2019-2020学年高中物理 第4章 核能 第3节 核聚变 第4节 核能的利用与环境保护随堂演练巩

[随堂检测]1.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．聚变反应没有质量亏损D．目前核电站都采用32He聚变反应发电解析：选B.该聚变反应释放了能量，是因为发生了质量亏损，A、C错；该聚变反应产生了新原子核11H，B对；目前核电站都是用重核裂变发电的而不是用轻核聚变，D错．故正确答案为B.2.下列说法中正确的是()A．重核裂变时放出能量，轻核聚变时吸收能量B．聚变反应中平均每个核子放出的能量比裂变反应中平均每个核子放出的能量多C．裂变时产生放射性物质处理起来比热核反应时产生放射性物质简单得多D．太阳辐射出的能量是由太阳内部的裂变反应产生的解析：选B.重核裂变和轻核聚变均有质量亏损，均释放出核能，A错；聚变时每个核子平均释放出的核能是裂变时平均每个核子释放出的核能的3～4倍，B对；裂变反应时产生的放射性物质对生物及环境有污染，需慎重处理；热核反应时产生的核废料污染小，处理简单，C错；太阳辐射出的能量是由太阳内部的核聚变反应释放的，D错．3.(多选)关于热核反应下列说法正确的是()A．就每一个核子平均来说，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解析：选ABC.聚变反应平均每个核子比裂变反应中平均每个核子放出的能量要大3～4倍，且其原料均为氢的同位素，在地球上储量极为丰富，其放射性污染也较裂变轻．但是，目前只是能够让轻核聚变发生，还不能控制聚变反应、和平利用聚变时释放的核能．故正确选项为A、B、C，错误选项为D.4．(多选)下列关于聚变的说法中正确的是()A．要使聚变产生，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．自然界中不存在天然的热核反应解析：选ABC.轻核聚变时，必须使轻核之间距离达到10－15m，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；在太阳内部或其他恒星内部都进行着热核反应，D错误．5．氘核和氚核可发生热核聚变而释放出巨大的能量，该反应方程为：21H＋31H→42He＋X，式中X是某种粒子．已知：21H、31H、42He和粒子X的质量分别为2.0141u、3.0161u、4.0026u和1.0087u；1u＝931.5c2MeV，c是真空中的光速．由上述反应方程和数据可知，粒子X是______，该反应释放出的能量为________MeV(结果保留3位有效数字)．解析：根据质量数和电荷数守恒可得X是10n(中子)．核反应中的质量亏损为Δm＝2.0141u＋3.0161u－4.0026u－1.0087u＝0.0189u所以该反应释放出的能量为ΔE＝Δm·c2≈17.6MeV.答案：10n(或中子)17.6[课时作业]一、单项选择题1.原子弹和氢弹的制造原理分别是()A．都是根据重核的裂变B．都是根据轻核的聚变C．原子弹是根据轻核聚变，氢弹是根据重核裂变D．原子弹是根据重核裂变，氢弹是根据轻核聚变解析：选D.原子弹是根据重核裂变原理制造的，氢弹是根据轻核聚变原理制造的．2.我国自主研发制造的国际热核聚变核心部件在国际上率先通过权威机构认证，这是我国对国际热核聚变项目的重大贡献．下列核反应方程中属于聚变反应的是()A.21H＋31H→42He＋10nB.147N＋42He→178O＋11HC.42He＋2713Al→3015P＋10nD.23592U＋10n→14456Ba＋8936Kr＋310n解析：选A.A项是氢元素的两种同位素氘和氚聚变成氦元素的核反应方程，B项是用α粒子轰击氮原子核发现质子的核反应方程，C项属于原子核的人工转变，D项属于重核的裂变，因此只有A项符合要求．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42HeB．放出能量，生成的新核是42HeC．吸收能量，生成的新核是32HeD．放出能量，生成的新核是32He解析：选B.聚变出现质量亏损，一定放出能量，由质量数守恒和电荷数守恒可知，生成的新核是42He，选项B正确．4.原子核聚变可望给人类未来提供丰富的洁净能源．当氘等离子体被加热到适当高温时，氘核参与的几种聚变反应可能发生，放出热量．这几种反应的总效果可以表示为621H―→k42He＋d11H＋210n＋43.15MeV，由平衡条件可知()A．k＝1，d＝4B．k＝2，d＝2C．k＝1，d＝6D．k＝2，d＝3解析：选B.根据核反应过程中质量数守恒和电荷数守恒得6×2＝4k＋d＋2，6×1＝2k＋d，解得k＝2，d＝2.故正确答案为B.5.已知一个氢原子的质量为1.6736×10－27kg，一个锂原子的质量为11.6505×10－27kg，一个氦原子的质量为6.6467×10－27kg.一个锂核受到一个质子轰击变为2个α粒子，核反应方程为11H＋73Li→242He.根据以上信息，以下判断正确的是()A．题中所给的核反应属于α衰变B．题中所给的核反应属于轻核聚变C．根据题中信息，可以计算核反应释放的核能D．因为题中给出的是三种原子的质量，没有给出核的质量，故无法计算核反应释放的核能解析：选C.一个锂核受到一个质子轰击变为2个α粒子，核反应类型是人工核转变，A、B两项均错误；反应前一个氢原子和一个锂原子共有4个核外电子，反应后两个氦原子也是共有4个核外电子，因此只要将一个氢原子和一个锂原子的总质量减去两个氦原子的质量，得到的恰好是反应前后核的质量亏损，电子质量自然消掉．由质能方程ΔE＝Δmc2可以计算释放的核能，选项C正确、D错误．6.月球土壤里大量存在着一种叫做“氦3(32He)”的化学元素，是热核聚变的重要原料．科学家初步估计月球上至少有100万吨氦3，如果相关技术开发成功，将为地球带来取之不尽的能源．关于“氦3(32He)”与氘核聚变，下列说法中正确的是()A．核反应方程为32He＋21H→42He＋11HB．核反应生成物的质量将大于参加反应物质的质量C．氦3(32He)一个核子的结合能大于氦4(42He)一个核子的结合能D．氦3(32He)的原子核与一个氘核发生聚变将吸收能量解析：选A.“氦3(32He)”与氘核聚变的核反应符合质量数与电荷数守恒，且聚变是放能反应．质量亏损，新核的结合能大．故选A.7.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－m2D．这个核反应中释放的核能ΔE＝(4m1－m2－2m3)c2解析：选D.由质量数守恒及核电荷数守恒知，X为正电子，A、B错；质量亏损Δm＝4m1－m2－2m3，释放的核能ΔE＝Δmc2＝(4m1－m2－2m3)c2，C错，D对．8．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小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解析：选D.两个轻核聚变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项错误．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10－15m，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．二、多项选择题9．下列核反应方程中属研究两弹的基本的核反应方程式的是()A.147N＋42He→178O＋11HB.23592U＋10n→9038Sr＋13654Xe＋1010nC.23892U→23490Th＋42HeD.21H＋31H→42He＋10n解析：选BD.原子弹爆炸是靠重核裂变放出能量，B式是其反应方程式．氢弹爆炸是靠轻核聚变放出能量，D式是其反应方程式．A式是人工转变方程，C式是铀核的α衰变方程．故B、D正确．10.在某些恒星内，3个α粒子结合成1个126C核，126C原子的质量是12.0000u，42He原子的质量是4.0026u．已知1u＝1.66×10－27kg，则下列各选项正确的是()A．反应过程中的质量亏损是Δm＝0.0078uB．反应过程中的质量亏损是Δm＝1.29×10－29kgC．反应过程中释放的能量是7.26MeVD．反应过程中释放的能量是1.16×10－19J解析：选ABC.由题目可得此核反应的方程为342He―→126C＋ΔE，则反应后的质量亏损为Δm＝(3×4.0026－12.0000)u＝0.0078×1.66×10－27kg＝1.29×10－29kg，由质能方程ΔE＝Δm·c2＝1.29×10－29×(3.0×108)2J＝1.161×10－12J＝7.26MeV.故A、B、C项正确，D错误．三、非选择题11.试求在氢弹中合成1kg的氦时所释放出的能量．(氘核21H的质量为2.0141u，氚核31H的质量为3.0160u，氦核42He的质量为4.0026u，中子的质量为1.0087u)解析：设氢弹壳内装的是氘核和氚核，它们在高温下聚变生成氦核，核聚变方程为21H＋31H―→42He＋10n.一个氘核21H与一个氚核31H发生反应放出的能量：ΔE＝Δmc2＝(2.0141＋3.0160－4.0026－1.0087)×931.56MeV≈17.51MeV，1kg氦中所含的原子数目N＝nNA＝10004×6.02×1023个＝1.505×1026个这样合成1kg氦时所放出的总能量E＝NΔE＝1.505×1026×17.51MeV≈2.64×1027MeV.答案：2.64×1027MeV12．已知氘核质量为2.0136u，中子质量为1.0087u，32He核的质量为3.0150u．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1u时，释放的能量为931.5MeV.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3.12MeV，则反应前每个氘核的动能是多少MeV?解析：(1)核反应方程为221H→32He＋10n.(2)质量亏损为Δm＝2.0136u×2－3.0150u－1.0087u＝0.0035u．则释放的核能为ΔE＝Δmc2＝0.0035×931.5MeV≈3.26MeV.(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为E0，反应后中子和32He核的动能分别为E1、E2.根据动量守恒得：m1v1－m2v2＝0所以v1v2＝m2m1＝31根据E＝12mv2得E2E1＝12m2v2212m1v21＝31×132＝13即E2＝E13＝13×3.12MeV＝1.04MeV由能量转化和守恒定律得E1＋E2＝2E0＋ΔE代入数据得E0＝0.45MeV.答案：(1)见解析(2)3.26MeV(3)0.45MeV本部分内容讲解结束按ESC键退出全屏播放