（新課標）2018-2019學年高考物理 主題三 原子與原子核 3.3 原子核 3.3.7-3.3.8 核聚變 粒子和宇宙學案 新人教版選修3-5.doc
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3.3.7 核聚變 3.3.8 粒子和宇宙 學習目標 核心提煉 1.了解聚變反應的特點及其條件。 2.了解可控熱核反應及其研究和發(fā)展，會判斷和填寫核聚變方程，并能計算核聚變釋放的能量。 3.知道輕核的聚變能夠釋放出很多的能量，如果能加以控制將為人類提供廣闊的能源前景。 4.知道粒子的分類及其作用，了解夸克模型。 5.了解宇宙及恒星的演化。 1個概念——核聚變 1個條件——聚變反應條件 一、核聚變 1.定義：兩個輕核結合成質量較大的核，并釋放出能量的反應。 2.舉例：H＋H―→He＋n＋17.6 MeV 3.條件：要使輕核發(fā)生聚變，必須使它們的距離達到10－15m以內，核力才能起作用。由于原子核都帶正電，要使它們接近到這種程度，必須克服巨大的庫侖斥力，這就要求原子核具有足夠的動能，有一種方法就是把它們加熱到很高的溫度，溫度高達幾百萬開爾文，因此聚變又叫熱核反應。 4.應用：目前，熱核反應主要用在核武器上，那就是氫彈，需要用原子彈爆炸產生的高溫高壓引發(fā)核爆炸。 5.太陽能：太陽的主要成分是氫，太陽中心溫度可達1.5107 K，在此高溫下，氫核聚變成氦核的反應不停地進行著，太陽能就來自于太陽內部聚變 釋放的核能。 思考判斷 (1)核聚變時吸收能量。( ) (2)核聚變平均每個核子放出的能量，比裂變反應中平均每個核子放出的能量大。( ) (3)熱核反應主要用在核武器上，那就是原子彈。( ) 答案 (1) (2)√ (3) 二、受控熱核反應 1.聚變的優(yōu)點：第一：輕核聚變產能效率高。第二：地球上聚變燃料的儲量豐富。第三：輕核聚變更為安全、清潔，控制溫度，可控制反應，而且生成的廢物數(shù)量少、易處理。 2.聚變的難點：地球上沒有任何容器能夠經受熱核反應的高溫。 3.控制方法 (1)磁約束：利用磁場約束參加反應的物質，目前最好的一種磁約束裝置是環(huán)流器。 (2)慣性約束：聚變物質因自身的慣性，在極短時間內來不及擴散就完成了核反應，在慣性約束下，用激光從各個方向照射反應物，使它們“擠”在一起發(fā)生反應。 思考判斷 (1)輕核聚變比裂變更安全、清潔。( ) (2)實現(xiàn)核聚變的難點是地球上沒有任何容器能夠經受如此高的溫度。( ) (3)現(xiàn)在已經實現(xiàn)了技術突破，能夠穩(wěn)定地輸出聚變能。( ) 答案 (1)√ (2)√ (3) 三、粒子和宇宙 1.基本粒子不基本 (1)19世紀末，人們都認為光子、電子、質子和中子是組成物質的不可再分的最基本的粒子。 (2)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子、中子、電子組成的，又發(fā)現(xiàn)質子、中子等本身也有自己的復雜結構。 2.發(fā)現(xiàn)新粒子 (1)新粒子：1932年發(fā)現(xiàn)了正電子，1937年發(fā)現(xiàn)了μ子，1947年發(fā)現(xiàn)了K介子和π介子及以后的質量比質子的質量大的超子。 (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、輕子和媒介子。 (3)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，認為強子是由更基本的成分組成，這種成分叫作夸克。夸克模型指出電子電荷不再是電荷的最小單位，即存在分數(shù)電荷。 3.宇宙和恒星的演化 (1)宇宙的演化 宇宙大爆炸約溫度為1032 K，產生了夸克、輕子、膠子等粒子溫度下降到1013 K左右，強子時代―→溫度下降到1011K時，輕子時代―→溫度下降到109 K時，核合成時代溫度下降到104 K，混合電離態(tài)―→溫度下降到3 000 K時，中性的氫原子恒星和星系。 (2)恒星的演化：宇宙塵埃―→星云團―→恒星誕生―→氫核聚合成氦核―→氦核聚合成碳核―→其他聚變過程―→無聚變反應，形成白矮星或中子星或黑洞。 思考判斷 (1)質子、中子不能再分。( ) (2)夸克的帶電量是電子電荷的整數(shù)倍。( ) (3)太陽目前正處于氫通過熱核反應成為氦，以電磁波的形式向外輻射核能的階段。( ) 答案 (1) (2) (3)√ 核聚變的特點及應用 [要點歸納] 1.核聚變的特點 (1)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。 (2)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。 (3)熱核反應一旦發(fā)生，就不再需要外界給它能量，靠自身產生的熱就可以使反應進行下去。 (4)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。 2.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。它利用彈體內的原子彈爆炸產生的高溫高壓引發(fā)熱核聚變爆炸。 (2)可控熱核反應：目前處于探索階段。 3.重核裂變與輕核聚變的區(qū)別 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簡單得多 原料的蘊藏量 核裂變燃料鈾在地球上儲量有限，尤其用于核裂變的鈾235在鈾礦石中只占0.7% 主要原料是氘，氘在地球上的儲量非常豐富。1 L水中大約有0.03 g氘，如果用來進行熱核反應，放出的能量約與燃燒300 L汽油釋放的能量相當 可控性 速度比較容易進行人工控制，現(xiàn)在的核電站都是用核裂變反應釋放核能 目前，除氫彈以外，人們還不能控制它 [精典示例] [例1] 關于核聚變的說法正確的是( ) A.聚變是裂變的逆反應 B.如果裂變釋放能量，則聚變反應一定吸收能量 C.聚變反應須將熱核燃料加熱到數(shù)百萬度以上的溫度，顯然是吸熱反應 D.聚變和裂變都可以釋放出巨大的能量 審題指導 (1)聚變反應和裂變反應的定義。 (2)吸能和放能的判斷依據(jù)。 (3)聚變反應的條件。 解析 從形式上看聚變和裂變好像是互逆反應，其實不然，兩者的反應物和生成物全然不同，裂變是重核分裂成中等核，而聚變是兩個輕核聚合為質量較大的輕核，兩者不可能互為逆反應，選項A錯誤；聚變和裂變反應的質量都發(fā)生了虧損，故都是放能反應，要放出巨大的能量，選項B錯誤，D正確；聚變反應須將熱核燃料加熱到數(shù)百萬度以上的溫度，但一旦反應進行，自身釋放的巨大能量足以提供高溫使反應繼續(xù)進行，故聚變反應是放能反應，選項C錯誤。 答案 D [針對訓練1] 關于輕核聚變釋放核能，下列說法正確的是( ) A.一次聚變反應一定比一次裂變反應釋放的能量多 B.聚變反應比裂變反應每個核子釋放的平均能量一定大 C.聚變反應中粒子的比結合能變小 D.聚變反應中由于形成質量較大的核，故反應后質量增加 解析 在一次聚變反應中釋放的能量不一定比裂變反應多，但平均每個核子釋放的能量一定大，故選項A錯誤、B正確；由于聚變反應中釋放出巨大能量，則比結合能一定增加，質量發(fā)生虧損，故選項C、D錯誤。 答案 B 粒子的分類和夸克模型 [要點歸納] 1.粒子的分類 分類 參與的相互作用 發(fā)現(xiàn)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”構成；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(fā)現(xiàn)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、中間玻色子、膠子分別傳遞電磁、弱、強相互作用 2.夸克模型 (1)夸克的提出：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)夸克的種類：上夸克(u)、下夸克(d)、奇異夸克(s)、粲夸克(c)、底夸克(b)和頂夸克(t)。 [精典示例] [例2] 在β衰變中常伴有一種稱為“中微子”的粒子放出。中微子的性質十分特別，因此在實驗中很難探測。1953年，萊尼斯和柯文建造了一個由大水槽和探測器組成的實驗系統(tǒng)，利用中微子與水中H的核反應，間接地證實了中微子的存在。 (1)中微子與水中的H發(fā)生核反應，產生中子(n)和正電子(e)，即中微子＋H―→n＋e，可以判定，中微子的質量數(shù)和電荷數(shù)分別是________。(填寫選項前的字母) A.0和0 B.0和1 C.1和0 D.1和1 (2)上述核反應產生的正電子與水中的電子相遇，與電子形成幾乎靜止的整體后，可以轉變?yōu)閮蓚€光子(γ)，即e＋e―→2γ。已知正電子和電子的質量都為9.110－31 kg，反應中產生的每個光子的能量約為________J。正電子與電子相遇不可能只轉變?yōu)橐粋€光子，原因是______________________________________。 審題指導 解答本題時應注意以下三點： (1)核反應根據(jù)質量數(shù)和電荷數(shù)守恒，判斷質量數(shù)和電荷數(shù)。 (2)正電子和負電子的湮滅，根據(jù)質能方程判斷光子的能量。 (3)根據(jù)動量守恒定律判斷產生光子的個數(shù)。 解析 (1)發(fā)生核反應前后，粒子的質量數(shù)和電荷數(shù)均不變，據(jù)此可知中微子的質量數(shù)和電荷數(shù)都是0，選項A正確。(2)產生的能量是由于質量虧損。兩個電子轉變?yōu)閮蓚€光子之后，質量變?yōu)榱悖瑒tE＝Δmc2，故一個光子的能量為，代入數(shù)據(jù)得＝8.210－14 J。正電子與水中的電子相遇，與電子形成幾乎靜止的整體，故系統(tǒng)總動量為零，故如果只產生一個光子是不可能的，因為此過程遵循動量守恒定律。 答案 (1)A (2)8.210－14 此過程遵循動量守恒定律 [針對訓練2] 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(反夸克或反夸克)組成的，它們的帶電荷量如表所示，表中e為元電荷。 粒子 π＋ π－ u d 帶電荷量 ＋e －e ＋e －e －e ＋e (1)按最簡單的組成，π＋介子由誰和誰組成？ (2)按最簡單的組成，π－介子由誰和誰組成？ 解析 (1)π＋介子帶有＋e的電荷量，且是由一個夸克和一個反夸克組成的，夸克u帶＋e和反夸克帶＋e合成電荷量為e。 (2)π－介子帶有－e的電荷量，是由一個夸克和一個反夸克組成的，夸克d帶－e和反夸克帶－e合成電荷量為－e。 答案 (1)π＋介子是由夸克u和反夸克組成的 (2)π－介子由夸克d和反夸克組成 1.(多選)聚變與裂變相比，下列說法正確的是( ) A.聚變比裂變產能效率高 B.在目前情況下，使原子核聚變要比裂變容易 C.原子彈的燃料是235U D.氫彈的原理是核的聚變，需由原子彈來引爆 解析 聚變比裂變的平均結合能大，故選項A正確；在目前的條件下，核裂變要比核聚變容易很多，故選項B錯誤；原子彈利用的核裂變燃料為235U，氫彈利用的核聚變需原子彈引爆，故選項C、D正確。 答案 ACD 2.根據(jù)宇宙大爆炸的理論，在宇宙形成之初是“粒子家族”盡顯風采的時期，那么在大爆炸之后最早產生的粒子是( ) A.夸克、輕子、膠子等粒子 B.質子和中子等強子 C.光子、中微子和電子等輕子 D.氫核、氘核、氦核等輕核 解析 宇宙形成之初產生了夸克、輕子和膠子等粒子，之后又經歷了質子和中子等強子時代，再之后是自由的光子、中微子、電子大量存在的輕子時代，再之后是中子和質子結合成氘核，并形成氦核的核時代，之后電子和質子復合成氫原子，最后形成恒星和星系，因此選項A正確，B、C、D的產生都在A之后，故選項B、C、D錯誤。 答案 A 3.(多選)在某次核反應中，1個氘核和1個氚核結合生成1個氦核，則下列說法正確的是( ) A.這是一個聚變反應 B.核反應方程式為H＋H→He＋n C.目前核電站都采用上述核反應發(fā)電 D.該核反應沒有質量虧損 解析 1個氘核和1個氚核結合生成1個氮核，反應方程為H＋H→He＋n，這是聚變反應。故選項A、B正確；目前核電站都采用核裂變發(fā)電。故選項C錯誤；該反應放出熱量，所以一定有質量虧損。故選項D錯誤。 答案 AB 4.關于太陽輻射的主要由來，下列說法正確的是( ) A.來自太陽中氫元素聚變反應釋放的核能 B.來自太陽中碳元素氧化釋放的化學能 C.來自太陽中重元素裂變反應釋放的核能 D.來自太陽中本身貯存的大量內能 解析 太陽的能量來自于太陽內部原子核的聚變，通過聚變可以使太陽表面產生約6 000 ℃的高溫。 答案 A 5.太陽內部持續(xù)不斷地發(fā)生著四個質子聚變?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。(已知質子質量為mH＝1.007 3 u，氦核質量為mHe＝4.001 5 u，電子質量為me＝0.000 55 u) (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3.81026 J，則太陽每秒減少的質量為多少千克？ 解析 (1)由題意可得核反應方程應為4H→He＋2e。 (2)反應前的質量m1＝4mH＝41.007 3 u＝4.029 2 u， 反應后的質量m2＝mHe＋2me＝4.001 5 u＋20.000 55 u＝4.002 6 u， Δm＝m1－m2＝0.026 6 u， 由質能方程得，釋放能量ΔE＝Δmc2＝0.026 6931.5 MeV≈24.78 MeV。 (3)由質能方程ΔE＝Δmc2得太陽每秒減少的質量 Δm＝＝ kg≈4.22109 kg。 答案 (1)4H→He＋2e (2)24.78 MeV (3)4.22109 kg 1.下列說法正確的是( ) A.聚變是裂變的逆反應 B.核聚變反應須將反應物加熱到數(shù)百萬開爾文以上的高溫，顯然是吸收能量 C.輕核聚變比裂變更為安全、清潔 D.強子是參與強相互作用的粒子，中子是最早發(fā)現(xiàn)的強子 解析 聚變和裂變的反應物和生成物完全不同，兩者無直接關系，并非互為逆反應，故選項A錯誤；實現(xiàn)聚變反應必須使參加反應的輕核充分接近，需要數(shù)百萬開爾文的高溫，但聚變反應一旦實現(xiàn)，所釋放的能量遠大于所吸收的能量，所以聚變反應還是釋放能量，故選項B錯誤；實現(xiàn)聚變需要高溫，一旦出現(xiàn)故障，高溫不能維持，反應就自動終止了，另外，聚變反應比裂變反應生成的廢物數(shù)量少，容易處理，故選項C正確；質子是最早發(fā)現(xiàn)的強子，故選項D錯誤。 答案 C 2.原子核聚變有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(fā)生，放出能量。這幾種反應的總效果可以表示為6H―→kHe＋dH＋2n＋43.15 MeV，由平衡條件可知( ) A.k＝1，d＝4 B.k＝2，d＝2 C.k＝1，d＝6 D.k＝2，d＝3 解析 由質量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒，分別有4k＋d＋2＝12，2k＋d＝6，解得k＝2，d＝2，選項B正確。 答案 B 3.下面是一核反應方程：H＋H―→He＋X。用c表示光速，則( ) A.X是質子，核反應放出的能量等于質子質量乘以c2 B.X是中子，核反應放出的能量等于中子質量乘以c2 C.X是質子，核反應放出的能量等于氘核與氚核的質量和減去氦核與質子的質量和，再乘以c2 D.X是中子，核反應放出的能量等于氘核與氚核的質量和減去氦核與中子質量和，再乘以c2 解析 由質量數(shù)守恒及核電荷數(shù)守恒定律可得X為n(中子)，再據(jù)質能方程可得核反應放出的能量為反應前后質量虧損與c2的乘積，故選項D正確。 答案 D 4.(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試。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H＋H―→He＋n B.“人造太陽”的核反應方程是U＋n―→Ba＋Kr＋3n C.“人造太陽”釋放的能量大小的計算公式是ΔE＝Δmc2 D.“人造太陽”核能大小的計算公式是E＝mc2 解析 “人造太陽”是全超導核聚變實驗裝置，核反應是輕核聚變而不是重核裂變，故選項A正確，B錯誤；核能大小的計算根據(jù)愛因斯坦的質能方程，故選項C正確，D錯誤。 答案 AC 5.一個質子和一個中子聚變組合成一個氘核，同時輻射出一個γ光子。已知質子、中子、氘核的質量分別為m1、m2、m3，普朗克常數(shù)為h，真空中的光速為c，下列說法正確的是( ) A.核反應方程是H＋n―→H＋γ B.聚變反應的質量虧損Δm＝m1＋m2－m3 C.輻射出的γ光子能量E＝(m3－m1－m2)c D.γ光子的波長λ＝ 解析 選項A中核反應方程不滿足質量數(shù)守恒，A錯誤；選項B中Δm正好是結合前核子總質量與原子核質量之差，B正確；由質能方程可知輻射出的γ光子的能量為E＝(m1＋m2－m3)c2，選項C錯誤；由c＝λν及E＝hν得，γ光子的波長為λ＝，故選項D錯誤。 答案 B 6.關于粒子，下列說法正確的是( ) A.電子、質子和中子是組成物質的不可再分的最基本的粒子 B.強子都是帶電粒子 C.夸克模型是探究三大類粒子結構的理論 D.夸克模型說明電子電荷不再是電荷的最小單位 解析 由于質子、中子是由不同夸克組成的，它們不是最基本的粒子，不同夸克構成強子，有的強子帶電，有的強子不帶電，故選項A、B錯誤；夸克模型是研究強子結構的理論，不同夸克帶電不同，分別為＋e和－，說明電子電荷不再是電荷的最小單位，故選項C錯誤，D正確。 答案 D 7.(多選)下列關于夸克模型的說法正確的是( ) A.強子是由更基本的夸克組成的 B.夸克的電荷量分別為元電荷的＋或－ C.每種夸克都有對應的反夸克 D.夸克能以自由的狀態(tài)單個出現(xiàn) 解析 夸克不能以自由的狀態(tài)單個出現(xiàn)，選項D錯誤，A、B、C正確。 答案 ABC 8.(多選)為應對能源危機和優(yōu)化能源結構，提高清潔能源的比重，我國制定了優(yōu)先選擇核能，其次加快發(fā)展風能和再生能源的政策，在《核電中長期發(fā)展規(guī)劃》中要求2020年核電運行裝機總容量達到4 000萬千瓦的水平，請根據(jù)所學物理知識，判斷下列說法正確的是( ) A.核能發(fā)電對環(huán)境的污染比火力發(fā)電要小 B.核能發(fā)電對環(huán)境的污染比火力發(fā)電要大 C.現(xiàn)有核電站都只利用重核裂變釋放大量的原子能 D.現(xiàn)有核電站既可以利用重核裂變，又可以利用輕核聚變釋放大量的原子能 解析 目前，核電站都用核裂變，其原料是鈾，且核裂變在核反應堆中應用的是比較清潔的能源，故選項A、C正確，B、D錯誤。 答案 AC 9.某科學家提出年輕熱星體中核聚變的一種理論，其中的兩個核反應方程為 H＋C―→N＋Q1，H＋N―→C＋X＋Q2 方程中Q1、Q2表示釋放的能量，相關的原子核質量見下表： 原子核 H He He C N N 質量/u 1.007 8 3.016 0 4.002 6 12.000 0 13.005 7 15.000 1 以下推斷正確的是( ) A.X是He，Q2>Q1 B.X是He，Q2>Q1 C.X是He，Q2
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