2017-2018学年高中物理 第十九章 原子核 第7、8节 核聚变 粒子和宇宙教学案 新人教版选修3-5

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1、第7、8节核聚变__粒子和宇宙1．两个轻核结合成质量较大的核，这样的核反应叫聚变。2．约束核聚变材料的方法：磁约束和惯性约束。3．粒子分为三大类，有媒介子、轻子、强子。美国物理学家盖尔曼提出，强子是由夸克构成的。一、核聚变1．定义两个轻核结合成质量较大的原子核的反应。2．条件(1)轻核的距离要达到10－15_m以内。(2)聚变可以通过高温来实现，因此又叫热核反应。3．核反应举例(1)热核反应主要应用在核武器上，如氢弹。(2)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。(3)典型的核聚变：一个氘核和一个氚核的聚变，H＋H→He＋n＋γ该反应平均每个核

2、子放出的能量比裂变反应平均每个核子放出的能量大3～4倍。4．聚变与裂变相比有很多优点(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。5．实现核聚变的方法(1)难点：地球上没有任何容器能够经受几百万开尔文的高温。(2)方案：科学家设想了两种方案，即磁约束和惯性约束，环流器11是目前性能最好的一种磁约束装置。二、粒子和宇宙1．“基本粒子”不基本(1)19世纪末，人们认为原子是组成物质的不可再分的最小微粒。(2)后来认为光子、电子、质子和中子是组成物质的不可再分的最基本的粒子，并称为“基本粒子”。随着科学的进一步发展，科学家们逐渐发现

3、了数以百计的不同种类的新粒子，它们都不是由质子、中子、电子组成的，另外又发现质子、中子等本身也有自己的复杂的结构。所以，从20世纪后半期起，就将“基本”二字去掉，统称为粒子。2．发现新粒子与夸克模型(1)反粒子实验中发现，对应着许多粒子都存在质量、寿命、自旋等物理性质与过去已经发现的粒子相同，而电荷等其他性质相反的粒子，这些粒子叫做反粒子。例如，电子的反粒子就是正电子。(2)粒子的分类按照粒子与各种相互作用的不同关系，可将粒子分为三大类：①强子：参与强相互作用的粒子，质子是最早发现的强子。②轻子：不参与强相互作用的粒子，最早发现的轻子是电子。③媒介子：是传递各种相互作

4、用的粒子，如光子、中间玻色子、胶子。(3)夸克模型的提出1964年提出的夸克模型，认为强子是由更基本的夸克组成的。3．宇宙及恒星的演化(1)宇宙演化根据大爆炸理论，在宇宙形成之初是“粒子家族”尽显风采的时期。在大爆炸之后逐渐形成了夸克、轻子和胶子等粒子，随后经过强子时代、轻子时代、核合成时代。继续冷却，质子、电子、原子等与光子分离而逐步组成恒星和星系。(2)恒星的演化①恒星的形成：大爆炸后，在万有引力作用下形成星云团，进一步凝聚使引力势能转变为内能，温度升高，直到发光，于是恒星诞生了。②恒星演变：核聚变反应，层级递进地在恒星内发生，直到各种热核反应不再发生时，恒星的中

5、心密度达到极大。③恒星归宿：恒星最后的归宿有三种，它们是白矮星、中子星、黑洞。111．自主思考——判一判(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．合作探究——议一议(1)核聚变为什么需要几百万开尔文的高温？提示：要使轻核发生聚变就必须使它们间的距离达到核力发生作用的距离，而核力

6、是短程力，作用距离在10－15m，在这个距离上时，质子间的库仑斥力非常大，为了克服库仑斥力就需要原子核具有非常大的动能才会撞到一起，当温度达到几百万开尔文时，原子核就可以具有这样大的动能。(2)受控核聚变中磁约束的原理是什么？提示：原子核带有正电，垂直磁场方向射入磁场后在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动，绕着一个中心不断旋转而不飞散开，达到约束原子核的作用。(3)为什么说基本粒子不基本？提示：一方面是因为这些原来被认为不可再分的粒子还有自己的复杂结构，另一方面是因为新发现的很多种新粒子都不是由原来认为的那些基本粒子组成的。对核聚变的理解及应用1．聚变发生的条件要使轻核聚变

7、，必须使轻核接近核力发生作用的距离10－15m，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。11(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