2020版高中物理 19.7.8 核聚变 粒子和宇宙知能巩固提升 新人教版选修3-5 7页

‎2020版高中物理 ‎19.7.8‎ 核聚变 粒子和宇宙知能巩固提升 新人教版选修3-5 ‎ ‎【课堂训练】‎ ‎1.(2020·潍坊高二检测)重核裂变和轻核聚变是人类获得核能的两种主要途径，下列判断正确的是( )‎ A.裂变和聚变过程中都有质量亏损 B.裂变过程中有质量亏损，聚变过程中质量有所增加 C.裂变过程中质量有所增加，聚变过程中有质量亏损 D.裂变、聚变过程中质量都增加 ‎2.(2020·福建高考)关于近代物理,下列说法正确的是( )‎ A.α射线是高速运动的氦原子 B.核聚变反应方程 21H+31H→42He+10n中,10n表示质子 C.从金属表面逸出的光电子的最大初动能与照射光的频率成正比 D.玻尔将量子观念引入原子领域,其理论能够解释氢原子光谱的特征 ‎3.一个氘核(21H)与一个氚核(31H)发生聚变，产生一个中子和一个新核，并出现质量亏损.聚变过程中( )‎ A.吸收能量，生成的新核是42He B.放出能量，生成的新核是42He C.吸收能量，生成的新核是32He D.放出能量，生成的新核是32He ‎4.太阳内部持续不断地发生着热核反应，质量减少.核反应方程是411H→42He+2X，这个核反应释放出大量核能.已知质子、氦核、X的质量分别为m1、m2、m3，真空中的光速为c.下列说法中正确的是( )‎ A．方程中的X表示中子(10n)‎ B.方程中的X表示电子(0-1e)‎ C．这个核反应中质量亏损Δm=‎4‎m1-m2‎ D.这个核反应中释放的核能ΔE=(‎4m1-m2‎-2m3‎)c2‎ ‎5.(2020·南京高二检测)我国自行设计并研制的“人造太阳”——托卡马克实验装置运行获得重大进展 ，这标志着我国已经迈入可控热核反应领域先进国家行列.该反应所进行的聚变过程是21H+31H→42He+10n,反应原料氘(21H)富存于海水中，而氚(31H)是放射性元素，自然界中不存在，但可以通过中子轰击锂核(63Li)的人工核转变得到.‎ ‎(1)请把下列用中子轰击锂核(63Li)产生一个氚核(31H)和一个新核的人工核转变方程填写完整：________+10n→________+31H.‎ ‎(2)在(1)中,每产生‎1 g氚的同时有多少个63Li核实现了核转变?(阿伏加德罗常数NA取6.0×1023 mol-1)‎ ‎(3)一个氘核和一个氚核发生核聚变时,平均每个核子释放的能量为5.6×10-13 J,求该核聚变过程中的质量亏损.‎ ‎【课后巩固】‎ ‎6.(2020·杭州高二检测)关于聚变，以下说法中正确的是( )‎ A.两个轻核聚变为中等质量的原子核时放出能量 B.同样质量的物质发生聚变时放出的能量比同样质量的物质裂变时释放的能量大好多倍 C.聚变反应的条件是聚变物质的体积达到临界体积 D.发生聚变反应时的原子核必须有足够大的动能 ‎7.(2020·泰州高二检测)一个质子和一个中子结合成氘核，同时放出γ光子，核反应方程是11H+10n→21H+γ，以下说法中正确的是( )‎ A.反应中氘核的质量一定小于反应前质子和中子的质量之和 B.反应前后的质量数不变,因而质量不变 C.γ光子的能量为Δmc2,Δm为反应中的质量亏损,c为光在真空中的速度 D.因存在质量亏损Δm,所以“物质不灭”的说法不正确 ‎8.据新华社报道,由我国自行 设计、研制的世界上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23592U+10n→14156Ba+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=mc2‎ ‎9.根据宇宙大爆炸的理论，在宇宙形成之初是“粒子家族”尽显风采的时期，那么在大爆炸之后最早产生的粒子是( )‎ A.夸克、轻子、胶子等粒子 B.质子和中子等强子 C.光子、中微子和电子等轻子 D.氢核、氘核、氦核等轻核 ‎10.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+‎126C→137N+Q1 ①,11H+157N→‎126C+X+Q2 ②,‎ 方程中Q1、Q2表示释放的能量，相关的原子核质量见下表：‎ 以下推断正确的是( )‎ A.X是32He,Q2＞Q1 B.X是42He,Q2＞Q1‎ C.X是32He,Q2＜Q1 D.X是42He,Q2＜Q1‎ ‎11.(2020·佛山高二检测)设氢弹内装的是氘和氚，试求在氢弹中当合成‎1 kg的氦时所释放出的能量.(氘核21H的质量为2.013 6 u,氚核31H的质量为 ‎3.016 6 u,氦核42He的质量为4.002 6 u,中子的质量为1.008 7 u)‎ ‎12.已知氘核质量为2.013 6 u,中子质量为1.008 7 u,32He核的质量为 ‎3.015 0 u.两个速率相等的氘核对心碰撞聚变成32He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，32He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?‎ 答案解析 ‎1.【解析】选A.根据爱因斯坦的质能方程进行判断，人类利用原子能的主要途径是重核裂变和轻核聚变，在这两个过程中有原子能释放，由爱因斯坦的质能方程ΔE=Δmc2可知，在获取能量的同时，质量是减少的，也就是发生质量亏损.所以A选项正确.‎ ‎2.【解析】选D.α射线是氦原子核，A错;10n 表示中子，B错；据光电效应方程Ekm=hν-W0 可知,光电子的最大初动能随照射光的频率的增大而增大,并不成正比，C错；玻尔的量子观念能解释氢原子光谱，D对.‎ ‎3.【解析】选B.聚变过程中存在质量亏损，应放出能量.由核反应21H+31H→10n+42He，可知新核为42He，B对.‎ ‎4.【解析】选D.根据质量数守恒和电荷数守恒，X应表示正电子0+1e，故A、B错误.这个核反应的质量亏损为(‎4m1-m2‎-2m3‎)，故C错误.根据质能方程，D正确.‎ ‎5.【解析】(1)核反应方程为：63Li+10n→42He+31H.‎ ‎(2)因为‎1 g氚为mol,根据核反应方程,实现核转变的63Li也为mol,所以有2.0×1023个63Li实现了核转变.‎ ‎(3)根据爱因斯坦质能方程ΔE=Δmc2,核聚变反应中有5个核子参加了反应,5个核子释放总能量ΔE=5×5.6×10-13 J=2.8×10-12 J,所以质量亏损为Δm=‎ ‎=3.1×10‎-29 kg.‎ 答案:(1)63Li 42He (2)2.0×1023个 ‎(3)3.1×10‎‎-29 kg ‎6.【解析】‎ 选B、D.两个轻核聚合为较大质量的原子核就可释放能量但不一定是中等质量的核，故A项错误.聚变反应放出的能量比同样质量的物质裂变时释放的能量大得多,这点由聚变反应的特点我们就可以知道,故B项正确.裂变反应的条件是裂变物质的体积达到临界体积,而聚变反应的条件是原子核间距达到 ‎10‎-15 m,故要求有足够大的动能才能克服原子核间的斥力做功,故C错,D正确.‎ ‎7.【解析】选A、C.核反应中质量数与电荷数及能量均守恒,由于反应中要释放核能，会出现质量亏损，反应中氘核的质量一定小于反应前质子和中子的质量之和，所以质量不守恒，但质量数不变，且能量守恒，释放的能量会以光子的形式向外释放.故正确答案为A、C.‎ ‎8.【解析】选A、C.“人造太阳”发生的是氢核聚变，所以核反应方程式为21H+31H→42He+10n，而B选项中的核反应是核裂变，故错误；“人造太阳”释放的能量大小的计算公式是ΔE=Δmc2，而核能大小的计算公式为E=mc2，D错误，故选项A、C正确.‎ ‎【变式备选】2020年10月31日8时6分,中国科学界“两弹一星”巨星钱学森在北京逝世，享年98岁.人民群众深刻悼念这位有着“中国航天之父”称号的伟大科学家.下列核反应方程中属研究两弹的基本核反应方程式的是( )‎ A.147N+42He→178O+11H B.23592U+10n→9038Sr+13654Xe+1010n C.23892U→23490Th+42He D.21H+31H→42He+10n ‎【解析】选B、D.“两弹”指原子弹和氢弹，它们的核反应属于重核的裂变与轻核的聚变，故应选B、D.‎ ‎9.【解析】选A.宇宙形成之初产生了夸克、轻子和胶子等粒子，之后又经历了质子和中子等强子时代，再之后是自由光子、中微子、电子大量存在的轻子时代，再之后是中子和质子组合成氘核，并形成氦核的核时代，之后电子和质子复合成氢原子，最后形成恒星和星系.因此A正确，B、C、D错.‎ ‎10.【解析】选B.由质量数守恒和电荷数守恒,可判断X为42He,①式的质量亏损为Δm1=1.007 8 u+12.000 0 u-13.005 7 u=0.002 1 u.‎ ‎②式的质量亏损为Δm2=1.007 8 u+15.000 1 u-12.000 0 u-4.002 6 u=‎ ‎0.005 3 u,所以Δm2＞Δm1‎ 根据质能方程ΔE=Δmc2可求解Q2＞Q1,故选B.‎ ‎11.【解题指南】解答此题可按以下思路：‎ ‎(1)写出氘和氚聚变的核反应方程.‎ ‎(2)求解1个氘核和1个氚核聚变放出的能量.‎ ‎(3)根据‎1 kg氦中含有原子核的数目计算总能量.‎ ‎【解析】弹壳内装的氘和氚在高温下聚变生成氦，核聚变方程为21H+31H→42He+10n.‎ 当一个氘核21H与一个氚核31H发生反应时放出的能量为ΔE=Δmc2=(2.013 6+ 3.016 6-4.002 6-1.008 7)×931.5 MeV=17.6 MeV.‎ ‎1 kg氦(42He)中所含的原子核数目为 N=nNA=×6.02×1023个=1.5×1026个.‎ 这样合成‎1 kg 42He时所放出的总能量为 E=NΔE=1.5×1026×17.6 MeV=2.64×1027 MeV.‎ 答案:2.64×1027 MeV ‎12.【解析】(1)核反应方程为：21H+21H→32He+10n ‎(2)质量亏损为：Δm=2.013 6 ×2 u-(3.015 0 u+1.008 7 u)=0.003 5 u,释放的核能为：‎ ΔE=Δmc2=931.5×0.003 5 MeV=3.26 MeV ‎(3)设中子和32He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32He核动能分别为E1、E2，根据动量守恒定律，得 m1v1-m2v2=0 =1.04 MeV 由能量的转化和守恒定律，得 E1+E2=2E0+ΔE,E0=0.45 MeV.‎ 答案:(1)21H+21H→32He+10n ‎(2)3.26 MeV (3)0.45 MeV ‎【总结提升】解决核聚变、核能问题的策略 ‎(1)写核反应方程时要遵循质量数守恒和电荷数守恒.‎ ‎(2)根据反应前后原子核及粒子的质量计算出质量亏损.‎ ‎(3)利用质能方程ΔE=Δmc2求释放的核能.如果核反应中无光子的辐射,核反应释放的能量转化为生成的新核和新粒子的动能，可利用动量守恒和能量守恒来解题.‎ ‎(4)根据质能方程ΔE=Δmc2和ΔE=Pt求亏损的质量.‎