 3 0160u 氦核質(zhì)量為m3 4 0026u 中子質(zhì)量為m4 1 008665u 求 1 寫出聚變的核反應方程 2 此反應過程中釋放的能量為多少 平均每個核子釋放出多少核能 2 此反應過程的質(zhì)量虧損為 m 2 0141u 3 0160u 4 0026u 1 008665u 0 018835u E mc2 0 018835 931 5MeV 17 5MeV