360教育网修3—5 原子核核聚变

昵称3826483 2013-08-22

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教学内容：

选修3—5

第十九章原子核

第五节核力与结合能

第六节重核的裂变

第七节核聚变

第八节粒子与宇宙

二. 知识内容

（一）核力与结合能

1. 核力：（1）原子核里的核子间有第三种相互作用存在，即核力。是核力把核子紧紧束缚在核内。

（2）特点：① 核力是强相互作用（强力）的一种表现，在原子核的尺度内，核力比库仑力大得多。

② 核力是短程力，作用范围在1.5×10^-15m之内。

③ 每个核子只跟邻近的核子发生核力作用，这种性质称为核力的饱和性。

2. 四种基本相互作用

（1）万有引力；（2）电磁力；以上两种力都属于长程力；（3）核力；（4）弱相互作用（弱力）；以上两种力都属于短程力。

3. 原子核中质子与中子的比例：自然界中较轻的原子核，质子数与中子数大致相等，但对于较重的原子核，中子数大于质子数，越重的元素，两者相差越多

4. 结合能：（1）定义：原子核是核子结合在一起构成的，要把它们分开，也需要能量，这就是原子核的结合能.

（2）比结合能：原子核的结合能与核子数之比，称做比结合能，也叫平均结合能。比结合能越大，表示原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定，中等大小的核的比结合能最大。

5. 质量亏损：（1）质能方程：物体的能量与它的质量之间的关系是：

（2）质量亏损：原子核的质量小于组成它的核子的质量之和，这个现象叫做质量亏损，质量亏损表明，的确存在着原子核的结合能。

由a个质子和b个中子结合成质量为m_D的原子核其质量亏损为：

Δm = am_p + bm_n — m_D

根据爱因斯坦质能方程式可知，这些核子在结合成原子核过程放出的能量（数值上等于该原子的结合能）：

ΔE =Δm c² = （am_p + bm_n — m_D）c²

（二）重核的裂变

1. 核裂变

（1）定义：铀核在被中子轰击后分裂成两块质量差不多的碎块，弗里施把这类核反应定名为原子核的裂变。

（2）核裂变的特点：① 裂变过程中能够放出巨大的能量；② 裂变的同时能够放出2～3（或更多个）中子；③ 裂变的产物不是唯一的。对于铀核裂变有二分裂、三分裂和四分裂形式，但三分裂和四分裂概率比较小

典型的分裂方程：

（3）链式反应：由重核裂变产生的中子使裂变反应一代接一代继续下去的过程。通常把裂变物质能够发生链式反应的最小体积叫做它的临界体积，相应的质量叫做临界质量。

2 核反应堆：（1）费米主持建立了世界上第一个称为“核反应堆”的装置；

（2）在核反应堆中，为了使快中子速度减慢，在铀棒周围要放“慢化剂”；

（3）为了调节中子数目以控制反应速度，还需要在铀棒之间插进一些镉棒。

（三）核聚变

1. 核聚变

（1）定义：两个轻核结合成质量较大的核，这样的核反应叫做聚变。聚变后比结合能增加，因此反应中会释放能量。

（2）氢核聚变的核反应方程：（需要几百万度高温，所以又叫热核反应）

（3）应用：① 热核反应主要应用在核武器上，如氢弹。

② 在太阳内部，氢核聚变成氦核的反应不停地进行着，不断地放出热量。

2. 受控热核反应的优点：① 轻核聚变产能效率高，也就是说，相同质量的核燃料，反应中产生的能量比较多。② 地球上聚变燃料的储量丰富。③ 轻核聚变更为安全、清洁。

（四）粒子与宇宙

1. 粒子的分类

（1）强子：强子是参与强相互作用的粒子。质子是最早发现的强子，强子又分为介子和重子两类。

（2）轻子：轻子是不参与强相互作用的粒子。最早发现的轻子是电子。

（3）媒介子：媒介子是传递各种相互作用的粒子。

2. 夸克模型：（1）夸克模型认为，强子由更基本的成分组成，这种成分叫做夸克。

（2）夸克的分类：目前发现的夸克共有6种分别是，上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克、底夸克、顶夸克，且它们都存在反夸克。夸克不能以自由状态单个现出（禁闭性）。夸克模型指出电子电荷不再是电荷的最小单元，即存在分数电荷。

3. 宇宙演化：“粒子家族”大爆炸后10^－⁴⁴ s，温度10³²K，产生夸克、轻子、胶子强子时间（大爆炸后10^－⁶ s，温度10¹³K，夸克构成质子和中子等强子）轻子时代（温度10¹¹K，少量夸克，大量光子、中微子和电子等轻子存在）核合成时代（温度10⁹K，质子、中子结合成氘核）混合电离气体时期（温度10⁴K，电子、质子和氦核混合电离气体）中性粒子期（温度3000K，电子与质子复合成中性氢气）恒星、星系期（继续冷却，质子、电子、原子等与光子分离逐步组成恒星和星系）。

4. 恒星的演化：宇宙尘埃星云团恒星

三. 重点、难点解析

核能的计算是原子物理的重要方面和高考的热点问题，其基本方法是：

（1）根据质量亏损计算，步骤如下：

① 根据核反应方程，计算核反应前和核反应后的质量亏损△m。

② 根据爱因斯坦质能方程或ΔE =Δmc²计算核能。

③ 计算过程中△m的单位是千克，△E的单位是焦耳。

（2）利用原子质量单位u和电子伏特计算。

① 明确原子单位u和电子伏特间的关系

由1u=1.6606×10^-27kg，leV=1.6×10^-19J。

得=931.5MeV。

② 根据1原子质量单位（u）相当于931.5MeV能量，用核子结合成原子核时质量亏损的原子质量单位数乘以931.5MeV，即：△E=△m×93l.5MeV。

③ 上式中，△m的单位是u，△E的单位是MeV。

（3）利用平均结合能来计算核能

原子核的结合能=核子的平均结合核能×核子数，核反应中反应前系统内所有原子核的总结合能与反应后生成的所有新核的总结合能之差，就是该次核反应所释放（或吸收）的核能。

（4）根据能量守恒和动量守恒来计算核能

参与核反应的粒子所组成的系统，在核反应过程中的动量和能量是守恒的，因此，在题给条件中没有涉及质量亏损，或者核反应所释放的核能全部转化为生成的新粒子的动能而无光子辐射的情况下，从动量和能量守恒可以计算出核能的变化。

（5）应用阿伏伽德罗常数计算核能

若要计算具有宏观质量的物质中所有原子核都发生核反应所放出的总能量，应用阿伏伽德罗常数计算核能较为简便。

① 根据物体的质量m和摩尔质量M由求出摩尔数，并求出原子核的个数：N=N_An=。

② 由题设条件求出一个原子核与另一个原子核反应放出或吸收的能量E₀（或直接从题目中找出E₀）。

③ 再根据E=NE₀求出总能量。

【典型例题】

[例1] 下列说法中正确的是（）

A. 爱因斯坦质能方程反映了物体的质量就是能量，它们之间可以相互转化

B. 由可知，能量与质量之间存在着正比关系，可以用物体的质量作为它所蕴藏的能量的量度

C. 核反应中发现的“质量亏损”是消失的质量转变成为能量

D. 因在核反应中能产生能量，有质量的转化，所以系统只有质量数守恒，系统的总能量和总质量并不守恒

解析：说明能量和质量之间存在着联系，即能量与质量之间存在着正比关系，并不是说明了能量和质量之间存在相互转化的关系，故A项错误。而B项正确。核反应中的“质量亏损”并不是质量消失，实际上是由静止的质量变成运动的质量，并不是质量转变成能量，故C项错误。在核反应中，质量守恒，能量也守恒，在核反应前后只是能量的存在方式不同，总能量不变，在核反应前后只是物质由静质量变成动质量，故D错误。

答案：B

点评：本题易错解为A、D。错解分析认为质能方程反映了物体质量就是能量，它们之间可以相互转化，故认为A正确。由于在核反应中有能量产生且伴随着质量亏损，就错误地认为有质量的转化，认为在反应前后总能量不守恒，总质量亦不守恒，故认为D正确。

[例2] 蒙德·戴维斯因研究来自太阳的电子中微子（v。）而获得了2002年度诺贝尔物理学奖。他探测中微子所用的探测器的主体是一个贮满615t四氯乙烯（C₂Cl₄）溶液的巨桶。电子中微子可以将一个氯核转变为一个氢核，其核反应方程式为：

ν_e＋3717Cl → 3718Ar十 0－1e

已知3717Cl核的质量为36.95658 u，3718Ar核的质量为36.95691 u， 0－1e的质量为0.00055 u，1 u质量对应的能量为931.5MeV，根据以上数据，可以判断参与上述反应的电子中微子的最小能量为（）

A. 0.82 Me V B. 0.31 MeV C. 1.33 MeV D. 0.51 MeV

解析：由题意可得：电子中微子的能量

E=mc²=（m_Ar+m_e-m_Cl）·931.5MeV

=（36.95691+0.00055-36.95658）×931.5MeV

=0.82MeV

则电子中微子的最小能量为E_min=0.82MeV

点评：应用爱因斯坦质能方程时，注意单位的使用。当用kg单位，c用m/s时，单位是J，也可像本题利用1 u质量对应的能量为931.5MeV。

[例3] 已知氘核质量为2.0136 u，中子质量为1.0087 u，的质量为3.0150 u，两个氘核聚变成并放出一个中子，若两个氘核以相等的动能0.35 MeV做对心碰撞即可发生上述核反应，且释放的核能全部转化为机械能，则反应中生成的和中子的动能各是多少兆电子伏？（质量亏损为1 u时，释放的能量为931.5 MeV）