高中物理人教版物理选修3-5练习 第十九章　7　核聚变 Word版含解析

7　核聚变
基础巩固
1.重核裂变和轻核聚变是人类利用原子能的两种主要方法,下面有关它们的说法正确的是(　　)
A.裂变和聚变的过程都有质量亏损
B.裂变过程有质量亏损,聚变过程质量有所增加
C.裂变过程质量有所增加,聚变过程有质量亏损
D.裂变和聚变过程中质量都有所增加
解析:重核裂变和轻核聚变都要释放能量,也一定要发生质量亏损,所以选项A正确。
答案:A
2.(多选)科学家发现在月球上含有丰富的
?
2
3
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
?
2
3
He
+
2
3
He→
2
1
1
H
+
2
4
He。关于
?
2
3
He聚变,下列表述正确的是(　　)
A.聚变反应后质量增加
B.聚变反应的前后核子数不变
C.聚变反应产生了新的原子核
D.目前核电站都采用
?
2
3
He聚变反应发电
解析:聚变反应时,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,目前核电站都采用铀核的裂变反应,可控的轻核聚变尚在实验阶段。
答案:BC
3.(多选)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
?
1
1
H
+
0
1
n
→
1
2
H+γ,以下说法正确的是(　　)
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,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。故正确选项为A、C。
答案:AC
4.下列核反应方程式中,表示聚变反应的是(　　)
A.
?
15
30
P
→
14
30
Si
+
1
0
e
B
.
1
2
H
+
1
3
H
→
2
4
He
+
0
1
n
C
.
6
14
C
→
7
14
N
+
-1
0
e
D
.
92
238
U
→
90
234
Th
+
2
4
He
解析:选项A是原子核衰变,选项B是轻核聚变,选项C是β衰变,选项D是α衰变。选项B正确。
答案:B
5.氘核
?
1
2
H和氚核
?
1
3
H的核反应方程如下
:
1
2
H
+
1
3
H→
?
2
4
He
+
0
1
n,氘核的质量为
??
1
,氚核的质量为
??
2
,氦核的质量为
??
3
,中子的质量为
??
4
,则反应过程中释放的能量为0 (　　)
A.(m1+m2-m3)c2 B.(m1+m2-m4)c2
C.(m1+m2-m3-m4)c2 D.(m3+m4-m1-m2)c2
解析:此变化过程中释放能量,说明聚变之后,新核的质量之和小于聚变之前原来核的质量之和,质量亏损为(m1+m2)-(m3+m4),而不是(m3+m4)-(m1+m2)。此反应的质量亏损为Δm=m1+m2-m3-m4,释放的能量ΔE=Δmc2=(m1+m2-m3-m4)c2。
答案:C
6.(2017·全国卷Ⅰ)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
:
1
2
H
+
1
2
H
→
2
3
He
+
0
1
n。已知
?
1
2
H的质量为2.013 6 u,
?
2
3
He的质量为3.015 0 u,
?
0
1
n的质量为1.008 7 u,1 u=931 MeV/
??
2
。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:聚变反应中的质量亏损为Δm=(2×2.013 6-3.015 0-1.008 7) u=0.003 5 u,则释放的核能为ΔE=Δmc2=0.003 5×931 MeV≈3.3 MeV,B正确。
答案:B
7.产生聚变的条件是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　,我们往往采用　　　　　　　　　　　　　　　　的方法来满足上述条件,这种反应叫作　　　　　　　　。太阳每秒辐射出来的能量约为 3.8×1026 J,就是从　　　　反应中产生的,太阳内部时刻进行着4个质子结合成一个氦核的反应,试写出核反应方程　　　　　　　　　　。?
解析:“聚变”就是要使原先相距“较远”的核能克服库仑斥力而结合为一个“稳定”的新核,因此事先需让两核获得较大的初动能,常采用加热的方法。
答案:使轻核之间的距离减小到10-15 m以内　把它们的温度加热到很高　热核反应　热核　
4
1
1
H
→
2
4
He+
2
1
0
e
8.氘核和氚核可发生热核聚变而释放出巨大的能量,该反应方程为
?
1
2
H
+
1
3
H
→
2
4
He+X,式中X是某种粒子。已知
?
1
2
H
、
1
3
H
、
2
4
He和粒子X的质量分别为2.014 1 u、3.016 1 u、4.002 6 u和1.008 7 u;1 u=
931.5 MeV
??
2
,??是真空中的光速。由上述反应方程和数据可知,粒子X是_____________________,该反应释放出的能量为_____________________MeV(结果保留三位有效数字)。?
解析:根据质量数和电荷数守恒有X的电荷数为0,质量数为(2+3-4)=1,可知X为中子;根据质能方程有 ΔE=931.5×(2.014 1+3.016 1-4.002 6-1.008 7) MeV=17.6 MeV。　
答案:
?
0
1
n(或中子)　17.6
能力提升
1.关于太阳辐射的主要由来,下列说法正确的是(　　)
A.来自太阳中氢元素聚变反应释放的核能
B.来自太阳中碳元素氧化释放的化学能
C.来自太阳中重元素裂变反应释放的核能
D.来自太阳中本身储存的大量内能
解析:太阳辐射的巨大能量主要来自太阳内部氢核聚变成氦核时释放的能量,只有选项A正确。
答案:A
2.(多选)下列核反应方程中属于原子弹和氢弹基本反应方程式的是(　　)
A.
?
6
12
C
+
1
1
H
→
7
13
N
B
.
3
6
Li
+
0
1
n
→
1
3
H
+
2
4
He
C
.
92
235
U
+
0
1
n
→
38
90
Sr
+
54
136
Xe+1
0
0
1
n
D
.
1
3
H
+
1
2
H
→
2
4
He
+
0
1
n
解析:原子弹内部发生的是裂变反应,氢弹内部发生的是聚变反应,选项C、D正确。
答案:CD
3.(多选)全超导核聚变实验装置又称“人造太阳”,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
?
1
2
H
+
1
3
H
→
2
4
He
+
0
1
n
B.“人造太阳”的核反应方程是
?
92
235
U
+
0
1
n
→
56
141
Ba+
?
36
92
Kr+
3
0
1
n
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??=
1
2
????2
解析:“人造太阳”发生的核反应方程式为
?
1
2
H
+
1
3
H→
?
2
4
He+
0
1
n,而选项B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,选项D错误。
答案:AC
4.★原子核聚变可望给人类未来提供丰富的洁净能源。当氘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
6
1
2
H→
??
2
4
He+
??
1
1
H+
2
0
1
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:根据核反应过程中质量数守恒、电荷数守恒知
2??+??=6
4??+??+2=12
,解得
??=2
??=2
,B对。
答案:B
5.利用氦3
(
2
3
He)和氘进行的聚变安全无污染,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
2
1
2
HHe
+
0
1
n+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:2 g氘含有的原子核个数为NA,全部发生聚变时,共发生0.5NA次聚变,所以释放的能量为0.5NA×3.26 MeV,故C正确。
答案:C
6.太阳因核聚变释放出巨大的能量,同时其质量不断减少。太阳每秒辐射出的能量约为4×1026 J,根据爱因斯坦质能方程,太阳每秒减少的质量最接近(　　)
A.1036 kg B.1018 kg C.1013 kg D.109 kg
解析:本题考查爱因斯坦质能方程。因为 ΔE=Δmc2,而太阳每秒减少的质量为Δm=
Δ??
??
2
≈4.4×109 kg,D正确。
答案:D
7.有一种核聚变反应是由氢的同位素氘(又叫重氢)和氚(又叫超重氢)聚合成氦,并释放一个中子。若已知氘原子的质量为 2.014 1 u,氚原子的质量为 3.016 0 u,氦原子的质量为4.002 6 u,中子的质量为1.008 7 u,1 u=1.66×10-27 kg。　
(1)写出氘和氚聚合的反应方程;
(2)试计算这个核反应释放出来的能量;
(3)若建一座功率为3.0×105 kW的核聚变电站,假设聚变所产生的能量有一半变成了电能,每年要消耗多少氘的质量?(一年按3.2×107 s计算,光速c=3.0×108 m/s,结果保留两位有效数字)
解析:(1)反应方程为
?
1
2
H
+
1
3
H
→
2
4
He
+
0
1
n。
(2)由质能方程得ΔE=Δmc2=(2.014 1+3.016 0-4.002 6-1.008 7)×1.66×10-27×32×1016 J=2.8×10-12 J。
(3)每年消耗氘的质量为
m=
2????
Δ??
×2.014 1×1.66×10-27 kg
=
2×3×1
0
8
×3.2×1
0
7
×2.014 1×1.66×1
0
-27
2.8×1
0
-12
kg
=23 kg。
答案:(1
)
1
2
H
+
1
3
H
→
2
4
He
+
0
1
n　(2)2.8×
10
?12
J
(3)23 kg
8.★两个氘核聚变产生一个中子和氦核(氦的同位素),已知氘核的质量mD=2.013 6 u,氦核的质量mHe=3.015 0 u,中子的质量mn=1.008 665 u,1 u 所对应的能量相当于931.5 MeV。
(1)写出聚变方程并计算释放的核能;
(2)若反应前两个氘核的动能都为0.35 MeV,它们正面碰撞发生聚变,且反应后释放的核能全部转化为动能,则产生的氦核和中子的动能各为多大?
解析:(1)聚变的核反应方程为
2
1
2
H
→
2
3
He
+
0
1
n。
核反应过程中的质量亏损为
Δm=2mD-(mHe+mn)=0.003 535 u,
释放的核能为
ΔE=0.003 535×931.5 MeV≈3.29 MeV。
(2)碰撞过程动量守恒,由于反应前两氘核动能相同,其动量等值反向,因此反应前后系统的动量为0,即
0=mHevHe+mnvn
由反应前后总能量守恒得
1
2
??
He
??
He
2
+
1
2
??
n
??
n
2
=Δ??+2
??
kD
解得EkHe=
1
2
??
He
??
He
2
≈1 MeV
Ekn=
1
2
??
n
??
n
2
=3 MeV。
答案:(1)
2
1
2
H
→
2
3
He
+
0
1
n　3.29 MeV　(2)1 MeV　3 MeV