2018學(xué)年高中物理 第3章 原子核 原子能、粒子、宇宙學(xué)案 教科版選修3-5.doc

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原子能、粒子、宇宙 【學(xué)習(xí)目標(biāo)】 1．知道核力是只存在于相鄰核子間的短程力； 2．掌握結(jié)合能與質(zhì)量虧損； 3．理解愛因斯坦的質(zhì)能方程； 4．知道重核裂變能放出能量，并能計算核能的變化，知道鏈?zhǔn)椒磻?yīng)； 5．知道什么是聚變； 6．了解鈾核的裂變特點； 7．了解核裂變反應(yīng)堆的工作原理； 8．知道聚變和聚變反應(yīng)的特點； 9．能寫出聚變方程并計算聚變能量； 10．了解可控?zé)岷朔磻?yīng)； 11．了解核電站、核武器及核能的優(yōu)越性、安全性及其危害； 12．了解組成物質(zhì)的粒子； 13．知道粒子的分類及其作用； 14．了解宇宙起源的大爆炸說及恒星的演化． 【要點梳理】 要點一、核力與核結(jié)合能 1．核反應(yīng) （1）核反應(yīng)的定義． 衰變是原子核的自發(fā)變化，能否用人工方法使原子核發(fā)生變化呢？能．事實上質(zhì)子、中子都是通過原子核的人工轉(zhuǎn)變而發(fā)現(xiàn)的．我們把原子核在其他粒子轟擊下產(chǎn)生新原子核的過程，稱為核反應(yīng)． （2）對核反應(yīng)的理解． ①原子核在其他粒子的轟擊下產(chǎn)生新原子核的過程，稱為核反應(yīng)．原子核的人工轉(zhuǎn)變，就是一種核反應(yīng)．和衰變過程一樣，在核反應(yīng)中，質(zhì)量數(shù)和核電荷數(shù)都守恒．②衰變是自發(fā)的、不受物理條件和化學(xué)條件影響的一種核變化．而原子核的人工轉(zhuǎn)變需要一定的裝置和條件才能發(fā)生． 2．原子核的人工轉(zhuǎn)變 （1）質(zhì)子的發(fā)現(xiàn)及核反應(yīng)方程． 1919年，盧瑟福用粒子轟擊氮原子核，粒子被氮核俘獲后形成復(fù)核，再衰變，產(chǎn)生質(zhì)子． 核反應(yīng)方程為： ． （2）中子的發(fā)現(xiàn)及核反應(yīng)方程． 1932年，英國的物理學(xué)家查德威克對這種不知道的射線進行進一步的研究發(fā)現(xiàn)：這種射線的速度不到光速的十分之一，排除了射線．之后他用這種射線轟擊氫原子和氮原子，結(jié)果打出一些氫核和氮核，并通過測定和計算，發(fā)現(xiàn)這種粒子的質(zhì)量非常接近氫核的質(zhì)量，由于它不帶電，故稱之為中子． 核反應(yīng)方程為： ． 由于能從許多的原子核里打出中子，因而確認(rèn)中子是組成原子核的一部分． 3．核力 原子核由質(zhì)子和中子組成，中子和質(zhì)子是靠強大的核力結(jié)合在一起的． （1）核力：原子核內(nèi)部，核子間所特有的相互作用力． （2）核力的特點： ①核力是強相互作用力，在它的作用范圍內(nèi)核力比庫侖力大得多；②核力是短程力，作用范圍在之內(nèi)．在大于時核力表現(xiàn)為引力，超過時核力急劇下降幾乎消失．在小于時核力表現(xiàn)為斥力，因此核子不會融合在一起；③每個核子只跟相鄰的核子發(fā)生核力作用．這種性質(zhì)稱為核力的飽和性．無論是質(zhì)子間、中子間、質(zhì)子和中子間均存在核力． （3）自然界中的四種基本相互作用力： ①萬有引力；②電磁力；③強相互作用力；④弱相互作用力． 4．核結(jié)合能 由于核子間存在著巨大的核力作用，所以原子核是一個堅固的集體．要把原子核拆散成核子，需要克服核力做巨大的功，需要巨大的能量．一個氘核被拆成一個中子和一個質(zhì)子時，需要能量等于或大于的光子照射．核反應(yīng)方程為： ． 相反的過程，當(dāng)一個中子和一個質(zhì)子結(jié)合成一個氘核時會釋放出的能量．這個能量以光子的形式輻射出去．核反應(yīng)方程為： ． 由于核力的存在，核子結(jié)合成原子核時要放出一定的能量，原子核分解成核子時，要吸收同樣多的能量．核反應(yīng)中放出或吸收的能量稱為核結(jié)合能． 平均結(jié)合能（又叫比結(jié)合能）：原子核的結(jié)合能與核子數(shù)之比平均結(jié)合能越大，表示原子核中核子結(jié)合得越牢固．原子核越穩(wěn)定． 5．質(zhì)量虧損 由于核力的本質(zhì)還在研究之中，所以根據(jù)核力做功來求核能是不可能的．但物理學(xué)家卻有辦法求出核能．物理學(xué)家們研究了質(zhì)子、中子和氘核之間的質(zhì)量關(guān)系，發(fā)現(xiàn)氘核雖然是由一個中子和一個質(zhì)子組成的，但氘核的質(zhì)量要比中子和質(zhì)子的質(zhì)量之和要小一些．我們把組成原子核的核子的質(zhì)量與原子核的質(zhì)量之差叫做核的質(zhì)量虧損．根據(jù)質(zhì)量虧損可以計算核能． 6．質(zhì)能方程 （1）質(zhì)能方程：愛因斯坦的相對論指出，物體的能量和質(zhì)量之間存在著密切的聯(lián)系，其關(guān)系是 或 ． 這就是著名的愛因斯坦質(zhì)能聯(lián)系方程，簡稱質(zhì)能方程．方程的含義是：物體具有的能量與它的質(zhì)量之間存在著簡單的正比關(guān)系．物體的能量增大質(zhì)量也增大，能量減小質(zhì)量也減?。? （2）對質(zhì)量虧損和質(zhì)能方程的理解：在核反應(yīng)中仍遵守質(zhì)量守恒和能量守恒的規(guī)律．核反應(yīng)中的質(zhì)量虧損，并不是這部分質(zhì)量消失或質(zhì)量轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰浚矬w的質(zhì)量應(yīng)包括靜止質(zhì)量和運動質(zhì)量，質(zhì)量虧損是靜止質(zhì)量的減少，減少的靜止質(zhì)量轉(zhuǎn)化為和輻射能量相聯(lián)系的運動質(zhì)量．另外，質(zhì)量虧損也不是核子個數(shù)的減少，核反應(yīng)中核子個數(shù)是不變的． 7．核能的計算方法 核能的計算是原子物理的重要方面和高考的熱點問題，其基本方法是： （1）根據(jù)質(zhì)量虧損計算，步驟如下： ①根據(jù)核反應(yīng)方程，計算核反應(yīng)前和核反應(yīng)后的質(zhì)量虧損．②根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程或計算核能．③計算過程中的單位是千克，的單位是焦耳． （2）利用原子質(zhì)量單位和電子伏特計算． ①明確原子單位和電子伏特間的關(guān)系 由 ，． 得 ． ②根據(jù)原子質(zhì)量單位（）相當(dāng)于能量，用核子結(jié)合成原子核時質(zhì)量虧損的原子質(zhì)量單位數(shù)乘以，即 ． ③上式中，的單位是，的單位是． （3）利用平均結(jié)合能來計算核能． 原子核的結(jié)合能=核子的平均結(jié)合能核子數(shù)．核反應(yīng)中反應(yīng)前系統(tǒng)內(nèi)所有原子核的總結(jié)合能與反應(yīng)后生成的所有新核的總結(jié)合能之差，就是該次核反應(yīng)所釋放（或吸收）的核能． （4）根據(jù)能量守恒和動量守恒來計算核能． 參與核反應(yīng)的粒子所組成的系統(tǒng)，在核反應(yīng)過程中的動量和能量是守恒的，因此，在題給條件中沒有涉及質(zhì)量虧損，或者核反應(yīng)所釋放的核能全部轉(zhuǎn)化為生成的新粒子的動能而無光子輻射的情況下，從動量和能量守恒可以計算出核能的變化． （5）應(yīng)用阿伏加德羅常數(shù)計算核能． 若要計算具有宏觀質(zhì)量的物質(zhì)中所有原子核都發(fā)生核反應(yīng)所放出的總能量，應(yīng)用阿伏加德羅常數(shù)計算核能較為簡便． ①根據(jù)物體的質(zhì)量和摩爾質(zhì)量由求出物質(zhì)的量，并求出原子核的個數(shù)： ． ②由題設(shè)條件求出一個原子核與另一個原子核反應(yīng)放出或吸收的能量（或直接從題目中找出）． ③再根據(jù)求出總能量． 8．衰變過程中核能的計算 衰變能是不穩(wěn)定原子核在進行衰變時放出來的能量，由質(zhì)能方程，可以從衰變前后的質(zhì)量虧損求出衰變能，也可根據(jù)直接測出衰變后產(chǎn)生的新原子核與粒子的動能求得衰變能．但是，由于衰變后原子核的質(zhì)量較大，反沖動能較小，測量就很困難．下面我們從動量守恒定律出發(fā)，找到和之間的關(guān)系，只要測出就可以知道衰變能． 衰變前原子核可看做靜止，動量為零，于是，根據(jù)動量守恒定律有 ． 粒子的速度比光速小得多，可以不考慮相對論效應(yīng)，于是衰變后新原子核的反沖動能 ． 所以， （是衰變前的核的質(zhì)量數(shù)）． 式中，已用核的質(zhì)量數(shù)之比代替核質(zhì)量之比，這樣做所帶來的誤差是很微小的．所以，要得到衰變能，需要知道粒子的動能． 9．對原子核中質(zhì)子數(shù)與中子數(shù)比例的解釋 原子核越大，有些核子間的距離越來越遠(yuǎn)，隨著距離的增加，核力與電磁力都會減小，但核力減小得更快．所以，原子核大到一定程度時，相距較遠(yuǎn)的質(zhì)子間的核力不足以平衡它們的庫侖力，這個原子核就不穩(wěn)定了．這時，不再成對地增加質(zhì)子和中子，而只增加中子，中子與其他核子沒有庫侖斥力，但有相互吸引的核力，所以有助于維系原子核的穩(wěn)定．由于這個原因，穩(wěn)定的重原子核里，中子數(shù)要比質(zhì)子數(shù)多．由于核力的作用范圍是有限的，以及核力的飽和性，如果我們繼續(xù)增大原子核，一些核子間的距離會大到其間根本沒有核力的作用，這時即使再增加中子，形成的核也一定是不穩(wěn)定的． 要點二、重核裂變及其應(yīng)用 1．核子的平均質(zhì)量 核反應(yīng)有的會放出能量，有的會吸收能量，那么什么樣的核反應(yīng)會放出能量，這是本節(jié)需要搞清的第一個問題．也是本節(jié)的一個難點．為了弄清這個問題，就必須首先理解核子的平均質(zhì)量這一概念． 精確的實驗表明，原子核是由核子組成的，但原子核的質(zhì)量卻不等于所有核子質(zhì)量之和．也就是說，原子核的質(zhì)量雖然會隨著核子數(shù)量的增加而增加，但兩者并不成比例．例如：氫核由一個核子（質(zhì)子）組成；氦核由四個核子（兩個中子，兩個質(zhì)子）組成．但氦核的質(zhì)量卻不是氫核的四倍，而是比四倍小．這樣在不同的原子核中，用原子核的質(zhì)量除以核子數(shù)所得到的核子的平均質(zhì)量就變得不相同了，換一個說法，也就是同樣的核子在不同的原子核中質(zhì)量不同． 進一步研究表明，中等質(zhì)量的原子核的核子的平均質(zhì)量較小（鐵核的核子平均質(zhì)量最?。?，重核和輕核的核子平均質(zhì)量大，這就為研究核反應(yīng)中能量的釋放建立了理論基礎(chǔ)．當(dāng)重核分裂成中等質(zhì)量的原子核時，會發(fā)生質(zhì)量虧損；當(dāng)輕核聚合成中等質(zhì)量的原子核時，也會發(fā)生質(zhì)量虧損．由質(zhì)能方程可知，此時核反應(yīng)會放出能量． 2．重核的裂變——鈾核的裂變 （1）鈾核裂變的發(fā)現(xiàn)：1938年底，德國物理學(xué)家哈恩與斯特拉斯曼利用中子轟擊鈾核時，發(fā)現(xiàn)了鈾核的裂變，向核能的利用邁出了第一步． （2）重核裂變：使重核分裂成中等質(zhì)量的原子核的核反應(yīng)叫做重核的裂變． （3）鈾核裂變的一種核反應(yīng)方程： ． （4）鏈?zhǔn)椒磻?yīng)：當(dāng)中子進入鈾后，便形成了處于激發(fā)狀態(tài)的復(fù)核，復(fù)核中由于核子的激烈運動，使核變成不規(guī)則的形狀，核子間的距離增大，因而核力迅速減弱，使得核由于質(zhì)子間的斥力作用而不能恢復(fù)原狀，這樣就分裂成幾塊，同時放出或個中子．這些中子又引起其他鈾核裂變，這樣，裂變就會不斷地進行下去’，釋放出越來越多的核能，這就叫鏈?zhǔn)椒磻?yīng)．如圖所示． （5）鏈?zhǔn)椒磻?yīng)發(fā)生的條件：①鈾塊的體積大于臨界體積．體積超過臨界體積時，保證中子能夠碰到鈾核．②有足夠濃度的鈾．③有足夠數(shù)量的慢中子． 一種鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的方程： ． （6）重核裂變的條件 重核的裂變只能發(fā)生在人為控制的核反應(yīng)中，自然界不會自發(fā)地產(chǎn)生．如鈾核裂變不能自發(fā)地進行，要使鈾核裂變，首先要利用中子轟擊鈾核，使鈾核分裂，分裂過程中，又會放出更多的中子，這些中子再去轟擊更多鈾核，產(chǎn)生更多的中子，就形成了鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，這個反應(yīng)速度很快，不加控制的話，能量在很短的瞬間急劇釋放（原子彈就是利用鈾核的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)制造的一種威力巨大的核武器）．如果采用其他方法對反應(yīng)速度加以控制就可以和平地利用這種巨大的核能．核電站就是可控的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)． 3．臨界體積 要發(fā)生核反應(yīng)，就必須使中子擊中鈾核，而核的體積很小，那么在鈾塊不太大的情況下，中子通過鈾塊時，沒有碰到鈾核而跑到鈾塊外，因此，要發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，鈾塊的體積必須大于某一值，能發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的鈾塊的最小體積叫它的臨界體積． 4．核電站與核電站的主要組成和工作原理及優(yōu)點 （1）核電站：原子彈殺傷力強大的原因是核能在極短時間內(nèi)釋放出來．核電站是利用緩慢釋放的核能來發(fā)電，這是核能的和平利用，現(xiàn)在世界上已有不少國家建有核電站，我國已建成使用和正在建設(shè)的核電站必將為現(xiàn)代化的建設(shè)提供能源保障． （2）核電站的主要組成． 核電站的核心是核反應(yīng)堆，核反應(yīng)堆的主要組成部分及其作用是： ①核燃料：反應(yīng)堆使用濃縮鈾（鈾占）制成鈾棒，作為核燃料，釋放核能．②中子減速劑：鈾具有易俘獲慢中子，不易俘獲快中子的特點．而核反應(yīng)中釋放的中子多數(shù)為快中子，應(yīng)使用減速劑使它們的速度降下來．常用作減速劑的物質(zhì)有石墨、重水或普通水．③控制棒：為了控制能量釋放的速度，就要想辦法減少中子的數(shù)目，采用在反應(yīng)堆中插入鎘棒的方法，利用鎘吸收中子能力很強的特性，就可以容易地控制鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度．④保護層：核反應(yīng)堆外層是很厚的水泥壁．可防止射線輻射出去．⑤熱交換器：靠水或液態(tài)金屬鈉在反應(yīng)堆內(nèi)外的循環(huán)流動，把產(chǎn)生的熱量傳輸出去． 反應(yīng)堆是核電站的核心，核電站是靠核反應(yīng)堆產(chǎn)生的內(nèi)能 （3）核電站的優(yōu)點是：①消耗的“燃料”很少；②作為核燃料的鈾、釷等在地球上的可采儲量大；③對環(huán)境污染比火電站要?。? 5．原子彈 原子彈是利用快中子導(dǎo)致鏈?zhǔn)椒磻?yīng)而發(fā)生原子爆炸的武器．在裂變材料的體積大于臨界體積時，可以使增殖系數(shù)，這時中子數(shù)可逐代倍增，最后引起原子爆炸．對純，其．若，則到第代時，中子數(shù)已增到個，其已大到相當(dāng)于鈾的原子數(shù)，因此純只要經(jīng)過代裂變就可以全部發(fā)生裂變．若將鈾做成球狀，其直徑不過，而快中子的速度約為，所以裂變進行得極其迅猛，其爆炸可在百分之一秒內(nèi)完成． 原子彈的結(jié)構(gòu)形式有許多種，一般是將兩塊或多塊小于臨界體積的（或、等）放在一個密封的彈殼內(nèi)，平時這幾塊相隔一定的距離，所以不會爆炸．使用時可通過引爆裝置使它們驟然合為一體，由于其體積超過臨界體積，爆炸瞬間發(fā)生． 6.為什么鈾的同位素中最容易發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng) 在天然鈾中，主要有兩種同位素，的是鈾，的是鈾，中子能引起這兩種鈾核發(fā)生裂變，但它們和中子發(fā)生作用的情況不同． ：俘獲各種能量的中子都會發(fā)生裂變，且俘獲低能量的中子發(fā)生裂變的概率大． ：只有俘獲能量大于的中子才能發(fā)生核反應(yīng)，且裂變的幾率?。畬τ诘陀诘闹凶又慌c鈾核發(fā)生彈性碰撞，不引起核反應(yīng)． 因此，為了使鏈?zhǔn)椒磻?yīng)容易發(fā)牛，最好利用純鈾． 要點三、輕核聚變及其應(yīng)用 1．輕核的聚變 （1）聚變． 把輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核，釋放出核能的反應(yīng)，稱為募變．聚變反應(yīng)又稱為熱核反應(yīng)． （2）聚變方程： ． （3）聚變發(fā)生的條件： 要使輕核聚變，就必須使輕核接近核力發(fā)生作用的距離，但是原子核是帶正電的，要使它們接近就止須克服電荷間很大的斥力作用，這就要求使核具有足夠的動能．要使原子核具有足夠大的動能，就要給核加熱，使物質(zhì)達(dá)到幾百萬度的高溫．綜上所述，核聚變只有在超高溫條件下才能發(fā)生． 2．聚變與裂變的區(qū)別 重核的裂變、輕核的聚變都能釋放出巨大的核能，但兩者是有區(qū)別的． （1）原理不同． 重核的裂變是重核裂變成幾個中等質(zhì)量的原子核，放出能量，而聚變是幾個輕核聚變（結(jié)合）成一個中等質(zhì)量的原子核，放出巨大的能量． （2）放出能量的大小不同． 重核裂變時，平均每個核子釋放的能量約為兆電子伏，而輕核的聚變，平均每個核子釋放出兆電子伏以上的能量，即聚變比裂變能放出更多的能量． （3）廢料處理難度不同． 裂變產(chǎn)生的廢料處理起來比較困難，而熱核反應(yīng)的廢料處理要簡單得多． （4）“燃料”的豐富程度不同． 熱核反應(yīng)所需要的“燃料”——氘在地球上非常豐富，升海水中大約有克氘，如果用來進行熱核反應(yīng)，放出的能量約和燃燒升汽油相當(dāng)．而裂變?nèi)剂稀櫾诘厍蛏蟽α坑邢蓿绕涫怯糜诤肆炎兊拟?，在鈾礦中僅占，相比起來聚變的燃料——氘要豐富得多．我國是一個“貧鈾”國家，貯藏量不多． （5）兩種反應(yīng)的可控制性不同． 裂變反應(yīng)速度可以比較容易地進行人工控制，因此，現(xiàn)在國際上的核電站都是利用裂變放出能量，而聚變反應(yīng)的可控制性比較困難，世界上許多國家都積極研究可控?zé)岷朔磻?yīng)的理論和技術(shù)．我國可控?zé)岷朔磻?yīng)的研究情況是：1984年9月，我國自行研制的可控?zé)岷朔磻?yīng)實驗裝置“中國環(huán)流一號”順利啟動．1094年，具有國際先進水平的可控?zé)岷朔磻?yīng)實驗裝置“超導(dǎo)托卡馬克”已安裝調(diào)試成功，我國研究可控?zé)岷朔磻?yīng)方面已經(jīng)具有一定的實力． 3．輕核聚變釋放核能的計算方法 輕核聚變時釋放出的能量的計算與上兩節(jié)的方法基本相同，具體的仍然分為以下兩種： （1）根據(jù)質(zhì)量虧損計算． 根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程，用核子結(jié)合成原子核時質(zhì)量虧損（）的千克數(shù)乘以真空中光速（）的平方，即 ． ① （2）根據(jù)原子質(zhì)量單位（）相當(dāng)于能量，用核子結(jié)合成原子核時質(zhì)量虧損的原子質(zhì)量單位數(shù)乘以，即 ． ② 要點詮釋：式①中的單位為，式②中的單位是，的單位是． 4．聚變比裂變反應(yīng)放出更多能量的原因 （1）平均每個核子放能較多，是裂變反應(yīng)的倍．如一個氚核和一個氘核結(jié)合成一個氦核時放出能量，平均每個核子放出能量約；而鈾裂變時，平均每個核子放出能量為． （2）同樣質(zhì)量的情況下，輕核的核子個數(shù)多，如氘和氚聚變?yōu)楹r放出的能量為． ． 假設(shè)一個鈾核裂變時平均放出的能量為，則鈾核全部裂變時放出能量為 ． ． 5．熱核反應(yīng)的控制技術(shù)以及聚變的應(yīng)用 （1）控制方法． ①磁約束：利用強磁場來約束參加反應(yīng)的物質(zhì)．目前性能最好的磁約束裝置是環(huán)流器（又稱托卡馬克）．2002年12月“中國環(huán)流器二號”開始運行． ②慣性約束：利用強激光的慣性壓力約束參加反應(yīng)的物質(zhì)． 目前可控制核聚變還處于基礎(chǔ)研究階段． （2）聚變的應(yīng)用． ①核武器——氫彈：是一種不需人工控制的輕核聚變反應(yīng)裝置．它利用彈體內(nèi)的原子彈爆炸產(chǎn)生的高溫高壓引發(fā)熱核聚變爆炸． ②如果攻克了受控?zé)岷司圩兊膶崿F(xiàn)技術(shù)，那就可望解決全世界的“能源危機”． （3）我國的兩彈發(fā)展． 1964年10月16日我國第一顆原子彈爆炸成功． 1967年6月17日我國的氫彈試爆成功． 6．為什么輕核聚變和重核裂變都會釋放能量 （1）可以從核子的平均結(jié)合能上看，如圖． 從圖中可以看出，鐵的平均結(jié)合能最大，也就是核子結(jié)合成鐵或鐵附近的原子核時，每個核子平均放出的能量大．因此可知兩個比鐵輕的原子核結(jié)合時，或比鐵重的重核分裂時，都要放出能量． （2）也可以根據(jù)核子的平均質(zhì)量圖分析，如圖，由圖中可以看出，鐵原子核子的平均質(zhì)量最小，如果原子序數(shù)較大的裂變成或，或者原子序數(shù)較小的和結(jié)合成核，都會有質(zhì)量虧損，根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程，都要放出能量． 要點四、粒子與宇宙 1．“基本粒子”不基本 （1）19世紀(jì)末，許多人認(rèn)為光子、電子、質(zhì)子和中子是組成物質(zhì)的不可再分的最基本粒子． （2）從20世紀(jì)起科學(xué)家陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了多種同種類的新粒子，它們不是由質(zhì)子、中子、電子組成． （3）科學(xué)家進一步發(fā)現(xiàn)質(zhì)子、中子等本身也是復(fù)合粒子，且還有著復(fù)雜的結(jié)構(gòu)． （4）粒子加速器和粒子探測器是研究粒子物理的主要工具． 2．粒子的分類 按照粒子與各種相互作用的關(guān)系，可以將粒子分為三大類：強子、輕子和媒介子． 微觀粒子分類如下表所示： 分類 參與的相互作用 發(fā)現(xiàn)的粒子 備注 強子 強相互作用 質(zhì)子、中子、介子、超子 質(zhì)子是最早發(fā)現(xiàn)的強子強子有內(nèi)部結(jié)構(gòu) 輕子 不參與強相互作用 電子、電子中微子、子、子中微子，子、子中微子 無內(nèi)部結(jié)構(gòu) 媒介子 各種相互作用 光子、中間玻色子、膠子 光子傳遞電磁相互作用 玻色子傳遞弱相互作用 膠子傳遞強相互作用 3．反粒子（反物質(zhì)） 實驗發(fā)現(xiàn)，許多粒子都有和它質(zhì)量相同而電荷及其他一些物理量相反的粒子，叫反粒子．例如電子和正電子，質(zhì)子和反質(zhì)子等．由反粒子構(gòu)成的物質(zhì)叫反物質(zhì)． 反粒子（反物質(zhì)）最顯著的特點是當(dāng)它們與相應(yīng)的正粒子（物質(zhì)）相遇時，會發(fā)生“湮滅”，即同時消失而轉(zhuǎn)化成其他的粒子． 4．夸克模型 實驗表明強子是有內(nèi)部結(jié)構(gòu)的，1964年美國物理學(xué)家蓋爾曼提出了強子的夸克模型，認(rèn)為強子是由夸克構(gòu)成的． 5．宇宙的演化 用粒子物理學(xué)可以較好地解釋宇宙的演化．根據(jù)大爆炸理論，在宇宙形成之初是“粒子家族”盡顯風(fēng)采的時期．在大爆炸的瞬間（約，溫度為）產(chǎn)生夸克、輕子、膠子等粒子．大爆炸后約，溫度下降到左右，夸克構(gòu)成質(zhì)子和中子等強子，這個溫度范圍正是各種強子熙熙攘攘擠在一起的時代，稱為強子時代．當(dāng)溫度下降到（），只剩下少量的夸克，而自由的光子、中微子和電子等輕子大量存在，此時代稱為輕子時代．當(dāng)溫度下降到（），少量的中子和質(zhì)子結(jié)合成氘核，并很快生成氦核，同時有氚核、氦等輕核及其他輕核生成，此時稱為核合成時代．在左右（），電子與原子核結(jié)合成原子，此時稱為復(fù)合時代．繼續(xù)冷卻，質(zhì)子、電子、原子等與光子分離而逐步組成恒星和星系． 6．恒星的演化 大爆炸萬年后，溫度下降到左右．出現(xiàn)了由中性原子構(gòu)成的宇宙塵埃．由于萬有引力作用逐漸凝聚成團塊，形成氣態(tài)的星云團，星云團進一步凝聚收縮，使得引力勢能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，溫度升高，溫度升到一定程度就開始發(fā)光，這樣一顆恒星就誕生了．這顆星繼續(xù)收縮，繼續(xù)升溫，當(dāng)溫度超過時，氫聚變成氦，向外輻射能量，核能耗盡后就進入末期，末期形態(tài)主要有三種：白矮星、中子星和黑洞． 7．夸克理論簡介 夸克理論經(jīng)過幾十年的完善和發(fā)展，已經(jīng)逐漸為多數(shù)粒子物理學(xué)家所接受．根據(jù)夸克理論，夸克有種，它們是上夸克（）、奇異夸克（）、粲夸克（）、下夸克（）、底夸克（）和頂夸克（）．它們帶的電荷分別為元電荷的或．到目前為止，人們已經(jīng)從實驗中發(fā)現(xiàn)了所有種夸克及其反夸克存在的證據(jù)． 夸克模型的提出是物理學(xué)發(fā)展中的一個重大突破，它指出電子電荷不再是電荷的最小單元，即存在分?jǐn)?shù)電荷． 8．統(tǒng)一場論（微觀粒子與宏觀宇宙的統(tǒng)一） 物理學(xué)向微觀粒子和宇宙兩個領(lǐng)域的研究今天得到了初步統(tǒng)一，統(tǒng)一場論在逐漸形成．物理學(xué)完整、和諧美在這里又得到了充分體現(xiàn)．正如緒言中所說：“物理學(xué)中研究最大和最小對象的兩個分支——宇宙學(xué)和粒子物理學(xué)就奇妙地銜接在一起，猶如一條怪蟒咬住自己的尾巴．” 從上面的兩個圖可以看到，人類所在物質(zhì)世界的空間跨度與時間跨度競呈現(xiàn)出如此的對稱美． 要點四、單元知識網(wǎng)絡(luò) 【典型例題】 類型一、核力與核結(jié)合能 例1．科學(xué)研究表明，自然界存在四種基本相互作用．我們知道分子之間也存在相互作用的引力和斥力，那么分子力實質(zhì)上屬于（ ）． A．引力相互作用 B．電磁相互作用 C．強相互作用和弱相互作用的共同作用 D．四種基本相互作用的共同作用 【思路點撥】分子由原子組成，原子是由帶正電的原子核和帶負(fù)電的核外電子組成，分子力就是由這些帶電粒子之間相互作用引起的． 【答案】B 【解析】分子作用范圍約在數(shù)量級上，強相互作用和弱相互作用都是短程力，作用范圍在和之內(nèi)，在這個距離上分子力不存在．在這個范圍內(nèi)引力相互作用和電磁相互作用都存在，但由于電磁力遠(yuǎn)大于萬有引力，引力相互作用可以忽略不計，因此分子力本質(zhì)上屬于電磁相互作用． 【總結(jié)升華】分子由原子組成，原子是由帶正電的原子核和帶負(fù)電的核外電子組成，分子力就是由這些帶電粒子之間相互作用引起的，這樣就很自然地揭示出分子力本質(zhì)上是一種電磁相互作用． 舉一反三: 【變式1】激光中子是由重原子核吸收光子后發(fā)射中子而產(chǎn)生的，光子的極限能量大約是．假定中子從原子核上向外移開距離所受的力保持不變，則平均核力的數(shù)量級是（ ）． A． B． C． D．無法計算 【答案】C 【解析】核力是一種很強的力，應(yīng)存在于相鄰的核子之間，作用范圍在之內(nèi)，由題意知： ， 則 ， 故選項C正確． 【總結(jié)升華】核力是核子內(nèi)特有的力，只在10－15 m范圍內(nèi)才有力的作用，計算時，用能量的觀點做近似的處理，可計算出核力的大?。? 【變式2】下面關(guān)于結(jié)合能和比結(jié)合能的說法中，正確的有（ ）． A．核子結(jié)合成原子核吸收的能量或原子核拆解成核子放出的能量稱為結(jié)合能 B．比結(jié)合能越大的原子核越穩(wěn)定，因此它的結(jié)合能也一定越大 C．重核與中等質(zhì)量原子核相比較，重核的結(jié)合能和比結(jié)合能都大 D．中等質(zhì)量原子核的結(jié)合能和比結(jié)合能均比輕核的要大 【答案】D 【解析】核子結(jié)合成原子核是放出能量，原子核拆解成核子是吸收能量，A選項錯；比結(jié)合能越大的原子核越穩(wěn)定，但比結(jié)合能越大的原子核，其結(jié)合能不一定大，例如中等質(zhì)量原子核的比結(jié)合能比重核大，但由于核子數(shù)比重核少，其結(jié)合能比重核反而小，B、C兩項錯；中等質(zhì)量原子核的比結(jié)合能比輕核的大，它的原子核內(nèi)核子數(shù)又比輕核多，因此它的結(jié)合能也比輕核大，D選項正確． 【總結(jié)升華】結(jié)合能和比結(jié)合能定義的理解是判斷此題關(guān)鍵． 例2．為紀(jì)念愛因斯坦對物理學(xué)的巨大貢獻(xiàn)，聯(lián)合國將2005年定為“國際物理年”．對于愛因斯坦提出的質(zhì)能方程，下列說法中不正確的是（ ）． A．表明物體具有的能量與其質(zhì)量成正比 B．根據(jù)可以計算核反應(yīng)中釋放的核能 C．一個中子和一個質(zhì)子結(jié)合成氘核時，釋放出核能，表明此過程中出現(xiàn)了質(zhì)量虧損 D．中的是發(fā)生核反應(yīng)中釋放的核能 【答案】D 【解析】愛因斯坦質(zhì)能方程，定量地指出了物體能量和質(zhì)量之間的關(guān)系，A正確；由質(zhì)能方程知，當(dāng)物體的質(zhì)量減少時，物體的能量降低，向外釋放了能量；反之，若物體的質(zhì)量增加了，則物體的能量升高，表明它從外界吸收了能量，所以由物體的質(zhì)量變化能算出物體的能量變化。故B、C正確．D錯誤． 【總結(jié)升華】質(zhì)能方程反映了質(zhì)量與能量的對應(yīng)關(guān)系．物體的能量跟其質(zhì)量成正比，即一定的能量必定對應(yīng)著一定的質(zhì)量，質(zhì)量不能轉(zhuǎn)化為能量． 舉一反三: 【變式】已知氮核質(zhì)量，氧核質(zhì)量，氦核質(zhì)量，質(zhì)子質(zhì)量，試判斷核反應(yīng)：是吸能反應(yīng)，還是放能反應(yīng)，能量變化多少？ 【思路點撥】．（單位是）；（單位是）． 【答案】見解析。 【解析】反應(yīng)前總質(zhì)量 ， 反應(yīng)后總質(zhì)量 ． 因為反應(yīng)中質(zhì)量增加，所以此反應(yīng)為吸能反應(yīng)，所吸收的能量為 【總結(jié)升華】核能的計算方法為： （1）根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程，用核子結(jié)合成原子核時質(zhì)量虧損乘以真空中光速的平方： ．（單位是） （2）根據(jù)原子質(zhì)量單位（）相當(dāng)于能量，用核子結(jié)合成原子核時質(zhì)量虧損的原子質(zhì)量單位數(shù)乘以，即 （單位是） 例3．的質(zhì)量是，質(zhì)子的質(zhì)量是，中子質(zhì)量是．求： （1）一個質(zhì)子和兩個中子結(jié)合為氚核時，是吸收還是放出能量？該能量為多少？ （2）氚核的結(jié)合能和比結(jié)合能各是多少？ （3）如果這些能量是以光子形式放出，則光子的頻率是多少？ 【答案】見解析。 【解析】（1）一個質(zhì)子和兩個中子結(jié)合成氚核的反應(yīng)方程式是 ， 反應(yīng)前各核子總質(zhì)量為 ， 反應(yīng)后新核的質(zhì)量為 ， 質(zhì)量虧損為 ． 因反應(yīng)前的總質(zhì)量大于反應(yīng)后的總質(zhì)量，故此核反應(yīng)為放能反應(yīng)． 釋放的核能為 ． （2）氚核的結(jié)合能即為 ， 它的比結(jié)合能為 ． （3）放出光子的頻率為 ．． 舉一反三: 【變式1】某核反應(yīng)方程為．已知的質(zhì)量為，的質(zhì)量為，的質(zhì)量為，的質(zhì)量為．則下列說法中正確的是（ ）． A．是質(zhì)子，該反應(yīng)釋放能量 B．是中子，該反應(yīng)釋放能量 C．是質(zhì)子，該反應(yīng)吸收能量 D．是中子，該反應(yīng)吸收能量 【答案】B 【變式2】一對正、負(fù)電子相撞，可以轉(zhuǎn)化為兩個頻率相同的光子，試求這對光子的頻率． 【答案】見解析。 【解析】正、負(fù)電子相撞轉(zhuǎn)變成兩個光子，光子質(zhì)量為零，兩個電子的質(zhì)量虧損以光子輻射的形式釋放能量，每個光子所具有的能量占總能量的二分之一， ． 每一光子能量 ． 則光子頻率： ． 【變式3】一真空中存在磁感應(yīng)強度為的勻強磁場，磁場中有一靜止的質(zhì)量為的原子核發(fā)生一次衰變，已知粒子的質(zhì)量為，電荷量為，其運動的軌跡在與磁場垂直的平面內(nèi)．現(xiàn)測得粒子運動的軌道半徑為，試求出在衰變過程中的質(zhì)量虧損．（注：涉及動量問題時，虧損的質(zhì)量可忽略不計）． 【答案】見解析。 【解析】設(shè)衰變放出的粒子的速度為，則： ， 用表示衰變后剩余核的速度，在考慮衰變過程中系統(tǒng)的動量守恒時，因為虧損質(zhì)量很小，可不予考慮，由動量守恒定律可知： ． 在衰變過程中，粒子和剩余核的動能來自于核能，即 ， 解得： ． 【總結(jié)升華】本題是釋放的核能轉(zhuǎn)換成了粒子和新核的動能。再根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程進行分析計算．本題考查衰變中動量守恒定律的應(yīng)用、磁場中粒子做圓周運動的分析及核能的計算． 類型二、重核裂變及其應(yīng)用 例4．關(guān)于重核的裂變，以下說法正確的是（ ）． A．核裂變釋放的能量等于它俘獲中子時得到的能量 B．中子從鈾塊中通過時，一定發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng) C．重核裂變釋放出大量能量，產(chǎn)生明顯的質(zhì)量虧損，所以核子數(shù)要減少 D．由于重核的核子平均質(zhì)量大于中等質(zhì)量核的核子平均質(zhì)量，所以重核裂變?yōu)橹械荣|(zhì)量的核時，要發(fā)生質(zhì)量虧損，放出核能 【思路點撥】根據(jù)重核發(fā)生裂變的條件和裂變放能的原理分析． 【答案】D 【解析】根據(jù)重核發(fā)生裂變的條件和裂變放能的原理分析可知，裂變時因鈾核俘獲中子即發(fā)生核反應(yīng)，是核能轉(zhuǎn)化為其他形式能的過程，其釋放的能量遠(yuǎn)大于其俘獲中子時吸收的能量．鏈?zhǔn)椒磻?yīng)是有條件的，即鈾塊的體積必須大于其臨界體積．如果體積小，中子從鈾塊中穿過時，碰不到原子核，則鏈?zhǔn)椒磻?yīng)就不會發(fā)生．在裂變反應(yīng)中核子數(shù)是不會減少的，如裂變?yōu)楹偷暮朔磻?yīng)，其核反應(yīng)方程為 ， 其中各粒子質(zhì)量分別為 ， ， ， ， 質(zhì)量虧損為 ． 可見鈾裂變的質(zhì)量虧損是遠(yuǎn)小于一個核子的質(zhì)量的，核子數(shù)是不會減少的，因此選項A、B、C均錯．重核裂變?yōu)橹械荣|(zhì)量的原子核時，由于平均質(zhì)量減小，還會發(fā)生質(zhì)量虧損，從而釋放出核能．綜上所述，選項D正確． 【總結(jié)升華】重核發(fā)生裂變的條件是：（1）要俘獲慢中子；（2）鈾塊的體積要大于臨界體積． 重核裂變放能的原因是：重核核子的平均質(zhì)量大于中等核核子的平均質(zhì)量． 舉一反三: 【變式】在核反應(yīng)堆中，為了使中子減速成為慢中子，必須用重水或石墨作慢化劑，使快中子跟慢化劑的原子核相碰（設(shè)這些碰撞是彈性正碰），以達(dá)到減速的目的．你認(rèn)為用質(zhì)量數(shù)大的作慢化劑效果好還是用質(zhì)量數(shù)小的作慢化劑效果好?試作相應(yīng)說明和計算（設(shè)減速劑原子核原來是靜止的）． 【答案】見解析。 【解析】因中子與慢化荊原予核發(fā)生彈性碰撞，碰撞過程動量和能量都守恒． 設(shè)中子質(zhì)量為，慢化劑原子核質(zhì)量為，中子的初速度為，有 ， ， 解得 ． 可見，當(dāng)越接近時，越小，即質(zhì)子數(shù)小的減速效果好． 例5．核反應(yīng)堆的構(gòu)造是怎樣的？有哪些類型？ 【答案】見解析。 【解析】在核電站中，核反應(yīng)堆是熱源，如圖為簡化的核反應(yīng)堆的示意圖： 鈾棒是燃料，由天然鈾或濃縮鈾（鈾的含量占）制成，石墨（或重水）為減速劑，使反應(yīng)生成的快中子變?yōu)槁凶?，便于鈾吸收，發(fā)生裂變，減速劑附在鈾棒周圍．鎘棒的作用是吸收中子，控制反應(yīng)速度，所以也叫控制棒，控制棒插入深些，吸收中子多，反應(yīng)速度變慢；插入淺一些，吸收中子少，反應(yīng)速度加快，采用電子儀器自動地調(diào)節(jié)控制棒的升降，就能使反應(yīng)堆安全正常地工作． 核反應(yīng)釋放的能量大部分轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，這時通過水、液態(tài)鈉或二氧化碳作冷卻劑，在反應(yīng)堆內(nèi)外循環(huán)流動，把內(nèi)能傳輸出去，用于推動蒸汽機，使發(fā)電機發(fā)電．發(fā)生裂變反應(yīng)時，會產(chǎn)生一些有危害的放射性物質(zhì)，很厚的混凝土防護層可以防止輻射線射到外面． 核反應(yīng)堆有下列不同類型 （1）氣冷式反應(yīng)堆，即采用冷氣體作為冷卻劑，如空氣、二氧化碳等，英國大多數(shù)核電站的反應(yīng)堆是氣冷式的． （2）水冷式反應(yīng)堆． ①壓水堆與沸水堆： 在正常運動條件下，壓水堆內(nèi)的水由于受到很高的壓力，始終處于“液態(tài)”，我國已建成的秦山核電站（一期）和大亞灣核電站以及正在建設(shè)的秦山二期、嶺澳和田灣核電站均采用壓水堆．沸水反應(yīng)堆內(nèi)的水處于汽、液兩相的狀態(tài)． ②輕水堆與重水堆： 氫有三種同位素：氕、氘、氚．普通水中的氫原子是“氕”，這種水稱為“輕水”；若水中的氫原子是“氘”，則稱為“重水”，“輕水堆”和“重水堆”的區(qū)別在于反應(yīng)堆的冷卻劑、慢化劑是“輕水”還是“重水”．秦山三期核電工程采用的是重水堆． 【總結(jié)升華】了解核反應(yīng)堆的構(gòu)造，搞清各部的作用及基本原理． 例6．已知一個鈾核裂變時能釋放的能量，問鈾完全裂變能釋放多少能量？相當(dāng)于完全燃燒多少噸熱值為的煤所放出的能量？ 【思路點撥】第一步如何把已知與所求聯(lián)系起來，特別是要能考慮到利用相對原子質(zhì)量和阿伏加德羅常數(shù)來計算1 kg鈾所含有的原子核數(shù)． 【答案】見解析。 【解析】首先求出鈾中含有的原子核數(shù)，然后即可根據(jù)已知求解． 鈾中含有的原子核數(shù)為 ， 每個鈾核裂變能放出的能量，則鈾核裂變能釋放 設(shè)與鈾完全裂變釋放出的能量相當(dāng)?shù)拿旱馁|(zhì)量是，則 ． ． 【總結(jié)升華】解答此題的關(guān)鍵在于第一步如何把已知與所求聯(lián)系起來，特別是要能考慮到利用相對原子質(zhì)量和阿伏加德羅常數(shù)來計算1 kg鈾所含有的原子核數(shù)，然后一切問題便迎刃而解． 舉一反三: 【變式】受中子轟擊時會發(fā)生裂變，產(chǎn)生和，同時放出兆電子伏的能量．現(xiàn)要建設(shè)發(fā)電能力是萬千瓦的核電站，用鈾作為原子鍋爐的燃料．假設(shè)核裂變釋放的能量全部被用來發(fā)電，那么一天需要純鈾的質(zhì)量為多大？（阿伏加德羅常數(shù)?。? 【答案】見解析。 【解析】鈾釋放的能量等于一天發(fā)電的電能．計算出萬千瓦的電站一天發(fā)出的電能，也就是一天所需的鈾釋放的核能，進而求得鈾的質(zhì)量． 先根據(jù)發(fā)電功率計算出每天所發(fā)電能的總量為： ． 要得到這么多能量需要裂變的鈾原子數(shù)目為： ． 則對應(yīng)的質(zhì)量為： ． 【總結(jié)升華】本題以核電站發(fā)電為背景材料，通過量化計算，說明核能的利用是解決能源問題的有效途徑． 類型三、輕核聚變及其應(yīng)用 例7．產(chǎn)生聚變的條件是________，我們往往采用________的方法來滿足上述條件，這種反應(yīng)叫做________．太陽每秒鐘輻射出來的能量約為，就是從________反應(yīng)中產(chǎn)生的，太陽內(nèi)部時刻進行著個質(zhì)子結(jié)合成一個氦核的反應(yīng)，試寫出核反應(yīng)方程________． 【答案】使輕核之間的距離減小到 把它們的溫度加熱到很高 熱核反應(yīng) 熱核 【解析】“聚變”就是要使原先相距“較遠(yuǎn)”的核克服庫侖斥力而結(jié)合為一個“穩(wěn)定”的新核，因此事先必須讓兩核獲得較大的初動能，常采用加熱的方法． 【總結(jié)升華】目前地球上的常規(guī)能源（如煤、石油、天然氣、水能、風(fēng)能）歸根結(jié)底都來自于太陽內(nèi)部劇烈的熱核反應(yīng)所產(chǎn)生的能量． 舉一反三: 【變式】據(jù)新華社報道，由我國自行設(shè)計、研制的世界第一套全超導(dǎo)核聚變實驗裝置（又稱“人造太陽”）已完成了首次工程調(diào)試．下列關(guān)于“人造太陽”的說法正確的是（ ）． A．“人造太陽”的核反應(yīng)方程式是 B．“人造太陽”的核反應(yīng)方程式是 C．根據(jù)公式可知，核燃料的質(zhì)量相同時，聚變反應(yīng)釋放的能量比裂變反應(yīng)大得多 D．根據(jù)公式可知，核燃料的質(zhì)量相同時，聚變反應(yīng)釋放的能量與裂變反應(yīng)釋放的能量相同 【答案】A、C 【解析】是氫核聚變方程，故A項正確；根據(jù)氫核聚變特點，相同質(zhì)量的核燃料，氫核聚變釋放的能量比裂變反應(yīng)大得多，故選項C正確． 【總結(jié)升華】了解“人造太陽”是聚變及聚變中釋放的能比裂變中釋放能量多是解決本題的前提． 例8．使兩個氘核聚變生成一個氦核要放出多少核能？ 【思路點撥】求出質(zhì)量虧損，關(guān)鍵是要正確寫出核反應(yīng)方程． 【答案】見解析。 【解析】聚變的核反應(yīng)式為 ． 根據(jù)不同的已知條件，通?？梢杂袃煞N計算方法． 方法一：先查出氘核和氦核的質(zhì)量 ， ． 然后根據(jù)反應(yīng)前后的質(zhì)量虧損，用質(zhì)能方程算出釋放的核能． 方法二：先查出氘核和氦核的結(jié)合能 ， ． 然后采用“先拆散、后結(jié)合”的方法，即先把個氘核分解成個自由核子（個中子和個質(zhì)子），再使這個自由核子結(jié)合成氦核，比較前后兩個過程中釋放的結(jié)合能，同樣可得出結(jié)果． 如方法一，核反應(yīng)前后的質(zhì)量虧損為 ． 釋放出的核能為 ． 【總結(jié)升華】釋放的能量仍然要求出質(zhì)量虧損，關(guān)鍵是要正確寫出核反應(yīng)方程． 舉一反三: 【變式1】已知一個鈹核和一個粒子結(jié)合成一個碳核，并放出的能量． （1）寫出核反應(yīng)方程． （2）若鈹核和粒子共有，則剛好完全反應(yīng)，那么共放出多少的能量? （3）質(zhì)量虧損共多少? 【答案】（1） （2）； （3）． 【變式2】兩個氘核聚變產(chǎn)生一個中子和一個氦核，已知氘核質(zhì)量，氦核質(zhì)量，中子質(zhì)量． （1）計算釋放出的結(jié)合能； （2）若反應(yīng)前兩氘核的動能均為，它們正撞發(fā)生聚變，且反應(yīng)后釋放的核能全部轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽?，則反應(yīng)產(chǎn)生的氦核和中子的動能各為多大？ 【答案】見解析。 【解析】（1）核反應(yīng)方程為： ． 該反應(yīng)質(zhì)量虧損 ． 由質(zhì)能方程得釋放核能 ． （2）將兩氘核作為一個系統(tǒng)，由動量守恒有 ， ① 由能量守恒有： ． ② 由①②代入數(shù)據(jù)可得 ， ． 【總結(jié)升華】核反應(yīng)中注意應(yīng)用動量守恒和能量守恒；特別是能量守恒中的關(guān)系式不能出錯． 例9．（1）太陽內(nèi)部持續(xù)不斷地發(fā)生著四個質(zhì)子聚變?yōu)橐粋€氦核的熱核反應(yīng)，這種核反應(yīng)釋放出的能量就是太陽能的能源．其核反應(yīng)方程是________；若，，．則該反應(yīng)中發(fā)生的質(zhì)量虧損是________；如果相當(dāng)于，由該反應(yīng)中釋放的能量是________． 由于核反應(yīng)中的質(zhì)量虧損，太陽的質(zhì)量緩慢減少，與現(xiàn)在相比，在很久很久以前，地球公轉(zhuǎn)的周期________（填“較長”“較短”或“沒有變化”）． （2）利用光電轉(zhuǎn)換裝置可以將太陽能轉(zhuǎn)化為電能．若地球附近某太空站上的太陽能電池接收板的面積是，光電轉(zhuǎn)化效率為．已知太陽輻射的總功率為，太陽輻射穿過太空的能量損失忽略不計，光速為，太陽光射到地球上經(jīng)歷的時間是．試求該太陽能電池能夠輸出的最大電功率． 【答案】（1） 較短 （2） 【解析】（1）核反應(yīng)方程為 ． 核反應(yīng)的質(zhì)量虧損為 ． 該核反應(yīng)釋放的能量為 ． 在很久很久以前，太陽的質(zhì)量比現(xiàn)在的大，太陽和地球間的萬有引力比現(xiàn)在的大，由， 可知很久很久以前，地球公轉(zhuǎn)的周期較短． （2）以太陽為中心，日地間距離為半徑做一個球面，其表面積，． 設(shè)接收板上獲得的輻射功率為，當(dāng)其正對太陽光時，獲得功率最大，則，聯(lián)立求解可得 ． 則太陽能電池能夠輸出的最大電功率為 ． 類型四、粒子與宇宙 例10．已知介子、介子都是由一個夸克（夸克或夸克）和一個反夸克（反夸克或反夸克）組成的，它們的帶電量如下表所示。為元電荷． 帶電量 下列說法中正確的是（ ）． A．由和組成 B．由和組成 C．由和組成 D．由和組成 【答案】A、D 【解析】根據(jù)電荷量關(guān)系可知，由于介子帶有的電量，又由于介子是由一個夸克和一個反夸克組成，根據(jù)題意可知介子（）應(yīng)由一個夸克和反夸克構(gòu)成，同理介子由夸克和反夸克構(gòu)成． 舉一反三: 【變式1】目前普遍認(rèn)為，質(zhì)子和中子都是由被稱為夸克和夸克的兩類夸克組成．夸克帶電量為，夸克帶電量，為基元電荷．下列論斷可能正確的是（ ）． A．質(zhì)子由1個夸克和1個夸克組成，中子由1個夸克和2個夸克組成 B．質(zhì)子由2個夸克和1個夸克組成，中子由1個夸克和2個夸克組成 C．質(zhì)子由1個夸克和2個夸克組成，中子由2個夸克和1個夸克組成 D．質(zhì)子由2個夸克和1個夸克組成，中子由1個夸克和1個夸克組成 【答案】B 【變式2】現(xiàn)在，科學(xué)家們正在設(shè)法尋找“反物質(zhì)”，所謂“反物質(zhì)”是由“反粒子”構(gòu)成的，“反粒子”與其對應(yīng)的正粒子具有相同質(zhì)量和相同電荷量，但電荷的電性相反，據(jù)此，若有反粒子，它的質(zhì)量數(shù)為________，電荷數(shù)為________． 【答案】 【解析】由于正粒子為，質(zhì)量數(shù)為，電荷數(shù)為，根據(jù)題中對“反粒子”的定義，反粒子，質(zhì)量數(shù)也為，而電荷教則應(yīng)為． 【總結(jié)升華】關(guān)鍵是清楚“反粒子”的定義，就不難求出此題． 例11．某一年，顆人造衛(wèi)星同時接收到來自遠(yuǎn)方的中子星發(fā)射的光子，經(jīng)分析確認(rèn)，個負(fù)電子和個正電子湮滅時放出個頻率相同的光子．已知負(fù)電子、正電子的靜止質(zhì)量，又已知靜止質(zhì)量為的粒子，其能量和湮滅前的動量滿足關(guān)系．式中為光速，若負(fù)電子、正電子的動量為零，求： （1）寫出湮滅的核反應(yīng)方程式這； （2）用動量的有關(guān)知識說明上述核反應(yīng)不可能只放出一個光子； （3）計算出光子的頻率． 【思路點撥】光子、電子等均有動量和能量且均守恒． 【答案】見解析。 【解析】（1）核反應(yīng)方程式為 ． （2）若只放出一個光子，說明反應(yīng)后總動量不為零，而反應(yīng)前總動量為零，違反動量守恒定律，所以只放出一個光子是不可能的． （3）正、負(fù)電子湮滅前的動量為零，即項為零，可知其對應(yīng)的能量為 ， 光子的能量滿足 ， 由能量守恒有： ， 即得頻率為 ． 【總結(jié)升華】光子、電子等均有動量和能量且均守恒． 舉一反三: 【變式】科學(xué)家發(fā)現(xiàn)太空中的射線一般都是從很遠(yuǎn)的星體放射出來的．當(dāng)射線爆發(fā)時，在數(shù)秒鐘內(nèi)所產(chǎn)生的能量相當(dāng)于太陽在過去億年所發(fā)生的能量的總和的倍左右，大致相當(dāng)于將太陽的全部質(zhì)量轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰康目偤停茖W(xué)家利用超級計算機對射線的狀態(tài)進行了模擬．經(jīng)模擬發(fā)現(xiàn)射線爆發(fā)是起源于一個垂死的星球的“坍縮”過程，只有星球“坍縮”時，才可以發(fā)出這么巨大的能量．已知太陽光照射到地球上大約需要分秒的時間，由此來估算在宇宙中，一次射線爆發(fā)所放出的能量．（萬有引力常量，年時間約為） 【答案】見解析。 【解析】 ， 地球做勻速圓周運動，萬有引力提供向心力： ， 太陽的質(zhì)量為： ， 射線爆發(fā)所發(fā)出的能量： ． 【總結(jié)升華】根據(jù)信息求出太陽質(zhì)量以及與之對應(yīng)的能量值，挖掘信息是關(guān)鍵． 例12． 1997年8月26日在日本舉行的國際學(xué)術(shù)會上，德國的研究組宣布了他們的研究成果，銀河系的中心可能存在一個大黑洞，他們的根據(jù)是用口徑為的天文望遠(yuǎn)鏡對獵戶座中位于銀河系中心附近的星系進行近六年的觀測所得到的數(shù)據(jù)，他們發(fā)現(xiàn)距銀河系中心約億千米的星體正以的速度圍繞銀河系中心旋轉(zhuǎn)．根據(jù)上面的數(shù)據(jù)，試在經(jīng)典力學(xué)范圍內(nèi)（見提示），通過計算確認(rèn)，如果銀河系中心確實存在黑洞的話，其最大半徑是多少？（最后結(jié)果保留一位有效數(shù)字，引力常量） 提示：（1）黑洞是一種密度極大的天體，其表面的引力是如此之強，以致包括光在內(nèi)的所有物質(zhì)都逃脫不了其引力的作用； （2）計算中可以采用拉普拉斯黑洞模型，即使黑洞表面的物體初速等于光速也逃脫不了引力的作用． 【答案】見解析。 【解析】設(shè)黑洞質(zhì)量為，由題中信息“銀河系的中心可能存在一個大黑洞，距銀河系中心約億千米的星體正以的速度圍繞銀河系中心旋轉(zhuǎn)”可以得到這樣一個理想模型：質(zhì)量為的星體繞銀河系中心做圓周運動，則 ， 得 ． 由拉普拉斯黑洞模型的信息得到：若質(zhì)量為的物體能以光速在其表面環(huán)繞飛行，而不會離去，則 ， 得 ． 【總結(jié)升華】黑洞的計算包括兩點：（1）黑洞質(zhì)量與圓周運動關(guān)系；（2）物體以光速繞黑洞飛行，即．