19.7-19.8核聚变 粒子和宇宙
【小题达标练】
一、选择题
1.(多选)(2015·石家庄高二检测)关于核反应的类型,下列表述正确的 有 ( )
2382344A.92U→90Th?2He是α衰变 4171B.147N?2He→8O?1H是β衰变
CHD
Se
HHeKr+
n是轻核聚变 e是重核裂变
【解析】选A、C。选项A是α衰变,选项B是原子核的人工转变,选项C是核聚变,选项D是β衰变,选项A、C正确。
2.正电子是电子的反粒子,它跟普通电子的电量相等,而电性相反,科学家设想在宇宙的某些部分可能存在完全由反粒子构成的物质——反物质。1997年初和年底,欧洲和美国的科学研究机构先后宣布:他们分别制造出9个和7个反氢原子,这是人类探索反物质的一大进步。你推测反氢原子的结构是 ( )
A.由一个带正电荷的质子与一个带负电荷的电子构成 B.由一个带负电荷的质子与一个带正电荷的电子构成 C.由一个不带电的中子与一个带负电荷的电子构成 D.由一个带负电荷的质子与一个带负电荷的电子构成
【解析】选B。反氢原子的结构应该是反质子与反电子组成,即一个带负电荷的质子与一个带正电荷的电子构成。
3.(2015·广州高二检测)我国自行研制了可控热核反应实验装置“超导托卡马克”(英名称:EAST,俗称“人造太阳”)。设可控热核实验反应前氘核H)的质量为m1,氚核H)的质量为m2,反应后氦核He)的质量为m3,中子( )
A.这种装置中发生的核反应方程式是HB.由核反应过程质量守恒可知m1+m2=m3+m4 C.核反应放出的能量等于(m1-m2-m3-m4)c
2
n)的质量为m4,光速为c,正确说法正确的是
HHen
1
D.这种装置与我国大亚湾核电站所使用装置的核反应原理相同 【解析】选A。核反应方程为H
2
HHen,选项A正确;反应过程中向外释放能量,故质
2
量有亏损,且释放的能量ΔE=Δmc=(m1+m2-m3-m4)c,选项B、C错误;可控热核反应为核聚变,大亚湾核电站所用核装置反应原理为核裂变,选项D错误。
【补偿训练】(多选)(2015·昆明高二检测)据新华社报道,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“人造太阳”)已完成了首次工程调试。下列关于“人造太阳”的说法正确的是 ( ) A.“人造太阳”的核反应方程是HB.“人造太阳”的核反应方程是
UHnHe
n Ba
Kr+
2
n
C.“人造太阳”释放的能量大小的计算公式是ΔE=Δmc D.“人造太阳”核能大小的计算公式是E=mc
【解析】选A、C。“人造太阳”内进行的是核聚变反应,应符合质量数守恒,故A正确,B错误。核反应放出的能量应由爱因斯坦质能方程计算,C正确,D错误。 4.下列说法正确的是 ( ) A.聚变是裂变的逆反应
B.核聚变反应须将反应物加热到数百万开尔文以上的高温,显然是吸收能量 C.轻核聚变比裂变更为安全、清洁
D.强子是参与强相互作用的粒子,中子是最早发现的强子
【解析】选C。聚变和裂变的反应物和生成物完全不同,两者无直接关系,并非互为逆反应,故A错;实现聚变反应必须使参加反应的轻核充分接近,需要数百万开尔文的高温,但聚变反应一旦实现,所释放的能量远大于所吸收的能量,所以聚变反应还是释放能量,故B错;实现聚变需要高温,一旦出现故障,高温不能维持,反应就自动终止了,另外,聚变反应比裂变反应生成的废物数量少,容易处理,故C对;质子是最早发现的强子,故D错。 5.(2015·福建师大附中高二检测)关于粒子,下列说法中不正确的是 ( ) A.质子和中子是组成物质的不可再分的最基本的粒子 B.质子、中子本身也有复杂的结构 C.质子是带电的强子
D.夸克模型说明电子电荷不再是电荷的最小单位
2
2
【解析】选A。质子和中子是由不同夸克组成的,它们不是最基本的粒子,故选项A错误,选项B对;不同的夸克组成强子,有的强子带电,有的强子不带电,质子是最早发现的带正电的强子,故选项C正确;夸克模型是研究强子的理论,不同夸克带的电荷不同,分别为元电荷的+或-,这说明电子电荷不再是电荷的最小单位,故选项D正确。 6.(多选)关于轻核聚变,下列说法正确的是 ( ) A.两个轻核聚变为中等质量的原子核时要吸收能量
B.同样质量的物质发生聚变时放出的能量比同样质量的物质裂变时释放的能量大很多 C.聚变反应的条件是聚变物质的体积达到临界体积 D.发生聚变反应时的原子核必须有足够大的动能
【解析】选B、D。根据比结合能图线可知,聚变后比结合能增加,因此聚变反应中会释放能量,故A错误;聚变反应中平均每个核子放出的能量比裂变反应中每个核子放出的能量大3～4倍,故B正确;裂变反应的条件是裂变物质的体积达到临界体积,而聚变反应时,要使轻核之间的距离达到10m以内,这需要原子核有很大的动能才可以实现聚变反应,故C错误,D正确。
【易错提醒】解答本题的两个易错点:
(1)忽略了中等质量核的比结合能大,错选答案A。 (2)与核裂变的条件混淆,错选答案C。
7.某科学家提出年轻热星体中核聚变的一种理论,其中的两个核反应方程为 HH
CN
N+Q1 ①, C+X+Q2 ②,
-15
方程中Q1、Q2表示释放的能量,相关的原子核质量如表:
原子核 质量/u 11H 31H 42He 126C 137N 157N 1.0078 3.0166 4.0026 12.0000 13.0057 15.0001 以下推断正确的是 ( )
A.X是He,Q2>Q1 B.X是He,Q2>Q1 C.X是He,Q2 【解析】选B。由质量数守恒和电荷数守恒,可判断X为He,①式的质量亏损为Δ 3 m1=1.0078u+12.0000u-13.0057u=0.0021u。②式的质量亏损为Δm2=1.0078u +15.0001u-12.0000u-4.0026u=0.0053u,所以Δm2>Δm1根据质能方程ΔE=Δmc可求解Q2>Q1,故选B。 【互动探究】这两个核反应方程放出的能量之差是多少? 【解析】ΔE=Δmc=(0.0053u-0.0021u)×931.5MeV =2.981MeV 答案:2.981MeV 二、非选择题 8.(2013·山东高考)恒星向外辐射的能量来自于其内部发生的各种热核反应,当温度达到10K时,可以发生“氦燃烧”。 (1)完成“氦燃烧”的核反应方程He+ Be+γ。 -16 -16 8 2 2 (2Be是一种不稳定的粒子,其半衰期为2.6×10s。一定质量的Be,经7.8×10s后所剩Be占开始时的___________。 【解题指南】解答本题时应从以下两点进行分析: (1)核反应方程与电荷数、质量数守恒; (2)半衰期及剩余质量的计算方法。 【解析】(1)根据核反应方程和电荷数、质量数守恒可知He -16 -16 HeBe+γ。 (2Be的半衰期为2.6×10s,经过7.8×10s后,也就是经过3个半衰期后剩余的质量为m′= m= m, 所剩Be占开始时的。 答案:(1He (2)或12.5% 【大题提升练】 1.(1)关于近代物理,下列说法正确的是 ( ) A.α射线是高速运动的氦原子 B.核聚变反应方程H H He n中n表示质子 C.从金属表面逸出的光电子的最大初动能与照射光的频率成正比 D.玻尔将量子观念引入原子领域,其理论能够解释氢原子光谱的特征 (2)我国自行设计并研制的“人造太阳”——托卡马克实验装置运行获得重大进展,这标志着 4 我国已经迈入可控热核反应领域先进国家行列。该反应所进行的聚变过程是H H He n,反应原料氘H)富存于海水中,而氚H)是放射性元素,自然界中不存在, 但可以通过中子轰击锂核Li)的人工核转变得到。 ①请把下列用中子轰击锂核Li)产生一个氚核H)和一个新核的人工核转变方程填写完整: n H。 ②在①中,每产生1g氚的同时有多少个Li核实现了核转变?(阿伏加德罗常数NA取6.0×10mol) ③一个氘核和一个氚核发生核聚变时,平均每个核子释放的能量为5.6×10J,求该核聚变过程中的质量亏损。 【解析】(1)选D。α射线是氦原子核,A错n表示中子,B错;据光电效应方程Ekm= hν-W0可知,光电子的最大初动能随照射光的频率的增大而增大,并不成正比,C错;玻尔的量子观念能解释氢原子光谱,D对。 (2)①核反应方程为Li n He H。 23 -13 23 -1 ②因为1g氚为mol,根据核反应方程,实现核转变的Li也为mol,所以有2.0×10个Li实现了核转变。 ③根据爱因斯坦质能方程ΔE=Δmc,核聚变反应中有5个核子参加了反应,5个核子释放总能量ΔE=5×5.6×10J=2.8×10J,所以质量亏损为Δm= = kg=3.1×10kg。 Li He ②2.0×10个 ③3.1×10kg 23 -29 -29-13 -12 2 答案:(1)D (2) 2.(1)(多选)如图所示,托卡马克(tokamak)是研究受控核聚变的一种装置,这个词是toroidaL(环形的)、kamera(真空室)、magnet(磁)的头两个字母以及kotushka(线圈)的第一个字母组成的缩写词。根据以上信息,下列判断中可能正确的是( ) A.这种装置的核反应原理是轻核的聚变,同时释放出大量的能量,和太阳发光的原理类似 B.线圈的作用是通电产生磁场使带电粒子在磁场中旋转而不溢出 C.这种装置同我国秦山、大亚湾核电站所使用核装置的核反应原理相同 D.这种装置是科学家设想的其中一种方案 5 E.该装置是利用聚变物质的惯性进行约束 (2)有一种聚变反应是四个氢核聚变成一个氦核,同时放出两个正电子。求: ①该聚变反应释放多少能量? ②若1g氢完全聚变,能释放多少能量? ③1g氢完全聚变,释放的能量相当于多少煤完全燃烧放出的热能?(已知煤的燃烧值q=3.36×10J/kg,氢核质量为1.008142u,氦核质量为4.001509u,电子的质量为0.000549u) 【解析】(1)选A、B、D。聚变反应原料在装置中发生聚变,放出能量,故A对;线圈通电时产生磁场,带电粒子在磁场中受洛伦兹力作用旋转而不溢出,故B对;核电站的原理是裂变,托卡马克的原理是聚变,故C错;该装置是科学家设想的其中一种方案,另一种方案是利用聚变物质的惯性进行约束,故D对E错。 (2)①核反应方程为: H He+ e, 7 所以Δm=4mH-mHe-2me=4×1.008142u-4.001509u-2×0.000549u=0.029961u ΔE=Δmc=0.029961uc=0.029961×931.5MeV=27.91MeV=4.47×10J ②1g氢完全聚变释放的能量为 E=×6.02×10×4.47×10J=6.73×10J ③相当于煤完全燃烧的质量为 m= kg=2.00×10kg -12 11 4 23 -12 11 2 2 -12 答案:(1)A、B、D (2)①4.47×10J ②6.73×10J ③2.00×10kg 【补偿训练】(2015·衡水高二检测)当一个中子和一个质子结合成氘核时,产生γ光子辐射,对这一实验事实,下列说法正确的是 ( ) A.上述实验事实的核反应方程是:H+γ H n 4 B.一个中子和一个质子结合成氘核时,要吸收一定的能量 C.γ光子的质量为零,氘核的质量等于中子与质子的质量之和 D.γ光子具有一定的能量,氘核的质量小于中子与质子的质量之和 【解析】选D。根据质量数和电荷数守恒知,上述实验的核反应方程为H n H+γ,A错误; 聚变反应中有质量亏损要放出能量,故B错误;聚变反应中亏损的质量转化为能量以光子的形式放出,氘核的质量小于中子与质子的质量之和,故C错误,D正确。 6
全程复习方略2015-2016学年高中物理 19.7-19.8核聚变 粒子和宇宙课时训练（含解析）新人教版选修3-5
