3　氢原子光谱教学设计及教案分析

7

核聚变

8

粒子和宇宙

[学习目标]

1.了解核聚变及其特点和条件.2.会判断和书写核聚变反应方程，能计算核聚变释放的能量.3.知道粒子的分类及其作用，了解夸克模型.4.了解宇宙起源的大爆炸学说及恒星的演化．

一、核聚变

[导学探究]

1.为什么实现核聚变要使聚变的燃料加热到几百万开尔文的高温？

答案

轻核的聚变反应，是较轻的核子聚合成较重的核子，要使得核子的强相互作用发挥作用，必须使核子间接近到发生相互作用的距离，约为10－15 m；同时由于原子核之间在此距离时的库仑斥力十分巨大，因而需要核子有很大的动能，表现在宏观上就是核燃料需要达到极高的温度．

2．目前人们实现的核聚变是什么？实现热核反应存在的困难是什么？如何实现对热核反应的控制？

答案

(1)目前人们能实现的热核反应是氢弹的爆炸，是由普通炸药引爆原子弹，再由原子弹爆炸产生的高温高压引发热核反应，但这是不可控制的．

(2)实现热核反应存在的困难是：地球上没有任何容器能够经受住热核反应所需要的高温．

(3)可能实现对热核反应的控制方法：

磁约束：利用磁场来约束参与反应的物质．环流器是目前性能最好的一种磁约束装置．

惯性约束：利用强激光从各个方向照射参加反应的物质，使它们由于惯性还来不及扩散就完成了核反应．

[知识梳理]

对核聚变的认识

1．聚变

两个轻核结合成质量较大的核，释放出核能的反应，称为核聚变，聚变反应又称为热核反应．

2．聚变方程

234→2He＋11H＋1H―0n＋17.6 MeV. 3．聚变发生的条件

要使轻核聚变，必须使轻核接近核力发生作用的距离10－15 m，这要克服电荷间巨大的库仑斥力作用，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，有一种方法就是给

它们加热，使物质达到几百万开尔文的高温．

[即学即用]

判断下列说法的正误．

(1)核聚变时吸收能量．(

×

) (2)核聚变平均每个核子放出的能量，比裂变反应中平均每个核子放出的能量大．(

√

) (3)轻核聚变比裂变更完全、清洁．(

√

) (4)实现核聚变的难点是地球上没有任何容器能够经受如此高的温度．(

√

) 二、粒子和宇宙

[导学探究]

强子和夸克的关系是怎样的？夸克分多少种？它的带电性是怎样的？什么是夸克的“禁闭”？

答案

夸克是强子的基本组成成分；夸克有6种：上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克、底21夸克、顶夸克；它们带的电荷分别为元电荷的＋或－，每种夸克都有对应的反夸克；夸克33不能以自由的状态单个出现的性质，叫夸克的“禁闭”．

[知识梳理]

对粒子和宇宙的理解

1．“基本粒子”不基本

(1)直到19世纪末，人们都认为原子是组成物质的不可再分的最小微粒，后来人们发现了光子、电子、质子、中子，并把它们叫做“基本粒子”．

(2)随着科学的发展，科学们发现了很多的新粒子并不是由以上基本粒子组成的，并发现质子、中子等本身也有复杂结构．

2．发现新粒子

(1)新粒子：1932年发现了正电子，1937年发现了μ子，1947年发现了K介子和π介子及以后的超子等．

(2)粒子的分类：按照粒子与各种相互作用的关系，可将粒子分为三大类：强子、轻子和媒介子．

3．夸克模型的提出

1964年美国物理学家盖尔曼提出了强子的夸克模型，认为强子是由夸克构成的．

[即学即用]

判断下列说法的正误．

(1)质子、中子不能再分．(

×

) (2)夸克的带电荷量是电子电荷的整数倍．(

×

)

一、核聚变的特点及应用

1．核聚变的特点

(1)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．

(2)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．

(3)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．

(4)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．

2．核聚变的应用

(1)核武器——氢弹：一种不需要人工控制的轻核聚变反应装置．它利用弹体内的原子弹爆炸产生的高温高压引发热核聚变爆炸．

(2)可控热核反应：目前处于探索阶段．

3．重核裂变与轻核聚变的区别

放能

原理

放能

多少

核废料

处理难度

重核裂变

重核分裂成两个或多个中等质量的原子核，放出核能

轻核聚变

两个轻核结合成质量较大的原子核，放出核能

聚变反应比裂变反应平均每个核子放出的能量要大3～4倍

聚变反应的核废料处理要比裂变反应简单得多

主要原料是氘，氘在地球上的储原料的

蕴藏量

核裂变燃料铀在地球上储量有限，尤其用于核裂变的铀235在铀矿石中只占0.7%

量非常丰富.1 L水中大约有0.03 g氘，如果用来进行热核反应，放出的能量约与燃烧300 L汽油释放的能量相当

速度比较容易进行人工控制，现可控性

在的核电站都是用核裂变反应释放核能

目前，除氢弹以外，人们还不能控制它

23例1

氘核和氚核可发生热核聚变而释放出巨大的能量，该反应方程为：→41H＋1H―2He＋x，34式中x是某种粒子．已知：21H、1H、2He和粒子x的质量分别为2.014 1 u、3.016 1 u、4.002 6 931.5 MeVu和1.008 7 u；1 u＝，c是真空中的光速．由上述反应方程和数据可知，粒子x是c2________，该反应释放出的能量为________ MeV(结果保留3位有效数字)．

答案

10n(或中子)

17.6 解析

根据质量数和电荷数守恒可得x是10n(中子)．

核反应中的质量亏损为Δm＝2.014 1 u＋3.016 1 u－4.002 6 u－1.008 7 u＝0.018 9 u 所以该反应释放出的能量为

ΔE＝Δm·c2≈17.6 MeV. 针对训练1

(多选)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(

) 341A．“人造太阳”的核反应方程是21H＋1H→2He＋0n 1141921B．“人造太阳”的核反应方程是

23592U＋0n→

56Ba＋36Kr＋30n C．根据公式E＝mc2可知，核燃料的质量相同时，聚变反应释放的能量比裂变反应大得多

D．根据公式E＝mc2可知，核燃料的质量相同时，聚变反应释放的能量与裂变反应相同

答案

AC 341解析

21H＋1H→2He＋0n是轻核聚变方程，故A项正确；根据轻核聚变特点，相同质量的核燃料，轻核聚变释放的能量比裂变反应大得多，故选项C正确．

二、粒子的分类和夸克模型

1．粒子的分类

分类

参与的相

互作用

发现的粒子

备注

强子有内部结构，由“夸克”构成；强子又可分为介子和重子

强子

参与强相互作用

质子、中子、介子、超子

电子、电子中微子、μ子、μ子中微子、τ子、τ子中微子

光子、中间玻色子、胶子

轻子

不参与强

相互作用

未发现内部结构

媒介子

传递各种

相互作用

光子、中间玻色子、胶子分别传递电磁、弱、强相互作用

2.夸克模型

(1)夸克的提出：1964年美国物理学家盖尔曼提出了强子的夸克模型，认为强子是由夸克构成的．

(2)夸克的种类：上夸克(u)、下夸克(d)、奇异夸克(s)、粲夸克(c)、底夸克(b)和顶夸克(t)．

21(3)夸克所带电荷：夸克所带的电荷量是分数电荷量，即其电荷量为元电荷的＋或－.例如，332ee上夸克带的电荷量为＋，下夸克带的电荷量为－. 33(4)意义：电子电荷不再是电荷的最小单位，即存在分数电荷．

例2

目前普遍认为，质子和中子都是由被称为u夸克和d夸克的两类夸克组成的．u夸克

21带电荷量为e，d夸克带电荷量为－e，e为元电荷，下列论断中可能正确的是(

) 33A．质子由1个u夸克和2个d夸克组成，中子由1个u夸克和2个d夸克组成

B．质子由2个u夸克和1个d夸克组成，中子由1个u夸克和2个d夸克组成

C．质子由1个u夸克和2个d夸克组成，中子由2个u夸克和1个d夸克组成

D．质子由2个u夸克和1个d夸克组成，中子由2个u夸克和1个d夸克组成

答案

B 21211解析

质子11H带电荷量为2×e＋(－e)＝e，中子0n带电荷量为e＋2×(－e)＝0.可见B正3333确．

针对训练2

若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，它们的带电荷量如表所示，表中e为元电荷. 粒子

带电

荷量

(1)按最简单的组成，π介子由谁和谁组成？

(2)按最简单的组成，π介子由谁和谁组成？

答案

(1)π介子是由夸克u和反夸克d组成的

(2)π介子由夸克d和反夸克u组成

2＋解析

(1)π介子带有＋e的电荷量，且是由一个夸克和一个反夸克组成的，夸克u带＋e和31反夸克d带＋e合成电荷量为e. 31－(2)π介子带有－e的电荷量，是由一个夸克和一个反夸克组成的，夸克d带－e和反夸克u32带－e合成电荷量为－e. 3－＋－＋＋－π

＋e ＋π

－e －u 2e＋

3d e－

3u

2e－

3d

e＋

3

1．(多选)下列关于聚变的说法中，正确的是(

) A．要使聚变产生，必须克服库仑斥力做功

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进行着剧烈的热核反应，在地球内部也可自发地进行

答案

ABC 解析

轻核聚变时，要使轻核之间距离达到10－15 m，故必须克服库仑斥力做功，A正确；要克服核子间作用力做功，必须使反应的原子核有足够大的动能，方法就是将其加热到几百万开尔文的高温，B正确；热核反应必须在几百万开尔文的高温下进行，这样高的温度可利用原子弹爆炸释放的能量获得，C正确；在太阳和许多恒星内部都存在热核反应，但在地球内部不会自发地进行，D错．

2．(多选)能源是社会发展的基础，发展核能是解决能源问题的途径之一，下列释放核能的反应方程，表述正确的有(

) 24A.3→2He＋11H＋1H―0n是核聚变反应

21B.3→41H＋1H―2He＋0n是β衰变

1891C.

235→14492U＋0n―

56Ba＋36Kr＋30n是核裂变反应

1941D.

235→

14092U＋0n―54Xe＋38Sr＋20n是α衰变

答案

AC 解析

两个轻核聚合成一个较重的核的反应为核聚变反应，故A对，B错；重核被中子轰击后分裂成两个中等质量的原子核并放出若干个中子的反应为核裂变反应，故C对；原子核放出α或β粒子后变成另一种原子核的反应称为原子核的衰变．原子核的衰变的反应物只有一种，故D错．

3．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．夸克模型说明电子电荷不再是电荷的最小单位

答案

D 解析

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，不同夸2e克带电不同，分别为＋e和－，说明电子电荷不再是电荷的最小单位，C错误，D正确．

334．太阳内部持续不断地发生着四个质子聚变为一个氦核同时放出两个正电子的热核反应，这个核反应释放出的大量能量就是太阳的能源．(已知质子质量为mH＝1.007 3 u，氦核质量为mHe＝4.001 5 u，正电子质量为me＝0.000 55 u，结果保留两位小数，1 u相当于931.5 MeV的能量) (1)写出这个核反应方程；

(2)这一核反应能释放多少能量？

(3)已知太阳每秒释放的能量为3.8×1026 J，则太阳每秒减少的质量为多少千克？

40答案

(1)411H→2He＋2＋1e

(2)24.78 MeV

(3)4.22×109 kg 解析

(1)由题意可得核反应方程为

40411H→2He＋2＋1e.

(2)反应前的质量m1＝4mH＝4×1.007 3 u＝4.029 2 u，反应后的质量m2＝mHe＋2me＝4.001 5 u＋2×0.000 55 u＝

4．002 6 u，Δm＝m1－m2＝0.026 6 u，

由质能方程得，释放能量

ΔE＝Δmc2＝0.026 6×931.5 MeV≈24.78 MeV. (3)由质能方程ΔE′＝Δm′c2得太阳每秒减少的质量

ΔE′3.8×10269Δm′＝2＝82

kg≈4.22×10 kg. c3×10

一、选择题(1～5题为单选题，6～8题为多选题) 1．下列说法正确的是(

) A．聚变是裂变的逆反应

B．核聚变反应须将反应物加热到数百万开尔文以上的高温，显然是吸收能量

C．轻核聚变比裂变更为安全、清洁

D．强子是参与强相互作用的粒子，中子是最早发现的强子

答案

C 解析

聚变和裂变的反应物和生成物完全不同，两者无直接关系，并非互为逆反应，故A错；实现聚变反应必须使参加反应的轻核充分接近，需要数百万开尔文的高温，但聚变反应一旦实现，所释放的能量远大于所吸收的能量，所以聚变反应还是释放能量，故B错；实现聚变需要高温，一旦出现故障，高温不能维持，反应就自动终止了，另外，聚变反应比裂变反应生成的废物数量少，容易处理，故C对；质子是最早发现的强子，故D错．

2．关于轻核聚变释放核能，下列说法正确的是(

) A．一次聚变反应一定比一次裂变反应释放的能量多

B．聚变反应每个核子释放的平均能量一定比裂变反应大

C．聚变反应中粒子的比结合能变小

D．聚变反应中由于形成质量较大的核，故反应后质量增大

答案

B

3．科学家发现在月球上含有丰富的32He(氦3)，它是一种高效、清洁、安全的核聚变燃料，其34参与的一种核聚变反应方程为3→21关于32He＋2He―1H＋2He，2He聚变下列表述正确的是(

) A．聚变反应不会释放能量

B．聚变反应产生了新的原子核

C．聚变反应没有质量亏损

D．目前核电站都采用32He聚变反应发电

答案

B 解析

核聚变反应中产生新的原子核，同时由于发生了质量亏损，会有核能的释放，这是人类利用核能的途径之一；目前核电站大多采用重核裂变的方法来释放与利用核能发电．

4．我国自行研制了可控热核反应实验装置“超导托卡马克”(英名称：EAST，俗称“人造太阳”)．设可控热核实验反应前氘核(2氚核(3反应后氦核(41H)的质量为m1，1H)的质量为m2，2He)的质量为m3，中子(10n)的质量为m4，光速为c，下列说法正确的是(

) 31A．这种装置中发生的核反应方程式是2→41H＋1H―2He＋0n B．由核反应过程质量守恒可知m1＋m2＝m3＋m4

C．核反应放出的能量等于(m1－m2－m3－m4)c2

D．这种装置与我国大亚湾核电站所使用装置的核反应原理相同

答案

A 31解析

核反应方程为2→4选项A正确；反应过程中向外释放能量，故质量有1H＋1H―2He＋0n，亏损，且释放的能量ΔE＝Δmc2＝(m1＋m2－m3－m4)c2，选项B、C错误；可控热核反应为核聚变，大亚湾核电站所用核装置反应原理为核裂变，选项D错误．

5．某科学家提出年轻热星体中核聚变的一种理论，其中的两个核反应方程为

112→131H＋

6C―

7N＋Q1①

115→121H＋

7N―

6C＋X＋Q2②

方程中Q1、Q2表示释放的能量，相关的原子核质量如表：

原子核

质量/u

以下推断正确的是(

) A．X是32He，Q2>Q1

4B．X是2He，Q2>Q1

3C．X是2He，Q2

11H 31H 42He 12 6C 13 7N 15 7N 1.007 8

3.016 6

4.002 6

12.000 0

13.005 7

15.000 1 D．X是42He，Q2

答案

B 解析

由质量数守恒和电荷数守恒，可判断X为42He，①式的质量亏损为Δm1＝1.007 8 u＋

12.000 0 u－13.005 7 u＝0.002 1 u．②式的质量亏损为Δm2＝1.007 8 u＋15.000 1 u－12.000 0 u－4.002 6 u＝0.005 3 u，所以Δm2>Δm1.根据质能方程ΔE＝Δmc2可求得Q2>Q1，故选B. 6．关于核反应的类型，下列表述正确的有(

) 4A.

238→23492U―

90Th＋2He是α衰变

41B.

14→177N＋2He―

8O＋1H是β衰变

31C.2→41H＋1H―2He＋0n是轻核聚变

0D.82→8234Se―36Kr＋2－1e是重核裂变

答案

AC 7．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．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

答案

BD 解析

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10－15 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．

8．核聚变的主要原料氘，在海水中含量极其丰富．已知氘核的质量为m1，中子的质量为m2，32He的质量为m3，质子的质量为m4，则下列说法中正确的是(

) A．两个氘核聚变成一个32He所产生的另一个粒子是质子

3B．两个氘核聚变成一个2He所产生的另一个粒子是中子

3C．两个氘核聚变成一个2He所释放的核能为(m1－m3－m4)c2

D．与受控核聚变比较，现行的核反应堆产生的废物具有放射性

答案

BD 31解析

由核反应方程知22X应为中子，释放的核能应为ΔE＝(2m1－m3－m2)c2，1H→2He＋0X，聚变反应的污染非常小．而现实运行的裂变反应的废料具有很强的放射性，故A、C均错误，B、D正确．

二、非选择题

49．一个原来静止的锂核(63Li)俘获一个速度为7.7×10 m/s的中子后，生成一个氚核和一个氦核，已知氚核的速度大小为1.0×103 m/s，方向与中子的运动方向相反．

(1)试写出核反应方程；

(2)求出氦核的速度大小．

144答案

(1)6→33Li＋0n―1H＋2He

(2)2×10 m/s

14解析

(1)6→33Li＋0n―1H＋2He. (2)取中子的运动方向为正方向，由动量守恒定律得

mnv0＝－mTv1＋mHev2

mnv0＋mTv1v2＝＝2×104 m/s. mHe