人教版高中物理选修2 3：核聚变和受控热核反应-课件1.ppt

1、核聚变和受控热核反应核聚变和受控热核反应核子平均质量核子平均质量EDCBFAFeOZ知识回顾知识回顾导入新课导入新课 轻核能结合成中等质量的核吗？轻核能结合成中等质量的核吗？如果能，这个过程能放出能量吗？如果能，这个过程能放出能量吗？（2）重核分裂成中等质量的核时放出能量）重核分裂成中等质量的核时放出能量（1）核子结合成原子核时放出能量）核子结合成原子核时放出能量 通过前面的学习，我们知道，可以通过前面的学习，我们知道，可以释放出能释放出能量量的核反应有：的核反应有：想一想想一想 能源是推动科学技术和经济高速发展的动力能源是推动科学技术和经济高速发展的动力保障，需求正在急剧增加。煤、石油等化石

2、能源保障，需求正在急剧增加。煤、石油等化石能源的不可再生，使的不可再生，使资源日益枯竭资源日益枯竭，而且给地球带来，而且给地球带来了了巨大的污染巨大的污染，这些因素促使人们更加重视寻找，这些因素促使人们更加重视寻找洁净的、可持续发展的新能源。洁净的、可持续发展的新能源。近年来，近年来，核能核能作为一种新能源倍受人们关注，作为一种新能源倍受人们关注，重核裂变重核裂变和和轻核聚变轻核聚变是获得核能的两个重要途径。是获得核能的两个重要途径。1967年年6月月17日，日，我国第一颗氢弹爆炸成我国第一颗氢弹爆炸成功。从第一颗原子弹爆功。从第一颗原子弹爆炸成功到第一颗氢弹爆炸成功到第一颗氢弹爆炸成功，我国

3、仅用了两炸成功，我国仅用了两年零八个月。前苏联用年零八个月。前苏联用了四年，美国用了了四年，美国用了7年年。氢弹爆炸释放核能是通过氢弹爆炸释放核能是通过轻核的聚变轻核的聚变来实来实现的。这节课我们就来研究聚变的问题现的。这节课我们就来研究聚变的问题.氢弹爆炸氢弹爆炸教学目标教学目标1 1、知识与能力、知识与能力了解聚变反应的特点及其条件。了解聚变反应的特点及其条件。了解可控热核反应及其研究和发展。了解可控热核反应及其研究和发展。知道轻核的聚变能够释放出很多的知道轻核的聚变能够释放出很多的能量能量,如果能加以控制将为人类提供如果能加以控制将为人类提供广阔的能源前景。广阔的能源前景。2 2、过程与

4、方法、过程与方法3 3、情感态度与价值观、情感态度与价值观通过让学生自己阅读课本，培养他们归纳通过让学生自己阅读课本，培养他们归纳与概括知识的能力和提出问题的能力。与概括知识的能力和提出问题的能力。通过学习，使学生进一步认识导科学技术的通过学习，使学生进一步认识导科学技术的重要性，更加热爱科学、勇于献身科学。重要性，更加热爱科学、勇于献身科学。认识核能的和平利用能为人类造福认识核能的和平利用能为人类造福 ，为人类，为人类早日和平利用核聚变能而作出自己的努力。早日和平利用核聚变能而作出自己的努力。教学重难点教学重难点1 1、重点、重点发生聚变的条件。发生聚变的条件。2 2、难点、难点聚变反应的特

5、点。聚变反应的特点。发生聚变的条件。发生聚变的条件。聚变反应的特点。聚变反应的特点。本节导航本节导航1、聚变、聚变2、可控热核反应、可控热核反应 研究表明，有些轻核结合成中等质量的研究表明，有些轻核结合成中等质量的和时，会发生比裂变更大的质量亏损，从而和时，会发生比裂变更大的质量亏损，从而释放出更为巨大的核能。释放出更为巨大的核能。名词解释名词解释 轻核结合成质量较大的核，轻核结合成质量较大的核，释放出核能的核反应称为释放出核能的核反应称为核聚核聚变变（nuclear fusion）。）。聚变聚变裂变裂变时间时间 人物人物 事件事件 20年代年代 阿斯顿阿斯顿 指出：中等大小的原子核结合指出：

6、中等大小的原子核结合最紧密，核裂变或轻核聚变都最紧密，核裂变或轻核聚变都会放出能量，核聚变放出的能会放出能量，核聚变放出的能量比裂变大许多量比裂变大许多 1920年年 爱丁顿爱丁顿 猜测：太阳的能量来自亚原子猜测：太阳的能量来自亚原子粒子的相互作用粒子的相互作用 1926年年 爱丁顿爱丁顿 指出：太阳总体积具有指出：太阳总体积具有2000万万度的高温和极高的密度。度的高温和极高的密度。核聚变发展的历史进程核聚变发展的历史进程 时间时间人物人物事件事件1929年年 罗素罗素 指出：太阳总体积的指出：太阳总体积的60是是氢气，如果太阳的能量真是氢气，如果太阳的能量真是依靠核反应的话，那么这种依靠核

7、反应的话，那么这种核反应只能是氢气的聚变。核反应只能是氢气的聚变。1938年年 贝特贝特 证明：太阳的能量确实是靠证明：太阳的能量确实是靠氢气的聚变来维持的。氢气的聚变来维持的。核聚变发展的历史进程核聚变发展的历史进程 两个氘核两个氘核结合成为一个结合成为一个氦核氦核就是聚变。核就是聚变。核裂变方程为裂变方程为 通常，聚变反应不只合成一个核，它还会通常，聚变反应不只合成一个核，它还会生成其他粒子。例如，一生成其他粒子。例如，一个氘核和一个氚核个氘核和一个氚核聚聚合成一个合成一个氦核氦核，并放出一个，并放出一个中子中子，这个聚变核，这个聚变核反应方程为反应方程为n nH He eH HH H1

8、10 04 42 23 31 12 21 1H HH He eH HH H2 21 13 31 12 21 12 21 1n nHeHeH HH H1 10 04 42 23 31 12 21 1n nHeHeH HH H1 10 04 42 23 31 12 21 1n nHeHeH HH H1 10 04 42 23 31 12 21 1n nHeHeH HH H1 10 04 42 23 31 12 21 1一个氘核和一个氚核的聚变示意图一个氘核和一个氚核的聚变示意图根据所给数据根据所给数据,计算下面核反应放出的能量计算下面核反应放出的能量:氚核的质量：氚核的质量：mT3.016050u

9、中子的质量：中子的质量：mn1.008665u氘核的质量：氘核的质量：mD2.014102u氦核的质量：氦核的质量：m4.002603un nH He eH HH H1 10 04 42 23 31 12 21 1m=mDmT(m mn)=0.018884E=mc2=0.018884 931.5MeVE=17.6MeV 由以上计算可知，这个核聚变反应释放由以上计算可知，这个核聚变反应释放17.6MeV的能量，平均每个核子释放的能量为的能量，平均每个核子释放的能量为3MeV以上，比裂变反应中每个核子释放的核以上，比裂变反应中每个核子释放的核能量大能量大34倍。倍。想一想想一想 为什么轻核的聚变反

10、应为什么轻核的聚变反应能够比重核的裂变反应释能够比重核的裂变反应释放更多的核能？放更多的核能？核子平均质量核子平均质量ABCDEFFeZO 聚变成质量较大的原子核能产生更多的质量亏聚变成质量较大的原子核能产生更多的质量亏损，所以平均每个核子释放的能量就更大损，所以平均每个核子释放的能量就更大 。由图得知，因为较轻由图得知，因为较轻的原子核比较重的原子核的原子核比较重的原子核核子的平均质量更大，核子的平均质量更大，想一想想一想核聚变发生需要什么条件呢？核聚变发生需要什么条件呢？微观上：参与反应的原子核必须接近到原微观上：参与反应的原子核必须接近到原子核大小的尺寸范围，即子核大小的尺寸范围，即10

11、-15 m，要使原子核，要使原子核接近到这种程度，必须使接近到这种程度，必须使它们具有很大的动能它们具有很大的动能以克服原子核之间巨大的库仑斥力。以克服原子核之间巨大的库仑斥力。宏观上：要使原子核具有如此大的动能，宏观上：要使原子核具有如此大的动能，就要把它就要把它加热到几百万摄氏度的高温加热到几百万摄氏度的高温。解释一下解释一下 当物体达到几百万摄氏度以上的超高温时，当物体达到几百万摄氏度以上的超高温时，聚变物质完全电离成聚变物质完全电离成等离子体等离子体。在高温、高密度。在高温、高密度等离子体中，剧烈的热核运动使一部分轻核获得等离子体中，剧烈的热核运动使一部分轻核获得足够的动能而在碰撞中达

12、到十分接近的距离，从足够的动能而在碰撞中达到十分接近的距离，从而发生聚变。所以，聚变反应又称为而发生聚变。所以，聚变反应又称为热核反应热核反应。热核反应一旦发生，就不再需要外界继续提供能热核反应一旦发生，就不再需要外界继续提供能量，靠自身产生的热就可以进行下去。量，靠自身产生的热就可以进行下去。氢氢具有最简单的原子核结构，是宇宙中含量具有最简单的原子核结构，是宇宙中含量最丰富的元素。最丰富的元素。氢核的聚变氢核的聚变给宇宙带来了光和给宇宙带来了光和热，为宇宙提供了热，为宇宙提供了能源之本能源之本。热核反应在宇宙中是很普遍的热核反应在宇宙中是很普遍的。太阳内部。太阳内部和许多恒星内部，强大的引力

13、使聚变物质处于和许多恒星内部，强大的引力使聚变物质处于高密度状态，温度高达高密度状态，温度高达107K以上。以上。热核反应在那里稳定地进行着，其中主要热核反应在那里稳定地进行着，其中主要是是氢核聚变成氦核氢核聚变成氦核。可以讲，恒星是产生稳定。可以讲，恒星是产生稳定热核聚变的热核聚变的“天然聚变反应堆天然聚变反应堆”，它能持续地，它能持续地“光芒四射光芒四射”。例如太阳中的热核反应使它每秒钟辐射约例如太阳中的热核反应使它每秒钟辐射约3.81026J的能量，地球上只接受了其中的二十亿的能量，地球上只接受了其中的二十亿分之一左右，而这真是地球最基本的能量来源。分之一左右，而这真是地球最基本的能量来

14、源。它每秒有亿吨原子核参与碰撞，转化为能量的它每秒有亿吨原子核参与碰撞，转化为能量的物质是物质是400万吨。科学家估计，太阳的这种万吨。科学家估计，太阳的这种“核核燃烧燃烧”还能维持还能维持90亿亿100亿年亿年.太阳内部时太阳内部时时刻刻都在时刻刻都在发生核聚变发生核聚变反应。反应。在地球上，尽管核聚变的原料氢比核裂在地球上，尽管核聚变的原料氢比核裂变的原料铀要丰富得多，但通常难以获得引变的原料铀要丰富得多，但通常难以获得引发核聚变的超高温和超高压。唯一已实现并发核聚变的超高温和超高压。唯一已实现并能释放大量核能的人为核聚变是能释放大量核能的人为核聚变是氢弹爆炸氢弹爆炸。氢弹是通过原子氢弹是

15、通过原子弹爆炸所产生的高弹爆炸所产生的高温、高压来引发氢温、高压来引发氢核聚变的。核聚变的。氢弹氢弹弹体弹体普通炸药普通炸药铀铀235外壳外壳氘、氚、重氘、氚、重氢化钾等氢化钾等引爆装置引爆装置小型原子弹小型原子弹氢弹原理示意图氢弹原理示意图三种炸药：三种炸药：普通炸药普通炸药235氘、氚氘、氚爆炸爆炸裂变裂变聚变聚变氢弹爆炸简单示意图氢弹爆炸简单示意图 与裂变反应相比，热核反应具有以下与裂变反应相比，热核反应具有以下优点优点。第一，第一，轻核聚变产能效率高轻核聚变产能效率高。即，用相同质即，用相同质量的核燃料，热核反应释放的核能比裂变反应大量的核燃料，热核反应释放的核能比裂变反应大得多。得多

16、。第二，第二，轻核聚变反应更为安全、清洁。轻核聚变反应更为安全、清洁。热核热核反应不存在核废料处理问题，而裂变时产生的放反应不存在核废料处理问题，而裂变时产生的放射性物质，处理比较困难。射性物质，处理比较困难。第三，第三，地球上聚变燃料的储量丰富地球上聚变燃料的储量丰富。热核热核反应的原料反应的原料氘，在地球上的储量十分丰富。氘，在地球上的储量十分丰富。如如1L海水中大约有海水中大约有0.03g氘，如果发生聚变，放氘，如果发生聚变，放出的能量相当于燃烧出的能量相当于燃烧300L汽油。汽油。存在问题存在问题热核反应的的点火温度很高；热核反应的的点火温度很高；如何约束聚变所需的燃料；如何约束聚变所

17、需的燃料；反应装置中的气体密度要很反应装置中的气体密度要很低低 ，相当于常温常压下气，相当于常温常压下气体密度的几万分之一；体密度的几万分之一；现在的技术不足以控制热核反应。现在的技术不足以控制热核反应。将聚变物质将聚变物质约束的办法约束的办法惯性约束惯性约束磁约束磁约束例如前面讲的例如前面讲的“激光核聚变激光核聚变”ZBFZBrv2v11磁场约束磁场约束 我们知道，带电粒子在磁场中运动要受到我们知道，带电粒子在磁场中运动要受到垂直于粒子运动方向的洛伦兹力的作用，这种垂直于粒子运动方向的洛伦兹力的作用，这种作用可以用来约束参加反应的和核质，使其不作用可以用来约束参加反应的和核质，使其不致扩散开

18、来。致扩散开来。在磁约束核聚变装置中洛伦兹力将高温等离子在磁约束核聚变装置中洛伦兹力将高温等离子体约束在一定空间范围内，使这种高密度状态能保体约束在一定空间范围内，使这种高密度状态能保持一段时间，从而引发聚变。持一段时间，从而引发聚变。目前，各国普遍采用的磁约束装置是环形电流目前，各国普遍采用的磁约束装置是环形电流器，简称环流器，又称托卡马克，其结构如下图。器，简称环流器，又称托卡马克，其结构如下图。真空室真空室等离子体等离子体提供磁场提供磁场的线圈的线圈课堂小结课堂小结1、聚变、聚变 轻核结合成质量较大的核，释放出核能轻核结合成质量较大的核，释放出核能的核反应称为的核反应称为核聚变核聚变。n

19、 nHeHeH HH H1 10 04 42 23 31 12 21 1 轻核必须获得轻核必须获得足够的动能足够的动能并处于很高密并处于很高密度下才能引起聚变。度下才能引起聚变。2、可控热核反应、可控热核反应 热核反应与裂变相比有很多优点。热核反应与裂变相比有很多优点。将聚变物质约束的办法有将聚变物质约束的办法有惯性约束和磁惯性约束和磁约束。约束。托卡马克装置。托卡马克装置。1.（08北京）一个质子和一个中子聚变结合成一个北京）一个质子和一个中子聚变结合成一个氘核，同时辐射一个氘核，同时辐射一个光子。已知质子、中子、氘光子。已知质子、中子、氘核的质量分别为核的质量分别为m1、m2、m3,普朗克

20、常量为普朗克常量为h,真空中真空中的光速为的光速为c。下列说法正确的是（。下列说法正确的是（）H Hn nH H3 31 11 10 01 11 1高考链接高考链接D光子的波长光子的波长C辐射出的辐射出的光子的能量光子的能量E=(m3-m1-m2)c2B聚变反应中的质量亏损聚变反应中的质量亏损 m=A核反应方程是核反应方程是=h(m3-m1-m2)c2B2.(06广东广东)据新华社报道，由我国自行设计、研制据新华社报道，由我国自行设计、研制的世界第一套全超导核聚变实验装置（又称的世界第一套全超导核聚变实验装置（又称“人人造太阳造太阳”）已完成了首次工程调试。下列关于）已完成了首次工程调试。下列

21、关于“人造太阳人造太阳”的说法正确的是的说法正确的是()n nH He eH HH H1 10 04 42 23 31 12 21 1n n3 3K Kr rB Ba an nU U1 10 09 92 23 36 61 14 41 15 56 61 10 02 23 35 59 92 22 2m mc c2 21 1E E 核能大小的计算公式是核能大小的计算公式是C“人造太阳人造太阳”释放的能量大小的计算公式是释放的能量大小的计算公式是 E=mc2B“人造太阳人造太阳”的核反应方程是的核反应方程是A“人造太阳人造太阳”的核反应方程是的核反应方程是D“人造太阳人造太阳”AC3.(06全国卷全国

22、卷)现有三个核反应：现有三个核反应：e eMgMgNaNa0 01 12424121224241111n n3 3K Kr rB Ba an nU U1 10 09 92 23 36 61 14 41 15 56 61 10 02 23 35 59 92 2n nHeHeH HH H1 10 04 42 23 31 12 21 1D.是是衰变，是聚变，是裂变衰变，是聚变，是裂变C.是是衰变，是裂变，是聚变衰变，是裂变，是聚变B.是聚变，是裂变，是是聚变，是裂变，是衰变衰变A.是裂变，是是裂变，是衰变，是聚变衰变，是聚变下列说法正确的是（下列说法正确的是（）C课堂练习课堂练习1、下列核反应方程中

23、，表示核聚变反应的是（、下列核反应方程中，表示核聚变反应的是（）A.B.C.D.e eSiSiP P0 01 13030141430301515n nHeHeH HH H1 10 04 42 23 31 12 21 1e eN NC C0 01 11 14 47 71 14 46 6HeHeThThU U4 42 223823892922382389292B2、氘核（、氘核（）和氚核（）和氚核（）聚合成氦核（）聚合成氦核（）的和反应方程如下：的和反应方程如下：H H2 21 1H H3 31 1HeHe4 42 2n nH He eH HH H1 10 04 42 23 31 12 21 1 设氘核质量为设氘核质量为m1，氚核质量为，氚核质量为m2，氦核，氦核m3，中子质量为中子质量为m4，则反应过程中释放的能量为，则反应过程中释放的能量为（）A.(m1+m2-m3)c2B.(m1+m2-m4)c2C.(m1+m2-m3-m4)c2C.(m3+m4-m1-m2)c2C