第七节 核聚变 第八节 粒子和宇宙
课堂探究
探究一对核聚变的理解
问题导引
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
提示：能实现。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。
名师精讲
1．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．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。
3．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。
4．应用
（1）核武器——氢弹。
（2）可控热核反应：目前处于探索阶段。
5．轻核聚变与重核裂变的区别
4
警示 常见的聚变反应：H＋H→H＋H＋4MeV，H＋H→He＋n＋17.6 MeV，在这两个反应中，前一反应的材料是氘，后一反应的材料是氘和氚，而氚又是前一反应的产物，所以氘是实现这两个反应的原始材料，而氘是重水的组成部分，在覆盖地球的海水中是取之不尽的，从这个意义上讲，轻核聚变是能源危机的终结者。
【例题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H、氦核He、正电子e的质量分别为mp、mα、me，真空中的光速为c。
（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
4H→He＋2e
（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
（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：
4
Pt＝
有N＝＝
答案：（1）4H→He＋2e
（2）（4mp－mα－2me）c2
（3）
反思 聚变的核反应方程遵循质量数守恒和电荷数守恒；核能计算的关键是求出核反应中的质量亏损，然后根据爱因斯坦质能方程求解。
探究二 对粒子的认识
问题导引
大爆炸理论给出了宇宙的起源，物理学的完整、和谐之美又得到了充分的体现，对于这一点你是怎么理解的？
提示：人们从不认识大自然到逐步了解大自然，经历了一个漫长的历史阶段。从研究低速宏观物体，到研究物质的微观结构，也就是物理学向微观和宇宙两个领域的研究在今天又得到了初步的统一。研究宇宙到了微观粒子、研究物质结构到了微观粒子，两个领域走到了一起，这就是物理学的完整与和谐美。
名师精讲
1．新粒子的发现及特点
2.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
质子、中子、
4
相互作用
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
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－或＋。例如，上夸克带的电荷量为＋，下夸克带的电荷量为－。
（4）意义：电子电荷不再是电荷的最小单位，即存在分数电荷。
警示 按照粒子具有对称性，有一个粒子，必存在一个反粒子，所以每种夸克都有对应 的反夸克。
【例题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e，d夸克的带电荷量为－e，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
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
解析：根据质子和中子所带的电荷量，经验证：
质子H带电荷量为2×e＋（－e）＝e
中子n带电荷量为e＋2×（－e）＝0。故B项正确。
答案：B
反思明确各种粒子的各种信息，是解决这类问题的关键。
4
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