人教版高中物理选修3-5课件19.7-19.8核聚变粒子和宇宙(共40张PPT)

(共40张PPT)
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核聚变
一、核聚变
1
、
轻核的聚变（热核反应）
某些轻核能够结合在一起，生成一个较大的原子核，同时放出大量的核能。这种核反应叫做核聚变。
一、核聚变
3、发生聚变的条件:
要使原子核间的距离达到10-15m
4、实现的方法有:
1）用加速器加速原子核；
2）把原子核加热到很高的温度；
不经济
需要克服极大的库仑斥力，因此必须让轻核具有很大的动能。
几百万K高温
聚变反应又叫热核反应
核聚变的利用——氢弹
核聚变的利用——氢弹
弹体
引爆装置
小型原子弹
三种炸药：
普通炸药
Ｕ235
氘、氚
爆炸
裂变
聚变
氘、氚、重氢化钾等
铀235
外壳
普通炸药
世界第一颗氢弹——麦克
我国第一颗氢弹爆炸成功
氢弹爆炸形成的磨姑云
太阳是一个巨大的热核反应堆。
热核反应在宇宙中时时刻刻地进行着，太阳的中心温度达1.5×107
K，因而在那里进行着激烈的热核反应，不断向外界释放着巨大的能量。太阳每秒释放的能量约为3.8×1026
J，地球只接受了其中的二十亿分之一。太阳在“核燃烧”的过程中“体重”不断减轻。它每秒有７亿吨原子核参与碰撞，辐射出的能量与400万吨的物质相当。科学家估计，太阳的这种“核燃烧”还能维持几十亿年。当然，与人类历史相比，这个时间很长很长！
太阳的中心发生核聚变，放出巨大能量，这个天然的核聚变过程已经发生了好几十亿年
（1）轻核聚变产能效率高
1.聚变与裂变相比的优点：
（2）地球上聚变燃料的储量丰富
（3）轻核聚变更安全、清洁
（4）反应中放射物质的处理较容易
相同的核燃料释放的能量多。常见的聚变反应平均每个核子放出的能量约3.3MeV，而裂变时平均每个核子释放的能量约为1MeV。
1L海水中大约有0.03g氘，大约有40多万亿吨氘。锂的储量有2000亿吨，用来制取氚足以满足聚变的需要。
实现核聚变需要高温，一旦出现故障，高温不能维持，反应就自动终止了。
氘和氚聚变反应中产生的氦是没有放射性的，放射性废物主要是泄漏的氚以及聚变时高速中子、质子与其他物质反应而生成的放射性物质，比裂变所生成的废物的数量少，容易处理。
二、受控热核反应——核聚变的利用
磁约束
带电粒子运动时在均匀磁场中会洛伦兹力的作用而不飞散，因此有可能利用磁场来约束参加反应的物质。
2.实现核聚变的难点：地球上没有任何容器能够经受如此高的温度。为了解决这个难题，科学家设想了两种方案：1.磁约束
2.惯性约束
用激光引发核聚变的设备
惯性约束
由于聚变反应的时间非常短，聚变物质因自身的惯性还来不及扩散就完成了核反应。在惯性约束下，可以用激光从各个方向照射参加反应的物质，使它们“挤”在一起发生反应。
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粒子和宇宙
道尔顿（原子）
汤姆逊（电子）
卢瑟福（质子）
查德威克（中子）
盖尔曼（夸克）
一、“基本粒子”不基本
发现了电子、质子和中子后，许多人认为光
子和它们是组成物质的“基本粒子”。
逐渐发现了数以百计的不由质子、中子、电
子组成的新粒子；又发现质子、中子等本身
也有自己的复杂的结构。从20世纪后半期
起，就将“基本”二字去掉，统称为粒子。
19世纪末都认为原子是组成物质的最小微粒。
二、发现新粒子
20世纪30年代以来，人们在对宇宙射线的研
究中陆续发现了一些新的粒子。
1932年发现了正电子
1937年发现了
子
1947年发现了K介子和
介子
后来还发现了一些粒子，质量比质子的质
量大，叫做超子。
粒子加速器使带电粒子加速到很高的能量，有助于发现更多的新粒子。
反粒子
质量、寿命、自旋等物理性质相同而电荷等其
他性质相反的粒子。
电子
正电子
质子
反质子
粒子的分类
按照粒子与各种相互作用的不同关系，将粒子分为三类。
强子：参与强相互作用的粒子。例如：质子。强子又分为介子和重子两类。
轻子：不参与强相互作用的粒子。例如：电子和电子中微子、μ子和μ子中微子、τ子和τ子中微子。每种轻子都有对应的反粒子。τ子质量比核子大。现代实验还没有发现轻子的内部结构。
媒介子：传递各种相互作用的粒子。如：光子、中间玻色子、胶子。分别传递电磁相互作用、弱相互作用、强相互作用。
现在已经发现的粒子达到400多种。
三、夸克模型
1964年盖尔曼提出夸克的设想，认为强子由更基本的成分组成，这种成分叫做夸克。。
6种夸克：上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克、底夸克、顶夸克。
夸克所带电荷分别为元电荷的
或
。
每种夸克都有对应的反夸克。
1995美国费米国家加速器实验室证实了顶夸克的存在。
到目前为止，人们已经从实验中发现了所有6种夸克及其反夸克存在的证据。
夸克模型指出电子电荷不再是电荷的最小单位，即存在分数电荷。
科学家直到今天都还未捕捉到自由的夸克。夸克不能以自由的状态单个出现，这种性质称为夸克的“禁闭”。能否解放被禁闭的夸克，是21世纪物理学面临的重大课题之一。
四、宇宙的演化
物理学中有一个非常有趣的现象：研究微观世界的粒子物理、量子理论，与研究宇宙的理论竟然相互沟通、相互支撑。
正如诺贝尔物理学奖获得者格拉肖所说：“隐藏在原子内心的，是宇宙结构的秘密。”
早在1929年，埃德温·哈勃作出了一个具有里程碑意义的发现，即不管你往哪个方向看，远处的星系正急速地远离我们而去。换言之，宇宙正在不断膨胀。这意味着，在早先星体相互之间更加靠近。事实上，似乎在大约100亿至200亿年之前的某一时刻，它们刚好在同一地方，所以哈勃的发现暗示存在一个叫做大爆炸的时刻，当时宇宙无限紧密。
大爆炸宇宙论
大爆炸理论
(The
Big
Bang
Theory)
宇宙从一个“奇点”爆炸产生
1948年，伽莫夫与他的两个学生——拉尔夫·阿尔菲和罗伯特·赫尔曼一道，提出了热大爆炸宇宙学模型。
大爆炸之后约10-44s，温度为1032K，产生了夸克、轻子、胶子等粒子。
大爆炸后约10-6s，温度下降到1013K，夸克构成了质子和中子等强子，成为强子时代。
再晚一些时候，温度下降到1011K，只剩下少量夸克，而自由的光子、中微子和电子等轻子大量存在，成为轻子时代。
温度下降到109K，中子和质子结合成氘核，并很快生成氦核，同时有氚核、氦3等其他轻核生成，成为核合成的时代。
大爆炸1万年之后，温度降到104K，宇宙由电子、质子和氦核的混合电离气体组成。
温度降到3000K，电子和质子复合成为中性的氢原子。
继续冷却，质子、电子、原子等与光子分离而逐步组成恒星和星系。
大爆炸理论的主要观点是认为我们的宇宙曾有
一段从热到冷的演化史。
早期只有
中子、质
子、中微
子等一些
基本粒子
形态的物
质。
当温度降
到几千度
时，辐射
减退，宇
宙间主要
是气态物
质。
温度下降
到
,
核合成的
时代。
继续冷却,
逐渐形成
恒星和星
系。
五、恒星的演化
大爆炸10万年后，温度下降到3000K，出现由中性原子构成的宇宙尘埃。
由于万有引力的作用，尘埃形成了气体状态的星云团。
星云团的进一步凝聚使得引力势能转化为内能，温度升高，到一定程度就开始发光，于是恒星诞生了。
恒星继续收缩、升温。当温度超过107K时，氢通过热核反应成为氦，核能以电磁波的形式向外辐射。辐射产生的向外的压力与引力产生的收缩压力平衡,星体稳定下来。太阳目前正处于这一阶段的中期，要再过50亿年才会转到另一个演化阶段。
当恒星核心部分的氢大部分聚变为氦以后，核反应变弱，辐射压力下降，星核在引力作用下再次收缩。
引力势能产生的热将使温度继续升高，发生氦核聚合成碳核的聚变反应，类似过程一波接一波继续下去，出现了氧、硅，直到铁等更重的元素。恒星多次膨胀与收缩，光度也反复变化。
各种热核反应不再发生时，辐射压力消失。星体在引力作用下进一步收缩，中心密度极大。
恒星的最后归宿与恒星的质量大小有关。
1、若恒星的质量小于1.4倍
太阳质量，演变为白矮星。
2、若恒星的质量为太阳质量
的1.4～2倍，演变为中子星。
3、恒星的质量更大时，演变
为黑洞。
恒星的演化
瞬间的绚烂——超新星爆发
对于大质量的恒星，由于引力巨大，氢烧完后，引力导致的坍缩会十分猛烈，这时，大量的能量瞬间爆发出来，恒星的亮度瞬间爆增上千万倍，乃至上百亿倍，这就是超新星爆发。一颗超新星在爆发时输出的能量可高达1043焦，这几乎相当于我们的太阳在100亿年时间里输出能量的总和。超新星爆发时，抛射物质的速度可达107m/s，超新星并不是新的星，而是恒星死亡的绽放。
金牛座蟹状星云是1054年爆发超新星的遗骸
大麦哲伦星云1987A超新星
恒星的演化
恒星的死亡——中子星
超新星爆发后，如果剩下的核的质量在1．44—2个太阳质量（奥本海默极限
）之间。巨大的引力使得电子的简并压力也不足以对抗，电子被压入原子核，整个恒星成为一个中子球，依靠中子的泡利不相容原理产生的简并压力对抗引力。它的直径只有10千米左右，其密度特别大，1立方厘米可达1亿吨以上，自转特别快。也叫脉冲星。
白矮星、地球和中子星大小的比较
诞生
稳定
衰老
归宿
练习
1、下列微粒按从大到小的顺序排列正确的是：
A、分子、夸克、质子、电子
B、分子、原子、电子、原子核
C、原子核、电子、质子、分子
D、分子、原子核、质子、夸克
D
17．(2004天津)
中子内有一个电荷量为+2e/3
的上夸克和两个电荷量为的
-1e/3
下夸克，一简单模型是三个夸克都在半径为r
的同一圆周上，如图1所示。图2给出的四幅图中，能正确表示出各夸克所受静电作用力的是:
A．
B．
C．
D．
B
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