高中 物理 必修第三冊 第五章 原子核《第4節(jié) 核裂變與核聚變 第5節(jié)　“基本”粒子》教學(xué)設(shè)計(jì)

第4節(jié)核裂變與核聚變第5節(jié)“基本”粒子[學(xué)習(xí)目標(biāo)]1．知道重核的裂變反應(yīng)和鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的發(fā)生條件。2．了解裂變反應(yīng)堆的類型，知道核電站的工作模式。3．知道聚變反應(yīng)，關(guān)注受控聚變反應(yīng)研究的進(jìn)展。4．會分析和計(jì)算核裂變和核聚變過程釋放的核能。5．初步了解粒子物理學(xué)的基礎(chǔ)知識。知識點(diǎn)1核裂變的發(fā)現(xiàn)1．核裂變：重核被中子轟擊后分裂成兩個質(zhì)量差不多的新原子核，并放出核能的過程。2．鈾核裂變：用中子轟擊鈾核時，鈾核發(fā)生裂變，其產(chǎn)物是多種多樣的，其中一種典型的反應(yīng)是eq\o\al(\s\up1(235),\s\do1(92))U＋eq\o\al(\s\up1(1),\s\do1(0))n→eq\o\al(\s\up1(144),\s\do1(56))Ba＋eq\o\al(\s\up1(89),\s\do1(36))Kr＋3eq\o\al(\s\up1(1),\s\do1(0))n。3．鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(1)由重核裂變產(chǎn)生的中子使核裂變反應(yīng)一代一代繼續(xù)下去的過程，叫作核裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。(2)通常把核裂變物質(zhì)能夠發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的最小體積叫作它的臨界體積，相應(yīng)的質(zhì)量叫作臨界質(zhì)量。知識點(diǎn)2反應(yīng)堆與核電站1．核反應(yīng)堆：通過可控制的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)實(shí)現(xiàn)核能釋放的裝置稱為核反應(yīng)堆。2．慢化劑：反應(yīng)堆中，為了使裂變產(chǎn)生的快中子減速，在鈾棒周圍要放“慢化劑”，常用的慢化劑有石墨、重水和普通水。3．控制棒：為了控制反應(yīng)速度，還需要在鈾棒之間插進(jìn)一些鎘棒，鎘吸收中子的能力很強(qiáng)，當(dāng)反應(yīng)過于激烈時，可將其插入深一些，多吸收一些中子，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度就會慢一些，這種鎘棒叫作控制棒。4．核污染的處理為避免射線對人體的傷害和放射性物質(zhì)對水源、空氣和工作場所造成放射性污染，在反應(yīng)堆的外面需要修建很厚的水泥層，用來屏蔽核裂變產(chǎn)物放出的各種射線。核廢料具有很強(qiáng)的放射性，需要裝入特制的容器，深埋地下。知識點(diǎn)3核聚變1．定義：兩個輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核，這樣的核反應(yīng)叫作核聚變。2．舉例：eq\o\al(\s\up1(2),\s\do1(1))H＋eq\o\al(\s\up1(3),\s\do1(1))H→eq\o\al(\s\up1(4),\s\do1(2))He＋eq\o\al(\s\up1(1),\s\do1(0))n＋17.6MeV。3．條件(1)輕核的距離要達(dá)到10－15m以內(nèi)。(2)需要加熱到很高的溫度，因此核聚變又叫熱核反應(yīng)。4．優(yōu)點(diǎn)(1)輕核聚變產(chǎn)能效率高。(2)地球上核聚變?nèi)剂想畠α控S富，而氚可以利用鋰來制取，足以滿足核聚變的需要。(3)輕核聚變更為安全、清潔。5．約束方法：磁約束和慣性約束。[判一判]1．(1)鈾核的裂變是一種天然放射現(xiàn)象。()(2)鈾塊的質(zhì)量大于臨界質(zhì)量時鏈?zhǔn)椒磻?yīng)才能不停地進(jìn)行下去。()(3)控制棒是通過吸收中子多少來控制鏈?zhǔn)椒磻?yīng)速度的。()(4)核聚變反應(yīng)中平均每個核子放出的能量比裂變時小一些。()提示：(1)×(2)√(3)√(4)×知識點(diǎn)4發(fā)現(xiàn)新粒子1．新粒子：1932年發(fā)現(xiàn)了正電子，1937年發(fā)現(xiàn)了μ子，1947年發(fā)現(xiàn)了K介子和π介子及以后的超子等。2．反粒子：實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，存在著這樣一類粒子，它們的質(zhì)量、壽命、自旋等物理性質(zhì)與過去已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的粒子相同，而電荷等其他性質(zhì)相反，這些粒子叫作反粒子。例如，電子的反粒子就是正電子。知識點(diǎn)5粒子的分類1．強(qiáng)子：強(qiáng)子是參與強(qiáng)相互作用的粒子。質(zhì)子和中子都是強(qiáng)子。2．輕子：輕子不參與強(qiáng)相互作用。最早發(fā)現(xiàn)的輕子是電子。3．規(guī)范玻色子：規(guī)范玻色子是傳遞各種相互作用的粒子。光子傳遞電磁相互作用，中間玻色子傳遞弱相互作用，膠子傳遞強(qiáng)相互作用。4．希格斯玻色子：希格斯玻色子是希格斯場的量子激發(fā)。[判一判]2．(1)質(zhì)子、中子和電子都是不可再分的基本粒子。()(2)質(zhì)子和反質(zhì)子的電荷量相同，電性相反。()提示：(1)×(2)√1．(核裂變)在核反應(yīng)中，控制鈾235核裂變反應(yīng)速度的方法是()A．使用濃縮鈾B．改變鈾塊的臨界體積C．通過自動控制裝置，改變鎘棒插入的深度，以改變中子數(shù)D．利用石墨與中子的碰撞來改變中子的速度答案：C2．(核裂變及核能計(jì)算)一個eq\o\al(235,)92U原子核在中子的轟擊下發(fā)生一種可能的裂變反應(yīng)，其裂變方程為eq\o\al(235,)92U＋eq\o\al(1,0)n→X＋eq\o\al(94,38)Sr＋2eq\o\al(1,0)n，則下列敘述正確的是()A．X原子核中含有86個中子B．X原子核中含有141個核子C．因?yàn)榱炎儠r釋放能量，根據(jù)E＝mc2，裂變后的總質(zhì)量數(shù)增加D．因?yàn)榱炎儠r釋放能量，出現(xiàn)質(zhì)量虧損，所以生成物的總質(zhì)量數(shù)減少解析：選A。X原子核中的核子數(shù)為(235＋1)－(94＋2)＝140個，B錯誤；中子數(shù)為(235－92)＋1－(94－38)－2＝86個，A正確；裂變時釋放能量，出現(xiàn)質(zhì)量虧損，但是其總質(zhì)量數(shù)是不變的，C、D錯誤。3．(核聚變)在大約50至60億年之后，太陽內(nèi)部的氫元素幾乎會全部消耗殆盡，核心將發(fā)生坍縮。在太陽核心發(fā)生坍縮前，太陽的能量來源于內(nèi)部的核反應(yīng)，下列關(guān)于太陽的核反應(yīng)的說法錯誤的是()A．核反應(yīng)是太陽內(nèi)部的核裂變B．核反應(yīng)需要達(dá)到極高溫度C．核反應(yīng)前后核子的平均質(zhì)量減小D．核反應(yīng)前后核子總質(zhì)量數(shù)不變解析：選A。核反應(yīng)是太陽內(nèi)部的核聚變，故A錯誤；核反應(yīng)需要達(dá)到極高溫度，故B正確；核反應(yīng)前后釋放能量，質(zhì)量虧損，核子的平均質(zhì)量減小，故C正確；核反應(yīng)前后質(zhì)量數(shù)守恒，電荷數(shù)守恒，核子總質(zhì)量數(shù)不變，故D正確。4．(粒子的分類)以下說法正確的是()A．最早發(fā)現(xiàn)的輕子是電子，最早發(fā)現(xiàn)的強(qiáng)子是中子B．質(zhì)子、中子、介子和超子都屬于強(qiáng)子C．強(qiáng)子、輕子都有內(nèi)部結(jié)構(gòu)D．τ子質(zhì)量比核子質(zhì)量大，τ子不屬于輕子解析：選B。最早發(fā)現(xiàn)的強(qiáng)子是質(zhì)子，最早發(fā)現(xiàn)的輕子是電子，A錯誤；質(zhì)子、中子、介子和超子都屬于強(qiáng)子，B正確；強(qiáng)子有內(nèi)部結(jié)構(gòu)，由夸克組成，輕子沒有內(nèi)部結(jié)構(gòu)，C錯誤；τ子質(zhì)量比核子質(zhì)量大，但τ子仍屬于輕子，D錯誤。5．(基本粒子)現(xiàn)在科學(xué)家們正在設(shè)法探尋“反物質(zhì)”，所謂“反物質(zhì)”是由“反粒子”構(gòu)成的，“反粒子”與其對應(yīng)的正粒子有相同的質(zhì)量和相同的電荷量，但電荷符號相反。據(jù)此，若有反α粒子，它的質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)分別為()A．－4，－2 B．4，－2C．－4，2 D．4，2解析：選B。因“反粒子”與其對應(yīng)的正粒子具有相同的質(zhì)量、相同的電荷量，但電荷的符號相反。所以，反α粒子質(zhì)量數(shù)為4，電荷數(shù)為－2。探究一重核裂變的分析1．鈾核的裂變和裂變方程(1)核子受激發(fā)：當(dāng)中子進(jìn)入鈾235后，便形成了處于激發(fā)狀態(tài)的復(fù)核，復(fù)核中由于核子的激烈運(yùn)動，使核變成不規(guī)則的形狀。(2)核子分裂：核子間的距離增大，因而核力迅速減弱，使得原子核由于質(zhì)子間的斥力作用而分裂成幾塊，同時放出2或3個中子，這些中子又引起其他鈾核裂變，這樣，裂變就會不斷地進(jìn)行下去，釋放出越來越多的核能。(3)常見的裂變方程：①eq\o\al(\s\up1(235),\s\do1(92))U＋eq\o\al(\s\up1(1),\s\do1(0))n→eq\o\al(\s\up1(139),\s\do1(54))Xe＋eq\o\al(\s\up1(95),\s\do1(38))Sr＋2eq\o\al(\s\up1(1),\s\do1(0))n。②eq\o\al(\s\up1(235),\s\do1(92))U＋eq\o\al(\s\up1(1),\s\do1(0))n→eq\o\al(\s\up1(144),\s\do1(56))Ba＋eq\o\al(\s\up1(89),\s\do1(36))Kr＋3eq\o\al(\s\up1(1),\s\do1(0))n。2．鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的條件(1)鈾塊的體積大于臨界體積。(2)鈾塊的質(zhì)量大于臨界質(zhì)量。以上兩個條件滿足一個，則另一個條件自動滿足。3．裂變反應(yīng)的能量鈾核裂變?yōu)橹械荣|(zhì)量的原子核，發(fā)生質(zhì)量虧損，所以放出能量。一個鈾235核裂變時釋放的能量如果按200MeV估算，1kg鈾235全部裂變放出的能量相當(dāng)于2800t標(biāo)準(zhǔn)煤完全燃燒時釋放的能量，裂變時能產(chǎn)生幾百萬度的高溫。【例1】(2021·江西鷹潭市高三二模)鈾原子核既可發(fā)生衰變，也可發(fā)生裂變。其衰變方程為eq\o\al(\s\up1(238),\s\do1(92))U→eq\o\al(\s\up1(234),\s\do1(90))Th＋X，裂變方程為eq\o\al(\s\up1(235),\s\do1(92))U＋eq\o\al(\s\up1(1),\s\do1(0))n→Y＋eq\o\al(\s\up1(89),\s\do1(36))Kr＋3eq\o\al(\s\up1(1),\s\do1(0))n，其中eq\o\al(\s\up1(235),\s\do1(92))U、eq\o\al(\s\up1(1),\s\do1(0))n、Y、eq\o\al(\s\up1(89),\s\do1(36))Kr的質(zhì)量分別為m1、m2、m3、m4，光在真空中的傳播速度為c。下列敘述正確的是()A．eq\o\al(\s\up1(238),\s\do1(92))U衰變是α衰變，α射線可以用來測量鋼板的厚度B．eq\o\al(\s\up1(235),\s\do1(92))U裂變時釋放的能量為(m1－2m2－m3－m4)c2C．若提高溫度，eq\o\al(\s\up1(235),\s\do1(92))U的半衰期將會變小D．Y原子核中含有56個中子[解析]根據(jù)質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒可得X為eq\o\al(\s\up1(4),\s\do1(2))He，發(fā)生的是α衰變，α射線貫穿能力弱，不可以用來測量鋼板的厚度，故A錯誤；裂變時釋放的能量，由愛因斯坦質(zhì)能方程得ΔE＝Δmc2＝(m1－2m2－m3－m4)c2，故B正確；半衰期與環(huán)境沒有關(guān)系，故C錯誤；根據(jù)核反應(yīng)前后質(zhì)量數(shù)和核電荷數(shù)均守恒，Y原子核中含有56個質(zhì)子，中子數(shù)為144－56＝88個，故D錯誤。[答案]B[針對訓(xùn)練1]貧鈾炸彈是一種殺傷力很強(qiáng)的武器，貧鈾是提煉鈾235以后的副產(chǎn)品，其主要成分為鈾238，貧鈾炸彈不僅有很強(qiáng)的穿甲能力，而且鈾238具有放射性，殘留物可長期對環(huán)境起破壞作用而造成污染。人長期生活在該環(huán)境中會受到核輻射而患上皮膚癌和白血病。下列敘述錯誤的是()A．鈾238的衰變方程式eq\o\al(238,92)U→eq\o\al(234,90)Th＋eq\o\al(4,2)HeB．eq\o\al(235,92)U和eq\o\al(238,92)U互為同位素C．人患皮膚癌和白血病是因?yàn)楹溯椛鋵?dǎo)致了基因突變D．貧鈾彈的穿甲能力很強(qiáng)，也是因?yàn)樗姆派湫源鸢福篋探究二核電站的工作原理及能量轉(zhuǎn)化1．反應(yīng)堆工作原理(1)熱源：在核電站中，核反應(yīng)堆是熱源，如圖為簡化的核反應(yīng)堆示意圖：鈾棒是燃料，由天然鈾或濃縮鈾(鈾235的含量占2%～4%)制成，石墨(重水)為慢化劑，使反應(yīng)生成的快中子變?yōu)槁凶樱阌阝?35的吸收，發(fā)生裂變。慢化劑附在鈾棒周圍。(2)控制棒：鎘棒的作用是吸收中子，控制反應(yīng)速度，所以也叫控制棒?？刂瓢舨迦肷钜恍罩凶佣?，反應(yīng)速度變慢，插入淺一些，吸收中子少，反應(yīng)速度加快，采用電子儀器自動調(diào)節(jié)控制棒插入深度，就能控制核反應(yīng)的劇烈程度。(3)冷卻劑：核反應(yīng)釋放的能量大部分轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，這時通過水、液態(tài)鈉等作冷卻劑，在反應(yīng)堆內(nèi)外循環(huán)流動，把內(nèi)能傳輸出去，用于推動蒸汽機(jī)，使發(fā)電機(jī)發(fā)電。發(fā)生裂變反應(yīng)時，會產(chǎn)生一些有危險的放射性物質(zhì)，很厚的水泥防護(hù)層可以防止射線輻射到外面。2．核電站發(fā)電的優(yōu)點(diǎn)(1)消耗的核燃料少。(2)作為核燃料的鈾、釷等在地球上可采儲量大。(3)對環(huán)境的污染要比火力發(fā)電小?！纠?】原子反應(yīng)堆是實(shí)現(xiàn)可控制的重核裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的一種裝置，它主要由四部分組成()A．原子燃料、減速劑、冷卻系統(tǒng)和控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)B．原子燃料、減速劑、發(fā)熱系統(tǒng)和傳熱系統(tǒng)C．原子燃料、減速劑、碰撞系統(tǒng)和傳熱系統(tǒng)D．原子燃料、中子源、原子能存聚系統(tǒng)和輸送系統(tǒng)[解析]原子反應(yīng)堆里用的核燃料是用濃縮鈾(鈾235占2%～4%)制成的鈾棒；鈾235易俘獲慢中子，不易俘獲快中子，必須使用減速劑(如石墨、重水、普通水)，讓快中子跟減速劑的原子核碰撞后能量減少，變成慢中子；控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)是用于調(diào)節(jié)中子的數(shù)目以控制反應(yīng)速度，它是由鎘做成的放置在鈾棒之間的一些控制棒及計(jì)算機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)組成；冷卻系統(tǒng)靠水或液態(tài)金屬鈉等流體在反應(yīng)堆內(nèi)外循環(huán)流動，把反應(yīng)堆內(nèi)的熱量傳輸出去，用于發(fā)電，同時使反應(yīng)堆冷卻，保證安全。[答案]A【例3】在所有能源中核能具有能量密度大、區(qū)域適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，在核電站中，核反應(yīng)堆釋放的核能被轉(zhuǎn)化為電能。核反應(yīng)堆的工作原理是利用中子轟擊重核發(fā)生裂變反應(yīng)，釋放出大量核能。(1)核反應(yīng)方程式eq\o\al(\s\up1(235),\s\do1(92))U＋eq\o\al(\s\up1(1),\s\do1(0))n→eq\o\al(\s\up1(141),\s\do1(56))Ba＋eq\o\al(\s\up1(92),\s\do1(36))Kr＋aX是反應(yīng)堆中發(fā)生的許多核反應(yīng)中的一種，eq\o\al(\s\up1(1),\s\do1(0))n為中子，X為待求粒子，a為X的個數(shù)，則X為________，a＝________。以mU、mBa、mKr分別表示eq\o\al(\s\up1(235),\s\do1(92))U、eq\o\al(\s\up1(141),\s\do1(56))Ba、eq\o\al(\s\up1(92),\s\do1(36))Kr核的質(zhì)量，mn、mp分別表示中子、質(zhì)子的質(zhì)量，c為光在真空中傳播的速度，則在上述核反應(yīng)過程中放出的核能ΔE＝______________。(2)有一座發(fā)電能力為P＝1.00×106kW的核電站，核能轉(zhuǎn)化為電能的效率η＝40%。假定反應(yīng)堆中發(fā)生的裂變反應(yīng)全是本題(1)中的核反應(yīng)，已知每次核反應(yīng)過程中放出的核能ΔE＝2.78×10－11J，鈾核的質(zhì)量mU＝390×10－27kg，求每年(1年＝3.15×107s)消耗的eq\o\al(\s\up1(235),\s\do1(92))U的質(zhì)量。[解析](1)依據(jù)電荷數(shù)守恒和質(zhì)量數(shù)守恒可判斷X為eq\o\al(\s\up1(1),\s\do1(0))n，a為3，由質(zhì)能方程知釋放的能量為ΔE＝(mU－mBa－mKr－2mn)c2。(2)因核電站的核能轉(zhuǎn)化效率為40%，故核電站消耗核能的功率為P′＝eq\f(P,40%)＝eq\f(106,40%)kW＝2.5×106kW則核電站每年所需核能為E＝P′t＝2.5×109×3.15×107J＝7.875×1016J產(chǎn)生這些能量消耗的鈾核的數(shù)目n＝eq\f(E,ΔE)＝eq\f(7.875×1016,2.78×10－11)(個)≈2.83×1027(個)故每年消耗eq\o\al(\s\up1(235),\s\do1(92))U的質(zhì)量為M＝nmU＝2.83×1027×390×10－27kg＝1103.7kg。[答案](1)eq\o\al(\s\up1(1),\s\do1(0))n3(mU－mBa－mKr－2mn)c2(2)1103.7kg[針對訓(xùn)練2](多選)關(guān)于核反應(yīng)堆，下列說法正確的是()A．鈾棒是核燃料，裂變時釋放核能B．鎘棒的作用是控制反應(yīng)堆的功率C．石墨的作用是吸收中子D．冷卻劑的作用是控制反應(yīng)堆的溫度和輸出熱能解析：選ABD。鈾棒是核燃料，裂變時可放出能量，故A正確；鎘棒吸收中子的能力很強(qiáng)，作用是調(diào)節(jié)中子數(shù)目以控制反應(yīng)速度，即控制反應(yīng)堆功率，故B正確；慢中子最容易引發(fā)鈾核裂變，所以在快中子碰到鈾棒前要進(jìn)行減速，石墨的作用是使中子減速，故C錯誤；水或液態(tài)金屬鈉等流體在反應(yīng)堆內(nèi)外循環(huán)流動，把反應(yīng)堆內(nèi)的熱量傳輸出去，用于發(fā)電，同時也使反應(yīng)堆冷卻，控制溫度，故D正確。探究三核聚變及核能的計(jì)算1．聚變發(fā)生的條件要使輕核聚變，必須使輕核接近核力發(fā)生作用的距離10－15m，這要克服電荷間強(qiáng)大的斥力作用，要求使輕核具有足夠大的動能。要使原子核具有足夠大的動能，就要給它們加熱，使物質(zhì)達(dá)到幾百萬開爾文的高溫。2．輕核聚變是放能反應(yīng)從比結(jié)合能的圖線看，輕核聚變后比結(jié)合能增加，因此聚變反應(yīng)是一個放能反應(yīng)。3．核聚變的特點(diǎn)(1)在消耗相同質(zhì)量的核燃料時，輕核聚變比重核裂變釋放更多的能量。(2)熱核反應(yīng)一旦發(fā)生，就不再需要外界給它能量，靠自身產(chǎn)生的熱就可以使反應(yīng)進(jìn)行下去。(3)普遍性：熱核反應(yīng)在宇宙中時時刻刻地進(jìn)行著，太陽就是一個巨大的熱核反應(yīng)堆。4．核聚變的應(yīng)用(1)核武器——?dú)鋸?，一種不需要人工控制的輕核聚變反應(yīng)裝置。它利用彈體內(nèi)的原子彈爆炸產(chǎn)生的高溫高壓引發(fā)熱核聚變爆炸。(2)可控?zé)岷朔磻?yīng)：目前處于探索階段。5．重核裂變與輕核聚變的區(qū)別重核裂變輕核聚變放能原理重核分裂成兩個或多個中等質(zhì)量的原子核，放出核能兩個輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的原子核，放出核能放能多少聚變反應(yīng)比裂變反應(yīng)平均每個核子放出的能量要大3～4倍核廢料處理難度聚變反應(yīng)的核廢料處理要比裂變反應(yīng)簡單得多原料的蘊(yùn)藏量核裂變?nèi)剂镶櫾诘厍蛏蟽α坑邢?，尤其用于核裂變的?35在鈾礦石中只占0.7%主要原料是氘，氘在地球上的儲量非常豐富。1L海水中大約有0.03g氘，如果用來進(jìn)行熱核反應(yīng)，放出的能量約與燃燒300L汽油相當(dāng)可控性速度比較容易進(jìn)行人工控制，現(xiàn)在的核電站都是用核裂變反應(yīng)釋放核能目前，除氫彈以外，人們還不能控制它【例4】兩個氘核結(jié)合成一個氦核，已知氘核質(zhì)量為2.0141u，氦核質(zhì)量為4.0026u。(1)寫出相應(yīng)的核反應(yīng)方程；(2)求出1kg氘完全結(jié)合成氦時可以釋放出的能量。已知：阿伏加德羅常數(shù)NA為6.0×1023mol－1，氘核的摩爾質(zhì)量為2g/mol，1u相當(dāng)于931.5MeV的能量。(結(jié)果保留2位有效數(shù)字)[解析](1)核聚變反應(yīng)的方程為eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(2,1)H→eq\o\al(4,2)He。(2)兩個氘核結(jié)合成一個氦核時釋放的能量為ΔE＝Δmc2＝(2×2.0141u－4.0026u)c2＝0.0256×931.5MeV≈23.8MeV由于1kg氘中含有一對的氘核數(shù)為n＝eq\f(1,2)×(eq\f(m,m氘)×NA)＝eq\f(1,2)×(eq\f(1000,2)×6.0×1023)＝1.5×10261kg氘完全結(jié)合成氦時可以釋放出的能量為E＝nΔE＝1.5×1026×23.8MeV≈3.6×1027MeV。[答案](1)eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(2,1)H→eq\o\al(4,2)He(2)3.6×1027MeV[針對訓(xùn)練3]科學(xué)家發(fā)現(xiàn)在月球上含有豐富的eq\o\al(3,2)He(氦3)，它是一種高效、清潔、安全的核聚變?nèi)剂希鋮⑴c的一種核聚變反應(yīng)的方程式為2eq\o\al(3,2)He→2eq\o\al(1,1)H＋eq\o\al(4,2)He，下列關(guān)于eq\o\al(3,2)He聚變的表述正確的是()A．聚變反應(yīng)不會釋放能量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eq\o\al(3,2)He聚變反應(yīng)發(fā)電解析：選B。核聚變反應(yīng)中產(chǎn)生新的原子核，同時由于發(fā)生了質(zhì)量虧損，會有核能的釋放，B正確，A、C錯誤；目前核電站大多采用重核裂變的方法來發(fā)電，D錯誤。[A級——基礎(chǔ)達(dá)標(biāo)練]1．(多選)關(guān)于人們發(fā)現(xiàn)的新粒子，下列說法正確的是()A．許多粒子都有自己的反粒子B．把粒子分為強(qiáng)子、輕子、媒介子，依據(jù)是粒子與各種相互作用的關(guān)系C．質(zhì)子屬于強(qiáng)子D．光子屬于輕子解析：選ABC。許多粒子都有自己的反粒子，反粒子與其對應(yīng)的正粒子具有相同的質(zhì)量和相同的電荷量，但電荷的符號相反，故A正確；粒子分為三大類：媒介子、輕子和強(qiáng)子，依據(jù)其相互作用的關(guān)系，質(zhì)子屬于強(qiáng)子，光子屬于媒介子，故B、C正確，D錯誤。2．(多選)當(dāng)一個重核裂變時，它能產(chǎn)生的兩個核()A．一定是穩(wěn)定的B．含有的中子數(shù)較裂變前重核的中子數(shù)少C．裂變時釋放的能量等于俘獲中子時得到的能量D．可以是多種形式的兩個核的組合解析：選BD。重核裂變?yōu)閮蓚€中等質(zhì)量的核時平均要放出2個或3個中子，裂變釋放的能量比俘獲中子的能量大，C錯誤；中子數(shù)會減少，B正確；重核裂變的產(chǎn)物是多種多樣的，A錯誤，D正確。3．一個靜止的鈾核eq\o\al(232,)92U(原子質(zhì)量為232.0372u)放出一個α粒子(原子質(zhì)量為4.0026u)后衰變成釷核eq\o\al(228,)90Th(原子質(zhì)量為228.0287u)。已知1u相當(dāng)于931.5MeV的能量。鈾核的衰變反應(yīng)方程為eq\a\vs4\al(eq\o\al(232,)92U)→eq\o\al(228,)90Th＋eq\o\al(4,2)He，算出該衰變反應(yīng)中釋放出的核能為()A．5.35MeVB．5.5MeVC．10.35MeVD．10.5MeV答案：B4．我國秦山核電站第三期工程中有兩組60萬千瓦的發(fā)電機(jī)組，發(fā)電站的核能來源于eq\o\al(235,)92U的裂變，現(xiàn)有四種說法：①eq\o\al(235,)92U原子核中有92個質(zhì)子，143個中子②eq\o\al(235,)92U的一種可能裂變是變成兩個中等質(zhì)量的原子核，反應(yīng)方程為eq\o\al(235,)92U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(139,)54Xe＋eq\o\al(95,38)Sr＋2eq\o\al(1,0)n③eq\o\al(235,)92U是天然放射性元素，常溫下它的半衰期約為45億年，升高溫度半衰期縮短④一個eq\o\al(235,)92U裂變能放出200MeV的能量，合3.2×10－11J以上說法中完全正確的是()A.①②③ B．②③④C．①③④ D．①②④解析：選D。由eq\o\al(235,)92U的質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)關(guān)系知①正確；由核反應(yīng)方程中電荷數(shù)守恒和質(zhì)量數(shù)守恒知②正確；半衰期不受外界因素干擾，故③錯誤；因?yàn)?00MeV＝200×106×1.6×10－19J＝3.2×10－11J，所以④正確，故D正確。5．太陽輻射能量主要來自太陽內(nèi)部的()A．化學(xué)反應(yīng)B．放射性衰變C．裂變反應(yīng)D．熱核反應(yīng)解析：選D。太陽的能量來自內(nèi)部的核聚變，產(chǎn)生很高的能量，又稱為熱核反應(yīng)。故D正確，A、B、C錯誤。6．ITER裝置是一個能產(chǎn)生大規(guī)模核聚變反應(yīng)的超導(dǎo)托卡馬克，俗稱“人造太陽”。人造太陽中發(fā)生的主要是氫的同位素——氘和氚的核聚變反應(yīng)。下列說法正確的是()A．核反應(yīng)方程為eq\o\al(3,1)H＋eq\o\al(2,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,1)HB．該核反應(yīng)過程吸收能量C．該核反應(yīng)生成物的質(zhì)量大于反應(yīng)物的質(zhì)量D．聚變生成物eq\o\al(4,2)He的比結(jié)合能大于反應(yīng)物eq\o\al(2,1)H的比結(jié)合能解析：選D。核反應(yīng)方程中質(zhì)量數(shù)與電荷數(shù)守恒，而A選項(xiàng)中的電荷數(shù)不守恒，A錯誤；核聚變反應(yīng)過程放出能量，B錯誤；核聚變反應(yīng)有大量的能量放出，由愛因斯坦質(zhì)能方程知，有質(zhì)量虧損，生成物的質(zhì)量小于反應(yīng)物的質(zhì)量，C錯誤；比結(jié)合能越大，原子核越穩(wěn)定，故eq\o\al(4,2)He的比結(jié)合能大于eq\o\al(2,1)H的比結(jié)合能，D正確。7．我國自行研制的“超導(dǎo)托卡馬克”可控?zé)岷朔磻?yīng)實(shí)驗(yàn)裝置，俗稱人造太陽，其運(yùn)行原理就是在裝置的真空室內(nèi)加入少量氫的同位素氘和氚，通過類似變壓器的原理使其產(chǎn)生等離子體，然后提高其密度、溫度使其發(fā)生聚變反應(yīng)，產(chǎn)生巨大的能量，核反應(yīng)方程式是eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋X，下列說法正確的是()A．該核反應(yīng)前后核子的平均質(zhì)量增加B．核反應(yīng)方程式中的X是中子C．該核反應(yīng)前后的電荷數(shù)不守恒D．該核反應(yīng)產(chǎn)生的條件之一是核聚變的原料要大于一定的臨界體積解析：選B。該核反應(yīng)過程中要釋放能量，故前后核子的平均質(zhì)量減小，A錯誤；根據(jù)核反應(yīng)前后質(zhì)量數(shù)是守恒的，可得X為eq\o\al(1,0)n，是中子，B正確；核反應(yīng)前后的電荷數(shù)是守恒的，C錯誤；核聚變反應(yīng)是熱核反應(yīng)，與體積無關(guān)，D錯誤。[B級——能力增分練]8．下列說法正確的是()A．研制核武器的钚239eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(eq\o\al(239,)94Pu))由鈾239eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(eq\o\al(239,)92U))經(jīng)過2次β衰變而產(chǎn)生B．升高溫度可以加快eq\o\al(14,)6C的衰變C．20g的eq\o\al(238,)92U經(jīng)過兩個半衰期后，質(zhì)量變?yōu)?5gD．eq\o\al(238,)92U在中子轟擊下，生成eq\o\al(94,38)Sr和eq\o\al(140,)54Xe的核反應(yīng)前后，原子核的核子總數(shù)減少解析：選A。經(jīng)過β衰變電荷數(shù)多1，質(zhì)量數(shù)不變，所以钚239由鈾239經(jīng)過2次β衰變而產(chǎn)生，A正確；溫度不會影響衰變速度，B錯誤；根據(jù)半衰期公式m＝eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2)))eq\s\up12(2)m0，可得m＝5g，即20g的鈾經(jīng)過2個半衰期后其質(zhì)量變?yōu)?g，C錯誤；核反應(yīng)前后，原子核的核子總數(shù)守恒，D錯誤。9．有一種聚變反應(yīng)是四個氫核聚變成一個氦核，同時放出兩個正電子。(已知煤的燃燒值q＝3.36×107J/kg，氫核質(zhì)量為1.008142u，氦核質(zhì)量為4.001509u，電子的質(zhì)量為0.000549u，質(zhì)量虧損為1u時，釋放的能量為931.5MeV，阿伏加德羅常數(shù)取6.02×1023mol－1，結(jié)果均保留3位有效數(shù)字)問：(1)若1g氫完全聚變，能釋放多少能量？(2)1g氫完全聚變，釋放的能量相當(dāng)于多少煤完全燃燒放出的熱能？解析：(1)核反應(yīng)方程為4eq\o\al(1,1)H→eq\o\al(4,2)He＋2eq\o\al(0,1)e所以Δm＝4mH－mHe－2me＝4×1.008142u－4.001509u－2×0.000549u＝0.029961u根據(jù)ΔE＝Δmc2有ΔE＝Δmc2＝0.029961uc2＝0.029961×931.5