(新课标)2018-2019学年高考物理 主题三 原子与原子核 3.3 原子核 3.3.7-3.
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3.3.7 核聚变
3.3.8 粒子和宇宙
学习目标 核心提炼
1.了解聚变反应的特点及其条件。
2.了解可控热核反应及其研究和发展，会判断和填写核聚变方程，并能计算核聚变释放的能量。
3.知道轻核的聚变能够释放出很多的能量，如果能加以控制将为人类提供广阔的能源前景。
4.知道粒子的分类及其作用，了解夸克模型。
5.了解宇宙及恒星的演化。 1个概念——核聚变
1个条件——聚变反应条件
一、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―→42He＋10n＋17.6 MeV
3.条件：要使轻核发生聚变，必须使它们的距离达到10－15m以内，核力才能起作用。由于原子核都带正电，要使它们接近到这种程度，必须克服巨大的库仑斥力，这就要求原子核具有足够的动能，有一种方法就是把它们加热到很高的温度，温度高达几百万开尔文，因此聚变又叫热核反应。
4.应用：目前，热核反应主要用在核武器上，那就是氢弹，需要用原子弹爆炸产生的高温高压引发核爆炸。
5.太阳能：太阳的主要成分是氢，太阳中心温度可达1.5×107 K，在此高温下，氢核聚变成氦核的反应不停地进行着，太阳能就来自于太阳内部聚变 释放的核能。
思考判断
(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)热核反应主要用在核武器上，那就是原子弹。( )
答案 (1)× (2)√ (3)×
二、受控热核反应
1.聚变的优点：第一：轻核聚变产能效率高。第二：地球上聚变燃料的储量丰富。第三：轻核聚变更为安全、清洁，控制温度，可控制反应，而且生成的废物数量少、易处理。
2.聚变的难点：地球上没有任何容器能够经受热核反应的高温。
3.控制方法
(1)磁约束：利用磁场约束参加反应的物质，目前最好的一种磁约束装置是环流器。
(2)惯性约束：聚变物质因自身的惯性，在极短时间内来不及扩散就完成了核反应，在惯性约束下，用激光从各个方向照射反应物，使它们“挤”在一起发生反应。
思考判断
(1)轻核聚变比裂变更安全、清洁。( )
(2)实现核聚变的难点是地球上没有任何容器能够经受如此高的温度。( )
(3)现在已经实现了技术突破，能够稳定地输出聚变能。( )
答案 (1)√ (2)√ (3)×
三、粒子和宇宙
1.基本粒子不基本
(1)19世纪末，人们都认为光子、电子、质子和中子是组成物质的不可再分的最基本的粒子。
(2)随着科学的发展，科学家们发现了很多的新粒子都不是由质子、中子、电子组成的，又发现质子、中子等本身也有自己的复杂结构。
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介子及以后的质量比质子的质量大的超子。
(2)粒子的分类：按照粒子与各种相互作用的不同关系，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，认为强子是由更基本的成分组成，这种成分叫作夸克。夸克模型指出电子电荷不再是电荷的最小单位，即存在分数电荷。
3.宇宙和恒星的演化
(1)宇宙的演化
宇宙大爆炸约――→10－44 s后温度为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1011K时，轻子时代―→温度下降到109 K时，核合成时代――→一万年后温度下降到104 K，混合电离态―→温度下降到3 000 K时，中性的氢原子――→继续冷却恒星和星系。
(2)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。
思考判断 (1)质子、中子不能再分。( )
(2)夸克的带电量是电子电荷的整数倍。( )
(3)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的阶段。( )
答案 (1)× (2)× (3)√
核聚变的特点及应用
[要点归纳]
1.核聚变的特点
(1)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。
(2)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。
(3)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。
(4)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。
2.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。
3.重核裂变与轻核聚变的区别
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简单得多
原料的蕴藏量 核裂变燃料铀在地球上储量有限，尤其用于核裂变的铀235在铀矿石中只占0.7% 主要原料是氘，氘在地球上的储量非常丰富。1 L水中大约有0.03 g氘，如果用来进行热核反应，放出的能量约与燃烧300 L汽油释放的能量相当
可控性 速度比较容易进行人工控制，现在的核电站都是用核裂变反应释放核能 目前，除氢弹以外，人们还不能控制它
[精典示例]
[例1] 关于核聚变的说法正确的是( )
A.聚变是裂变的逆反应 B.如果裂变释放能量，则聚变反应一定吸收能量
C.聚变反应须将热核燃料加热到数百万度以上的温度，显然是吸热反应
D.聚变和裂变都可以释放出巨大的能量
审题指导 (1)聚变反应和裂变反应的定义。
(2)吸能和放能的判断依据。
(3)聚变反应的条件。
解析 从形式上看聚变和裂变好像是互逆反应，其实不然，两者的反应物和生成物全然不同，裂变是重核分裂成中等核，而聚变是两个轻核聚合为质量较大的轻核，两者不可能互为逆反应，选项A错误；聚变和裂变反应的质量都发生了亏损，故都是放能反应，要放出巨大的能量，选项B错误，D正确；聚变反应须将热核燃料加热到数百万度以上的温度，但一旦反应进行，自身释放的巨大能量足以提供高温使反应继续进行，故聚变反应是放能反应，选项C错误。
答案 D
[针对训练1] 关于轻核聚变释放核能，下列说法正确的是( )
A.一次聚变反应一定比一次裂变反应释放的能量多
B.聚变反应比裂变反应每个核子释放的平均能量一定大
C.聚变反应中粒子的比结合能变小
D.聚变反应中由于形成质量较大的核，故反应后质量增加
解析 在一次聚变反应中释放的能量不一定比裂变反应多，但平均每个核子释放的能量一定大，故选项A错误、B正确；由于聚变反应中释放出巨大能量，则比结合能一定增加，质量发生亏损，故选项C、D错误。
答案
B
粒子的分类和夸克模型
[要点归纳]
1.粒子的分类
分类 参与的相互作用 发现的粒子 备注
强子 参与强相互作用 质子、中子、介子、超子 强子有内部结构，由“夸克”构成；强子又可分为介子和重子
轻子 不参与强相互作用 电子、电子中微子、μ子、μ子中微子、τ子、τ子中微子 未发现内部结构
媒介子 传递各种相互作用 光子、中间玻色子、胶子 光子、中间玻色子、胶子分别传递电磁、弱、强相互作用
2.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)。
[精典示例]
[例2] 在β衰变中常伴有一种称为“中微子”的粒子放出。中微子的性质十分特别，因此在实验中很难探测。1953年，莱尼斯和柯文建造了一个由大水槽和探测器组成的实验系统，利用中微子与水中11H的核反应，间接地证实了中微子的存在。
(1)中微子与水中的11H发生核反应，产生中子(10n)和正电子( 0＋1e)，即中微子＋11H―→10n＋ 0＋1e，可以判定，中微子的质量数和电荷数分别是________。(填写选项前的字母)
A.0和0 B.0和1
C.1和0 D.1和1
(2)上述核反应产生的正电子与水中的电子相遇，与电子形成几乎静止的整体后，可以转变为两个光子(γ)，即 0＋1e＋ 0－1e―→2γ。已知正电子和电子的质量都为9.1×10－31 kg，反应中产生的每个光子的能量约为________J。正电子与电子相遇不可能只转变为一个光子，原因是______________________________________。
审题指导 解答本题时应注意以下三点：
(1)核反应根据质量数和电荷数守恒，判断质量数和电荷数。
(2)正电子和负电子的湮灭，根据质能方程判断光子的能量。
(3)根据动量守恒定律判断产生光子的个数。
解析 (1)发生核反应前后，粒子的质量数和电荷数均不变，据此可知中微子的质量数和电荷数都是0，选项A正确。(2)产生的能量是由于质量亏损。两个电子转变为两个光子之后，质量变为零，则E＝Δmc2，故一个光子的能量为E2，代入数据得E2＝8.2×10－14 J。正电子与水中的电子相遇，与电子形成几乎静止的整体，故系统总动量为零，故如果只产生一个光子是不可能的，因为此过程遵循动量守恒定律。
答案 (1)A (2)8.2×10－14 此过程遵循动量守恒定律
[针对训练2] 已知π＋介子、π－介子都是由一个夸克(夸克u或夸克d)和一个反夸克(反夸克u－或反夸克d－)组成的，它们的带电荷量如表所示，表中e为元电荷。
粒子 π＋ π－ u d u－ d－
带电荷量 ＋e －e ＋23e －13e －23e ＋13e
