2018-2019學(xué)年高中物理 第三章 原子核 3.6 核聚變課件 教科版選修3-5.ppt

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1、6 核 聚 變,一、核聚變 1.核聚變:輕原子核聚合成_____原子核的反應(yīng)稱(chēng)為 聚變反應(yīng),簡(jiǎn)稱(chēng)核聚變。 2.輕核聚變必須在高溫下進(jìn)行,因此核聚變又叫 _________。 3.核反應(yīng)舉例:,較重,熱核反應(yīng),4.聚變與裂變相比有很多優(yōu)點(diǎn): (1)輕核聚變產(chǎn)能_______。 (2)地球上聚變?nèi)剂系膬?chǔ)量_____。 (3)輕核聚變更為_(kāi)__________。,效率高,豐富,安全、清潔,5.熱核反應(yīng):實(shí)際舉例 (1)氫彈的原理。 (2)太陽(yáng)內(nèi)部核聚變釋放核能。,二、可控核聚變反應(yīng)研究的進(jìn)展 1.我們把_________情況下釋放能量的裝置,稱(chēng)為 ___________。 2.一種被稱(chēng)作______

2、___受控?zé)岷朔磻?yīng)的研究領(lǐng)先于 其他途徑。 3.近年來(lái)的重大突破是將_________成功地應(yīng)用于 產(chǎn)生_______________的線圈上。,受控聚變,聚變反應(yīng)堆,托卡馬克,超導(dǎo)技術(shù),托卡馬克強(qiáng)磁場(chǎng),【判一判】 (1)用加速器給氘核加速,很容易發(fā)生聚變反 應(yīng)。 ( ) (2)托卡馬克是利用電磁感應(yīng)產(chǎn)生的大電流對(duì)等離子 體加熱的。 ( ) (3)目前,人類(lèi)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了受控?zé)岷司圩儭?( ),提示:(1)用加速器給氘核加速,加速了的氘( H)核打在 氚( H)核的固體靶上,大部分能量會(huì)消耗在與電子的碰 撞上,發(fā)生聚變的概率非常小,(1)錯(cuò)。 (2)托卡馬克是用電磁感應(yīng)產(chǎn)生的大電流對(duì)等離子進(jìn)行 加

3、熱,從而實(shí)現(xiàn)等離子體核燃料的“點(diǎn)火”,(2)對(duì)。 (3)目前,受控?zé)岷司圩冞€處在研究階段,(3)錯(cuò)。,三、恒星演化中的核反應(yīng) 1.引力坍縮:由于物質(zhì)間_________而聚集到一起的 現(xiàn)象。 2.供太陽(yáng)發(fā)生核聚變過(guò)程的燃料是___。太陽(yáng)內(nèi)部核 聚變的反應(yīng)方程式為_(kāi)______________。,相互吸引,氫,知識(shí)點(diǎn)一、核聚變與恒星的演化 思考探究: 如圖是1967年6月17日,我國(guó)第一顆氫彈 爆炸成功的圖片資料,請(qǐng)思考以下問(wèn)題: (1)氫彈的威力相比原子彈的威力哪一個(gè)大? (2)氫彈爆炸過(guò)程中的核反應(yīng)是如何進(jìn)行的?,【歸納總結(jié)】 1.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(yīng)是一

4、個(gè)放能反應(yīng)。 例如,,2.聚變發(fā)生的條件:要使輕核聚變,必須使輕核接近核力發(fā)生作用的距離10-15m,這要克服電荷間強(qiáng)大的斥力作用,要求使輕核具有足夠大的動(dòng)能。要使原子核具有足夠大的動(dòng)能,就要給它們加熱,使物質(zhì)達(dá)到幾百萬(wàn)開(kāi)爾文的高溫。,3.,4.恒星的演化:,【典例探究】 【典例】核聚變能是一種具有經(jīng)濟(jì)性能優(yōu)越、安全可 靠、無(wú)環(huán)境污染等優(yōu)勢(shì)的新能源。近年來(lái),受控核聚變 的科學(xué)可行性已得到驗(yàn)證,目前正在突破關(guān)鍵技術(shù),最 終將建成商用核聚變電站。一種常見(jiàn)的核聚變反應(yīng)是 由氫的同位素氘(又叫重氫)和氚(又叫超重氫)聚合成 氦,并釋放一個(gè)中子。若已知氘原子的質(zhì)量為2.014u,,氚原子的質(zhì)量為3.01

5、6 0u,氦原子的質(zhì)量為4.0026u,中子的質(zhì)量為1.008 7u,1u=1.6610-27kg。 (1)寫(xiě)出氘和氚聚合的反應(yīng)方程。 (2)試計(jì)算這個(gè)核反應(yīng)釋放出來(lái)的能量。 (3)若建一座功率為3.0105kW的核聚變電站,假設(shè)聚變所產(chǎn)生的能量有一半變成了電能,每年要消耗多少質(zhì)量的氘?(一年按3.2107s計(jì)算,光速c=3.00108m/s,結(jié)果取兩位有效數(shù)字),【思路點(diǎn)撥】解答該題應(yīng)關(guān)注以下三點(diǎn): (1)根據(jù)質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒書(shū)寫(xiě)核反應(yīng)方程。 (2)由愛(ài)因斯坦質(zhì)能方程求解釋放的能量。 (3)由功率的意義求一年內(nèi)核反應(yīng)次數(shù)。,【正確解答】(1)根據(jù)質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒,可得核 反應(yīng)方程為,

6、(2)質(zhì)量虧損 Δm=m2+m3-m4-m1 =(2.014+3.016 0-4.002 6-1.008 7)u =0.018 71.6610-27kg =3.104 210-29kg 根據(jù)愛(ài)因斯坦質(zhì)能方程ΔE=Δmc2 核反應(yīng)釋放的核能 ΔE=Δmc2=3.104 210-29(3108)2J=2.810-12J,(3)一年中產(chǎn)生的電能發(fā)生的核反應(yīng)次數(shù)為n= 所需氘的質(zhì)量m=nm21.6610-27kg=23kg. 答案:(1) (2)2.810-12J (3)23kg,【總結(jié)提升】輕核聚變釋放核能的計(jì)算 (1)正確書(shū)寫(xiě)核反應(yīng)方程式是解題的前提。 書(shū)寫(xiě)核反應(yīng)方程式時(shí),要明確反應(yīng)物和生成物,

7、并注意它們的元素符號(hào),特別是同位素,不要忘記根據(jù)質(zhì)量數(shù)守恒與電荷數(shù)守恒配平方程式。,(2)核能計(jì)算式要選取正確的單位。 在利用ΔE=Δmc2進(jìn)行計(jì)算時(shí),若Δm取kg為單位,則c的單位為m/s;若質(zhì)量單位用原子質(zhì)量單位u,則要利用1u相當(dāng)于931.5MeV計(jì)算核能。,【補(bǔ)償訓(xùn)練】 一個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子聚變?yōu)橐粋€(gè)氚核,已知質(zhì)子質(zhì)量mH=1.0073u,中子質(zhì)量mn=1.0087u,氚核質(zhì)量m=3.0180u. (1)寫(xiě)出聚變方程. (2)求釋放出的核能多大. (3)求平均每個(gè)核子釋放的能量是多大.,【解析】(1)聚變方程 (2)質(zhì)量虧損Δm=mH+2mn-m=(1.0073+21.0087- 3.

8、0180)u=0.0067u,釋放的核能ΔE=Δmc2=0.0067931.5MeV≈6.24MeV。 (3)平均每個(gè)核子放出的能量為 MeV=2.08MeV. 答案:(1) (2)6.24MeV (3)2.08MeV,【過(guò)關(guān)訓(xùn)練】 氘核和氚核可發(fā)生熱核聚變而釋放出巨大的能量, 該反應(yīng)方程為: ,式中x是某種粒子。 已知: 和粒子x的質(zhì)量分別為2.014 1 u、 3.016 1 u、4.002 6 u和1.008 7 u;1 u= c是真空中的光速。由上述反應(yīng)方程和數(shù)據(jù)可知,粒子x 是____,該反應(yīng)釋放出的能量為_(kāi)___MeV(結(jié)果保留3位 有效數(shù)字)。,【解析】根據(jù)質(zhì)量數(shù)

9、和電荷數(shù)守恒可得x是 (中子)。核反應(yīng)中的質(zhì)量虧損為 Δm=(2.014 1 u+3.016 1 u-4.002 6 u-1.008 7 u) =0.018 9 u 所以該反應(yīng)釋放出的能量為ΔE=Δmc2=17.6 MeV 答案:(1) (或中子) 17.6,知識(shí)點(diǎn)二、可控核聚變反應(yīng)的研究進(jìn)展 思考探究: 如圖描述的是我國(guó)第一顆氫彈爆炸 成功的消息傳出后,人們歡呼慶祝 的場(chǎng)景,請(qǐng)思考以下問(wèn)題: (1)氫彈爆炸時(shí),核能釋放的速度應(yīng)該快還是慢? (2)目前,人們能否有效地控制核聚變的速度?,【歸納總結(jié)】 1.核子聚變的條件: 要使核子發(fā)生聚變,必須使核子接近核力能發(fā)生作用的范圍。 2.聚變反應(yīng)堆:

10、受控聚變情況下釋放能量的裝置。,3.聚變反應(yīng)堆研究進(jìn)展: (1)托卡馬克受控?zé)岷朔磻?yīng)的研究領(lǐng)先于其他途徑。 (2)環(huán)流器:托卡馬克是一種環(huán)形磁約束受控?zé)岷朔磻?yīng)裝置。,(3)環(huán)流器原理:在這種裝置中,等離子體被不同方向的磁場(chǎng)約束在一個(gè)環(huán)管狀的金屬反應(yīng)室中,用電磁感應(yīng)產(chǎn)生的大電流對(duì)等離子體進(jìn)行加熱,從而實(shí)現(xiàn)等離子體熱核燃料的“點(diǎn)火”。 (4)超導(dǎo)托卡馬克:將超導(dǎo)技術(shù)成功地應(yīng)用于產(chǎn)生托卡馬克強(qiáng)磁場(chǎng)的線圈上制成。,4.核聚變是一種安全、不產(chǎn)生放射性物質(zhì)、原料成本低廉的能源,是人類(lèi)未來(lái)能源的希望。,【典例探究】 【典例】(2016全國(guó)卷Ⅱ)在下列描述的核過(guò)程的方程中,屬于α衰變的是________,屬于

11、β衰變的是________,屬于裂變的是________,屬于聚變的是________。,【正確解答】原子核發(fā)生α衰變會(huì)產(chǎn)生一個(gè)新核和 ,所以選項(xiàng)C是α衰變;原子核發(fā)生β衰變會(huì)產(chǎn) 生一個(gè)新核和 ,所以A、B選項(xiàng)為β衰變;重核被轟擊后,發(fā)生裂變會(huì)產(chǎn)生幾個(gè)質(zhì)量差不多的新核,所以選項(xiàng)E為裂變;兩個(gè)輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核的核反應(yīng),為核聚變,所以選項(xiàng)F為核聚變。 答案:C A、B E F,【過(guò)關(guān)訓(xùn)練】 (多選)能源是社會(huì)發(fā)展的基礎(chǔ),發(fā)展核能是解決能源問(wèn)題的途徑之一,下列釋放核能的反應(yīng)方程,表述正確的有 ( ),【解析】選A、C。兩個(gè)輕核聚合成一個(gè)較重的核的反應(yīng)為核聚變反應(yīng),故A對(duì)B錯(cuò)。重核被中子轟擊后

12、分裂成兩個(gè)中等質(zhì)量的原子核并放出若干個(gè)中子的反應(yīng)為核裂變反應(yīng),故C對(duì)。原子核放出α或β粒子后變成另一種原子核的反應(yīng)稱(chēng)為原子核的衰變。原子核的衰變的反應(yīng)物只有一種,故D錯(cuò)。,【補(bǔ)償訓(xùn)練】 我國(guó)自行設(shè)計(jì)、研制的“人造太陽(yáng)”裝置——全超導(dǎo)非圓截面核聚變實(shí)驗(yàn)裝置(EAST)成為世界上第一個(gè)同時(shí)具有全超導(dǎo)磁體和主動(dòng)冷卻結(jié)構(gòu)的核聚變實(shí)驗(yàn)裝置.它的建成使我國(guó)邁入磁約束核聚變領(lǐng)域先進(jìn)國(guó)家行列.下列關(guān)于“人造太陽(yáng)”的說(shuō)法正確的是 ( ),A.“人造太陽(yáng)”的核反應(yīng)方程是 B.“人造太陽(yáng)”的核反應(yīng)方程是 C.“人造太陽(yáng)”核能大小的計(jì)算公式是E= mc2 D.“人造太陽(yáng)”釋放的能量大小的計(jì)算公式是ΔE=Δmc2,

13、【解析】選B、D.“人造太陽(yáng)”內(nèi)進(jìn)行的是核聚變反應(yīng),故A錯(cuò)誤,B正確.核反應(yīng)放出的能量應(yīng)由愛(ài)因斯坦質(zhì)能方程計(jì)算,C錯(cuò)誤,D正確.,【溫馨提示】輕核發(fā)生聚變反應(yīng)時(shí),同樣滿足能量守恒和動(dòng)量守恒,因此聚變反應(yīng)經(jīng)常與能量、動(dòng)量結(jié)合起來(lái)進(jìn)行考查。,【拓展例題】考查內(nèi)容:能量守恒與輕核聚變反應(yīng)的 綜合應(yīng)用 兩個(gè)動(dòng)能均為1 MeV的氘核發(fā)生正面碰撞,引起如下 反應(yīng): 已知:氘核的質(zhì)量為2.013 6 u, 氚核的質(zhì)量為3.015 6 u,氫核的質(zhì)量為1.007 3 u,1 原子質(zhì)量單位(u)相當(dāng)于931.5 MeV.試求,(1)此核反應(yīng)中放出的能量ΔE為多少M(fèi)eV? (2)若放出的能量全部變?yōu)樾律说?/p>

14、動(dòng)能,則新生的氫核所具有的動(dòng)能為多少M(fèi)eV?,【思路點(diǎn)撥】氘核碰撞過(guò)程動(dòng)量守恒,找到新生核的動(dòng)能與其動(dòng)量的關(guān)系,進(jìn)而找到兩新生核動(dòng)能之間的關(guān)系.,【正確解答】(1)由質(zhì)能方程,核反應(yīng)中放出的能量為: ΔE=Δm931.5MeV=(22.013 6 u-3.015 6 u- 1.007 3 u)931.5 MeV=4.005 MeV.,(2)相互作用過(guò)程中動(dòng)量守恒p1=p2 新生的氚核的動(dòng)能: 新生的氫核的動(dòng)能: 由能量守恒得:2Ek+ΔE= 代入數(shù)據(jù)得新生的氫核的動(dòng)能: =4.5 MeV 答案:(1)4.005 MeV (2)4.5 MeV,輕核聚變與重核裂變的區(qū)別,【案例展示】下面關(guān)于原子核

15、的裂變和聚變的說(shuō)法,正確的是 ( ) A.重核裂變和輕核聚變都放出核能,但地球上裂變材料比聚變材料豐富得多 B.目前人類(lèi)建成的核電站全部是利用重核裂變放出的能量來(lái)發(fā)電的,C.要使輕原子核發(fā)生聚變,必須使它們之間的距離至少接近到10-10m D.太陽(yáng)發(fā)出的光和熱主要來(lái)自太陽(yáng)內(nèi)部原子核的聚變反應(yīng),【正確解答】選B、D。裂變的材料是鈾,在地球上儲(chǔ)量有限,而聚變的主要原料是氘,在地球上儲(chǔ)量非常豐富,1L海水中大約有0.03g氘,A錯(cuò)誤;目前人們還不能有效地控制聚變的速度,核電站全部是利用重核裂變放出的能量來(lái)發(fā)電的,B正確;要發(fā)生聚變必須使輕核進(jìn)入到核力的作用范圍(10-15m)內(nèi),C錯(cuò)誤;太陽(yáng)的光和熱來(lái)自于原子核的聚變反應(yīng),D正確.,【易錯(cuò)分析】本題易錯(cuò)選項(xiàng)及錯(cuò)誤原因分析如下:,