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2019-2020年高中物理 第19章 第7節(jié) 核聚變練習(xí) 新人教版選修3-5 1．核聚變——熱核反應(yīng)． (1)聚變：輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核的反應(yīng)過程稱為聚變，聚變伴隨釋放大量的核能，典型聚變的核反應(yīng)方程為： (2)熱核反應(yīng)． ①為了使輕核聚合，必須給它加熱到很高溫度(幾百萬度以上)，使原子核獲得很大的動能，這樣才能使原子核克服正電荷間巨大的庫侖斥力，進入范圍內(nèi)，發(fā)生聚變，所以聚變反應(yīng)也稱熱核反應(yīng)，熱核反應(yīng)一旦發(fā)生，就不再需要外界給它們能量，而靠自身釋放的能量把反應(yīng)進行下去． ②熱核反應(yīng)過程十分激烈，氫彈就是利用熱核反應(yīng)制造的一種大規(guī)模殺傷性武器． ③熱核反應(yīng)在宇宙中是很普遍的，太陽內(nèi)部和許多恒星內(nèi)部，溫度高達以上，熱核反應(yīng)在那里激烈地進行著，太陽每秒鐘輻射出來的能量約為3.8，就是熱核反應(yīng)產(chǎn)生的． 2．受控熱核反應(yīng)． (1)聚變反應(yīng)和裂變反應(yīng)相比之優(yōu)點． ①聚變反應(yīng)產(chǎn)能效率高，即相同質(zhì)量的核燃料，聚變比裂變反應(yīng)放出的核能多． ②聚變反應(yīng)燃料豐富，即核反應(yīng)所用的燃料——氘，在地球上儲量非常豐富.1 L海水中大約有0.03 g氘，如果用來進行熱核反應(yīng)，放出的能量約和燃燒300 L汽油相當． ③核廢料易處理，核反應(yīng)產(chǎn)生的放射性廢料較少，處理起來比較簡單，而裂變時產(chǎn)生的放射性物質(zhì)，處理起來比較困難． (2)可控熱核反應(yīng)． ①控制熱核反應(yīng)的難點是，地球上沒有任何容器能經(jīng)受如此高的溫度，所以目前可控熱核反應(yīng)還處于探索、實驗階段． ②目前科學(xué)家采用兩種方法“約束”聚變材料：磁約束和慣性約束． ③“中國環(huán)流器一號”和“中國環(huán)流器新一號”是我國研究可控熱核反應(yīng)的實驗裝置． 1. 我國自行設(shè)計、研制的世界上第一套全超導(dǎo)核聚變實驗裝置(又稱“人造太陽”)已完成第一次工程調(diào)試．下列關(guān)于“人造太陽”說法正確的是(C) A．“人造太陽”核聚變的核反應(yīng)方程是 ，其中X是中子 B．“人造太陽”核聚變的核反應(yīng)方程是＋，其中X是質(zhì)子 C．“人造太陽”核聚變的核反應(yīng)方程是，其中X是中子 D．“人造太陽”核聚變的核反應(yīng)方程是，其中X是質(zhì)子 解析：處于實驗階段的核聚變都是氘核和氚核進行的核聚變反應(yīng)，根據(jù)質(zhì)量數(shù)與質(zhì)子數(shù)守恒，從而即可求解．人造太陽的核聚變是氘核和氚核進行的核聚變反應(yīng)，即是，根據(jù)質(zhì)量數(shù)與質(zhì)子數(shù)守恒可知，X是，即為中子，而核反應(yīng)方程，是裂變反應(yīng)，其中X是中子，故C正確，ABD錯誤． 2．現(xiàn)在太陽向外輻射的能量是由于太陽內(nèi)部氫聚變產(chǎn)生的，大約在40億年以后太陽內(nèi)部將會啟動另一種核反應(yīng)，其核反應(yīng)方程為：，那時太陽向外輻射的能量是由上述兩種核反應(yīng)產(chǎn)生的．已知42He的質(zhì)量為m1，12 6C的質(zhì)量為m2，則下列判斷正確的是(A) 解析：由于發(fā)生上述核聚變時釋放核能，根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程，可知該反應(yīng)存在質(zhì)量虧損，所以，即選項A正確． 3. (多選)月球土壤里大量存在著一種叫做“氦3()”的化學(xué)元素，將可作為地球發(fā)電燃料．即利用氘和氦3發(fā)生核聚變反應(yīng)產(chǎn)生一個質(zhì)子和一個新核，釋放能量進行發(fā)電．關(guān)于“氦3”與氘核聚變反應(yīng)，下列說法中正確的是(AD) A．生成的新核是 B．釋放能量，出現(xiàn)質(zhì)量虧損，所以生成物的總質(zhì)量數(shù)減少 C．目前核電站普遍利用的就是這種核聚變反應(yīng) D．核聚變反應(yīng)需要一定條件才能發(fā)生，如高溫、高壓 解析：根據(jù)電荷數(shù)守恒和質(zhì)量數(shù)守恒寫出聚變后的產(chǎn)物．在核反應(yīng)中質(zhì)量數(shù)守恒．輕核聚變在高溫、高壓下才可以發(fā)生. .故A正確；釋放能量，出現(xiàn)質(zhì)量虧損，但是質(zhì)量數(shù)仍然守恒．故B錯誤；核電站普遍利用重核裂變．故C錯誤；輕核聚變在高溫、高壓下才可以發(fā)生．故D正確． 4．(多選)下列說法正確的是(BD) 解析：核反應(yīng)類型分四種，核反應(yīng)方程的特點各有不同，衰變方程的左邊只有一個原子核，右邊出現(xiàn)α或β粒子．聚變方程的左邊是兩個輕核反應(yīng)，右邊是中等質(zhì)量的原子核．裂變方程的左邊是重核與中子反應(yīng)，右邊是中等質(zhì)量的原子核．人工核轉(zhuǎn)變方程的左邊是氦核與常見元素的原子核反應(yīng)，右邊也是常見元素的原子核，由此可知B、D兩選項正確． 5．下面是一核反應(yīng)方程：.用c表示光速，則(D) A．X是質(zhì)子，核反應(yīng)放出的能量等于質(zhì)子質(zhì)量乘以 B．X是中子，核反應(yīng)放出的能量等于中子質(zhì)量乘以 C．X是質(zhì)子，核反應(yīng)放出的能量等于氘核與氚核的質(zhì)量和減去氦核與質(zhì)子的質(zhì)量和，再乘以 D．X是中子，核反應(yīng)放出的能量等于氘核與氚核的質(zhì)量和減去氦核與中子質(zhì)量和，再乘以 解析：由質(zhì)量數(shù)守恒及核電荷數(shù)守恒定律可得X為10n(中子)，再據(jù)質(zhì)能方程可得核反應(yīng)放出的能量為反應(yīng)前后質(zhì)量虧損與的乘積，故D項正確． 6．關(guān)于核聚變，以下說法不正確的是(B) A．與裂變相比輕核聚變輻射極少，更為安全、清潔 B．世界上已經(jīng)有利用核聚變能來發(fā)電的核電站 C．要使輕核發(fā)生聚變，必須使它們的距離達到以內(nèi)，核力才能起作用 D．地球聚變?nèi)剂系膬α渴重S富，從海水中可以提煉出大量核聚變所需的氘核 解析：與裂變相比，核聚變有下面的幾個優(yōu)勢：(1)安全、清潔、輻射少；(2)核燃料儲量多；(3)核廢料易處理．但核聚變發(fā)電還沒有投入實際運行．所以B項是不正確的． 7. “質(zhì)子—質(zhì)子”循環(huán)發(fā)生的核反應(yīng)被認為是恒星能量的一種可能來源，具體的一個循環(huán)過程是這樣的：兩個質(zhì)子()發(fā)生聚變，生成一個氘核()，生成的氘核()再與一個質(zhì)子()聚變生成一個氦核()，接下來兩個氦核()發(fā)生聚變，生成氦的同位素()同時再產(chǎn)生兩個質(zhì)子()，這兩個質(zhì)子()再度發(fā)生聚變…進入下一個循環(huán)反應(yīng)，成為恒星不竭之能量源泉．對于這種“質(zhì)子—質(zhì)子”循環(huán)發(fā)生的核反應(yīng)，則下列說法正確的是(A) 解析：解答本題的關(guān)鍵是理解書寫核反應(yīng)方程的原則：質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒．由題意可知兩個質(zhì)子()發(fā)生聚變反應(yīng)的產(chǎn)物之一為，故根據(jù)質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒可知該反應(yīng)為：，故A正確，B錯誤；將題中敘述的幾個反應(yīng)結(jié)合可得：即為一個完整的“質(zhì)子－質(zhì)子”循環(huán)核反應(yīng)，故CD錯誤． 8. 太陽以“核燃燒”的方式向外界釋放能量，這種燃燒過程使太陽的“體重”每秒鐘減少400萬噸，這里“核燃燒”是指(B) A．重核裂變 B．輕核聚變 C．原子能級躍遷 D．衰變 解析：太陽內(nèi)部進行的輕核聚變，又稱熱核反應(yīng)．太陽以“核燃燒”的方式向外界釋放能量，這種燃燒過程使太陽的“體重”每秒鐘減少400萬噸，這里“核燃燒”是指輕核聚變．故B正確，A、C、D錯誤． 9. 下列說法中正確的是(A) A．太陽輻射的能量主要來自太陽內(nèi)部的熱核反應(yīng) B．玻爾氫原子理論是依據(jù)天然放射現(xiàn)象分析得出的 C．只要有核反應(yīng)發(fā)生，就一定會釋放出核能 D．按照玻爾理論，氫原子核外電子從半徑較小的軌道躍遷到半徑較大的軌道時，電子的動能減小，電勢能增大，原子的總能量不變 解析：太陽輻射的能量主要來自太陽內(nèi)部的熱核反應(yīng)；玻爾理論是在氫原子光譜現(xiàn)象的基礎(chǔ)上提出的；在核反應(yīng)中，可能吸收能量，可能釋放能量．通過電子軌道半徑的變化，通過庫侖引力通過向心力，得出電子動能的變化，通過原子能量的變化得出電勢能的變化．太陽輻射的能量主要來自太陽內(nèi)部的熱核反應(yīng)．故A正確；玻爾理論是在氫原子光譜現(xiàn)象的基礎(chǔ)上提出的．故B錯誤；在核反應(yīng)中，當反應(yīng)前的質(zhì)量大于反應(yīng)后的質(zhì)量，釋放核能，當反應(yīng)前的質(zhì)量小于反應(yīng)后的質(zhì)量，吸收能量．故C錯誤；氫原子核外電子從半徑較小的軌道躍遷到半徑較大的軌道時，原子能量增大，根據(jù)k＝m，知電子動能減小，則電勢能增大．故D錯誤． 10．假設(shè)兩個氘核在一直線上相碰發(fā)生聚變反應(yīng)生成氦的同位素和中子，已知氘核的質(zhì)量是2.013 6 u，中子的質(zhì)量是1.008 7 u，氦核同位素的質(zhì)量是3.015 0 u. (1)聚變的核反應(yīng)方程式是______________，在聚變核反應(yīng)中釋放出的能量為________MeV.(保留兩位有效數(shù)字) (2)若氚核和氦核發(fā)生聚變生成鋰核，反應(yīng)方程式為，已知各核子比結(jié)合能分別為，試求此核反應(yīng)過程中釋放的核能． 解析：(1)根據(jù)題中條件，可知核反應(yīng)方程式為： . 核反應(yīng)過程中的質(zhì)量虧損： 由于1 u的質(zhì)量與931.5 MeV的能量相對應(yīng)，所以氘核聚變時放出的能量： ΔE＝3.510－3931.5≈3.3 (MeV)． (2) 分解成7個核子所需的能量為： E1＝31.112＋47.075＝31.636 (MeV)， 7個核子結(jié)合成73Li，釋放的能量為： E2＝75.603＝39.221 (MeV)， 所以此核反應(yīng)過程中釋放的核能為： ΔE＝E2－E1＝39.221－31.636 ＝7.585 (MeV)． 答案： 　3.3 (2)7.585 MeV 11．氘核和氚核可發(fā)生熱核聚變而釋放巨大的能量，該反應(yīng)方程為： ，式中X是某種粒子． 已知：和粒子X的質(zhì)量分別為2.014 1 u、3.016 1 u、4.002 6 u和1.008 7 u；1 u＝931.5 MeV/，c是真空中的光速．由上述反應(yīng)方程和數(shù)據(jù)可知，粒子X是__________，該反應(yīng)釋放出的能量為________MeV.(結(jié)果保留3位有效數(shù)字) 答案：10n(或中子)　17.6