第7、8节 核聚变、粒子和宇宙
[随堂巩固]
1．(粒子的分类)下列叙述不正确的是
A．强子是参与强相互作用的粒子
B．轻子是不参与强相互作用的粒子
C．科学家已经从实验中发现了轻子的内部结构
D．夸克有6种，它们带的电荷分别为元电荷的＋或－
解析 由粒子的分类知，轻子是不参与强相互作用的粒子，而强子是参与强相互作用的粒子，且强子由夸克组成，夸克有6种，其带的电荷分别为元电荷的＋或－，故选项A，B，D正确。
答案 C
2．(对核聚变的理解)(多选)在某次核反应中，1个氘核和1个氚核结合生成1个氦核，则下列说法中正确的是
A．这是一个聚变反应
B．核反应方程式为H＋H→He＋n
C．目前核电站都采用上述核反应发电
D．该核反应没有质量亏损
解析 1个氘核和1个氚核结合生成1个氦核，反应方程为H＋H→He＋n，这是聚变反应，故A、B正确；目前核电站都采用核裂变发电，故C错误，该反应放出热量，所以一定有质量亏损。故D错误。
答案 AB
3．(对核聚变的理解)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．来自太阳中本身贮存的大量内能
解析 太阳的能量来自于太阳内部原子核的聚变，通过聚变可以使太阳表面产生约6 000 ℃的高温。
答案 A
4．(核聚变释放核能的计算)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。(已知质子质量为mH＝1.007 3 u，氦核质量为mHe＝4.001 5 u．电子质量为me＝0.000 55 u)
(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？
解析 (1)由题意可得核反应方程应为4H→He＋2 0＋1e。
(2)反应前的质量m1＝4mH＝4×1.007 3 u＝4.029 2 u，
反应后的质量m2＝mHe＋2me＝4.001 5u＋2×0.000 55 u＝4.002 6 u，
Δm＝m1－m2＝0.026 6 u，由质能方程得，释放能量ΔE＝Δmc2＝0.026 6×931.5 MeV≈24.78 MeV。
(3)由质能方程ΔE＝Δmc2得太阳每秒减少的质量
Δm＝＝kg≈4.22×109 kg。
答案 (1)4H→He＋2 0＋1e (2)24.78 MeV (3)4.22×109 kg
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题组一 对核聚变的理解
1．(多选)关于核聚变，以下说法正确的是
A．与裂变相比轻核聚变辐射极少，更为安全、清洁
B．世界上已经有利用核聚变能来发电的核电站
C．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
D．地球聚变燃料的储量十分丰富，从海水中可以提炼出大量核聚变所需的氘核
解析 与裂变相比，核聚变有下面的几个优势：(1)安全、清洁、辐射少；(2)核燃料储量多；(3)核废料易处理，但核聚变发电还没有投入实际运行，所以B项是不正确的。
答案 ACD
2．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．聚变必须将反应物加热至数百万摄氏度以上高温，显然是吸收能量
D．裂变与聚变均可释放巨大的能量
解析 裂变是重核分裂成中等质量的核，而聚变则是轻核聚合成为较重的核，无直接关联，并非互为逆反应，A、B错；要实现聚变反应，必须使参加反应的轻核充分接近，需要达到数百万摄氏度高温，但聚变一旦实现，所释放的能量远大于所吸收的能量，因此，总的说来，聚变反应还是释放能量，故正确答案为D。
答案 D
3．(多选)据《中国科技报》报道，我国自行设计、研制的世界第一套全超导核聚变实验装置(又称为“人造太阳”)已经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U＋n→Ba＋Kr＋3n
B．“人造太阳”的核反应过程中一定发生质量亏损，该过程释放的核能可以用ΔE＝Δmc2来计算
C．“人造太阳”的核反应方程是H＋H→He＋n
D．“人造太阳”的核反应必须在极高温度下，使参与核反应的原子核间的距离接近到10－15 m的范围以内才能够发生
解析 人造太阳的核聚变是氘核和氚核进行的核聚变反应，A错误，C正确；核聚变过程中出现质量亏损，根据爱因斯坦质能方程ΔE＝Δmc2可求出核反应释放的能量，B正确；聚变反应必须在极高温度下，使参与核反应的原子核间的距离接近到10－15 m的范围以内才能够发生，故D正确。
答案 BCD
4．某科学家提出年轻热星体中核聚变的一种理论，其中的两个核反应方程为
H＋6C→7N＋Q1，H＋7N→6C＋X＋Q2
方程中Q1、Q2表示释放的能量，相关的原子核质量见下表：
原子核
H
He
He
C
N
N
质量/u
1.007 8
3.016 0
4.002 6
12.000 0
13.005 7
15.000 1
以下推断正确的是
A．X是He，Q2>Q1 B．X是He，Q2>Q1
C．X是He，Q2解析 根据核反应中质量数与电荷数守恒容易求得新核X的质量数为4、电荷数为2，即X是He；根据表中提供的数据，可以求得第2个核反应的质量亏损大，根据爱因斯坦质能方程必然有Q1答案 B
5．(多选)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(m1－m3－m4)c2
D．与受控核聚变比较，现行的核反应堆产生的废料具有放射性
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均错误，B、D正确。
答案 BD
6．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。关于He聚变下列表述正确的是
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 轻核聚变生成质量较大(中等)的新核，并释放能量，有质量亏损。
答案 B
7．我国自行研制了可控热核反应实验装置“超导托卡马克”(英名称：EAST，俗称“人造太阳”)。设可控热核实验反应前氘核(H)的质量为m1，氚核(H)的质量为m2，反应后氦核(He)的质量为m3，中子(n)的质量为m4，光速为c，正确说法正确的是
A．这种装置中发生的核反应方程式是H＋H―→He＋n
B．由核反应过程质量守恒可知m1＋m2＝m3＋m4
C．核反应放出的能量等于(m1－m2－m3－m4)c2
D．这种装置与我国大亚湾核电站所使用装置的核反应原理相同
解析 核反应方程为H＋H―→He＋n，选项A正确；反应过程中向外释放能量，故质量有亏损，且释放的能量ΔE＝Δmc2＝(m1＋m2－m3－m4)c2，选项B、C错误；可控热核反应为核聚变，大亚湾核电站所用核装置反应原理为核裂变，选项D错误。
答案 A
题组二 粒子和宇宙
8．关于粒子，下列说法中不正确的是
A．质子和中子是组成物质的不可再分的最基本的粒子
B．质子、中子本身也有复杂的结构
C．质子是带电的强子
D．夸克模型说明电子电荷不再是电荷的最小单元
解析 质子和中子是由不同夸克组成的，它们不是最基本的粒子，故选项A错误，B正确；不同的夸克组成强子，有的强子带电，有的强子不带电，质子是最早发现的带正电的强子，故选项C正确；夸克模型是研究强子的理论，不同夸克带的电荷不同，分别为元电荷的＋或－，这说明电子电荷不再是电荷的最小单元，故选项D正确。
答案 A
9．关于粒子，下列说法正确的是
A．电子、质子和中子是组成物质的不可再分的最基本的粒子
B．强子都是带电的粒子
C．夸克模型是探究三大类粒子结构的理论
D．夸克模型说明电子电荷不再是电荷的最小单位
解析 由于质子、中子是由不同夸克组成的，它们不是最基本的粒子，不同夸克构成强子，有的强子带电，有的强子不带电，故A、B错误；夸克模型是研究强子结构的理论，不同夸克带电不同，分别为＋e和－，说明电子电荷不再是电荷的最小单位，故C错误、D正确。
答案 D
题组三 综合应用
10．已知中子的质量是mn＝1.674 9×10－27 kg，质子的质量是mp＝1.672 6×10－27 kg，氘核的质量是mD＝3.343 6×10－27 kg，质子和中子结合成氘核的过程中质量亏损是________kg，氘核的比结合能是________J。
解析 Δm＝mn＋mp－mD＝3.9×10－30 kg，据质能方程ΔE＝Δmc2，得ΔE＝3.9×10－30×(3×108)2J＝3.51×10－13J，氘核的比结合能为＝1.755×10－13 J。
答案 0.003 9×10－27 1.755×10－13
11．设氢弹内装的是氘和氚，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 弹壳内装的氘和氚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＝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个＝1.5×1026个。
这样合成1 kg 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
课件27张PPT。第7、8节 核聚变、粒子和宇宙[学习目标]
1．了解核聚变反应的特点及发生条件。
2．会判断和书写核聚变方程，能计算核聚变放出的能量。
3．知道粒子的分类及其作用，了解夸克模型。
4．了解宇宙及恒星的演化。质量较大 能量 10－15m 库仑斥力 几百万 热核反应 氢弹 原子弹 氢 聚变 环流器 激光 光子 质子 质子中子 正电子 u子 k介子 π介子 超子 粒子与各种相互作用 强子 轻子 媒介子 夸克 分数电荷 夸克、轻子、胶子 强子 轻子 核合成 中性的氢原子 恒星和星系 星云团 氦核 中子星 √ × √ × × [答案] (1)H＋2n→H (2)6.24 MeV
(3)2.08 MeV [答案] 见解析答案 AD本讲结束
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