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(xué)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(xué)業(yè)達標(biāo)] 1．關(guān)于輕核聚變釋放核能，下列說法正確的是(　　) A．一次聚變反應(yīng)一定比一次裂變反應(yīng)釋放的能量多 B．聚變反應(yīng)比裂變反應(yīng)每個核子釋放的平均能量一定多 C．聚變反應(yīng)中粒子的平均結(jié)合能變大 D．聚變反應(yīng)中由于形成質(zhì)量較大的核，故反應(yīng)后質(zhì)量變多 E．聚變反應(yīng)過程中釋放核能，故反應(yīng)后質(zhì)量減少 【解析】　在一次聚變反應(yīng)中釋放的能量不一定比裂變反應(yīng)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(yīng)中釋放出巨大能量，則平均結(jié)合能一定增加，質(zhì)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?zé)岷朔磻?yīng)實驗裝置“超導(dǎo)托卡馬克”(英名稱：EAST，俗稱“人造太陽”)．設(shè)可控?zé)岷藢嶒灧磻?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，光速為c，正確說法正確的是(　　) 【導(dǎo)學(xué)號：18850055】 A．這種裝置中發(fā)生的核反應(yīng)方程式是H＋H―→He＋n B．由核反應(yīng)過程質(zhì)量守恒可知m1＋m2＝m3＋m4 C．核反應(yīng)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(yīng)原理相同 E．可控?zé)岷朔磻?yīng)目前還不能用于核電站實現(xiàn)發(fā)電 【解析】　核反應(yīng)方程為H＋H―→He＋n，選項A正確；反應(yīng)過程中向外釋放能量，故質(zhì)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?zé)岷朔磻?yīng)為核聚變，大亞灣核電站所用核裝置反應(yīng)原理為核裂變，可控?zé)岷朔磻?yīng)目前還不能用于核電站實現(xiàn)發(fā)電，故D錯誤，E正確． 【答案】　ACE 3．太陽內(nèi)部持續(xù)不斷地發(fā)生著4個質(zhì)子(H)聚變?yōu)?個氦核(He)的熱核反應(yīng)．核反應(yīng)方程是4H―→He＋2X，這個核反應(yīng)釋放出大量核能．已知質(zhì)子、氦核、X的質(zhì)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(yīng)中質(zhì)量虧損Δm＝4m1－m2 D．這個核反應(yīng)中釋放的核能ΔE＝(4m1－m2－2m3)c2 E．這個核反應(yīng)過程中有兩個質(zhì)子轉(zhuǎn)化為兩個中子 【解析】　由質(zhì)量數(shù)守恒和核電荷數(shù)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(yīng)過程中，生成物He中含有兩個質(zhì)子和兩個中子，故四個質(zhì)子中有兩個轉(zhuǎn)化為中子，同時放出兩個正電子，E正確；該反應(yīng)中質(zhì)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(biāo)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(dǎo)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(zhì)量為m1，中子的質(zhì)量為m2，He的質(zhì)量為m3，質(zhì)子的質(zhì)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(chǎn)生的另一個粒子是質(zhì)子 B．兩個氘核聚變成一個He所產(chǎn)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(xiàn)行的核反應(yīng)堆產(chǎn)生的廢物具有放射性 【解析】　由核反應(yīng)方程2H→He＋X知，X應(yīng)為中子，釋放的核能應(yīng)為ΔE＝(2m1－m3－m2)c2，聚變反應(yīng)的污染非常小，而現(xiàn)行的裂變反應(yīng)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(jù)新華社報道，由我國自行設(shè)計、研制的世界第一套全超導(dǎo)核聚變實驗裝置(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(　　) 【導(dǎo)學(xué)號：18850056】 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．根據(jù)公式E＝mc2可知，核燃料的質(zhì)量相同時，聚變反應(yīng)釋放的能量比裂變反應(yīng)大得多 D．根據(jù)公式E＝mc2可知，核燃料的質(zhì)量相同時，聚變反應(yīng)釋放的能量與裂變反應(yīng)相同 E．核燃燒的質(zhì)量相同時，聚變反應(yīng)過程的質(zhì)量虧損比裂變反應(yīng)過程的質(zhì)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(jù)氫核聚變特點，相同質(zhì)量的核燃料，氫核聚變釋放的能量比裂變反應(yīng)大得多，氫核聚變反應(yīng)過程的質(zhì)量虧損比裂變反應(yīng)過程的質(zhì)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(xué)家研制“兩彈”所涉及的基本核反應(yīng)方程有：(1)U＋n→Sr＋Xe＋kn；(2)H＋H→He＋dn；關(guān)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(jù)核反應(yīng)中的質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒，可求出k＝10，d＝1，故D對，E錯． 【答案】　BCD 7．某科學(xué)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(yīng)方程為 H＋C―→N＋Q1?、伲? H＋N―→C＋X＋Q2?、冢? 方程中Q1、Q2表示釋放的能量，相關(guān)的原子核質(zhì)量如表： 原子核 H H He C N N 質(zhì)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(guān)系是Q1________Q2. 【解析】　由質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒，可判斷X為He，①式的質(zhì)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(zhì)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(jù)質(zhì)能方程ΔE＝Δmc2可求解Q2>Q1. 【答案】　He　< 8．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＋＋μ p＋C→N p＋N→O O→N＋e＋＋μ p＋N→C＋α 其中p為質(zhì)子，α為α粒子，e＋為正電子，μ為一種中微子．已知質(zhì)子的質(zhì)量mp＝1.672 64810－27 kg，α粒子的質(zhì)量mα＝6.644 92910－27 kg，正電子的質(zhì)量me＝9.1110－31 kg，中微子的質(zhì)量可忽略不計．真空中的光速c＝3108 m/s.試計算該系列反應(yīng)完成后釋放的能量. 【導(dǎo)學(xué)號：18850057】 【解析】　為求出系列反應(yīng)完成后釋放的能量，將題中所給的各核反應(yīng)方程左右兩側(cè)分別相加，消去兩側(cè)相同的項，系列反應(yīng)最終等效為4p→α＋2e＋＋2μ. 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Q＝(4mp－mα－2me)c2 代入數(shù)據(jù)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(jù)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(yīng)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(chǎn)生磁場使帶電粒子在磁場中旋轉(zhuǎn)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(yīng)原理相同 D．這種裝置是科學(xué)家設(shè)想的其中一種方案 E．該裝置是利用聚變物質(zhì)的慣性進行約束 【解析】　聚變反應(yīng)原料在裝置中發(fā)生聚變，放出能量，故A對；線圈通電時產(chǎn)生磁場，帶電粒子在磁場中受洛倫茲力作用旋轉(zhuǎn)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(xué)家設(shè)想的其中一種方案，另一種方案是利用聚變物質(zhì)的慣性進行約束，故D對，E錯． 【答案】　ABD 10．我國自行設(shè)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(biāo)志著我國已經(jīng)邁入可控?zé)岷朔磻?yīng)領(lǐng)域先進國家行列．該反應(yīng)所進行的聚變過程是H＋H―→He＋n，反應(yīng)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(zhuǎn)變得到． (1)請把下列用中子轟擊鋰核(Li)產(chǎn)生一個氚核(H)和一個新核的人工核轉(zhuǎn)變方程填寫完整：________＋n―→________＋H. (2)在(1)中，每產(chǎn)生1 g氚的同時有多少個Li核實現(xiàn)了核轉(zhuǎn)變？(阿伏加德羅常數(shù)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(zhì)量虧損． 【解析】　(1)核反應(yīng)方程為：Li＋n―→He＋H. (2)因為1 g氚為 mol，根據(jù)核反應(yīng)方程，實現(xiàn)核轉(zhuǎn)變的Li也為mol，所以有2.01023個Li實現(xiàn)了核轉(zhuǎn)變． (3)根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程ΔE＝Δmc2，核聚變反應(yīng)中有5個核子參加了反應(yīng)，5個核子釋放總能量ΔE＝55.610－13J＝2.810－12 J，所以質(zhì)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(jīng)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(xué)可行性已得到驗證，目前正在突破關(guān)鍵技術(shù)，最終將建成商用核聚變電站．一種常見的核聚變反應(yīng)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(zhì)量為2.014 1 u，氚原子的質(zhì)量為3.016 0 u，氦原子的質(zhì)量為4.002 6 u，中子的質(zhì)量為1.008 7 u,1 u＝1.6610－27 kg. (1)寫出氘和氚聚變的反應(yīng)方程； (2)試計算這個核反應(yīng)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(shè)聚變所產(chǎn)生的能量有一半轉(zhuǎn)化成了電能，求每年要消耗氘的質(zhì)量？(一年按3.2107 s計算，光速c＝3.0108 m/s，結(jié)果取兩位有效數(shù)字) 【解析】　(1)氘和氚聚變的反應(yīng)方程為H＋H→He＋n. (2)該反應(yīng)過程的質(zhì)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(shè)每年要消耗的氘的質(zhì)量為M，氘原子的質(zhì)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