粒子和宇宙 课件

参与的 相互作用
参与强相互作 用
不参与强相互 作用
传递各种相互 作用
发现的粒子
备注
质子、中子、介子、 超子
电子、电子中微子、 μ子、μ子中微子、τ 子、τ子中微子
光子、中间玻色子、 胶子
强子有内部结构，由 “夸克”构成；强子 又可分为介子和重子
未发现内部结构
光子、中间玻色子、 胶子分别传递电磁、 弱、强相互作用
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．核聚变的特点． (1)在消耗相同质量的核燃料时，轻核聚变比重核裂 变释放更多的能量． (2)热核反应一旦发生，就不再需要外界给它能量， 靠自身产生的热就可以使反应进行下去． (3)普遍性：热核反应在宇宙中时时刻刻地进行着， 太阳就是一个巨大的热核反应堆．
(1)写出核反应方程； (2)求核反应所释放的能量ΔE； (3)求 1 s 内参与上述热核反应的质子数目．
解析：(1)根据质量数守恒和电荷数守恒，可得核反 应方程为 411H→42He＋201e.
(2)反应过程中的质量亏损为 ΔE＝4mp－(mα＋2me)． 根据ΔE＝Δmc2 得 ΔE＝[4mp－(mα＋2me)]c2＝(4mp－mα－2me)c2.
(4)意义：电子电荷不再是电荷的最小单位，即存在 分数电荷．
【典例 2】 目前普遍认为，质子和中子都是由被称
为 u 夸克和 d 夸克的两类夸克组成的．u 夸克带电荷量为 23e，d 夸克的带电荷量为－13e，e 为元电荷．下列论断中 可能正确的是( )
A．质子由 1 个 u 夸克和 2 个 d 夸克组成，中子由 1 个 u 夸克和 2 个 d 夸克组成
5．恒星的演化． 宇宙尘埃→星云团→恒星诞生→氢核聚合成氦核→ 氦核聚合成碳核→其他聚变过程→无聚变反应，形成白 矮星或中子星或黑洞．
拓展一 核聚变的特点及应用
1．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 10－15 m，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 具有足够大的动能，就要给它们加热，使物质达到几百 万开尔文的高温．
7 核聚变 8 粒子和宇宙
知识点一 核聚变
提炼知识 1．核聚变． (1)定义：两个轻核结合成质量较大的核，并释放出 能量的反应． (2)举例：21H＋31H→__42H__e_＋10n＋17.6 MeV.
(3)条件： ①轻核的距离要达到 10－15 以内． ②需要加热到很高的温度，因此又叫热核反应． 2．受控热核反应． (1)聚变与裂变相比有很多优点 ①轻核聚变产能效率高． ②地球上聚变燃料的储量丰富． ③轻核聚变更为安全、清洁． (2)约束核聚变材料的方法：磁约束和惯性约束．
B．质子由 2 个 u 夸克和 1 个 d 夸克组成，中子由 1 个 u 夸克和 2 个 d 夸克组成
C．质子由 1 个 u 夸克和 2 个 d 夸克组成，中子由 2 个 u 夸克和 1 个 d 夸克组成
D．质子由 2 个 u 夸克和 1 个 d 夸克组成，中子由 2 个 u 夸克和 1 个 d 夸克组成
拓展二 对粒子的认识
1．新粒子的发现及特点．
新粒子 反粒子
发现 时间
基本 特点
1932年
质量与相对 应的粒子相 同而电荷及 其他一些物 理性质相反
μ子 1937年
K介子 与π介子
1947年
超子
20世纪 60年代后
比质子 的质量 小
质量介于 电子与核 子之间
其质量比 质子大
2.粒子的分类．
分类 强子 轻子 媒介子
典型问题——轻核聚变释放核能的计算方法
轻核聚变时释放出的能量的计算可分为以下两种： (1)根据质量亏损计算． 根据爱因斯坦质能方程，用核子结合成原子核时质 量亏损(Δm)的千克数乘以真空中光速(3×108 m/s(u)相当于 931.5 MeV 能量， 用核子结合成原子核时质量亏损的原子质量单位数乘以 931.5 MeV，即ΔE＝Δm×931.5 MeV.②
3.夸克模型． (1)夸克的提出：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． (2)夸克的种类：上夸克(u)、下夸克(d)、奇异夸克(s)、 粲夸克(c)、底夸克(b)和顶夸克(t)．
(3)夸克所带电荷：夸克所带的电荷量是分数电荷量， 即其电荷量为元电荷的－13或＋23.例如，上夸克带的电荷 量为＋23e，下夸克带的电荷量为－3e.
(3)设单位时间内参与热核反应的质子数为 N，依据 能量关系得：
N·ΔE Pt＝ 4 ， 有 N＝4ΔPEt＝（4mp－m4αP－2me）c2.
答案：(1)411H→42He＋201e (2)(4mp－mα－2me)c2 4P
(3)（4mp－mα－2me）c2
名师点评 (1)核聚变反应和一般的核反应一样，也遵循电荷数 守恒和质量数守恒，这是书写核反应方程式的重要依据． (2)核能的计算关键是要求出核反应过程中的质量亏 损，然后代入ΔE＝Δmc2 进行计算．
解析：根据质子和中子所带的电荷量，经验证： 质子11H 带电荷量为 2×23e＋－13e＝e.
中子10n 带电荷量为23e＋2×－13e＝0.故 B 项正确． 答案：B
名师点评 (1)明确各种粒子的信息，是解决这类问题的关键． (2)粒子具有对称性，一个粒子必存在一个其反粒子， 所以每种夸克都有对应的反夸克．
注意：式①中Δm 的单位为 kg，式②中Δm 的单位是
u，ΔE 的单位是 MeV.
【典例】 使两个氘核聚变生成一个氦核要放出多少 核能？
解析：聚变的核反应式为 221H→42He. 根据不同的已知条件，通常可以有两种计算方法．
法一：先查出氘核和氦核的质量 mD＝2.014 102 u，mHe＝4.002 603 u. 然后根据反应前后的质量亏损，用质能方程计算出释 放的核能． 法二：先查出氘核和氦核的结合能 ED＝1.11 MeV，EHe＝7.07 MeV.
4．宇宙的演化． 宇宙大爆炸约―1―0－→44 s温度为 1032 k，产生了夸克、轻 子、胶子等粒子约―10―－6→s后温度下降到 1013 K 左右，强子 时代→温度下降到 1011 K 时，轻子时代→温度下降到 109K 时，核合成时代一―万―年→后温度下降到 104，混合电离 态→温度下降到 3 000 K 时，中性的轻原子继―续―冷→却恒星 和星系．
知识点二 粒子和宇宙
提炼知识 1．“基本粒子”不基本． (1)直到 19 世纪末，人们都认为光子、电子、质子和 中子是基本粒子． (2)随着科学的发展，科学家们发现了很多的新粒子 并不是由以上基本粒子组成的，并发现质子、中子等本 身也有复杂结构．
2．发现新粒子． (1)新粒子：1932 年发现了正电子，1937 年发现了μ 子，1947 年发现了 K 介子和π介子及以后的超子等． (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：强子、轻子和媒介子． 3．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．
然后采用“先拆散、后结合”的方法，即先把 2 个氘 核分解成 4 个自由核子(2 个中子和 2 个质子)，再使这 4 个自由核子结合成氦核，比较前后两个过程中释放的结合 能，同样可得出结果．
如法一，核反应前后的质量亏损为Δm＝2mD－mHe ＝
2×2.014 102 u－4.002 603 u＝0.025 601 u， 释放出的核能为 ΔE＝0.025 601×931.5 MeV＝23.847 331 5 MeV. 答案：23.847 331 5 MeV
4．核聚变的应用． (1)核武器——氢弹：一种不需要人工控制的轻核聚 变反应装置．它利用弹体内的原子弹爆炸产生的高温高 压引发热核聚变爆炸． (2)可控热核反应：目前处于探索阶段．
【典例 1】 太阳的能量来自下面的反应：四个质子
(氢核)聚变成一个 α 粒子，同时发射两个正电子，若太阳 辐射能量的总功率为 P，质子11H、氦核42He、正电子01e 的 质量分别为 mp、mα、me，真空中的光速为 c.