高中物理 模塊要點(diǎn)回眸 第14點(diǎn) 聚變反應(yīng)的三大題型舉例素材 教科版選修3-5（通用）

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1、第14點(diǎn)　聚變反應(yīng)的三大題型舉例 一、認(rèn)識(shí)“核聚變” 對(duì)點(diǎn)例題1 下列核反應(yīng)方程中，表示核聚變過程的是(　　) A.P→Si＋e B.H＋H→He＋n C.C→N＋e D.U→Th＋He 解題指導(dǎo)　輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核叫聚變．此題關(guān)鍵在一個(gè)“聚”字，暗示變化之前應(yīng)至少有兩種核，四個(gè)選項(xiàng)中只有B符合要求． 答案　B 方法點(diǎn)評(píng)　掌握聚變的兩個(gè)特點(diǎn)：(1)“聚”：反應(yīng)前至少有兩種核；(2)“輕”：“聚變”為“輕”核聚變，是兩個(gè)質(zhì)量數(shù)較小的原子核聚合在一起產(chǎn)生的核反應(yīng)，聚變反應(yīng)的“燃料”一般為氫(H)和氫的同位素——氘(H)、氚(H)． 二、聚變核能的計(jì)算 對(duì)點(diǎn)例題2 一

2、個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子聚變?yōu)橐粋€(gè)氚核，已知質(zhì)子質(zhì)量mH＝1.007 3 u，中子質(zhì)量mn＝1.008 7 u，氚核質(zhì)量m＝3.018 0 u，1 u相當(dāng)于931.5 MeV. (1)寫出聚變方程； (2)釋放出的核能多大？ (3)平均每個(gè)核子釋放的能量是多大？ 解題指導(dǎo)　(1)聚變方程為H＋2n→H (2)質(zhì)量虧損Δm＝mH＋2mn－m ＝(1.007 3＋2×1.008 7－3.018 0) u＝0.006 7 u 釋放的核能ΔE＝0.006 7×931.5 MeV≈6.24 MeV (3)平均每個(gè)核子釋放的能量為 MeV＝2.08 MeV 答案　(1)H＋2n→H　(2)6.2

3、4 MeV　(3)2.08 MeV 點(diǎn)撥提升　從數(shù)據(jù)上看本題中聚變釋放的能量并不很大，但如果考慮到輕核的摩爾質(zhì)量很小，可知聚變出1 kg氚核放出的核能遠(yuǎn)大于核裂變，因此，聚變能釋放出比重核裂變更多的能量(聚變反應(yīng)中平均每個(gè)核子放出的能量比裂變反應(yīng)中平均每個(gè)核子放出的能量大3～4倍)． 三、核聚變過程中動(dòng)量和能量守恒 對(duì)點(diǎn)例題3 兩個(gè)氘核聚變產(chǎn)生一個(gè)中子和一個(gè)氦核(氦的同位素)．已知氘核質(zhì)量mD＝2.013 6 u，氦核質(zhì)量mHe＝3.015 0 u，中子質(zhì)量mn＝1.008 7 u. (1)寫出聚變方程并計(jì)算出釋放的核能(已知1 u相當(dāng)于931.5 MeV)； (2)若反應(yīng)前兩氘核的

4、動(dòng)能均為EkD＝0.35 MeV.它們正面對(duì)撞發(fā)生聚變，且反應(yīng)后釋放的核能全部轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能，則反應(yīng)后產(chǎn)生的氦核和中子的動(dòng)能各為多大？ 解題指導(dǎo)　(1)聚變的核反應(yīng)方程為 2H→He＋n 這個(gè)核反應(yīng)中的質(zhì)量虧損為 Δm＝2mD－(mHe＋mn) ＝(2×2.013 6－3.015 0－1.008 7) u ＝0.003 5 u 釋放的核能為ΔE＝0.003 5×931.5 MeV≈3.26 MeV (2)把兩個(gè)氘核作為一個(gè)系統(tǒng)，對(duì)撞過程中動(dòng)量守恒．由于反應(yīng)前兩氘核動(dòng)能相同，相向正碰，它們的動(dòng)量等大反向，因此反應(yīng)前后系統(tǒng)的總動(dòng)量恒為零，即0＝mHevHe＋mnvn① 又由于反應(yīng)前后

5、總能量守恒，故反應(yīng)后氦核和中子的總動(dòng)能為mHev＋mnv＝ΔE＋2EkD② 因?yàn)閙He∶mn＝3∶1，所以由①得氦核和中子的速率之比＝ 把這兩個(gè)關(guān)系代入②式得 ΔE＋2EkD＝4×mHev＝4EkHe 即(3.26＋2×0.35) MeV＝4EkHe 得氦核的動(dòng)能和中子的動(dòng)能分別為 EkHe＝×(3.26＋2×0.35) MeV＝0.99 MeV Ekn＝3EkHe＝2.97 MeV 答案　(1)2H→He＋n　3.26 MeV　(2)0.99 MeV 2．97 MeV 易錯(cuò)警示　該題常犯的錯(cuò)誤在于運(yùn)用能量守恒定律解題時(shí)沒有將核反應(yīng)過程中與原子核質(zhì)量增減對(duì)應(yīng)的能量考慮進(jìn)去，

6、而認(rèn)為作用后的總動(dòng)能等于作用前的總動(dòng)能． 在β衰變中常伴有一種稱為“中微子”的粒子放出．中微子的性質(zhì)十分特別，因此在實(shí)驗(yàn)中很難探測(cè).1953年，萊尼斯和柯文建造了一個(gè)由大水槽和探測(cè)器組成的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，利用中微子與水中H的核反應(yīng)，間接地證實(shí)了中微子的存在． (1)中微子與水中的H發(fā)生核反應(yīng)，產(chǎn)生中子(n)和正電子(　0＋1e)，即中微子＋H→n＋e 可以判定，中微子的質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)分別是________．(填寫選項(xiàng)前的字母) 　A．0和0 B．0和1 C．1和0 D．1和1 (2)上述核反應(yīng)產(chǎn)生的正電子與水中的電子相遇，與電子形成幾乎靜止的整體后，可以轉(zhuǎn)變?yōu)閮蓚€(gè)光子(γ)，即　

7、0＋1e＋　0－1e→2γ.已知正電子和電子的質(zhì)量都為9.1×10－31 kg，反應(yīng)中產(chǎn)生的每個(gè)光子的能量約為______ J．正電子與電子相遇不可能只轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)光子，原因是 ________________________________________________________________________. 答案　見解析 解析　(1)發(fā)生核反應(yīng)前后，質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒，據(jù)此可知中微子的質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)都是0，A項(xiàng)正確． (2)產(chǎn)生的能量是由于質(zhì)量虧損．兩個(gè)電子轉(zhuǎn)變?yōu)閮蓚€(gè)光子之后，質(zhì)量變?yōu)榱?，則E＝Δmc2，故一個(gè)光子的能量為，代入數(shù)據(jù)得＝8.19×10－14 J．正電子與水中的電子相遇，與電子形成幾乎靜止的整體，故系統(tǒng)總動(dòng)量為零，故如果只產(chǎn)生一個(gè)光子是不可能的，因?yàn)榇诉^程遵循動(dòng)量守恒定律．