高中物理：核聚变、粒子和宇宙练习

高中物理：核聚变、粒子和宇宙练习1．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

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

3．科学家发现在月球上含有丰富的3

2

He (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3

2He＋3

2

He→21

1

H＋4

2

He。关于3

2

He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3

2

He聚变反应发电

4．下面是一核反应方程2

1H＋3

1

H→4

2

He＋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c2

B．X是中子,核反应放出的能量等于中子质量乘c2

C．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c2

D．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的质量和,再乘c2

5．太阳因核聚变释放出巨大的能量,同时其质量不断减少。太阳每秒钟辐射出的能量约为4×1026 J,根据爱因斯坦质能方程,太阳每秒钟减少的质量最接近( ) A．1036 kg B．1018 kg

C．1013 kg D．109 kg

6．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

A．π＋由u和d组成 B．π＋由d和u组成

C．π－由u和d组成 D．π－由d和u组成

7．天文观测表明,几乎所有远处的恒星(或星系)都在以各自的速度背离我们而运动,离我们越远的星体,背离我们运动的速度(称为退行速度)越大；也就是说,宇宙在膨胀。星体的退行速度v和它们离我们的距离r成正比,即v＝Hr。式中H为一常量,称为哈勃常数,已由天文观察测定。为解释上述现象,有人提出一种理论,认为宇宙是从一个大爆炸的火球开始形成的。假设大爆炸后各星体以不同的速度向外匀速运动,并设想我们就位于其中心,则速度越大的星体现在离我们越远。这一结果与上述天文观测一致。

(1)由上述理论和天文观测结果,可估算宇宙年龄T,其计算式是什么？

(2)根据观测,哈勃常数H＝3×10－2米/秒·光年,其中光年是光在一年中行进的距离,由此估算宇宙的年龄约为多少年？

8．两个中子和两个质子结合成一个氦核,同时释放一定的核能,若已知中子质量为1.008 7 u,质子质量为1.007 3 u,氦核质量为4.002 6 u。试计算用中子和质子生成1 kg 氦时要释放的核能。

参考答案

1. 答案：BD 解析：两个轻核聚合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 错误。聚变反应放出的能量比同样质量的物质裂变时放出的能量大得多,这点我们由聚变反应的特点就可以知道,故B 正确。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10－15

m,故要求有足够大的动能才能克服电荷间强大的斥力做功,故C 错误,D 正确。

2. 答案：A 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成氘核,并形成氢核的核时代,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 错误。

3. 答案：B 解析：聚变反应是轻核变为较大质量核的反应,发生质量亏损,释放能量。目前核电站采用重核裂变反应。

4. 答案：D 解析：由质量数守恒及电荷数守恒可得X 为1

0n(中子),再根据质能方程可

得核反应放出的能量为反应前后质量亏损与c 2

的乘积,故D 项正确。

5. 答案：D 解析：根据爱因斯坦的质能方程,26

9216

410kg=4.410kg 910

E m c ∆⨯∆==⨯⨯,D 正确。

6. 答案：AD 解析：根据电荷量关系可知,由于π＋介子带有＋e 的电荷量,又由于π＋

介子是由u 夸克和d 夸克组成,根据题意可知π＋

介子(＋e)应由一个u 夸克(2

e 3

+)和反d 夸克(1e 3

+)合成,同理π－

介子由d 夸克和反u 夸克构成。

7. 答案：(1) 1T H

=

(2)1×1010

年 解析：(1)由于爆炸后各星体做的是匀速运动,令宇宙年龄为T ,则星球现距我们的距离为r ＝vT ＝HrT ,得：1T H

=

。 (2)

8

10222

1111365243600310=110310310m 310360024365

T H ---⋅⨯⨯⨯⨯⨯=⨯⨯⋅⨯⨯⨯⨯⨯秒光年==年＝年米/秒光年。 8. 答案：6.59×1014

J

解析：计算核能的步骤一般是：首先,写出核反应方程；其次,计算质量亏损Δm ；然后

根据质能方程ΔE ＝Δmc 2

计算核能。若Δm 以原子质量单位(u)为单位,可直接用ΔE ＝Δm (u)×931.5 MeV 计算,此法较快且常用。

两个质子和两个中子结合成氦核的反应为21

0n ＋21

1H →4

2He 质量亏损Δm ＝(2×1.008 7＋2×1.007 3－4.002 6) u ＝0.029 4 u 放出的核能

ΔE ＝0.029 4×931.5 MeV＝27.386 MeV 生成1 kg 氦释放的总核能

E ＝

10004

×6.02×1023×27.386×106×1.6×10－19 J ＝6.59×1014

J 。