上海市龙柏高中2019-2020学年物理沪科版选修3-5：5.3聚变与受控热核反应 配套作业（含解析）

5.3聚变与受控热核反应
1．下面列出的是一些核反应方程（ ）
； ；
A．X是正电子，Y，是中子，Z是质子 B．X是正电子，Y是质子，Z是中子
C．X是中子，Y是正电子，Z是质子 D．X是质子，Y是中子，Z是正电子
2．在核反应方程为 ．已知 的质量为2.0136u， 的质量为3.0180u，质量为4.0026u，x的质量为1.0087u．则下列说法中正确是（ ）
A．x是中子，该反应释放能量
B．x是质子，该反应释放能量
C．x是中子，该反应吸收能量
D．x是质子，该反应吸收能量
3．下列核反应方程中，属于原子核的人工转变的是（ ）
A．
B．
C．
D．
4．与的核聚变发电不产生温室气体，不产生放射性物质，是一种十分清洁、安全和环保的能源，开发月壤中蕴藏丰富的氦3资源，对人类社会今后的可持续发展具有深远意义．该核反应可表示为 (X表示某种粒子)，若、和的质量分别为m1、m2、m3，则下列选项正确的是 (　　)．
A．X为质子
B．这种核反应在月球上可自发进行
C．高速的X粒子可以用来工业探伤
D．该反应释放的核能ΔE<(m1＋m2－m3)c2
5．麻省理工学院要建人类史上第一个可控核聚变发电站．该发电站的核反应方程可能是
A．
B．
C．
D．
6．太阳能是一种绿色可再生能源，人们正大力推广和使用太阳能。太阳的巨大能量是由于太阳内部所发生的一系列核聚变反应形成的。太阳内部所发生的核反应可能是
A． B．
C． D．
7．对核反应 方程，下列说法中正确的是( )
A．和是两种不同元素的原子核
B．X是中子
C．这个反应过程中质量数守恒，但质量一定有亏损
D．这个反应既是核聚变反应，又是核裂变反应
8．氢弹是利用氢的同位素氘、氚等轻原子核聚变反应瞬时释放出巨大能量的核武器，又称聚变弹。聚变反应方程为H+H→He+x+17.6MeV。已知氘核、氚核的比结合能分别是1.09MeV、2.78MeV，lu=931Mev/c2，下列表述正确的是（ ）
A．x是质子
B．聚变反应中质量亏损约为0.0189u
C．氘核比氚核更稳定
D．氦原子核的结合能为28.12Me
9．下列关于核反应及其应用，说法正确的是（　　）
A．是核裂变方程，也是氢弹的核反应方程
B．卢瑟福通过实验发现质子的核反应方程为：
C．居里夫妇通过实验首次发现了放射性磷元素：
D．是α衰变方程，也是太阳能量的来源
10．下列关于核反应的表述正确的有
A．衰变中产生的射线实际上是原子的核外电子挣脱原子核的束缚而形成的
B． 是轻核聚变
C． 中，X表示
D．半衰期与原子所处的化学状态无关
11．核聚变电站被称为“人造太阳”，它来自下面的反应：4个质子（氢核）聚变成1个α粒子，同时释放2个正电子和2个没有静止质量的中微子，质子、氢核、正电子的质量分别为m1、m2、m3，真空中的光速为c，此聚变的核反应方程是_________________________（中微子可略去不写），核反应过程中释放的能量△E=______________________________．
12．太阳的能量来自下面的反应:四个质子(氢核)聚变成一个α粒子,同时发射两个正电子和两个没有静止质量的中微子νe,若太阳辐射能量的总功率为P,质子、氦核、正电子的质量分别为mp、mHe、me,真空中的光速为c。 写出核反应方程式_______________________; 核反应所释放的能量ΔE=_______________________; 在t时间内参与上述热核反应的质子数N=________________________.
13．已知氘核质量为2.0136u，中子质量为1.0087u，核的质量为3.0150u．两个速率相等的氘核对心碰撞聚变成并放出一个中子，释放的核能也全部转化为机械能(质量亏损为1u时，释放的能量为931.5MeV.除了计算质量亏损外，的质量可以认为是中子的3倍)．
(1)写出该核反应的方程式；
(2)该核反应释放的核能是多少？
(3)若测得反应后生成中子的动能是3.12 MeV，则反应前每个氘核的动能是多少MeV?
14．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，粒子质量，正电子质量.
（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，则太阳每秒减少的质量为多少千克?
参考答案
1．A
【解析】
根据质量数和电荷数守恒可得：X为：，即正电子；Y为：，即中子；Z为：，即质子，故BCD错误，A正确．故选A．
2．A
【解析】
某核反应方程为 ．根据核反应方程质量数和核电荷数守恒得：X的质量数为1，核电荷数为0．所以X是中子．反应前质量为2.0136u+3.018u=5.0316u．反应后质量为4.0026u+1.0087u=5.0113u．即得核反应后质量亏损，所以该反应释放能量．故选A.
3．D
【解析】A、此核反应属于衰变，不是人工转变，故A错误；
B、此反应属于裂变反应，故B错误；
C、此反应属于氢核聚变，故C错误；
D、此反应是用氦核轰击铝核，属于人工转变，故D正确．
故选：D
4．D
【解析】
【分析】
【详解】
A．根据质量数和电荷数守恒可知X的质量数为1，电荷数为0，所以X为中子，故A错误；
B．聚变反应是在超高温和超高压的环境下进行的，因此这种核反应不可能在月球自发进行，故B错误；
C．X是中子，不是γ射线，不可以用来工业探伤，故C错误；
D．根据质能方程可知该反应放出的核能为
△E=（m1+m2-m3-m）c2
所以
△E＜（m1+m2-m3）c2
故D正确．
故选D．
5．A
【解析】
A、为轻核聚变反应，A正确；B、为α衰变，不是核聚变反应，B错误．C为重核裂变，D为α粒子轰击氮核得到质子的核反应，故选A．
【点睛】解决本题的关键知道各种核反应的类型，知道它们的区别．可控核聚变反应为轻核聚变．由较小的核结合，会释放很高的能量．
6．A
【解析】太阳能的产生是由于太阳内部所发生的一系列核聚变反应形成的，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A正确。故选A。
7．BC
【解析】
【分析】
【详解】
A．和都只有一个质子，电荷数都是1，都是氢的同位素，是同一种元素的原子核，故A错误；
B．由核反应质量数守恒、电荷数守恒可推断出X为，是中子，故B正确；
CD．由该核反应的特点可知，该核反应是聚变反应，有质量亏损，但质量数是守恒的，故C正确、D错误．
故选BC。
8．BD
【解析】聚变反应前后遵循质量数守恒和电荷数守恒，可知x的质量数为1，电荷数为0，即x为中子，选项A错误；根据质能方程，质量亏损，选项B正确；氚核的比结合能较大，即把氚核分解为自由核子时平均每个核子需要的能量较大，因而氚核较稳定，选项C错误；题中核反应可以等效地看做两个过程：一是将、分解为5个自由核子，吸收能量：，然后再将5个自由核子结合成和，释放能量：，整个反应释放能量为 ，可得氦核的结合能为E=28.12MeV，选项D正确；故选BD.
9．BC
【解析】
【分析】
【详解】
A．是核裂变方程，不是氢弹的核反应方程，氢弹的发生的核反应为聚变，故A错误；
B．卢瑟福通过实验发现质子的核反应方程为：，故B正确；
C．居里夫妇通过实验首次发现了放射性磷元素，故C正确；
D．是聚变反应核方程，也是太阳能量的来源，故D错误。
故选BC。
10．BCD
【解析】
衰变中产生的射线实际上是原子核内的中子转化为质子时放出的电子，选项A错误； 是轻核聚变，选项B正确；根据核反应的质量数和电荷数守恒可知， 中，X表示，选项C正确；半衰期与原子所处的化学状态无关及外部条件均无关，选项D正确；故选BCD.
11． （4m1-m2-2m3）c2
【解析】
【详解】
聚变的核反应方程是：；反应过程中的质量亏损：?m=4m1-m2-2m3，则反应放出的能量：?E=?mc2=（4m1-m2-2m3）c2.
12．
【解析】
【详解】
核反应方程式为：；
核反应过程中的质量亏损：△m=（4mP-mHe-2me），
根据爱因斯坦质能方程：△E=△mc2
可知，核反应释放的能量，△E=（4mP-mHe-2me）c2。
设单位时间内参与热核反应的质子数为N，依据能量关系：，
解得：。
13．（1）（2）3.26Mev（3）0.45Mev
【解析】
（1）由质量数与核电荷数守恒可知，核反应方程式： ；
（2）质量亏损为：△m=2.0136×2-（3.0150+1.0087）=0.0035u，
释放的核能为：△E=△mc2=931.5×0.0035Mev=3.26Mev；
（3）设中子和核的质量分别为m1、m1，速度分别为v1、v2．反应前每个氘核的动能是E0，反应后动能分别为EK1=3.12MeV、EK2．
核反应过程系统动量守恒，以种子的速度方向为正方向，由动量守恒定律得：m1v1-m2v2=0，
由能量守恒定律得：2E0+△E=Ek1+Ek2，
Ek1=m1v12，Ek2=m2v22，
解得：E0=0.45?MeV；
点睛：对于核反应书写核反应方程要根据质量数和电荷数守恒的原则；原子核间的作用，要抓住微观粒子的碰撞相当于弹性碰撞，遵守两大守恒：动量守恒和能量守恒．
14．（1） （2）25.6MeV （3）kg
【解析】
【详解】
(1)核反应方程为：
(2)核反应前后质量亏损为
1u相当于931.5MeV的能量，故核反应释放的能量为
，
(3)由得每秒太阳质量减少