2019-2020学年高中物理第19章原子核第78节核聚变粒子和宇宙课后限时作业含解析 人教版选修3-5 5页

1 第十九章　第 7、8 节 1．我国科学家研制“两弹”所涉及的基本核反应方程有： (1)23592 U＋10n―→9038Sr＋13654 Xe＋k10n (2)21H＋31H―→42He＋d10n 下列关于这两个方程的说法正确的是(　　) A．方程(1)中 k＝10，方程(2)中 d＝1 B．方程(1)中 k＝6，方程(2)中 d＝1 C．方程(1)属于轻核聚变 D．方程(2)属于 α 衰变 A　解析　根据质量数守恒，方程(1)中箭头左侧的质量数之和为 236，箭头右侧应有 90 ＋136＋k＝236，解得 k＝10，根据质量数守恒，方程(2)中应满足 2＋3＝4＋d，解得 d＝1， 选项 A 正确，B 错误；方程(1)为重核裂变，方程(2)为轻核聚变，选项 C、D 错误． 2．2002 年，美国《科学》杂志评出的“2001 年世界十大科技突破”中，有一个是加拿 大萨德伯里中微子观察站的结果，该站揭示了中微子失踪的原因，即观察到的中微子数目比 理论值少是因为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致． 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 B　解析　对微观粒子运用动量守恒定律，关键在于明确动量守恒定律的适用条件，它 包括高速运动物体和低速运动物体，包括宏观物体和微观物体，因此可用动量守恒定律判断， 选项 B 正确． 3．一个铀 235 吸收一个中子后发生的反应式是 23592 U＋10n→13654 Xe＋9038Sr＋1010n，放出的能 量为 E，铀 235 核的质量为 M，中子的质量为 m，氙 136 核的质量为 m1，锶 90 核的质量为 m2，真空中光速为 c，则释放的能量 E 等于(　　) A．(M－m1－m2)c2 B． (M＋m－m1－m2)c2 C．(M－m1－m2－9m)c2 D．(m1＋m2＋9m－M)c2 C　解析　铀 235 裂变时的质量亏损 Δm＝M＋m－m1－m2－10m＝M－m1－m2－9m，由质能 方程可得 E＝Δmc2＝(M－9m－m1－m2)c2． 2 4．(多选)关于裂变反应，下列说法正确的是(　　) A．用中子轰击铀核发生裂变，其一定分裂为质量差不多的两部分 B．铀核裂变为中等质量的原子核一定释放能量 C．铀核发生裂变时可能分裂成二、三或四部分 D．所有重核元素用中子轰击均能发生裂变反应 BC　解析　用中子轰击 23592 U 和 23994 Pu(钚)等少数几种重核元素才能发生裂变反应，发生 裂变的原子核可能分裂为两部分、三部分或四部分，但产生两部分的概率很大，选项 B、C 正确． 5．(多选)下面是铀核裂变反应中的一个：23592 U＋10n―→13654 Xe＋9038Sr＋1010n.已知铀 235 的 质量为 235.043 9 u，中子的质量为 1.008 7 u，锶 90 的质量为 89.907 7 u，氙 136 的质量为 135.907 2 u，则此核反应中(　　) A．质量亏损为 Δm＝235.043 9 u＋1.008 7 u－89.907 7 u－135.907 2 u B．质量亏损为 Δm＝(235.043 9＋1.008 7－89.907 7－135.907 2－10×1.008 7)u C．释放总能量为 ΔE＝(235.043 9＋1.008 7－89.907 7－135.907 2－10×1.008 7)×(3×108)2 J D．释放总能量为 ΔE＝(235.043 9＋1.008 7－89.907 7－135.907 2－10×1.008 7)×931.5 MeV BD　解析　质量亏损是反应物与生成物之差，差值可用“u”或“kg”作单位，前者直 接用 1 u 的亏损放出 931.5 MeV 的能量计算，后者核能的单位是焦耳，选项 B、D 正确． 6．科学家发现在月球上含有丰富的 32He(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 32He＋32He→211H＋42He.关于 32He 聚变下列表述正确的 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．聚变反应没有质量的亏损 D．目前核电站都采用 32He 聚变反应发电 B　解析　聚变反应是轻核变为中等质量核的反应，发生质量亏损，释放能量．目前核 电站采用重核裂变反应． 7．一个氘核和一个氚核经过核反应后生成氦核和中子，同时放出一个 γ 光子. 已知氘 核、氚核、中子、氦核的质量分别为 m1、m2、m3、m4，普朗克常量为 h，真空中的光速为 c. 下列说法正确的是(　　) A．这个核反应是裂变反应 B．这个反应的核反应方程是 21H＋31H→42He＋210n＋γ C．辐射出的 γ 光子的能量 E＝(m3＋m4－m1－m2)c2 3 D．辐射出的 γ 光子在真空中的波长 λ＝ h (m1＋m2－m3－m4)c D　解析　一个氘核和一个氚核经过核反应后生成一个氦核和一个中子，这是核聚变反 应，选项 A、B 错误．核反应的质量亏损 Δm＝m1＋m2－m3－m4，辐射出的 γ 光子的能量 E＝ (m1＋m2－m3－m4)c2，选项 C 错误．γ 光子在真空中的频率 ν＝ E h，波长 λ＝ c ν＝ ch E ＝ ch (m1＋m2－m3－m4)c2＝ h (m1＋m2－m3－m4)c，选项 D 正确． 8．(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”的说法正确的是(　　) A．“人造太阳”的核反应方程是 21H＋31H→42He＋10n B．“人造太阳”的核反应方程是 23592 U＋10n→14156 Ba＋9236Kr＋310n C．“人造太阳”释放的能量大小的计算公式是 ΔE＝Δmc2 D．“人造太阳”核能大小的计算公式是 E＝ 1 2mc2 AC　解析　“人造太阳”是全超导核聚变实验装置，核反应是轻核聚变而不是重核裂变， 选项 A 正确，B 错误；核能大小的计算根据爱因斯坦的质能方程，选项 C 正确，D 错误． [能力提升] 9．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 D　解析　质子、中子是由不同夸克组成的，它们不是最基本的粒子；不同夸克构成的 强子，有的带电，有的不带电，选项 A、B 错误；夸克模型是研究强子结构的理论，不同夸 克带电不同，为± 2 3e 和± 1 3e，说明电子电荷不再是电荷的最小单位，选项 C 错误，D 正 确． 10．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 2 3e，d 夸克带电荷量为－ 1 3e，e 为元电荷，下列论断可能正确的是(　　) A．质子由 1 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 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 1 个 u 夸克和 1 个 d 夸克组成 B　解析　由于质子带 e 的正电荷，则由两个 u 夸克和一个 d 夸克组合，其总的电荷量 4 为 e；中子不带电，则一个 u 夸克和两个 d 夸克的总电荷量为零，选项 B 正确． 11．在所有能源中核能具有能量密度大、区域适应性强的优势，在核电站中，核反应堆 释放的核能被转化为电能．核反应堆的工作原理是利用中子轰击重核发生裂变反应，释放出 大量核能． (1)核反应方程式 23592 U＋10n―→14156 Ba＋9236Kr＋aX 是反应堆中发生的许多核反应中的一种， 10n 为中子，X 为待求粒子，a 为 X 的个数，则 X 为________，a＝________.以 mU、mBa、mKr 分别表示 23592 U、14156 Ba、9236Kr 的质量，mn、mp 分别表示中子、质子的质量，c 为光在真空中传 播的光速，则在上述核 反应过程中放出的核能 ΔE＝________________． (2)有一座发电能力为 P＝1.00×106 kW 的核电站，核能转化为电能的效率 η＝40%.假 定反应堆中发生的裂变反应全是本题(1)中的核反应，已知每次核反应过程中放出的核能 ΔE＝2.78×10－11 J，铀核的质量 mU＝390×10－27 kg，求每年(1 年＝3.15×107 s)消耗的 23592 U 的质量． 解析　(1)由核反应的质量数守恒、核电荷数守恒的规律知，X 为中子，a 等于 3；由质 能方程知，核反应过程中放出的核能为 ΔE＝(mU－mBa－mKr－2mn)c2． (2)一年产生的核能 E＝ Pt η＝ 1.00 × 109 × 3.15 × 107 40% J＝ 7．875×1016 J， 一年核反应的次数 n＝ E ΔE＝ 7.875 × 1016 2.78 × 10－11＝2.83×1027 (次)， 一年消耗的 23592 U 的质量 m＝nmU＝ 2．83×1027×390×10－27 kg＝1 103.7 kg． 答案　(1)10n　3　(mU－mBa－mKr－2mn)c2 (2)1 103.7 kg 12．太阳内部的核聚变可以释放出大量的能量，这些能量以电磁辐射的形式向四面八方 辐射出去，其总功率达 P＝3.8×1026 W． (1)估算一下太阳每秒钟损失的质量； (2)设太阳上的核反应都是 411H→42He＋201e＋2γ＋28 MeV 这种形式的反应(γ 是中微子， 其质量远小于电子质量，是穿透能力极强的中性粒子)，日地距离 L＝1.5×1011 m，试估算 每秒钟太阳垂直照射在地球表面上每平方米有多少中微子到达？ (3)假设原始太阳全部由质子和电子组成，并且只有 10%的质子可供“燃烧”，试估算太 阳的寿命．(太阳质量为 2.0×1030 kg，质子质量为 1.67×10－27 kg) 解析　(1)太阳每秒钟放出的能量 ΔE＝Pt＝3.8×1026J，由质能方程 ΔE＝Δmc2 可得 Δm＝ ΔE c2 ＝ 3.8 × 1026 (3 × 108)2 kg≈4.2×109 kg＝4.2×106 t． (2)每秒钟聚变反应的次数 5 n＝ 3.8 × 1026 × 1 28 × 106 × 1.6 × 10－19次≈8.48×1037 次． 每秒钟产生的中微子数 n1＝2n＝1.696×1038 个． 距太阳 L＝1.5×1011m 的球面面积 S＝4πL2＝4×3.14×(1.5×1011)2 m2＝2.826×1023 m2． 地球表面上每平方米中微子数 n2＝ 1.696 × 1038 2.826 × 1023个≈6×1014 个． (3)能发生反应的质子总质量为 m1＝2.0×1030×10% kg，每次聚变反应用 4 个质子，每 秒钟用的质子数 n＝4×8.48×1037 个． 每个质子的质量 m0＝1.67×10－27 kg． 太阳的寿命 t＝ 2.0 × 1030 × 10% 4 × 8.48 × 1037 × 1.67 × 10－27 s≈3.53×1017s≈112 亿年． 答案　(1)4.2×106 t　(2)6×1014 个　(3)112 亿年