沪科教版物理选修3-5《第五章 核能与社会 5.3聚变与受控热核反应》优质课教案

沪科教版物理选修3-5《第五章 核能与社会 5.3聚变与受控热核反应》优质课教案

3. 如何研制能长久经受如此超高温和超高能量粒子辐射的（尤其是高效率核聚变后的等离子体温度和离子的动能又将提高数倍！）材料作为约束控制的边界？

4. 如何顺利实现如此超高温等离子体的连续稳定的输送和热能――电能的转化？

……。

所有这些，可以说，如此苛刻的超高温和超高能量的条件，以人类现有的科技水平，以一切由原子或分子构成的所有材料，都难以长久稳定地承受！尽管现在实行中国、美国、俄罗斯、印度、日本、韩国和整个欧盟的强-强联手的国际大协作，在未来30～50年内还难以实现持久、可靠、稳定和高效率的商业化发电运行。这也是视知识产权为国家命根子的西方国家能慷慨接纳中国、印度和韩国加入“人造小太阳”研究的主要原因。

二、我们不应放弃冷核聚变的研究

笔者请专家学者们冷静地、独立思考一个问题：既然受控核聚变是解决全人类能源和环保难题的唯一途径，受控热核聚变工程研究的前景又如此渺茫，我们为什么不多探一条路，认真考虑实现冷核聚变的可能性呢？

大家知道：要实现质子――氚、氘――氘或氘――氚原子核的对撞核聚变反应，核子必须具备>106ev的动能，才能克服库仑电场排斥力。而所有的化学反应中，需要离子、原子或分子的动能，都<25ev（氢原子电子的电离能为13.6ev，最高的惰性元素氦原子电子的一级电离能为24.59ev）。二者相差数万倍！所以，一眼即可看穿：用任何普通物理或化学的手段来研究核聚变都是异想天开，所有这方面的所谓成功的报道，都是欺骗。

不过，以科学界现有的高能物理实验技术，要将质子、氘或氚原子核加速至数百万电子伏特的能量，连现在最简单的静电型离子直线加速器都能轻松做到。而且，对定向高速运动的离子，无论它的动能有多大，在真空管中运动时，温度都是常温！对撞核聚变的唯一困难是如何将相向高速运动的两串原子核约束在内径与原子核大小相当的同一条“管道”中！所以，与其投入大量的人力、物力开展那希望渺茫的磁场力约束“人造小太阳”的热核聚变工程研究，不如分出少数人员，探讨设计制造这种内径与原子核大小相当的同一条“管道”的可能性。

所有核电荷数>1的原子核，是如何克服电荷之间库仑电场的巨大排斥力，而紧紧地“约束”在一起？笔者在此可以毫不客气地指出：整个现代物理学界至今都不能给出物理模型简单清晰，数学推导演算逻辑严密精确的核力计算方程式。正因为这样，要探讨设计制造这种内径与原子核大小相当的同一条“管道”的可能性，就必须先弄清原子核内的各个电荷是怎样紧紧地“约束”在一起的！？这就是笔者请各位同时研讨《常温条件下强相互作用力约束受控核聚变》项目设计方案和支持该方案的核心基础理论――《现代物理学经典粒子量子化轨道运动模型通解》新学说（简称冷核聚变和新现代物理学）的本意。

三、冷核聚变项目设计方案和特点简介

（一）、《常温条件下强相互作用力约束受控核聚变》项目设计方案的主要特点

《常温条件下强相互作用力约束受控核聚变》的主要研究内容，是以质子、氘、氚原子核，在本人发明的、特定的强相互作用力场约束受控核聚变的反应腔内实施质子－氚或氘－氘原子核的对撞聚变。反应腔的特征在于：模仿原子核内部核力形成原理，人工设计造成中间横截面直径小于5.0×10-15m，由强相互作用力场约束形成的两端大，中间小的喇叭状通道管，见图1；质子、氘或氚原子核直接由静电粒子直线加速器加速后，从管道状通道两端导入；其温度与现有的粒子加速器内高能粒子相同；所以能够在常温条件下，在管道中间依靠粒子自身的动能迎面对撞实现核聚变。聚变形成的氦原子核因自身具有约2×107ev的动能，可自行突破由该强相互作用力场约束形成的管道状通道壁面势垒高速射出。经导入二级离子调速变压器直接转化成电压为（1～1000）×103伏特的直流电能输出。

此发明项目设计方案装置系统总成的最大优点是结构轻巧，工艺简单。即省去能量→热量→高压水蒸汽→气轮机→发电机→变压器→输出电能的各种配套系统，又不必设置中子流防护壳设备，更不必担心任何的射线、堆芯自爆和核污染。也就是对包括中子流在内的所有放射性射线和核污染的整套安全防护系统全部省略。制造容易，运行可靠稳定，可以作为飞机或宇宙飞船的引擎动力使用。该项目核心技术方案《强相互作用力场约束形成的管道状通道》设计的工作原理、物理模型经分析和模拟计算是可行的。以人类现有的制造大型发电机和高压输电网设备的技术就可胜任。

该项目有望一劳永逸地彻底解决全人类面临的能源和环保难题。如果具有这种核动力的宇宙飞船再配上完善的通讯导航和生活保障系统，人类就此将从地球摇篮文明迈进了宇宙时代的科学文明。

《现代物理学经典粒子量子化轨道运动模型通解》提要

（一）现代物理学面临的困境

量子物理学、相对论和宇宙物理学诞生近100年来，已经成为三大支柱撑起了现代物理学的大厦。但是，目前国际现代物理学研究领域，仍存在诸多方面科学界百年来苦苦探索无法解决，又不得不面对的难题，例如：

1．为什么几十年来在高能粒子加速器碰撞实验中，喷射出来所有碎片的自由粒子，所有粒子分裂衰变整个过程的所有过渡产物粒子，包括最终稳定的质子、电子、中微子、光子，不是电中性的，就是只带一个单位电荷的粒子？

2．基本粒子最基本组成单元是什么？为什么所谓带分数电荷的36种“夸克”（含反粒子）居然会全部被禁闭？如果确实存在，那么禁闭的原因又是什么？为什么无穷小的点电荷一直未见能量“发散”？

3．为什么所有的微观粒子都具有波粒二象性特征？我们至今仍不知道它们的形成原理和具体运动规律！为什么核能是E=mc2 ？是什么原因导致原子核内和所有粒子的质量缺失？

4．为什么质子、中子、电子及几百种原子核素都有固定不变的静止质量、磁矩值和相应的电磁场空间分布范围？它们的能量、磁矩是怎么形成的？又该如何精确计算？

5．为什么质子、中子、所有的基本粒子内部和原子核内都存在强、弱、电、磁相互作用？它们之间是什么关系？各相互作用形成原理如何？强度又该如何精确计算？

6． 为什么天然放射系起始核Th232、U235、U238的总核子数都接近234？为什么已经合成核电荷数为114的重原子核仍然是极不稳定的？是什么原因导致核素稳定岛的预言失败？为什么稳定的结束核是Pb206、Pb207、Pb208？为什么原子核在高能快中子面前竟是完全“透明”的？它们内部到底呈什么样的结构？

7．为什么原子核会发射电子射线和加码射线？它们是原先就存在原子核内？还是后来转化形成的？它们是如何转化的？能谱、强度又该如何计算？

8．为什么电子在原子表层会形成所谓的“s、p、d、f型电子云”？各个电子在“电子云”中具体运动特征、规律如何？电子激发、跃迁中能谱（尤其是表层多个电子的原子中）又该如何精确计算？如果电子确实是以几率状态分布，那么，固定不变的轨道磁矩和发射、吸收光谱能级又该如何解释？