1、7 核聚变8 粒子和宇宙考试要求核聚变 c知识内容粒子和宇宙 a课时要求1.知道聚变的概念及条件，会计算聚变反应释放的能量.2.知道电子、中子、质子并不是组成物质的最基本粒子，知道粒子可以分为强子、轻子、媒介子三类.3.知道夸克是组成强子的成分，知道夸克可以带分数电荷.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，必须使核子间的距离达到 1015 m 以内；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
2、实现的核聚变是什么？实现热核反应存在的困难是什么？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爆炸(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知识梳理1核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H H He n17.6MeV.21 31 42 103聚变发生的条件要使轻核聚变，必须使轻核间的距离达到 1015 m 以内，这要克服电荷间巨大的库仑斥力，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
3、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)轻核聚变比裂变更安全、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热核反应所需的温度( )二、粒子和宇宙导学探究 图 1 为欧洲粒子加速器，能使粒子获得 13 万亿电子伏特的能量图 1(1)高速粒子碰撞能产生一些新的粒子，试说出部分 20 世纪 30 年代以来发现的新粒子(2)随着新粒子的发现，质子与中子为什么不再被称为“基本粒子 ”？答案 (1)正电子、 子、K 介子、 介子、超子(2)因为科学家们发现质子、中子等本身也是
4、复合粒子，也有着自己的复杂的结构，所以它们不再是“基本粒子” 知识梳理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，科学家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 子，1947 年发现了 K 介子和 介子，后来发现了超子等(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 年提出的强子的夸克模
5、型，认为强子是由夸克构成的一、核聚变的特点及应用1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(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重核裂变 轻核聚变放能原理重核分裂成两个或多个中等质量的原子核，放出核能两个轻核结合成质量较大的原子核，放出核能放能多少 聚变反应比裂变
6、反应平均每个核子放出的能量要大 34 倍核废料处理难度聚变反应的核废料处理要比裂变反应简单得多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%主要原料是氘，氘在地球上的储量非常丰富.1L 水中大约有 0.03g 氘，如果用来进行热核反应，放出的能量约与燃烧 300L 汽油释放的能量相当可控性速度比较容易进行人工控制，现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：H H Hex，式中 x 是某种粒子已知： H、 H、 He 和粒子 x 的质量分别为21 31 42
7、 21 31 422.0141u、3.0161u、4.0026u 和 1.0087u；1u ， c 是真空中的光速由上述反应方931.5MeVc2程和数据可知，粒子 x 是_，该反应释放出的能量为_MeV(结果保留 3 位有效数字)答案 n(或中子) 17.610解析 根据质量数和电荷数守恒可得 x 是 n(中子) 10核反应中的质量亏损为 m 2.0141u3.0161u4.0026u 1.0087u0.0189u所以该反应释放出的能量为Emc 217.6MeV.例 2 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
8、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 n21 31 42 10B “人造太阳”的核反应方程是 U n Ba Kr3 n23592 10 14156 9236 10C根据公式 Emc 2 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 Emc 2 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解析 H H He n 是轻核聚变方程，故 A 项正确；根据轻核聚变特点，相同质量21 31 42 10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 正确例 3 2010 年 11 月 8 日，国家国防科技工业局首
9、次发布“嫦娥二号”月面虹湾局部影像图，如图 2 所示科学家发现在月球上含有丰富的 He(氦 3)，它是一种高效、清洁、安全32的核聚变燃料，其参与的一种核聚变反应方程为 He He2 H He，关于 He 聚变，32 32 1 42 32下列表述正确的是( )图 2A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 He 聚变反应发电32答案 B二、新粒子的发现和夸克模型1反粒子与粒子的关系质量、寿命等物理性质与相对应的粒子相同，而电荷等其他性质相反2粒子的分类分类参与的相互作用发现的粒子 备注强子 参与强相互 质子、中子、介子、超子 强子有内部结构，由“
10、夸作用 克”构成；强子又分为介子和重子两类轻子不参与强相互作用电子、电子中微子、 子、 子中微子、 子、 子中微子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、胶子光子、中间玻色子、胶子分别传递电磁、弱、强相互作用3.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，23 13上夸克带的电荷量为 ，下夸克带的电荷量为 .2e3 e3(3)意义：电子电荷不再是电荷的最小单元，即存在分数电荷例 4 下列关于夸克模型的说法正确的是 ( )A强子是由更基本的夸克
11、组成的B夸克的电荷量分别为元电荷的 或23 13C每种夸克都有对应的反夸克D夸克能以自由的状态单个出现答案 ABC解析 夸克不能以自由的状态单个出现，D 错误1(对核聚变的理解)下列关于聚变的说法，正确的是( )A要使聚变发生，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激烈地进行着热核反应，在地球内部也可以自发地进行答案 ABC解析 轻核聚变时，要使轻核之间距离达到 1015 m，必须克服库仑斥力做功，A 正确；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
12、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，这样高的温度可以通过原子弹爆炸获得，故 B、C 正确；在太阳和其他恒星内部都存在着热核反应，但在地球内部不会自发地进行，D 错误2(对核反应的认识)(2017湖州调研)对以下几个核反应方程，判断正确的是( ) H H He n Na Mg e21 31 42 10 2411 2412 0-1 U n Ba Kr 3 n23592 10 14456 8936 10A是裂变，是 衰变 B是聚变，是裂变C是 衰变，是裂变 D是裂变，是 衰变答案 BC解析 是聚变，是 衰变， 是裂变，选项 B、C 正确3(对宇宙粒子的理解)以下说法正
13、确的是( )A最早发现的轻子是电子，最早发现的强子是中子B质子、中子、介子和超子都属于强子C强子、轻子都有内部结构D 子质量比核子质量大， 子不属于轻子答案 B解析 最早发现的强子是质子，最早发现的轻子是电子，故选项 A 错误；强子有内部结构，由夸克组成，轻子没有内部结构，所以 C 错误；质子、中子、介子、超子都属于强子，子质量比核子质量大，但仍属于轻子，B 正确，D 错误4(核聚变释放核能的计算)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mH1.0073u，氦核质量为 mHe4.0015u，电子质量为
14、me0.00055u，1u931.5MeV/c 2)(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 3.81026J，则太阳每秒减少的质量为多少千克？答案 (1)4 H He2 e (2)24.78MeV1 42 0 1(3)4.22109kg解析 (1)由题意可得核反应方程应为 4 H He2 e.1 42 0 1(2)反应前的质量 m14m H4 1.0073u4.0292u，反应后的质量 m2m He2m e4.0015u20.00055u4.0026u，mm 1m 20.0266u，由质能方程得，释放的能量Emc 20.0266 931.5MeV
15、24.78MeV.(3)由质能方程 E mc2 得太阳每秒减少的质量m kg4.2210 9kg.Ec2 3.8102631082一、选择题考点一 对核聚变的理解1在某次核反应中，1 个氘核和 1 个氚核结合生成 1 个氦核，则下列说法中正确的是( )A这是一个聚变反应B核反应方程式为 H H He n21 31 42 10C目前核电站都采用上述核反应发电D该核反应没有质量亏损答案 AB解析 1 个氘核和 1 个氚核结合生成 1 个氦核，反应方程为 H H He n，这是聚变21 31 42 10反应，故 A、B 正确；目前核电站采用核裂变发电，故 C 错误；该核反应放出热量，所以一定有质量亏
16、损，故 D 错误2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
17、，故 D 错3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聚变反应不会释放能量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 B4关于核反应的类型，下列表述正确的有( )A. U Th He 是 衰变23892 23490 42B. N He O H 是 衰变147 42 178 1C. H H He n 是轻核聚变21 31 42 10D. Se Kr2 e 是重核裂变8234 8236 0 1答案 AC5(2017浙江 11 月选考14)下列说法正确的是( )A核聚变反应方程可能为 H H
18、 He2 n21 31 42 10B铀核裂变的核反应方程可能为 U n Xe Sr2 n23592 10 1405 9438 10C发生 衰变时原子核放出电子，说明电子是原子核的组成部分D中子和质子结合成氘核，若该过程质量亏损为 m，则氘核的结合能为 mc2答案 BD解析 选项 A 的核反应方程为 H H He n，选项 A 错误；根据重核裂变的核反应21 31 42 10方程配平方式可知，选项 B 正确； 衰变时原子核内部中子衰变为质子时释放出高速电子，电子并不是原子核的组成部分，选项 C 错误；根据质能方程可知，选项 D 正确考点二 聚变释放核能问题6关于轻核聚变，下列说法正确的是( )A
19、两个轻核聚变为中等质量的原子核时要吸收能量B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 BD7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H C NQ 11 126 137H N CXQ 21 157 126方程中 Q1、Q 2 表示释放的能量，相关的原子核质量如表：原子核 H1 H31 He42 C126 N137 N157质量/u 1.0078 3.0166 4.0026 12.0000 13.0057 15.0001以下推断正确的是( )AX 是 He，Q 2Q1
20、32BX 是 He， Q2Q142CX 是 He， Q2m1.根据质能方程Emc 2 可求得 Q2Q1，故选 B.8我国自行研制了可控热核反应实验装置“超导托卡马克”(英文名称：EAST，俗称“人造太阳”)设可控热核实验反应前氘核 ( H)的质量为 m1，氚核( H)的质量为 m2，反应后21 31氦核( He)的质量为 m3，中子( n)的质量为 m4，光速为 c，下列说法正确的是( )42 10A这种装置中发生的核反应方程式是 H H He n21 31 42 10B由核反应过程质量守恒可知 m1m 2m 3m 4C核反应放出的能量等于(m 1m 2m 3m 4)c2D这种装置与我国大亚湾
21、核电站所使用装置的核反应原理相同答案 A解析 核反应方程为 H H He n，选项 A 正确；反应过程中向外释放能量，故质21 31 42 10量有亏损，且释放的能量 Emc 2( m1m 2m 3m 4)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9当两个中子和两个质子结合成一个 粒子时，放出 28.3MeV 的能量，当三个 粒子结合成一个碳(C)核时，放出 7.26MeV 的能量，则当 6 个中子和 6 个质子结合成一个碳(C)核时，释放的能量约为( )A21.04MeV B35.56MeVC77.64MeV D92.16MeV答案
22、 D解析 6 个中子和 6 个质子可结合成 3 个 粒子，放出能量 328.3MeV84.9MeV,3 个 粒子再结合成一个碳核，放出 7.26MeV 能量，故 6 个中子和 6 个质子结合成一个碳核时，释放的能量为 84.9MeV7.26MeV92.16MeV.考点三 宇宙与粒子10为了探究宇宙起源， “阿尔法磁谱仪”(AMS)将在太空中寻找“反物质” 所谓“反物质”是由“反粒子”构成的 “反粒子”与其对应的正粒子具有相同的质量和相同的电荷量，但电荷的符号相反由此可知反氢原子是( )A由 1 个带正电荷的质子和 1 个带负电荷的电子构成B由 1 个带负电荷的反质子和 1 个带正电荷的正电子构
23、成C由 1 个带负电荷的反质子和 1 个带负电荷的电子构成D由 1 个不带电的中子和 1 个带正电荷的正电子构成答案 B解析 氢原子由一个电子和一个质子组成，根据“反物质”和“反粒子”的概念，可知反氢原子由一个带负电荷的反质子和一个带正电荷的正电子组成，故选项 B 正确，选项A、C、D 错误二、非选择题11(聚变释放能量的计算)两个氘核聚变产生一个中子和一个氦核，已知氘核质量mD2.0136u，氦核质量 mHe3.0150u，中子质量 mn1.0087u(1u931.5MeV/ c2)(1)计算此核反应释放的能量；(2)若反应前两氘核的动能均为 Ek00.35MeV，它们正撞发生聚变，且反应后
24、释放的核能全部转变为动能，则反应产生的氦核和中子的动能各为多大？答案 (1)3.26MeV (2)0.99MeV 2.97MeV解析 (1)核反应方程为：2 H He n21 32 10质量亏损 m2m Dm Hem n0.0035u.由质能方程得释放的核能 Em931.5MeV0.0035 931.5MeV3.26MeV.(2)将两氘核作为一个系统，由动量守恒有 0m HevHem nvn由能量守恒有： mHev mnv E2E k012 He2 12 n2由代入数据可得 EkHe0.99MeV，Ekn2.97MeV.12(核聚变能量的计算)核聚变能是一种具有经济性能优越、安全可靠、无环境污
25、染等优势的新能源受控核聚变的科学可行性已得到验证，目前正在突破关键技术，最终将建成商用核聚变电站一种常见的核聚变反应是由氢的同位素氘(又叫重氢) 和氚(又叫超重氢)聚合成氦，并释放一个中子若已知氘原子的质量为 2.0141u，氚原子的质量为 3.0162u，氦原子的质量为 4.0026u，中子的质量为 1.0087u,1u1.6610 27 kg.(1)写出氘和氚聚变的反应方程(2)试计算这个核反应释放出来的能量(3)若建一座功率为 3.0105kW 的核聚变电站，假设聚变所产生的能量有一半转化成了电能，求每年要消耗的氘的质量(一年按 3.2107s 计算，光速 c3.010 8m/s，结果保留两位有效数字)答案 (1) H H He n (2)2.8 1012 J21 31 42 10(3)23kg解析 (1) H H He n21 31 42 10(2)Emc 2(2.014 13.016 24.002 61.008 7)1.6610 27 91016 J2.810 12 J(3)M MD2PtE kg231083.21072.014 11.6610 272.810 1223 kg.
