最新人教版高中物理选修3-5：19.7 核聚变 8 粒子和宇宙 知识点总结及课时练习

7核聚变8粒子和宇宙记一记核聚变粒子和宇宙知识体系1种模型——夸克模型1个核反应——轻核聚变3种粒子——强子、轻子、媒介子辨一辨1.核聚变时吸收能量．(×)2．核聚变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大．(√)3．热核反应主要用在核武器上，那就是原子弹．(×)4．轻核聚变比裂变更安全、清洁．(√)5．实现核聚变的难点是地球上没有任何容器能够经受如此高的温度．(√)6．现在已经实现了技术突破，能够稳定地输出聚变能．(×)想一想1.核聚变需要满足什么条件？提示：必须使核之间的距离达到10－15 m以内．2．为什么要用原子弹才能引爆氢弹？提示：由原子弹爆炸产生的高温引发氢弹的热核反应．3．为什么现在将“基本”二字去掉，统称为粒子？提示：原来发现的基本粒子都是由更基本的粒子组成，现在发现的粒子也可能会被证实会由其他粒子组成，所以现在将“基本”二字去掉，统称为粒子．4．为什么说夸克模型是物理学发展中的一个重大突破？提示：夸克模型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位，即存在分数电荷．思考感悟：练一练1.发生轻核聚变的方法是()A．用中子轰击B．保持室温环境，增大压强C．把物质加热到几百万摄氏度以上的高温D．用γ光子照射解析：轻核聚变需要几百万摄氏度以上，使核子间的距离达到10－15 m以内，核力发生作用发生聚变反应，选项C正确．答案：C2．[2017·天津卷]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.14 7N＋42He→17 8O＋11HC.42He＋2713Al→3015P＋10nD.235 92U＋10n→144 56Ba＋8936Kr＋310n解析：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 项正确．答案：A3．太阳放出的大量中微子向地球飞来，但实验测定的数目只有理论的三分之一，后来科学家发现中微子在向地球传播的过程中衰变成一个μ子和一个τ子．若在衰变过程中μ子的速度方向与中微子的速度方向一致，则τ子的运动方向()A．一定与μ子的方向相同B．一定与μ子的方向相反C．一定与μ子在同一直线上D．不一定与μ子在同一直线上解析：中微子衰变成μ子和τ子的过程中满足动量守恒定律，μ子的速度方向与中微子的速度方向一致，则τ子的运动方向必定也在这条直线上．故选项C正确．答案：C4．如下一系列核反应是恒星内部发生的．p＋12 6C→13 7N137N→13 6C＋e＋＋νp＋13 6C→14 7Np＋14 7N→15 8O158O→15 7N＋e＋＋νp＋15 7N→12 6C＋α其中p为质子，α为α粒子，e＋为正电子，ν为一种中微子．已知质子的质量为m p＝1.672 648×10－27 kg，α粒子的质量为mα＝6. 644 929×10－27 kg，正电子的质量为m e＝9.11×10－31 kg，中微子的质量可忽略不计．真空中的光速c＝3.00×108 m/s，试计算该系列反应完成后释放的能量．解析：为求出系列反应完成后释放的能量，将题中所给的核反应方程左右两侧分别相加，消去两侧相同的项，系列反应最终等效为4p→α＋2e＋＋2ν设反应后释放的能量为Q，根据质能关系和能量守恒得4m p c2＝mαc2＋2m e c2＋Q代入数值可得Q＝3.95×10－12 J.答案：3.95×10－12 J要点一核聚变的特点及应用1.关于轻核聚变释放核能，下列说法正确的是()A．一次聚变反应一定比一次裂变反应释放的能量多B．聚变反应中平均每个核子释放的能量一定比裂变反应的大C．聚变反应中粒子的比结合能变小D．聚变反应中由于形成质量较大的核，故反应后质量增加解析：在一次聚变反应中释放的能量不一定比裂变反应多，但平均每个核子释放的能量一定大，故A错误，B正确；由于聚变反应中释放出巨大能量，则比结合能一定变大，质量发生亏损，故C、D错误．答案：B2．[2019·安徽合肥模拟]2018年11月12日，中科院等离子体研究所发布消息，我国“人造太阳”项目获得重大突破，首次实现加热功率超过10兆瓦，等离子体储能增加到300千焦，在电子回旋与低杂波协同加热下，等离子体中心电子温度首次达到1亿摄氏度．“人造太阳”的主要核反应方程是21H＋31H→42He＋10n，关于该反应下列说法正确的是()A．该反应为链式反应B．该反应为热核反应C．该反应过程吸收热量D.42He的比结合能比31H、21H的比结合能都小解析：该反应为聚变反应，又称为热核反应，A错误，B正确；该反应过程放出热量，C错误；比结合能越大原子核越稳定，42He的比结合能比31H、21H的比结合能都大，D错误．答案：B3．[2019·湖北荆州模拟]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．这几种反应总的效果可以表示为621H→k42He＋d11H＋210n＋43.15 MeV由此可知()A．k＝1，d＝4 B．k＝2，d＝2C．k＝1，d＝6 D．k＝2，d＝3解析：由质量数守恒和电荷数守恒，分别有4k＋d＋2＝12,2k ＋d＝6，解得k＝2，d＝2.正确选项为B.答案：B4．[广东高考](多选)科学家使用核反应获取氚，再利用氘和氚的核反应获得能量．核反应方程分别为：X＋Y→42He＋31H＋4.9 MeV和21H＋31H→42He＋X＋17.6 MeV.下列表述正确的有() A．X是中子B．Y的质子数是3，中子数是6C．两个核反应都没有质量亏损D．氘和氚的核反应是核聚变反应解析：设A Z X、A′Z′Y，由质量数守恒和电荷数守恒有：A＋A′＝4＋3,2＋3＝A＋4，Z＋Z′＝2＋1,1＋1＝2＋Z，可得A＝1，A′＝6，Z＝0，Z′＝3，故X是中子，Y是63Li，A正确；由63Li知Y 的质子数、中子数都是3，故B错误；两个核反应中都释放了能量，故都有质量亏损，C错误；氘和氚的核反应中质量较小的核合成了质量较大的核，故D正确．答案：AD5．太阳内部持续不断地发生着4个质子(11H)聚变为1个氦核(42He)的热核反应，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.方程中的X表示________；这个核反应中质量亏损Δm＝________；这个核反应中释放的核能ΔE＝________.解析：由质量数守恒和核电荷数守恒知：X为正电子01e，该反应中质量亏损Δm＝4m1－m2－2m3，ΔE＝Δmc2＝(4m1－m2－2m3)c2.答案：正电子01e4m1－m2－2m3(4m1－m2－2m3)c2要点二新粒子的发现和夸克模型6.[2019·湖北武汉模拟](多选)下列说法正确的是()A．目前还未发现媒介子、轻子和夸克这三类粒子的内部结构B．自然界存在着的能量守恒定律、动量守恒定律及电荷守恒定律，对基本粒子不适用C．反粒子与其对应的粒子相遇时，会发生湮灭现象D．强子是参与强相互作用的粒子，质子是最早发现的强子解析：媒介子、轻子和夸克在现代实验中还没有发现其内部结构，故A正确；能量守恒定律等对基本粒子也适用，故B错误；反粒子与其相应的粒子带等量异种电荷，反粒子与其对应的粒子相遇时会发生湮灭现象，故C正确；质子是最早发现的强子，故D正确．答案：ACD7．目前普遍认为，质子和中子都是由被称为u夸克和d夸克的两类夸克组成的。

u夸克带电荷量为23e，d夸克的带电荷量为－13e，e为元电荷，下列论断中可能正确的是()A．质子由1个u夸克和2个d夸克组成，中子由1个u夸克和2个d 夸克组成B ．质子由2个u 夸克和1个d 夸克组成，中子由1个u 夸克和2个d 夸克组成C ．质子由1个u 夸克和2个d 夸克组成，中子由2个u 夸克和1个d 夸克组成D ．质子由2个u 夸克和1个d 夸克组成，中子由2个u 夸克和1个d 夸克组成解析：质子11H 带电荷量为2×23e ＋⎝ ⎛⎭⎪⎫－13e ＝e ，中子10n 带电荷量为23e ＋2×⎝ ⎛⎭⎪⎫－13e ＝0.可见B 正确． 答案：B8．若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．粒子 π＋ π－ u d u － d －带电荷量 ＋e －e ＋2e 3 －e 3 －2e 3＋e 3 (2)按最简单的组成，π－介子由谁和谁组成？解析：(1)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，夸克u 带＋23e 和反夸克d －带＋13e 合成电荷量为e.(2)π－介子带有－e 的电荷量，是由一个夸克和一个反夸克组成的，夸克d 带－13e 和反夸克u －带－23e 合成电荷量为－e.答案：(1)π＋介子是由夸克u 和反夸克d －组成的(2)π－介子由夸克d 和反夸克u －组成基础达标1.[2019·南宁检测](多选)下列关于聚变的说法，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开尔文的高温，因此聚变又叫作热核反应C．原子弹爆炸能产生几百万开尔文的高温，所以氢弹可以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，在地球内部也可以自发地进行解析：轻核聚变时，要使轻核之间距离达到10－15 m，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开尔文的高温下才有这样的能量，这样高的温度可以通过原子弹爆炸获得，故B、C正确；在太阳和其他恒星内部都存在着热核反应，但在地球内部不会自发地进行，D错误．答案：ABC2．(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toroidal(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，下述判断中可能正确的是()A．这种装置的核反应原理是轻核的聚变，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应原理相同D．这种装置可以控制热核反应速度，使聚变能缓慢而稳定地进行解析：聚变反应原料在装置中发生聚变，放出能量，故A正确；线圈通电时产生磁场，带电粒子在磁场中受洛伦兹力作用不飞出，故B正确；核电站的原理是裂变，托卡马克的原理是聚变，故C错误；该装置使人们可以在实验中控制反应速度，平稳释放核能，故D正确．答案：ABD3．关于粒子，下列说法正确的是()A．电子、质子和中子是组成物质的不可再分的最基本的粒子B．强子中都是带电的粒子C．夸克模型是探究三大类粒子结构的理论D．夸克模型说明电子电荷不再是电荷的最小单位解析：由于质子、中子是由不同夸克组成的，它们不是最基本的粒子，不同夸克构成强子，有的强子带电，有的强子不带电，故A、B错误；夸克模型是研究强子结构的理论，不同夸克带电不同，分别为＋23e和－e3，说明电子电荷不再是电荷的最小单位，C错误，D正确．答案：D4．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：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组合成氘核，并形成氦核的核合成时代，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错误．答案：A5．(多选)下列关于夸克模型的说法正确的是()A．强子是由更基本的夸克组成的B．夸克的电荷量分别为元电荷的＋23或－1 3C．每种夸克都有对应的反夸克D．夸克能以自由的状态单个出现解析：夸克不能以自由的状态单个出现，D错误，A、B、C 正确．答案：ABC6．[2019·江西红色七校二模]“人造太阳”实验中的可控热核反应的聚变方程是21H＋31H→42He＋10n，反应原料氘(21H)富存于海水中，氚(31H)可以用中子轰击锂核(63Li)得到，则关于中子轰击锂核(63Li)产生一个氚(31H)和一个新核，下列说法正确的是() A．该核反应方程为63Li＋10n→42He＋21HB．核反应生成物中的α粒子具有很强的电离本领，但穿透能力较弱C．在中子轰击锂核(63Li)的核反应生成物中的α粒子，故该核反应属于α衰变D．核聚变的条件是要达到高温高压的热核反应状态，故核聚变过程不能释放出核能解析：根据题意以及质量数守恒和电荷数守恒可得中子轰击锂核的核反应方程为63Li＋10n→42He＋31H，A错误；核反应生成物中的α粒子具有很强的电离本领，但穿透能力较弱，B正确；伴随着天然放射现象发生的衰变中产生α粒子，这样的核反应才是α衰变，而中子轰击锂核(63Li)的核反应是原子核的人工转变，故C 错误；核反应中释放的核能来源于核反应过程中的质量亏损，与核反应的条件无关，故D错误．答案：B7．(多选)以下核反应方程中属于核聚变的是()A.21H＋31H→42He＋10nB.14 7N＋42He→17 8O＋11HC.11H＋10n→21H＋γD．411H→42He＋201e解析：轻核结合成质量较大的核，释放出核能的反应，称为聚变．答案：ACD8．[2019·山东期中]质子的质量为m p，中子的质量是m n，氦核的质量为mα，两个质子和两个中子聚变成一个氦核时，会释放出能量．下列关系式和说法正确的是()A．mα<2m p＋2m nB．mα＝2m p＋2m nC．mα>2m p＋2m nD．以上关系式都不对解析：核反应过程中，要释放能量，质量发生亏损，分析可知A正确．答案：A9．[2019·湖南衡阳模拟]重核裂变和轻核聚变是人类获得核能的两种主要途径，关于裂变和聚变，下列叙述正确的是() A．裂变过程有质量亏损，聚变过程无质量亏损B．核聚变反应方程21H＋31H→42He＋10n中10n表示质子C．裂变和聚变都可以释放出巨大的能量D．氢弹的核反应属于裂变，原子弹的核反应属于聚变解析：裂变和聚变都可以释放出巨大的能量，都伴随着质量的亏损，A错误，C正确；聚变反应方程21H＋31H→42He＋10n中10n表示中子，B错误；原子弹的核反应属于裂变，氢弹的核反应属于聚变，D错误．答案：C10．核动力潜艇是潜艇中的一种类型，指以核反应堆为动力来源设计的潜艇．在核反应中有一种是235 92U原子核在中子的轰击下发生的一种可能的裂变反应，其裂变方程为235 92U＋10n→X＋9438Sr ＋1010n，则下列叙述正确的是()A．X原子核中含有54个质子B．X原子核中含有53个中子C．裂变时释放能量是因为亏损的质量变成了能量D．裂变时释放能量，出现质量亏损，质量数不守恒解析：由核反应方程的质量数守恒和电荷数守恒可知：X原子核中含有54个质子，78个中子，故A正确，B、D错误；释放能量不是质量变成了能量，而是亏损的质量以能量的形式释放，C 错误．答案：A能力达标11.[2019·河北石家庄模拟]2017年1月9日，大亚湾反应堆中微子实验工程获得国家自然科学一等奖．大多数原子核发生核反应的过程中都伴有中微子的产生，例如核裂变、β衰变等．下列说法正确的是()A.234 90Th→234 91Pa＋0－1e是核裂变反应方程B．高速运动的α粒子轰击氮核可从氮核中打出中子，其核反应方程为42He＋14 7N→17 8O＋10nC.234 90Th衰变为222 86Rn，经过3次α衰变，2次β衰变D.235 92U＋10n→144 56Ba＋8936Kr ＋310n是核裂变方程，也是氢弹的核反应方程解析：核反应方程234 90Th →234 91Pa ＋0－1e 是β衰变方程，A 错误；高速运动的α粒子轰击氮核可从氮核中打出质子，其核反应方程为42He ＋14 7N →17 8O ＋11H ，B 错误；234 90Th 衰变为222 86Rn ，经过234－2224次＝3次α衰变，2次β衰变，C 正确；235 92U ＋10n →144 56Ba ＋8936Kr ＋310n 是核裂变方程，不是氢弹的核反应方程，D 错误．答案：C 12．[2019·湖北武汉模拟](多选)月球土壤里大量存在着一种叫做“氦3(32He)”的化学元素，这是热核聚变的重要原料．关于“氦3(32He)”与氘核的聚变，下列说法正确的是( )A ．核反应方程为32He ＋21H →42He ＋11HB ．核反应生成物的质量将大于反应物的质量C ．“氦3(32He)”一个核子的结合能小于氦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放出能量解析：A 选项中的核反应方程就是32He 和21H 发生核聚变的方程，在生成42He 和11H 的同时释放大量的能量，A 正确；由于核反应的过程中释放大量的能量，根据爱因斯坦质能方程ΔE ＝Δmc 2，可知生成物的质量小于反应物的质量，B 错误；质量中等的核的比结合能最大，故使重核裂变为两个质量中等的核或使轻核聚变，都可使核更为稳定并放出能量，由此可知C 错误，D 正确．答案：AD13．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 ＋Q 1 ①，11H ＋15 7N ―→12 6C ＋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：A ．X 是32He ，Q 2>Q 1B ．X 是42He ，Q 2>Q 1C ．X 是32He ，Q 2<Q 1D ．X 是42He ，Q 2<Q 1解析：由质量数守恒和电荷数守恒，可判断X为42He，①式的质量亏损为Δm1＝1.007 8 u＋12.000 0 u－13.005 7 u＝0.002 1 u．②式的质量亏损为Δm2＝1.007 8 u＋15.000 1 u－12.000 0 u－4.002 6 u＝0.005 3 u，所以Δm2>Δm1.根据质能方程ΔE＝Δmc2可求解Q2>Q1，故选B.答案：B14．两个氘核以相等动能E k＝0.5 MeV相向运动并发生正碰，产生一个中子和一个氦核，已知氘核质量m D＝2. 013 6 u，氦核质量m He＝3.015 0 u，中子质量m n＝1.008 7 u，阿伏加德罗常数N A ＝6.0×1023 mol－1.(1)写出核反应方程；(2)计算一次反应释放多少核能；(3)求中子和氦核的动能分别为多少；(4)若共有1 kg的氘完全反应，求放出的总能量．解析：(1)核反应方程为21H＋21H→32He＋10n.(2)质量亏损为Δm＝2m D－m He－m n＝(2×2.013 6－3.015 0－1.008 7) u＝0.003 5 u释放的能量为ΔE＝0.003 5×931.5 MeV＝3.26 MeV.(3)因碰撞过程中动量守恒，反应前总动量为零，反应后总动量也为零，故中子与氦核动量大小相等，方向相反，由E k＝p22m知，E knE kHe＝m Hem n＝31，又E kn＋E kHe＝ΔE＋2E k＝4.26 MeV，解得E kn＝3.195MeV，E kHe＝1.065 MeV.(4)1 kg的氘含有的原子数N＝mM N A＝1 0002×6.0×1023个＝3×1026个，发生核反应的次数为N2，故放出的总能量为E＝ΔE·N2＝3×10262×3.26×106×1.6×10－19 J＝7.824×1013 J.答案：(1)21H＋21H→32He＋10n(2)3.26 MeV(3)3.195 MeV 1.065 MeV(4)7.824×1013 J。