19.7核聚变19.8粒子和宇宙.ppt

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1、第十九章 原子核 第7节 核聚变一、一、核聚变（热核反应）核聚变（热核反应）某些轻核能够结合在一起，生成一个较大的原子核，某些轻核能够结合在一起，生成一个较大的原子核，这种核反应叫做这种核反应叫做聚变聚变。聚变后比结合能增加，聚变后比结合能增加，反应中会释放能量反应中会释放能量根据所给数据根据所给数据,计算下面核反应放出的能量计算下面核反应放出的能量:氘核的质量：氘核的质量：mmD D2.014102u2.014102u氚核的质量：氚核的质量：mmT T3.016050u3.016050u氦核的质量：氦核的质量：mm4.002603u4.002603u中子的质量：中子的质量：mmn n=1.0

2、08665u=1.008665u平均每个核子放出的能量在平均每个核子放出的能量在3MeV以上，比裂变反应中平均每个以上，比裂变反应中平均每个核子放出的能量大核子放出的能量大34倍。倍。发生聚变的条件发生聚变的条件:使原子核间的距离达到使原子核间的距离达到1010-15-15m m，（原子核需要很大的动能才会（原子核需要很大的动能才会“撞撞”在一起）在一起）实现的方法有实现的方法有:1 1、用加速器加速原子核；、用加速器加速原子核；、把原子核加热到很高的温度；、把原子核加热到很高的温度；108109K不经济不经济聚变反应又叫热核反应聚变反应又叫热核反应核聚变的利用氢弹弹体弹体引爆装置引爆装置小小

3、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核聚变普遍存在于宇宙中热核反应和裂变反应相比较，具有许多优越性。热核反应和裂变反应相比较，具有许多优越性。1 1、轻核聚变产能效率高、轻核聚变产能效率高2 2、地球上聚变燃料的储量丰富、地球上聚变燃料的储量丰富（每升水中就含有（每升水中就含有0.03g0.03g氘，地球上有氘，地球上有138.6138.6亿亿立亿亿立方米的水，大约有方米的水，大约有4040万亿吨氘。氚可以利用锂来万亿吨氘。氚可以利用锂来制取，地球上锂储量有制取，地球

4、上锂储量有20002000亿吨）亿吨）3 3、轻核聚变更为安全、清洁、轻核聚变更为安全、清洁（高温不能维持反应就能自动终止，聚变产生的（高温不能维持反应就能自动终止，聚变产生的氦是没有放射性的。废物主要是泄露的氚，高速氦是没有放射性的。废物主要是泄露的氚，高速中子、质子与其他物质反应生成的放射性物质，中子、质子与其他物质反应生成的放射性物质，比裂变反应堆生成的废物数量少，容易处理）比裂变反应堆生成的废物数量少，容易处理）二、受控热核反应二、受控热核反应核聚变的利用核聚变的利用、热核反应的的点火温度很高；、热核反应的的点火温度很高；、如何约束聚变所需的燃料；、如何约束聚变所需的燃料；磁场约束磁场

5、约束问题有：问题有：现在的技术还不能控制热核反应。现在的技术还不能控制热核反应。问题有：问题有：、热核反应的的点火温度很高；、热核反应的的点火温度很高；、如何约束聚变所需的燃料；、如何约束聚变所需的燃料；惯性约束现在的技术还不能控制热核反应。现在的技术还不能控制热核反应。问题有：问题有：、热核反应的的点火温度很高；、热核反应的的点火温度很高；、如何约束聚变所需的燃料；、如何约束聚变所需的燃料；现在的技术还不能控制热核反应。现在的技术还不能控制热核反应。可控热核反应将为人类提供巨大的能源可控热核反应将为人类提供巨大的能源,和平利用和平利用聚变产生的核量是非常吸引人的重大课题，我国的可聚变产生的核

6、量是非常吸引人的重大课题，我国的可控核聚变装置控核聚变装置“中国环流器中国环流器1 1号号”已取得不少研究成已取得不少研究成果果.19.8 粒子和宇宙粒子和宇宙1“基本基本”粒子粒子“不不”基本基本 1897年汤姆生发现电子，年汤姆生发现电子，1911年卢瑟福年卢瑟福提出原子的核式结构。继而我们发现了光提出原子的核式结构。继而我们发现了光子，并认为子，并认为“光子、电子、质子、中子光子、电子、质子、中子”是组成物质的不可再分的粒子，所以把它是组成物质的不可再分的粒子，所以把它们叫们叫“基本粒子基本粒子”。那么随着科学技术的。那么随着科学技术的发展发展“它们它们”还是不是真正意义上的还是不是真正

7、意义上的“基基本本”粒子呢？粒子呢？2发现新粒子发现新粒子（1）1932年发现年发现正电子正电子；1937年发现年发现子子；1947年发现年发现K介子介子与与介子介子，后来又发现了，后来又发现了超超子子（2）实验中发现了许多）实验中发现了许多反粒子反粒子，现在发现的，现在发现的粒子多达粒子多达400多种。多种。20世纪世纪30年代以来，人们对宇宙线的研究中发年代以来，人们对宇宙线的研究中发现了一些新的粒子。现了一些新的粒子。许多粒子都存在着质量与它相同而电荷及其许多粒子都存在着质量与它相同而电荷及其他一些物理性质相反的粒子，叫做他一些物理性质相反的粒子，叫做反粒子反粒子。什么是反粒子？什么是反

8、粒子？粒子分类粒子分类 强子强子：是参与强相互作用的粒子。：是参与强相互作用的粒子。（强子又（强子又分为分为介子介子和和重子重子）轻子轻子：轻子是不参与强相互作用的粒子。：轻子是不参与强相互作用的粒子。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。按粒子与各种相互作用的关系分按粒子与各种相互作用的关系分 v例：例：v强子：质子、中子强子：质子、中子v轻子：电子、电子中微子轻子：电子、电子中微子v媒介子：光子、胶子媒介子：光子、胶子3夸克模型夸克模型1964年提出夸克模年提出夸克模型，认为型，认为强子强子由更由更基本的成分组成，基本的成分组成，这种成分叫做夸克这种成分叫做夸克（

9、quark）。夸克）。夸克模型经过几十年的模型经过几十年的发展，已被多数物发展，已被多数物理学家接受。理学家接受。盖盖尔尔曼曼（1）上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克、）上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克、底夸克、顶夸克。底夸克、顶夸克。（2）夸克带电荷为元电荷的）夸克带电荷为元电荷的2/3或或-1/3倍倍v科学家们还未捕捉到自由的夸克。夸克不能科学家们还未捕捉到自由的夸克。夸克不能以自由的状态单个出现，这种性质称为夸克以自由的状态单个出现，这种性质称为夸克的的“禁闭禁闭”。4宇宙的演化、恒星的演化宇宙的演化、恒星的演化要了解宇宙起源需了解物质的组成的粒子，要了解宇宙起源需了解物质的组成的粒子，这

10、是因为在物理学中研究微观世界的粒子物这是因为在物理学中研究微观世界的粒子物理、量子理论，与研究宇宙的理论竟然相互理、量子理论，与研究宇宙的理论竟然相互沟通、相互支撑。沟通、相互支撑。宇宙宇宙从何而来？从何而来？大爆炸理论(The Big Bang Theory)宇宙从一个“奇点”爆炸产生大大爆爆炸炸是是在在无无限限的的宇宇宙宙各各处处同同时时产产生生时时间间的的零零点点大爆炸宇宙论大爆炸宇宙论宇宙大爆炸后，宇宙大爆炸后，“粒子家族粒子家族”（宇宙形成之初）：（宇宙形成之初）：10-44秒后，温度秒后，温度1032K，产生夸克、轻子、胶子等，产生夸克、轻子、胶子等10-6秒后温度秒后温度1013

11、K，夸克构成了质子和中子等，夸克构成了质子和中子等（强子时代）（强子时代）温度为温度为1011K时，少量夸克，光子、大量中微子和时，少量夸克，光子、大量中微子和电子存在（轻子时代）电子存在（轻子时代）温度温度109K时进入核合成时代时进入核合成时代温度降到温度降到3000K时，电子与质子复合成氢原子时，电子与质子复合成氢原子1950年前后，伽莫夫第一个建立了热大爆炸的观念。年前后，伽莫夫第一个建立了热大爆炸的观念。温度降到温度降到3000K时，电子与质子复合成氢原子时，电子与质子复合成氢原子冷却，出现了宇宙尘埃冷却，出现了宇宙尘埃密集尘埃密集尘埃星云团星云团开始发光开始发光一颗恒星诞生。一颗恒

12、星诞生。恒星收缩升温恒星收缩升温恒星收缩升温恒星收缩升温热核反应成氦热核反应成氦氢大部分聚变为氦氢大部分聚变为氦收缩收缩氦聚合成碳氦聚合成碳（类似）直到产生铁元素。（类似）直到产生铁元素。恒星最后的归宿：恒星最后的归宿：恒星质量小于太阳恒星质量小于太阳1.4倍倍白矮星白矮星恒星质量是太阳恒星质量是太阳1.42倍倍中子性中子性恒星质量更大时恒星质量更大时(无法抵抗无法抵抗)黑洞黑洞1.（多选）关于核聚变，以下说法正确的是（多选）关于核聚变，以下说法正确的是（）A轻核聚变需要几百万开尔文的高温，因此聚变又叫做热核聚变轻核聚变需要几百万开尔文的高温，因此聚变又叫做热核聚变B一定质量的聚变物质聚变时放

13、出的能量比相同质量的一定质量的聚变物质聚变时放出的能量比相同质量的 裂变物质裂变时释放的能量大很多倍裂变物质裂变时释放的能量大很多倍 C聚变发生的条件是聚变物质的体积大于临界体积聚变发生的条件是聚变物质的体积大于临界体积D发生聚变反应时，原子核必须有足够大的动能发生聚变反应时，原子核必须有足够大的动能2.发生轻核聚变的方法是（发生轻核聚变的方法是（）A用中子轰击用中子轰击B保持室温环境，增大压强保持室温环境，增大压强C用用光子照射光子照射D把参与反应的物质加热到几百万度以上的高温把参与反应的物质加热到几百万度以上的高温DABD3.现有三个核反应：现有三个核反应：下列下列说说法正确的是（法正确的

14、是（）A.是裂是裂变变，是是衰衰变变，是聚是聚变变B.是聚是聚变变，是裂是裂变变，是是衰衰变变C.是是衰衰变变，是裂是裂变变，是聚是聚变变D.是是衰衰变变，是聚是聚变变，是裂是裂变变C4.已知核反应方程：已知核反应方程：，用，用c表示表示光速，则（）光速，则（）Ax是质子，核反应放出的能量等于质子质量乘是质子，核反应放出的能量等于质子质量乘c2Bx是中子，核反应放出的能量等于中子质量乘是中子，核反应放出的能量等于中子质量乘c2Cx是质子，核反应放出的能量等于氘核与氚核的质量和是质子，核反应放出的能量等于氘核与氚核的质量和减去氦核与质子的质量和，再乘减去氦核与质子的质量和，再乘c2Dx是中子，核

15、反应放出的能量等于氘核与氚核的质量和是中子，核反应放出的能量等于氘核与氚核的质量和减去氦核与中子的质量和，再乘减去氦核与中子的质量和，再乘c2D5、目前普遍认为，质子和中子都由被称为、目前普遍认为，质子和中子都由被称为夸克和夸克和d夸克的两类夸克组成，夸克的两类夸克组成，夸克带电量为夸克带电量为2e/3，d夸夸克带电量为克带电量为-e/3，e为元电荷，则下列论断可能的是为元电荷，则下列论断可能的是（）A质子由质子由1个个夸克和夸克和1个个d夸克组成，中子由夸克组成，中子由1个个夸克和夸克和2个个d夸克组成夸克组成B质子由质子由2个个夸克和夸克和1个个d夸克组成，中子由夸克组成，中子由1个个夸克

16、和夸克和2个个d夸克组成夸克组成C质子由质子由1个个夸克和夸克和2个个d夸克组成，中子由夸克组成，中子由2个个夸克和夸克和1个个d夸克组成夸克组成D质子由质子由2个个夸克和夸克和1个个d夸克组成，中子由夸克组成，中子由1个个夸克和夸克和1个个d夸克组成夸克组成B6、中子内有一个、中子内有一个电电荷量荷量为为+2e/3 的上夸克和两个电荷量为的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下夸克，一简单模型是三个夸克都在半径为r 的同一圆的同一圆周上，如图周上，如图1所示。图所示。图2给出的四幅图中，能正确表示出各夸给出的四幅图中，能正确表示出各夸克所受静电作用力的是（克所受静电作用力的是（）A B C DB