高中物理 36.7 核聚变 粒子物理学简介教学课件 教科版选修35

《高中物理 36.7 核聚变 粒子物理学简介教学课件 教科版选修35》由会员分享，可在线阅读，更多相关《高中物理 36.7 核聚变 粒子物理学简介教学课件 教科版选修35（33页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、6核聚变核聚变7粒子物理学简介粒子物理学简介(选学选学)1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；2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；3知道轻核的聚变能够释放出很多的能量，如果能加以控制将为知道轻核的聚变能够释放出很多的能量，如果能加以控制将为人类提供广阔的能源前景；人类提供广阔的能源前景；4了解构成物质的了解构成物质的“基本粒子基本粒子”及粒子物理的发展史及粒子物理的发展史较大的较大的热核反应热核反应增加增加释放释放1015动能动能特点：特点：在消耗在消耗相同质量的核燃料时，轻核聚变比重核裂变相同质量的核燃料时，轻核聚变比重核裂变 的能量热核反应

2、一旦发生，就不再需要外界给它的能量热核反应一旦发生，就不再需要外界给它能量，靠能量，靠就会使反应继续下去就会使反应继续下去氢弹原理：氢弹原理：首先首先由普通炸药引爆原子弹再由由普通炸药引爆原子弹再由爆爆炸产生的高温高压引发热核爆炸炸产生的高温高压引发热核爆炸普通性：普通性：热核热核反应在宇宙中时时刻刻地进行着，太阳就是一个反应在宇宙中时时刻刻地进行着，太阳就是一个巨大的巨大的释放更多释放更多自身产生的热自身产生的热原子弹原子弹热核反应堆热核反应堆二、受控热核反应二、受控热核反应聚变与裂变相比有很多优点：聚变与裂变相比有很多优点：(1)轻轻核聚变核聚变；(2)地球上聚变燃料的储量地球上聚变燃料的

3、储量；(3)轻核聚变更为轻核聚变更为约束核聚变材料的方法：约束核聚变材料的方法： 和和产能效率高产能效率高丰富丰富安全、清洁安全、清洁磁约束磁约束惯性约束惯性约束三、粒子三、粒子“基本粒子基本粒子”不基本不基本“基本粒子基本粒子” ”：直到：直到19世纪末，人们认为光子、世纪末，人们认为光子、 、质子、质子、 是是“ “基本粒子基本粒子” ”，随着科学的发展，一方面逐渐发现了数以，随着科学的发展，一方面逐渐发现了数以百计的新粒子，它们都不是由百计的新粒子，它们都不是由、组成的；另一方组成的；另一方面科学家又发现质子、中子等本身也有自己的复杂的结构因面科学家又发现质子、中子等本身也有自己的复杂的

4、结构因此，此，20世纪后半期，就将世纪后半期，就将“ “基本基本” ”去掉，统称去掉，统称电子电子中子中子中子中子质子质子电子电子粒子粒子发现新粒子发现新粒子(1)新粒子新粒子：1932年发现了年发现了 ，1937年发现年发现，1947年年发现发现K介子和介子和介子及以后的超子、介子及以后的超子、 等等(2)粒子的分类：按照粒子与各种相互作用的关系，可将粒子分粒子的分类：按照粒子与各种相互作用的关系，可将粒子分为三大类：为三大类：、 和和正电子正电子子子反粒子反粒子强子强子轻子轻子媒介子媒介子夸克夸克反夸克反夸克最小单位最小单位自由自由四、四、3种典型的粒子加速器种典型的粒子加速器直线加速器直

5、线加速器(1)粒粒子运动轨迹是子运动轨迹是(2)满足的条件：要保持粒子与高频电场之间的满足的条件：要保持粒子与高频电场之间的 关系关系(3)优点：粒子束的优点：粒子束的 回旋加速器回旋加速器(1)粒粒子运动轨迹：在磁场中的子运动轨迹：在磁场中的运动运动(2)满足条件：高频电源的频率满足条件：高频电源的频率粒子回旋的频率粒子回旋的频率(3)优点：粒子被加速到的能量可达优点：粒子被加速到的能量可达.一条直线一条直线强度高强度高匀速圆周匀速圆周等于等于40 MeV谐振谐振对撞机对撞机能够实现两束相对运动的粒子能够实现两束相对运动的粒子 的设备叫对撞机的设备叫对撞机工作原理：粒子先在工作原理：粒子先在

6、中加速，然后射入对撞机，反中加速，然后射入对撞机，反向向 在轨道交叉处相互在轨道交叉处相互，获得较大能量，获得较大能量对撞对撞同步加速器同步加速器碰撞碰撞回旋回旋热核反应的两种方式：热核反应的两种方式：爆爆炸式热核反应和受控式热核反应炸式热核反应和受控式热核反应聚变与裂变的对比聚变与裂变的对比反应方式反应方式比较项目比较项目重核裂变重核裂变轻核聚变轻核聚变放能原理放能原理重核分裂成两个或多个重核分裂成两个或多个中等质量的原子核放出中等质量的原子核放出核能核能两个轻核结合成质量较两个轻核结合成质量较大的原子核放出核能大的原子核放出核能放能多少放能多少聚变反应比裂变反应平均每个核子放出的能量大聚变

7、反应比裂变反应平均每个核子放出的能量大约要大约要大34倍倍核废料核废料处理难度处理难度聚变反应的核废料处理要比裂变反应简单得多聚变反应的核废料处理要比裂变反应简单得多原料的蕴原料的蕴藏量藏量核裂变燃料铀在地球上核裂变燃料铀在地球上储量有限，尤其用于核储量有限，尤其用于核裂变的铀裂变的铀235在铀矿石中在铀矿石中只占只占0.7%主要原料是氘，氘在地主要原料是氘，氘在地球上的储量非常丰富球上的储量非常丰富.1 L海水中大约有海水中大约有0.03 g氘，氘，如果用来进行热核反应如果用来进行热核反应放出的能量约和燃烧放出的能量约和燃烧300 L汽油相当汽油相当可控性可控性速度比较容易进行人工速度比较容

8、易进行人工控制，现在的核电站还控制，现在的核电站还都用裂变反应释放核能都用裂变反应释放核能目前，除氢弹以外，人目前，除氢弹以外，人们还不能控制它们还不能控制它二、对粒子的认识二、对粒子的认识 新粒子的发现及特点新粒子的发现及特点发现发现时间时间1932年年1937年年1947年年60年代年代后后新粒新粒子子反粒子反粒子子子K介子与介子与介子介子超子超子基本基本特点特点质量与相对质量与相对应的粒子相应的粒子相同而电荷及同而电荷及其他一些物其他一些物理性质相反理性质相反比质子比质子的质量的质量小小质量介质量介于电子于电子与质子与质子之间之间其质量其质量比质子比质子大大 粒子的分类粒子的分类分分类类

9、参与的参与的相互作相互作用用发现的粒发现的粒子子备注备注强强子子参与强参与强相互作相互作用用质子、中质子、中子、介子、子、介子、超子超子强子有内部结强子有内部结构，由构，由“夸克夸克”粒子构成的；粒子构成的；强子又可分为强子又可分为介子和重子介子和重子轻轻子子不参与强不参与强相互作用相互作用电子、电子中微子、电子、电子中微子、子、子、子中微子、子中微子、子、子、子中微子子中微子未发现内部结构未发现内部结构媒介媒介子子传递各种传递各种相互作用相互作用光子、中间玻色子、光子、中间玻色子、胶子胶子光子、玻色子、胶光子、玻色子、胶子分别传递电磁、子分别传递电磁、弱、强相互作用弱、强相互作用【典例典例1

10、】 以下说法以下说法正确的是正确的是()A聚变是聚变是裂变的逆反应裂变的逆反应B如果裂变释放能量，则聚变反应必定吸收能量如果裂变释放能量，则聚变反应必定吸收能量C聚变须将反应物加热至数百万度以上高温，显然要吸收能聚变须将反应物加热至数百万度以上高温，显然要吸收能量量D裂变与聚变均可释放巨大能量裂变与聚变均可释放巨大能量对聚变的理解对聚变的理解 借题发挥借题发挥聚变就是使原先相距聚变就是使原先相距“较远较远”的核能克服库仑斥力而的核能克服库仑斥力而结合为一个结合为一个“稳定稳定”的新核，因此事先须让两核获得较大的初动的新核，因此事先须让两核获得较大的初动能，常采用加热的方法能，常采用加热的方法对

11、基本粒子的认识对基本粒子的认识 丁肇中：寻找宇宙中的基本粒子丁肇中：寻找宇宙中的基本粒子 如何寻找如何寻找宇宙中最基本的粒子呢？我用四个故事向大家介绍宇宙中最基本的粒子呢？我用四个故事向大家介绍一下，这些故事是我在过去的年里所亲自经历的一下，这些故事是我在过去的年里所亲自经历的 第一个故事是测量电子的半径现代电磁学的理论认为电子第一个故事是测量电子的半径现代电磁学的理论认为电子的半径为零的半径为零.1964年，美国的麻省理工学院和哈佛大学建造了一个年，美国的麻省理工学院和哈佛大学建造了一个当时最大的加速器，这个加速器周长为当时最大的加速器，这个加速器周长为1 000英尺英尺(1英尺为英尺为0.

12、304 8 m)当时来自哈佛大学和康乃尔大学的世界上很有名的专家，当时来自哈佛大学和康乃尔大学的世界上很有名的专家，在这个加速器里做一个很重要的实验，实验结果同时证明量子电在这个加速器里做一个很重要的实验，实验结果同时证明量子电动力学是错误的，电子是有半径的这是一个非常重要的实动力学是错误的，电子是有半径的这是一个非常重要的实验验.1966年，我在德国用不同的方法重新做了这个实验，结果发现年，我在德国用不同的方法重新做了这个实验，结果发现电子的半径确实小到不可测量，电子是没有半径的实验的结果电子的半径确实小到不可测量，电子是没有半径的实验的结果和理论的预期的比值等于和理论的预期的比值等于1，即

13、是说电子的半径等于零，也就是说，即是说电子的半径等于零，也就是说以前许多专家所做的实验结果是错误的以前许多专家所做的实验结果是错误的 第二个故事是关于新粒子家族的发现到了第二个故事是关于新粒子家族的发现到了20世纪年代，所世纪年代，所有已经知道的基本粒子都可归结为由三种夸克组成，所有的现象有已经知道的基本粒子都可归结为由三种夸克组成，所有的现象都可以用三种夸克来解释我就问为什么宇宙中只有三种夸克？都可以用三种夸克来解释我就问为什么宇宙中只有三种夸克？为了寻找新夸克，我决定建造一个高灵敏度的探测器南京下雨为了寻找新夸克，我决定建造一个高灵敏度的探测器南京下雨的时候，大概每秒钟有的时候，大概每秒钟

14、有100亿个雨滴，其中有一个是蓝的，要把它亿个雨滴，其中有一个是蓝的，要把它找到后来，在美国的布鲁克海文国家实验室用找到后来，在美国的布鲁克海文国家实验室用AGS做了这个实做了这个实验我们发现了一种很新的粒子，完全想像不到的一种粒子这验我们发现了一种很新的粒子，完全想像不到的一种粒子这种粒子在正电子负电子质心系能量达到种粒子在正电子负电子质心系能量达到31亿电子伏特的时候，突亿电子伏特的时候，突然就产生一个很高的峰然就产生一个很高的峰 根据以前所有的理论，这个峰是不应该存在的这说明我们发现根据以前所有的理论，这个峰是不应该存在的这说明我们发现了一种全新的夸克这种新粒子有很特别的性质：第一，它们

15、质了一种全新的夸克这种新粒子有很特别的性质：第一，它们质量比其他所有已知的粒子都重；第二，它的寿命比其他所有已知量比其他所有已知的粒子都重；第二，它的寿命比其他所有已知粒子的寿命长粒子的寿命长1 000倍这意味着什么呢？大家知道，如果所有人倍这意味着什么呢？大家知道，如果所有人在世界上活到在世界上活到100岁左右，但你突然发现一个村子里的人能活到岁左右，但你突然发现一个村子里的人能活到10 000岁，这就表示这些人可能有特别的性质当然，有了这第岁，这就表示这些人可能有特别的性质当然，有了这第四种夸克，你就可以问有没有第五种、第六种四种夸克，你就可以问有没有第五种、第六种至今为止，已发至今为止，

16、已发现了六种现了六种 第三个故事是关于第三个故事是关于1979年胶子的发现大家都知道年胶子的发现大家都知道在原子里有电子和原子核，电子和原子核之间的力由光在原子里有电子和原子核，电子和原子核之间的力由光子传送在质子里不同的夸克和夸克之间的力在理论上子传送在质子里不同的夸克和夸克之间的力在理论上来说是由胶子传递那时我们正在德国用正电子负电子来说是由胶子传递那时我们正在德国用正电子负电子对撞机做一个量子电动力学的实验在做这个实验的时对撞机做一个量子电动力学的实验在做这个实验的时候，则可以产生夸克、反夸克和胶子，如果这样的话就候，则可以产生夸克、反夸克和胶子，如果这样的话就会出现三个喷柱的现象果然，

17、当正负电子对撞的时候，会出现三个喷柱的现象果然，当正负电子对撞的时候，如果胶子能量很小，只有两个喷柱；当胶子的能量增大如果胶子能量很小，只有两个喷柱；当胶子的能量增大的时候，就会出现三个喷柱现象三个喷柱现象的存在的时候，就会出现三个喷柱现象三个喷柱现象的存在就表示胶子是存在的当年，美国物理学会对这个事例就表示胶子是存在的当年，美国物理学会对这个事例作了详细介绍虽然最初这套实验仪器并非为这个实验作了详细介绍虽然最初这套实验仪器并非为这个实验设计的，但却获得了意外的结果设计的，但却获得了意外的结果 第四个故事就是寻找反物质的宇宙这在国际空间站上叫做第四个故事就是寻找反物质的宇宙这在国际空间站上叫做

18、AMS.反物质的存在，是由玻尔反物质的存在，是由玻尔狄拉克在理论上推导出的，他因狄拉克在理论上推导出的，他因此在此在1933年年12月月12日获得诺贝尔奖他注意到，相对论的公式和日获得诺贝尔奖他注意到，相对论的公式和量子电动力学的公式中，质量是乘平方的，也就是说等于量子电动力学的公式中，质量是乘平方的，也就是说等于mm也等于也等于(m)(m)狄拉克问狄拉克问m是什么意思？从这儿就推导是什么意思？从这儿就推导出反物质的理论大家都知道，宇宙是大爆炸形成的，在大爆炸出反物质的理论大家都知道，宇宙是大爆炸形成的，在大爆炸的理论中，宇宙起源时的温度非常高，大爆炸中有一个电子则应的理论中，宇宙起源时的温度

19、非常高，大爆炸中有一个电子则应该有一个反电子，有一个夸克也应该有一个反夸克，所以在刚爆该有一个反电子，有一个夸克也应该有一个反夸克，所以在刚爆炸的时候，物质和反物质应该是一样多问题是经过炸的时候，物质和反物质应该是一样多问题是经过150亿年之后，亿年之后，由反物质组成的宇宙在什么地方？由反物质组成的宇宙在什么地方？ 第一期第一期AMS(01)于于1998年年6月搭载美国航天飞机在太空中运行了月搭载美国航天飞机在太空中运行了10天，观测到一些过去没有的现象，这是人类第一次测量这些东天，观测到一些过去没有的现象，这是人类第一次测量这些东西，所以觉得现在的结果很奇怪，美国宇航局决定在西，所以觉得现在

20、的结果很奇怪，美国宇航局决定在2003年年5月月再次将再次将AMS升空，升空，AMS将作为第一个科学实验搭载安装在空间站将作为第一个科学实验搭载安装在空间站上上AMS01原结构中用的中国制造的永久磁铁改为超导磁铁，大原结构中用的中国制造的永久磁铁改为超导磁铁，大幅度提高幅度提高AMS探测能力，在太空中长时间运行并采集更多的数探测能力，在太空中长时间运行并采集更多的数据它要解决两个问题，一是宇宙如起源于大爆炸，一半的宇宙据它要解决两个问题，一是宇宙如起源于大爆炸，一半的宇宙是正物质组成，另一半的宇宙是反物质组成，那么反物质所组成是正物质组成，另一半的宇宙是反物质组成，那么反物质所组成的宇宙在什么地方？第二个问题是的宇宙在什么地方？第二个问题是90%的宇宙是观察不到的，它的宇宙是观察不到的，它是由暗物质组成的，暗物质是什么？这些都是理论，实验到底会是由暗物质组成的，暗物质是什么？这些都是理论，实验到底会发现什么呢？这是发现什么呢？这是AMS实验要回答的问题实验要回答的问题