19.7-19.8 核聚变 粒子和宇宙 课堂限时训练（Word版，含解析）

核聚变　粒子和宇宙
基础巩固　
1.(多选)关于聚变,以下说法正确的是(　　)
A.两个氘核可以聚变成一个中等质量的原子核,同时释放出能量
B.同样质量的物质发生核聚变反应时放出的能量比同样质量的物质发生核裂变反应时释放的能量大得多
C.聚变反应的条件是聚变物质的体积达到临界体积
D.发生聚变反应的原子核必须有足够大的动能
2.(多选)下列关于聚变的说法正确的是(　　)
A.要使聚变产生,必须克服库仑斥力做功
B.轻核聚变需要几百万开尔文的高温,因此聚变又叫做热核反应
C.原子弹爆炸能产生几百万开尔文的高温,所以氢弹可以利用原子弹引发热核反应
D.太阳和许多恒星内部都在激烈地进行着热核反应,在地球内部也可以自发地进行
3.关于轻核聚变释放核能,下列说法正确的是(　　)
A.一次聚变反应一定比一次裂变反应释放的能量多
B.聚变反应每个核子释放的平均能量一定比裂变反应大
C.聚变反应中粒子的比结合能变小
D.聚变反应中由于形成质量较大的核,故反应后质量增大
4.原子核聚变可给人类未来提供丰富的洁净能源。当氘等离子体被加热到适当高温时,氘核参与的几种聚变反应可能发生,放出能量。这几种反应的总效果可以表示为H→He+H+n+43.15 MeV,由平衡条件可知(　　)
A.k=1,d=4
B.k=2,d=2
C.k=1,d=6
D.k=2,d=3
5.利用氦3He)和氘进行的聚变反应安全无污染,容易控制。月球上有大量的氦3,每个航天大国都将获取氦3作为开发月球的重要目标之一。“嫦娥一号”探月卫星执行的一项重要任务就是评估月壤中氦3的分布和储量。已知两个氘核聚变生成一个氦3和一个中子的核反应方程是:Hen+3.26 MeV,若有2 g氘全部发生聚变,则释放的能量是(NA为阿伏加德罗常数)(　　)
A.0.5×3.26 MeV
B.3.26 MeV
C.0.5NA×3.26 MeV
D.NA×3.26 MeV
6.一个质子和两个中子聚变为一个氚核,已知质子质量mH=1.007 3 u,中子质量mn=1.008 7 u,氚核质量m=3.018 0 u。
(1)写出聚变方程。
(2)求释放出的核能多大
(3)求平均每个核子释放的能量是多大
7.已知氘核质量为2.013 6 u,中子质量为1.008 7 uHe核的质量为3.015 0 u。两个速率相等的氘核对心碰撞聚变成He并放出一个中子,释放的核能也全部转化为机械能。(质量亏损为1 u时,释放的能量为931.5 MeV。除了计算质量亏损外He的质量可以认为是中子的3倍)若测得反应后生成中子的动能是3.12 MeV,则反应前每个氘核的动能是多少 MeV
能力提升
1.下列核反应方程中属于聚变反应的是(　　)
AHen
BHeH
CHeAln
DBaKr+n
2.大科学工程“人造太阳”主要是将氘核聚变反应释放的能量用来发电。氘核聚变反应方程是H→n。已知H的质量为2.013 6 uHe的质量为3.015 0 un的质量为1.008 7 u,1 u=931 MeV/c2。氘核聚变反应中释放的核能约为(　　)
A.3.7 MeV
B.3.3 MeV
C.2.7 MeV
D.0.93 MeV
3.(多选)原子核的比结合能曲线如图所示。根据该曲线,下列判断正确的有(　　)
AHe核的结合能约为14 MeV
BHe核比Li核更稳定
C.两个H核结合成He核时释放能量
DU核中核子的平均结合能比Kr核中的大
4.恒星向外辐射的能量来自其内部发生的各种热核反应,核反应方程为HeHeBe+γ。以下说法正确的是(　　)
A.该核反应为裂变反应
B.热核反应中有质量亏损,会放出巨大能量
C.由于核反应中质量数守恒,所以质量也是守恒的
D.任意原子核内的质子数和中子数总是相等的
5.(多选)科学家使用核反应获取氚,再利用氘和氚的核反应获得能量,核反应方程分别为:X+YHeH+4.9 MeV和He+X+17.6 MeV,下列表述正确的有(　　)
A.X是中子
B.Y的质子数是3,中子数是6
C.两个核反应都没有质量亏损
D.氘和氚的核反应是核聚变反应
6.(多选)如下的说法中,正确的是(　　)
AHen是轻核聚变反应
B.β衰变说明了原子核中有电子
C.光电效应说明了光具有粒子性
D.γ射线可用来消除静电
7.一个质子的质量为m1,一个中子的质量为m2,氦核的质量为m3,光速为c。
(1)写出核子结合成氦核的核反应方程;
(2)计算核子结合成氦核时释放的核能ΔE;
(3)计算氦核的比结合能E。
参考答案：
基础巩固　
1.(多选)关于聚变,以下说法正确的是(　　)
A.两个氘核可以聚变成一个中等质量的原子核,同时释放出能量
B.同样质量的物质发生核聚变反应时放出的能量比同样质量的物质发生核裂变反应时释放的能量大得多
C.聚变反应的条件是聚变物质的体积达到临界体积
D.发生聚变反应的原子核必须有足够大的动能
答案BD
2.(多选)下列关于聚变的说法正确的是(　　)
A.要使聚变产生,必须克服库仑斥力做功
B.轻核聚变需要几百万开尔文的高温,因此聚变又叫做热核反应
C.原子弹爆炸能产生几百万开尔文的高温,所以氢弹可以利用原子弹引发热核反应
D.太阳和许多恒星内部都在激烈地进行着热核反应,在地球内部也可以自发地进行
解析轻核聚变时,要使轻核之间距离达到10-15m,所以必须克服库仑斥力做功,A正确;原子核必须有足够的动能,才能使它们接近到核力发生作用的范围,实验证实,原子核的温度必须达到几百万开尔文时才有这样的能量,这样高的温度可以利用原子弹爆炸获得,故B、C正确;在太阳和许多恒星内部都存在着热核反应,但在地球内部不会自发地进行,D错误。
答案ABC
3.关于轻核聚变释放核能,下列说法正确的是(　　)
A.一次聚变反应一定比一次裂变反应释放的能量多
B.聚变反应每个核子释放的平均能量一定比裂变反应大
C.聚变反应中粒子的比结合能变小
D.聚变反应中由于形成质量较大的核,故反应后质量增大
解析在一次聚变反应中释放的能量不一定比裂变反应多,故A错误;由于聚变反应中释放出巨大能量,则比结合能一定增加,质量发生亏损,故C、D错误。
答案B
4.原子核聚变可给人类未来提供丰富的洁净能源。当氘等离子体被加热到适当高温时,氘核参与的几种聚变反应可能发生,放出能量。这几种反应的总效果可以表示为H→He+H+n+43.15 MeV,由平衡条件可知(　　)
A.k=1,d=4
B.k=2,d=2
C.k=1,d=6
D.k=2,d=3
解析由质量数守恒和电荷数守恒,分别有4k+d=10,2k+d=6,解得k=2,d=2。正确选项为B。
答案B
5.利用氦3He)和氘进行的聚变反应安全无污染,容易控制。月球上有大量的氦3,每个航天大国都将获取氦3作为开发月球的重要目标之一。“嫦娥一号”探月卫星执行的一项重要任务就是评估月壤中氦3的分布和储量。已知两个氘核聚变生成一个氦3和一个中子的核反应方程是:Hen+3.26 MeV,若有2 g氘全部发生聚变,则释放的能量是(NA为阿伏加德罗常数)(　　)
A.0.5×3.26 MeV
B.3.26 MeV
C.0.5NA×3.26 MeV
D.NA×3.26 MeV
解析2g氘核的摩尔数n=mol=1mol,因为2个氘核聚变可放出3.26MeV的能量,所以2g氘核全部发生聚变时释放的能量为0.5NA×3.26MeV,故C正确,其他选项错误。
答案C
6.一个质子和两个中子聚变为一个氚核,已知质子质量mH=1.007 3 u,中子质量mn=1.008 7 u,氚核质量m=3.018 0 u。
(1)写出聚变方程。
(2)求释放出的核能多大
(3)求平均每个核子释放的能量是多大
解析(1)聚变方程H+H
(2)质量亏损Δm=mH+2mn-m=(1.0073+2×1.0087-3.0180)u=0.0067u
释放的核能ΔE=Δmc2=0.0067×931.5MeV≈6.24MeV
(3)一共有三个核子,平均每个核子放出的能量为E'==2.08MeV
答案(1H+H　(2)6.24 MeV　(3)2.08 MeV
7.已知氘核质量为2.013 6 u,中子质量为1.008 7 uHe核的质量为3.015 0 u。两个速率相等的氘核对心碰撞聚变成He并放出一个中子,释放的核能也全部转化为机械能。(质量亏损为1 u时,释放的能量为931.5 MeV。除了计算质量亏损外He的质量可以认为是中子的3倍)若测得反应后生成中子的动能是3.12 MeV,则反应前每个氘核的动能是多少 MeV
解析核反应方程为Hen　①
质量亏损为Δm=2.0136×2u-(3.0150u+1.0087u)=0.0035u　②
释放的核能为ΔE=Δmc2=0.0035×931.5MeV=3.26MeV　③
设中子和He核的质量分别为m1、m2,速度分别为v1、v2。反应前每个氘核的动能是E0,反应后中子和He核动能分别为E1、E2,根据动量守恒定律,得m1v1-m2v2=0　又E=,所以=3　E2==1.04MeV
由能量的转化和守恒定律,得E1+E2=2E0+ΔE　E0=0.45MeV
答案均为0.45 MeV
能力提升
1.下列核反应方程中属于聚变反应的是(　　)
AHen
BHeH
CHeAln
DBaKr+n
解析A项是氢元素的两种同位素氘和氚聚变成氦元素的核反应方程,B项是用α粒子轰击氮原子核发现质子的核反应方程,C项属于原子核的人工转变,D项属于重核的裂变,因此只有A项符合要求。
答案A
2.大科学工程“人造太阳”主要是将氘核聚变反应释放的能量用来发电。氘核聚变反应方程是H→n。已知H的质量为2.013 6 uHe的质量为3.015 0 un的质量为1.008 7 u,1 u=931 MeV/c2。氘核聚变反应中释放的核能约为(　　)
A.3.7 MeV
B.3.3 MeV
C.2.7 MeV
D.0.93 MeV
解析氘核聚变反应的质量亏损为Δm=2×2.0136u-(3.0150u+1.0087u)=0.0035u,释放的核能为ΔE=Δmc2=0.0035×931MeV/c2×c2≈3.3MeV,选项B正确。
答案B
3.(多选)原子核的比结合能曲线如图所示。根据该曲线,下列判断正确的有(　　)
AHe核的结合能约为14 MeV
BHe核比Li核更稳定
C.两个H核结合成He核时释放能量
DU核中核子的平均结合能比Kr核中的大
解析由题图可知He的比结合能为7MeV,因此它的结合能为7MeV×4=28MeV,A项错误;比结合能越大,表明原子核中核子结合得越牢固,原子核越稳定,结合题图可知B项正确;两个比结合能小的H核结合成比结合能大的He时,会释放能量,C项正确;由题图可知U的比结合能(即平均结合能)比Kr的小,D项错误。
答案BC
4.恒星向外辐射的能量来自其内部发生的各种热核反应,核反应方程为HeHeBe+γ。以下说法正确的是(　　)
A.该核反应为裂变反应
B.热核反应中有质量亏损,会放出巨大能量
C.由于核反应中质量数守恒,所以质量也是守恒的
D.任意原子核内的质子数和中子数总是相等的
解析该核反应为聚变反应,故A错误;裂变和聚变都会有质量亏损,都会放出巨大的能量,故B正确;核反应中质量数守恒,质量不守恒,故C错误;原子核内的质子数和中子数不一定相等,故D错误。
答案B
5.(多选)科学家使用核反应获取氚,再利用氘和氚的核反应获得能量,核反应方程分别为:X+YHeH+4.9 MeV和He+X+17.6 MeV,下列表述正确的有(　　)
A.X是中子
B.Y的质子数是3,中子数是6
C.两个核反应都没有质量亏损
D.氘和氚的核反应是核聚变反应
解析核反应方程遵守核电荷数守恒和质量数守恒,则由He+X+17.6MeV知X为n,由X+HeH+4.9MeV知Y为Li,其中Y的质子数是3,中子数也是3,选项A正确、选项B错误;两个核反应都释放出核能,故都有质量亏损,选项C错误;X+HeH+4.9MeV是原子核的人工转变H+Hen+17.6MeV为轻核聚变,选项D正确。
答案AD
6.(多选)如下的说法中,正确的是(　　)
AHen是轻核聚变反应
B.β衰变说明了原子核中有电子
C.光电效应说明了光具有粒子性
D.γ射线可用来消除静电
解析Hen是轻核聚变反应,太阳辐射能量来自于轻核的聚变,故A正确;β衰变是中子转变成质子而放出的电子,故B错误;光电效应说明了光具有粒子性,故C正确;γ射线是高能光子,即高能电磁波,它是不带电的,所以γ射线的电离作用很弱,故D错误。
答案AC
7.一个质子的质量为m1,一个中子的质量为m2,氦核的质量为m3,光速为c。
(1)写出核子结合成氦核的核反应方程;
(2)计算核子结合成氦核时释放的核能ΔE;
(3)计算氦核的比结合能E。
解析(1)根据电荷数守恒、质量数守恒得
H+He
(2)2个中子和2个质子结合成氦核时质量亏损
Δm=2m1+2m2-m3
根据爱因斯坦质能方程,放出的能量为
ΔE=Δmc2=(2m1+2m2-m3)c2
(3)氦核的比结合能为
E=
答案(1)H+He　(2)(2m1+2m2-m3)c2　(3)