7　核聚变第二课时教案

2017学年高二物理学案

班级_________姓名_____________ 19.7＆19.8 核聚变

粒子和宇宙

【重点知识】

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。

【基本知识】

一、核聚变

1．定义：两个轻核结合成 的原子核的反应。

2．条件

(1)轻核的距离要达到 以内。

(2)聚变可以通过高温来实现，因此又叫 。

3．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 和 ，______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 是组成物质的 的最小微粒。

(2)后来认为光子、电子、质子和 是组成物质的不可再分的 粒子，并称为“基本粒子”。

2.随着科学的进一步发展，科学家们逐渐发现了数以百计的不同种类的新粒子，它们都 由质子、中子、电子组成的，另外又发现质子、中子等本身也有 的结构。所以，从20世纪后半期起，就将“基本”二字去掉，统称为 。

3.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 的粒子， 是最早发现的强子。

②轻子：不参与 的粒子，最早发现的轻子是 。

③媒介子：是 各种相互作用的粒子，如 、中间玻色子、胶子。

2017学年高二物理学案

班级_________姓名_____________ 【课堂例题】

例1．(多选)科学家使用核反应获取氚，再利用氘和氚的核反应获得能量，核反应方程分别为：X＋Y→2He＋1H＋4.9 MeV和1H＋1H→2He＋X＋17.6 MeV，下列表述正确的有 (

) A．X是中子

B．Y的质子数是3，中子数是6 C．两个核反应都没有质量亏损

D．氘和氚的核反应是核聚变反应

例2、太阳的能量来自下面的反应：四个质子(氢核)聚变成一个α粒子，同时发射两个正电子，若太阳辐射能量的总功率为P，质子1H、氦核2He、正电子1e的质量分别为mp、mα、me，真空中的光速为c，求：

(1)写出核反应方程；

(2)核反应所释放的能量ΔE；

(3)1 s内参与上述热核反应的质子数目。

【课后巩固】

1．关于粒子，下列说法正确的是(

) A．电子、质子和中子是组成物质的不可再分的最基本的粒子

B．强子都是带电的粒子

C．夸克模型是探究三大类粒子结构的理论

D．夸克模型说明电子不再是电荷的最小单位

14043234

2017学年高二物理学案

班级_________姓名_____________ 2．20世纪30年代以来，人们在对宇宙射线的研究中，陆续发现了一些新的粒子，K介子和π介子就是科学家在1947年发现的。K介子的衰变方程为K→π＋π，其中K介子和π介子带负电，电荷量等于元电荷的电荷量，π

介子不带电。如图所示，一个K介子沿垂直于磁场的方向射入匀强磁场中，其轨迹为图中的圆弧虚线，K介子衰变后，π介子和π介子的轨迹可能是(

) －0－0－－－0－－－

3．(多选)关于轻核聚变，下列说法正确的是(

) A．两个轻核聚变为中等质量的原子核时要吸收能量

B．同样质量的物质发生聚变时放出的能量比同样质量的物质裂变时释放的能量大很多

C．聚变反应的条件是聚变物质的体积达到临界体积

D．发生聚变反应时的原子核必须有足够大的动能

4．(多选)下列说法正确的是(

) A. 7N＋1H→ 6C＋2He是α衰变方程

B.1H＋1H→2He＋γ是核聚变反应方程

C. 92U→ 90Th＋2He是核裂变反应方程

D.2He＋13Al→15P＋0n是原子核的人工转变方程

5．(多选)下列关于聚变的说法中，正确的是(

) A．要使聚变产生，必须克服核力做功

B．轻核聚变需要几百万开尔文的高温，因此聚变又叫做热核反应

C．原子弹爆炸能产生几百万开尔文的高温，所以氢弹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

6．恒星向外辐射的能量来自于其内部发生的各种热核反应，当温度达到10

K时，可以发生“氦燃烧”。

(1)完成“氦燃烧”的核反应方程：2He＋________→4Be＋γ。

(2)4Be是一种不稳定的粒子，其半衰期为2.6×10占开始时的________。

7．正电子是电子的反粒子，它跟普通电子的电量相等，而电性相反，科学家设想在宇宙的某些部分可能存在完全由反粒子构成的物质——反物质。1997年初和年底，欧洲和美国的科学研究机构先后宣布：他们分别制造出9个和7个反氢原子，这是人类探索反物质的一大进步。你推测8－164884273012382344123151124s。一定质量的4Be，经7.8×108－16s后所剩4Be8

2017学年高二物理学案

班级_________姓名_____________ 反氢原子的结构是(

) A．由一个带正电荷的质子与一个带负电荷的电子构成

B．由一个带负电荷的质子与一个带正电荷的电子构成

C．由一个不带电的中子与一个带负电荷的电子构成

D．由一个带负电荷的质子与一个带负电荷的电子构成

8．有一种聚变反应是四个氢核聚变成一个氦核，同时放出两个正电子。求：

(1)该聚变反应释放多少能量？

(2)若1 g氢完全聚变，能释放多少能量？

(3)1 g氢完全聚变，释放的能量相当于多少煤完全燃烧放出的热能？(煤的燃烧值q＝3.36×10

J/kg，氢核质量为1.008 142 u，氦核质量为4.001 509 u，电子的质量为0.000 549 u)

9、我国自行设计并研制的“人造太阳”——托卡马克实验装置运行获得重大进展，这标志着我国已经迈入可控热核反应领域先进国家行列。该反应所进行的聚变过程是1H＋1H→2He＋0n，反应原料氘(1H)富存于海水中，而氚(1H)是放射性元素， 自然界中不存在，但可以通过中子轰击锂核(3Li)的人工核转变得到。

(1)请把下列用中子轰击锂核(3Li)产生一个氚核(1H)和一个新核的人工核转变方程填写完整：________＋0n→________＋1H。

(2)在(1)中，每产生1 g氚的同时有多少个3Li核实现了核转变？(阿伏加德罗常数NA取6.0×10 mol) (3)一个氘核和一个氚核发生核聚变时，平均每个核子释放的能量为5.6×10聚变过程中的质量亏损。

－1323－16136362323417 J，求该核

2017学年高二物理学案

班级_________姓名_____________ 参考答案：

【课堂例题】：

例1、AD

4P1402例2、(1)41H→2He＋21e (2)(4mp－mα－2me)c

(3)2

(4mp－mα－2me)c

【课后巩固】：

1、解析：选D 由于质子、中子是由不同夸克组成的，它们不是最基本的粒子，不同夸克构成强子，有的强子带电，有的强子不带电，故A、B错误；夸克模型是研究强子结构的理论，不同21夸克带电不同，分别为＋e和－e，说明电子电荷不再是电荷的最小单位，故C错误，D正确。

332、解析：选A π介子不带电，在磁场中不偏转，π介子带负电，在磁场中洛伦兹力作用下做匀速圆周运动，再根据动量守恒判定知A正确。

3、解析：选BD 根据比结合能图线可知，聚变后比结合能增加，因此聚变反应中会释放能量，故A错误；聚变反应中平均每个核子放出的能量比裂变反应中每个核子放出的能量大3～4倍，故B正确；裂变反应的条件是裂变物质的体积达到临界体积，而聚变反应时，要使轻核之间的距离达到10－150－ m以内，这需要原子核有很大的动能才可以实现聚变反应，故C错误，D正确。

4、解析：选BD 衰变是在没有粒子轰击的情况下，原子核自发地放出α粒子或β粒子的反应，15 7N在质子的轰击下发生的核反应属于人工转变，A错；1H＋1H―→2He＋γ是两个质量较轻的核结2382344123合成了质量较重的核，是核聚变反应，B对； 92U→ 90Th＋2He是α衰变，裂变必须形成两个中等质量的核，C错；用α粒子去轰击原子核，产生新原子核并放出一个粒子，这是原子核的人工转变，D对。

5、解析：选BCD 轻核聚变时，要使轻核之间距离达到10－15 m，所以必须克服库仑斥力做功，达到核力作用的范围，A错误；原子核必须有足够的动能，才能使它们接近到核力能发生作用的范围，实验证实，原子核必须处在几百万开尔文的高温下才有这样的能量，这样高的温度通常利用原子弹爆炸获得，故B、C正确；在太阳和其他恒星内部都存在着热核反应，D正确。

6、解析：(1)根据质量数和电荷数守恒可知2He＋2He→4Be＋γ。

－167.8×10131(2)经历半衰期的次数n＝＝－16＝3，故剩余的占开始时的＝。

τ2.6×1028448t14答案：(1)2He(或α) (2)(或12.5%) 8

2017学年高二物理学案

班级_________姓名_____________ 7、解析：选B 反氢原子的结构应该是反质子与反电子组成，即一个带负电荷的质子与一个带正电荷的电子构成。

8、解析：(1)核反应方程为：41H→2He＋21e，所以Δm＝4mH－mHe－2me＝4×1.008 142 u－4.001 509 u－2×0.000 549 u＝0.029 961 u ΔE＝Δmc＝0.029 961 uc＝0.029 961×931.5 MeV＝27.91 MeV＝4.47×10(2)1 g氢完全聚变释放的能量为

22－12140 J。

E＝×6.02×1023×4.47×10－12 J＝6.73×1011 J。

(3)相当于煤完全燃烧的质量为：

6.73×104m＝7 kg＝2.00×10 kg。

3.36×10答案：(1)4.47×10(3)2.00×10 kg 9、解析：(1)核反应方程为：3Li＋0n→2He＋1H。

11623(2)因为1 g氚为 mol，根据核反应方程，实现核转变的3Li也为mol，所以有2.0×1033个3Li实现了核转变。

(3)根据爱因斯坦质能方程ΔE＝Δmc，核聚变反应中有5个核子参加了反应，5个核子释放总能量ΔE＝5×5.6×103.1×10－29－132661434－121114 J (2)6.73×10 J 11 J＝2.8×10－122.8×10 J，所以质量亏损为Δm＝2＝82 kg＝c(3×10)ΔE－12 kg。

6423－29答案：(1)3Li 2He (2)2.0×10个

(3)3.1×10

kg