(共46张PPT)
19．7 核 聚 变
19．8 粒子和宇宙
核聚变 粒子和宇宙
一、选择题(3、4、5为多项选择题，其余为单项选择题)
1．(2019春·虹口区校级期中)关于我国已建成的秦山和大亚湾核电站，下面说法正确的是( )
A．它们都是利用核裂变释放的核能
B．它们都是利用核聚变释放的核能
C．一座利用核裂变释放的核能，一座利用核聚变释放的核能
D．以上说法都不对
解析 我国已建成的秦山和大亚湾核电站都是利用核裂变释放的核能，故B、C、D三项错误，A项正确，故选A项．
答案 A
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．聚变须将反应物加热至数百万开尔文以上的高温，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核，而聚变则是轻核聚合成为次轻核，并非互为逆反应．聚变和裂变都释放能量．要实现聚变反应，必须使参加反应的轻核充分接近，需要数百万开尔文的高温提供能量．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，聚变反应还是释放能量．
答案 D
3．科学家使用核反应获取氚，再利用氘和氚核反应获得能量，核反应方程分别为：
X＋Y→24He＋13H＋4.9 MeV和12H＋13H→24He＋X＋17.6 MeV，下列表述正确的有( )
A．X是中子 B．Y的质子数是3，中子数是6
C．两个核反应都没有质量亏损 D．氘和氚的核反应是核聚变反应
解析 在该核反应中，12H＋13H→24He＋X＋17.6 MeV，根据电荷数守恒、质量数守恒，则X的电荷数为0，质量数为1，可知X是中子，故A项正确；在X＋Y→24He＋13H＋4.9 MeV中，根据电荷数守恒、质量数守恒，Y的电荷数为3，质量数为6，则Y的质子数为3，中子数为3，故B项错误；两个核反应都释放能量，都有质量亏损，故C项错误；两核反应均为核聚变反应，故D项正确，故选A、D两项．
答案 AD
4．月球土壤里大量存在着一种叫做“氦3(23He)”的化学元素，是热核聚变的重要原料．科学家初步估计月球上至少有100万吨氦3，如果相关技术开发成功，将可为地球带来取之不尽的能源．关于“氦3(23He)”与氘核聚变，下列说法正确的是( )
A．核反应方程为23He＋12H→24He＋11H
B．核反应生成物的质量将大于参加反应物的质量
C．氦3(23He)一个核子的结合能大于氦4(24He)一个核子的结合能
D．氦3(23He)的原子核与一个氘核发生聚变将放出能量
解析 根据质量数守恒、电荷数守恒和已知条件可以写出核反应方程为23He＋12H→24He＋11H，故A项正确；由于此核反应过程中放出能量将出现质量亏损，所以B、C两项错误，D项正确．
答案 AD
5．质子—质子循环发生的核反应被认为是恒星能量的一种可能来源，具体的一个循环过程是这样的：两个质子(11H)发生聚变，生成一个氘核(12H)，生成的氘核(12H)再与一个质子(11H)聚变生成一个氦核(23He)，接下来两个氦核(23He)发生聚变，生成氦的同位素(24He)同时再产生两个质子(11H)，这两个质子(11H)再度发生聚变……进入下一个循环反应，成为恒星不竭之能量源泉．对于这种质子—质子循环发生的核反应，下列说法正确的是( )
A．两个质子(11H)发生聚变，可表示为11H＋11H→12H＋10e
B．两个质子(11H)发生聚变，可表示为11H＋11H→211H
C．一个完整的质子—质子循环核反应可表示为311H→23He＋10e
D．一个完整的质子—质子循环核反应可表示为611H→24He＋210e＋211H
解析 由题意及核反应中的质量数与电荷数守恒可得两个质子(11H)发生聚变，可表示为11H＋11H→12H＋10e，A项正确，B项错误；由题意可知一个完整的质子—质子循环反应可表示为611H→24He＋210e＋211H，C项错误，D项正确．
答案 AD
6．一个质子和一个中子聚变结合成一个氘核，同时辐射一个γ光子．已知质子、中子、氘核的质量分别为m1、m2、m3，普朗克常量为h，真空中的光速为c.下列说法正确的是( )
A．核反应方程是11H＋01n→13H＋γ
B．聚变反应中的质量亏损Δm＝m1＋m2－m3
C．辐射出的γ光子的能量E＝(m3－m1－m2)c
D．γ光子的波长λ＝
解析 11H＋01n→12H＋γ，A项错误；由题可知，该反应的质量亏损为Δm＝m1＋m2－m3，B项正确；根据爱因斯坦的质能方程E＝mc2得，该反应辐射出的γ光子的能量为E＝(m1＋m2－m3)c2，C项错误；由E＝hν＝h得，λ＝，D项错误．
答案 B
7．氘和氚发生聚变反应的方程式是12H＋13H→24He＋01n＋17.6 MeV，若有2 g氘和3 g氚全部发生聚变，NA为阿伏加德罗常数，则释放的能量是( )
A．NA×17.6 MeV B．5NA×17.6 MeV
C．2NA×17.6 MeV D．3NA×17.6 MeV
解析 由核反应方程可知1个氘核和1个氚核聚变成氦核时放出17.6 MeV能量和1个中子，则1 mol的氘和1 mol氚全部聚变成1 mol氦核时释放的能量为ΔE＝NA×17.6 MeV.
答案 A
8．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：
11H＋ 612C→ 713N＋Q1 11H＋ 715N→ 612C＋X＋Q2
方程式中Q1、Q2表示释放的能量，相关的原子核质量见下表：
原子核 11H 23He 24He 612C 713N 715N
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23He，Q2>Q1 B．X是24He，Q2>Q1
C．X是23He，Q2解析 由电荷数守恒及质量数守恒可知X应为24He，所以A、C项错．由质量亏损多少可知Q2>Q1，所以B项正确，D项错，正确答案为B项．
答案 B
9．目前普遍认为，质子和中子都是由被称为u夸克和d夸克的两类夸克组成，u夸克带电荷量为e，d夸克带电荷量为－e，e为元电荷，下列论断中可能正确的是( )
A．质子由1个u夸克和2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2个u夸克和1个d夸克组成
解析 若质子由2个u夸克和1个d夸克组成，则质子11H带电荷量为2×e＋(－e)＝e与实际相等．若中子由1个u夸克和2个d夸克组成，则中子01n带电荷量为e＋2×(－e)＝0.与实际相符．由此知B项正确．
答案 B
10.K－介子衰变的方程为：K－―→π－＋π0，其中K－介子、π－介子带负的基本电荷，π0介子不带电．一个K－介子沿垂直于磁场的方向射入匀强磁场中，其轨迹为圆弧AP，衰变后产生的π－介子的轨迹为圆弧PB，两轨迹在P点相切如图所示，它们的半径RK－与Rπ－之比为2∶1，π0介子的轨迹未画出，由此可知π－的动量大小与π0的动量大小之比为( )
A．1∶1 B．1∶2
C．1∶3 D．1∶6
解析 由带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动规律知：
轨道半径R＝＝∝p，所以＝＝
即pπ－＝pK－
又由动量守恒定律pK－＝pπ0－pπ－
得pπ0＝pK－＋pπ－＝pK－
所以＝
答案 C
11．2006年3月23日央视报道，中科院离子物理所经过八年的艰苦奋斗努力，终于率先建成了世界上第一个全超导的托克马克试验装置并调试成功，这种装置被称为“人造太阳”(如图所示)，它能够承受上亿摄氏度高温且能够控制等离子态的核子发生聚变并稳定持续的输出能量，就像太阳一样为人类提供无限清洁的能源．在下列核反应方程中有可能是该装置内部所进行的核反应的是( )
A. 714N＋24He→ 817O＋11H
B. 92238U→ 90234Th＋24He
C．12H＋13H→24He＋01n
D. 92235U＋01n→ 56141Ba＋3692Kr＋301n
解析 聚变反应是质量较轻的核聚变生成质量较大的核，由题目知C项正确，故选C项．
答案 C
二、非选择题
12．取质子的质量mp＝1.672 6×10－27 kg，中子的质量mn＝1.674 9×10－27 kg，α粒子的质量mα＝6.646 7×10－27 kg，光速c＝3×108 m/s，可知α粒子的结合能________．(计算结果保留两位有效数字)
解析 根据爱因斯坦质能方程ΔE＝Δmc2，可求：ΔE＝(2mp＋2mn－mα)c2≈4.3×10－12 J.
答案 4.3×10－12 J
13．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：12H＋13H→24He＋x，式中x是某种粒子．已知：12H、13H、24He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/c2，c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3位有效数字)．
解析 根据电荷数守恒和质量数守恒可知，x的质量数为1，电荷数为零，故x为中子．质量亏损Δm＝2.014 1 u＋3.016 1 u－(4.002 6 u＋1.008 7 u)＝0.018 9 u，
E＝Δmc2＝0.018 9×931.5 MeV≈17.6 MeV.
答案 01n(或中子) 17.6
14．两个氘核聚变产生一个中子和一个氦核，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)计算释放出的结合能；
(2)若反应前两氘核的动能均为Ek0＝0.35 MeV，它们正撞发生聚变，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：12H＋12H→01n＋23He.
设反应质量亏损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)将两氘核作为一个系统，由动量守恒有
0＝mHevHe＋mnvn①
由能量守恒有：mHevHe2＋mnvn2＝ΔE＋2Ek0.②
由①②代入数据可得EkHe＝0.99 MeV，
Ekn＝2.97 MeV.
答案 (1)3.26 MeV (2)0.99 MeV 2.97 MeV
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