第十九章 第7节 核聚变
第8节 粒子和宇宙
练能力、课后提升
一、选择题
1．恒星的颜色取决于恒星的( )
A．体积 B．温度
C．质量 D．体积和温度以及它与地球的距离
解析：选B 恒星的表面颜色取决于它的表面温度，温度越低，颜色越偏红，温度越高，颜色越偏蓝．故选项B正确，A、C、D错误．
2．有关宇宙的理解，下列说法中正确的是( )
A．质量越大的恒星寿命越长
B．太阳发出的光和热来自于碳、氧等物质的燃烧
C．在天空中呈现暗红色的恒星的温度比呈现白色的恒星的温度高
D．由于光速有限，因此观察遥远的天体就相当于观察宇宙的过去
解析：选D 质量越大的恒星寿命越短，故A错误；太阳发出的光和热来自于在太阳内部进行着大规模的核聚变释放的能量，故B错误；恒星的颜色是由温度决定的，温度越低，颜色越偏红，温度越高，颜色越偏蓝．故在天空中呈现暗红色的恒星的温度比呈现白色的恒星的温度低，故C错误；由于光速有限，遥远的天体发出的光线到达我们时，我们看到的是过去的宇宙射线，因此观察遥远的天体就等于在观察宇宙的过去，故D正确．
3．(多选)(2019·天津卷)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
解析：选AD 与核裂变相比轻核聚变更为安全、清洁，A选项正确；自然界中最容易实现的聚变反应是氢的同位素氘与氚的聚变，不是任意两个原子核都能发生核聚变，B选项错误；两个轻核发生聚变结合成质量较大的核时，放出巨大的能量，根据E＝mc2可知，聚变反应中存在质量亏损，则总质量较聚变前减少，C选项错误；两个轻核结合成质量较大的核的过程中要释放能量，核子的平均质量减少，所以核子的比结合能增加，D选项正确．
4．(多选)(2018·郑州一中期末)下列说法正确的是( )
A.N＋H→C＋He是α衰变方程
B.H＋H→He＋γ是核聚变反应方程
C.U→Th＋He是核裂变反应方程
D.He＋Al→P＋n是原子核的人工转变方程
解析：选BD 选项A、D中反应为原子核的人工转变；选项B中反应为轻核聚变；选项C中反应为原子核的衰变，故选项B、D正确．
5．(2018·临汾一中期末)关于核聚变和核力，下列说法不正确的是( )
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：选B 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．要使轻核发生聚变，必须达到核力的作用范围．所以B项符合题意．
6．(多选)由中国提供永磁体的阿尔法磁谱仪如图所示，它于2011年5月16日由奋进2号航天飞机携带升空，安装在国际空间站中，主要使命之一是探索宇宙中的反物质．所谓的反物质即质量与正粒子相等，带电荷量与正粒子相等但电性相反．例如反质子即为H，假若使一束质子、反质子、α粒子和反α粒子组成的射线，通过速度选择器沿OO′进入匀强磁场形成4条径迹，则( )
A．1、2是反粒子径迹 B．3、4为反粒子径迹
C．2为反α粒子径迹 D．4为反α粒子径迹
解析：选AC 由题图可知，粒子先通过速度选择器沿OO′做匀速直线运动(重力忽略不计)．四种粒子速度均大小相等，方向相同，它们进入同一匀强磁场后受到洛伦兹力作用而做匀速圆周运动．又因电性不同而受力方向相反，根据左手定则可判断反粒子刚进入磁场时受洛伦兹力方向向左，则1、2是反粒子的径迹，故A正确，B错误；轨迹半径r＝，因反α粒子的比荷比反质子的比荷小，则反α粒子的轨迹半径比反质子的大，故2为反α粒子的径迹，故C正确，D错误．
7．(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：H＋H→He＋n.已知H的质量为 2.013 6 u，He的质量为3.015 0 u，n的质量为1.008 7 u,1 u＝931 MeV/c2.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：选B 氘核聚变反应的质量亏损Δm＝2m氘－m氦－mn＝0.003 5 u，则该反应释放的核能为ΔE＝Δm×931 MeV＝3.258 5 MeV≈3.3 MeV，A、C、D错误，B正确．
8．1994年3月，中国科学技术大学研制成功了比较先进的HT-7型超导托卡马克，托卡马克(Tokamak)是研究受控核聚变的一种装置，这个词是toroidal(环形的)，kamera(真空室)，magnet(磁)的头两个字母以及kotushka(线圈)的第一个字母组成的缩写词．根据以上信息，下列说法错误的是( )
A．这种装置的核反应原理是轻核的聚变，同时释放出大量的能量，与太阳发光的原理类似
B．这种装置同我国秦山核电站、大亚湾核电站所使用的核装置反应原理相同
C．这种装置可以控制热核反应速度，使聚变能缓慢而稳定地释放
D．这种装置产生的核聚变对环境的污染比核裂变要轻得多
解析：选B 到目前为止，核聚变还没有得到广泛的应用，不管哪国的核电站都是利用重核的裂变，故B说法错误．
9．(2019·湖南衡阳模拟)重核裂变和轻核聚变是人类获得核能的两种主要途径，关于裂变和聚变，在下列叙述正确的是( )
A．裂变过程有质量亏损，聚变过程无质量亏损
B．核聚变反应方程H＋H→He＋X中X表示质子
C．裂变和聚变都可以释放出巨大的能量
D．氢弹的核反应属于裂变，原子弹的核反应属于聚变
解析：选C 裂变和聚变都释放出巨大能量，都伴随着质量亏损，故A错误，C正确；核聚变反应方程H＋H→He＋n中，n表示中子，故B错误；原子弹的核反应属于裂变，氢弹的核反应属于核聚变，故D错误．
10．(多选)据新华社报道，由我国自行设计、研制的世界第一套全超导核聚变实验装置(又称“人造太阳”)已完成了首次工程调试．下列关于“人造太阳”的说法中正确的是( )
A．“人造太阳”的核反应方程式为 H＋H→He＋n
B．“人造太阳”的核反应方程式为U＋n→Ba＋Kr＋3n
C．根据公式ΔE＝Δmc2可知，核燃料的质量相同时，聚变反应释放的能量比裂变反应大得多
D．根据公式ΔE＝Δmc2可知，核燃料的质量相同时，聚变反应释放的能量与裂变反应释放的能量相同
解析：选AC H＋H→He＋n是氢核聚变方程，故选项A正确；根据氢核聚变特点，相同质量的核燃料，氢核聚变释放的能量比裂变反应大得多，故选项C正确．
二、非选择题
11．在β衰变中常伴有一种称为“中微子”的粒子放出．中微子的性质十分特别，因此在实验中很难探测.1953年，莱尼斯和柯文建造了一个由大水槽和探测器组成的实验系统，利用中微子与水中的H的核反应，间接地证实了中微子的存在．
(1)中微子与水中的H发生核反应，产生中子(n)和正电子(e)，即中微子＋H→n＋e.
可以判定，中微子的质量数和电荷数分别是________．(填写选项前的字母)
A．0和0 B．0和1
C．1和0 D．1和1
(2)上述核反应产生的正电子与水中的电子相遇，与电子形成几乎静止的整体后，可以转变为两个光子(γ)，即e＋e→2γ.
已知正电子和电子的质量都为9.1×10－31 kg，反应中产生的每个光子的能量约为________ J．正电子与电子相遇不可能只转变为一个光子，原因是________．
解析：(1)根据核反应方程的质量数与电荷数守恒，判断出中微子的质量数与电荷数均为零．
(2)根据爱因斯坦质能方程知：ΔE＝Δm·c2＝2E，计算得出光子能量为E＝＝9.1×10－31×(3×108)2 J＝8.2×10－14 J．利用质能方程可得出每个光子的能量，正电子与电子相遇遵循动量守恒，不可能只转化为一个光子．
答案：(1)A (2)8.2×10－14 遵循动量守恒
12．两个氘核聚变产生一个中子和一个氦核(氦的同位素)．已知氘核质量mD＝2.013 6 u，氦核质量mHe＝3.015 0 u，中子质量mn＝1.008 7 u.
(1)写出聚变方程并算出释放的核能；(已知质量亏损1 u释放的核能为931.5 MeV)
(2)若反应前两氘核的动能均为EkD＝0.35 MeV.它们正面对撞发生聚变，且反应后释放的核能全部转变为动能，则反应产生的氦核和中子的动能各为多大？
解析：(1)核反应方程为2H→n＋He.
该反应质量亏损Δm＝2mD－mHe－mn＝0.003 5 u
由质能方程得释放核能ΔE＝Δm×931.5 MeV＝0.003 5×931.5 MeV≈3.26 MeV.
(2)将两个氘核作为一个系统，由动量守恒有0＝mHevHe－mnvn，由于＝，则vHe＝vn
又由能量守恒有mHev＋mnv＝ΔE＋2EkD
代入数据可得EkHe＝0.99 MeV，Ekn＝2.97 MeV.
答案：(1)2H→He＋n 3.26 MeV (2)0.99 MeV 2.97 MeV
13．太阳不断地向外辐射能量，太阳内部存在大量氢，在超高温作用下，氢原子被电离，互相碰撞能使4个氢核聚变成一个氦核，同时放出大量能量．已知质子质量mH＝1.007 8 u，α粒子质量mα＝4.002 6 u，正电子质量me＝0.000 55 u.
(1)写出这个核反应方程式；
(2)核反应中释放的能量为多少兆电子伏？
(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)核反应方程为：4H→He＋2e.
(2)核反应前后质量亏损为Δm＝4mH－mα－2me＝(4×1.007 8－4.002 6－2×0.000 55) u＝0.027 5 u
1 u相当于931.5 MeV的能量，故核反应释放的能量为
ΔE＝0.027 5×931.5 MeV≈25.6 MeV.
(3)由ΔE＝Δmc2得每秒太阳质量减少
Δm＝＝ kg≈4.2×109 kg.
答案：4H→He＋2e (2)25.6 MeV (3)4.2×109 kg
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