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H的核反应，间接地证实了中微子的存在。
（1）中微子与水中的H发生核反应，产生中子（n）和正电子（e），即
中微子＋H―→n＋e
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
3
（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
e＋e―→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】
3
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）H＋2n→H
（2）6.24 MeV （3）2.08 MeV
解析：（1）聚变方程H＋2n→H。
（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
MeV＝2.08 MeV。
活动与探究2：答案：
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。
3
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