2019-2020學(xué)年高中物理 第19章 原子核 第7、8節(jié) 核聚變 粒子和宇宙練習(xí)（含解析）新人教版選修3-5

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1、核聚變 粒子和宇宙 基礎(chǔ)夯實(shí) 一、選擇題(1～3題為單選題，4、5題為多選題) 1．國家國防科技工業(yè)局首次發(fā)布“嫦娥三號(hào)”月面虹灣局部影像圖，如圖所示?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)在月球上含有豐富的He(氦3)。它是一種高效、清潔、安全的核聚變?nèi)剂?，其參與的一種核聚變反應(yīng)的方程式為He＋He→2H＋He。關(guān)于He聚變下列表述正確的是(　B　) A．聚變反應(yīng)不會(huì)釋放能量 B．聚變反應(yīng)產(chǎn)生了新的原子核 C．聚變反應(yīng)沒有質(zhì)量虧損 D．目前核電站都采用He聚變反應(yīng)發(fā)電 解析：聚變反應(yīng)是將質(zhì)量較小的輕核聚變成質(zhì)量較大的核，聚變過程會(huì)有質(zhì)量虧損，要放出大量的能量。但目前核電站都采用鈾核的裂變反應(yīng)

2、。綜上所述，選項(xiàng)B正確。 2．2010年3月31日歐洲大型強(qiáng)子對撞機(jī)實(shí)現(xiàn)首次質(zhì)子束對撞成功?？茖W(xué)家希望以接近光速飛行的質(zhì)子在發(fā)生撞擊之后，能模擬宇宙大爆炸的能量，并產(chǎn)生新的粒子，幫助人類理解暗物質(zhì)、反物質(zhì)、以及其他超對稱現(xiàn)象，從根本上加深了解宇宙本質(zhì)，揭示宇宙形成之謎。歐洲科研機(jī)構(gòu)宣布他們已經(jīng)制造出9個(gè)反氫原子。請推測反氫原子的結(jié)構(gòu)是(　B　) A．由1個(gè)帶正電荷的質(zhì)子和1個(gè)帶負(fù)電荷的電子構(gòu)成 B．由1個(gè)帶負(fù)電荷的反質(zhì)子和1個(gè)帶正電荷的正電子構(gòu)成 C．由1個(gè)帶負(fù)電荷的反質(zhì)子和1個(gè)帶負(fù)電荷的電子構(gòu)成 D．由1個(gè)不帶電荷的中子和1個(gè)帶正電荷的正電子構(gòu)成 解析：根據(jù)反粒子定義，“反粒子”

3、與“正粒子”具有相同的質(zhì)量，但帶有等量的異性電荷。 因此“反氫原子”應(yīng)該具有與氫原子相同的質(zhì)量，相反的電荷符號(hào)且等量的電荷量。所以反氫原子是由H核和e構(gòu)成的。 3．2002年，美國《科學(xué)》雜志評出的《2001年世界十大科技突破》中，有一次是加拿大薩德伯里中微子觀測站的結(jié)果，該站揭示了中微子失蹤的部分中微子在運(yùn)動(dòng)過程中轉(zhuǎn)化為一個(gè)μ子和一個(gè)τ子。在上述研究中有以下說法，正確的是(　B　) ①若發(fā)現(xiàn)μ子和中微子的運(yùn)動(dòng)方向一致，則τ子的運(yùn)動(dòng)方向與中微子的運(yùn)動(dòng)方向一定相反 ②若發(fā)現(xiàn)μ子和中微子的運(yùn)動(dòng)方向一致，則τ子的運(yùn)動(dòng)方向與中微子的運(yùn)動(dòng)方向可能一致 ③若發(fā)現(xiàn)μ子和中微子的運(yùn)動(dòng)方向相反，則τ子的

4、運(yùn)動(dòng)方向與中微子的運(yùn)動(dòng)方向一定一致 ④若發(fā)現(xiàn)μ子和中微子的運(yùn)動(dòng)方向相反，則τ子的運(yùn)動(dòng)方向與中微子的運(yùn)動(dòng)方向可能相反 A．①③　　　　　 B．②③ C．③④ D．①② 解析：中微子在轉(zhuǎn)化為μ子和τ子的前后過程中滿足動(dòng)量守恒定律。 4．據(jù)新華社報(bào)道，由我國自行設(shè)計(jì)、研制的世界第一套全超導(dǎo)核聚變實(shí)驗(yàn)裝置(又稱“人造太陽”)已完成了首次工程調(diào)試。下列關(guān)于“人造太陽”的說法正確的是(　AC　) A．“人造太陽”的核反應(yīng)方程是H＋H―→He＋n B．“人造太陽”的核反應(yīng)方程是U＋n―→Ba＋Kr＋3n C．“人造太陽”釋放的能量大小的計(jì)算公式是ΔE＝Δmc2 D．“人造太陽”核能大小的計(jì)

5、算公式是E＝mc2 解析：“人造太陽”是全超導(dǎo)核聚變實(shí)驗(yàn)裝置，核反應(yīng)是輕核聚變而不是重核裂變，故選項(xiàng)A正確，選項(xiàng)B錯(cuò)誤；核能大小的計(jì)算根據(jù)愛因斯坦的質(zhì)能方程，故選項(xiàng)C正確，選項(xiàng)D錯(cuò)誤。 5．(2019·安徽省明光中學(xué)高二下學(xué)期期中)已知氘核的比結(jié)合能是1.09 MeV，氚核的比結(jié)合能是2.78 MeV，氦核的比結(jié)合能是7.03 MeV。某次核反應(yīng)中，1個(gè)氘核和1個(gè)氚核結(jié)合生成1個(gè)氦核，則下列說法中正確的是(　BC　) A．這是一個(gè)裂變反應(yīng) B．核反應(yīng)方程式為H＋H→He＋n C．核反應(yīng)過程中釋放的核能是17.6 MeV D．目前核電站都采用上述核反應(yīng)發(fā)電 解析：1個(gè)氘核和1個(gè)氚核

6、結(jié)合生成1個(gè)氦核，這是兩個(gè)比較輕的核轉(zhuǎn)化成中等質(zhì)量的核，所以屬于聚變反應(yīng)，A錯(cuò)誤；根據(jù)質(zhì)量數(shù)和質(zhì)子數(shù)守恒，可以知道當(dāng)1個(gè)氘核和1個(gè)氚核結(jié)合生成1個(gè)氦核時(shí)會(huì)有一個(gè)中子生成，B正確；原子核的結(jié)合能與核子數(shù)之比，稱做比結(jié)合能。根據(jù)題意可知，核反應(yīng)過程中釋放的核能是ΔE＝(7.03×4－2.78×3－1.09×2)MeV＝17.6 MeV，C正確；目前核電站都是采用核裂變技術(shù)，D錯(cuò)誤。 二、非選擇題 6．科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)太陽發(fā)光是由于其內(nèi)部不斷發(fā)生從氫核到氦核的核聚變反應(yīng)，即在太陽內(nèi)部4個(gè)氫核(H)轉(zhuǎn)化成一個(gè)氦核(He)和兩個(gè)正電子(e)并放出能量，已知質(zhì)子質(zhì)量mp＝1.007 3 u，α粒子的質(zhì)量m

7、α＝4.001 5 u，正電子的質(zhì)量me＝0.000 5 u,1 u質(zhì)量相當(dāng)于931 MeV的能量。寫出該熱核反應(yīng)方程__4H―→He＋2e__；一次這樣的熱核反應(yīng)過程中釋放出__24.86__MeV的能量。(結(jié)果保留四位有效數(shù)字)。 解析：Δm＝4mp－mα－2me＝4×1.007 3 u－4.001 5 u－2×0.000 5 u＝0.026 7 u ΔE＝Δmc2＝0.026 7 u×931 MeV＝24.86 MeV 7．太陽的能量來自氫核聚變：即四個(gè)質(zhì)子(氫核)聚變一個(gè)α粒子，同時(shí)發(fā)射兩個(gè)正電子和兩個(gè)沒有靜止質(zhì)量的中微子。如果太陽輻射能量的功率為P，質(zhì)子H、氦核He、正電子e的

8、質(zhì)量分別為mP、ma、me，真空的光速為c，則 (1)寫出上述核反應(yīng)方程式； (2)計(jì)算每一次聚變所釋放的能量ΔE； (3)計(jì)算t時(shí)間內(nèi)因聚變生成的α粒子數(shù)n。 答案：(1)4H→He＋2e　(2)ΔE＝(4mP－ma－me)c2 (3) 解析：(1)核反應(yīng)方程式為：4H→He＋2e； (2)核反應(yīng)過程中的質(zhì)量虧損Δm＝(4mP－ma－me)，根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程：ΔE＝Δmc2可知，核反應(yīng)釋放的能量，ΔE＝(4mP－ma－me)c2。 (3)設(shè)t時(shí)間內(nèi)因聚變生成的α粒子數(shù)為n， 依據(jù)能量關(guān)系Pt＝nΔE 有，n＝＝ 能力提升 一、選擇題(1～3題為單選題，4題為多

9、選題) 1．(2018·北京市房山區(qū)高三上學(xué)期期末)我國自行研制了可控?zé)岷朔磻?yīng)實(shí)驗(yàn)裝置“超導(dǎo)托卡馬克” (英文名稱：EAST，稱“人造太陽”)。設(shè)可控?zé)岷藢?shí)驗(yàn)反應(yīng)前氘核(H)的質(zhì)量為m1，氚核(H)的質(zhì)量為m2，反應(yīng)后氦核(He)的質(zhì)量為m3，中子(n)的質(zhì)量為m4，已知光速為c。下列說法中正確的是(　A　) A．核反應(yīng)放出的能量等于 (m1＋m2－m3－m4 )c2 B．由核反應(yīng)過程質(zhì)量守恒可知m1＋m2＝m3＋m4 C．這種熱核實(shí)驗(yàn)反應(yīng)是α衰變 D．這種裝置與我國大亞灣核電站所使用核裝置的核反應(yīng)原理相同 解析：核反應(yīng)過程中的質(zhì)量虧損Δm＝m1＋m2－m3－m4，釋放的核能ΔE＝

10、Δmc2＝(m1＋m2－m3－m4)c2，故A正確；核反應(yīng)過程中質(zhì)量數(shù)守恒，但質(zhì)量不守恒，核反應(yīng)過程中存在質(zhì)量虧損，因此m1＋m2≠m3＋m4，故B錯(cuò)誤；這種裝置的核反應(yīng)是核聚變，我國大亞灣核電站所使用核裝置是核裂變，它們的核反應(yīng)原理不相同，故CD錯(cuò)誤。 2．一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子聚變結(jié)合成一個(gè)氘核，同時(shí)輻射一個(gè)γ光子。已知質(zhì)子、中子、氘核的質(zhì)量分別為m1、m2、m3，普朗克常量為h，真空中的光速為c。下列說法正確的是(　B　) A．核反應(yīng)方程是H＋n→H＋γ B．聚變反應(yīng)中的質(zhì)量虧損Δm＝m1＋m2－m3 C．輻射出的γ光子的能量E＝(m3－m1－m2)c2 D．γ光子的波長λ＝ 解

11、析：H＋n→H＋γ，選項(xiàng)A錯(cuò)誤；由題可知，該反應(yīng)的質(zhì)量虧損為Δm＝m1＋m2－m3，選項(xiàng)B正確；根據(jù)愛因斯坦的質(zhì)能方程E＝mc2得，該反應(yīng)輻射出的γ光子的能量為E＝(m1＋m2－m3)c2，選項(xiàng)C錯(cuò)誤；由E＝hν＝h得，λ＝，選項(xiàng)D錯(cuò)誤。 3．“軌道電子俘獲”是放射性同位素衰變的一種形式，它是指原子核(稱為母核)俘獲一個(gè)核外電子，使其內(nèi)部的一個(gè)質(zhì)子變?yōu)橹凶?，并放出一個(gè)中微子，從而變成一個(gè)新核(稱為子核)的過程。中微子的質(zhì)量遠(yuǎn)小于質(zhì)子的質(zhì)量，且不帶電，很難被探測到，人們最早就是通過核的反沖而間接證明中微子的存在的。一個(gè)靜止的原子核發(fā)生“軌道電子俘獲”，衰變?yōu)樽雍瞬⒎懦鲋形⒆?，下列說法正確的是(

12、　B　) A．母核的質(zhì)量數(shù)小于子核的質(zhì)量數(shù) B．母核的電荷數(shù)大于子核的電荷數(shù) C．子核的動(dòng)量與中微子的動(dòng)量相同 D．子核的動(dòng)能大于中微子的動(dòng)能 解析：原子核(稱為母核)俘獲一個(gè)核外電子，使其內(nèi)部的一個(gè)質(zhì)子變?yōu)橹凶?，并放出一個(gè)中微子，從而變成一個(gè)新核(稱為子核)的過程。電荷數(shù)少1，質(zhì)量數(shù)不變，故A錯(cuò)誤，B正確；原子核(稱為母核)俘獲電子的過程中動(dòng)量守恒，初狀態(tài)系統(tǒng)的總動(dòng)量為0，則子核的動(dòng)量和中微子的動(dòng)量大小相等，方向相反，故C錯(cuò)誤；子核的動(dòng)量大小和中微子的動(dòng)量大小相等，由于中微子的質(zhì)量很小，根據(jù)Ek＝知，中微子的動(dòng)能大于子核的動(dòng)能，故D錯(cuò)誤，故選B。 4．K－介子衰變的方程為K－→π

13、－＋π0，其中K－介子和π－介子帶負(fù)的元電荷e，π0介子不帶電，π－介子的質(zhì)量為m。如圖所示，兩勻強(qiáng)磁場方向相同，以虛線MN為理想邊界，磁感應(yīng)強(qiáng)度分別為B1、B2。今有一個(gè)K－介子沿垂直于磁場的方向射入勻強(qiáng)磁場B1中，其軌跡為圓弧AP，P在MN上，K－在P點(diǎn)時(shí)的速度為v，方向與MN垂直。在P點(diǎn)該介子發(fā)生了上述衰變。衰變后產(chǎn)生的K－介子沿v反方向射出，其運(yùn)動(dòng)軌跡為如圖虛線所示的“心”形圖線。則以下說法正確的是(　AD　) A．π0介子做勻速直線運(yùn)動(dòng) B．π－介子的運(yùn)行軌跡為PENCMDP C．π－介子運(yùn)行一周回到P用時(shí)為t＝ D．B1＝2B2 解析：π0介子不帶電，不受洛倫茲力作用

14、，故做勻速直線運(yùn)動(dòng)，A正確；根據(jù)左手定則可知：π－介子從P點(diǎn)沿垂直于磁場的方向射入勻強(qiáng)磁場B1時(shí)，受到的洛倫茲力方向向上，所以π－介子的運(yùn)行軌跡為PDMCNEP，故B錯(cuò)誤；π－介子在整個(gè)過程中，在勻強(qiáng)磁場B1中運(yùn)動(dòng)兩個(gè)半圓，即運(yùn)動(dòng)一個(gè)周期，在勻強(qiáng)磁場B2中運(yùn)動(dòng)半個(gè)周期，所以T＝＋，故C錯(cuò)誤；由圖象可知，π－在勻強(qiáng)磁場B1中運(yùn)動(dòng)半徑是勻強(qiáng)磁場B2中運(yùn)動(dòng)半徑的一半，根據(jù)r＝可知，B1＝2B2，故D正確。 二、非選擇題 5．如下一系列核反應(yīng)是在恒星內(nèi)部發(fā)生的。 p＋C―→N　N―→C＋e＋＋ν p＋C―→N　p＋N―→O O―→N＋e＋＋ν　p＋N―→C＋α 其中p為質(zhì)子，α為α粒子，e

15、＋為正電子，ν為中微子，已知質(zhì)子的質(zhì)量為mp＝1.672 648×10－27 kg，α粒子的質(zhì)量為mα＝6.644 929×10－27 kg, 正電子的質(zhì)量為me＝9.11×10－31 kg，中微子的質(zhì)量可忽略不計(jì)，真空中的光速c＝3.00×108 m/s，試計(jì)算該系列核反應(yīng)完成后釋放的能量。 答案：3.95×10－12 J 解析：為求出系列反應(yīng)后釋放的能量，將題中所給的諸核反應(yīng)方程左右兩側(cè)分別相加，消去兩側(cè)相同的項(xiàng)，系統(tǒng)反應(yīng)最終等效為 4p―→α＋2e＋＋2ν 設(shè)反應(yīng)后釋放的能量為Q，根據(jù)質(zhì)能關(guān)系和能量守恒得 4mpc2＝mαc2＋2mec2＋Q 代入數(shù)值可得 Q＝3.95×10－12 J - 6 -