高中物理 ..8核聚变 粒子和宇宙课时训练高二物理试题

实蹲市安分阳光实验学校19.7-19.8核聚变 粒子和宇宙
【小题达标练】 一、选择题
1.(多选)(2015·高二检测)关于核反的类型,下列表述正确的 有 ( )
A.238234492902U Th He +→是α衰变
B.1441717281N He O H ++→是β衰变
C .12H +13H →24He +01
n 是轻核聚变 D .3482Se →3682Kr+2−10e 是重核裂变
【解析】选A 、C 。

选项A 是α衰变,选项B 是原子核的人工转变,选项C 是核聚变,选项D 是β衰变,选项A 、C 正确。

2.正电子是电子的反粒子,它跟电子的电量相,而电性相反,家设想在宇宙的某些可能存在完全由反粒子构成的物质——反物质。

1997年初和年底,欧和的研究机构先后宣布:他们分别制造出9个和7个反氢原子,这是人类探索反物质的一大进步。

你推测反氢原子的结构是 ( )
A.由一个带正电荷的质子与一个带负电荷的电子构成
B.由一个带负电荷的质子与一个带正电荷的电子构成
C.由一个不带电的中子与一个带负电荷的电子构成
D.由一个带负电荷的质子与一个带负电荷的电子构成
【解析】选B 。

反氢原子的结构该是反质子与反电子组成,即一个带负电荷的质子与一个带正电荷的电子构成。

3.(2015·高二检测)我国自行研制了可控热核反装置“超导托卡马克”(英名
称:EAST,俗称“人造太阳”)。

设可控热核反前氘核(12
H)的质量为m 1,氚核(13H)的质量为m 2,反后氦核(24He)的质量为m 3,中子(01n)的质量为m 4,光速为c,正确说法正
确的是 ( )
A.这种装置中发生的核反方程式是 12H +13H →24He +01n
B.由核反过程质量守恒可知m 1+m 2=m 3+m 4
C.核反放出的能量于(m 1-m 2-m 3-m 4)c 2
D.这种装置与我国大亚湾核电站所使用装置的核反原理相同
【解析】选A 。

核反方程为 12H +13H →24He +01n,选项A 正确;反过程中向外释放能量,
故质量有亏损,且释放的能量ΔE=Δmc 2=(m 1+m 2-m 3-m 4)c 2
,选项B 、C 错误;可控热核反为核聚变,大亚湾核电站所用核装置反原理为核裂变,选项D 错误。

【补偿训练】(多选)(2015·昆明高二检测)据华社报道,我国自行设计、研制的第一套全超导核聚变装置(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”的核反方程是 12H +13H →24He +01
n
B.“人造太阳”的核反方程是 92235U +01n →56141Ba +3692Kr+301n
C.“人造太阳”释放的能量大小的计算公式是ΔE=Δmc 2
D.“人造太阳”核能大小的计算公式是E=12
mc 2
【解析】选A 、C 。

“人造太阳”内进行的是核聚变反,符合质量数守恒,故A 正确,B 错误。

核反放出的能量由爱因斯坦质能方程计算,C 正确,D 错误。

4.下列说法正确的是 ( ) A.聚变是裂变的逆反
B.核聚变反须将反物加热到数百万开尔文以上的高温,显然是吸收能量
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】选C 。

聚变和裂变的反物和生成物完全不同,两者无直接关系,并非互为逆反,故A 错;实现聚变反必须使参加反的轻核充分接近,需要数百万开尔文的高温,但聚变反一旦实现,所释放的能量远大于所吸收的能量,所以聚变反还是释放能量,故B 错;实现聚变需要高温,一旦出现故障,高温不能维持,反就自动终止了,另外,聚变反比裂变反生成的废物数量少,容易处理,故C 对;质子是最早发现的强子,故D 错。

5.(2015·高二检测)关于粒子,下列说法中不正确的是 ( ) A.质子和中子是组成物质的不可再分的最基本的粒子 B.质子、中子本身也有复杂的结构 C.质子是带电的强子
D.夸克模型说明电子电荷不再是电荷的最小单位
【解析】选A 。

质子和中子是由不同夸克组成的,它们不是最基本的粒子,故选项A 错误,选项B 对;不同的夸克组成强子,有的强子带电,有的强子不带电,质子是最早发现的带正电的强子,故选项C 正确;夸克模型是研究强子的理论,不同
夸克带的电荷不同,分别为元电荷的+23或-1
3
,这说明电子电荷不再是电荷的最小单位,故选项D 正确。

6.(多选)关于轻核聚变,下列说法正确的是 ( ) A.两个轻核聚变为中质量的原子核时要吸收能量
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
大很多
C.聚变反的条件是聚变物质的体积达到临界体积
D.发生聚变反时的原子核必须有足够大的动能
【解析】选B 、D 。

根据比结合能图线可知,聚变后比结合能增加,因此聚变反中会释放能量,故A 错误;聚变反中平均每个核子放出的能量比裂变反中每个核子放出的能量大3～4倍,故B 正确;裂变反的条件是裂变物质的体积达到临界体积,而聚变反时,要使轻核之间的距离达到10-15
m 以内,这需要原子核有很大的动能才可以实现聚变反,故C 错误,D 正确。

【易错提醒】解答本题的两个易错点:
(1)忽略了中质量核的比结合能大,错选答案A 。

(2)与核裂变的条件混淆,错选答案C 。

7.某家提出年轻热星体中核聚变的一种理论,其中的两个核反方程为
11H +612
C →713N+Q 1
①, 11H +715N →612C+X+Q 2
②,
方程中Q 1、Q 2表示释放的能量,相关的原子核质量如表:
原子核 1
1H
31H
42
He
126C 137N 157N
质量/u
1.0078 3.0166 4.0026 1
2.0000 1
3.0057 15.0001
以下推断正确的是 ( )
A.X 是 23He,Q 2>Q 1
B.X 是 24
He,Q 2>Q 1 C.X 是 23He,Q 2<Q 1 D.X 是 24He,Q 2<Q 1
【解析】选B 。

由质量数守恒和电荷数守恒,可判断X 为 24He,①式的质量亏损为Δm 1=1.0078u+12.0000u-13.0057u=0.0021u 。

②式的质量亏损为Δm 2=1.0078u
+15.0001u-12.0000u-4.0026u=0.0053u,所以Δm 2>Δm 1根据质能方程ΔE=Δmc 2
可求解Q 2>Q 1,故选B 。

【互动探究】这两个核反方程放出的能量之差是多少? 【解析】ΔE=Δmc 2
=(0.0053u-0.0021u)×931.5MeV =2.981MeV 答案:2.981MeV 二、非选择题
8.(2013·高考)恒星向外辐射的能量来自于其内部发生的各种热核反,当温度达到108
K 时,可以发生“氦燃烧”。

(1)完成“氦燃烧”的核反方程:24He+
→48Be+γ。

(2)48Be 是一种不稳的粒子,其半衰期为2.6×10-16
s 。

一质量的 48Be,经7.8×10-16
s 后所剩 48Be 占开始时的___________。

【解题指南】解答本题时从以下两点进行分析: (1)核反方程与电荷数、质量数守恒; (2)半衰期及剩余质量的计算方法。

【解析】(1)根据核反方程和电荷数、质量数守恒可知,24He +24
He →48Be+γ。

(2)48Be 的半衰期为2.6×10-16s,经过7.8×10-16
s 后,也就是经过3个半衰期后剩
余的质量为m ′=(12)n
m=(1
2)3
m, 所剩 48Be 占开始时的18。

答案:(1)24He (2)18或12.5%
【大题提升练】
1.(1)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.核聚变反方程 12H +13H →24He +01n 中,01
n 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
(2)我国自行设计并研制的“人造太阳”——托卡马克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领域先进国家行列。

该反所进行的聚变过程
是 12H +13H →24He +01n,反原料氘(12H)富存于海水中,而氚(13H)是放射性元素,自然界中
不存在,但可以通过中子轰击锂核(36Li)的人工核转变得到。

①请把下列用中子轰击锂核(36Li)产生一个氚核(13H)和一个核的人工核转变方程
填写完整:
+01n
+13
H 。

②在①中,每产生1g 氚的同时有多少个 36Li 核实现了核转变?(阿伏加德罗常数N A 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。

【解析】(1)选D 。

α射线是氦原子核,A 错;01n 表示中子,B 错;据光电效方程E k m = h ν-W 0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。

(2)①核反方程为:36Li +01n →24
He +13H 。

②因为1g 氚为13mol,根据核反方程,实现核转变的 36Li 也为13
mol,所以有2.0×1023个 36Li 实现了核转变。

③根据爱因斯坦质能方程ΔE=Δmc 2
,核聚变反中有5个核子参加了反,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=ΔE
c
2
=2.8×10−12
(3×108)2kg=3.1×10-29
kg 。

答案:(1)D (2)①36
Li 24
He ②2.0×1023
个 ③3.1×10-29
kg 2.(1)(多选)如图所示,托卡马克(tokamak)是研究受控核聚变的一种装置,这个词是toroida L (环形的)、kamera(真空室)、magnet(磁)的头两个字母以及kotushka(线圈)的第一个字母组成的缩写词。

根据以上信息,下列判断中可能正确的是( )
A.这种装置的核反原理是轻核的聚变,同时释放出大量的能量,和太阳发光的原理类似
B.线圈的作用是通电产生磁场使带电粒子在磁场中旋转而不溢出
C.这种装置同我国秦山、大亚湾核电站所使用核装置的核反原理相同
D.这种装置是家设想的其中一种方案
E.该装置是利用聚变物质的惯性进行约束
(2)有一种聚变反是四个氢核聚变成一个氦核,同时放出两个正电子。

求: ①该聚变反释放多少能量?
②若1g 氢完全聚变,能释放多少能量?
③1g 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?(已知煤的燃烧值q=3.36×107J/kg,氢核质量为1.008142u,氦核质量为4.001509u,电子的质量为0.000549u)
【解析】(1)选A 、B 、D 。

聚变反原料在装置中发生聚变,放出能量,故A 对;线圈通电时产生磁场,带电粒子在磁场中受洛伦兹力作用旋转而不溢出,故B 对;
核电站的原理是裂变,托卡马克的原理是聚变,故C 错;该装置是家设想的其中一种方案,另一种方案是利用聚变物质的惯性进行约束,故D 对E 错。

(2)①核反方程为:411H →24
He+210e,
所以Δm=4m H -m He -2m e =4××0.000549u=0.029961u
ΔE=Δmc 2
=0.029961uc 2
=0.029961×931.5MeV=27.91MeV=4.47×10-12
J ②1g 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=6.73×1011
3.36×107kg=2.00×104
kg
答案:(1)A 、B 、D (2)①4.47×10-12
J ②6.73×1011
J ③2.00×104
kg
【补偿训练】(2015·高二检测)当一个中子和一个质子结合成氘核时,产生γ光子辐射,对这一事实,下列说法正确的是 ( )
A.上述事实的核反方程是: 12H+γ→11H +01
n
B.一个中子和一个质子结合成氘核时,要吸收一的能量
C.γ光子的质量为零,氘核的质量于中子与质子的质量之和
D.γ光子具有一的能量,氘核的质量小于中子与质子的质量之和
【解析】选D 。

根据质量数和电荷数守恒知,上述的核反方程为:11H +01n →12H+γ,A
错误;聚变反中有质量亏损要放出能量,故B 错误;聚变反中亏损的质量转化为能量以光子的形式放出,氘核的质量小于中子与质子的质量之和,故C 错误,D 正确。