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19.7-19.8 核聚变 粒子和宇宙课后提升作业【基础达标练】1.(多选)聚变与裂变相比,下列说法正确的是()A.聚变比裂变产能效率高B.在目前情况下,使原子核聚变要比裂变容易C.原子弹的燃料是235UD.氢弹的原理是核的聚变,需由原子弹来引爆【解析】选A、C、D。聚变比裂变的平均结合能大,故A正确;在目前的条件下,核裂变要比核聚变容易很多,故B错;原子弹利用的核裂变燃料为235U,氢弹利用的核聚变需原子弹引爆,故C、D正确。2.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【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,再之后是自由的光子、中微子、电子大量存在的轻子时代,再之后是中子和质子结合成氘核,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的产生都在A之后,故B、C、D错。3.(多选)目前我国已经建成秦山和大亚湾核电站并投入使用,请根据所学物理知识,判断下列说法中正确的是()A.核能发电对环境的污染比火力发电要小B.核能发电对环境的污染比火力发电要大C.都只利用重核裂变释放大量的原子能D.既有重核裂变,又有轻核聚变释放大量的原子能【解析】选A、C。目前核电站都用核裂变,其原料是铀,且核裂变在核反应堆中应用是比较清洁的能源,故A、C正确,B、D错。4.为了探究宇宙起源,“阿尔法磁谱仪”(AMS)将在太空中寻找“反物质”。所谓“反物质”是由“反粒子”构成的。“反粒子”与其对应的正粒子具有相同的质量和相同的电荷量,但电荷的符号相反。由此可知反氢原子是()A.由1个带正电荷的质子和1个带负电荷的电子构成B.由1个带负电荷的反质子和1个带正电荷的正电子构成C.由1个带负电荷的反质子和1个带负电荷的电子构成D.由1个不带电的中子和1个带正电荷的正电子构成【解析】选B。氢原子由一个电子和一个质子组成,根据“反物质”和“反粒子”的概念,可知反氢原子由一个带负电荷的反质子和一个带正电荷的正电子组成,故选项B正确,其他选项错误。5.太阳能的产生是由于太阳内部高温高压条件下的热核聚变反应形成的,其核反应方程是()A.411H24He+210eB.714N+24He817O+11HC.92235U+01n54136Xe+3890Sr+1001nD.92238U90234Th+24He【解析】选A。热核聚变反应是指轻核结合为质量较重的核的反应,故A正确;B项中为实现原子核人工转变的反应。C项中为裂变,D项中为衰变,均不属聚变反应,故B、C、D不正确。6.(多选)在某些恒星内,3个粒子结合成一个612C,612C原子的质量是12.000 0 u,24He原子的质量是4.002 6 u,已知1 u=1.6610-27kg,则()A.反应过程中的质量亏损是m=0.007 8 uB.反应过程中的质量亏损是m=1.2910-29kgC.反应过程中放出的能量是7.266 MeVD.反应过程中放出的能量是1.1610-19J【解析】选A、B、C。其反应方程是324He612C。其质量亏损为m=(34.002 6-12.000 0)u=0.007 8u,A项对;m=0.007 81.6610-27kg=1.2910-29kg,B项对;E=0.007 8931.5 MeV=7.266 MeV,C项对;E=7.2661061.610-19J=1.1610-12J,D项错误。7.热核反应中所用的燃料氘,在地球上储量非常丰富,1 L海水中大约有0.3 g氘,如果用来进行热核反应,放出的能量约与燃烧300 L汽油相当。若氘核的质量为m1,氦核的质量为m2,光速为c,阿伏伽德罗常数为NA,氘的摩尔质量为m0。(1)写出两个氘核聚变成一个氦核的核反应方程。(2)质量为M的氘参与上述聚变反应可释放出的能量为多少?【解析】(1)核反应方程为12H+12H24He。(2)核反应的质量亏损为m=2m1-m2,E=mc2=(2m1-m2)c2,据题意得,质量为M的氘中的氘核数为n=Mm0NA质量为M的氘核参与聚变放出的能量为E=nE2=NAc2M(2m1-m2)2m0。答案:(1)12H+12H24He(2)NAc2M(2m1-m2)2m0【补偿训练】一个质子和两个中子聚变为一个氚核,已知质子质量mH=1.007 3u,中子质量mn=1.008 7 u,氚核质量m=3.018 0 u。(1)写出聚变方程。(2)释放出的核能多大?(3)平均每个核子释放的能量是多大?【解析】(1)聚变方程11H+201n13H(2)质量亏损m=mH+2mn-m=(1.007 3+21.008 7-3.018 0)u=0.006 7u,释放的核能E=mc2=0.006 7931.5 MeV6.24 MeV。(3)平均每个核子放出的能量为6.243MeV=2.08 MeV。答案:(1)11H+201n13H(2)6.24 MeV(3)2.08 MeV【能力提升练】1.下面是一核反应方程:12H+13H24He+X。用c表示光速,则()A.X是质子,核反应放出的能量等于质子质量乘以c2B.X是中子,核反应放出的能量等于中子质量乘以c2C.X是质子,核反应放出的能量等于氘核与氚核的质量和减去氦核与质子的质量和,再乘以c2D.X是中子,核反应放出的能量等于氘核与氚核的质量和减去氦核与中子质量和,再乘以c2【解析】选D。由质量数守恒及核电荷数守恒定律可得X为01n(中子),再据质能方程可得核反应放出的能量为反应前后质量亏损与c2的乘积,故D项正确。2.(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12H+13H24He+01nB.“人造太阳”的核反应方程是92235U+01n56141Ba+3692Kr+301nC.“人造太阳”释放的能量大小的计算公式是E=mc2D.“人造太阳”核能大小的计算公式是E=12mc2【解析】选A、C。“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,故选项A正确,选项B错误。核能大小的计算根据爱因斯坦的质能方程,故选项C正确,选项D错误。3.一个质子和一个中子聚变组合成一个氘核,同时辐射出一个光子。已知质子、中子、氘核的质量分别为m1、m2、m3,普朗克常数为h,真空中的光速为c,下列说法正确的是()A.核反应方程是11H+01n13H+B.聚变反应的质量亏损m=m1+m2-m3C.辐射出的光子能量E=(m3-m1-m2)cD.光子的波长=h(m1+m2-m3)c2【解析】选B。A项中核反应方程不满足质量数守恒,错误。B项中m正好是结合前核子总质量与原子核质量之差,由质能方程可知辐射出的光子的能量为E=(m1+m2-m3)c2,C项错误。由c=v及E=h得,光子的波长为=h(m1+m2-m3)c,故D错。4.核聚变能是一种具有经济性能优越、安全可靠、无环境污染等优势的新能源。近几年来,受控核聚变的科学可行性已得到验证,目前正在突破关键技术,最终将建成商用核聚变电站。一种常见的核聚变反应是由氢的同位素氘(又叫重氢)和氚(又叫超重氢)聚合成氦,并释放一个中子。若已知氘原子的质量为2.014 1 u,氚原子的质量为3.016 0 u,氦原子的质量为4.002 6 u,中子的质量为1.008 7 u,1 u=1.6610-27kg。(1)写出氘和氚聚变的反应方程。(2)试计算这个核反应释放出来的能量。(3)若建一座功率为3.0105kW的核聚变电站,假设聚变所产生的能量有一半转化成了电能,求每年要消耗的氘的质量。(一年按3.2107s计算,光速c=3.0108m/s,结果取两位有效数字)【解析】(1)12H+13H24He+01n(2)E=mc2=(2.0141+3.016 0-4.002 6-1.008 7)1.6610-2791016J=2.810-12J(3)M=2PtEMD=231083.21072.01411.6610-272.810-12kg=23 kg答案:(1)12H+13H24He+01n(2)2.810-12J(3)23 kg
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