第十九章 7、8
基础达标
1．(多选)下列所述正确的是( )
A．原子是组成物质的不可再分的最小微粒
B．原子是最大的微粒
C．原子是由原子核和核外电子构成，质子和中子组成了原子核
D．质子、中子本身也是复合粒子，它们也有着自己复杂的结构
【答案】CD
2．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的( )
A．衰变反应
B．人工核反应
C．裂变反应
D．热核反应
【答案】D
3．关于核能下列说法正确的是( )
A．物质是由原子构成的，原子中有原子核，所以利用任何物质都能得到核能
B．到目前为止，人类获得核能有两种途径，即重核裂变和轻核聚变
C．原子弹和氢弹都是利用原子核裂变和聚变的原理制成的
D．自然界只有在人为的条件下才会发生裂变
【答案】B 解析：虽然各种物质的原子里都有原子核，但在通常情况下并不能释放能量，只有当原子核裂变和聚变时才伴随巨大的能量变化，故A不正确；到目前为止，人类获得核能有两种途径，即重核裂变和轻核聚变，故B正确；原子弹是利用核裂变原理，氢弹是核聚变．故C不正确；人只是控制了核反应速度，不是只有在人为的条件下才能发生核裂变，故D不正确．故选B
4．(多选)下列说法中正确的是( )
A．聚变反应中有质量亏损，所以必向外界放出能量
B．使核发生聚变反应必须使核之间的距离接近到1×10－15
m，也就是接近到核力能够发生作用的范围内
C．要使核发生聚变反应，必须克服核力做功
D．热核反应只有在人工控制下才能发生
【答案】AB 解析：由质能方程可知A正确；轻核结合成质量较大核，必须使轻核间的距离达到能发生核力的范围，才能使它们紧密地结合起来，B正确，C错误；热核反应必须在很高的温度下才能发生，不一定要人工控制，D错误．
5．(2018泰安二模)关于原子核反应，下列说法正确的是( )
A．N＋He→O＋H是聚变反应
B．Th→Pa＋e是裂变反应
C．U衰变成Pb要经过8次α衰变和6次β衰变
D．发生β衰变时，中子数不变
【答案】C 解析：N＋He→O＋H是人工核反应，不是聚变，故A错误.Th→Pa＋e是β衰变，不是裂变反应，故B错误.U衰变成Pb质量数少32，可知经历了8次α衰变，电荷数少10，根据2×8－n＝10，解得n＝6，知经历了6次β衰变，故C正确．发生β衰变时，其中的一个中子转化为一个质子和一个电子，中子数减少1个，故D错误．
6．(多选)“两弹一星”可以说长了中国人的志气，助了中国人的威风．下列核反应方程中，属于研究两弹的基本核反应方程的是( )
A．N＋He→O＋H
B．U＋n→Sr＋Xe＋10n
C．U→Th＋He
D．H＋H→He＋n
【答案】BD 解析：“两弹”指原子弹和氢弹，原子弹的核反应方程是铀核裂变，B选项正确；氢弹的核反应方程是轻核聚变，D选项正确．
7．下列有关核聚变的说法中不正确的是( )
A．核聚变的反应方程式可以是H＋H→He＋n
B．聚变反应必须在很高的温度下进行
C．聚变时所释放的核能大小的计算公式是E＝mv2
D．在消耗相同质量的核燃料时，聚变反应释放的能量比裂变反应大得多
【答案】C 解析：核聚变反应是用氘和氚作为原料，在高温下进行的，故A、B
选项正确；核能大小的计算公式应是ΔE＝Δmc2，故C选项错误；在聚变反应中，平均每个核子放出的能量比裂变反应中平均每个核子放出的能量要大3～4倍，故在消耗相同质量的核燃料时，聚变反应释放的能量比裂变反应大得多，D选项正确．
8．(2018昌平二模)钍核(Th)具有放射性，它能放出一个新的粒子而变为镤核(Pa)，同时伴随有γ射线产生，其方程为Th→Pa＋X.则X粒子为( )
A．质子
B．中子
C．α粒子
D．β粒子
【答案】D 解析：根据电荷数守恒可知，射线的电荷数Z＝90－91＝－1，结合质量数守恒知钍核衰变过程中放出了一个电子，即X为β粒子，故D正确．故选D．
能力提升
9．(多选)我国的新一代核聚变装置“EAST”顺利完成了超导托卡马克物理实验．在长达四个月的实验期间，自主创新能力得到较大提高、获得多项重大成果，标志着我国在稳态高约束等离子体研究方面走在国际前列．核聚变的主要原料是氘，在海水中含量极其丰富．已知氘核的质量为m1，中子的质量为m2，He的质量为m3，质子的质量为m4，则下列说法中正确的是( )
A．两个氘核聚变成一个He所产生的另一个粒子是质子
B．两个氘核聚变成一个He所产生的另一个粒子是中子
C．两个氘核聚变成一个He所释放的核能为(2m1－m3－m4)c2
D．与受控核聚变比较，现行的核反应堆产生的废物具有放射性
【答案】BD 解析：由核反应方程知2H→He＋X，X应为中子，释放的核能应为ΔE＝(2m1－m3－m2)c2，聚变反应的污染非常小．而现实运行的裂变反应的废料具有很强的放射性，故A、C错误，B、D正确．
10．(2018长沙一模)一个静止的铀核放在匀强磁场中，发生了一次α衰变后变为钍核．α粒子和钍核都在匀强磁场中做匀速圆周运动．如图所示，以下判断正确的是( )
A．1是α粒子的径迹，2是钍核的径迹
B．1是钍核的径迹，2是α粒子的径迹
C．3是α粒子的径迹，4是钍核的径迹
D．3是钍核的径迹，4是α粒子的径迹
【答案】B 解析：发生α衰变后变为钍核．α粒子和钍核都在匀强磁场中做匀速圆周运动，根据动量守恒定律知，两粒子的速度方向相反，都为正电，根据左手定则，为两个外切圆．根据r＝＝，电量大的轨道半径小，知1是钍核的径迹，2是α粒子的径迹．故B正确，A、C、D错误．
11．一个质子和两个中子聚变为一个氘核，已知质子质量mH＝1.007
3
u，中子质量mn＝1.008
7
u，氘核质量m＝3.018
0
u．求：
(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大？
【答案】(1)H＋2n→H (2)6.24
MeV
(3)2.08
MeV
解析：(1)聚变方程H＋2n→H.
(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
MeV＝2.08
MeV.
12．试求在氢弹中当合成1
kg的氦时所释放出的能量．(设弹壳内装有足量的氘和氚元素，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)
2．64×1027
MeV 解析：弹壳内所装的氘和氚元素在高温下聚变生成氦，核聚变方程为：H＋H→He＋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＝Δm·c2＝(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(He)时所放出的总能量为：
E＝N·ΔE＝1.5×1026×17.6
MeV＝2.64×1027
MeV.
即在氢弹中合成1
kg的氦所释放出的能量为2.64×1027
MeV.(共49张PPT)
7 核聚变
8 粒子和宇宙
目前世界上利用核能发电已占到总发电量的20%，我国也越来越重视利用核能发电，目前浙江秦山核电站和广东大亚湾核电站已经运行发电20年左右，几个新的核电站也在建设之中．我们知道核电站的核反应堆是利用慢中子去轰击重核，使其发生裂变放出大量能量，从而发电．那么这与原子弹的裂变有何不同呢？
答案：原子弹和核反应堆一样都是利用重核裂变释放大量能量的原理，但原子弹是利用快中子导致链式反应而发生原子爆炸的武器，裂变进行得极其迅猛，其爆炸可在百分之一秒内完成．而核反应堆利用慢中子导致链式反应，其反应速度比较缓慢且可以人为控制．
一、核聚变
1．定义：两个轻核结合成质量__________的核，会释放出________，这个核反应叫做________．
【答案】较大 能量 聚变
3．核反应条件：必须使它们的距离达到________以内，使核具有足够的________，这要克服强大的__________，需要加热到很高的________，这种反应又叫________．
【答案】10－15
m 动能 库仑斥力 温度 热核反应
4．聚变的特点：在消耗相同质量的核燃料时，轻核聚变比重核裂变能__________的能量．热核反应一旦发生，不再需要外界给它能量，靠_____________就会使反应继续下去．
【答案】放出更多 自身产生的热
5．普遍性：热核反应在宇宙中时刻进行着，太阳就是一个巨大的________________．
【答案】热核反应堆
6．应用：________________，________.
【答案】可控热核反应 氢弹
二、受控热核反应
1．聚变与裂变相比有很多优点：
(1)轻核聚变________________；
(2)地球上聚变燃料的储量________；
(3)轻核聚变更为________．
【答案】(1)产能效率高 (2)丰富 (3)安全
2．约束核聚变材料的方法：________和惯性约束．
【答案】磁约束
三、粒子和宇宙
1．“基本粒子”不基本
“基本粒子”：直到19世纪末，人们认为光子、电子、质子、中子是组成物质的不可再分的________________．后来，发现有些新粒子，它们都不是由中子、质子、电子组成的；另一方面科学家又发现质子、中子等本身也有自己的复杂的结构．因此，20世纪后半期，就将“基本”去掉，统称________．
【答案】最基本的粒子 粒子
2．新粒子：1932年发现________，1937年发现________，1947年发现________和________，以后又发现了质量比质子大的粒子叫做超子、反粒子等．
【答案】正电子 μ子 K介子 π介子
3．粒子的分类：________、________和________．
【答案】强子 轻子 媒介子
4．夸克模型
(1)夸克模型的提出：1964年美国物理学家盖尔曼提出了强子的夸克模型，认为强子是由________构成的．
(2)分类：上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克、底夸克、顶夸克；它们带的电荷量分别为元电荷的________或________，每种夸克都有对应的________．
(3)意义：电子电荷不再是电荷的______________，即存在分数电荷．
四、宇宙和恒星的演化
1．宇宙的演化
研究微观世界的粒子物理、量子理论，与研究________的理论竟然相互沟通、相互支撑．
【答案】宇宙
2．恒星的演化
当恒星核能耗尽时，就进入末期，恒星的末期形态主要有：白矮星、中子星或________．
【答案】黑洞
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)成一个中等质量的原子核，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
MeV，而轻核的聚变，平均每个核子释放出3
MeV以上的能量，即聚变比裂变能放出更多的能量．
核聚变与核裂变的区别
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，贮藏量不多．
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，世界上许多国家都积极研究可控热核反应的理论和技术．科学家设想了两个方案：
(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．
【答案】C
1．轻核聚变需要一定的条件，要给原子核加热，使物质温度达到几百万度的超高温，轻核相遇才能发生聚变，放出更大能量，由于温度较高，所以聚变也称热核反应．
2．核聚变需要超高温条件的原因
使轻核发生聚变，必须使它们的距离十分接近，达到10－15
m的近距离．由于原子核都是带正电的，要使它们接近到这种程度，必须克服巨大的库仑斥力．这就要使原子核具有很大的动能．
轻核聚变及其发生的条件
为了让大量原子核获得足够的动能来产生聚变，有一种办法就是把它们加以很高的温度．当物体达到几百万摄氏度的高温时，剧烈的热运动使得一部分原子核具有足够的动能，可以克服相互间的库仑斥力，在碰撞时发生聚变．
3．原子弹爆炸时，能产生这样的高温，然后引起轻核的聚变，氢弹就是根据这一原理制成的．
4．自然界中(如太阳等许多恒星内部)都进行着剧烈的核聚变，温度高达107
K以上．
2．(多选)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
【答案】ABCD
【解析】轻核聚变时，必须使轻核之间距离达到10－15
m，所以必须克服库仑斥力做功，A正确；原子核必须有足够的动能，才能使它们接近到核力能发生作用的范围，实验证实，原子核必须处在几百万摄氏度下才有这样的能量，这样高的温度通常利用原子弹爆炸获得，故B、C正确；在太阳内部或其他恒星内部都进行着热核反应，D正确．
1．质子、中子、电子等本身也是复合粒子，还有复杂结构，所以不叫“基本粒子”，称“粒子”．
2．粒子的分类
对粒子的认识
分类
参与的相互作用
发现的粒子
备注
强子
参与强相互作用
质子、中子、介子、超子
强子有内部结构，由“夸克”粒子构成的；强子又可分为介子和重子
分类
参与的相互作用
发现的粒子
备注
轻子
不参与强相互作用
电子、电子中微子、μ子、μ子中微子、τ子、τ子中微子
未发现内部结构
媒介子
传递各种相互作用
光子、中间玻色子、胶子
光子、玻色子、胶子分别传递电磁、弱、强相互作用
【答案】AD
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，显然要吸收能量
D．裂变与聚变均可释放巨大能量
核聚变的理解及其核反应方程
解析：A选项，从形式上看，裂变与聚变似乎是互为逆反应，但其实不然，因为两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．B选项，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．C选项，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．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，总的来说，聚变反应还是释放热量，故D正确．
答案：D
反思领悟：聚变就是使原先相距“较远”的核克服库仑斥力而结合为一个“稳定”的新核，因此事先须让两核获得足够大的初动能．
【答案】A
核反应类型的判断
解析：A选项中是两个质量较轻的核结合成了两个质量较重的核，是聚变反应，故A说法正确；B选项的核反应中是铀核捕获中子裂变为两个(或更多)中等质量的核，并放出几个中子，是裂变反应，故B说法正确；在C选项的核反应中没有中子的轰击自发地放出了α粒子，是α衰变，C说法是正确的；而D应是β衰变，故不正确，故答案为D.
答案：D
反思领悟：衰变是原子核自发转变为另一种核并辐射出α或β粒子；人工转变常用α粒子(也可用中子等)轰击原子核，该核捕获α粒子后产生新原子核，并放出一个或几个粒子．裂变时铀核捕获中子裂变为两个(或更多)中等质量的核，并放出几个中子．轻核聚变时也会放出中子．
例3 太阳内部持续不断地发生着四个质子聚变为一个氦核同时放出两个正电子的热核反应，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，mHe＝4.001
5
u，me＝0.000
55
u)
轻核聚变过程中的能量计算
反思领悟：在任何核反应中，质量数和电荷数保持守恒，这一规律是我们确定核反应方程的理论基础；在核反应中释放的能量计算中，爱因斯坦的质能方程确定了能量与质量亏损间的关系，因此首先求质量亏损(或释放能量)．由ΔE＝Δmc2再求释放能量(或质量亏损)．
3．一个氘核和一个氚核聚变成氦核，放出一个中子，这个反应中放出了多少结合能？(已知mD＝2.014
102
u，mT＝3.016
050
u，mHe＝4.002
603
u，mn＝1.008
665
u)
【答案】17.59
MeV
【解析】质量亏损为
Δm＝mD＋mT－mHe－mn＝0.018
884
u，
该反应放出的能量为
ΔE＝0.018
884×931.5
MeV＝17.59
MeV.
认识粒子
反思领悟：本题情景新颖，密切联系科技前沿，涉及粒子物理中的夸克、库仑定律、力的合成和分解等知识点，考查学生捕获信息的能力，以及分析推理的能力等．
A．质子由1个u夸克和1个d夸克组成，中子由1个u夸克和2个d夸克组成
B．质子由2个u夸克和1个d夸克组成，中子由1个u夸克和2个d夸克组成
C．质子由1个u夸克和2个d夸克组成，中子由2个u夸克和1个d夸克组成
D．质子由2个u夸克和1个d夸克组成，中子由1个u夸克和1个d夸克组成
【答案】B
如何写好核反应方程
1．无论何种核反应方程都必须遵守电荷数守恒和质量数守恒规律，有些核反应方程还要考虑能量守恒(如裂变和聚变方程常含有能量项)．
2．核反应方程中的箭头“→”表示反应进行的方向，不能把箭头写成等号．
3．写核反应方程必须有实验依据，决不能毫无根据地编造．
创新 拓展 提升
