高中物理 第4章 波與粒子 第3節(jié) 核聚變 第4節(jié) 核能的利用與環(huán)境保護學業(yè)分層測評 魯科版選修3-5

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第3節(jié) 核聚變 第4節(jié) 核能的利用與環(huán)境保護 (建議用時：45分鐘) [學業(yè)達標] 1．關于輕核聚變釋放核能，下列說法正確的是(　　) A．一次聚變反應一定比一次裂變反應釋放的能量多 B．聚變反應比裂變反應每個核子釋放的平均能量一定多 C．聚變反應中粒子的平均結合能變大 D．聚變反應中由于形成質量較大的核，故反應后質量變多 E．聚變反應過程中釋放核能，故反應后質量減少 【解析】　在一次聚變反應中釋放的能量不一定比裂變反應多，但平均每個核子釋放的能量一定大，故A錯誤，B正確；由于聚變反應中釋放出巨大能量，則平均結合能一定增加，質量發(fā)生虧損，故C、E正確，D錯誤． 【答案】　BCE 2．我國自行研制了可控熱核反應實驗裝置“超導托卡馬克”(英名稱：EAST，俗稱“人造太陽”)．設可控熱核實驗反應前氘核(H)的質量為m1，氚核(H)的質量為m2，反應后氦核(He)的質量為m3，中子(n)的質量為m4，光速為c，正確說法正確的是(　　) 【導學號：18850055】 A．這種裝置中發(fā)生的核反應方程式是H＋H―→He＋n B．由核反應過程質量守恒可知m1＋m2＝m3＋m4 C．核反應放出的能量等于(m1＋m2－m3－m4)c2 D．這種裝置與我國大亞灣核電站所使用裝置的核反應原理相同 E．可控熱核反應目前還不能用于核電站實現發(fā)電 【解析】　核反應方程為H＋H―→He＋n，選項A正確；反應過程中向外釋放能量，故質量有虧損，且釋放的能量ΔE＝Δmc2＝(m1＋m2－m3－m4)c2，選項B錯誤，C正確；可控熱核反應為核聚變，大亞灣核電站所用核裝置反應原理為核裂變，可控熱核反應目前還不能用于核電站實現發(fā)電，故D錯誤，E正確． 【答案】　ACE 3．太陽內部持續(xù)不斷地發(fā)生著4個質子(H)聚變?yōu)?個氦核(He)的熱核反應．核反應方程是4H―→He＋2X，這個核反應釋放出大量核能．已知質子、氦核、X的質量分別為m1、m2、m3，真空中的光速為c.下列說法中正確的是(　　) A．方程中的X表示中子(n) B．方程中的X表示電子(e) C．這個核反應中質量虧損Δm＝4m1－m2 D．這個核反應中釋放的核能ΔE＝(4m1－m2－2m3)c2 E．這個核反應過程中有兩個質子轉化為兩個中子 【解析】　由質量數守恒和核電荷數守恒可知，方程中的X表示電子e，A錯誤，B正確；這個核反應過程中，生成物He中含有兩個質子和兩個中子，故四個質子中有兩個轉化為中子，同時放出兩個正電子，E正確；該反應中質量虧損Δm＝4m1－m2－2m3，釋放的核能ΔE＝Δmc2＝(4m1－m2－2m3)c2，C錯誤，D正確． 【答案】　BDE 4．2006年9月28日，我國最新一代核聚變裝置“EAST”在安徽合肥首次放電，顯示了EAST裝置具有良好的整體性能，使等離子體約束時間達1 000 s，溫度超過1億度，這標志著我國磁約束核聚變研究進入國際先進水平．合肥也成為世界上第一個建成此類全超導非圓截面核聚變實驗裝置并能實際運行的地方．核聚變的主要原料是氘，在海水中含量極其豐富．已知氘核的質量為m1，中子的質量為m2，He的質量為m3，質子的質量為m4，則下列說法中正確的是(　　) A．兩個氘核聚變成一個He所產生的另一個粒子是質子 B．兩個氘核聚變成一個He所產生的另一個粒子是中子 C．兩個氘核聚變成一個He所釋放的核能為(2m1－m3－m4)c2 D．兩個氘核聚變成一個He所釋放的核能為(2m1－m3－m2)c2 E．與受控核聚變比較，現行的核反應堆產生的廢物具有放射性 【解析】　由核反應方程2H→He＋X知，X應為中子，釋放的核能應為ΔE＝(2m1－m3－m2)c2，聚變反應的污染非常小，而現行的裂變反應的廢料具有很強的放射性，故A、C錯誤，B、D、E正確． 【答案】　BDE 5．據新華社報道，由我國自行設計、研制的世界第一套全超導核聚變實驗裝置(又稱“人造太陽”)已完成了首次工程調試．下列關于“人造太陽”的說法正確的是(　　) 【導學號：18850056】 A．“人造太陽”的核反應方程是H＋H→He＋n B．“人造太陽”的核反應方程是U＋n→Ba＋Kr＋3n C．根據公式E＝mc2可知，核燃料的質量相同時，聚變反應釋放的能量比裂變反應大得多 D．根據公式E＝mc2可知，核燃料的質量相同時，聚變反應釋放的能量與裂變反應相同 E．核燃燒的質量相同時，聚變反應過程的質量虧損比裂變反應過程的質量虧損大得多 【解析】　H＋H→He＋n是氫核聚變方程，故A項正確；根據氫核聚變特點，相同質量的核燃料，氫核聚變釋放的能量比裂變反應大得多，氫核聚變反應過程的質量虧損比裂變反應過程的質量虧損大得多，C、E正確． 【答案】　ACE 6．(2016青島二中檢測)我國科學家研制“兩彈”所涉及的基本核反應方程有：(1)U＋n→Sr＋Xe＋kn；(2)H＋H→He＋dn；關于這兩個方程，下列說法正確的是(　　) A．方程(1)屬于α衰變 B．方程(1)屬于重核裂變 C．方程(2)屬于輕核聚變 D．方程(1)中k＝10，方程(2)中d＝1 E．方程(1)中k＝1，方程(2)中d＝10 【解析】　方程(1)屬于重核裂變，方程(2)屬于輕核聚變，故A錯，B、C對．據核反應中的質量數守恒和電荷數守恒，可求出k＝10，d＝1，故D對，E錯． 【答案】　BCD 7．某科學家提出年輕熱星體中核聚變的一種理論，其中的兩個核反應方程為 H＋C―→N＋Q1?、伲? H＋N―→C＋X＋Q2?、?， 方程中Q1、Q2表示釋放的能量，相關的原子核質量如表： 原子核 H H He C N N 質量/u 1.007 8 3.016 6 4.002 6 12.000 0 13.005 7 15.000 1 則可以推斷X是________，方程中Q1和Q2的大小關系是Q1________Q2. 【解析】　由質量數守恒和電荷數守恒，可判斷X為He，①式的質量虧損為Δm1＝1.007 8 u＋12.000 0 u－13.005 7 u＝0.002 1 u．②式的質量虧損為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根據質能方程ΔE＝Δmc2可求解Q2>Q1. 【答案】　He　< 8．如下一系列核反應是在恒星內部發(fā)生的： p＋C→N N→C＋e＋＋μ p＋C→N p＋N→O O→N＋e＋＋μ p＋N→C＋α 其中p為質子，α為α粒子，e＋為正電子，μ為一種中微子．已知質子的質量mp＝1.672 64810－27 kg，α粒子的質量mα＝6.644 92910－27 kg，正電子的質量me＝9.1110－31 kg，中微子的質量可忽略不計．真空中的光速c＝3108 m/s.試計算該系列反應完成后釋放的能量. 【導學號：18850057】 【解析】　為求出系列反應完成后釋放的能量，將題中所給的各核反應方程左右兩側分別相加，消去兩側相同的項，系列反應最終等效為4p→α＋2e＋＋2μ. 設反應后釋放的能量為Q，根據質能關系和能量守恒得Q＝(4mp－mα－2me)c2 代入數據可得Q≈3.9510－12 J. 【答案】　3.9510－12 J [能力提升] 9．如圖431所示，托卡馬克(tokamak)是研究受控核聚變的一種裝置，這個詞是toroidal(環(huán)形的)、kamera (真 空 室)、magnet(磁)的頭兩個字母以及kotushka(線圈)的第一個字母組成的縮寫詞．根據以上信息，下列判斷中可能正確的是(　　) 圖431 A．這種裝置的核反應原理是輕核的聚變，同時釋放出大量的能量，和太陽發(fā)光的原理類似 B．線圈的作用是通電產生磁場使帶電粒子在磁場中旋轉而不溢出 C．這種裝置同我國秦山、大亞灣核電站所使用核裝置的核反應原理相同 D．這種裝置是科學家設想的其中一種方案 E．該裝置是利用聚變物質的慣性進行約束 【解析】　聚變反應原料在裝置中發(fā)生聚變，放出能量，故A對；線圈通電時產生磁場，帶電粒子在磁場中受洛倫茲力作用旋轉而不溢出，故B對；核電站的原理是裂變，托卡馬克的原理是聚變，故C錯；該裝置是科學家設想的其中一種方案，另一種方案是利用聚變物質的慣性進行約束，故D對，E錯． 【答案】　ABD 10．我國自行設計并研制的“人造太陽”——托卡馬克實驗裝置運行獲得重大進展，這標志著我國已經邁入可控熱核反應領域先進國家行列．該反應所進行的聚變過程是H＋H―→He＋n，反應原料氘(H)富存于海水中，而氚(H)是放射性元素，自然界中不存在，但可以通過中子轟擊鋰核(Li)的人工核轉變得到． (1)請把下列用中子轟擊鋰核(Li)產生一個氚核(H)和一個新核的人工核轉變方程填寫完整：________＋n―→________＋H. (2)在(1)中，每產生1 g氚的同時有多少個Li核實現了核轉變？(阿伏加德羅常數NA取6.01023 mol－1) (3)一個氘核和一個氚核發(fā)生核聚變時，平均每個核子釋放的能量為5.610－13 J，求該核聚變過程中的質量虧損． 【解析】　(1)核反應方程為：Li＋n―→He＋H. (2)因為1 g氚為 mol，根據核反應方程，實現核轉變的Li也為mol，所以有2.01023個Li實現了核轉變． (3)根據愛因斯坦質能方程ΔE＝Δmc2，核聚變反應中有5個核子參加了反應，5個核子釋放總能量ΔE＝55.610－13J＝2.810－12 J，所以質量虧損為Δm＝＝ kg＝3.110－29 kg. 【答案】　(1)Li　He (2)2.01023個 (3)3.110－29 kg 11．核聚變能是一種具有經濟性能優(yōu)越、安全可靠、無環(huán)境污染等優(yōu)勢的新能源．近幾年來，受控核聚變的科學可行性已得到驗證，目前正在突破關鍵技術，最終將建成商用核聚變電站．一種常見的核聚變反應是由氫的同位素氘(又叫重氫)和氚(又叫超重氫)聚合成氦，并釋放一個中子．若已知氘原子的質量為2.014 1 u，氚原子的質量為3.016 0 u，氦原子的質量為4.002 6 u，中子的質量為1.008 7 u,1 u＝1.6610－27 kg. (1)寫出氘和氚聚變的反應方程； (2)試計算這個核反應釋放出來的能量； (3)若建一座功率為3.0105kW的核聚變電站，假設聚變所產生的能量有一半轉化成了電能，求每年要消耗氘的質量？(一年按3.2107 s計算，光速c＝3.0108 m/s，結果取兩位有效數字) 【解析】　(1)氘和氚聚變的反應方程為H＋H→He＋n. (2)該反應過程的質量虧損Δm＝2.0141 u＋3.0160 u－4.0026 u－1.0087 u＝0.0188 u＝3.120810－29 kg 釋放的核能ΔE＝Δmc2＝3.120810－29(3108)2 J＝2.810－12 J. (3)設每年要消耗的氘的質量為M，氘原子的質量為MD 由能量守恒可得：ΔEη＝Pt 可得：M＝＝ kg＝23 kg. 【答案】　(1)H＋H→He＋n　(2)2.810－12 J　(3)23 kg