山东省济南历城四中2019-2020学年高中物理鲁科版选修3-5：4.3核聚变 达标作业（含解析）

4.3核聚变
1．关于原子、原子核的相关知识，下列说法正确的是（　　）
A．当发生光电效应时，光电子的最大初动能随着入射光强度的增大而增大
B．当氢原子从n=3的能级跃迁到n=5的能级时，辐射出光子
C．核反应方程中的X是中子
D．轻核聚变的过程质量增大，重核裂变的过程质量亏损
2．科学家使用核反应获取氚，再利用氘和氚的核反应获得能量，核反应方程分别为： 和 ，下列表述正确的有（　　）
A．X是质子 B．Y的质子数是3，中子数是6
C．氘和氚的核反应是核聚变反应 D．两个核反应都没有质量亏损
3．下列属于天然放射性衰变的是（　　）
A． B．
C． D．
4．目前科学家正在研究“快中子堆”技术来发电，“快中子堆”技术发电的原理是：快中子反应堆不用，而用作燃料，但在堆心燃料的外围放置，发生裂变反应时放出来的高速中子（快中子），被装在外围再生区的吸收，吸收快中子后变成，很不稳定，很快发生衰变变成，在裂变产生能量的同时，又不断地将变成可用燃料，核燃料越烧越多。则（　　）
A．与的中子数相同
B．与的质子数相同
C．吸收中子后变成铀是属于核聚变
D．经过2次衰变后变成
5．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
6．“氦-3”是地球上很难得到的清洁、安全和高效的核聚变发电燃料，被科学家们称为“完美能源”。普通水中含有质量约0.0150%的“重水”（普通水H2O的两个氢中的一个被氘核取代），使两个氘核通过反应发生聚变产生“氦-3”，已知氘核的质量是kg，氦-3的质量是kg，中子的质量是kg，19g“重水”含有的氘核数目为个，若一天内“烧”掉1L普通水中的所有氘核，则（　　）
A．发生聚变反应后比结合能减小
B．聚变反应前后质量守恒但能量不守恒
C．两个氘核聚变后释放的能量约为3.3MeV
D．所有氘核聚变后可获得约14.6kW的平均功率
7．“东方超环”是我国自主设计建造的世界上第一个非圆截面全超导托卡马克核聚变实验装置.2018年11月，有“人造太阳”之称的东方超环实现1亿摄氏度等离子体运行等多项重大突破，获得的实验参数接近未来聚变堆稳态运行模式所需要的物理条件，朝着未来聚变堆实验运行迈出了关键一步，已知“人造太阳”核聚变的反应方程为，关于此核聚变，以下说法正确的是（　　）
A．要使轻核发生聚变，就要利用粒子加速器，使轻核拥有很大的动能
B．Z=0，M=1
C．1mol氘核和1mol氚核发生核聚变，可以放出17.6MeV的能量
D．聚变比裂变更安全、清洁
8．能源是社会发展的基础，发展核能是解决能源问题的途径之一，下列释放核能的反应方程，表述正确的有（　　）
A．是核聚变反应
B．是衰变
C．是核裂变反应
D．是衰变
9．下列说法正确的是（　　）
A．是衰变方程
B．MeV是核聚变反应方程
C．是核裂变反应方程
D．是原子核人工转变方程
10．下列有关原子结构和原子核的认识，其中正确的是（　　）
A．粒子带负电，所以射线有可能是核外电子
B．氢原子辐射光子后，其绕核运动的电子动能增大，电势能减少
C．太阳辐射能量的主要来源是太阳中发生的轻核聚变
D．的半衰期是5天，20个经过10天后还剩下5个
11．太阳是一颗能自己发光发热的气体星球。太阳辐射能量的来源来自于_____________________
12．恒星的颜色显示了它的温度,温度较低的恒星呈现__________,在天空中呈现表面温度达到5500℃的太阳发出。更热的恒星则会呈现____________。
13．目前地球上消耗的能量绝大部分来自太阳内部核聚变时释放的核能。
(1)如果将太阳聚变时的核反应简化为4个氢核（）聚变生成1个氦核（）和2个正电子。请你写出此核反应方程；
(2)目前太阳能已被广泛利用。如图所示的太阳能路灯的额定功率为P，光电池的光电转换效率为η。用P0表示太阳辐射的总功率，用r表示太阳与地球间的距离。太阳光传播到达地面的过程中大约有30%的能量损耗。某段时间内，电池板接收太阳垂直照射的等效面积为S。求这段时间内路灯正常工作时间t与日照时间t0之比？
(3)天文学家估测：太阳已有50亿年的历史了。有人认为：50亿年来，因释放核能而带来的太阳质量变化几乎可以忽略。请你通过计算说明这种观点的合理性。可能用到的数据：太阳的质量约为M0=2×1030kg，太阳辐射的总功率为P0=4×1026W，1年3×107秒。
14．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。
参考答案
1．C
【解析】
A．当发生光电效应时，光电子的最大初动能随着入射光频率的增大而增大，与光强无关，选项A错误；
B．当氢原子从n=3的能级跃迁到n=5的能级时，要吸收出光子，选项B错误；
C．根据核反应的质量数和电荷数守恒可知，核反应方程中的X质量数为1，电荷数为0，是中子，选项C正确；
D．轻核聚变的过程和重核裂变的过程都要释放能量，有质量亏损，选项D错误。
故选C。
2．C
【解析】
A．在反应中，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错误。
B．根据可知，Y的质子数是3，质量数为6，则中子数是3，选项B错误；
C．氘和氚的核反应是核聚变反应，选项C正确；
D．两个核反应都放出能量，则都有质量亏损，选项D错误。
故选C。
3．B
【解析】
A．该反应是原子核的人工转变方程，选项A错误；
B．该反应是α衰变方程，选项B正确；
C．该反应是原子核的人工转变方程，选项C错误；
D．该反应是轻核聚变方程，选项D错误。
故选B。
4．D
【解析】
A．的中子数为145，的中子数为147，所以A错误；
B．的质子数为94，的质子数为92，所以B错误；
C．根据核聚变反应的定义，两个轻核结合成质量较大的核的核反应叫做核聚变，所以C错误；
D．根据
可知经过2次衰变后变成，所以D正确。
故选D。
5．BD
【解析】
A．α衰变是自发地进行的，不需其它粒子轰击，该核反应方程原子核人工转变方程，故A错误；
B．质量较轻的核生成质量较重的核是核聚变方程，故B正确；
C．该核反应是α衰变方程，本身裂变；裂变方程是质量较重的核变成质量中等的核，故C错误；
D．He＋Al―→P＋n是原子核的人工转变方程，故D正确。
故选BD。
6．CD
【解析】
A．裂变或者聚变都是放出能量，故产物的比结合能比原来的元素比结合能大，故A错误；
B．核反应前后质量不守恒，亏损的质量以能量的形式放出，自然界任何反应前后能量都是守恒的，故B错误；
C．由可得，反应前后放出的能量为
故C正确；
D．烧掉1L普通水中所有氘核放出的能量为
故功率为
故D正确；
故选CD。
7．BD
【解析】
A．“人造太阳”是以超导磁场约束，通过波加热，让等离子气体达到上亿度的高温而发生轻核聚变，故A错误。
B．根据质量数和核电荷数守恒，可以求出X为中子，即Z=0，M=1，故B正确。
C．1个氘核和1个氚核发生核聚变，可以放出17.6MeV的能量，故C错误。
D．轻核聚变产生物为氦核，没有辐射和污染，所以聚变比裂变更安全、清洁，故D正确。
故选BD.
8．AC
【解析】
AB．是轻核聚变，不是衰变，故A正确，B错误；
CD．核裂变是一个原子核分裂成几个原子核的变化，质量非常大的原子核才能发生核裂变，和都是重核裂变，故C正确；D错误。
故选AC。
9．BD
【解析】
A．不是衰变方程，而是原子核的人工转变，故A错误；
B．MeV是核聚变反应方程，故B正确；
C．是衰变方程，故C错误；
D．是原子核人工转变方程，故D正确。
故选BD。
10．BC
【解析】
A.射线是原子核内的中子转化为质子时释放的电子，故A错误；
B.氢原子辐射出一个光子后，要从高能级向低能级跃迁，轨道半径减小，能级减小，动能增大，而电势能减小，故B正确；
C.太阳辐射能量的主要来源是太阳中发生的轻核聚变，故C正确；
D.半衰期适用于大量原子核，故D错误。
故选BC。
11．核聚变反应
【解析】
[1]太阳是一颗能自己发光发热的气体星球。太阳辐射能量的来源来自于核聚变反应。
12．暗红色 白光比太阳稍蓝的颜色
【解析】
[1][2]恒星的颜色显示了它的温度,温度较低的恒星呈现暗红色，在天空中呈现表面温度达到5500℃的太阳发出。更热的恒星则会呈现白光比太阳稍蓝的颜色。
13．(1)；(2)；(3)见解析
【解析】
(1)由质量数和电荷数守恒得
(2)路灯正常工作t时间需要消耗的太阳能是
距太阳中心的r的球面积为，t0时间内照射到电池板上的太阳能量为
联立解得
(3)50亿年太阳辐射的总能量为
根据可知，50亿年太阳损失的总质量为
损失的总质量与太阳质量之比
所以这种说法合理
14．(1)；(2)不能；(3)；(4)
【解析】
(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：