3.6 核聚变 3.7 粒子物理学简介（选学）-【步步高】2019版学案导学与随堂笔记物理（教科版选修3-5）

6　核聚变 7　粒子物理学简介(选学) [学习目标]　1.知道什么是聚变反应，会计算核聚变中释放的核能.2.了解可控热核反应及其研究和发展.3.了解构成物质的“基本粒子”及粒子物理学的发展史． 一、核聚变 1．聚变 两个轻原子核结合成较重原子核的反应．轻核聚变需要在高温下进行，因此聚变反应又称为热核反应． 2．聚变方程举例 H＋H―→He＋n＋17.60 MeV. 3．聚变发生的条件 要使轻核聚变，必须使轻核间的距离达到核力发生作用的距离10－15 m之内，这要克服电荷间巨大的库仑斥力作用，使轻核具有足够大的动能．要使原子核具有足够大的动能，温度必须达到108 K的高温． 4．特点：(1)在消耗相同质量的核燃料时，核聚变比核裂变释放更多的能量． (2)核聚变反应没有废料产生． (3)核聚变反应所用的氘在地球上的储量丰富． 二、可控热核反应与恒星演化中的核反应 1．聚变反应堆：受控聚变情况下释放能量的装置． 2．太阳等恒星内部进行的核反应是轻核聚变反应． 三、粒子 1．“基本粒子”不基本 “基本粒子”：直到19世纪末，人们认为光子、电子、质子、中子是“基本粒子”，随着科学的发展，一方面逐渐发现了数以百计的新粒子，它们都不是由中子、质子、电子组成的；另一方面科学家又发现质子、中子等本身也有自己的复杂的结构．因此，20世纪后半期，就将“基本”二字去掉，统称粒子． 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：媒介子、轻子和强子． 3．夸克模型 夸克模型的提出：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．至今发现的夸克有6种． 四、3种典型的粒子加速器 1．直线加速器 (1)粒子的运动轨迹是一条直线． (2)满足的条件：要保持粒子与高频电场之间的谐振关系． (3)优点：粒子束的强度高． 2．回旋加速器 (1)粒子运动轨迹：在磁场中做匀速圆周运动． (2)满足条件：高频电源的频率等于粒子回旋的频率． (3)优点：粒子被加速到的能量可达40_MeV. 3．对撞机 能够实现两束相对运动的粒子对撞的设备叫做对撞机． 工作原理：粒子先在同步加速器中加速，然后射入对撞机，两束粒子流反方向回旋在轨道交叉处相互碰撞，获得较大能量． [即学即用] 1．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．(　√　) (5)太阳目前正处于氢通过热核反应成为氦，以电磁波的形式向外辐射核能．(　√　) 2．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―→He＋x，式中x是某种粒子．已知：H、H、He和粒子x的质量分别为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．由上述反应方程和数据可知，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)　17.6 解析　根据质量数和电荷数守恒可得x是n(中子)． 核反应中的质量亏损为Δm＝2.014 1 u＋3.016 1 u－4.002 6 u－1.008 7 u＝0.018 9 u 所以该反应释放出的能量为 ΔE＝0.018 9×931.5 MeV≈17.6 MeV. 一、对核聚变的理解 [导学探究] 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10－15 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． [知识深化] 1．聚变发生的条件 要使轻核聚变，必须使轻核间的距离达到10－15 m以内，这要克服电荷间强大的斥力作用，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． 2．轻核聚变是放能反应 从比结合能的图线看，轻核聚变后比结合能增加，因此聚变反应是一个放能反应． 3．聚变方程 H＋H―→He＋n＋γ. 4．重核裂变与轻核聚变的区别 反应方式 比较项目　　　 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 聚变反应比裂变反应平均每个核子放出的能量大约要大3～4倍 核废料处理难度 聚变反应的核废料处理要比裂变反应容易得多 例1　下列说法不正确的是(　　) A.H＋H―→He＋