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1、关于核聚变粒子和宇宙课堂第1页，讲稿共49张，创作于星期二比结合能比结合能核子的比结合能随质量数的变化核子的比结合能随质量数的变化A核子平均质量核子平均质量核子的平均质量随原子序数的变化核子的平均质量随原子序数的变化第2页，讲稿共49张，创作于星期二一、核聚变一、核聚变第3页，讲稿共49张，创作于星期二1、轻核的聚变（热核反应）轻核的聚变（热核反应）某些轻核能够结合在一起，生成一个较大的原某些轻核能够结合在一起，生成一个较大的原子核，同时放出大量的核能。这种核反应叫做子核，同时放出大量的核能。这种核反应叫做核聚核聚变变。一、核聚变一、核聚变第4页，讲稿共49张，创作于星期二2 2、聚变核能、聚
2、变核能比裂变反应中平均每个核子放出的能量大比裂变反应中平均每个核子放出的能量大34倍倍第5页，讲稿共49张，创作于星期二3、发生聚变的条件、发生聚变的条件:要使原子核间的距离达到要使原子核间的距离达到10-15m4、实现的方法有、实现的方法有:1）用加速器加速原子核；）用加速器加速原子核；2）把原子核）把原子核加热加热到很高的温度；到很高的温度；不经济不经济如何能使轻如何能使轻核具有较大核具有较大的动能呢？的动能呢？需要克服极大的库仑斥力，需要克服极大的库仑斥力，因此必须让轻因此必须让轻核具有很大的动能。核具有很大的动能。几百万几百万KK高温高温高温高温聚变反应又聚变反应又叫热核反应叫热核反应
3、第6页，讲稿共49张，创作于星期二核聚变的利用核聚变的利用氢弹氢弹第7页，讲稿共49张，创作于星期二核聚变的利用氢弹弹体弹体引爆装置引爆装置小小型型原原子子弹弹三种炸药：三种炸药：普通炸药普通炸药235氘、氚氘、氚爆炸爆炸裂变裂变聚变聚变氘、氚、重氘、氚、重氢化钾等氢化钾等铀铀235外壳外壳普通炸药普通炸药第8页，讲稿共49张，创作于星期二世界第一颗氢弹世界第一颗氢弹麦克麦克第9页，讲稿共49张，创作于星期二第10页，讲稿共49张，创作于星期二我国第一颗氢弹爆炸成功我国第一颗氢弹爆炸成功第11页，讲稿共49张，创作于星期二氢弹爆炸形成的磨姑云氢弹爆炸形成的磨姑云第12页，讲稿共49张，创作于星
4、期二第13页，讲稿共49张，创作于星期二太阳太阳是一个巨大的是一个巨大的热核反应堆。热核反应堆。热核反应在宇宙中时时刻刻地进行着，热核反应在宇宙中时时刻刻地进行着，太阳的中心温度达太阳的中心温度达1.51.510107 7 K K，因而在那里，因而在那里进行着激烈的热核反应，不断向外界释放着进行着激烈的热核反应，不断向外界释放着巨大的能量。太阳每秒释放的能量约为巨大的能量。太阳每秒释放的能量约为3.8103.8102626 J J，地球只接受了其中的二十亿分，地球只接受了其中的二十亿分之一。太阳在之一。太阳在“核燃烧核燃烧”的过程中的过程中“体重体重”不断减轻。它每秒有亿吨原子核参与碰撞，不断
5、减轻。它每秒有亿吨原子核参与碰撞，辐射出的能量与辐射出的能量与400400万吨的物质相当。科学万吨的物质相当。科学家估计，太阳的这种家估计，太阳的这种“核燃烧核燃烧”还能维持几还能维持几十亿年。当然，与人类历史相比，这个时间十亿年。当然，与人类历史相比，这个时间很长很长！很长很长！太太阳阳的中心的中心发生发生核核聚聚变变，放出巨大能量，放出巨大能量，这个这个天然的核聚天然的核聚变过程变过程已经发生已经发生了好了好几几十十亿亿年年第14页，讲稿共49张，创作于星期二（1 1）轻核聚变产能）轻核聚变产能效率高效率高1.1.聚变与裂变相比的聚变与裂变相比的优点优点：（2 2）地球上聚变燃料的）地球上
6、聚变燃料的储量丰富储量丰富（3 3）轻核聚变）轻核聚变更安全、清洁更安全、清洁（4 4）反应中反应中放射物质的处理较容易放射物质的处理较容易相同的核燃料释放的能量多。相同的核燃料释放的能量多。相同的核燃料释放的能量多。相同的核燃料释放的能量多。常见的聚变反应平均每个核子放出的能常见的聚变反应平均每个核子放出的能量约量约3.3MeV3.3MeV，而裂变时平均每个核子释放的能量约为，而裂变时平均每个核子释放的能量约为1MeV1MeV。1L海水中大约有海水中大约有0.03g氘，大约有氘，大约有40多万亿吨氘。锂的储量有多万亿吨氘。锂的储量有2000亿吨，用来制取氚足以满足聚变的需要。亿吨，用来制取氚
7、足以满足聚变的需要。实现核聚变需要高温，一旦出现故障，高温不能维持，反应就自动实现核聚变需要高温，一旦出现故障，高温不能维持，反应就自动终止了。终止了。氘和氚聚变反应中产生的氦是没有放射性的，放射性废物主要是泄漏的氚以及聚变时高速中子、质子氘和氚聚变反应中产生的氦是没有放射性的，放射性废物主要是泄漏的氚以及聚变时高速中子、质子与其他物质反应而生成的放射性物质，比裂变所生成的废物的数量少，容易处理。与其他物质反应而生成的放射性物质，比裂变所生成的废物的数量少，容易处理。二、二、受控热核反应受控热核反应核聚变的利用核聚变的利用第15页，讲稿共49张，创作于星期二磁约束磁约束 带电粒子运动时在均匀带
8、电粒子运动时在均匀磁场中会洛伦兹力的作用磁场中会洛伦兹力的作用而不飞散，因此有可能利用磁场来约束参加反应而不飞散，因此有可能利用磁场来约束参加反应的物质。的物质。2.2.实现核聚变的实现核聚变的难点难点：地球上没有任何容器能够经地球上没有任何容器能够经地球上没有任何容器能够经地球上没有任何容器能够经受如此高的温度。为了解决这个难题，科学家设想了受如此高的温度。为了解决这个难题，科学家设想了受如此高的温度。为了解决这个难题，科学家设想了受如此高的温度。为了解决这个难题，科学家设想了两种方案：两种方案：两种方案：两种方案：1.1.磁约束磁约束磁约束磁约束 2.2.2.2.惯性约束惯性约束惯性约束惯
9、性约束第16页，讲稿共49张，创作于星期二用激光引发核聚变的设备用激光引发核聚变的设备第17页，讲稿共49张，创作于星期二惯性约束惯性约束 由于聚变反应的时间非常短，聚变物质因自身的惯性由于聚变反应的时间非常短，聚变物质因自身的惯性还来不及扩散就完成了核反应。在惯性约束下，可以用激还来不及扩散就完成了核反应。在惯性约束下，可以用激光从各个方向照射参加反应的物质，使它们光从各个方向照射参加反应的物质，使它们“挤挤”在一起在一起发生反应。发生反应。第18页，讲稿共49张，创作于星期二 “国际热核聚变实验堆（ITER）计划”是目前全球规模最大、影响最深远的国际科研合作项目之一，建造约需10年，耗资5
10、0亿美元（1998年值）。ITER装置是一个能产生大规模核聚变反应的超导托克马克，俗称“人造太阳”。2003年1月，国务院批准我国参加ITER计划谈判，2006年5月，经国务院批准，中国ITER谈判联合小组代表我国政府与欧盟、印度、日本、韩国、俄罗斯和美国共同草签了ITER计划协定。ITER计划将历时35年，其中建造阶段10年、运行和开发利用阶段20年、去活化阶段5年。第19页，讲稿共49张，创作于星期二 ITER计划（地点：法国卡达拉舍）第20页，讲稿共49张，创作于星期二第21页，讲稿共49张，创作于星期二第22页，讲稿共49张，创作于星期二例例1、已知氘核质量为、已知氘核质量为2.013
11、6u，中子质量为，中子质量为1.0087u核的质量为核的质量为3.0150u。求：。求：（1）写出两个氘核聚变成）写出两个氘核聚变成的核反应方程式的核反应方程式（2）计算上述核反应中释放的核能。）计算上述核反应中释放的核能。23He23He【分析】算出核反应中的质量亏损，利用爱因斯坦质【分析】算出核反应中的质量亏损，利用爱因斯坦质能方程即可求出反应释放的核能。能方程即可求出反应释放的核能。解答：解答：（1）（2 2）由题给条件可求得质量亏损为：）由题给条件可求得质量亏损为：m=2.01362(3.0150+1.0087)=0.0035u释放的核能为释放的核能为E=mc2 2=931.50.00
12、35=3.26MeV第23页，讲稿共49张，创作于星期二静止在匀强磁场中的静止在匀强磁场中的原子核，俘获一个速度为原子核，俘获一个速度为7.7104m/s的中子而发生核反应放出的中子而发生核反应放出粒子后变成一个新原子粒子后变成一个新原子核，已知中子速度方向与磁场方向垂直，测得核，已知中子速度方向与磁场方向垂直，测得粒子速度为：粒子速度为：2104m/s，方向与中子速度方向相同，求：，方向与中子速度方向相同，求：（1）生成的新核是什么？写出核反应方程式。）生成的新核是什么？写出核反应方程式。（2）生成的新核的速度大小和方向。）生成的新核的速度大小和方向。（3）若）若粒子与新核间相互作用不计，则
13、二者在磁场中运粒子与新核间相互作用不计，则二者在磁场中运动轨道半径之比及周期之比各为多少？动轨道半径之比及周期之比各为多少？6Li3解：解：（1）写出核反应方程式写出核反应方程式生成的新核是氚核生成的新核是氚核例2、第24页，讲稿共49张，创作于星期二（2）由动量守恒定律由动量守恒定律mnvn=mv+mHvHvn=7.7104m/sv=2104m/sVH=(mnvn-mv)/mH=(17.7104-42104)3=-1.0103m/s方向与中子方向相反方向与中子方向相反（3）由由r=mv/qBmv/qr:rH=mv/q：mHvH/qH=（422）:（30.1）=40:3T=2m/qBm/qT:
14、TH=4/2:3/1=2:3第25页，讲稿共49张，创作于星期二8 粒子和宇宙第26页，讲稿共49张，创作于星期二道尔顿（原子）道尔顿（原子）汤姆逊（电子）汤姆逊（电子）卢瑟福（质子）卢瑟福（质子）查查德德威威克克（中中子子）盖盖尔尔曼曼（夸夸克克）第27页，讲稿共49张，创作于星期二一、一、“基本粒子基本粒子”不基本不基本发现了发现了电子电子、质子质子和和中子中子后，许多人认为后，许多人认为光光子子和它们是组成物质的和它们是组成物质的“基本粒子基本粒子”。逐渐发现了数以百计的不由质子、中子、电逐渐发现了数以百计的不由质子、中子、电子组成的子组成的新粒子新粒子；又发现质子、中子等本身；又发现质
15、子、中子等本身也有自己的也有自己的复杂的结构复杂的结构。从。从2020世纪后半期世纪后半期起，就将起，就将“基本基本”二字去掉，统称为二字去掉，统称为粒子粒子。19世纪末都认为世纪末都认为原子原子是组成物质的是组成物质的最小微粒最小微粒。第28页，讲稿共49张，创作于星期二二、发现新粒子二、发现新粒子2020世纪世纪3030年代以来，人们在对宇宙射线的研年代以来，人们在对宇宙射线的研究中陆续发现了一些新的粒子。究中陆续发现了一些新的粒子。19321932年发现了年发现了正电子正电子19371937年发现了年发现了 子子19471947年发现了年发现了K K介子介子和和 介子介子后来还发现了一些
16、粒子，质量比质子的质后来还发现了一些粒子，质量比质子的质量大，叫做量大，叫做超子超子。第29页，讲稿共49张，创作于星期二粒子加速粒子加速器器使带电使带电粒子加速粒子加速到很高的到很高的能量，有能量，有助于发现助于发现更多的新更多的新粒子。粒子。第30页，讲稿共49张，创作于星期二反粒子反粒子质量质量、寿命寿命、自旋自旋等物理性质相同而等物理性质相同而电荷电荷等其等其他性质他性质相反相反的粒子。的粒子。电子电子正电子正电子质子质子反质子反质子第31页，讲稿共49张，创作于星期二粒子的分类粒子的分类按照粒子与各种相互作用的不同关系，将粒子分为按照粒子与各种相互作用的不同关系，将粒子分为三三类类。
17、强子强子：参与：参与强相互作用强相互作用的粒子。的粒子。例如：例如：质子质子。强子。强子又分为又分为介子介子和和重子重子两类。两类。轻子轻子：不参与强相互作用的粒子。：不参与强相互作用的粒子。例如：例如：电子和电电子和电子中微子子中微子、子和子和子中微子子中微子、子和子和子中微子子中微子。每种。每种轻子都有对应的反粒子。轻子都有对应的反粒子。子质量比核子大。现代实验子质量比核子大。现代实验还没有发现轻子的内部结构。还没有发现轻子的内部结构。媒介子媒介子：传递各种相互作用的粒子。：传递各种相互作用的粒子。如：如：光子光子、中间中间玻色子玻色子、胶子胶子。分别传递。分别传递电磁相互作用电磁相互作用
18、、弱相互作用弱相互作用、强相互作用强相互作用。现在已经发现的粒子达到现在已经发现的粒子达到400400多种。多种。第32页，讲稿共49张，创作于星期二三、夸克模型三、夸克模型19641964年盖尔曼提出夸克的设想，认为年盖尔曼提出夸克的设想，认为强子强子由由更更基本基本的成分组成，这种成分叫做的成分组成，这种成分叫做夸克夸克。第33页，讲稿共49张，创作于星期二6 6种夸克：种夸克：上夸克上夸克、下夸克下夸克、奇异夸克奇异夸克、粲夸克粲夸克、底夸克底夸克、顶夸克顶夸克。夸克所带电荷夸克所带电荷分别为分别为元电荷元电荷的的 或或 。每种夸克都有对应的每种夸克都有对应的反夸克反夸克。1995199
19、5美国费米美国费米国家加速器实国家加速器实验室证实了顶验室证实了顶夸克的存在。夸克的存在。到目前为止，人们已经从实验中发现了所有到目前为止，人们已经从实验中发现了所有6 6种夸克及其反种夸克及其反夸克夸克存在的证据存在的证据。夸克模型指出电子电荷不再是电荷的最小单位，即存在夸克模型指出电子电荷不再是电荷的最小单位，即存在分分数电荷数电荷。科学家直到今天都还未捕捉到自由的夸克。夸克不能以自由的科学家直到今天都还未捕捉到自由的夸克。夸克不能以自由的状态单个出现，这种性质称为夸克的状态单个出现，这种性质称为夸克的“禁闭禁闭”。能否解放被禁。能否解放被禁闭的夸克，是闭的夸克，是2121世纪物理学面临的
20、重大课题之一。世纪物理学面临的重大课题之一。第34页，讲稿共49张，创作于星期二四、宇宙的演化四、宇宙的演化物理学中有一个非常有趣的现象：研究物理学中有一个非常有趣的现象：研究微观微观世界的粒子物理、量子理论，与研究世界的粒子物理、量子理论，与研究宇宇宙宙的理论竟然的理论竟然相互沟通相互沟通、相互支撑相互支撑。正如诺贝尔物理学奖获得者格拉肖所说：正如诺贝尔物理学奖获得者格拉肖所说：“隐藏在隐藏在原子内心原子内心的，是的，是宇宙结构宇宙结构的秘密。的秘密。”第35页，讲稿共49张，创作于星期二 早在早在19291929年，埃德温年，埃德温哈勃作出了一个具有里哈勃作出了一个具有里程碑意义的发现，即
21、不管你往哪个方向看，远处的程碑意义的发现，即不管你往哪个方向看，远处的星系正急速地远离我们而去。换言之，星系正急速地远离我们而去。换言之，宇宙宇宙正在不正在不断断膨胀膨胀。这意味着，在早先星体相互之间更加。这意味着，在早先星体相互之间更加靠近。事实上，似乎在大约靠近。事实上，似乎在大约100100亿至亿至200200亿年之前亿年之前的某一时刻，它们刚好在同一地方，所以哈勃的发的某一时刻，它们刚好在同一地方，所以哈勃的发现暗示存在一个叫做大爆炸的时刻，当时宇宙无限现暗示存在一个叫做大爆炸的时刻，当时宇宙无限紧密。紧密。第36页，讲稿共49张，创作于星期二n大爆炸理论(The Big Bang T
22、heory)n宇宙从一个“奇点”爆炸产生1948年，伽年，伽莫夫与他的莫夫与他的两个学生两个学生拉尔夫拉尔夫阿阿尔菲和罗伯尔菲和罗伯特特赫尔曼一赫尔曼一道，提出了道，提出了热大爆炸宇热大爆炸宇宙学模型宙学模型。第37页，讲稿共49张，创作于星期二n大爆炸之后约10-44s，温度为1032K，产生了夸克、轻子、胶子等粒子。n大爆炸后约10-6s，温度下降到1013K，夸克构成了质子和中子等强子，成为强子时代。n再晚一些时候，温度下降到1011K，只剩下少量夸克，而自由的光子、中微子和电子等轻子大量存在，成为轻子时代。n温度下降到109K，中子和质子结合成氘核，并很快生成氦核，同时有氚核、氦3等其
23、他轻核生成，成为核合成的时代。n大爆炸1万年之后，温度降到104K，宇宙由电子、质子和氦核的混合电离气体组成。n温度降到3000K，电子和质子复合成为中性的氢原子。n继续冷却，质子、电子、原子等与光子分离而逐步组成恒星和星系。第38页，讲稿共49张，创作于星期二大爆炸理论的主要观点是认为我们的宇宙曾有大爆炸理论的主要观点是认为我们的宇宙曾有一段从热到冷的演化史。一段从热到冷的演化史。早期只有早期只有中子、质中子、质子、中微子、中微子等一些子等一些基本粒子基本粒子形态的物形态的物质。质。当温度降当温度降到几千度到几千度时，辐射时，辐射减退，宇减退，宇宙间主要宙间主要是气态物是气态物质。质。温度下
24、降温度下降到到 ,核合成的核合成的时代。时代。继续冷却继续冷却,逐渐形成逐渐形成恒星和星恒星和星系。系。第39页，讲稿共49张，创作于星期二五、恒星的演化五、恒星的演化大爆炸大爆炸10万年后万年后，温度下，温度下降到降到3000K，出现由，出现由中性原子中性原子构成的构成的宇宙宇宙尘埃尘埃。由于由于万有引力万有引力的作用，的作用，尘埃形成了气体状态的尘埃形成了气体状态的星云团星云团。星云团的进一步凝聚使星云团的进一步凝聚使得得引力势能引力势能转化为转化为内内能能，温度温度升高，到一定升高，到一定程度就开始程度就开始发光发光，于，于是是恒星诞生恒星诞生了。了。第40页，讲稿共49张，创作于星期二
25、恒星继续恒星继续收缩收缩、升温升温。当温。当温度超过度超过107K时，氢通过时，氢通过热热核反应核反应成为氦，成为氦，核能核能以电磁以电磁波的形式波的形式向外辐射向外辐射。辐射产。辐射产生的生的向外的压力向外的压力与引力产生与引力产生的的收缩压力收缩压力平衡平衡,星体星体稳定稳定下下来。太阳目前正处于这一阶来。太阳目前正处于这一阶段的中期，要再过段的中期，要再过50亿年才亿年才会转到另一个演化阶段。会转到另一个演化阶段。第41页，讲稿共49张，创作于星期二当恒星核心部分的氢当恒星核心部分的氢大部分聚变大部分聚变为氦以后，核反应变弱，为氦以后，核反应变弱，辐射压力下降辐射压力下降，星核在，星核在
26、引力作用引力作用下下再次收缩再次收缩。引力势能引力势能产生的产生的热热将使将使温度温度继续继续升高升高，发生，发生氦核氦核聚合成聚合成碳核碳核的聚的聚变反应，类似过程变反应，类似过程一波接一波一波接一波继续继续下去，出现了下去，出现了氧氧、硅硅，直到，直到铁铁等更等更重的元素。重的元素。恒星恒星多次多次膨胀膨胀与与收缩收缩，光度光度也反复也反复变化变化。各种各种热核反应不再发生热核反应不再发生时，时，辐射压力消失辐射压力消失。星体在。星体在引引力作用力作用下进一步下进一步收缩收缩，中心密度极大中心密度极大。第42页，讲稿共49张，创作于星期二恒星的最后归宿与恒星的质量大小有关。恒星的最后归宿与
27、恒星的质量大小有关。1 1、若恒星的质量、若恒星的质量小于小于1.41.4倍倍太阳质量，演变为太阳质量，演变为白矮星白矮星。2 2、若恒星的质量为太阳质量、若恒星的质量为太阳质量的的1.41.42 2倍倍，演变为，演变为中子星中子星。3 3、恒星的质量、恒星的质量更大更大时，演变时，演变为为黑洞黑洞。第43页，讲稿共49张，创作于星期二恒星的演化恒星的演化瞬间的绚烂瞬间的绚烂超新星爆发超新星爆发对于大质量的恒星，由于引力巨大，氢烧完后，引力导致的对于大质量的恒星，由于引力巨大，氢烧完后，引力导致的坍缩会十分猛烈，这时，大量的能量瞬间爆发出来，恒星的亮坍缩会十分猛烈，这时，大量的能量瞬间爆发出来
28、，恒星的亮度瞬间爆增上千万倍，乃至上百亿倍，这就是超新星爆发。一度瞬间爆增上千万倍，乃至上百亿倍，这就是超新星爆发。一颗超新星在爆发时输出的能量可高达颗超新星在爆发时输出的能量可高达1043焦，这几乎相当于我们的焦，这几乎相当于我们的太阳在太阳在100亿年时间里输出能量的总和。超新星爆发时，抛射物质的亿年时间里输出能量的总和。超新星爆发时，抛射物质的速度可达速度可达107m/s，超新星并不是新的星，而是恒星死亡的绽放。，超新星并不是新的星，而是恒星死亡的绽放。金牛座蟹状星云是金牛座蟹状星云是1054年爆发超新星的年爆发超新星的遗骸遗骸大麦哲伦星云大麦哲伦星云1987A超新星超新星第44页，讲稿
29、共49张，创作于星期二恒星的演化恒星的演化恒星的死亡恒星的死亡中子星中子星超新星爆发后，如果剩下的核的质量在超新星爆发后，如果剩下的核的质量在1442个太阳质量（个太阳质量（奥本奥本海默极限海默极限）之间。巨大的引力使得电子的简并压力也不足以对）之间。巨大的引力使得电子的简并压力也不足以对抗，电子被压入原子核，整个恒星成为一个中子球，依靠中子的抗，电子被压入原子核，整个恒星成为一个中子球，依靠中子的泡利不相容原理产生的简并压力对抗引力。它的直径只有泡利不相容原理产生的简并压力对抗引力。它的直径只有10千米千米左右，其密度特别大，左右，其密度特别大，1立方厘米可达立方厘米可达1亿吨以上，自转特别
30、快。亿吨以上，自转特别快。也叫脉冲星。也叫脉冲星。白矮星、地球和中白矮星、地球和中子星大小的比较子星大小的比较第45页，讲稿共49张，创作于星期二诞生稳定衰老归宿第46页，讲稿共49张，创作于星期二练习练习1 1、下列微粒按从大到小的顺序排列正确的是：、下列微粒按从大到小的顺序排列正确的是：A、分子、夸克、质子、电子分子、夸克、质子、电子 B、分子、原子、电子、原子核分子、原子、电子、原子核 C、原子核、电子、质子、分子原子核、电子、质子、分子 D、分子、原子核、质子、夸克分子、原子核、质子、夸克D第47页，讲稿共49张，创作于星期二17(2004天津)中子内有一个电荷量为+2e/3 的上夸克和两个电荷量为的-1e/3 下夸克，一简单模型是三个夸克都在半径为r 的同一圆周上，如图1所示。图2给出的四幅图中，能正确表示出各夸克所受静电作用力的是:A B C DB第48页，讲稿共49张，创作于星期二感感谢谢大大家家观观看看第49页，讲稿共49张，创作于星期二