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1、6 核聚变核聚变 7 粒子物理学简介粒子物理学简介2021/8/11 星期三1目目标定位定位1.知道什么是聚知道什么是聚变反反应，会，会计算核聚算核聚变中中释放的放的核能核能.2.知道知道热核反核反应，了解可控，了解可控热核反核反应及其研究和及其研究和发展展.3.了解构成物了解构成物质的的“基本粒子基本粒子”及粒子物理的及粒子物理的发展史展史2021/8/11 星期三2一、核聚变一、核聚变1 1定义：两个轻核结合成定义：两个轻核结合成_原子核的反应，轻核聚变必原子核的反应，轻核聚变必须在高温下进行，因此又叫须在高温下进行，因此又叫_2 2能量变化：轻核聚变后，平均结合能能量变化：轻核聚变后，平
2、均结合能_，反应中会，反应中会_能量能量4 4核反应条件：必须使它们的距离达到核反应条件：必须使它们的距离达到_m_m以内，使核以内，使核具有足够的具有足够的_，轻核才能够发生聚变，轻核才能够发生聚变较重重热核反核反应增加增加释放放1015 动能能2021/8/11 星期三35特点：在消耗相同特点：在消耗相同质量的核燃料量的核燃料时，轻核聚核聚变比重核裂比重核裂变_的能量的能量热核反核反应一旦一旦发生，就不再需要外界生，就不再需要外界给它能量，靠它能量，靠_就会使反就会使反应继续下去下去6氢弹原理：首先由普通炸原理：首先由普通炸药引爆原子引爆原子弹再由再由_爆爆炸炸产生的高温高生的高温高压引引
3、发热核爆炸核爆炸二、可控二、可控热核反核反应与恒星演化中的核反与恒星演化中的核反应1聚聚变与裂与裂变相比有很多相比有很多优点：点：(1)轻核聚核聚变产能效率高能效率高(2)地球上聚地球上聚变燃料的燃料的储量丰富量丰富(3)轻核聚核聚变更更为安全、清安全、清洁2太阳等恒星内部太阳等恒星内部进行的核反行的核反应是是_反反应释放更多放更多自身自身产生的生的热原子原子弹轻核聚核聚变2021/8/11 星期三4三、粒子三、粒子1“基本粒子基本粒子”不基本不基本“基本粒子基本粒子”：直到：直到19世世纪末，人末，人们认为光子、光子、_、质子、子、_是是“基本粒子基本粒子”，随着科学的，随着科学的发展，一方
4、面逐展，一方面逐渐发现了数以百了数以百计的新粒子，它的新粒子，它们都不是由都不是由_、_、_组成的；另一方面科学家又成的；另一方面科学家又发现质子、中子等本身子、中子等本身也有自己的复也有自己的复杂的的结构因此，构因此，20世世纪后半期，就将后半期，就将“基基本本”去掉，去掉，统称称_2粒子的分粒子的分类：按照粒子与各种相互作用的关系，可将粒子：按照粒子与各种相互作用的关系，可将粒子分分为三大三大类：_、_和和_电子子中子中子中子中子质子子电子子粒子粒子强强子子轻子子媒介子媒介子2021/8/11 星期三53夸克模型夸克模型(1)夸克模型的提出：夸克模型的提出：1964年美国物理学家盖年美国物
5、理学家盖尔尔曼提出了曼提出了强强子的夸克模型，子的夸克模型，认为强强子是由子是由_构成的构成的(3)意意义：元：元电荷不再是荷不再是电荷的荷的_，即存在分数，即存在分数电荷荷(4)夸克的夸克的“禁禁闭”夸克不能以夸克不能以_的状的状态单个出个出现，这种性种性质称称为夸克的夸克的“禁禁闭”夸克夸克反夸克反夸克最小最小单位位自由自由2021/8/11 星期三6四、四、3种典型的粒子加速器种典型的粒子加速器1直直线加速器加速器(1)粒子运粒子运动轨迹是迹是_(2)满足的条件：要保持粒子与高足的条件：要保持粒子与高频电场之之间的的_关系关系(3)优点：粒子束的点：粒子束的_2回旋加速器回旋加速器(1)
6、粒子运粒子运动轨迹：在磁迹：在磁场中的中的_运运动(2)满足条件：高足条件：高频电源的源的频率率_粒子回旋的粒子回旋的频率率(3)优点：粒子被加速到的能量可达点：粒子被加速到的能量可达_一条直一条直线谐振振强强度高度高匀速匀速圆周周等于等于40 MeV2021/8/11 星期三73对撞机撞机能能够实现两束相两束相对运运动的粒子的粒子_的的设备叫叫对撞机撞机工作原理：粒子先在工作原理：粒子先在_中加速，然后射入中加速，然后射入对撞撞机，反向机，反向_在在轨道交叉道交叉处相互相互_，获得得较大能量大能量.对撞撞同步加速器同步加速器回旋回旋碰撞碰撞2021/8/11 星期三8一、对轻核聚变的理解一、
7、对轻核聚变的理解1 1聚变发生的条件：要使轻核聚变，必须使轻核接近核力发聚变发生的条件：要使轻核聚变，必须使轻核接近核力发生作用的距离生作用的距离101015 m15 m，这要克服电荷间强大的斥力作用，这要克服电荷间强大的斥力作用，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，就要给它们加热，使物质达到几百万开尔文的高温动能，就要给它们加热，使物质达到几百万开尔文的高温2 2轻核聚变是放能反应：从平均结合能的图线看，轻核聚变轻核聚变是放能反应：从平均结合能的图线看，轻核聚变后平均结合能增加，因此聚变反应是一个放能反应后平均结合能增加，因此
8、聚变反应是一个放能反应2021/8/11 星期三93聚聚变方程：方程：4重核裂重核裂变与与轻核聚核聚变的区的区别反反应方式方式比比较项目目重核裂重核裂变轻核聚核聚变放能原理放能原理重核分裂成两个重核分裂成两个或多个中等或多个中等质量量的原子核，放出的原子核，放出核能核能两个两个轻核核结合成合成质量量较大的原子核，放出大的原子核，放出核能核能放能多少放能多少聚聚变反反应比裂比裂变反反应平均每个核子放平均每个核子放出的能量大出的能量大约要大要大34倍倍核核废料料处理理难度度聚聚变反反应的核的核废料料处理要比裂理要比裂变反反应容易得多容易得多2021/8/11 星期三10【例例1】下列下列说法不正确
9、的是法不正确的是()答案答案D 2021/8/11 星期三11解析解析A A选项中是两个质量较轻的核结合成了一个质量较重的选项中是两个质量较轻的核结合成了一个质量较重的核，是聚变反应，故核，是聚变反应，故A A选项正确；选项正确；B B选项的核反应中是铀核捕选项的核反应中是铀核捕获中子裂变为两个获中子裂变为两个(或更多或更多)中等质量的核，并放出几个中子，中等质量的核，并放出几个中子，是裂变反应，故是裂变反应，故B B选项正确；在选项正确；在C C选项的核反应中没有中子的选项的核反应中没有中子的轰击自发地放出了轰击自发地放出了粒子，是粒子，是衰变，衰变，C C选项是正确的；而选项是正确的；而D
10、 D应是应是衰变，不正确；故答案为衰变，不正确；故答案为D.D.2021/8/11 星期三12借题发挥主要核反应类型有：借题发挥主要核反应类型有：(1)(1)衰变：衰变是原子核自发转变为另一种核并辐射出衰变：衰变是原子核自发转变为另一种核并辐射出或或粒子粒子(2)(2)人工转变：人工转变常用人工转变：人工转变常用粒子粒子(也可用中子等也可用中子等)轰击原子轰击原子核，该核捕获核，该核捕获粒子后产生新原子核，并放出一个或几个粒粒子后产生新原子核，并放出一个或几个粒子子(3)(3)核裂变：核裂变时铀核捕获中子裂变为两个核裂变：核裂变时铀核捕获中子裂变为两个(或更多或更多)中等中等质量的核，并放出几
11、个中子质量的核，并放出几个中子(4)(4)核聚变：轻核聚变时也会放出中子核聚变：轻核聚变时也会放出中子2021/8/11 星期三13针对训练针对训练1 1以下说法正确的是以下说法正确的是()A A聚变是裂变的逆反应聚变是裂变的逆反应B B如果裂变释放能量，则聚变反应必定吸收能量如果裂变释放能量，则聚变反应必定吸收能量C C聚变须将反应物加热至数百万开尔文以上的高温，显聚变须将反应物加热至数百万开尔文以上的高温，显然是吸收能量然是吸收能量D D裂变与聚变均可释放巨大的能量裂变与聚变均可释放巨大的能量答案答案D D2021/8/11 星期三14解析解析A A选项从形式上看，裂变与聚变似乎是互为逆反
12、应，但选项从形式上看，裂变与聚变似乎是互为逆反应，但其实不然，因为二者的反应物和生成物完全不同裂变是重其实不然，因为二者的反应物和生成物完全不同裂变是重核分裂成中等核，而聚变则是轻核聚合成为次轻核，无直接核分裂成中等核，而聚变则是轻核聚合成为次轻核，无直接关联，并非互为逆反应；关联，并非互为逆反应；B B选项既然裂变与聚变不是互为逆反选项既然裂变与聚变不是互为逆反应，则在能量流向上也不必相反；应，则在能量流向上也不必相反；C C选项要实现聚变反应，必选项要实现聚变反应，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提须使参加反应的轻核充分接近，需要数百万开尔文的高温提供能量但聚变反应一旦
13、实现，所释放的能量远大于所吸收供能量但聚变反应一旦实现，所释放的能量远大于所吸收的能量因此，总的来说，聚变反应还是释放能量的能量因此，总的来说，聚变反应还是释放能量2021/8/11 星期三15二、聚二、聚变反反应中中释放核能的放核能的计算算【例例2】太阳内部持太阳内部持续不断地不断地发生着四个生着四个质子聚子聚变为一个氦一个氦核同核同时放出两个正放出两个正电子的子的热核反核反应，这个核反个核反应释放出的放出的大量能量就是太阳的能源大量能量就是太阳的能源(1)写出写出这个核反个核反应方程方程(2)这一核反一核反应能能释放多少能量？放多少能量？(3)已知太阳每秒已知太阳每秒释放的能量放的能量为3
14、.81026 J，则太阳每秒减太阳每秒减少的少的质量量为多少千克？多少千克？(mp1.007 3 u，mHe4.001 5 u，me0.000 55 u)2021/8/11 星期三162021/8/11 星期三17针对训练针对训练2 2一个质子和两个中子聚变为一个氚核，已知质子一个质子和两个中子聚变为一个氚核，已知质子质量质量mHmH1.007 3 u1.007 3 u，中子质量，中子质量mnmn1.008 7 u1.008 7 u，氚核质量，氚核质量mTmT3.018 0 u3.018 0 u求：求：(1)(1)写出聚变方程；写出聚变方程；(2)(2)释放出的核能多大？释放出的核能多大？(3
15、)(3)平均每个核子释放的能量是多大？平均每个核子释放的能量是多大？2021/8/11 星期三182021/8/11 星期三19三、粒子的分三、粒子的分类和夸克模型和夸克模型1粒子的分粒子的分类分分类参与的相参与的相互作用互作用发现的粒子的粒子备注注强强子子参与参与强强相相互作用互作用质子、中子、子、中子、介子、超子介子、超子强强子有内部子有内部结构，由构，由“夸克夸克”粒子构成的；粒子构成的；强强子又可分子又可分为介子和介子和重子重子轻子子不参与不参与强强相互作用相互作用电子、子、电子中子中微子、微子、子、子、子中微子、子中微子、子、子、子中微子子中微子未未发现内部内部结构构媒介子媒介子传递
16、各种各种相互作用相互作用光子、中光子、中间玻玻色子、胶子色子、胶子光子、玻色子、胶子光子、玻色子、胶子分分别传递电磁、弱、磁、弱、强强相互作用相互作用2021/8/11 星期三202.夸克的分夸克的分类2021/8/11 星期三21答案答案AD2021/8/11 星期三222021/8/11 星期三23A质子由子由1个个u夸克和夸克和2个个d夸克夸克组成，中子由成，中子由1个个u夸克和夸克和2个个d夸克夸克组成成B质子由子由2个个u夸克和夸克和1个个d夸克夸克组成，中子由成，中子由1个个u夸克和夸克和2个个d夸克夸克组成成2021/8/11 星期三24C质子由子由1个个u夸克和夸克和2个个d夸克夸克组成，中子由成，中子由2个个u夸克和夸克和1个个d夸克夸克组成成D质子由子由2个个u夸克和夸克和1个个d夸克夸克组成，中子由成，中子由2个个u夸克和夸克和1个个d夸克夸克组成成答案答案B2021/8/11 星期三25再见再见2021/8/11 星期三262021/8/11 星期三27