高中物理 19.7-19.8核聚變 粒子和宇宙（探究導學課型）課件 新人教版選修3-5.ppt

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7核聚變8粒子和宇宙,1.知道輕核的聚變反應,關注受控聚變反應研究的進展。2.初步了解粒子物理學的基礎知識,初步了解恒星的演化。3.通過核能的利用,思考科學技術與社會進步的關系。,一、核聚變1.核聚變:(1)定義:兩個輕核結合成質(zhì)量_____的核的反應。輕核聚變必須在高溫下進行,因此又叫_________。(2)核反應舉例:,較大,熱核反應,2.受控熱核反應:(1)定義:為了使巨大的熱核反應能量不以爆炸的形式釋放,而是在_____控制下逐漸釋放出來并加以_____的熱核反應。(2)條件:熱核燃料加熱到非常高的_____;熱核反應釋放的能量足以補償形成聚變過程中所損失的能量。,人工,利用,溫度,(3)聚變與裂變的對比優(yōu)點:①輕核聚變_____效率高;②地球上聚變?nèi)剂系膬α縚____;③輕核聚變更___________。(4)約束核聚變材料的方法:_______和慣性約束。,產(chǎn)能,豐富,安全、清潔,磁約束,二、粒子和宇宙1.發(fā)現(xiàn)新粒子:(1)新粒子的發(fā)現(xiàn):1932年發(fā)現(xiàn)了_______,1937年發(fā)現(xiàn)了_____,1947年發(fā)現(xiàn)了K介子和π介子,迄今發(fā)現(xiàn)的粒子已達到400多種。,正電子,μ子,(2)反粒子:實驗中發(fā)現(xiàn),許多粒子都存在著質(zhì)量與它們_____,而電荷及其他一些物理性質(zhì)_____的粒子。(3)分類:強子、_____和_______。(4)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_____構成的。,相同,相反,輕子,媒介子,夸克,2.宇宙及恒星的演化:(1)宇宙的演化從___________開始。(2)恒星的演化經(jīng)歷了宇宙塵埃,星云團,恒星誕生,最后恒星的熱核反應停止后恒星演變?yōu)開______、_______或_____。,宇宙大爆炸,白矮星,中子星,黑洞,1.判一判:(1)熱核反應就是原子核的溫度很高的反應。()(2)聚變與裂變相比有產(chǎn)能效率高、燃料儲量豐富和安全清潔等優(yōu)點。()(3)受控熱核反應不容易實現(xiàn)的主要原因是聚變的條件和難以約束聚變的材料。()(4)質(zhì)子屬于強子,電子屬于輕子,夸克屬于媒介子。(),提示:(1)。熱核反應是指核燃料的溫度要高達幾百萬開爾文,對于原子核來說是指平均動能很大。(2)√。聚變的核子平均釋放的結合能大,反應過程除輻射高能量的光子外不產(chǎn)生核廢料,聚變?nèi)剂蟽α糠浅ＸS富且安全、清潔。,(3)√。受控熱核反應既要達到聚變需要的幾百萬開爾文的溫度,又要使反應在一定的區(qū)域內(nèi)完成,沒有約束反應的容器是一個難題。(4)。質(zhì)子屬于強子,電子屬于輕子,但夸克是組成強子的成分。,2.想一想:(1)氫彈爆炸的威力相比原子彈爆炸的威力哪一個大?為什么?提示:氫彈的威力大。氫彈爆炸是核聚變的結果,而核聚變釋放的核能比原子彈中核裂變釋放的核能要大得多,故氫彈的威力大。,(2)為什么說“基本粒子”不基本?提示:一方面是因為這些原來被認為不可再分的粒子還有自己的復雜結構,另一方面是因為新發(fā)現(xiàn)的很多種新粒子都不是由原來認為的那些基本粒子組成的。,主題一探究核聚變【問題探究】1.為什么實現(xiàn)核聚變要使聚變的燃料加熱到幾百萬開爾文的高溫?,提示:(1)微觀上:參與反應的原子核必須接近到核力的作用范圍內(nèi),約為10-15m這種程度,因而必須使它們具有很大的動能以克服原子核之間巨大的庫侖斥力做功,由原子核的動能轉(zhuǎn)化為原子核的電勢能,使核子之間的核力發(fā)生作用,輕核才能聚變成質(zhì)量較大的核。(2)宏觀上:要使原子核具有足夠大的動能,就得把它加熱到幾百萬開爾文的高溫,才能使聚變反應發(fā)生,因此聚變又叫熱核反應。,2.與重核的裂變相比聚變有哪些特點?提示:(1)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。(2)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。(3)普遍性:熱核反應在宇宙的恒星中時時刻刻地進行著,太陽就是一個巨大的熱核反應堆。,3.目前人們實現(xiàn)的核聚變是什么?實現(xiàn)熱核反應存在的困難是什么?提示:(1)目前人們能實現(xiàn)的熱核反應是氫彈的爆炸,是由普通炸藥引爆原子彈,再由原子彈爆炸產(chǎn)生的高溫高壓引發(fā)熱核反應,但這是不可控制的。(2)實現(xiàn)熱核反應存在的困難是:地球上沒有任何容器能夠經(jīng)受住熱核反應所需要的高溫。,4.如何實現(xiàn)對熱核反應的控制?可控熱核反應有哪些優(yōu)點?提示:(1)可能實現(xiàn)對熱核反應的控制方法:磁約束:利用磁場來約束參加反應的物質(zhì)。環(huán)流器是目前性能最好的一種磁約束裝置。慣性約束:利用強激光從各個方向照射參加反應的物質(zhì),使它們由于慣性還來不及擴散就完成了核反應。(2)可控熱核反應的優(yōu)點:放射性污染小,不產(chǎn)生核廢料,核燃料十分豐富。,5.人們?yōu)槭裁匆芯靠煽責岷朔磻?或者說實現(xiàn)可控熱核反應的必要性是什么?提示:實現(xiàn)可控熱核反應是有必要的,原因是:由于地球上化石燃料和裂變材料的儲量有限,開發(fā)聚變能量非常必要,并且是一項十分緊迫的任務。各國科學家都在加緊研究,盡快地在地球上制造出人類自己的“太陽”,緩解甚至消除能源危機的困擾。,再者,重核的裂變產(chǎn)生的核廢料輻射性很強,而且半衰期很長,特別是福島核電站由于地震造成的核泄漏又給世人敲了一次警鐘,更激發(fā)起人們開發(fā)可控熱核反應能源的極大期望。,【探究總結】1.衰變、人工轉(zhuǎn)變、裂變和聚變方程的區(qū)別:(1)衰變是原子核自發(fā)地轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N核,并向外輻射出α粒子或β粒子的反應,衰變根據(jù)向外輻射粒子的不同分為α衰變和β衰變兩種。(2)人工轉(zhuǎn)變通常是用α粒子或中子去轟擊靶核,靶核俘獲入射粒子后產(chǎn)生新的原子核,并放出一個或幾個粒子的反應。(3)重核分解成中等質(zhì)量的核的反應叫裂變,輕核聚合成重核的反應叫聚變。,2.裂變與聚變的對比:,【即時訓練】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.由于聚變所產(chǎn)生的核能比裂變大得多,故裂變更安全C.原子彈的燃料是D.氫彈的原理是核聚變,需由原子彈來引爆,【解題探究】(1)聚變反應比裂變反應平均每個核子放能___。(2)聚變反應后產(chǎn)生的核廢料,基本_______放射性,裂變后的產(chǎn)物_____放射性。,多,不具有,具有,【解析】選A、C、D。聚變比裂變的比結合能大,故A正確;在目前的條件下,在重核的裂變過程中所產(chǎn)生的放射性污染要比輕核聚變時大得多,故B錯;原子彈利用的核裂變?nèi)剂蠟?氫彈利用的核聚變需要原子彈來引爆,故C、D正確。,2.以下說法正確的是()A.聚變是裂變的逆反應B.如果裂變釋放能量,則聚變反應必定吸收能量C.聚變需將反應物加熱至數(shù)百萬度以上高溫,顯然聚變過程是吸收能量的D.裂變與聚變均可釋放巨大能量,【解析】選D。從形式上看,裂變與聚變似乎是互為逆反應,但其實不然,因為二者的反應物與生成物全然不同。裂變是重核分裂成中等核,而聚變則是輕核聚合成為次輕核,無直接關聯(lián),并非互為逆反應,所以A錯誤;既然裂變與聚變不是互為逆反應,則在能量的流向上也不必相反,B項錯誤;要實現(xiàn)聚變反應,必須使參加反應的輕核充分接近,需要數(shù)百萬度高溫提供能量。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。因此,總的說來,聚變反應還是釋放熱量,所以C錯誤,D正確。,主題二粒子【問題探究】1.結合下表分析粒子的分類及特點。,夸克,介子和重子,內(nèi)部結構,光子傳遞電磁相互作,用、中間玻色子傳遞,弱相互作用、膠子傳,遞強相互作用,2.強子和夸克的關系是怎樣的?夸克分多少種?它的帶電性是怎樣的?什么是夸克的“禁閉”?提示:夸克是強子的基本組成成分;夸克有6種:上夸克、下夸克、奇異夸克、粲夸克、底夸克、頂夸克;它們帶的電荷分別為元電荷的每種夸克都有對應的反夸克;夸克不能以自由的狀態(tài)單個出現(xiàn)的性質(zhì),叫夸克的“禁閉”。,3.什么是反粒子?所有的粒子都存在反粒子嗎?提示:實驗發(fā)現(xiàn),許多粒子都有和它質(zhì)量相同而電荷及其他一些物理量相反的粒子,叫反粒子。按照粒子的對稱性,有一個粒子,就應該有一個反粒子。,4.“夸克模型”的提出有什么物理意義?提示:夸克模型的提出是物理學發(fā)展史中的一個重大突破,它指出電子電荷不再是電荷的最小單元,即存在分數(shù)電荷。而另一方面也說明科學正是由于一個一個的突破才得到進一步的發(fā)展。,【探究總結】輕子的理解每種輕子都有對應的反粒子。目前發(fā)現(xiàn)的輕子只有6種,其中τ子的質(zhì)量比核子的質(zhì)量還大,但從力的性質(zhì)上講,它仍然屬于輕子。,【即時訓練】1.(多選)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,它們的帶電量如表所示,表中e為元電荷。下列說法正確的是()A.π+由u和組成B.π+由d和組成C.π-由u和組成D.π-由d和組成,【解析】選A、D。根據(jù)電荷量關系可知,由于π+介子帶有+e的電量,又由于π+介子是由u夸克和d夸克組成,根據(jù)題意可知π+介子(+e)應由一個夸克和反夸克合成,同理π-介子由夸克d和反夸克構成,A、D項正確。,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),利用中微子與水中的核反應,間接地證實了中微子的存在。(1)中微子與水中的發(fā)生核反應,產(chǎn)生中子和正電子即:中微子可以判定,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0B.0和1C.1和0D.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),即已知正電子和電子的質(zhì)量都為9.110-31kg,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____________________________。,【解題探究】(1)核反應過程中,_______和_______守恒。(2)正電子和負電子相遇后湮滅,根據(jù)_________可以計算光子的能量。,質(zhì)量數(shù),電荷數(shù),質(zhì)能方程,【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,A項正確。(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=8.210-14J。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,