2019-2020学年人教新课标选修3-5 19.7核聚变 同步练习（解析版)

19.7核聚变
同步练习（解析版)
1．月球土壤里大量存在着一种叫做“氦3（）”的化学元素，将可作为地球发电燃料。即利用氘和氦3发生核聚变反应产生一个质子和一个新核，释放能量进行发电。关于“氦3”与氘核聚变反应，下列说法中正确的是（ ）
A．释放能量，出现质量亏损，所以生成物的总质量数减少
B．目前核电站普遍利用的就是这种核聚变反应
C．生成的新核是
D．核聚变反应需要的条件是氦3的体积足够大
2．和是重要的聚变核燃料，和聚变的核反应方程为+→+X+17.6MeV，X与Y核反应又可获得，即X+Y→++4.9MeV，则下列说法正确的是
A．X是电子
B．Y的核电荷数为4
C．+→+X+17.6MeV中的17.6MeV是的结合能
D．X+Y→++4.9MeV中平均每个核子释放的能量为0.7MeV
3．关于近代物理，下列说法错误的是 （ ）
A．轻核聚变反应方程中，X表示电子
B．α粒子散射实验现象揭示了原子的核式结构
C．分别用红光和紫光照射金属钾表面均有光电子逸出，紫光照射时，逸出的光电子的最大初动能较大
D．基态的一个氢原子吸收一个光子跃迁到n = 3激发态后，可能发射2种频率的光子
4．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，已知的质量为，的质量为，的质量为，。氘核聚变反应中释放的核能约为（ ）
A． B．
C． D．
5．以下有关近代物理的内容叙述正确的是
A．放射性元素在发生衰变时2个中子和2个质子结合为一个粒子，设中子、质子和粒子的质量分别为，则
B．在关于物质波的表达式和中，能量和动量是描述物质的波动性的重要物理量，波长和频率是描述物质的粒子性的典型物理量
C．在原子核发生衰变后，新核往往处于不稳定的高能级状态，会自发地向低能级跃迁
D．重核的裂变过程质量增大，轻核的聚变过程有质量亏损
6．下列说法正确的是
A．U→Th+X中X为中子，核反应类型为β衰变
B． H+H→He+Y中Y为中子，核反应类型为人工核转变
C．U+n→Xe+Sr+K，其中K为10个中子，核反应类型为重核裂变
D．N+He→O+Z，其中Z为氢核核反应类型为轻核聚变
7．2018年中国散裂中子源（CSNS）将迎来验收，目前已建设的3台谱仪也将启动首批实验。有关中子的研究，下列说法正确的是
A．Th核发生一次α衰变，新核与原来的原子核相比，中子数减少了4
B．一个氘核和一个氚核经过核反应后生成氦核和中子是裂变反应
C．卢瑟福通过分析α粒子散射实验结果，发现了质子和中子
D．衰变的实质在于核内的中子转化成了一个质子和一个电子
8．下列说法不正确的是
A．是聚变
B．是裂变
C．是α衰变
D．是裂变
9．研究表明，太阳内部持续不断地发生着4个质子（）聚变为氦核（）的热核反应，这个核反应释放的能量就是太阳的能源。已知太阳每秒钟向空间辐射的能量约为3.8×1026J，质子的质量mp=1.0073u，氦核的质量mHe=4.0015u，电子的质量me=0.00055u，1u=931.5MeV。则太阳内部每秒钟参与核反应的质子数约为（ ）
A．7.6×1035个 B．5.2×1036个
C．9.6×1037个 D．3.8×1038个
10．我国核聚变反应研究大科学装置“人造太阳”2018年获得重大突破，等离子体中心电子温度首次达到1亿度，为人类开发利用核聚变能源奠定了重要的技术基础。下列关于聚变的说法正确的是（ ）
A．核聚变比核裂变更为安全、清洁
B．任何两个原子核都可以发生聚变
C．两个轻核结合成质量较大的核，总质量较聚变前增加
D．两个轻核结合成质量较大的核，核子的比结合能增加
11．1996年清华大学和香港大学的学生合作研制了太阳能汽车，该车是以太阳能电池将所接受的太阳光能转化为电能而提供给电动机来驱动的。已知车上太阳能电池接收太阳光能的板面面积为，正对太阳能产生的电压，并对车上的电动机提供的电流，电动机的直流电阻为，而太阳光照射到地面处时单位面积上的辐射功率为.
(1)太阳光的能量实际上是由质子所参与的一系列反应所产生的，即在太阳内部持续不断地进行着热核反应，4个质子聚变为1个氨核（）写出核反应方程；
(2)该车的太阳能电池转化太阳光能的效率是多少？
(3)若质子、氨核、正电子的静止质量分别为，，，则的质子发生上述热核反应所释放的能量完全转化为驱动该车的输出机械功，能够维持该车行驶的时间是多少？
(4)已知太阳每秒释放的能量为，则太阳每秒减少的质量为多少千克？若太阳质量减少万分之三，热核反应不能继续进行，计算太阳能存在多少年？（太阳的质量为，结果保留一位有效数字）
12．托卡马克(Tokamak)是一.种复杂的环形装置，结构如图甲所示。环心处有一欧姆线圈，四周是一个环形真空室，真空室外排列着环向场线圈和极向场线圈，其中欧姆线圈的作用一是给等离子体加热以达到核聚变所需的临界温度；二是产生感应电场用以等离子体加速。同时，极向场线圈通电后提供的极向磁场与环向场线圈通电后提供的环向磁场将高温等离子体约束在真空室内，促使核聚变的进行。如图乙所示为环形真空室简化图，其内径为R1=2 m、外径为R2=5 m，S和S'为其截面关于中心对称。假设约束的核聚变材料只有氘核()和氚核()，且不考虑核子间的相互作用，中子和质子的质量差异以及速度对核子质量的影响，核子一旦接触环形真空室壁即被吸收导走。(已知质子的电荷量为 C；质子和中子质量均为 kg)。试回答：
(1)氘核()和氚核()结合成氢核()时，要放出某种粒子，同时释放出能量，写出上述核反应方程；
(2)欧姆线圈中，通以恒定电流时，等离子体能否发生核聚变(“能”或“不能”)，并简要说明判断理由；
(3)若关闭欧姆线圈和环向场线圈的电流，当极向磁场为多大时，从垂直于S截面速度同为的氘核()能够全部通过S'截面；
(4)若关闭欧姆线圈和环向场线圈的电流，当极向磁场在某一范围内变化时，垂直于S截面速度同为的氘核()和氚核()能够在S'截面要有重叠，求磁感应强度B的取值范围。
13．在下列描述核过程的方程中，属于α衰变的是________，属于β衰变的是________，属于裂变的是________，属于聚变的是________.(填正确答案标号)
A． C→N＋e
B． P→S＋e
C．U→Th＋He
D． N＋He→O＋H
E．U＋n→ Xe＋Sr＋2n
F． H＋H→He＋n
14．和平利用核能是人类的一个梦想。当海水中氘核充分聚变时，一升海水释放的核能相当于数百升石油完全燃烧放出的化学能。但目前人们大规模利用核聚变还只能在氢弹中使用，氘核和氚核结合成氦核的核反应方程为，若该核反应中释放出的核能以光子的形式辐射出去，该光子的能量为，已知真空中光速为c，普朗克常量为h，则该光子的动量为_____：核聚变产生的氦核_____，（填“具有”或“不具有”）放射性，所以核聚变比核裂变利用起来更为_____（选填“安全”或“不安全”）。
参考答案
1．C
【解析】
【详解】
A．释放能量，出现质量亏损，但是质量数仍然守恒，A错误；
B．目前核聚变反应无法有效的控制，核电站普遍利用重核裂变，B错误；
C．核反应方程为，生成的新核是，C正确；
D．轻核聚变在高温、高压下才可以发生，重核裂变才要求裂变物质体积达到临界体积，D错误。
故选C。
2．D
【解析】
【详解】
A．根据质量数、电荷数守恒可知，X是中子，A项错误;
B．根据质量数、电荷数守恒可知，Y的核电荷数为3，B项错误；
C．核子结合成原子核释放的能量才是结合能，C项错误；
D．X+Y→++4.9MeV中平均每个核子释放的能量为=0. 7MeV，D项正确.
故选D。
3．A
【解析】
轻核聚变反应方程中，X的质量数为，电荷数，可知X表示中子，A错误；卢瑟福的α粒子散射实验揭示了原子具有核式结构，B正确；分别用红光和紫光照射金属钾表面均有光电子逸出，由于紫色光的频率大，由：可知，紫光照射时，逸出的光电子的最大初动能较大，C正确；基态的一个氢原子吸收一个光子跃迁到n=3激发态后，当该原子向地能级跃迁时，可能的途径是：n=3→n=1→n=1，所以可能发射2种频率的光子，D正确．
4．B
【解析】
【详解】
氘核聚变反应的质量亏损，则该反应释放的核能为
。
A. 与上述计算结果不符，故A不符合题意；
B. 与上述计算结果相符，故B符合题意；
C. 与上述计算结果不符，故C不符合题意；
D. 与上述计算结果不符，故D不符合题意。
5．C
【解析】
【详解】
放射性元素在发生α衰变时2个中子和2个质子结合为一个α粒子，有质量亏损，即为△m=2m1+2m2-m3，故A错误．在关于物质波的表达式E=hv和中，能量E和动量p是描述物质的粒子性的重要物理量，波长λ和频率v是描述物质的波动性的典型物理量，故B错误．在原子核发生衰变后，新核往往处于不稳定的高能级状态，会自发地向低能级跃迁，选项C正确；重核的裂变过程和轻核的聚变过程都有能量放出，都有质量亏损，选项D错误.
6．C
【解析】
【详解】
根据核反应的质量数和电荷数守恒可知，A反应中的X质量数为4，电荷数为2，为α粒子，核反应类型为α衰变，选项A错误；B反应中的Y质量数为1，电荷数为0，为中子，核反应类型为轻核聚变，选项B错误；C反应中的K质量总数为10，电荷数为0，为10个中子，核反应类型为重核裂变，选项C正确； D反应中的Z质量数为1，电荷数为1，为质子，核反应类型为人工核转变，选项D错误；故选C.
7．D
【解析】
【详解】
A．Th核发生一次α衰变，新核与原来的原子核相比，质量数减小4，电荷数减小2，则中子数减少了2，选项A错误；
B．一个氘核和一个氚核经过核反应后生成氦核和中子是聚变反应，选项B错误；
C．卢瑟福通过分析α粒子散射实验结果，发现了原子的核式结构，选项C错误；
D．衰变的实质在于核内的中子转化成了一个质子和一个电子，选项D正确；
故选D。
8．D
【解析】
【详解】
A．是两个轻核聚变为中核的核反应，属于轻核聚变，故A正确，A不合题意；
B．是重核在中子的轰击下变成两个中核，同时再生成中子继续反应，属于重核裂变，B项正确，B项不合题意；
C．是Ra不稳定自发的衰变，生成物有氦核，属于α衰变，故C项正确，C项不合题意；
D．是Na不稳定自发的衰变，生成物有电子，属于衰变，故D项错误，D项符合题意。
故选D。
9．D
【解析】
【分析】
考查核聚变，质量亏损。
【详解】
热核反应方程式为：
发生一次核聚变的质量亏损为：
则一次核聚变释放的核能为：
已知太阳每秒钟向空间辐射的能量约为，相当于每秒钟发生核聚变的次数为：
每次有4个质子参与，则每秒钟参与核反应的质子数约为：
个
D正确，ABC错误。
故选D。
10．AD
【解析】
【详解】
核聚变的最终产物时氦气无污染，而核裂变会产生固体核废料，因此核聚变更加清洁和安全，A正确；发生核聚变需要在高温高压下进行，大核不能发生核聚变，故B错误；核聚变反应会放出大量的能量，根据质能关系可知反应会发生质量亏损，故C错误；因聚变反应放出能量，因此反应前的比结合能小于反应后的比结合能，故D正确。
11．(1)；(2)；(3)；(4)年
【解析】
【详解】
(1)根据质量数与质子数守恒，其核反应方程为：
(2)太阳光照射到地面处时单位面积上的辐射功率为，则面积为的功率为：
而太阳能产生120V的电压，并对车上的电动机提供10A的电流，则获得的功率为：
因此车的太阳能电池转化太阳光能的效率为：
(3)由核反应方程可知：
而根据能量守恒，则有：
代入数据，解得：
(4)太阳每秒释放的能量为，则太阳每秒减小的质量为：
代入数据解得：
太阳的质量为，因此太阳还能存在的时间为：
年
12．(1)；(2)不能；(3)；(4)
【解析】
【详解】
(1) 氘核()和氚核()结合成氢核()的核反应方程：
(2)恒定电流产生恒定磁场，而恒定磁场无法产生感生电场，故离子无法被加速，因此不能发生核聚变反应；
(3)在极向磁场的作用下，氘核将从截面出发做匀速圆周运动，当运动半径为：时，能够全部通过截面；
根据牛顿第二定律可得：
可得：
代入数据可得：
(4 )设氘核和氚核在磁场中的轨迹半径分别为和，则根据半径公式，两者满足：
由图可得，要使能够在截面有重叠，须满足：
为使交叠区域在截面内，有：
通过列式计算得到需满足：
根据公式：
代入数据解得：
13．C AB E F
【解析】
【详解】
第一空．α衰变是一种放射性衰变，α粒子(He)会从原子核中射出，C项符合要求；
第二空．β衰变是指自原子核内自发地放出一个电子(e)，同时原子序数增加1的过程，A、B两项符合要求；
第三空．裂变是指一些质量非常大的原子核，如铀、钍和钚等在吸收一个中子后分裂成两个或更多质量较小的原子核，同时放出多个中子和很大能量的过程，只有E项符合要求；
第四空．聚变是指由两个轻原子核(一般是氘核和氚核)结合成较重原子核(氦核)并放出大量能量的过程，F项符合要求.
14． 不具有 安全
【解析】
【详解】
第一空：根据质能方程知反应放出的能量为：，即，所以光子的动量为，
第二、三空：核聚变相对核裂变来说不会产生放射性废料，所以氦核不具有放射性，且核聚变比核裂变更安全；