7 核聚变 8 粒子和宇宙
A组
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
-15
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 m以内,核力发生作用发生聚变反应,选项C正确。 答案:C
2.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
-15
解析:聚变时,要使轻核之间的距离达到10 m,所以必须克服库仑斥力做功,选项A正确;原子核必须有足够的动能,才能使它们接近核力能发生作用的范围。实验证明,原子核必须处在几百万摄氏度以上的高温才有这样的能量,氢弹是利用原子弹爆炸获得高温引发热核反应的,选项B、C正确;在太阳和许多恒星内部存在着热核反应,选项D正确。 答案:ABCD
3.1964~1967年,我国第一颗原子弹和第一颗氢弹相继试验成功。下列核反应方程中属于原子弹和氢弹基本反应方程式的是( ) A.N BLiHe CSrXe+1n DHen
解析:原子弹内部发生的是裂变反应,氢弹内部发生的是聚变反应,选项C、D正确。 答案:CD
4.如图所示,中子内有一个电荷量为+e的上夸克和两个电荷量为-e的下夸克,这一简单模型是三个夸克都在半径为r的同一圆周上,如图给出的四幅图中,能正确表示出各夸克所受静电作用力的是( )
1
解析:
本题考查的是库仑力的大小、方向及力的合成,明确每个夸克皆受两个力的作用。电荷量为+e的上夸克受两个下夸克的吸引力,合力的方向一定向下,对其中一个夸克,受力如图所示,由于F+的水平分力与F-大小相等,方向相反,故F+与F-的合力竖直向上。 答案:B
5.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H→He+H+n+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
解析:根据核反应过程中质量数守恒、电荷数守恒知
解得选项B正确。 答案:B
6.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)、komera(真空室)、magnit(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
2
解析:聚变反应原料在装置中发生聚变,放出能量,故选项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旋转而不溢出,故选项B正确;核电站的原理是裂变,托卡马克的原理是聚变,故选项C错误;该装置使人们可以在实验室控制反应速度,平稳释放核能,故选项D正确。 答案:ABD
7.太阳内部有多种热核反应,其中的一个反应方程是He+x。若已知H的质量为m1H的质量为m2He的质量为m3,x的质量为m4,则下列说法中正确的是( ) A.x是中子
BH和H在常温下就能够发生聚变
2
C.这个反应释放的核能为ΔE=(m1+m2-m3-m4)c
D.我国大亚湾核电站就是利用轻核聚变释放的能量来发电的
解析:根据核反应的质量数守恒和电荷数守恒可知选项A正确;轻核聚变需要在极高温度和压强下进行,选项B错误;根据爱因斯坦的质量亏损方程知选项C正确;现有的实用型核电站均为核裂变反应堆,选项D错误。 答案:AC
8.下列说法不正确的是( ) AHen是聚变 BXeSr+n是裂变 CRaRnHe是α衰变 DNaMge是裂变
解析:选项A中是两个质量较轻的核结合成了一个质量较重的核,是聚变反应,故选项A正确;选项B的核反应中是铀核捕获中子裂变为两个(或更多)中等质量的核,并放出几个中子,是裂变反应,故选项B正确;选项C的核反应中没有中子的轰击而自发地放出了α粒子,是α衰变,选项C正确;而选项D应是β衰变,故选项D不正确。 答案:D
9.如下一系列核反应是恒星内部发生的。 pN
+ C+e+ν pN pO +
N+e+ν pC+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mp=1.672 648×10
27-27-31
kg,α粒子的质量为mα=6.644 929×10 kg,正电子的质量为me=9.11×10 kg,中微子的质量
8
可忽略不计。真空中的光速c=3.00×10 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
222
设反应后释放的能量为Q,根据质能关系和能量守恒得4mpc=mαc+2mec+Q
-12
代入数值可得Q=3.95×10 J。
-12
答案:3.95×10 J
10.质子、中子都是由称为上夸克和下夸克的两种夸克组成的,上夸克带电为e,下夸克带电为-e,e为电子所带电荷量的大小,如果质子是由三个夸克组成的,且各个夸克之间的距离都为l,l=1.5×10-15 m。试计算质子内相邻两个夸克之间的静电力(库仑力)。
解析:质子带+e的电荷量,故它是由2个上夸克和1个下夸克组成的,按题意,三个夸克必位于等边三角形的三个顶点处,这时上夸克与下夸克之间的静电力应为
3
Fuu=k。
代入数值,得Fuu=46 N,为斥力。 上夸克与下夸克之间的静电力为 Fud=k。
代入数值,得Fud=23 N,为引力。 答案:46 N 23 N
B组
1.已知氦原子的质量为MHe u,电子的质量为me u,质子的质量为mP u,中子的质量为mn u,u为原子
28
的质量单位,且由爱因斯坦质能方程E=mc可知:1 u对应于931.5 MeV的能量,若取光速c=3×10 m/s,则两个质子和两个中子聚变成一个氦核,释放的能量为( ) A.[2×(mP+mn)-MHe]×931.5 MeV B.[2×(mP+mn+me)-MHe]×931.5 MeV
2
C.[2×(mP+mn+me)-MHe]×c J
2
D.[2×(mP+mn)-MHe]×c J
解析:核反应方程为H+He,质量亏损
Δm=2×(mP+mn)-(MHe-2me)=2×(mP+mn+me)-MHe,所以释放的能量为ΔE=Δm×931.5 MeV=[2×(mP+mn+me)-MHe]×931.5 MeV,选项B正确。 答案:B
2.一个中子和一个质子相结合生成一个氚核,若它们的质量分别是m1、m2、m3,则( ) A.由于反应前后质量数不变,所以m1+m2=m3,反应前后没有能量变化 B.由于反应时释放出了能量,所以m1+m2>m3
C.由于反应在高温高压下进行,从而吸收能量,所以m1+m2 2 D.反应时放出的能量为(m1+m2-m3)c(其中c是真空中的光速) 解析:该反应过程释放能量,应计算应用过程中静止质量的减少量,即反应前各原子核质量之和减去反应产物所有质量之和,故正确选项为B、D。 答案:BD 3.利用氦3He)和氘进行的聚变安全无污染,容易控制。月球上有大量的氦3,每个航天大国都将获取氦3作为开发月球的重要目标之一。“嫦娥一号”探月卫星执行的一项重要任务就是评估月壤中氦3的分布和储量。已知两个氘核聚变生成一个氦3和一个中子的核反应方程是Hen+3.26 MeV,若有2 g氘全部发生反应,则释放的能量是(NA为阿伏加德罗常数)( ) A.0.5×3.26 MeV B.3.26 MeV C.0.5NA×3.26 MeV D.NA×3.26 MeV 解析:2 g氘含有的原子核个数为NA,全部发生聚变时,共发生0.5NA次聚变,所以释放的能量为0.5NA×3.26 MeV,故选项C正确。 答案:C 4.我国自行设计并研制的“人造太阳”——托卡马克实验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应领域先进国家行列。该反应所进行的聚变过程是Hen,反应原料氘H)富存于海水中,而氚H)是放射性元素,自然界中不存在,但可以通过中子轰击锂核Li)的人工核转变得到。 (1)请把下列用中子轰击锂核Li)产生一个氚核H)和一个新核的人工核转变方程填写完整: n→ H。 23 (2)在(1)中,每产生1 g氚的同时有多少个Li核实现了核转变?(阿伏加德罗常数NA取6.0×10 -1mol) -13 (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 J,求该核聚变过程中的质量亏损。 4 解析:(1)核反应方程为LiHeH 23 (2)因为1 g氚为 mol,根据核反应方程,实现转变的Li也为 mol,所以有2.0×10个Li核实现了转变。 2 (3)根据爱因斯坦质能方程ΔE=Δmc,核聚变反应中有5个核子参加了反应,5个核子释放总能 -13-12-29 量ΔE=5×5.6×10 J=2.8×10 J,所以质量亏损为Δm= kg=3.1×10 kg。 23-29 答案:(1LiHe (2)2.0×10个 (3)3.1×10 kg 5.两个氘核聚变产生一个中子和一个氦核(氦的同位素),已知氘核质量m0=2.013 6 u,氦核质量mHe=3.015 0 u,中子质量mn=1.008 7 u。 (1)写出聚变方程并算出释放的核能(已知1 u相当于931.5 MeV)。 (2)若反应前两氘核的动能均为Ek0=0.35 MeV,它们正面相碰发生核聚变,且反应后释放的核能全部转变为动能,则反应产生的氦核和中子的动能各为多大? 解析:(1)聚变的核反应方程为n。 这个核反应中的质量亏损为 Δm=2m0-(mHe+mn)=(2×2.013 6-3.015 0-1.008 7) u=0.003 5 u, 释放的核能为 ΔE=0.003 5×931.5 MeV=3.26 MeV。 (2)把两个氘核作为一个系统,对撞过程中动量守恒,由于反应前两核动能相同,其动能等值反向,因此反应前后系统的总动量恒为零,即 0=mHevHe+mnvn① 又由于反应前后能量守恒,故反应后氦核和中子的总动能 mHemn=ΔE+2Ek0② 因为mHe∶mn=3∶1, 所以氦核和中子的速率之比为, 把这两个关系式代入②式得 ΔE+2Ek0=4·mHe=4EkHe。 解得氦核的动能和中子的动能分别为 EkHe=(3.26+2×0.35) MeV=0.99 MeV, Ekn=3EkHe=2.97 MeV。 答案:(1)n 3.26 MeV (2)EkHe=0.99 MeV Ekn=2.97 MeV 5
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