物理选修37 核聚变学案

第十九章 原子核

19.7核聚变

19.8 粒子和宇宙

【教学目标】

1．了解聚变反应的特点。

2．知道可控热核反应。

3．了解有关新粒子的情况。

4．了解恒星及宇宙的演化情况。

重点：聚变反应的特点。

难点：可控热核反应

【自主预习】

1.两个轻核结合成质量较大的核，这样的核反应叫做________。从比结合能的图线中看，聚变后比结合能增加，因此反应中会________能量。

2．发生聚变的条件：要使轻核发生聚变，必须使它们的距离达到________以内，核力才能起作用。由于原子核都带正电，要使它们接近到这种程度，必须克服巨大的________。

3．当物质的温度达到几百万开尔文时，剧烈的________使得一部分原子核具有足够的动能，可以克服________，碰撞时十分接近，发生聚变。因此，聚变又叫________反应。

4．为了解决实现核聚变的难点，科学家设想了两种方案，即磁约束和________。________是目前性能最好的一种磁约束装置。

5.许多粒子都存在着________等物理性质与它相同而________等其他性质相反的粒子，叫做反粒子。

6．按照粒子与各种相互作用的不同关系，可以将粒子分为三大类：________、轻子和________。

(1)强子是参与________相互作用的粒子。________是最早发现的强子；

(2)轻子是________强相互作用的粒子。最早发现的轻子是________。

(3)________是传递各种相互作用的粒子，如光子等。

7．许多实验事实表明，强子是有________结构的，强子由________的成分组成，这种成分叫做夸克。夸克模型的提出是物理学发展中的一个重大突破，它指出电子电荷________电荷的最小单元，即存在________电荷。

【典型例题】

 一、核聚变

【例1】以下说法正确的是   (　　)

A．聚变是裂变的逆反应

B．如果裂变释放能量，则聚变反应必定吸收能量

C．聚变须将反应物加热至数百万度以上高温，显然聚变过程是吸收能量的

D．裂变与聚变均可释放巨大能量

【例1】．关于核衰变和核反应的类型，下列表述正确的有(　　)

【例3】一个质子和两个中子聚变为一个氚核，已知质子质量mH＝1.007 3 u，中子质量mn＝1.008 7 u，氚核质量m＝3.018 0 u。

(1)写出聚变方程；

(2)释放出的核能多大？

(3)平均每个核子释放的能量是多少？

【例4】．如图19－7－1所示，托卡马克(Tokamak)是研究受控核聚变的一种装置，这个词是toroidal(环形的)、kamera(真空室)、magnit(磁)的头两个字母以及katushka(线圈)的第一个字母组成的缩写词。根据以上信息，下列判断中可能正确的是                                          (　　)

A．这种装置的核反应原理是轻核的聚变，同时释放出大量的能量，和太阳发光的原理类似

B．线圈的作用是通电产生磁场使带电粒子在磁场中旋转而不溢出

C．这种装置同我国秦山、大亚湾核电站所使用核装置的核反应原理相同

D．这种装置可以控制热核反应速度，使聚变能缓慢而稳定地进行

【例5】一个质子和一个中子聚变结合成一个氘核，同时辐射一个γ光子。已知质子、中子、氘核的质量分别为m1、m2、m3，普朗克常量为h，真空中的光速为c。下列说法正确的是             

A．核反应方程是H＋n―→H＋γ

B．聚变后应中的质量亏损Δm＝m1＋m2－m3

C．辐射出的γ光子的能量ΔE＝(m3－m1－m2)c

D．γ光子的波长λ＝

【课后练习】

1．目前核电站利用的核反应是(　　)

A．裂变，核燃料为铀　　　 B．聚变，核燃料为铀

C．裂变，核燃料为氘    D．聚变，核燃料为氘

2．下列核反应方程式中，表示核聚变过程的是(　　)

A.P→Si＋e      B.H＋H→He＋n

C.C→N＋e      D.U→Th＋He

3．太阳不断地向外辐射能量，仍保持1千万度以上的高温，其主要原因是太阳内部进行着激烈地(　　)

A．衰变反应      B．人工核反应

C．裂变反应      D．热核反应

4．下列关于聚变的说法中，正确的是(　　)

A．要使聚变产生，必须克服库仑斥力做功

B．轻核聚变需要几百万摄氏度的高温，因此聚变又叫做热核反应

C．原子弹爆炸能产生几百万摄氏度的高温，所以氢弹可以利用原子弹引发热核反应

D．太阳和许多恒星内部都在激烈地进行着热核反应

5．重核的裂变和轻核的聚变是人类利用核能的两种主要方式，但只有重核的裂变被人类和平利用，其原因是轻核聚变(　　)

A．产能效率不高

B．核燃料储量不够丰富

C．核废料的处理比较困难

D．反应速度的控制比较困难

6．重核裂变和轻核聚变是人类获得核能的两种主要途径，下面关于它们的说法中正确的是(　　)

A．裂变和聚变过程中都有质量亏损

B．裂变过程中有质量亏损，聚变过程中质量有所增加

C．裂变过程中质量有所增加，聚变过程中有质量亏损

D．裂变和聚变过程中质量都有增加

7．现有三个核反应方程：

①Na→Mg＋e     ②U＋n→Ba＋Kr＋3n     ③H＋H→He＋n

下列说法正确的是(　　)

A．①是裂变，②是β衰变，③是聚变

B．①是聚变，②是裂变，③是β衰变

C．①是β衰变，②是裂变，③是聚变

D．①是β衰变，②是聚变，③是裂变

8．据新华社报道，由我国自行设计、研制的世界第一套全超导核聚变实验装置(又称“人造太阳”)已完成了首次工程调试。下列关于“人造太阳”的说法正确的是(　　)

A．“人造太阳”的核反应方程是H＋H―→He＋n

B．“人造太阳”的核反应方程是U＋n―→Ba＋Kr＋3n

C．“人造太阳”释放的能量大小的计算公式是ΔE＝Δmc2

D．“人造太阳”核能大小的计算公式是E＝mc2

9．已知核反应方程H＋H―→He＋X。若用c表示光速，则(　　)

A．X是质子，核反应放出的能量等于质子质量乘c2

B．X是中子，核反应放出的能量等于中子质量乘c2

C．X是质子，核反应放出的能量等于氘核与氚核的质量和减去氦核与质子的质量和，再乘c2

D．X是中子，核反应放出的能量等于氘核与氚核的质量和减去氦核与中子的质量和，再乘c2

10．关于粒子，下列说法中正确的是(　　)

A．光子、电子、质子和中子是组成物质的不可再分的最基本粒子

B．质量比核子大的粒子都参与强相互作用

C．强子、轻子、媒介子都由更基本的粒子夸克组成

D．许多粒子都存在反粒子

11．已知π＋介子、π－介子都是由一个夸克(夸克u或夸克d)和一个反夸克(反夸克u或反夸克d)组成的，它们的带电量如下表所示，表中e为元电荷。

下列说法正确的是(　　)

A．π＋由u和组成　　　  B．π＋由d和组成

C．π－由u和组成     D．π－由d和组成

12．根据宇宙大爆炸的理论，在宇宙形成之初是“粒子家族”尽显风采的时期，那么在大爆炸之后最早产生的粒子是(　　)

A．夸克、轻子、胶子等粒子

B．质子和中子等强子

C．光子、中微子和电子等轻子

D．氦核、氚核、氦子等轻核

13．宇宙诞生过程中，产生如下粒子：①光子、中微子、电子等大量轻子；②氘核、氚核、氦3、氦核等轻核；③夸克、轻子、胶子等粒子；④质子和中子等强子；⑤电子、质子、氦核的混合电离气体；⑥电子、质子复合成为中性氢原子。

根据宇宙大爆炸理论，以上粒子形成的先后顺序是(　　)

A．①②③④⑤⑥     B．③①④②⑤⑥

C．③④①②⑤⑥     D．①③④②⑥⑤

 例题答案：

1. 【答案】D

【解析】从形式上看，裂变与聚变似乎是互为逆反应，但其实不然，因为二者的反应物与生成物全然不同。裂变是重核分裂成中等核，而聚变则是轻核聚合成为次轻核，无直接关联，并非互为逆反应，所以A选项错误；既然裂变与聚变不是互为逆反应，则在能量的流向上也不必相反，所以B选项错误；要实现聚变反应，必须使参加反应的轻核充分接近，需要数百万度高温提供能量。但聚变反应一旦实现，所释放的能量远大于所吸收的能量。因此，总的说来，聚变反应还是释放热量，所以C选项错误，而D选项正确。

2. 解析：α衰变是放射出氦核的天然放射现象，A正确；β衰变是放射出电子的天然放射现象，而B项是发现质子的原子核人工转变，故B错；C项是轻核的聚变，D项是β衰变现象，故C对D错。

答案：A、C

3. 【答案】(1)H＋2n→H　(2)6.24 MeV

(3)2.08 MeV

【解析】(1)聚变方程为H＋2n→H

(2)质量亏损

Δm＝mH＋2mn－m＝(1.007 3＋2×1.008 7－3.018 0) u＝0.006 7 u

释放的核能

ΔE＝Δmc2＝0.006 7×931.5 MeV≈6.24 MeV。

(3)平均每个核子放出的能量为

 MeV＝2.08 MeV。

4. 解析：聚变反应原料在装置中发生聚变，放出能量，故A对；线圈通电时产生磁场，带电粒子在磁场中受洛伦兹力作用不飞散，故B对；核电站的原理是裂变，托卡马克的原理是聚变，故C错；该装置使人们可以在实验室控制反应速度，平稳释放核能，故D对。

答案：A、B、D

课后练习答案：

1. 答案：A

2. 解析：因为轻核结合成质量较大的核叫聚变，此题关键在一个“聚”字，暗示变化之前应至少有两种核，四个选项中只有B符合要求。

答案：B

3. 解析：要使轻核发生聚变，必须使它们的距离达到10－15 m以内，核力才能起作用。由于原子核带正电，要使它们接近到这种程度，必须克服巨大的库仑斥力。

答案：A、C、D

4.解析：太阳内部时刻都在进行着轻核聚变反应，即热核反应，并伴随着释放出巨大的能量。

答案：D

5. 解析：在重核裂变和轻核聚变过程中都会释放出大量的热量，由爱因斯坦质能方程知，无论是裂变还是聚变，质量都会减少，而质量变化叫做质量亏损，所以仅A选项正确。

答案：A

6,。解析：裂变和聚变都释放核能，聚变产能效率高，核燃料储量丰富，且核废料容易处理，缺点是核反应速度难以控制，D正确。

答案：D

7. 解析：裂变是重核变为中等质量的核，②是；衰变有α衰变和β衰变，α衰变的结果是释放氦核，β衰变的结果是从原子中释放电子，①是；聚变是质量较小的核结合成质量较大的核，③是。综上所述C正确。

答案：C

8. 解析：“人造太阳”发生的是氢核聚变，所以核反应方程式为H＋H→He＋n，而B选项中的核反应是核裂变，故错误；“人造太阳”释放的能量大小的计算公式是ΔE＝Δmc2，而核能大小的计算公式为E＝mc2，故选项A、C正确。

答案：A、C

9. 解析：由质量数守恒及电荷数守恒可知X为n(中子)，再根据质能方程可得核反应放出的能量为反应前后质量亏损与c2的乘积，故D正确。

答案：D

10. 解析：质子、中子本身有复杂结构，A错误，τ子的质量比核子的质量大，但它属于轻子，不参与强相互作用，B错误；现代实验还没有发现轻子的内部结构，C错误。

答案：D

11. 解析：根据电荷量关系可知，由于π＋介子带有＋e的电量，又由于π＋介子是由u夸克和d夸克组成，根据题意可知π＋介子(＋e)应由一个u夸克和反d夸克合成，同理π－介子由d夸克和反u夸克构成。

答案：A、D

12. 答案：A

13. 解析：根据大爆炸理论，宇宙形成之初是粒子家族，其后产生了夸克、轻子、胶子等粒子，然后按强子时代、轻子时代、核合成时代、混合电离气体、中性氢原子的顺序演化，故C正确。

答案：C