课时作业19 核聚变
1．目前核电站利用的核反应是( )
A．裂变，核燃料为铀 B．聚变，核燃料为铀
C．裂变，核燃料为氘 D．聚变，核燃料为氘
答案：A
2．下列核反应方程式中，表示核聚变过程的是( )
A.P→Si＋e B.H＋H→He＋n
C.C→N＋e D.U→Th＋He
解析：因为轻核结合成质量较大的核叫聚变，此题关键在一个“聚”字，暗示变化之前应至少有两种核，四个选项中只有B符合要求。
答案：B
3．太阳不断地向外辐射能量，仍保持1千万度以上的高温，其主要原因是太阳内部进行着激烈地( )
A．衰变反应 B．人工核反应
C．裂变反应 D．热核反应
解析：太阳内部时刻都在进行着轻核聚变反应，即热核反应，并伴随着释放出巨大的能量。
答案：D
4．下列关于聚变的说法中，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摄氏度的高温，因此聚变又叫做热核反应
C．原子弹爆炸能产生几百万摄氏度的高温，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
解析：要使轻核发生聚变，必须使它们的距离达到10－15 m以内，核力才能起作用。由于原子核带正电，要使它们接近到这种程度，必须克服巨大的库仑斥力。
答案：A、C、D
5．重核的裂变和轻核的聚变是人类利用核能的两种主要方式，但只有重核的裂变被人类和平利用，其原因是轻核聚变( )
A．产能效率不高
B．核燃料储量不够丰富
C．核废料的处理比较困难
D．反应速度的控制比较困难
解析：裂变和聚变都释放核能，聚变产能效率高，核燃料储量丰富，且核废料容易处理，缺点是核反应速度难以控制，D正确。
答案：D
6．重核裂变和轻核聚变是人类获得核能的两种主要途径，下面关于它们的说法中正确的是( )
A．裂变和聚变过程中都有质量亏损
B．裂变过程中有质量亏损，聚变过程中质量有所增加
C．裂变过程中质量有所增加，聚变过程中有质量亏损
D．裂变和聚变过程中质量都有增加
解析：在重核裂变和轻核聚变过程中都会释放出大量的热量，由爱因斯坦质能方程知，无论是裂变还是聚变，质量都会减少，而质量变化叫做质量亏损，所以仅A选项正确。
答案：A
7．现有三个核反应方程：
①Na→Mg＋e
②U＋n→Ba＋Kr＋3n
③H＋H→He＋n
下列说法正确的是( )
A．①是裂变，②是β衰变，③是聚变
B．①是聚变，②是裂变，③是β衰变
C．①是β衰变，②是裂变，③是聚变
D．①是β衰变，②是聚变，③是裂变
解析：裂变是重核变为中等质量的核，②是；衰变有α衰变和β衰变，α衰变的结果是释放氦核，β衰变的结果是从原子中释放电子，①是；聚变是质量较小的核结合成质量较大的核，③是。综上所述C正确。
答案：C
8．据新华社报道，由我国自行设计、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H＋H―→He＋n
B．“人造太阳”的核反应方程是U＋n―→Ba＋Kr＋3n
C．“人造太阳”释放的能量大小的计算公式是ΔE＝Δmc2
D．“人造太阳”核能大小的计算公式是E＝mc2
解析：“人造太阳”发生的是氢核聚变，所以核反应方程式为H＋H→He＋n，而B选项中的核反应是核裂变，故错误；“人造太阳”释放的能量大小的计算公式是ΔE＝Δmc2，而核能大小的计算公式为E＝mc2，故选项A、C正确。
答案：A、C
9．雷蒙德·戴维斯因研究来自太阳的电子中微子(νe)而获得了2002年度诺贝尔物理学奖。他探测中微子所用的探测器的主体是一个贮满615 t四氯乙烯(C2Cl4)溶液的巨桶。电子中微子可以将一个氯核变为一个氩核，其核反应方程式为νe＋Cl→Ar＋e。
已知Cl核的质量为36.956 58 u，Ar核的质量为36.956 91 u，e的质量为0.000 55 u,1 u质量对应的能量为931.5 MeV。根据以上数据，可以判断参与上述反应的电子中微子的最小能量为( )
A．0.82 MeV B．0.31 MeV
C．1.33 MeV D．0.51 MeV
解析：核反应过程中，反应前的能量应大于或等于反应后的能量。
质量关系为mνe＋mCl≥mAr＋me，
得mνe≥0.000 88 u。
则电子中微子的最小能量应为
0．000 88 u×931.5 MeV/u＝0.82 MeV，
故A正确。
答案：A
10．已知核反应方程H＋H―→He＋X。若用c表示光速，则( )
A．X是质子，核反应放出的能量等于质子质量乘c2
B．X是中子，核反应放出的能量等于中子质量乘c2
C．X是质子，核反应放出的能量等于氘核与氚核的质量和减去氦核与质子的质量和，再乘c2
D．X是中子，核反应放出的能量等于氘核与氚核的质量和减去氦核与中子的质量和，再乘c2
解析：由质量数守恒及电荷数守恒可知X为n(中子)，再根据质能方程可得核反应放出的能量为反应前后质量亏损与c2的乘积，故D正确。
答案：D
11．完成下列核反应方程，并说明其反应类型：
U＋n―→Xe＋Sr＋________，属________反应；
Rn―→Po＋________，属________反应；
H＋H―→________＋n，属________反应。
解析：在核反应中应遵循质量数守恒和电荷数守恒的原则。
答案：2n 裂变 He 衰变 He 聚变
12．试求在氢弹中，当合成1 kg的氦时所释放出的能量。(氘核H的质量为2.013 6 u，氚核H的质量为3.016 6 u，氦核He的质量为4.002 6 u，中子的质量为1.008 7 u)
解析：设弹壳内装的是氘和氚轻元素，它们在高温下聚变生成氦，核聚变方程为
H＋H→H＋n。
当一个氘核H与一个氚核H发生反应时放出的能量为
ΔE＝Δmc2＝(2.013 6＋3.016 6－4.002 6－1.008 7)×931.5 MeV＝17.6 MeV。
1 kg氦(He)中所含的原子核数目为
N＝nNA＝×6.02×1023＝1.5×1026个。
这样合成1 kg氦核He时所放出的总能量为
E＝NΔE＝1.5×1026×17.6 MeV＝2.64×1027 MeV。
答案：2.64×1027 MeV
13．太阳内部持续不断地发生着四个质子聚变为一个氦核的热核反应，这个核反应释放出的大量能量就是太阳的能源。
(1)写出这个核反应方程；
(2)这一核反应能释放多少能量？
(3)已知太阳每秒释放的能量为3.8×1026 J，则太阳每秒减少的质量为多少千克？(mp＝1.007 3 u，mα＝4.001 5 u，me＝0.000 55 u)
解析：(1)核反应方程是4H→He＋2e
(2)这一核反应的质量亏损是
Δm＝4mp－mα－2me＝0.026 6 u，
ΔE＝Δmc2＝0.026 6×931.5 MeV＝24.78 MeV
(3)由ΔE＝Δmc2得每秒太阳质量减少
Δm＝＝ kg＝4.2×109 kg。
答案：(1)4H→He＋2e (2)24.78 MeV (3)4.2×109 kg
14．如下一系列核反应是在恒星内部发生的。
其中p为质子，α为α粒子，e＋为正电子，ν为一种中微子。已知质子的质量为mp＝1.672 648×10－27 kg，α粒子的质量为mα＝6.644 929×10－27 kg，正电子的质量为me＝9.11×10－31 kg，中微子的质量可忽略不计。真空中的光速c＝3.0×108 m/s。试计算该系列反应完成后释放的能量。
解析：为求出系列反应后释放的能量，将题中所给的各个核反应方程左右两侧分别相加，消去两侧相同的项，系列反应最终等效为
4p→α＋2e＋＋2ν
设反应后释放的能量为Q，根据质能关系和能量守恒得
4mpc2＝mαc2＋2mec2＋Q。
代入数值可得 Q＝3.95×10－12 J。
答案：3.95×10－12 J
15．2006年，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方程是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：
Li＋________→________＋H。
(2)在(1)中，每生产1 g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6.0×1023个/mol)
解析：(2)因为1 g氚为 mol，根据核反应方程，实现核转变的Li也为 mol，所以有6.0×1023×个＝2.0×1023个Li实现了核转变。
答案：(1)n He (2)2.0×1023个
课件31张PPT。知识与技能
1．了解聚变反应的特点。
2．知道可控热核反应。
过程与方法
1．认识轻核的核聚变。
2．体验轻核聚变释放核能的巨大性。
3．调查太阳内部核聚变释放的能量大小。
情感、态度与价值观
感受物理规律在国防和生产生活中的应用。1.两个轻核结合成质量较大的核，这样的核反应叫做________。从比结合能的图线中看，聚变后比结合能增加，因此反应中会________能量。
2．发生聚变的条件：要使轻核发生聚变，必须使它们的距离达到________以内，核力才能起作用。由于原子核都带正电，要使它们接近到这种程度，必须克服巨大的________。3．当物质的温度达到几百万开尔文时，剧烈的________使得一部分原子核具有足够的动能，可以克服________，碰撞时十分接近，发生聚变。因此，聚变又叫________反应。
4．为了解决实现核聚变的难点，科学家设想了两种方案，即磁约束和________。________是目前性能最好的一种磁约束装置。答案：
1．聚变 释放
2．10－15 m 库仑斥力
3．热运动 库仑斥力 热核
4．惯性约束 环流器
知识点1 核聚变
(1)聚变：两个轻核结合成质量较大的核，释放出核能的反应，称为聚变。聚变反应又称为热核反应。
(2)一个氘核与一个氚核结合成一个氦核的聚变方程(3)聚变发生的条件
要使轻核聚变，就必须使轻核接近核力发生作用的距离10－15 m，但是原子核是带正电的，要使它们接近10－15 m就必须克服电荷间很大的斥力作用，这就要求使核具有足够的动能。要使原子核具有足够大的动能，就要给核加热，使物质达到几百万度的高温。综上所述，核聚变只有在超高温条件下才能发生。
说明：聚变反应又叫热核反应，热核反应一旦发生，就不再需要外界给它能量，靠自身产生的热就可以使反应进行下去。太阳是一个巨大的热核反应堆、中心温度大约是1.5×107 K，每秒钟有7亿吨原子核参与碰撞，转化为能量的物质是400万吨，估计能维持90亿—100亿年。【例1】以下说法正确的是 ( )
A．聚变是裂变的逆反应
B．如果裂变释放能量，则聚变反应必定吸收能量
C．聚变须将反应物加热至数百万度以上高温，显然聚变过程是吸收能量的
D．裂变与聚变均可释放巨大能量
【答案】D【解析】从形式上看，裂变与聚变似乎是互为逆反应，但其实不然，因为二者的反应物与生成物全然不同。裂变是重核分裂成中等核，而聚变则是轻核聚合成为次轻核，无直接关联，并非互为逆反应，所以A选项错误；既然裂变与聚变不是互为逆反应，则在能量的流向上也不必相反，所以B选项错误；要实现聚变反应，必须使参加反应的轻核充分接近，需要数百万度高温提供能量。但聚变反应一旦实现，所释放的能量远大于所吸收的能量。因此，总的说来，聚变反应还是释放热量，所以C选项错误，而D选项正确。*对应训练*
1．关于核衰变和核反应的类型，下列表述正确的有
( )解析：α衰变是放射出氦核的天然放射现象，A正确；β衰变是放射出电子的天然放射现象，而B项是发现质子的原子核人工转变，故B错；C项是轻核的聚变，D项是β衰变现象，故C对D错。
答案：A、C知识点2 受控热核反应
(1)聚变与裂变相比有很多优点
第一，轻核聚变产能效率高。
第二，地球上聚变燃料储量丰富。
第三，轻核聚变更为安全、清洁。
(2)实现核聚变的难点：地球上没有任何容器能经受聚变所产生的高温。(3)控制方法
①磁约束：利用强磁场来约束参加反应的物质。目前性能最好的磁约束装置是环流器(又称托卡马克),2002年12月“中国环流器二号”开始运行。
②惯性约束：利用强激光的惯性压力约束参加反应的物质。
目前可控制核聚变还处于基础研究阶段。【例2】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)释放出的核能多大？
(3)平均每个核子释放的能量是多少？
(2)质量亏损
Δm＝mH＋2mn－m＝(1.007 3＋2×1.008 7－3.018 0) u＝0.006 7 u
释放的核能
ΔE＝Δmc2＝0.006 7×931.5 MeV≈6.24 MeV。
(3)平均每个核子放出的能量为*对应训练*
2．如图19－7－1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)、magnit(磁)的头两个字母以及katushka(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 ( )图19－7－1
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．这种装置可以控制热核反应速度，使聚变能缓慢而稳定地进行解析：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不飞散，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；该装置使人们可以在实验室控制反应速度，平稳释放核能，故D对。
答案：A、B、D
1.轻核聚变释放核能的计算方法
轻核聚变时释放出的能量的计算与上两节的方法基本相同，仍然分为
(1)根据质量亏损计算
根据爱因斯坦质能方程，用核子结合成原子核时质量亏损(Δm)的千克数乘以真空中光速(3×108 m/s)的平方，即ΔE＝Δmc2①(2)根据1原子质量单位(u)相当于931.5 MeV能量。用核子结合成原子核时质量亏损的原子质量单位数乘以931.5 MeV，即
ΔE＝Δm×931.5 MeV②
注意：式①中Δm的单位为kg，式②中Δm的单位是u，ΔE的单位是MeV。2．聚变与裂变的区别
重核的裂变，轻核的聚变都能释放出巨大的核能，但两者是有区别的。
(1)原理不同
重核的裂变是重核裂变成几个中等质量的原子核，放出能量，而聚变是几个轻核聚变(结合)成一个质量较大的原子核，放出巨大的能量。
(2)放出能量的大小不同
重核裂变时，平均每个核子释放的能量约为1兆电子伏，而轻核的聚变，平均每个核子释放出3兆电子伏以上的能量，即聚变比裂变能放出更多的能量。(3)废料处理难度不同
裂变产生的废料处理起来比较困难，而热核反应的废料处理要简单得多。
(4)“燃料”的丰富程度不同
热核反应所需要的“燃料”——氘在地球上非常丰富，1升海水中大约有0.03克氘，如果用来进行热核反应，放出的能量约和燃烧300升汽油相当。而裂变燃料——铀在地球上储量有限，尤其是用于核裂变的铀235，在铀矿中仅占0.7%，相比起来聚变的燃料——氘要丰富得多。我国是一个“贫铀”国家，储藏量不多。(5)两种反应的可控制性不同
裂变反应速度可以比较容易地进行人工控制，因此，现在国际上的核电站都是利用裂变放出能量，而聚变反应的可控制性比较困难。【例3】一个质子和一个中子聚变结合成一个氘核，同时辐射一个γ光子。已知质子、中子、氘核的质量分别为m1、m2、m3，普朗克常量为h，真空中的光速为c。下列说法正确的是 ( )【答案】B“人造太阳”进展顺利等离子体研究将有较大进展
中国青年报，2010年3月3日电“我们的工作已经由工程建设进入基础研究阶段，目前一切进展顺利，研究进程比预期得要快。预计近一两年内，我们会在等离子体研究方面取得较大进展。”中科院等离子体物理研究所副所长万宝年委员今天在接受记者采访时透露，2006年9月，中国自主建造的新一代热核聚变装置EAST(全超导非圆截面托卡马克)首次成功完成放电实验，获得电流200千安、时间接近3 秒的高温等离子体放电，这是世界上第一个建成并投入运行的全超导非圆截面核聚变实验装置。目前，中科院等离子体物理研究所正在EAST上展开研究，为“人造太阳”(国际热核聚变实验堆)计划装置的运行和开发做前期准备。万宝年表示，“人造太阳”计划的最终目标是模拟太阳发生核聚变反应的实验堆，而核聚变的原料处于等离子体状态，其温度可达几千万度甚至上亿度。高温等离子体非常“不听话”，容易“乱跑”，需要对高温等离子体行为展开研究，以便能够控制它。比如说，“人造太阳”要求等离子体的持续放电时间达到3 000秒，而要实现这个数据，需要解决很多科学和技术难题。“要提高这些参数，需要一定的外部手段如加热装置、诊断系统、控制系统等来辅助完成。目前我们正在做这方面的基础研究工作。”他所说的“较大进展”是指在等离子体的参数如温度、密度、持续放电时间上取得突破。“我相信我们有能力将等离子参数提高到一个新的水平。”万宝年表示，等离子参数的提高，意味着“人造太阳”计划的物理平台将会有很大改善，以便进行一些与其更密切相关的研究。
他还透露，由中国、欧盟、俄罗斯等7方参与的“人造太阳”计划预计8—10年后将完成基本工程建设，投入实验研究。
