人教版 选择性必修第三册 第五章 4 核裂变与核聚变（75张PPT）

(共75张PPT)
4　核裂变与核聚变
第五章　原子核
1.知道什么是裂变、聚变和链式反应，知道链式反应和聚变
的条件.
2.会书写裂变和聚变方程，会利用质量亏损计算裂变和聚变
产生的核能.
3.了解核反应堆的工作原理，知道如何控制核反应的速度.
【学习目标】
【内容索引】
梳理教材
夯实基础
探究重点
提升素养
课时
对点练
随堂演练
逐点落实
SHULIJIAOCAI　 HANGSHIJICHU
梳理教材　夯实基础
1
一、核裂变的发现
1.核裂变：铀核在被 轰击后分裂成两块质量差不多的碎块，这类核反应定名为核裂变.
2.铀核裂变
用中子轰击铀核时，铀核发生裂变，其产物是多种多样的，其中一种典型的反应是 .
3.链式反应
中子轰击重核发生裂变后，裂变产生的中子继续与其他重核发生反应，引起新的核裂变，使核裂变反应一代接一代继续下去，这样的过程叫作核裂变的 反应.
中子
链式
4.临界体积和临界质量：核裂变物质能够发生 反应的 体积叫作它的临界体积，相应的质量叫作临界质量.
二、反应堆与核电站
1.核电站：利用核能发电，它的核心设施是 ，它主要由以下几部分组成：
(1)燃料： .
(2)慢化剂： 、 和普通水(也叫轻水).
(3)控制棒：为了调节中子数目以控制反应速度，还需要在铀棒之间插进一些镉棒，它吸收 的能力很强，当反应过于激烈时，将镉棒插入___
一些，让它多吸收一些 ，链式反应的速度就会慢一些，这种镉棒叫作 .
链式
最小
核反应堆
铀棒
石墨
重水
中子
深
中子
控制棒
2.工作原理
核燃料发生 释放的能量使反应区温度升高，水或液态的金属钠等流体在反应堆内外 ，把反应堆内的 传输出去，用于 ，同时也使反应堆冷却.
3.核污染的处理
在反应堆的外面需要修建很厚的 ，用来屏蔽裂变产物放出的各种射线.核废料具有很强的 ，需要装入特制的容器， .
核裂变
循环流动
水泥层
发电
放射性
深埋地下
热量
3.条件：使轻核的距离达到 m以内.
方法：加热到很高的 .
4.宇宙中的核聚变：太阳能是太阳内部的氢核 成氦核释放的 能.
5.人工热核反应： 弹.首先由化学炸药引爆 弹，再由 弹爆炸产生的高温高压引发热核爆炸.
三、核聚变
1.定义：两个 结合成质量较大的核，这样的核反应叫作核聚变.
轻核
10－15
温度
聚变
核
氢
原子
原子
6.核聚变与核裂变的比较
(1)优点：①轻核聚变产能 ；②地球上核聚变燃料氘储量 ，而氚可以利用锂来制取，足以满足核聚变的需求； ③轻核聚变更为安全、清洁.
(2)缺点：核聚变需要的温度太 ，地球上没有任何容器能够经受如此高的温度.
解决方案： 约束和 约束.
效率高
丰富
高
磁
惯性
1.判断下列说法的正误.
(1)铀块的质量大于或等于临界质量时链式反应才能不停地进行下去.
(　　)
(2)中子的速度越快，越容易发生铀核裂变.(　　)
(3)核聚变反应中平均每个核子放出的能量比裂变时小一些.(　　)
(4)核聚变主要用在核武器上，那就是原子弹.(　　)
即学即用
×
√
×
×
返回
答案　140.4 MeV
解析　释放的总能量为ΔE＝(235.043 9＋1.008 7－135.907 2－89.907 7－10×1.008 7)×931.5 MeV≈140.4 MeV.
TANJIUZHONGDIAN　 TISHENGSUYANG
探究重点　提升素养
2
一、核裂变及链式反应
如图1为铀核裂变示意图.
导学探究
图1
(1)铀核裂变是如何发生的？试写出一种铀核裂变的核反应方程.
答案　当中子进入铀235后，便形成了处于激发状态的复核，复核中由于核子的激烈运动，使核变成不规则的形状.核子间的距离增大，因而核力迅速减弱，使得原子核由于质子间的斥力作用而分裂成几块，同时放出中子，这些中子又引起其他铀核裂变，这样，裂变反应一代接一代继续下去，形成链式反应.
(2)只要有中子轰击铀块就可以产生链式反应吗？
答案　不是，铀块体积还须大于或等于临界体积.
2.核能的释放
由于重核的核子的平均质量大于中等质量原子核的核子的平均质量，因此，铀核裂变为中等质量的原子核时，会发生质量亏损，释放核能.
知识深化
3.链式反应发生的条件
(1)铀块的体积大于或等于临界体积.
(2)有足够浓度的铀235.
(3)有足够数量的慢中子.
4.裂变反应的能量大小
铀核裂变为中等质量的原子核，发生质量亏损，所以放出能量.一个铀235核裂变时释放的能量如果按200 MeV估算，1 kg铀235 全部裂变放出的能量相当于2 800 t标准煤完全燃烧时释放的能量，裂变时能产生几百万度的高温.
例1　关于重核的裂变，以下说法正确的是
A.核裂变释放的能量等于它俘获中子时得到的能量
B.中子从铀块中通过时，一定发生链式反应
C.重核裂变释放出大量能量，产生明显的质量亏损，所以核子数要减少
D.由于重核的核子平均质量大于中等质量核的核子平均质量，所以重核
裂变为中等质量的核时，要发生质量亏损，放出核能
√
命题角度1　对裂变的理解
解析　根据重核发生裂变的条件和裂变放能的原理分析可知，裂变时因铀核俘获中子发生核反应，是核能转化为其他形式能的过程，其释放的能量远大于其俘获中子时吸收的能量，链式反应是有条件的，即铀块的体积必须大于或等于其临界体积，如果体积小，中子从铀块中穿过，碰不到原子核，则链式反应不会发生，在裂变反应中核子数是不会减少的，故选D.
命题角度2　裂变产生核能的计算
答案　200.6 MeV　
解析　裂变反应的质量亏损为
Δm＝(235.043 9＋1.008 7－140.913 9－91.897 3－3×1.008 7) u＝0.215 3 u.
一个铀235原子核裂变后释放的能量为
ΔE＝0.215 3×931.5 MeV≈200.6 MeV.
(2)1 kg铀235原子核发生上述裂变时能放出多少核能？这相当于完全燃烧多少煤释放的能量？(煤的热值为2.94×107 J/kg)
答案　5.14×1026MeV　相当于完全燃烧2 797.3 t煤
解析　1 kg铀235原子核中含原子核的个数为
1 kg铀235原子核发生裂变时释放的总能量
ΔEN＝N·ΔE＝2.56×1024×200.6 MeV≈5.14×1026 MeV.
设完全燃烧的煤的质量为m，
有ΔEN＝qm，
二、核电站
1.核电站的主要部件及作用
组成部分 材料 作用
裂变材料(核燃料) 浓缩铀 提供核燃料
减速剂(慢化剂) 石墨、重水或普通水(也叫轻水) 使裂变产生的快中子减速
控制棒 镉棒 吸收中子，控制反应速度
热交换器 水或液态的金属钠 传输热量
防护层 厚水泥层 防止放射线泄露，对人体及其他生物体造成伤害
2.核电站发电的优点
(1)消耗的核燃料少．
(2)作为核燃料的铀、钍等在地球上可采用储量大，所能提供的能量大．
(3)对环境的污染要比火力发电小．
A.铀235容易吸收快中子后发生裂变反应
B.快中子跟慢化剂的原子核碰撞后能量减少，变成
慢中子，慢中子容易被铀235俘获而引起裂变反应
C.控制棒由镉做成，当反应过于激烈时，使控制棒
插入浅一些，让它少吸收一些中子，链式反应的
速度就会慢一些
D.要使裂变反应更激烈一些，应使控制棒插入深一些，使大量快中子碰
撞控制棒后变成慢中子，链式反应的速度就会快一些
例３　如图2是慢中子反应堆的示意图，下列对该反应堆的说法正确的是
√
图2
解析　快中子容易与铀235“擦肩而过”，快中子跟慢化剂的原子核碰撞后能量减少，变成慢中子，慢中子容易被铀235俘获而引起裂变反应，A错误，B正确；
控制棒由镉做成，镉吸收中子的能力很强，当反应过于激烈时，使控制棒插入深一些，让它多吸收一些中子，链式反应的速度就会慢一些，C、D错误.
三、核聚变
为什么实现核聚变要使聚变的燃料加热到几百万开尔文的高温？
导学探究
答案　轻核的聚变反应，是较轻的核子结合成较重的核子，要使得核子的强相互作用发挥作用，必须使核子间的距离达到10－15 m以内；同时由于在此距离时原子核之间的库仑斥力巨大，因而需要核子有很大的动能，表现在宏观上就是核燃料需要达到极高的温度.
1.聚变发生的条件：要使轻核发生聚变，必须使轻核间的距离达到核力发生作用的距离10－15 m以内，这要克服原子核间巨大的库仑斥力作用，使轻核具有足够大的动能.要使原子核具有足够大的动能，有一种方法就是给它们加热，使物质达到几百万开尔文的高温.
2.轻核聚变是放能反应：从比结合能的图线看，轻核聚变后比结合能增加，因此聚变反应是一个放能反应.
知识深化
4.重核裂变与轻核聚变的区别
重核裂变 轻核聚变
放能 原理 重核分裂成两个或多个中等质量的原子核，放出核能 两个轻核结合成质量较大的原子核，放出核能
放能 多少 聚变反应比裂变反应平均每个核子放出的能量要大3～4倍 例4　(2021·江苏苏州高二期中)在太阳内部发生的典型核反应方程是
＋2X，下列说法正确的是
A.核电站利用此反应来获得核能
B.该核反应属于聚变反应
C.方程中的X为电子( )
D.该核反应前后质量数守恒，因而反应前后总质量保持不变
√
命题角度1　对聚变的理解
解析　核电站利用核裂变来获得核能，A错误；
该核反应属于聚变反应，B正确；
根据质量数和电荷数守恒，此X为正电子，C错误；
该核反应前后质量数守恒，释放了核能，根据爱因斯坦质能方程可知反应过程产生了质量亏损，D错误.
例5　(2020·平顶山市第一中学高二开学考试)已知氘核的平均结合能为1.1 MeV，氦核的平均结合能为7.1 MeV，则两个氘核结合成一个氦核时
A.释放出4.9 MeV的能量
B.吸收4.9 MeV的能量
C.吸收24.0 MeV的能量
D.释放出24.0 MeV的能量
√
命题角度2　聚变产生核能的计算
解析　两个氘核结合成一个氦核的核反应方程为：
E1＝1.1×4 MeV＝4.4 MeV
反应后生成的氦核的结合能为
E2＝7.1×4 MeV＝28.4 MeV
所以反应释放的核能
ΔE＝E2－E1＝28.4 MeV－4.4 MeV＝24 MeV
故A、B、C错误，D正确.
返回
SUITANGYANLIAN　 ZHUDIANLUOSHI
随堂演练　逐点落实
3
1.(核裂变及链式反应)(2021·江苏省光华高级中学高三测试)铀核裂变时，对于产生链式反应的重要因素，下列说法中正确的是
A.若铀235的体积小于它的临界体积，裂变的链式反应就能够发生
B.为了使裂变的链式反应容易发生，最好直接利用裂变时产生的中子
C.镉棒也叫控制棒，用来调节中子数目以控制反应速度
D.能否发生链式反应与铀块的质量无关
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解析　要使铀核裂变产生链式反应，铀块的体积必须大于等于临界体积或铀块的质量大于等于临界质量；裂变反应中产生的中子为快中子，这些快中子不能直接引发新的裂变；镉棒吸收中子的能力很强，在核反应中用来调节中子数目以控制反应速度，所以C正确，A、B、D错误.
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4
2.(核电站)(2021·山东临沂高二期中)核电站利用核能发电，它的核心设备是反应堆，下列说法正确的是
A.反应堆是用人工方法控制链式反应速度并获得核能的装置
B.目前核电站都是通过聚变反应来利用核能
C.控制棒的作用是使中子减速，从而控制链式反应的速度
D.通入反应堆中的水起冷却作用和吸收中子的作用
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4
解析　核电站的反应堆是利用可控的核裂变反应释放核能的设备，故A正确.
核电站主要利用核裂变的可控链式反应来发电的，故B错误.
控制棒的作用是控制中子数量，从而控制链式反应的速度，故C错误.
冷却剂把反应堆核反应产生的热量传递出去，同时使反应堆冷却，没有起吸收中子的作用，故D错误.
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B.该核反应释放的核能为(m3＋m4－m1－m2)c2
C.核反应中比结合能较小的原子核变成了比结合能较大的原子核
D.核反应中核子平均质量较小的原子核变成了核子平均质量较大的原子核
√
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4
根据爱因斯坦质能方程得，该核反应释放的核能为(m1＋m2－m3－m4)c2，故B项错误；
该核反应中生成的新核核子平均质量变小，新核的比结合能变大，故C项正确，D项错误.
1
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4
答案　40　90　
解析　锆的电荷数Z＝92－60＋8＝40，
质量数A＝236－146＝90.
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4
答案　8.1×1013 J
(2)已知铀核的质量为235.043 9 u，中子的质量为1.008 7 u，钕(Nd)核的质量为142.909 8 u，锆(Zr)核的质量为89.904 7 u，不考虑核反应中生成的电子和反中微子的质量，试计算1 kg铀235裂变释放的能量为多少？(1 u＝1.660 6×10－27 kg,1 u相当于931.5 MeV的能量)
1
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返回
解析　1 kg铀235中铀核的个数为
1个铀235核裂变产生的质量亏损为
Δm＝0.212 u，
释放的能量为
ΔE＝0.212×931.5 MeV≈197.5 MeV
则1 kg铀235完全裂变释放的能量为
E＝nΔE＝2.56×1024×197.5 MeV≈8.1×1013 J.
KE SHI DUI DIAN LIAN
课时对点练
4
考点一　重核的裂变及链式反应
1.(2020·吕叔湘中学高二期中)关于铀核的裂变，下列叙述正确的是
A.核反应堆中铀核俘获一个中子后分裂为两个或几个中等质量的原子核，
并吸收大量能量
B.核反应堆中铀核自发分裂为两个或几个中等质量的原子核，同时释放
大量的核能
C.要使核反应堆中铀核发生链式反应，必须要有慢中子的轰击
D.要使核反应堆中铀核发生链式反应，必须要有快中子的轰击
基础对点练
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解析　核反应堆中铀核俘获一个中子后分裂为两个或几个中等质量的原子核，并释放大量能量，A、B错误；
链式反应的条件有三个，一是足够浓度的铀，二是铀的体积需要大于等于临界体积，三是需要慢中子轰击，C正确，D错误.
2.(2021·江苏苏州高二期中)作为一项新能源，人类利用核能，目前都是通过可控制的核裂变反应实现的.下列反应中属于核裂变反应的是
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解析　中子轰击铀核，生成两个中等质量的核和中子，形成链式反应，则该核反应为核裂变反应，A符合题意；
氦核轰击铝核，生成磷的同位素，是人工核转变，B不符合题意；
两个轻核生成一个中等质量的核，属于核聚变反应，C不符合题意；
反应物只有一个，生成物有氦核，属于α衰变，D不符合题意.
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D.铀核裂变后生成的新核比铀核的比结合能小
3.2017年11月17日，“中国核潜艇之父”——黄旭华获评全国道德模范，颁奖典礼上，习总书记为他“让座”的场景感人肺腑，下列有关核反应的说法错误的是
A.目前核潜艇是利用重核裂变释放的核能提供动力
B.重核裂变反应前后一定有质量亏损
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解析　目前核潜艇是利用重核裂变释放的核能提供动力，故A正确；
根据质能方程可知，重核裂变反应前后一定有质量亏损，故B正确；
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铀核裂变后生成的新核稳定，可知铀核的比结合能比裂变后生成的新核的比结合能小，故D错误.
4.(2020·银川唐徕回民中学高三一模)作为我国核电走向世界的“国家名片”，华龙一号(如图1)是当前核电市场上接受度最高的三代核电机型之一，是我国核电创新发展的重大标志性成果，其国内外示范工程按期成功的建设，对我国实现由核电大国向核电强国的跨越具有重要意义.已知发电站的核能来源于
的裂变，现有四种说法：
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图1
以上说法中完全正确的是
A.①②③ B.②③④
C.①③④ D.①②④
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由核反应方程中电荷数守恒和质量数守恒知，②正确；
半衰期不受外界因素影响，③错误；
通过计算知：200 MeV＝200×106×1.6×
10－19 J＝3.2×10－11 J，④正确.故选D.
考点二　核电站
5.核反应堆是实现可控制的重核裂变链式反应的一种装置，它的主要组成部分是
A.燃料、减速剂、冷却系统和控制调节系统
B.燃料、减速剂、发热系统和传热系统
C.燃料、调速剂、碰撞系统和热系统
D.燃料、中子源、原子能聚存和输送系统
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解析　核反应堆的主要部分包括①燃料，即浓缩铀235；
②减速剂，采用石墨、重水或普通水；
③控制调节系统，用控制棒控制链式反应的速度；
④冷却系统，水或液态金属钠等流体在反应堆内外循环流动，把反应堆的热量传输出去，用于发电，故A正确，B、C、D错误.
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6.在核反应中，控制铀235核裂变反应速度的方法是
A.使用浓缩铀
B.改变铀块的临界体积
C.通过自动控制装置，改变镉棒插入的深度，以控制中子数
D.利用石墨与中子的碰撞来改变中子的速度
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解析　控制铀235核裂变反应速度的方法是控制中子的数量，其有效方法是用吸收中子能力很强的镉棒插入铀燃料周围，镉棒插入的深度不同，可控制中子的数目，以达到控制核反应速度的目的，C正确.
B.此反应为链式反应
C.反应后粒子的比结合能变大
D.因为是微观粒子，粒子在反应前后不满足动量守恒定律
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此反应为核聚变反应，故B错误；
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所有核反应都满足动量守恒，故D错误.
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8.(2021·江苏省海门市第一中学高二期末)2020年12月17日，携带“月壤”的嫦娥五号返回器成功着陆.“月壤”中的氦－3是目前为止最理想的核聚变清洁能源.下列核反应方程中属于核聚变的是
A.X为质子
B.X为电子
C.反应前后的质量应满足(m1＋m2)<(m3＋m4)
D.反应中释放的核能为(m1＋m2－m3－m4)c2
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解析　根据核反应的质量数和电荷数守恒可知，X的质量数为1，电荷数为0，则X为中子，选项A、B错误；
因反应放出核能，则反应有质量亏损，即反应前后的质量应满足(m1＋m2)>(m3＋m4)，选项C错误；
该反应的质量亏损为Δm＝m1＋m2－m3－m4，反应中释放的核能为E＝Δmc2＝(m1＋m2－m3－m4)c2，选项D正确.
10.(2021·湖北武汉高二期中)2021年1月21日，中广核集团在深圳召开2021年度媒体通报会，会议指出，2020年度中广核24台核电机组保持安全稳定运行，世界核运营者协会WANO指标中，72.6%的指标达到世界先进水平，平均能力因子连续三年保持92%以上，其中宁德核电2号机组全部WANO指标达到卓越值.以下关于核能的有关说法正确的是
A.宁德核电2号机组的核能是利用轻核聚变
B.原子核比结合能越大，原子核越稳定
C.重核裂变是重核分裂成中等大小的核，核的比结合能减小
D.重核裂变反应中亏损的质量变成了能量
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解析　现在所有投入运营的核电站用的都是重核裂变，A错误；
原子核比结合能越大，核子结合得越牢固，原子核越稳定，B正确；
重核裂变的过程中释放能量，所以重核分裂成中等大小的核，核的比结合能增大，C错误；
核裂变反应中释放核能有质量亏损，质量与能量之间存在一定的关系，但不是质量转变为能量，D错误.
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能力综合练
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E1＝(1.09×2＋2.78×3) MeV＝10.52 MeV
E2＝7.03×4 MeV＝28.12 MeV
故E2＞E1，核反应向比结合能增大的方向进行时，要释放能量.
反应释放的核能为
ΔE＝E2－E1＝(28.12－10.52) MeV＝17.6 MeV.
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mU＝390.313 9×10－27 kg，mn＝1.674 9×10－27 kg；
mBa＝234.001 6×10－27 kg，mKr＝152.604 7×10－27 kg.
(1)试写出核反应方程；
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(2)求出反应中释放的核能；
答案　3.22×10－11 J　
解析　一个铀核发生反应的质量亏损
Δm＝mU＋mn－mBa－mKr－3mn＝mU－mBa－mKr－2mn
＝390.313 9×10－27 kg－234.001 6×10－27 kg－152.604 7×10－27 kg－2×
1.674 9×10－27 kg＝3.578×10－28 kg.
一个铀核裂变释放的能量为ΔE＝Δmc2＝3.578×10－28×(3×108)2 J≈3.22
×10－11 J
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(3)我国第一座核电站——秦山核电站总装机容量达到650万千瓦，求秦山核电站一年需要消耗多少千克的裂变原料？
答案　2.48×103 kg
解析　秦山核电站一年需要消耗的裂变原料的质量为
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13.(2020·北京高二期末)目前地球上消耗的能量绝大部分来自太阳内部核聚变时释放的核能.
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(2)目前太阳能已被广泛利用.如图2所示的太阳能路灯的额定功率为P，光电池的光电转换效率为η.用P0表示太阳辐射的总功率，用r表示太阳与地球间的距离.太阳光传播到达地面的过程中大约有30%的能量损耗.某段时间内，电池板接收太阳垂直照射的有效面积
为S.求这段时间内路灯正常工作时间t与日
照时间t0之比.
图2
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(3)天文学家估测：太阳已有50亿年的历史了.有人认为：50亿年来，因释放核能而带来的太阳质量变化几乎可以忽略.请你通过计算说明这种观点的合理性.可能用到的数据：太阳的质量约为M0＝2×1030 kg，太阳辐射的总功率为P0＝4×1026 W,1年≈3×107 s.
答案　见解析
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解析　50亿年太阳辐射的总能量为ΔE＝P0t′
所以这种说法合理.
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