高中物理 第19章 第7節(jié) 核聚變同步輔導(dǎo)與檢測(cè)課件 新人教版選修35.ppt

第7節(jié)核聚變 原子核 中國(guó)核聚變中性束注入技術(shù)取得重大突破最大的受控核聚變實(shí)驗(yàn)裝置 中國(guó)環(huán)流器新一號(hào)在已經(jīng)進(jìn)行的物理實(shí)驗(yàn)中 兆瓦級(jí)中性束注入成功地達(dá)到了11mw的離子束功率 使裝置內(nèi)等離子體溫度提高了1倍以上 據(jù)專家稱 這標(biāo)志著我國(guó)核聚變研究中性束注入技術(shù)取得重大突破 同時(shí)表明我國(guó)的兆瓦級(jí)注入器已研制成功 受控核聚變是當(dāng)代科技界為解決人類未來能源問題而開發(fā)的一項(xiàng)尖端科技攻關(guān)課題 其中大功率中性束注入在核聚變研究裝置的等離子體加熱 磁約束改善 無感電流驅(qū)動(dòng)及加料方面均占有重要地位 是目前國(guó)際上該研究領(lǐng)域最有效的加熱手段 據(jù)悉 當(dāng)前世界幾大尖端受控核聚變實(shí)驗(yàn)裝置在以中性束加熱為主的條件下 已超過了實(shí)驗(yàn)核聚變反應(yīng)點(diǎn)火要求的溫度 據(jù)了解 我國(guó)約在20年前就開始了大功率中性束注入的研究 近年來作為國(guó)家高科技攻關(guān)項(xiàng)目 深入開展了兆瓦級(jí)中性束注入技術(shù)的研究 進(jìn)一步探索了離子源放電等離子體的物理特征 離子源引出系統(tǒng)的束光學(xué)特性等 特別是在2000年的實(shí)驗(yàn)中 采取了改善電源特性 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的動(dòng)真空參數(shù) 計(jì)算機(jī)模擬放電系統(tǒng)宏觀參數(shù)等創(chuàng)新技術(shù) 使實(shí)驗(yàn)取得突破 專家認(rèn)為 我國(guó)兆瓦級(jí)中性束注入技術(shù)的突破 為我國(guó)正建設(shè)中的新一代核聚變研究裝置 中國(guó)環(huán)流器二號(hào)a提供了有效的等離子體加熱手段 將進(jìn)一步加快我國(guó)受控核聚變研究躋身國(guó)際先進(jìn)行列的步伐 1 核聚變 熱核反應(yīng) 1 聚變 輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核的反應(yīng)過程稱為聚變 聚變伴隨 大量的核能 典型聚變的核反應(yīng)方程為 17 60mev 2 熱核反應(yīng) 為了使輕核聚合 必須給它加熱到很高溫度 幾百萬(wàn)度以上 使原子核獲得很大的 這樣才能使原子核克服正電荷間巨大的 進(jìn)入 范圍內(nèi) 發(fā)生聚變 所以聚變反應(yīng)也稱熱核反應(yīng) 熱核反應(yīng)一旦發(fā)生 就不再需要外界給它們能量 而靠 的能量把反應(yīng)進(jìn)行下去 熱核反應(yīng)過程十分激烈 氫彈就是利用熱核反應(yīng)制造的一種大規(guī)模殺傷性武器答案 1 釋放 2 動(dòng)能庫(kù)侖力10 15m自身釋放 熱核反應(yīng)在宇宙中是很普遍的 太陽(yáng)內(nèi)部和許多恒星內(nèi)部 溫度高達(dá) 以上 熱核反應(yīng)在那里激烈地進(jìn)行著 太陽(yáng)每秒鐘輻射出來的能量約為3 8 1026j 就是熱核反應(yīng)產(chǎn)生的 2 受控?zé)岷朔磻?yīng) 1 聚變反應(yīng)和裂變反應(yīng)相比之優(yōu)點(diǎn) 聚變反應(yīng)產(chǎn)能 高 即相同質(zhì)量的核燃料 聚變比裂變反應(yīng)放出的核能多 聚變反應(yīng)燃料 即核反應(yīng)所用的燃料 氘 在地球上儲(chǔ)量非常豐富 1l海水中大約有0 03g氘 如果用來進(jìn)行熱核反應(yīng) 放出的能量約和燃燒300l汽油相當(dāng) 答案 1 2 107k2 2 1 效率 豐富 核廢料 核反應(yīng)產(chǎn)生的放射性廢料較少 處理起來比較簡(jiǎn)單 而裂變時(shí)產(chǎn)生的放射性物質(zhì) 處理起來比較困難 2 可控?zé)岷朔磻?yīng) 控制熱核反應(yīng)的難點(diǎn)是 地球上沒有任何容器能經(jīng)受如此高的溫度 所以目前可控?zé)岷朔磻?yīng)還處于探索 實(shí)驗(yàn)階段 目前科學(xué)家采用兩種方法 約束 聚變材料 磁約束和 中國(guó)環(huán)流器一號(hào) 和 中國(guó)環(huán)流器新一號(hào) 是我國(guó)研究可控?zé)岷朔磻?yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置 答案 1 易處理 2 慣性約束 一 核聚變1 聚變 輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的原子核的反應(yīng)叫聚變 例如 2 熱核反應(yīng) 輕核必須在很高的溫度下相遇才能發(fā)生聚合放出更大的能量 這種在很高溫度下產(chǎn)生的聚變又叫熱核反應(yīng) 注 使輕核反生聚變 必須使它們的距離十分接近 達(dá)到10 15m的近距離 由于原子核都是帶正電的 要使它們接近到這種程度 必須克服巨大的庫(kù)侖斥力 這就要使原子核具有很大的動(dòng)能 用什么辦法能使大量原子核獲得足夠的動(dòng)能來產(chǎn)生聚變呢 有一種辦法就是給它們加以很高的溫度 當(dāng)物體達(dá)到幾百萬(wàn)攝氏度的高溫時(shí) 劇烈的熱運(yùn)動(dòng)使得一部分原子核具有足夠的動(dòng)能 可以克服相互間的庫(kù)侖斥力 在碰撞時(shí)發(fā)生聚變 因此 聚變反應(yīng)又叫熱核反應(yīng) 3 輕核聚變和重核裂變的對(duì)比 見下表 雙選 北京奧運(yùn)會(huì)的相關(guān)場(chǎng)館建設(shè)大量采用對(duì)環(huán)境有益的新技術(shù) 如奧運(yùn)會(huì)場(chǎng)館周圍80 的路燈利用了太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù) 奧運(yùn)會(huì)90 的洗浴熱水采用了全玻真空太陽(yáng)能集熱技術(shù) 太陽(yáng)能的產(chǎn)生是太陽(yáng)內(nèi)部高溫高壓條件下的核反應(yīng)形成的 下列說法正確的是 a 該核反應(yīng)的方程可能是b 該核反應(yīng)的方程可能是c 反應(yīng)之所以釋放出能量 是因?yàn)閔核子的平均質(zhì)量較he的大d 反應(yīng)之所以釋放出能量 是因?yàn)閔核子的平均質(zhì)量較he的小解析 太陽(yáng)能是由太陽(yáng)內(nèi)部核聚變反應(yīng)產(chǎn)生的 反應(yīng)中釋放出能量是因?yàn)閔核子的平均質(zhì)量較he的大 故a c正確 答案 ac 變式遷移 1 質(zhì)子 中子和氘核的質(zhì)量分別為m1 m2和m3 質(zhì)子和中子結(jié)合成氘核時(shí) 發(fā)出一個(gè) 光子 已知普朗克常量h 真空中的光速為c 則 光子的頻率為 解析 根據(jù)題意 可知反應(yīng)中釋放的能量以射線的形式出現(xiàn) 則射線的能量就是反應(yīng)前后的質(zhì)量虧損所對(duì)應(yīng)的能量 而射線的能量又與射線的頻率有關(guān) 反應(yīng)前后的質(zhì)量虧損為 m m1 m2 m3釋放的能量為 e m1 m2 m3 c2光子的能量為 h m1 m2 m3 c2所以光子的頻率就是 m1 m2 m3 c2 h 答案 m1 m2 m3 c2 h 二 受控?zé)岷朔磻?yīng)1 熱核反應(yīng)的優(yōu)點(diǎn) 與裂變相比 1 產(chǎn)生的能量大 2 反應(yīng)后生成的放射性物質(zhì)易處理 3 熱核反應(yīng)的燃料在地球上儲(chǔ)量豐富 2 實(shí)現(xiàn)核聚變的難點(diǎn)地球上沒有任何容器能夠經(jīng)受如此高的溫度 為解決這個(gè)難題 科學(xué)家設(shè)想了兩種方案 即磁約束和慣性約束 使兩個(gè)氘核發(fā)生聚變生成一個(gè)氦核 放出多少核能 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(jì)算方法 法一 先查出氘核和氦核的質(zhì)量 md 2 014102u mhe 4 002603u然后根據(jù)核反應(yīng)前后的質(zhì)量虧損 用質(zhì)能方程算出釋放的核能核反應(yīng)前后的質(zhì)量虧損為 m 2md mhe 2 2 014102u 4 002603u 0 025601u釋放出的核能為 e 0 025601 931 5mev 23 8473315mev 法二 先查出氘核和氦核的比結(jié)合能ed 1 11mev ehe 7 07mev然后采用 先拆散 后結(jié)合 的方法 即先把2個(gè)氘核分解成4個(gè)自由核子 2個(gè)中子和2個(gè)質(zhì)子 再使這4個(gè)自由核子結(jié)合成氦核 比較前后兩個(gè)過程中釋放的結(jié)合能 同樣可得出結(jié)果 由于氘核的平均結(jié)合能為ed 1 11mev 所以將2個(gè)氘核分解成4個(gè)自由核子需提供的能量為 e1 4 1 11mev 4 44mev氦核的平均結(jié)合能為ehe 7 07mev 所以將4個(gè)自由核子結(jié)合成氦核時(shí)釋放出的能量為 e2 4 7 07mev 28 28mev則兩個(gè)氘核發(fā)生聚變生成一個(gè)氦核時(shí) 放出的核能為 e e2 e1 28 28mev 4 44mev 23 84mev 答案 23 84mev 變式遷移 2 已知氘核 質(zhì)量為2 0136u 中子 質(zhì)量為1 0087u 氦核 質(zhì)量為3 0150u 1u相當(dāng)于931 5mev 1 寫出兩個(gè)氘核聚變成的核反應(yīng)方程 2 計(jì)算上述核反應(yīng)中釋放的核能 保留三位有效數(shù)字 3 若兩個(gè)氘核以相同的動(dòng)能0 35mev做對(duì)心碰撞即可發(fā)生上述反應(yīng) 且釋放的核能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能 則反應(yīng)后生成的氦核 和中子 的速度大小之比是多少 解析 1 根據(jù)題中條件 可知核反應(yīng)方程為 2 質(zhì)量虧損 m 2mh mhe mn 2 0136u 2 3 0150u 1 0087u 0 0035u由于1u的質(zhì)量與931 5mev的能量相對(duì)應(yīng) 所以核反應(yīng)中釋放的核能為 e 0 0035 931 5mev 3 26mev 3 由動(dòng)量守恒定律有 0 mhevhe mnvn得 vhe vn 1 3答案 1 2 3 26mev 3 1 3 基礎(chǔ)鞏固 1 雙選 下列說法中正確的是 a 聚變反應(yīng)中有質(zhì)量虧損 所以必向外界放出能量b 使核發(fā)生聚變反應(yīng)必須使核之間的距離接近到1 10 15m 也就是接近到核力能夠發(fā)生作用的范圍內(nèi)c 要使核發(fā)生聚變反應(yīng) 必須克服核力做功d 熱核反應(yīng)只有在人工控制下才能發(fā)生解析 由質(zhì)能方程可知a正確 輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核 必須使輕核間的距離達(dá)到能發(fā)生核力的范圍 才能使它們緊密地結(jié)合起來 b正確 c錯(cuò)