4-3,4核聚变 粒子物理学简介(选学) 同步练习 (含答案解析)

3　核聚变
4　粒子物理学简介(选学)
(时间：60分钟)
知识点
基础
中档
稍难
核裂变
1、2、3、4、6
5
基本粒子
9
7、8
粒子加速器
10
11
综合提升
12
13
知识点一　核聚变
1．下列关于热核反应是一种理想能源的原因的说法中不正确的是
(　　)．
A．就每一个核子平均来说，比重核裂变时释放的能量多
B．对环境的放射性污染较裂变轻，且较容易处理
C．热核反应的原料在地球上储量丰富
D．热核反应的速度容易控制
解析　受控热核反应的实际应用的技术尚不成熟，它的反应速度是不易控制的．
答案　
D
2．科学家发现在月球上含有丰富的He(氦3)．它是一种高效、清洁、安全的核聚变燃料，其参与的一种核聚变反应的方程式为He＋He→2H＋He.下列关于He聚变的表述正确的是
(　　)．
A．聚变反应不会释放能量
B．聚变反应产生了新的原子核
C．聚变反应没有质量亏损
D．目前核电站都采用He聚变反应发电
解析　聚变反应时将质量较小的轻核聚变成质量较大的核，聚变过程会有质量亏损，要放出大量的能量．但目前核电站都采用铀核的裂变反应．因此B正确．
答案　B
3．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
解析　核电站利用核能发电，它的核心设施是核反应堆．反应堆中的核反应主要是铀235吸收慢中子后发生的裂变，反应堆利用浓缩铀制成铀棒，作为核燃料，选项A正确．
答案　A
4．2009年10月31日8时6分，中国科学界“两弹一星”巨星钱学森在北京逝世，享年98岁．人民群众深刻悼念这位有着“中国航天之父”称号的伟大科学家．下列核反应方程中属研究两弹的基本核反应方程式的是
(　　)．
A.N＋He→O＋H
B.U＋n→Sr＋Xe＋10n
C.U→Th＋He
D.H＋H→He＋n
解析　“两弹”指原子弹和氢弹，它们的核反应属于重核的裂变与轻核的聚变，故应选B、D.
答案　BD
5．关于聚变，以下说法中正确的是
(　　)．
A．两个轻核聚变为中等质量的原子核时放出能量
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好多倍
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　两个轻核聚合为较大质量的原子核就可释放能量但不一定是中等质量的核，故A项错误．聚变反应放出的能量比同样质量的物质裂变时释放的能量大得多，这点由聚变反应的特点我们就可以知道，故B项正确．裂变反应的条件是裂变物质的体积达到临界体积，而聚变反应的条件是原子核间距达到10－15
m，故要求有足够大的动能才能克服原子核间的斥力做功，故C错、D正确．
答案　BD
6．原子核聚变可望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，并放出能量．这几种反应的总效果可以表示为6H→kHe＋dH＋2n＋43.15
MeV，则由守恒条件可知
(　　)．　　　　　　　　　　　　　　　　　
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
知识点二　基本粒子
7．K－介子衰变的方程为K－―→π－＋π0.其中K－介子和π－介子是带负电的基元电荷，π0介子不带电．如图3-6、7-3所示的1个K－介子沿垂直于磁场的方向射入匀强磁场中，其轨迹为圆弧AP，衰变后产生的π－介子的轨迹为圆弧PB，两轨迹在P点相切，它们的半径RK－与Rπ－之比为2∶1.π0介子的轨迹未画出．由此可知π－的动量大小与π0的动量的大小之比为
(　　)．
图3-6、7-3
A．1∶1
B．1∶2
C．1∶3
D．1∶6
解析　带电粒子K－与π－在磁场中做匀速圆周运动，洛伦兹力提供向心力Bqv＝得R＝＝，K－介子与π－介子带电量相同，故运动的半径之比等于动量之比
pK－∶pπ－＝RK－∶Rπ－＝2∶1
在衰变后π－介子与π0介子动量方向相反，设K－介子的动量为正，则π－介子动量为负值，由动量守恒
pK－＝－pπ－＋pπ0
则pπ－∶pπ0＝1∶3故A、B、D错，C对．
答案　C
8．根据宇宙大爆炸的理论，在宇宙形成之初是“粒子家族”尽显风采的时期，那么在大爆炸之后最早产生的粒子是
(　　)．
A．夸克、轻子、胶子等粒子
B．质子和中子等强子
C．光子、中微子和电子等轻子
D．氢核、氘核、氦核等轻核
解析　宇宙形成之初产生了夸克、轻子和胶子等粒子，之后又经历了质子和中子等强子时代，再之后是自由光子、中微子、电子大量存在的轻子时代，再之后是中子和质子结合成氘核，并形成氦核的核时代，之后电子和质子复合成氢原子，最后形成恒星和星系，因此A正确，B、C、D的产生都在A之后，故B、C、D错．
答案　A
9．现在，科学家们正在设法寻找“反物质”，所谓“反物质”是由“反粒子”构成的，“反粒子”与其对应的正粒子具有相同的质量和相同的电量，但电荷的符号相反．据此，反α粒子为
(　　)．
A.He
B.He
C.He
D.He
解析　这类问题在前两年的高考中经常出现．根据题目中的描述，结合α粒子的特点很容易选出正确选项为D.
答案　D
知识点三　粒子加速器
10．1930年劳伦斯制成了世界上第一台回旋加速器，其原理如图图3-6、7-4所示，这台加速器由两个铜质D形盒D1、D2构成，其间留有空隙，下列说法正确的是
(　　)．
图3-6、7-4
A．离子由加速器的中心附近进入加速器
B．离子由加速器的边缘进入加速器
C．离子从磁场中获得能量
D．离子从电场中获得能量
解析　回旋加速器的工作原理是使离子在两个D形盒的缝隙中受电场力加速，在D形盒的内部受洛伦兹力作匀速圆周运动，在磁场中所受的洛伦兹力不做功因此选项C错、D正确．随着加速次数的增加，离子的能量越来越大，速度越来越大，由r＝可知离子的圆周运动半径越来越大，最后从加速器的边缘飞出加速器，因此选项B错、A正确．
答案　AD
11．1989年初，我国投入运行的高能粒子回旋加速器可以把电子的能量加速到2.8
GeV；若改用直线加速器加速，设每级的加速电压为U
＝2.0×105V，则需要几级加速？
解析　设经n级加速，由neU＝Ek　有　n＝＝1.4×104(级)．
答案　1.4×104(级)
12．一个质子和一个中子结合成氘核，同时放出γ光子，核反应方程是H＋n→H＋γ，以下说法中正确的是
(　　)．
A．反应中氘核的质量一定小于反应前质子和中子的质量之和
B．反应前后的质量数不变，因而质量不变
C．γ光子的能量为Δmc2，Δm为反应中的质量亏损，c为光在真空中的速度
D．因存在质量亏损Δm，所以“物质不灭”的说法不正确
解析　核反应中质量数与电荷数及能量均守恒，由于反应中要释放核能，会出现质量亏损，反应中氘核的质量一定小于反应前质子和中子的质量之和，所以质量不守恒，但质量数不变，且能量守恒，释放的能量会以光子的形式向外释放．故正确答案为A、C.
答案　AC
13．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，如图3-6、7-5所示．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．
图3-6、7-5
(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6.0×1023mol－1)
(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5.6×10－13
J，求该核聚变过程中的质量亏损．
解析　(1)核反应方程为：Li＋n→He＋H.
(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2.0×1023个Li实现了核转变．
(3)根据爱因斯坦质能方程ΔE＝Δmc2，核聚变反应中有5个核子参加了反应，所以质量亏损为Δm＝3.1×10－29
kg.
答案　(1)Li　He　(2)2.0×1023个　(3)3.1×10－29
kg