2020高中物理第十九章原子核第7节第8节核聚变粒子和宇宙课时训练含解析 人教版选修3-5 13页

1 第 7 节 核聚变 第 8 节 粒子和宇宙 1．了解核聚变的特点和条件，了解核聚变的优点。 2．会判断和书写核聚变反应方程。 3．能计算核聚变释放的能量。 4．知道粒子的分类及其特点，了解夸克模型。 5．了解宇宙起源的大爆炸学说及恒星的演化。 一、核聚变 1．定义：两个轻核结合成质量□01较大的核的反应。轻核聚变反应必须在□02高温下进行， 因此又叫热核反应。 2．核反应举例：2 1H＋3 1H→□034 2He＋1 0n＋17.6 MeV。 3．实例分析 (1)核武器：□04氢弹，由普通炸药引爆□05原子弹，再由□06原子弹爆炸产生的高温高压引发 热核爆炸。 (2)宇宙天体：热核反应在宇宙中时时刻刻地进行着，太阳就是一个巨大的热核反应堆。 二、受控热核反应 1．聚变与裂变相比有很多优点 (1)轻核聚变产能□01效率高； (2)地球上聚变燃料的储量□02丰富； (3)轻核聚变更为□03安全、清洁。 2．约束核聚变材料的方法：□04磁约束和□05惯性约束。 三、粒子的概念 1．“基本粒子”不基本 (1)传统的“基本粒子”：光子、□01电子、质子和□02中子。 (2)“基本粒子”不基本的原因 ①科学家们逐渐发现了数以百计的□03不同种类的新粒子。 ②科学家们又发现质子、中子等本身也有自己的□04复杂结构。 2．发现新粒子 (1)新粒子：1932 年发现了□05正电子，1937 年发现□06μ子，1947 年发现 K 介子和π介子， 后来又发现超子、反粒子等。 (2)分类：按照粒子与各种相互作用的关系分为：强子、轻子和□07媒介子。 3．夸克模型 (1)夸克模型的提出：1964 年美国物理学家提出了强子的夸克模型，认为强子是由□08夸 克构成的。 2 (2)分类：上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克、底夸克、顶夸克；它们的电荷量分别为 元电荷的□09＋2 3 或□10－1 3 ，每种夸克都有对应的□11反夸克。 (3)意义：电子电荷不再是电荷的□12最小单元，即存在分数电荷。 四、宇宙及恒星的演化 1．宇宙演化：根据大爆炸理论，在宇宙形成之初是“粒子家族”尽显风采的时期，在大 爆炸之后逐渐形成了夸克、轻子和□01胶子等粒子，随后经过□02强子时代、□03轻子时代、□04核 合成时代。继续冷却，质子、电子、原子等与□05光子分离而逐步组成恒星和星系。 2．恒星的演化 (1)恒星的形成：大爆炸后，宇宙尘埃在万有引力作用下形成□06星云团，进一步凝聚使引 力势能转变为□07内能，温度升高，直到发光，于是□08恒星诞生了。 (2)恒星的演变：核聚变反应，层级递进地在恒星内发生，直到□09各种热核反应不再发生 时，恒星的□10中心密度达到极大。 (3)恒星的归宿：恒星最终归宿与恒星的质量大小有关。当恒星的质量是太阳质量的 1～ 8 倍时，演变为□11白矮星；当恒星的质量是太阳质量的 10～20 倍时，演变为□12中子星；当恒 星的质量更大时，演变为□13黑洞。 判一判 (1)发生聚变的条件是核子间距离达到 10－15 m 内。( ) (2)聚变的难点是地球上没有任何容器能够经受热核反应的高温。( ) (3)轻子的质量一定轻。( ) (4)反质子的电荷量与质子相同，但带的是负电荷。( ) 提示：(1)√ (2)√ (3)× (4)√ 想一想 (1)受控热核反应不容易实现的原因是什么？ 提示：主要原因是聚变的条件和难以约束聚变的材料。 (2)氢弹爆炸的威力相比原子弹爆炸的威力哪一个大？为什么？ 提示：氢弹的威力大。氢弹爆炸是核聚变的结果，而核聚变释放的核能比原子弹中核裂 变释放的核能要大得多，故氢弹的威力大。 课堂任务 核聚变 1．从比结合能的图线看，轻核聚变后比结合能增加，因此核聚变反应是一个放能反应。 2．核聚变发生的条件：要使轻核聚变，必须使轻核接近核力发生作用的距离 10－15 m， 这要克服电荷间强大的斥力作用，要求使轻核具有足够大的动能。要使原子核具有足够大的 动能，就要给它们加热，使物质达到几百万开尔文的高温。 3 3．核聚变的特点 (1)在消耗相同质量的核燃料时，轻核聚变比重核裂变释放更多的能量。 (2)热核反应一旦发生，就不再需要外界给它能量，靠自身产生的热就可以使反应进行下 去。 4．核聚变的应用 (1)核武器——氢弹。 (2)可控热核反应：尚未实现。期待热爱物理的你投身可控热核反应，探索研究的科学事 业。 5．轻核聚变与重核裂变的区别 4 例 1 (多选)下列关于聚变的说法中，正确的是( ) A．要使聚变发生，必须克服库仑斥力做功 B．轻核聚变需要几百万摄氏度的高温，因此聚变又叫做热核反应 C．原子弹爆炸能产生几百万摄氏度的高温，所以氢弹利用原子弹引发热核反应 D．太阳和许多恒星内部都在激烈地进行着热核反应 (1)发生聚变的条件是什么？ 提示：聚变条件是核子间距离达到 10－15 m 内。 (2)如何使原子核靠得足够近？ 提示：使原子核具有足够大的动能，使它们能够克服库仑斥力做功靠得很近。 [规范解答] 轻核聚变时，要使轻核之间距离达到 10－15 m，所以必须克服库仑斥力做功， A 正确；原子核必须有足够的动能，才能使它们接近到核力能发生作用的范围，实验证实， 原子核必须处在几百万摄氏度的高温下才有这样的能量，这样高的温度通常利用原子弹爆炸 获得，故 B、C 正确；在太阳和其他恒星内部都存在着热核反应，D 正确。 [完美答案] ABCD 5 1.聚变反应核能的计算方法 1依据核反应过程质量数守恒、电荷数守恒写出正确核反应方程式。 2计算出反应前后的质量亏损Δm。 3由ΔE＝Δmc2 计算释放的核能。 2.几种核反应方程式的特点 1衰变是元素自发进行的，因而方程式左侧只有一种元素。 2裂变是质量较大原子核被其他粒子轰击后分裂为质量中等原子核的过程。 3聚变是质量较轻原子核结合成质量较大原子核的过程。 [变式训练 1－1] (多选)下列说法正确的是( ) A.157N＋1 1H→126C＋4 2He 是α衰变方程 B.1 1H＋2 1H→3 2He＋γ是核聚变反应方程 C.238 92U→23490Th＋4 2He 是核裂变反应方程 D.4 2He＋27 13Al→30 15P＋1 0n 是原子核的人工转变方程 答案 BD 解析 本题考查了核反应的相关知识，意在考查同学们对天然放射现象、重核裂变、轻 核聚变、原子核的人工转变等相关知识的记忆及分析判断能力。选项 A、D 为原子核的人工转 变，选项 B 为轻核聚变，选项 C 为原子核的衰变，故选项 B、D 正确。 [变式训练 1－2] 太阳内部持续不断地发生着四个质子聚变为一个氦核的热核反应。这 个核反应释放出的大量能量就是太阳的能源。 (1)写出这个核反应方程； (2)这一核反应能释放出多少能量？ (3)根据太阳每秒释放能量 3.8×1026 J 计算每秒钟太阳的质量减少多少千克？(mp＝ 1.0073 u，mα＝4.0026 u，me＝0.00055 u) 答案 (1)41 1H→4 2He＋20 1e (2)23.75 MeV (3)4.2×109 kg 解析 (1)核反应方程 41 1H→4 2He＋0 2X，而 0 2X 只能是 2 个正电子，因此核反应方程应为 41 1H→4 2He＋20 1e。 (2)反应前的质量 m1＝4mp＝4×1.0073 u＝4.0292 u， 反应后 m2＝mHe＋2me＝4.0026 u＋2×0.00055 u＝4.0037 u。 Δm＝m1－m2＝0.0255 u， 由质能方程得，释放能量 ΔE＝Δmc2＝0.0255×931.5 MeV＝23.75 MeV。 (3)由质能方程，ΔE＝Δmc2 得每秒减少的质量 Δm＝ΔE c2 ＝3.8×1026 3×1082 kg＝4.2×109 kg。 课堂任务 对粒子的认识 6 1．新粒子的发现及特点 2．粒子的分类 7 续表 3．夸克的分类：夸克有 6 种，它们是上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克、底夸克、顶 夸克，它们带的电荷量分别为元电荷的＋2 3 或－1 3 。每种夸克都有对应的反夸克。 例 2 (多选)已知π＋介子、π－介子都是由一个夸克(夸克 u 或夸克 d)和一个反夸克(反 夸克 u 或反夸克 d )组成的，它们的电荷量如下表所示，表中 e 为元电荷。 π＋ π－ u d u d 电荷量 ＋e －e ＋2 3 e －1 3 e －2 3 e ＋1 3 e 下列说法中正确的是( ) A．π＋由 u 和 d 组成 B．π＋由 d 和 u 组成 C．π－由 u 和 d 组成 D．π－由 d 和 u 组成 (1)π＋介子电荷量是多少？哪些夸克组合才能合成一个π＋ 介子？ 提示：π＋介子电荷量为＋e，由一个 u 夸克和一个 d 夸克组成。 (2)π－介子电荷量如何？由哪些夸克组成？ 提示：π－介子电荷量为－e，由一个 d 夸克和一个 u 夸克组成。 [规范解答] 根据电荷量关系可知，由于π＋介子带有＋e 的电荷量，又由于π＋介子是 由夸克和反夸克组成，根据题意可知π＋介子(＋e)应由一个 u 夸克 ＋2 3 e 和一个反夸克d － ＋1 3 e 组成，A 正确，B 错误；同理π－介子由一个 d 夸克和一个反夸克 u 组成，D 正确，C 错误。 8 [完美答案] AD 关于夸克模型的解题思路 (1)明确粒子带电情况及各种夸克的电性、电荷量。 (2)进行夸克组合，使组合成的粒子与原粒子电性、电荷量完全相同。 [变式训练 2] 正电子是电子的反粒子，它跟普通电子的电荷量相等，而电性相反，科 学家设想在宇宙的某些部分可能存在完全由反粒子构成的物质——反物质。1997 年，欧洲和 美国的科学研究机构先后宣布：他们分别制造出 9 个和 7 个反氢原子。这是人类探索反物质 的一大进步，你推测反氢原子的结构是 ( ) A．一个带正电荷的质子和一个带负电荷的电子构成 B．一个带负电荷的质子和一个带正电荷的中子构成 C．由一个不带电荷的中子和一个带负电荷的电子构成 D．由一个带负电荷的质子与一个带正电荷的电子构成 答案 D 解析 氢原子由质子和电子组成，它们的反粒子分别是反质子和正电子，选项 D 正确。A、 B、C 错误。 A 组：合格性水平训练 1．(核聚变)发生轻核聚变的方法是( ) A．用中子轰击 B．保持室温环境，增大压强 C．用γ光子照射 D．把参与反应的物质加热到几百万摄氏度以上的高温 答案 D 解析 用中子轰击是核裂变反应发生的条件，故 A 项错误。根据轻核聚变发生的条件可 知，发生轻核聚变的方法是把参与反应的物质加热到几百万摄氏度以上的高温，故 B、C 两项 错误，D 项正确。 2．(核聚变)科学家发现在月球上含有丰富的 3 2He(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 3 2He＋3 2He→21 1H＋4 2He。下列关于 3 2He 聚变的 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 3 2He 聚变反应发电 答案 B 解析 聚变反应是轻核变为较大质量核的反应，发生质量亏损，释放能量；目前核电站 采用重核裂变反应，D 错误；选项 B 正确，A、C 错误。 9 3．(受控热核反应)我国自行研制了可控热核反应实验装置“超导托卡马克”。设可控热 核实验反应前氘核(2 1H)的质量为 m1，氚核(3 1H)的质量为 m2，反应后氦核(4 2He)的质量为 m3，中 子(1 0n)的质量为 m4。光速为 c。下列说法中不正确的是( ) A．这种装置中发生的核反应方程式是 2 1H＋3 1H→4 2He＋1 0n 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核装置的核反应原理不相同 答案 B 解析 可控热核反应实验装置属于轻核聚变，所以 D 正确。核反应方程为 2 1H＋3 1H→4 2He＋1 0n， A 正确。在这个过程中满足爱因斯坦质能方程，即核反应放出的能量等于(m1＋m2－m3－m4)c2， 所以 C 正确。核反应过程中，有质量亏损，释放能量质量不守恒，B 错误，所以不正确的选 项为 B。 4．(热核反应)(多选)热核反应是一种理想能源的原因是( ) A．平均每个核子，比重核裂变时释放的能量多 B．对环境的放射性污染较裂变轻，且较容易处理 C．热核反应的原料在地球上储量丰富 D．热核反应的速度容易控制 答案 ABC 解析 热核反应速度不易控制，D 错误。 5．(粒子)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 答案 D 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，A 错误；不同夸 克构成强子，有的强子带电，有的强子不带电，故 B 错误；夸克模型是研究强子结构的理论， C 错误；不同夸克带电不同，分别为＋2 3 e 和－e 3 ，说明电子电荷不再是电荷的最小单位，D 正 确。 6．(粒子)加拿大萨德伯里中微子观测站揭示了失踪的部分中微子在运动过程中转化为一 个μ子和一个τ子。在上述研究中有以下说法，正确的是( ) ①若发现μ子和中微子的运动方向一致，则τ子的运动方向与中微子的运动方向一定相 反 ②若发现μ子和中微子的运动方向一致，则τ子的运动方向与中微子的运动方向可能一 致 ③若发现μ子和中微子的运动方向相反，则τ子的运动方向与中微子的运动方向一定一 致 10 ④若发现μ子和中微子的运动方向相反，则τ子的运动方向与中微子的运动方向可能相 反 A．①③ B．②③ C．③④ D．①② 答案 B 解析 中微子在转化为μ子和τ子的前后过程中满足动量守恒定律。 7．(粒子)现在科学家正在设法寻找“反物质”。所谓“反物质”是由“反粒子”组成的， 则反α粒子的符号是( ) A.4 2He B.－4 2He C. 4 －2He D.－4 －2He 答案 C 解析 反物质是质量相同，而电荷及其他一些物理性质相反的粒子，α粒子的符号为 4 2He， 因而反α粒子的质量数为 4，而电荷数为－2，符号为 4 －2He，A、B、D 错误，C 正确。 8．(综合)(多选)下列方程及其表述都正确的是( ) A.3 2He＋2 1H→4 2He＋1 1H 是聚变反应 B.235 92U＋1 0n→141 56Ba＋92 36Kr＋31 0n 是裂变反应 C.2 1H＋3 1H→4 2He＋1 0n 是聚变反应 D.24 11Na→24 12Mg＋ 0 －1e 是裂变反应 答案 ABC 解析 选项 A、B、C 说法均正确；选项 D 为衰变方程，D 错误。 9．(综合)下列方程中属于衰变的是( )，属于人工核反应的是( )，生成原来元素 的同位素的是( )，放出β粒子的是( ) A.123 53I＋1 0n→124 53I B.238 92U→234 90Th＋4 2He C.214 82Pb→214 83Bi＋ 0 －1e D.9 4Be＋4 2He→126C＋1 0n 答案 BC AD A C 解析 首先从方程左端去判断哪种是衰变，哪种是人工转变，当方程左端只有一种元素 的原子核时，只能是衰变，故 B、C 为衰变，A、D 为人工转变；而同位素产生，是根据原子 序数相同而质量数不同来判断，所以 A 生成原来元素的同位素；判断β衰变，只需要看清方 程右端产生的电子即可，应选 C。 B 组：等级性水平训练 10．(太阳内部的核反应)太阳能的产生是由于太阳内部所发生的一系列核反应形成的， 其主要的核反应过程可表示为( ) A．41 1H→4 2He＋20 1e B.147N＋4 2He→178O＋1 1H C.23592U＋1 0n→144 56Ba＋89 36Kr＋31 0n D.23892U→234 90Th＋4 2He 答案 A 解析 太阳内部发生的核反应是轻核聚变，是轻核反应生成较大核的过程，A 正确；B 是人工核反应的方程，C 是裂变反应方程，D 是衰变反应方程，B、C、D 错误。 11 11．(综合)一个 X 核与一个氚核结合成一个氦核时放出一个粒子 Y，由于质量亏损放出 的能量为ΔE，核反应方程是 X＋3 1H→4 2He＋Y；Y 可以通过释放一个电子而转化为质子。下列说 法中不正确的是( ) A．Y 是中子 B.235 92U 可以俘获 Y 发生裂变反应 C．X＋3 1H→4 2He＋Y 是原子核的人工转变方程 D．核反应 X＋3 1H→4 2He＋Y 中亏损的质量为ΔE c2 答案 C 解析 由题意，由于 Y 可以释放一个电子而转化为质子，即可判断出 Y 是一个中子，质 量数是 1，电荷数是 0，故 A 正确；由于 Y 是核反应的过程中释放出的中子，所以 235 92U 可以俘 获 Y 发生裂变反应，故 B 正确；X 的质量数：m＝4＋1－3＝2；电荷数：n＝2＋0－1＝1；所 以 X 核是氘核；所以 X＋3 1H→4 2He＋Y 是轻核的聚变，故 C 错误；根据爱因斯坦质能方程可知， 核反应 X＋3 1H→4 2He＋Y 中亏损的质量等于ΔE c2 ，故 D 正确。不正确的选项为 C。 12．(综合)(多选)有下列反应： ①4 2He＋27 13Al→30 15P＋1 0n ②3 1H＋1 1H→4 2He＋γ ③199F＋1 1H→168O＋4 2He ④235 92U＋1 0n→90 38Sr＋136 54Xe＋101 0n＋γ 关于上面四个核反应方程，下列说法正确的是( ) A．①是人工转变的反应方程式 B．②是聚变的核反应方程式 C．③是α衰变的反应方程式 D．④是裂变的核反应方程式 答案 ABD 解析 根据各种定义可知：①是人工转变的反应方程式，A 正确；②是聚变的核反应方 程式，B 正确；③并不是α衰变，而是人工转变，衰变是自发进行的，不需要外界因素的影 响，C 错误；④是裂变的核反应方程式，D 正确。 13．(综合)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 1 1H 的核反应，间接地证实了中微子的存在。 (1)中微子与水中的 1 1H 发生核反应，产生中子(1 0n)和正电子(0 1e)，即：中微子＋1 1H→1 0n＋0 1e 可以判定，中微子的质量数和电荷数分别是________。(填正确答案标号) 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 0 1e＋ 0－1e→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________。 12 (3)试通过分析比较，具有相同动能的中子和电子的物质波波长的大小。 答案 (1)A (2)8.2×10－14 动量不守恒 (3)λe>λn 解析 (1)发生核反应前后，质量数和电荷数守恒，据此可知中微子的质量数和电荷数都 是 0，A 项正确。 (2)产生的能量是由于质量亏损。两个电子转变为两个光子之后，静质量变为零，则 E＝ Δmc2，故一个光子的能量为E 2 ≈8.2×10－14 J。正电子与水中的电子相遇，与电子形成几乎静 止的整体，故系统总动量为零，故如果只产生一个光子是不可能的，因为此过程遵循动量守 恒定律。 (3)物质波的波长为λ＝h p ，因为动能相同，要比较波长需要将中子和电子的动量用动能 表示出来，即 p＝ 2mEk，因为 mn＞me，所以 pn＞pe，故λe＞λn。 14．(综合)2 个质子和 1 个中子结合可以生成氦 3，核反应方程为：21 1H＋1 0n→3 2He。已知 每个质子的质量为 1.007277 u，中子的质量为 1.008665 u，氦核的质量为 3.002315 u，试 求氦 3 的结合能(1 u 相当于 931.5 MeV，e＝1.6×10－19 C)。 答案 19.4721 MeV(或 3.1155×10－12 J) 解析 粒子结合前后的质量亏损为 Δm＝2mH＋mn－mHe＝0.020904 u 由于 1 u 相当于 931.5 MeV，则结合能为 E＝0.020904×931.5 MeV≈19.4721 MeV≈3.1155×10－12 J。 15．(综合)已知氘核质量为 2.0136 u，中子质量为 1.0087 u，3 2He 核的质量为 3.0150 u。 两个速率相等的氘核对心碰撞聚变成 3 2He 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 1 u 时，释放的能量为 931.5 MeV。除了计算质量亏损外，3 2He 的质量可以认为 是中子的 3 倍) (1)写出该核反应的反应方程式； (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? 答案 (1)2 1H＋2 1H→3 2He＋1 0n (2)3.26 MeV (3)0.45 MeV 解析 (1)核反应方程为：2 1H＋2 1H→3 2He＋1 0n。 (2)质量亏损为： Δm＝2.0136×2 u－(3.0150 u＋1.0087 u)＝0.0035 u，释放的核能为： ΔE＝Δmc2＝0.0035×931.5 MeV≈3.26 MeV。 (3)设中子和 3 2He 核的质量分别为 m1、m2，速度分别为 v1、v2。反应前每个氘核的动能是 E0，反应后中子和 3 2He 核动能分别为 E1、E2，根据动量守恒定律，得 m1v1－m2v2＝0，由 E＝p2 2m 得 E1 E2 ＝m2 m1 ＝3，E2＝E1 3 ＝1.04 MeV， 由能量的转化和守恒定律，得 13 E1＋E2＝2E0＋ΔE，E0＝0.45 MeV。 即反应前每个氘核的动能是 0.45 MeV。