高中物理 第3章 原子核 6 核聚变自我小测 教科版选修3-5
高中物理 5.3聚变与受控热核反应自我小测 沪科版选修3-5(2021年最新整理)
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聚变与受控热核反应1下列核反应中属于核聚变的是( ）A。
错误!H＋错误!H→错误!He＋错误!nB。
234， 90Th→错误!Pa＋错误!eC.错误!U＋错误!n→错误!Xe＋错误!Sr＋2错误!nD。
错误!Be＋错误!He→错误!O＋错误!n2有下列核反应：①错误!He＋错误!Al→错误!P＋错误!n②3，1H＋错误!H→错误!He＋γ③19 9F＋错误!H→错误!O＋错误!He④235， 92U＋错误!n→错误!Sr＋错误!Xe＋10错误!n＋γ下列说法正确的是（)A．①是原子核的人工转变的反应方程式B．②是聚变的核反应方程式C．③是α衰变的反应方程式D．④是裂变的核反应方程式3关于聚变,以下说法正确的是（）A．两个轻核聚变为中等质量的原子核时释放出能量B．同样质量的物体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4关于我国已建成的秦山和大亚湾核电站,下列说法正确的是( ）A．它们都是利用核聚变释放原子能的B．它们都是利用核裂变释放原子能的C．裂变和聚变的核燃料都可以是纯铀235D．一座是利用核裂变释放原子能，一座是利用核聚变释放原子能5科学家发现在月球上含有丰富的3，2He（氦3)。
高中物理 第3章 原子核 原子能、粒子、宇宙学案 教科版选修3-5
—————————— 新学期 新成绩 新目标 新方向 ——————————原子能、粒子、宇宙【学习目标】1．知道核力是只存在于相邻核子间的短程力；2．掌握结合能与质量亏损；3．理解爱因斯坦的质能方程；4．知道重核裂变能放出能量，并能计算核能的变化，知道链式反应；5．知道什么是聚变；6．了解铀核的裂变特点；7．了解核裂变反应堆的工作原理；8．知道聚变和聚变反应的特点；9．能写出聚变方程并计算聚变能量；10．了解可控热核反应；11．了解核电站、核武器及核能的优越性、安全性及其危害；12．了解组成物质的粒子；13．知道粒子的分类及其作用；14．了解宇宙起源的大爆炸说及恒星的演化．【要点梳理】要点一、核力与核结合能1．核反应（1）核反应的定义．衰变是原子核的自发变化，能否用人工方法使原子核发生变化呢？能．事实上质子、中子都是通过原子核的人工转变而发现的．我们把原子核在其他粒子轰击下产生新原子核的过程，称为核反应．（2）对核反应的理解．①原子核在其他粒子的轰击下产生新原子核的过程，称为核反应．原子核的人工转变，就是一种核反应．和衰变过程一样，在核反应中，质量数和核电荷数都守恒．②衰变是自发的、不受物理条件和化学条件影响的一种核变化．而原子核的人工转变需要一定的装置和条件才能发生．2．原子核的人工转变（1）质子的发现及核反应方程．1919年，卢瑟福用α粒子轰击氮原子核，α粒子被氮核俘获后形成复核，再衰变，产生质子．核反应方程为：1441717281N He O H +→+．（2）中子的发现及核反应方程．1932年，英国的物理学家查德威克对这种不知道的射线进行进一步的研究发现：这种射线的速度不到光速的十分之一，排除了γ射线．之后他用这种射线轰击氢原子和氮原子，结果打出一些氢核和氮核，并通过测定和计算，发现这种粒子的质量非常接近氢核的质量，由于它不带电，故称之为中子．核反应方程为：941214260Be He C n +→+．由于能从许多的原子核里打出中子，因而确认中子是组成原子核的一部分．3．核力原子核由质子和中子组成，中子和质子是靠强大的核力结合在一起的．（1）核力：原子核内部，核子间所特有的相互作用力．（2）核力的特点：①核力是强相互作用力，在它的作用范围内核力比库仑力大得多；②核力是短程力，作用范围在151.510m ⨯－之内．在大于150.810m ⨯－时核力表现为引力，超过151.510m ⨯－时核力急剧下降几乎消失．在小于150.810m ⨯－时核力表现为斥力，因此核子不会融合在一起；③每个核子只跟相邻的核子发生核力作用．这种性质称为核力的饱和性．无论是质子间、中子间、质子和中子间均存在核力．（3）自然界中的四种基本相互作用力：①万有引力；②电磁力；③强相互作用力；④弱相互作用力．4．核结合能由于核子间存在着巨大的核力作用，所以原子核是一个坚固的集体．要把原子核拆散成核子，需要克服核力做巨大的功，需要巨大的能量．一个氘核被拆成一个中子和一个质子时，需要能量等于或大于2.2 MeV 的γ光子照射．核反应方程为：211110H H n γ+→+．相反的过程，当一个中子和一个质子结合成一个氘核时会释放出2.2 MeV 的能量．这个能量以γ光子的形式辐射出去．核反应方程为：112101H n H γ+→+．由于核力的存在，核子结合成原子核时要放出一定的能量，原子核分解成核子时，要吸收同样多的能量．核反应中放出或吸收的能量称为核结合能．平均结合能（又叫比结合能）：原子核的结合能与核子数之比平均结合能越大，表示原子核中核子结合得越牢固．原子核越稳定．5．质量亏损由于核力的本质还在研究之中，所以根据核力做功来求核能是不可能的．但物理学家却有办法求出核能．物理学家们研究了质子、中子和氘核之间的质量关系，发现氘核虽然是由一个中子和一个质子组成的，但氘核的质量要比中子和质子的质量之和要小一些．我们把组成原子核的核子的质量与原子核的质量之差叫做核的质量亏损．根据质量亏损可以计算核能．6．质能方程（1）质能方程：爱因斯坦的相对论指出，物体的能量和质量之间存在着密切的联系，其关系是 2E mc = 或 2E mc ∆=∆．这就是著名的爱因斯坦质能联系方程，简称质能方程．方程的含义是：物体具有的能量与它的质量之间存在着简单的正比关系．物体的能量增大质量也增大，能量减小质量也减小．（2）对质量亏损和质能方程的理解：在核反应中仍遵守质量守恒和能量守恒的规律．核反应中的质量亏损，并不是这部分质量消失或质量转变为能量．物体的质量应包括静止质量和运动质量，质量亏损是静止质量的减少，减少的静止质量转化为和辐射能量相联系的运动质量．另外，质量亏损也不是核子个数的减少，核反应中核子个数是不变的．7．核能的计算方法核能的计算是原子物理的重要方面和高考的热点问题，其基本方法是：（1）根据质量亏损计算，步骤如下：①根据核反应方程，计算核反应前和核反应后的质量亏损m ∆．②根据爱因斯坦质能方程2E mc =或2E mc ∆=∆计算核能．③计算过程中m ∆的单位是千克，E ∆的单位是焦耳．（2）利用原子质量单位u 和电子伏特计算．①明确原子单位u 和电子伏特间的关系由 271 u 1.660610kg =⨯－，191 eV 1.610J =⨯－．得2931.5 MeV E mc ==．②根据1原子质量单位（u ）相当于931.5 MeV 能量，用核子结合成原子核时质量亏损的原子质量单位数乘以931.5 MeV ，即931.5 MeV E m ∆=∆⨯．③上式中，m ∆的单位是u ，E ∆的单位是MeV ．（3）利用平均结合能来计算核能．原子核的结合能=核子的平均结合能×核子数．核反应中反应前系统内所有原子核的总结合能与反应后生成的所有新核的总结合能之差，就是该次核反应所释放（或吸收）的核能．（4）根据能量守恒和动量守恒来计算核能．参与核反应的粒子所组成的系统，在核反应过程中的动量和能量是守恒的，因此，在题给条件中没有涉及质量亏损，或者核反应所释放的核能全部转化为生成的新粒子的动能而无光子辐射的情况下，从动量和能量守恒可以计算出核能的变化．（5）应用阿伏加德罗常数计算核能．若要计算具有宏观质量的物质中所有原子核都发生核反应所放出的总能量，应用阿伏加德罗常数计算核能较为简便．①根据物体的质量m 和摩尔质量M 由m n M=求出物质的量，并求出原子核的个数： A A m N N n N M==． ②由题设条件求出一个原子核与另一个原子核反应放出或吸收的能量0E （或直接从题目中找出0E ）．③再根据0E NE =求出总能量．8．衰变过程中核能的计算衰变能是不稳定原子核在进行衰变时放出来的能量，由质能方程，可以从衰变前后的质量亏损求出衰变能，也可根据直接测出衰变后产生的新原子核与α粒子的动能求得衰变能．但是，由于衰变后原子核的质量较大，反冲动能k E 较小，测量就很困难．下面我们从动量守恒定律出发，找到r E 和E α之间的关系，只要测出E α就可以知道衰变能．衰变前原子核可看做静止，动量为零，于是，根据动量守恒定律有r r m v m v αα=．α粒子的速度比光速小得多，可以不考虑相对论效应，于是衰变后新原子核的反冲动能221122r r r r rm m E m v m v E m m ααααα===． 所以， 041144r r m A E E E E E E m A A ααααα⎛⎫⎛⎫=+=+=+= ⎪ ⎪--⎝⎭⎝⎭（A 是衰变前的核的质量数）． 式中，已用核的质量数之比代替核质量之比，这样做所带来的误差是很微小的．所以，要得到α衰变能0E ，需要知道α粒子的动能E α．9．对原子核中质子数与中子数比例的解释原子核越大，有些核子间的距离越来越远，随着距离的增加，核力与电磁力都会减小，但核力减小得更快．所以，原子核大到一定程度时，相距较远的质子间的核力不足以平衡它们的库仑力，这个原子核就不稳定了．这时，不再成对地增加质子和中子，而只增加中子，中子与其他核子没有库仑斥力，但有相互吸引的核力，所以有助于维系原子核的稳定．由于这个原因，稳定的重原子核里，中子数要比质子数多．由于核力的作用范围是有限的，以及核力的饱和性，如果我们继续增大原子核，一些核子间的距离会大到其间根本没有核力的作用，这时即使再增加中子，形成的核也一定是不稳定的．要点二、重核裂变及其应用1．核子的平均质量核反应有的会放出能量，有的会吸收能量，那么什么样的核反应会放出能量，这是本节需要搞清的第一个问题．也是本节的一个难点．为了弄清这个问题，就必须首先理解核子的平均质量这一概念． 精确的实验表明，原子核是由核子组成的，但原子核的质量却不等于所有核子质量之和．也就是说，原子核的质量虽然会随着核子数量的增加而增加，但两者并不成比例．例如：氢核由一个核子（质子）组成；氦核由四个核子（两个中子，两个质子）组成．但氦核的质量却不是氢核的四倍，而是比四倍小．这样在不同的原子核中，用原子核的质量除以核子数所得到的核子的平均质量就变得不相同了，换一个说法，也就是同样的核子在不同的原子核中质量不同．进一步研究表明，中等质量的原子核的核子的平均质量较小（铁核的核子平均质量最小），重核和轻核的核子平均质量大，这就为研究核反应中能量的释放建立了理论基础．当重核分裂成中等质量的原子核时，会发生质量亏损；当轻核聚合成中等质量的原子核时，也会发生质量亏损．由质能方程可知，此时核反应会放出能量．2．重核的裂变——铀核的裂变（1）铀核裂变的发现：1938年底，德国物理学家哈恩与斯特拉斯曼利用中子轰击铀核时，发现了铀核的裂变，向核能的利用迈出了第一步．（2）重核裂变：使重核分裂成中等质量的原子核的核反应叫做重核的裂变．（3）铀核裂变的一种核反应方程：235114192192056360U n Ba Kr 3n +→++．（4）链式反应：当中子进入铀235后，便形成了处于激发状态的复核，复核中由于核子的激烈运动，使核变成不规则的形状，核子间的距离增大，因而核力迅速减弱，使得核由于质子间的斥力作用而不能恢复原状，这样就分裂成几块，同时放出2或3个中子．这些中子又引起其他铀核裂变，这样，裂变就会不断地进行下去’，释放出越来越多的核能，这就叫链式反应．如图所示．（5）链式反应发生的条件：①铀块的体积大于临界体积．体积超过临界体积时，保证中子能够碰到铀核．②有足够浓度的铀235．③有足够数量的慢中子．一种链式反应的方程：235113690192054380U n Xe Sr 10n E +→+++∆．（6）重核裂变的条件重核的裂变只能发生在人为控制的核反应中，自然界不会自发地产生．如铀核裂变不能自发地进行，要使铀核裂变，首先要利用中子轰击铀核，使铀核分裂，分裂过程中，又会放出更多的中子，这些中子再去轰击更多铀核，产生更多的中子，就形成了链式反应，这个反应速度很快，不加控制的话，能量在很短的瞬间急剧释放（原子弹就是利用铀核的链式反应制造的一种威力巨大的核武器）．如果采用其他方法对反应速度加以控制就可以和平地利用这种巨大的核能．核电站就是可控的链式反应．3．临界体积要发生核反应，就必须使中子击中铀核，而核的体积很小，那么在铀块不太大的情况下，中子通过铀块时，没有碰到铀核而跑到铀块外，因此，要发生链式反应，铀块的体积必须大于某一值，能发生链式反应的铀块的最小体积叫它的临界体积．4．核电站与核电站的主要组成和工作原理及优点（1）核电站：原子弹杀伤力强大的原因是核能在极短时间内释放出来．核电站是利用缓慢释放的核能来发电，这是核能的和平利用，现在世界上已有不少国家建有核电站，我国已建成使用和正在建设的核电站必将为现代化的建设提供能源保障．（2）核电站的主要组成．核电站的核心是核反应堆，核反应堆的主要组成部分及其作用是：①核燃料：反应堆使用浓缩铀（铀235占34％～％）制成铀棒，作为核燃料，释放核能．②中子减速剂：铀235具有易俘获慢中子，不易俘获快中子的特点．而核反应中释放的中子多数为快中子，应使用减速剂使它们的速度降下来．常用作减速剂的物质有石墨、重水或普通水．③控制棒：为了控制能量释放的速度，就要想办法减少中子的数目，采用在反应堆中插入镉棒的方法，利用镉吸收中子能力很强的特性，就可以容易地控制链式反应的速度．④保护层：核反应堆外层是很厚的水泥壁．可防止射线辐射出去．⑤热交换器：靠水或液态金属钠在反应堆内外的循环流动，把产生的热量传输出去．反应堆是核电站的核心，核电站是靠核反应堆产生的内能（3）核电站的优点是：①消耗的“燃料”很少；②作为核燃料的铀、钍等在地球上的可采储量大；③对环境污染比火电站要小．5．原子弹原子弹是利用快中子导致链式反应而发生原子爆炸的武器．在裂变材料的体积大于临界体积时，可以使增殖系数1K ＞，这时中子数可逐代倍增，最后引起原子爆炸．对纯235U ，其2K =．若01N =，则到第80代时，中子数已增到802N =个，其已大到相当于1 kg 铀的原子数，因此1 kg 纯235U 只要经过80代裂变就可以全部发生裂变．若将1 kg 铀做成球状，其直径不过5 cm ，而快中子的速度约为71210m s ⨯⋅－，所以裂变进行得极其迅猛，其爆炸可在百分之一秒内完成．原子弹的结构形式有许多种，一般是将两块或多块小于临界体积的235U （或238U 、239Pu 等）放在一个密封的弹壳内，平时这几块相隔一定的距离，所以不会爆炸．使用时可通过引爆装置使它们骤然合为一体，由于其体积超过临界体积，爆炸瞬间发生．6.为什么铀的同位素中23592U 最容易发生链式反应在天然铀中，主要有两种同位素，99.3％的是铀238，0.7％的是铀235，中子能引起这两种铀核发生裂变，但它们和中子发生作用的情况不同．23592U ：俘获各种能量的中子都会发生裂变，且俘获低能量的中子发生裂变的概率大．23892U ：只有俘获能量大于1 MeV 的中子才能发生核反应，且裂变的几率小．对于低于1 MeV 的中子只与铀核发生弹性碰撞，不引起核反应．因此，为了使链式反应容易发牛，最好利用纯铀235．要点三、轻核聚变及其应用1．轻核的聚变（1）聚变．把轻核结合成质量较大的核，释放出核能的反应，称为募变．聚变反应又称为热核反应．（2）聚变方程：23411120H H He n γ+→++．（3）聚变发生的条件：要使轻核聚变，就必须使轻核接近核力发生作用的距离1510m －，但是原子核是带正电的，要使它们接近1510m －就止须克服电荷间很大的斥力作用，这就要求使核具有足够的动能．要使原子核具有足够大的动能，就要给核加热，使物质达到几百万度的高温．综上所述，核聚变只有在超高温条件下才能发生．2．聚变与裂变的区别重核的裂变、轻核的聚变都能释放出巨大的核能，但两者是有区别的．（1）原理不同．重核的裂变是重核裂变成几个中等质量的原子核，放出能量，而聚变是几个轻核聚变（结合）成一个中等质量的原子核，放出巨大的能量．（2）放出能量的大小不同．重核裂变时，平均每个核子释放的能量约为1兆电子伏，而轻核的聚变，平均每个核子释放出3兆电子伏以上的能量，即聚变比裂变能放出更多的能量．（3）废料处理难度不同．裂变产生的废料处理起来比较困难，而热核反应的废料处理要简单得多．（4）“燃料”的丰富程度不同．热核反应所需要的“燃料”——氘在地球上非常丰富，1升海水中大约有003．克氘，如果用来进行热核反应，放出的能量约和燃烧300升汽油相当．而裂变燃料——铀在地球上储量有限，尤其是用于核裂变的铀235，在铀矿中仅占0.7％，相比起来聚变的燃料——氘要丰富得多．我国是一个“贫铀”国家，贮藏量不多．（5）两种反应的可控制性不同．裂变反应速度可以比较容易地进行人工控制，因此，现在国际上的核电站都是利用裂变放出能量，而聚变反应的可控制性比较困难，世界上许多国家都积极研究可控热核反应的理论和技术．我国可控热核反应的研究情况是：1984年9月，我国自行研制的可控热核反应实验装置“中国环流一号”顺利启动．1094年，具有国际先进水平的可控热核反应实验装置“HT-7超导托卡马克”已安装调试成功，我国研究可控热核反应方面已经具有一定的实力．3．轻核聚变释放核能的计算方法轻核聚变时释放出的能量的计算与上两节的方法基本相同，具体的仍然分为以下两种：（1）根据质量亏损计算．根据爱因斯坦质能方程，用核子结合成原子核时质量亏损（m ∆）的千克数乘以真空中光速（8310m/s ⨯）的平方，即 2E mc ∆=∆． ①（2）根据1原子质量单位（u ）相当于931.5 MeV 能量，用核子结合成原子核时质量亏损的原子质量单位数乘以931.5 MeV ，即931.5 MeV E m ∆=∆⨯． ②要点诠释：式①中m ∆的单位为kg ，式②中m ∆的单位是u ，E ∆的单位是MeV ．4．聚变比裂变反应放出更多能量的原因（1）平均每个核子放能较多，是裂变反应的34～倍．如一个氚核和一个氘核结合成一个氦核时放出能量17.6 MeV ，平均每个核子放出能量约3.5 MeV ；而铀235裂变时，平均每个核子放出能量为l MeV ．（2）同样质量的情况下，轻核的核子个数多，如氘和氚聚变为1 kg 氦时放出的能量为332.6510eV ⨯． 233311000 6.021017.6MeV 2.6510eV 4E ∆=⨯⨯⨯≈⨯． 假设一个铀核裂变时平均放出的能量为200 MeV ，则l kg 铀核全部裂变时放出能量为233221000 6.0210200MeV 510eV 235E ∆=⨯⨯⨯≈⨯． 125.3E E ∆≈∆． 5．热核反应的控制技术以及聚变的应用（1）控制方法．①磁约束：利用强磁场来约束参加反应的物质．目前性能最好的磁约束装置是环流器（又称托卡马克）．2002年12月“中国环流器二号”开始运行．②惯性约束：利用强激光的惯性压力约束参加反应的物质．目前可控制核聚变还处于基础研究阶段．（2）聚变的应用．①核武器——氢弹：是一种不需人工控制的轻核聚变反应装置．它利用弹体内的原子弹爆炸产生的高温高压引发热核聚变爆炸．②如果攻克了受控热核聚变的实现技术，那就可望解决全世界的“能源危机”．（3）我国的两弹发展．1964年10月16日我国第一颗原子弹爆炸成功．1967年6月17日我国的氢弹试爆成功．6．为什么轻核聚变和重核裂变都会释放能量（1）可以从核子的平均结合能上看，如图．从图中可以看出，铁的平均结合能最大，也就是核子结合成铁或铁附近的原子核时，每个核子平均放出的能量大．因此可知两个比铁轻的原子核结合时，或比铁重的重核分裂时，都要放出能量．（2）也可以根据核子的平均质量图分析，如图，由图中可以看出，铁原子核子的平均质量最小，如果原子序数较大的A 裂变成B 或C ，或者原子序数较小的D 和E 结合成F 核，都会有质量亏损，根据爱因斯坦质能方程，都要放出能量．要点四、粒子与宇宙1．“基本粒子”不基本（1）19世纪末，许多人认为光子、电子、质子和中子是组成物质的不可再分的最基本粒子．（2）从20世纪起科学家陆续发现了400多种同种类的新粒子，它们不是由质子、中子、电子组成．（3）科学家进一步发现质子、中子等本身也是复合粒子，且还有着复杂的结构．（4）粒子加速器和粒子探测器是研究粒子物理的主要工具．2．粒子的分类按照粒子与各种相互作用的关系，可以将粒子分为三大类：强子、轻子和媒介子．微观粒子分类如下表所示：实验发现，许多粒子都有和它质量相同而电荷及其他一些物理量相反的粒子，叫反粒子．例如电子和正电子，质子和反质子等．由反粒子构成的物质叫反物质．反粒子（反物质）最显著的特点是当它们与相应的正粒子（物质）相遇时，会发生“湮灭”，即同时消失而转化成其他的粒子．4．夸克模型实验表明强子是有内部结构的，1964年美国物理学家盖尔曼提出了强子的夸克模型，认为强子是由夸克构成的．5．宇宙的演化用粒子物理学可以较好地解释宇宙的演化．根据大爆炸理论，在宇宙形成之初是“粒子家族”尽显风采的时期．在大爆炸的瞬间（约4410s －，温度为3210K ）产生夸克、轻子、胶子等粒子．大爆炸后约610s －，温度下降到1310K 左右，夸克构成质子和中子等强子，这个温度范围正是各种强子熙熙攘攘挤在一起的时代，称为强子时代．当温度下降到1110K （210s －），只剩下少量的夸克，而自由的光子、中微子和电子等轻子大量存在，此时代称为轻子时代．当温度下降到910K （210s ），少量的中子和质子结合成氘核，并很快生成氦核，同时有氚核、氦3等轻核及其他轻核生成，此时称为核合成时代．在3000 K 左右（510s ），电子与原子核结合成原子，此时称为复合时代．继续冷却，质子、电子、原子等与光子分离而逐步组成恒星和星系．6．恒星的演化大爆炸10万年后，温度下降到3000 K 左右．出现了由中性原子构成的宇宙尘埃．由于万有引力作用逐渐凝聚成团块，形成气态的星云团，星云团进一步凝聚收缩，使得引力势能转化为内能，温度升高，温度升到一定程度就开始发光，这样一颗恒星就诞生了．这颗星继续收缩，继续升温，当温度超过710K 时，氢聚变成氦，向外辐射能量，核能耗尽后就进入末期，末期形态主要有三种：白矮星、中子星和黑洞．7．夸克理论简介夸克理论经过几十年的完善和发展，已经逐渐为多数粒子物理学家所接受．根据夸克理论，夸克有6种，它们是上夸克（u ）、奇异夸克（s ）、粲夸克（c ）、下夸克（d ）、底夸克（b ）和顶夸克（t ）．它们带的电荷分别为元电荷的13-或23+．到目前为止，人们已经从实验中发现了所有6种夸克及其反夸克存在的证据．夸克模型的提出是物理学发展中的一个重大突破，它指出电子电荷不再是电荷的最小单元，即存在分数电荷．8．统一场论（微观粒子与宏观宇宙的统一）物理学向微观粒子和宇宙两个领域的研究今天得到了初步统一，统一场论在逐渐形成．物理学完整、和谐美在这里又得到了充分体现．正如绪言中所说：“物理学中研究最大和最小对象的两个分支——宇宙学和粒子物理学就奇妙地衔接在一起，犹如一条怪蟒咬住自己的尾巴．”从上面的两个图可以看到，人类所在物质世界的空间跨度与时间跨度竞呈现出如此的对称美．要点四、单元知识网络。
2018_2019学年高中物理第三章原子核3.6核聚变课件教科版选修3_5
Pt (3)一年中产生的电能发生的核反应次数为n= 0.5 E
所需氘的质量m=n×m2×1.66×10-27kg=23kg.
3 1 答案:(1)12 H 1 H 4 He 2 0 n
(2)2.8×10-12J
(3)23kg
【总结提升】轻核聚变释放核能的计算
(1)正确书写核反应方程式是解题的前提。 书写核反应方程式时,要明确反应物和生成物,并注意 它们的元素符号,特别是同位素,不要忘记根据质量数 守恒与电荷数守恒配平方程式。
足够大的动能,就要给它们加热,使物质达到几百万开
尔文的高温。
3.
4.恒星的演化:
【典例探究】
【典例】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2.014u,
【归纳总结】 1.从比结合能的图线看,轻核聚变后比结合能增加,因 此聚变反应是一个放能反应。
3 4 例如, 12 H 1 H 1 n 0 2 He 17.6 MeV
2.聚变发生的条件:要使轻核聚变,必须使轻核接近核 力发生作用的距离10-15m,这要克服电荷间强大的斥力
作用,要求使轻核具有足够大的动能。要使原子核具有
氚原子的质量为3.016 0u,氦原子的质量为4.0026u,中
子的质量为1.008 7u,1u=1.66×10-27kg。
(1)写出氘和氚聚合的反应方程。
(2)试计算这个核反应释放出来的能量。
(3)若建一座功率为3.0×105kW的核聚变电站,假设聚
教科版高中物理选修(3-5)第三章《原子核》章末总结课件
质子（1 H）：1919年卢瑟福发现质子： 原子核 714N＋24He→ 817O＋11H 1 的组成 中子（ n）：1932年查德威克发现中子： 9 0 4 4 Be＋2 He→ 612C＋01n α衰变：核内两个质子与两个中子 原子核 结合成一个氦核（α粒子）而放出 的衰变β衰变：核内一个中子转化为质子而 原子核 放出一个电子（β粒子） 天然放射现象 三种射线：α、β、γ射线的本质及特性 半衰期：放射性元素的原子核有半数发生 衰变所需要的时间.由原子核内的因素决 定，而跟原子所处的物理状态（压强、 温度、物态等）和化学状态（单质或化合物）无关
பைடு நூலகம்
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核反应：原子核在其他粒子的轰击下产生新原子核的过程， 遵循电荷数守恒、质量数守恒、能量守恒及动量守恒 放射性放射性同位素：具有放射性的同位素，利用核反应可以 的应用 与防护 人工制造出各种元素的放射性同位素 利用射线：射线测厚仪、金属探伤、 放射性同位 素的应用 放射治疗、诱变育种、作为示踪原子 核力：原子核内紧紧把核子束缚在一起的力.是强相互作用力、 核力 是短程力，每个核子只与它相邻的核子间才有核力 原子核 定义：核子结合成原子核或原子核分解为核子时， 结合能 2 所伴随的巨大能量变化，核能的计算：ΔE＝Δmc 核能 裂变反应：一个重核分解成两个或两个以上中等 核能的释放途径 质量核的反应过程，应用于原子弹和核反应堆 聚变反应：两个轻核结合成质量较大的核的反应 过程，应用于氢弹及受控热核反应 粒子：粒子的分类：强子、轻子、媒介子
高中物理 课时自测当堂达标 第三章 原子核 3.5 核裂变 教科版选修35
3.5 核裂变课时自测·当堂达标1.重核的裂变就是( )A.重核分裂成核子的核反应B.重核分裂成许多质量很小的轻核的核反应C.重核分裂成两个或两个以上中等质量的核的核反应D.中等质量的核分裂为质量很小的轻核的核反应【解析】选C。
重核的裂变是重核分裂成两个或两个以上中等质量的核的核反应,不是分裂成核子,A错;也不是分裂成质量很小的轻核,B错;是重核分裂,而不是中等质量的核分裂,D 错,故正确选项为C。
2.核反应堆中的镉棒的作用是( )A.减少中子能量,使快中子变成慢中子B.调节中子数目,控制反应速度C.屏蔽射线,以防伤害人身体D.控制反应堆的温度【解析】选B。
减速剂的作用是使快中子变成慢中子,A错;隔棒能够吸收中子,所以可以控制反应速度,B正确;隔棒在反应堆内部,不可能屏蔽射线,C错;冷却剂的作用是控制反应堆的温度,D错;故正确选项为B。
3.从四川省核电站发展论坛上传出消息:四川首家核电站建成后,对四川乃至中国西部地区GDP增长和一、二、三产业的拉动将起到巨大作用。
关于核电站获取核能的基本核反应方程可能是 ( )A U Th HeB H H He nC N He O HD U n Sr Xe+1n【解析】选D。
核电站获取核能是利用重核U)分裂成两个中等质量的核,A是α衰变,B 项中都是轻核,C项中是人工转变,也都是轻核;故正确选项为D。
4.核反应堆是实现可控制的重核裂变链式反应的一种装置,它的主要组成部分是( )A.核燃料,减速剂,冷却系统和控制调节系统B.核燃料,减速剂,发热系统和传热系统C.核燃料,调速剂,碰撞系统和传热系统D.核燃料,中子源,原子能聚存和输送系统【解析】选A。
核反应堆的主要部分包括:①核燃料,即铀235。
②减速剂,采用石墨、重水和普通水。
③控制棒,控制链式反应的速度。
④冷却系统,水或液态钠等流体在反应堆内外循环流动,把反应堆的热量传输出去用于发电,故A正确,B、C、D错误。
高中物理 3.53.6 核裂变 核聚变课件 教科版选修35
②核子分裂：核子间的距离增大，因而核力迅速减弱， 使得原子核由于质子间的斥力作用而分裂成几块，同 时放出2～3个中子，这些中子又引起其他铀核裂变， 这样，裂变反应一代接一代继续下去，形成链式反应.
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三、核聚变发生的条件及特点
要点提炼
1.从比结合能的图线看，轻核聚变后比结合能增加，因此 聚变反应是一个 放能 反应. 2.聚变发生的条件：要使轻核聚变，必须使轻核接近核力 发生作用的距离 10－15 m，这要克服电荷间强大的斥力作用， 要求使轻核具有足够大的动能.要使原子核具有足够大的动 能，就要给它们 加热 ，使物质达到几百万开尔文的高温.
图1
答案 中等质量的原子核的核子的平均质量较小，重 核和轻核的核子的平均质量较大. 从题图中可以看出，铁原子核中核子的平均质量最小. 如果原子序数较大的重核A分裂成原子序数小一些的核 B和C，会有质量亏损，放出巨大的核能.获得核能的主 要途径：一是重核裂变，二是轻核聚变.
要点提炼
铀核裂变释放核能的计算 1.首先算出裂变反应中发生的质量亏损Δm. 2.根据 ΔE＝Δmc2 计算释放的核能 计算时注意Δm与ΔE单位的对应关系，若Δm用kg做单 位，ΔE用J做单位；Δm用u做单位，ΔE用MeV做单位， 1 u相当于931.5 MeV的能量.
3.若计算一定质量的铀块完全裂变时放出的核能，应先 算出铀块中有多少个铀核(设为n)，则铀块裂变释放的 核能E＝ nΔE .
例2 2011年3月11日，日本发生了9.1级大地震，并引发 海啸，在此次灾害中，日本福岛核电站发生了核泄露， 对附近的环境造成了很大的危害.核泄露产生的射线具有 非常大的危害性，能够使动植物体内的细胞发生癌变， 致使生物死亡.根据以上材料回答以下问题：核电站的发 电原理是通过核裂变产生巨大的能量，完成下面铀核裂 变可能的一个反应方程 23952U＋10n→14516Ba＋9326Kr ＋________，
高中物理课时自测当堂达标第三章原子核3.5核裂变教科版选修3-5(2021年整理)
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3.5 核裂变课时自测·当堂达标1.重核的裂变就是( ）A.重核分裂成核子的核反应B.重核分裂成许多质量很小的轻核的核反应C.重核分裂成两个或两个以上中等质量的核的核反应D。
中等质量的核分裂为质量很小的轻核的核反应【解析】选C。
重核的裂变是重核分裂成两个或两个以上中等质量的核的核反应，不是分裂成核子,A错;也不是分裂成质量很小的轻核，B错；是重核分裂，而不是中等质量的核分裂,D错,故正确选项为C。
2.核反应堆中的镉棒的作用是( )A.减少中子能量,使快中子变成慢中子B。
调节中子数目,控制反应速度C。
屏蔽射线,以防伤害人身体D.控制反应堆的温度【解析】选B。
减速剂的作用是使快中子变成慢中子，A错;隔棒能够吸收中子,所以可以控制反应速度,B正确；隔棒在反应堆内部,不可能屏蔽射线，C错；冷却剂的作用是控制反应堆的温度，D错；故正确选项为B。
3.从四川省核电站发展论坛上传出消息:四川首家核电站建成后，对四川乃至中国西部地区GDP 增长和一、二、三产业的拉动将起到巨大作用.关于核电站获取核能的基本核反应方程可能是( ）A U Th HeB H H He nC N He O HD U n Sr Xe+1n【解析】选D。
高中物理 第三章 核反应与核能滚动检测 教科版选修35
(时间：60分钟 满分：100分)一、选择题(本题共8小题，共56分)1．物理学是一门以实验为基础的学科，任何理论和学说的建立都离不开实验，下面有关物理理论或学说关系的说法中正确的是( )．A ．α粒子散射实验表明了原来具有核式结构B ．光电效应实验证实了光具有粒子性C ．电子的发现表明了原子不是构成物质的最小微粒D ．天然放射现象的发现证实了玻尔原子理论解析 选项A 、B 、C 的描述是正确的、弗兰克——赫兹实验证实了玻尔原子理论，D 错． 答案 ABC2．一个氡核22286Rn 衰成钋核21884Po 并放出一个粒子，其半衰期为3.8天.1 g 氡经过7.6天衰变掉氡的质量，以及22286Rn 衰变成的过程放出的粒子是( )．A ．0.25 g ，α粒子B ．0.75 g ，α粒子C ．0.25 g ，β粒子D ．0.75 g ，β粒子解析 7.6天是两个半衰期，剩下的质量占原来的14，1 g 氡衰变掉的质量为0.75 g ，又由质量数和电荷数守恒可知 ，放出的粒子质量数是4，核电荷数2，该粒子是α粒子，因而B 对． 答案 B3．一块含铀的矿石质量为M ，其中铀元素的质量为m ，铀发生一系列衰变，最终生成物为铅，已知铀的半衰期为T ，那么下列说法中正确的有( )．A 经过两个半衰期后，这块矿石中基本不再含有铀了B ．经过两个半衰期后，原来所含的铀元素的原子核有m2发生了衰变C ．经过三个半衰期后，其中铀元素的质量还剩m8D ．经过一个半衰期后，该矿石的质量剩下M2解析 经过两个半衰期后矿石中剩余的铀应该还有m 4，经过三个半衰期后还剩m8.因为衰变产物大部分仍然留在该矿石中，所以矿石质量没有太大的改变．本题选C. 答案 C4．原子核238 92U经放射性衰变①变为原子核234 90Th，继而经放射性衰变②变为原子核234 91Pa，再经放射性衰变③变为原子核234 92U，放射性衰变①、②和③依次为( )．A．α衰变、β衰变和β衰变B．β衰变、β衰变和α衰变C．β衰变、α衰变和β衰变D．α衰变、β衰变和α衰变解析238 92U,234 90Th，质量数少4，电荷数少2，说明①为α衰变，234 90Th,234 91Pa，质子数加1，说明②为β衰变，中子转化成质子.234 91Pa,234 92U，质子数加1，说明③为β衰变，中子转化成质子．答案 A5．下列说法正确的是( )．A．任何元素都具有放射性B．同一元素，单质具有放射性，化合物可能没有C．元素的放射性与温度无关D．放射性就是该元素的化学性质解析原子序数大于83的所有元素都有放射性，小于等于83的元素有的就没有放射性，所以A错；放射性是由原子核内部因素决定的，与该元素的物理、化学状态无关，所以C对，B、D错，故选C.答案 C6．以下说法中正确的是( )．A．原子中含有带负电的电子，所以原子带负电B．原子核中的质子数一定跟核外电子数相等C．用α粒子轰击氮、氟、钠、铝等元素的原子核都可以打出质子，因此人们断定质子是原子核的组成部分D．绝大多数原子核的质量跟质子质量之比都大于原子核的电荷量跟质子的电荷量之比，因而原子核内还存在一种不带电的中性粒子解析原子中除了带负电的电子外，还有带正电的质子，整个原子可能呈电中性，故A 错；对于中性原子来说原子核中的质子数才跟核外电子数相等，故B不确切；正是用α粒子轰击原子核的实验才发现了质子，故C正确；因为绝大多数原子核的质量跟质子质量之比都大于原子核的电荷量跟质子的电荷量之比，才确定原子核内必还有别的中性粒子存在，故D 正确． 答案 CD7．美国科研人员正在研制一种新型镍铜长效电池，它是采用半衰期长达100年的放射性同位素镍63()6328Ni 和铜两种金属作为长寿命电池的材料，利用镍63发生β衰变时释放电子给铜片，把镍63和铜片做电池两极外接负载为负载提供电能．下面有关该电池的说法正确的是：( )．A ．镍63的衰变方程是6328Ni ―→ 0－1e ＋6327Cu B ．镍63的衰变方程是6328Ni ―→ 0－1e ＋6329Cu C ．外接负载时镍63的电势比铜片高 D ．该电池内电流方向是从镍到铜片解析 镍63和铜片作为电池两极，由于镍63发生β衰变释放电子给铜片，故在电池内部电子由镍63移到铜片，镍63应为电池的正极． 答案 BC8．下列关于天然放射现象的说法正确的是( )．A ．放射性元素的原子核内的核子有半数发生变化所需的时间就是半衰期B ．放射性物质放出的射线中，α粒子动能很大，因此贯穿物质的本领很强C ．当放射性元素的原子的核外电子具有较高能量时，将发生β衰变D ．放射性的原子核发生衰变后产生的新核从高能级向低能级跃迁时，辐射出γ射线 解析 半衰期是指放射性元素的原子核有半数发生衰变所用的时间，故A 错误；α、β、γ三种射线中，α粒子速度最小，其贯穿本领最小，故B 错误；β衰变的原因是原子核内部的中子转化为质子时产生了电子，故C 错误；衰变后产生的新核从高能级向低能级跃迁时，释放能量，辐射出γ射线，故D 正确． 答案 D二、非选择题(本题共4小题，共44分)9．(9分)2011年3月11日，当地时间14时46分，大自然骤然间露出狰狞面目，一场9.0级剧烈地震袭击了日本．地震之后则是海啸， 3月11日，东京电力公司福岛第一核电站自动停止运转，随着一号机组、三号机组、二号机组和四号机组的相继爆炸和起火，“核危机”的阴云笼罩日本列岛乃至整个世界如图1-所示．放射性剂量的标准单位叫做西弗，定义是每千克人体组织吸收1焦耳能量(放射过程中释放的能量)为1西弗.1西弗＝1 000毫西弗；1毫西弗＝1 000微西弗．雷姆(rem)是测量辐射对人体伤害的剂量的单位，1雷姆(rem)＝0.01 J/kg. 1雷姆(rem)＝________西弗＝________毫西弗＝________微西弗．图1答案 10－210 10410．(11分)一小瓶含有某种放射性同位素的溶液，每分钟衰变6 000次，将它注射到某人的血液中，经过15 h 后从此人身上取出10 mL 的血液，测得每分钟有2次衰变，已知这种同位素的半衰期为5 h ，试计算这个人血液的总体积为多少？解析 根据放射性元素的衰变规律可知，放射性元素在单位时间内的衰变数量与放射性元素的含量成正比，设原来溶液中放射性同位素的含量为m 0，经过15 h 后变为m ，则m＝m 0⎝ ⎛⎭⎪⎫12155＝m 08.设取出10 mL 的血液中放射性同位素的质量为m ′，人体内的血液体积为V ，如果认为含放射性的溶液在血液中是均匀分布的．则有m V ＝m ′V ′，故V ＝mm ′V ′，又由单位时间衰变数量与放射性物质的含量成正比． 即m m ′＝18m 0m ′＝6 00016 所以V ＝m m ′V ′＝6 00016×10 mL＝3.75×103mL. 答案 3.75×103mL11．(12分)1930年科学家发现钋放出的射线贯穿能力极强，它甚至能穿透几厘米厚的铅板，1932年，英国年轻物理学家查德威克用这种未知射线分别轰击氢原子和氮原子，结果打出一些氢核和氮核．若未知射线均与静止的氢核和氮核正碰，测出被打出的氢核最大速度为v H ＝3.5×107m/s ，被打出的氮核的最大速度v N ＝4.7×106m/s ，假定正碰时无机械能损失，设未知射线中粒子质量为m ，初速为v ，质子的质量为m ′. (1)推导被打出的氢核和氮核的速度表达式；(2)根据上述数据，推算出未知射线中粒子的质量m 与质子的质量m ′之比(已知氮核质量为氢核质量的14倍)．解析 (1)碰撞满足动量守恒和机械能守恒，与氢核碰撞时有mv ＝mv 1＋m H v H ，12mv 2＝12mv 21＋12m H v 2H解之得v H ＝2m m ＋m H v ，同理可得v N ＝2mm ＋m Nv . (2)由上面可得v H v N ＝m ＋m N m ＋m H ，代入数据得m m ′＝mm H＝1.016 5.答案 见解析12．(12分)如图2-所示，在xOy 平面上，一个以原点O 为中心、半径为R 的圆形区域内存在着一匀强磁场，磁场的磁感应强度为B ，方向垂直于xOy 平面向内．在O 处原来静止着一个具有放射性的原子核137N(氮)，某时刻该核发生衰变，放出一个正电子和一个反冲核．已知正电子从O 点射出时沿x 轴正方向，而反冲核刚好不会离开磁场区域，正电子电荷量为e .不计重力影响和粒子间的相互作用．图2(1)试写出137N 的衰变方程；(2)求正电子离开磁场区域时的位置． 解析 (1)137N→136C ＋ 0＋1e.(2)设正电子质量为m 1，速度为v 1，轨道半径为R 1，反冲核质量为m 2，速度为v 2，轨道半径为R 2.如图所示，正电子电荷量为e ，反冲核电荷量q ＝6e .据动量守恒定律，有m 1v 1＝m 2v 2，正电子的轨道半径R 1＝m 1v 1eB，反冲核的轨道半径R 2＝m 2v 26eB ，据题意知R 2＝R2，由以上各式得R 1＝3R ，设正电子离开磁场区域的位置坐标为(x ，y )，由几何关系得x 2＋y 2＝R 2，x 2＋(3R －y )2＝(3R )2， 解得x ＝356R ，y ＝16R . 答案 见解析。
2016-2017学年高中物理 第3章 原子核 2 放射性 衰变自我小测 教科版选修3-5
放射性衰变1关于天然放射现象和对放射性的研究，下列说法正确的是( )A．是居里夫妇首先发现的B．说明了原子核不是单一的粒子C．γ射线伴随α射线或β射线而产生D．任何放射性元素都能同时发出三种射线2最早发现天然放射现象的科学家是( )A．卢瑟福B．贝克勒尔C．爱因斯坦D．查德威克3(2009上海单科，1)放射性元素衰变时放出的三种射线，按穿透能力由强到弱的排列顺序是( )A．α射线，β射线，γ射线B．γ射线，β射线，α射线C．γ射线，α射线，β射线D．β射线，α射线，γ射线4原子序数大于或等于83的所有元素，都能自发地放出射线．这些射线共有三种：α射线、β射线和γ射线．下列说法正确的是( )A．原子核每放出一个α粒子，原子序数减少4B．原子核每放出一个α粒子，原子序数增加4C．原子核每放出一个β粒子，原子序数减少1D．原子核每放出一个β粒子，原子序数增加15最近几年，研究原子核的科学家在超重元素的探测方面取得了重大进展，1996年科学家在研究某两个重离子结合成超重元素的反应时，发现生成的超重元素的核A Z X经过6次α衰变后的产物是253100Fm，由此可以判断生成的超重元素的原子序数和质量数分别为( ) A．124,259 B．124,265C．112,165 D．112,2776原子核发生β衰变时，产生的β粒子是( )A．原子核外的最外层电子B．原子核外的电子跃迁时放出的光子C．原子核内存在着的电子D．原子核内的一个中子变成一个质子时，放出的一个电子7由原子核的衰变规律可知( )A．放射性元素发生一次衰变可同时产生α射线和β射线B．放射性元素发生β衰变时，新核的化学性质不变C．放射性元素发生衰变的快慢不可人为控制D．放射性元素发生正电子衰变时，新核质量不变，核电荷数增加18关于放射性元素的半衰期，下列说法正确的是( )A．是原子核质量减少一半所需的时间B．是原子核半数发生衰变所需的时间C．与外界压强和温度有关，与原子的化学状态无关D．可以用于测定地质年代、生物年代等9关于放射性同位素，下列说法中正确的是…()A．放射性同位素和放射性元素一样，都有一定的半衰期，衰变规律一样B．放射性同位素衰变可以生成另一种新元素C．放射性同位素只能是天然衰变时产生，不能用人工方法D．以上说法都不对10地球的年龄到底有多大，科学家利用天然放射性元素的衰变规律，通过对目前发现的最古老的岩石中铀和铅含量的测定，推算出该岩石中含有的铀是岩石形成初期时的一半．铀238衰变后形成铅206，铀238的相对含量随时间变化规律如图3－2－3所示，图中N为铀238的原子数，N0为铀和铅的总原子数．由此可以判断出( )图3－2－3A．铀238的半衰期为90亿年B．地球的年龄大致为45亿年C．被测定的古老岩石样品在90亿年时的铀、铅比例约为1∶4D．被测定的古老岩石样品在90亿年时铀、铅比例约为1∶311测得某矿石中铀、铅质量比为1.17∶1，假设开始时矿石只含有铀238，发生衰变的铀238都变成了铅206.已知铀238的半衰期T1/2＝4.5×109年，求矿石的年龄．12静止状态的镭原子核22888Ra经一次α衰变后变成一个新核．(1)写出核衰变方程．(2)若测得放出的α粒子的动能为E1，求反冲核的动能E2及镭核衰变时放出的总能量E.1323892U核经一系列的衰变后变为20682Pb核，问：(1)一共经过几次α衰变和几次β衰变？(2)20682Pb与23892U相比，质子数和中子数各少多少？(3)综合写出这一衰变过程的方程．参考答案1解析：首先发现天然放射现象的是法国的贝克勒尔，A错．放射现象的研究揭示了原子核不是单一粒子，原子核也有复杂结构，B正确．在原子核放射α粒子或β粒子时，多余的能量会以γ射线放出，若没有多余能量，也可以不辐射γ射线，并且γ射线不能单独在衰变中产生，C正确、D错．答案：BC2答案：B3解析：γ射线是高频电磁波，β射线是速度为光速十分之九的电子流，α射线是速度为光速十分之一的、质量较大的氦原子核，它们的穿透能力依次减弱．答案：B4解析：发生一次α衰变，核电荷数减少2，质量数减少4，原子序数减少2；发生一次β衰变，核电荷数增加1，质量数不变，原子序数增加1.答案：D5解析：由质量数守恒和电荷数守恒得：X 质量数等于253＋4×6＝277，原子序数等于100＋2×6＝112，所以选D.答案：D6解析：因为原子核是由带正电的质子和不带电的中子组成的，原子核内不含有电子，所以在一定条件下一个中子可以转化成一个质子和一个负电子，一个质子可以转化成一个中子和一个正电子，其转化可用下式表示：10n→11H ＋ 0－1e ，11H→10n ＋01e.由此式可看出β粒子(负电子)是由原子核内的中子转化而来的，正电子是由原子核内的质子转化而来的，故D 正确．答案：D7解析：一次衰变不可能同时产生α射线和β射线，只可能同时产生α射线和γ射线或β射线和γ射线；原子核发生β衰变后，新核的核电荷数发生了变化，故新核(新的物质)的化学性质应发生改变；原子核发生正电子衰变后，新核的质量数不变，核电荷数减少1.答案：C8解析：原子核的衰变是由原子核的内部因素决定的，与外界环境无关．原子核的衰变有一定的速率，每隔一定的时间即半衰期，原子核就衰变掉总数的一半．不同种类的原子核，其半衰期也不同，可用于测定地质年代、生物年代等．故B 、D 正确．答案：BD9解析：放射性同位素和放射性元素性质一样，都有一定的半衰期，衰变规律一样，A 对；放射性同位素衰变可以生成另一种新元素，B 对；人类已经用人工方法得到了很多放射性同位素，C 错．答案：AB10解析：由图像得该元素半衰期为45亿年，再由公式(12)n ＝12，n ＝1，为一个半衰期，所以选项B 正确；由图像可知，在90亿年时铀的相对含量为0.25，所以D 选项正确．答案：BD11解析：设矿石的年龄为t ，开始矿石中有m 0(千克)的铀238，经n 个半衰期后，剩余铀m(千克)，则m ＝m 0(12)n ，n ＝t T 1/2，衰变掉的铀m 0－m ＝m 0[1－(12)n ]，一个铀核衰变成一个铅核，设生成铅x(千克)，则m 0[1－12n ]x ＝238206，x ＝206238m 0[1－(12)n ]， 根据题意有m x ＝1.171，即m 012n206238m 0[1－12n ]＝1.171 解得n≈1，即t ＝T 1/2＝4.5×109年．答案：4.5×109年12解析：(1)228 88Ra→224 86Rn ＋42He. (2)由动量守恒定律得m 1v 1－m 2v 2＝0，式中m 1、m 2、v 1、v 2分别为α粒子及新核的质量和速度，则反冲核的动能为：E 2＝12m 2v 22＝12m 2(m 1v 1m 2)2＝E 1·m 1m 2＝156E 1， 则衰变放出的总能量为E ＝E 1＋E 2＝5756E 1，发生α衰变时遵循动量守恒定律和能量守恒． 答案：(1)228 88Ra→224 86Rn ＋42He (2)156E 1 5756E 1 13解析：(1)设238 92U 衰变为20682Pb 经过x 次α衰变和y 次β衰变．由质量数守恒和电荷数守恒可得：238＝206＋4x,92＝82＋2x －y两式联立得：x ＝8，y ＝6.即一共经过8次α衰变和6次β衰变．(2)由于每发生一次α衰变质子数和中子数均减少2，每发生一次β衰变中子数减少1，而质子数增加1，故206 82Pb 较238 92U 质子数少10，中子数少22.(3)核反应方程为：238 92U→206 82Pb ＋842He ＋6 0－1 e.答案：(1)8,6 (2)10,22 (3)238 92U→206 82Pb ＋842He ＋6 0－1 e.。
2018-2019学年高中物理(教科版选修3-5)学业分层测评：第3章 6.核聚变 7.粒子物理学简介(选学) Word版含
学业分层测评(十三)(建议用时：45分钟)1．(多选)关于人们发现的新粒子，下列说法正确的是 ( )A．许多粒子都有自己的反粒子B．把粒子分为强子、轻子、媒介子，根据是粒子与各种相互作用的关系C．质子属于强子D．光子属于轻子【解析】根据粒子的分类、粒子与反粒子描述知A、B、C正确；光子属媒介子，D错误．【答案】ABC2．(多选)下列说法正确的是 ( )A．聚变是裂变的逆反应B．核聚变反应须将反应物加热到数百万开尔文以上的高温，反应时放出能量C．轻核聚变比裂变更为安全、清洁D．强子是参与强相互作用的粒子，中子是最早发现的强子【解析】聚变和裂变的反应物和生成物完全不同，两者无直接关系，并非互为逆反应，故A错；实现聚变反应必须使参加反应的轻核充分接近，需要数百万开尔文的高温，但聚变反应一旦实现，所释放的能量远大于所吸收的能量，所以聚变反应还是释放能量，故B正确；实现聚变需要高温，一旦出现故障，高温不能维持，反应就自动终止了，另外，聚变反应比裂变反应生成的废物数量少，容易处理，故C正确；质子是最早发现的强子，故D错．【答案】BC3．(多选)重核裂变和轻核聚变是人们获得核能的两个途径，下列说法中正确的是( )A．裂变过程质量增加B．裂变过程质量亏损C．裂变过程和聚变过程都有质量增加D．聚变过程有质量亏损【解析】重核裂变和轻核聚变都能释放巨大的能量，由爱因斯坦质能方程知两过程均会有质量亏损．【答案】BD4．下列所述正确的是( )【导学号：22482054】A．强子是参与强相互作用的粒子B．轻子是参与强相互作用的粒子C．目前发现的轻子只有8种D．光子是传递弱相互作用的粒子【解析】由三类粒子的特性可知A正确，B、D错误；而目前发现的轻子只有6种，C错误．【答案】 A5．关于核聚变，以下说法正确的是( ) A ．与裂变相比轻核聚变辐射极少，更为安全、清洁 B ．世界上已经有利用核聚变能来发电的核电站 C ．要使轻核发生聚变，必须使它们的距离达到10－10m 以内，核力才能起作用D ．核聚变比核裂变更易控制【解析】 与裂变相比，核聚变有下面的几个优势：(1)安全、清洁、辐射少；(2)核燃料储量多；(3)核废料易处理．但核聚变不易控制，其发电还没有投入实际运行，B 、C 、D 错误，A 正确．【答案】 A6．(多选)能源是社会发展的基础，发展核能是解决能源问题的途径之一，下列释放核能的反应方程，表述正确的是( )A.31H ＋21H ―→42He ＋10n 是核聚变反应 B.31H ＋21H ―→42He ＋10n 是β衰变C.23592U ＋10n ―→14456Ba ＋8936Kr ＋310n 是核裂变反应 D.23592U ＋10n ―→14054Xe ＋9438Sr ＋210n 是α衰变【解析】 31H ＋21H ―→42He ＋10n 是轻核聚变反应，A 正确，B 错误；23592U ＋10n ―→14456Ba ＋8936Kr ＋310n 和23592U ＋10n ―→14054Xe ＋9438Sr ＋210n 均为重核裂变反应，C 正确，D 错误．【答案】 AC7．“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，但电荷符号相反，则反氢原子是由1个带负电荷的________和1个带正电荷的________构成．【解析】 根据反粒子定义，“反粒子”与“正粒子”具有相同质量，但带有等量的异种电荷．因此反氢原子是由 1－1H 核和01e 构成的．【答案】 反质子 正电子8．已知π＋介子、π－介子都是由一个夸克(夸克u 或夸克d)和一个反夸克(反夸克u 或反夸克d )组成的，它们的带电荷量如表所示，表中e 为元电荷.由此可知π＋由【解析】 因π＋介子带有＋e 的电荷量，且是由一个夸克和一个反夸克组成的，则夸克u 带＋23e 和反夸克d 带＋13e 合成电荷量为e ，那么π＋介子就是由夸克u 和反夸克d 组成的；同理，π－介子由夸克d 和反夸克u组成．【答案】 u d d u9．(多选)我国最新一代核聚变装置“EAST”在安徽合肥首次放电，显示了EAST 装置具有良好的整体性能，使等离子体约束时间达1 000 s ，温度超过1亿摄氏度，这标志着我国磁约束核聚变研究进入国际先进水平．合肥也成为世界上第一个建成此类全超导非圆截面核聚变实验装置并能实际运行的地方．核聚变的主要原料是氘，在海水中含量极其丰富．已知氘核的质量为m1，中子的质量为m2，32He的质量为m3，质子的质量为m4，则下列说法中正确的是 ( )A．两个氘核聚变成一个32He所产生的另一个粒子是质子B．两个氘核聚变成一个32He所产生的另一个粒子是中子C．两个氘核聚变成一个32He所释放的核能为(2m1－m3－m4)c2D．两个氘核聚变成一个32He所释放的核能为(2m1－m3－m2)c2【解析】由核反应方程221H→32He＋10X知X应为中子，释放的核能应为ΔE＝(2m1－m3－m2)c2，故A、C错误，B、D正确．【答案】BD10．K－介子衰变的方程为K－→π－＋π0，其中K－介子和π－介子所带负电的电荷量为元电荷，π0介子不带电．如图362所示的1个K－介子沿垂直于磁场的方向射入匀强磁场中，其轨迹为圆弧AP，衰变后产生的π－介子的轨迹为圆弧PB，两轨迹在P点相切，它的半径R－K与R－π之比为2∶1，π0介子的轨迹未画出，由此可知，π－的动量大小与π0的动量大小之比为________．图362【解析】根据洛伦兹力提供向心力知，qvB＝mv2/R，故有p＝mv＝qBR，所以K－与π－的动量大小之比为2∶1，规定K－的方向为正方向，由动量守恒定律得：p K－＝－pπ－＋pπ0，所以pπ0＝3pπ－.【答案】1∶311．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)【导学号：22482055】(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?【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＝0.003 5×931.5 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，E1E2＝p22m1∶p22m2＝m2m1＝3，E2＝E13＝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 MeV12．有一种聚变反应是四个氢核聚变成一个氦核，同时放出两个正电子．求：(1)该聚变反应释放多少能量？(2)若1 g氢完全聚变，能释放多少能量？(3)1 g氢完全聚变，释放的能量相当于多少煤完全燃烧放出的热能？(已知煤的热值q＝3.36×107 J/kg，氢核质量为1.008 142 u，氦核质量为4.001 509 u，电子的质量为0.000 549 u)【解析】(1)核反应方程为：411H―→42He＋201e，所以Δm＝4m H－m He－2m e＝4×1.008 142 u－4.001 509 u －2×0.000 549 u＝0.029 961 uΔE＝0.029 961×931.5 MeV＝27.91 MeV＝4.47×10－12 J.(2)1 g氢完全聚变释放的能量为E＝14×6.02×1023×4.47×10－12 J＝6.73×1011 J(3)相当于煤完全燃烧的质量为：m＝6.73×10113.36×107kg＝2.00×104 kg.【答案】(1)4.47×10－12 J (2)6.73×1011 J (3)2.00×104 kg。
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核聚变
1太阳辐射能量主要来自太阳内部的( )
A．化学反应 B．放射性衰变
C．裂变反应 D．热核反应
2下列核反应方程中，表示轻核聚变的方程是( )
A.14 6C→14 7N＋0－1e B.238 92U→234 90Th＋42He
C.3015P→3014Si＋01e D.21H＋31H→42He＋10n
3关于对核聚变的理解，下列正确的是( )
A．聚变是裂变的逆反应
B．如果裂变释放能量，则聚变反应必定吸收能量
C．要实现聚变反应需将反应物加热至数百万度以上高温，显然是吸收能量
D．裂变与聚变均可释放巨大能量
4一个氘核(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．该
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
5(2009广东单科，2)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
6一个氘核与一个氚核结合成一个氦核的过程中释放的能量为ΔE，已知阿伏加德罗常数
为NA，则2 g氘和3 g氚结合成氦核时释放的能量为( )
A．NAΔE B．2NAΔE
C．5NAΔE D．5ΔE/NA
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7下列关于聚变的说法中，正确的是( )
A．要使聚变产生，必须克服核力做功
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．太阳和许多恒星内部都在激烈地进行着热核反应
8要使氘核发生聚变反应，必须使它们之间的距离接近到r0，也就是接近到核力能够发生
作用的范围，物质温度很高时，氘原子将变为等离子体，等离子体的分子平均动能为Ek＝3K1T2，
K1叫玻耳兹曼常数，T为热力学温度，两个氘核之间的电势能为Ep＝ke2r0，r0为电荷之间的距
离，则氘核聚变的温度至少为( )
A.ke2K1r0 B.ke22K1r0
C.ke23K1r0 D.ke24K1r0
9(2009安徽理综，14)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，放出能量．这几种反应的总效果可
以表示为6 21H―→k 42He＋d 11H＋2 10n＋43.15 MeV
由平衡条件可知( )
A．k＝1，d＝4 B．k＝2，d＝2
C．k＝1，d＝6 D．k＝2，d＝3
10朝鲜的“核危机”引起了全世界的瞩目，其焦点问题就是朝鲜核电站采用的是轻水堆
还是重水堆．因为重水堆核电站在发电的同时还可生产出供研制核武器的钚239(239 94Pu)．这种
239 94Pu可由铀239(239
92
U)经过衰变而产生，则( )
A.239 94Pu与239 92U的核内具有相同的中子数
B.239 92U经过2次β衰变产生239 94Pu
C.239 94Pu与239 92U的核内具有相同的质子数
D.239 92U经过1次α衰变产生239 94Pu
11(2009重庆高考，16)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＋12 6C―→13 7N＋Q1，11H＋15 7N→12
6C＋X＋Q2
方程中Q1、Q2表示释放的能量，相关的原子核质量见下表：
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原子核 11H 31He 42He 12 6C 13 7N 15 7N
质量/u 1.007 8 3.016 0 4.002 6 12.000 0 13.005 7 15.000 1
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
12太阳内部持续不断地发生着四个质子聚变成为一个氦核的反应．物理学家们普遍相信
太阳发光是由于其内部不断发生从氢核到氦核的核聚变反应．根据这一理论，在太阳内部4
个氢核(11H)转化成一个氦核(42He)和两个正电子(01e)并放出能量．这个核反应释放出的大量能量
就是太阳的能源．
(1)写出这个核反应方程式．
(2)这一核反应释放出多少能量？
(3)根据太阳每秒释放能量3.8×1026 J计算每秒钟太阳质量的减少量．
(mp＝1.007 3 u，mα＝4.001 5 u，me＝0.000 55 u)
13氘发生热核反应有如下4种情况，而且每种情况几率相同(大量粒子的统计规律)．
21H＋31H→42He＋1
0
n＋17.6 MeV，
21H＋21H→31H＋1
1
H＋4 MeV，
21H＋21H→32He＋1
0
n＋3.3 MeV，
32He＋21H→42He＋1
1
H＋18.3 MeV.
1 L海水中大约有0.03 g的氘，如果这些氘完全聚变，释放的能量为多少？
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参考答案
1解析：太阳内部发生的是热核反应，这种反应放出的能量极大．
答案：D
2解析：聚变是轻核结合成质量较大的核的过程，A、B、C均属于原子核的衰变，D是轻
核的聚变反应．
答案：D
3解析：从形式上看，裂变与聚变似乎是互为逆反应，但其实不然，因为二者的反应物与
生成物全然不同．裂变是重核分裂成中等核，而聚变则是轻核聚合成为次轻核，无直接关联，
并非直接为逆反应．既然裂变与聚变不是互为逆反应，则在能量的流向上也不必相反．要实
现聚变反应，必须使参加反应的轻核充分接近，需要数百万度高温提供能量，但聚变反应一
旦发生，所释放的能量远大于所吸收的能量，因此总的来说，聚变反应还是释放能量．故D
正确．
答案：D
4解析：由质量数和电荷数守恒可判断产生的新核是42He，其核反应方程式为21H＋31H→42He
＋10n；由聚变反应中出现质量亏损可知，该反应放出能量，故B正确．
答案：B
5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．
答案：B
6解析：2 g氘与3 g氚的物质的量都是1 mol，它们聚变后结合成1 mol氦核，所以释
放出的核能为NAΔE.
答案：A
7解析：轻核聚变时，必须使轻核之间距离达到10－15 m，所以必须克服库仑斥力做功，
而不是克服核力做功，故A错．原子核必须有足够大的动能，才能使它们接近到核力起作用
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在进行着激烈的热核反应，
D正确．
答案：BCD
8解析：由能量守恒知要使氘核能够发生聚变，需2Ek≥Ep，即2×3K1T2≥ke2r0，所以T≥ke23K1r0，
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C正确．
答案：C
9解析：根据核反应过程中质量数守恒、电荷数守恒知 2k＋d＝64k＋d＋2＝12解得 k＝2d＝2，
B对．
答案：B
10解析：239 94Pu与239 92U的质量数相同，核电荷数(质子数)不同，所以中子数也不同．
答案：B
11解析：由核反应方程遵循质量数守恒和电荷数守恒知：X是42He，排除A、C选项；由题
知：前一核反应过程的质量亏损Δm1＝(1.008 7＋12.000 0－13.005 7) u＝0.003 0 u，而
后一核反应的质量亏损Δm2＝(1.008 7＋15.000 1－12.000 0－4.002 6) u＝0.006 2 u，Δm
2
＞Δm1，故Q2＞Q1，D错，B正确．
答案：B
12解析：(1)核反应方程式为：411H→42He＋201e.
(2)核聚变过程中的质量亏损为：Δm＝4mp－mα－2me＝0.026 6 u，
核聚变过程中放出的能量：ΔE＝Δm×931.5 MeV＝0.026 6×931.5 MeV＝24.78 MeV.
(3)由ΔE＝Δmc2得每秒太阳质量减少Δm＝ΔEc2＝3.8×10263.0×1082 kg＝4.2×109 kg.
答案：(1)411H→42He＋201e (2)24.78 MeV (3)4.2×109 kg
13解析：将以上四个核反应方程式进行合并可得：321H→42He＋11H＋10n＋21.6 MeV.
1 L海水中所含氘核的个数为：
n＝mMNA＝0.032×6.02×1023个＝9.03×1021个，
这些氘核完全聚变放出的能量为：
E＝13n×21.6 MeV＝13×9.03×1021×21.6 MeV＝6.5×1022 MeV＝1.04×1010 J.
答案：1.04×1010 J