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核聚变粒子和宇宙学案(新人教版选修3_5)

作者:佚名 教案来源:网络 点击数:

核聚变粒子和宇宙学案(新人教版选修3_5)

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tT z y w.C oM 7 核聚变   8 粒子和宇宙
课堂合作探究
问题导学
一、核聚变
 活动与探究1
1.大海航行靠舵手,万物生长靠太阳。没有太阳,地球上就不可能有姿态万千的生命现象,当然也不会孕育出作为智能生物的人类。太阳是靠什么为地球生命提供巨大的能量呢?
 
2.随着科技的发展,不久的将来,汽车不再烧油,而改烧海水,你相信这能实现吗?
 
氘核和氚核聚变示意图
3.为什么轻核的聚变反应能够比重核的裂变反应释放更多的核能?
4.聚变发生的条件是什么?
 迁移与应用1
一个质子和两个中子聚变为一个氚核,已知质子质量mH=1.007 3 u,中子质量mn=1.008 7 u,氚核质量m=3.018 0 u。(1 u相当于931.5 MeV)
(1)写出聚变方程;
(2)求释放出的核能多大?
(3)求平均每个核子释放的能量是多大?
 
1.核聚变的特点
聚变反应一旦发生,就不再需要外界给它能量,靠自身产生的热就会使反应继续下去。
2.核聚变的应用
(1)核武器——氢弹。
(2)可控热核反应:目前处于探索阶段。
二、粒子与宇宙
 活动与探究2
请用合适的方式全面概括你对粒子分类的了解。
 迁移与应用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________。(选填写选项前的字母)
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____________________。
 
1.新粒子的发现及特点
发现时间 1932年 1937年 1947年 60年代后
新粒子 反粒子 μ子 K介子
与π介子 超子
基本特点 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 比质子的质量小 质量介于电子与质子之间 其质量比质子大
2.对宇宙大爆炸模型的正确理解
要理解大爆炸模型,就必须理解宇宙的起源:最初是比原子还要小的奇点,然后是大爆炸,通过大爆炸的能量形成一些基本粒子,这些粒子在能量的作用下,逐渐形成了宇宙中的各种物质。至此,大爆炸宇宙模型成为最有说服力的宇宙图景理论。然而,至今宇宙大爆炸理论仍然缺乏大量实验的支持,而且我们尚不知晓宇宙开始爆炸和爆炸前的图景。
1932年勒梅特首次提出了现代宇宙大爆炸理论:整个宇宙最初聚集在一个“原始原子”中,后来发生了大爆炸,碎片向四面八方散开,形成了我们的宇宙。美籍俄国天体物理学家伽莫夫第一次将广义相对论融入宇宙理论中,提出了热大爆炸宇宙模型:宇宙开始于高温、高密度的原始物质,最初的温度超过几十亿度,随着温度的持续下降,宇宙开始膨胀。
当堂检测
1.关于粒子,下列说法中正确的是(  )
A.光子、电子、质子和中子是组成物质的不可再分的最基本粒子
B.质量比核子大的粒子都参与强相互作用
C.强子、轻子、媒介子都由更基本的粒子夸克组成
D.许多粒子都存在反粒子
2.正电子是电子的反粒子,它跟普通电子的电荷量相等,而电性相反,科学家设想在宇宙的某些部分可能存在完全由反粒子构成的物质——反物质。1997年,欧洲和美国的科学研究机构先后宣布:他们分别制造出9个和7个反氢原子。这是人类探索反物质的一大进步,你推测反氢原子的结构是(  )
A.一个带正电荷的质子和一个带负电荷的电子构成
B.一个带负电荷的质子和一个带正电荷的中子构成
C.由一个不带电荷的中子和一个带负电荷的电子构成
D.由一个带负电荷的质子与一个带正电荷的电子构成
3.太阳不断地向外辐射能量,仍保持1千万度以上的高温,其主要原因是太阳内部进行着剧烈的(  )
A.衰变反应      B.人工核反应
C.裂变反应      D.热核反应
4.宇宙诞生过程中,产生如下粒子:①光子、中微子、电子等大量轻子;②氘核、氚核、氦3、氦核等轻核;③夸克、轻子、胶子等粒子;④质子和中子等强子;⑤电子、质子、氦核的混合电离气体;⑥电子、质子复合成为中性氢原子。
根据宇宙大爆炸理论,以上粒子形成的先后顺序是(  )
A.①②③④⑤⑥       B.③①④②⑤⑥
C.③④①②⑤⑥       D.①③④②⑥⑤
答案:
课堂•合作探究
【问题导学】
活动与探究1:
1.答案:太阳辐射的能量是在氢聚变成氦的过程中产生的。
2.答案:相信。热核反应的燃料之一,氢的同位素——氘的储量丰富,每升海水中就含有0.03 g氘核,这些氘核完全聚变释放的能量约和燃烧300 L汽油相当。
3.答案:轻核的聚变反应能够比重核的裂变反应释放更多的核能,这是因为较轻的原子核比较重的原子核核子的平均质量更大,聚变成质量较大的原子核时能产生更多的质量亏损,所以平均每个核子释放的能量就更大。
4.答案: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。
迁移与应用1:答案:(1)11H+210n→31H
(2)6.24 MeV (3)2.08 MeV
解析:(1)聚变方程11H+210n→31H。
(2)质量亏损Δm=mH+2mn-m=(1.007 3+2×1.008 7-3.018 0) u=0.006 7 u,释放的核能ΔE=Δmc2=0.006 7×931.5 MeV≈6.24 MeV。
(3)平均每个核子放出的能量为
6.243 MeV=2.08 MeV。
活动与探究2:答案:
粒子媒介子光子传递电磁相互作用胶子传递强相互作用中间玻色子传递弱相互作用轻子6种电子中微子μ子和μ子中微子τ子和τ子中微子强子参与强相互作用质子中子介子超子夸克上夸克下夸克奇异夸克粲夸克底夸克顶夸克
迁移与应用2:答案:(1)A (2)8.2×10-14 遵循动量守恒
解析:(1)在核反应中,由质量数和电荷数守恒可知A正确。
(2)2mc2=2E
E=mc2=8.2×10-14 J,碰撞过程中遵循动量守恒,如果是产生一个光子,合动量为零,光子的速度为零,与实际光子的运动状况矛盾。
【当堂检测】
1.D 解析:质子、中子本身有复杂结构,选项A错误;τ子的质量比核子的质量大,但它属于轻子,不参与强相互作用,选项B错误;现代实验还没有发现轻子的内部结构,选项C错误。
2.D 解析:氢原子由质子和电子组成,它们的反粒子分别是反质子和正电子,选项D正确。
3.D 解析:太阳的内部时刻都在进行着氢核的聚变,即热核反应,故D对。
4.C 解析:根据大爆炸理论,宇宙形成之初是粒子家族,其后产生了夸克、轻子、胶子等粒子,然后按强子时代、轻子时代、核合成时代、混合电离气体、中性氢原子的顺序演化,故选项C正确。

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