(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(jié)合成質(zhì)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(nèi),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(chǎn)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(nèi)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(chǎn)能效率高。第二:地球上聚變?nèi)剂系膬α控S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(jīng)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(zhì),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(zhì)因自身的慣性,在極短時間內(nèi)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(jīng)受如此高的溫度。( ) (3)現(xiàn)在已經(jīng)實現(xiàn)了技術(shù)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(zhì)子和中子是組成物質(zhì)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(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(jié)構(gòu)。 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(zhì)量比質(zhì)子的質(zhì)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(guān)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??淇四P椭赋鲭娮与姾刹辉偈请姾傻淖钚挝?,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(chǎn)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(zhì)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(jié)合能的圖線看,輕核聚變后比結(jié)合能增加,因此聚變反應是一個放能反應。 (2)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。 (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(chǎn)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(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。 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(zhì)量的原子核,放出核能 兩個輕核結(jié)合成質(zhì)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?nèi)剂镶櫾诘厍蛏蟽α坑邢蓿绕溆糜诤肆炎兊拟?35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(guān)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(zhì)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(zhì)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(guān)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(jié)合能變小 D.聚變反應中由于形成質(zhì)量較大的核,故反應后質(zhì)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(jié)合能一定增加,質(zhì)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(zhì)子、中子、介子、超子 強子有內(nèi)部結(jié)構(gòu),由“夸克”構(gòu)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(nèi)部結(jié)構(gòu) 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(gòu)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(zhì)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(chǎn)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(zhì)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(chǎn)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(zhuǎn)變?yōu)閮蓚€光子(γ),即e+e―→2γ。已知正電子和電子的質(zhì)量都為9.110-31 kg,反應中產(chǎn)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(zhuǎn)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(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒,判斷質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)。 (2)正電子和負電子的湮滅,根據(jù)質(zhì)能方程判斷光子的能量。 (3)根據(jù)動量守恒定律判斷產(chǎn)生光子的個數(shù)。 解析 (1)發(fā)生核反應前后,粒子的質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)均不變,據(jù)此可知中微子的質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)都是0,選項A正確。(2)產(chǎn)生的能量是由于質(zhì)量虧損。兩個電子轉(zhuǎn)變?yōu)閮蓚€光子之后,質(zhì)量變?yōu)榱?,則E=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(chǎn)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(chǎn)能效率高 B.在目前情況下,使原子核聚變要比裂變?nèi)菀? 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(jié)合能大,故選項A正確;在目前的條件下,核裂變要比核聚變?nèi)菀缀芏?,故選項B錯誤;原子彈利用的核裂變?nèi)剂蠟?35U,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(chǎn)生的粒子是( ) A.夸克、輕子、膠子等粒子 B.質(zhì)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(chǎn)生了夸克、輕子和膠子等粒子,之后又經(jīng)歷了質(zhì)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(zhì)子結(jié)合成氘核,并形成氦核的核時代,之后電子和質(zhì)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(chǎn)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(jié)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(zhì)量虧損 解析 1個氘核和1個氚核結(jié)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(zhì)量虧損。故選項D錯誤。 答案 AB 4.關(guān)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(nèi)能 解析 太陽的能量來自于太陽內(nèi)部原子核的聚變,通過聚變可以使太陽表面產(chǎn)生約6 000 ℃的高溫。 答案 A 5.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=1.007 3 u,氦核質(zhì)量為mHe=4.001 5 u,電子質(zhì)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(zhì)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(zhì)量m1=4mH=41.007 3 u=4.029 2 u, 反應后的質(zhì)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(zhì)能方程得,釋放能量ΔE=Δmc2=0.026 6931.5 MeV≈24.78 MeV。 (3)由質(zhì)能方程ΔE=Δmc2得太陽每秒減少的質(zhì)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(guān)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(zhì)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(zhì)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(zhì)子,核反應放出的能量等于質(zhì)子質(zhì)量乘以c2 B.X是中子,核反應放出的能量等于中子質(zhì)量乘以c2 C.X是質(zhì)子,核反應放出的能量等于氘核與氚核的質(zhì)量和減去氦核與質(zhì)子的質(zhì)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(zhì)量和減去氦核與中子質(zhì)量和,再乘以c2 解析 由質(zhì)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(zhì)能方程可得核反應放出的能量為反應前后質(zhì)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(shè)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(guān)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(zhì)能方程,故選項C正確,D錯誤。 答案 AC 5.一個質(zhì)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(zhì)子、中子、氘核的質(zhì)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(zhì)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(zhì)量數(shù)守恒,A錯誤;選項B中Δm正好是結(jié)合前核子總質(zhì)量與原子核質(zhì)量之差,B正確;由質(zhì)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(guān)于粒子,下列說法正確的是( ) A.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 B.強子都是帶電粒子 C.夸克模型是探究三大類粒子結(jié)構(gòu)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(zhì)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(gòu)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(jié)構(gòu)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(guān)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(jié)構(gòu),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?cè)萘窟_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(guān)的原子核質(zhì)量見下表: 原子核 H He He C N N 質(zhì)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- 1.請仔細閱讀文檔,確保文檔完整性,對于不預覽、不比對內(nèi)容而直接下載帶來的問題本站不予受理。
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