核能的分析与计算.doc

难点20 核能的分析与计算核能的开发与利用是一个社会热点问题，以此为背景的命题既是3+X高考的热点，亦是考生应考的难点.难点磁场1.（）（2000全国）裂变反应是目前核能利用中常用的反应.以原子核U为燃料的反应堆中，当U俘获一个慢中子后发生的裂变反应可以有多种方式，其中一种可表示为U +n Xe + Sr +3n235.0439 1.0087 138.9178 93.9154反应方程下方的数字是中子及有关原子的静止质量（以原子质量单位u为单位）.已知 1 u的质量对应的能量为9.3102MeV,此裂变反应释放出的能量是_MeV.2.（）（2000全国，13）假设在NaCl蒸气中存在由钠离子Na和氯离子Cl靠静电相互作用构成的单个NaCl分子.若取Na与Cl相距无限远时其电势能为零，一个NaCl分子的电势能为-6.1 eV.已知使一个中性钠原子Na最外层的电子脱离钠原子而形成钠离子 Na所需的能量（电离能）为5.1 eV，使一个中性氯原子Cl结合一个电子形成氯离子Cl所放出的能量（亲和能）为3.8 eV.由此可算出，在将一个NaCl分子分解成彼此远离的中性钠原子Na和中性氯原子Cl的过程中，外界供给的总能量等于_eV.案例探究例1（）（2002理综广东广西卷）如下一系列核反应是在恒星内部发生的，P+CNNC+e+P+CNP+NOON+e+P+NC+其中P为质子，为粒子，e+为正电子，为一种中微子.已知质子的质量为mp=1.67264810-27 kg，粒子的质量为m=6.64492910-27 kg，正电子的质量为me=9.1110-31 kg，中微子的质量可忽略不计.真空中的光速c=3.00108 m/s.试计算该系列核反应完成后释放的能量.命题意图：考查质能方程及能量守恒的理解应用能力.属B级要求.错解分析：（1）由于核反应较多，少数考生在合并反应方程时发生错误.（2）部分考生由于数字计算出错而失分.解题方法与技巧：为求出系列反应后释放的能量，可将题中所给的诸核反应方程左右两侧分别相加，消去两侧相同的项，系列反应最终等效为4P+2e+2设反应后释放的能量为Q，根据质能关系和能量守恒得4mpc2=mc2+2mec2+Q代入数值可得Q=3.9510-12J例2（）一静止的U核衰变为Tn核时，放出一粒子，已知U和Tn、He的原子量分别为M0，M1，M2，求放出的粒子的初动能.命题意图：以原子结构、质能方程、动量守恒定律、动能和动量关系为依托，考查考生理解能力分析综合能力，B级要求.错解分析：（1）混淆原子量与原子核的质量导致错解.（2）不能据动量和能量关系求解Th核与He核的核能分配.解题方法与技巧：设U、Th、He的质量分别为m0、m1和m2，由质能关系可得在核反应中释放出来的核能转化为反应后Th和He核的总动能：Ek=（m0-m1-m2）c2一个U原子质量为:=m0+92me（N为阿伏加德罗常数）同理：=m1+90me,=m2+2me所以Ek=（M0-M1-M2）c2/N反应前后动量守恒，设反应后Th、He核的动量分别为p1、p2，则有：p1=p2由动量和动能之间的关系，则有：m1v12=; m2v22=则总动能：Ek=所以粒子的初动能:Eka =Ek若忽略电子质量me，则粒子的初动能：Eka=（M0-M1-M2）c2锦囊妙计一、高考命题特点高考对核能知识点作为B级要求.其命题常集中于：核反应中核能释放与质能方程、动量守恒、能的转化与守恒的综合命题考查、或以核反应中核能转化为线索进行物理、化学、生物多学科的综合命题考查.在能源危机日益严重的今天，核能的利用是人们关注的社会热点，也是理科综合测试命题的重点.二、核能的计算指要1.爱因斯坦质能方程E=mc2,是核能计算的依据.在核反应中，反应前后若有质量亏损m,则可放出E=mc2的核能.相当于2.E=mc2是核能计算的常用方法，在具体应用中要注意单位制的统一及不同单位的换算.若质量单位取原子质量单位u，则1 u=1.6610-27kg 931.5 MeV.该结论在计算中直接可以应用.3.在无光子辐射的情况下，核反应中释放的核能转化为生成新核和新粒子的动能.在此情况下可依据力学规律动量守恒和能量守恒来计算核能及其分配关系.歼灭难点训练1.（）氘核（）和氚核（）聚合成氦核（He）的反应方程如下：He+n.设氘核质量为m1，氚核质量为m2，氦核质量为m3，中子质量为m4，则反应过程中释放的能量为A.（m1m2m3）c2 B.（m1m2m4）c2C.（m1m2m3-m4）c2.（m3m4m1m2）c22.（）两个中子和两个质子结合成一个粒子时，可放出28.30 MeV的能量，三个粒子结合成一个碳核时，可放出7.26 MeV的能量，由此可以推断：6个中子和6个质子结合成一个碳核时，可释放出能量为_MeV.3.（）处于静止状态的X原子核，经历一次衰变后变成质量为M的Y原子核.放出的粒子垂直射入磁感应强度为B的匀强磁场，测得其做圆周运动的半径为r.已知粒子的质量为m，电量为q，求此衰变过程亏损的质量.4.（）两个氘核的质量为2.0136 u，氦3的质量为3.0150 u，中子的质量为 1.0087 u.（1）写出核反应方程.（2）计算两个氘核聚变释放的能量.（3）计算1 kg氘完全聚变为氦3所释放的能量，这能量相当于多少煤完全燃烧放出的热能？（煤的燃烧值q=3.344107 J/kg）5.（）太阳现正处于主序星演化阶段，它主要是由电子和H、He等原子核组成.维持太阳辐射的是它内部的核聚变反应，核反应方程是2e+4HHe+释放的能量，这些核能最后转化为辐射能.根据目前关于恒星演化的理论，若由于聚变反应而使太阳中的H核数目从现有数减少10%，太阳将离开主序星阶段而转入红巨星的演化阶段.为了简化，假定目前太阳全部由电子和H核组成.（1）为了研究太阳演化进程，需知道目前太阳的质量m1.已知地球半径R=6.4106 m.地球质量m2=6.01024 kg，日地中心的距离r=1.51011 m，地球表面处的重力加速度g= 10 m/s2,1年约为3.2107 s.试估算目前太阳的质量m1.（2）已知质子质量mp=1.672610-27kg,He质量m=6.645810-27kg，电子质量me=0.910-30kg，光速c=3108m/s.求每发生一次题中所述的核聚变反应所释放的核能.（3）已知地球上与太阳光垂直的每平方米截面上，每秒通过的太阳辐射能=1.35103W/m2.试估算太阳继续保持在主序星阶段还有多少年的寿命.6.（）在其他能源中，核能具有能量大、地区适应性强的优势.在核电站中，核反应堆释放的核能转化为电能.核反应堆的工作原理是利用中子轰击重核发生裂变反应，释放出大量核能.（1）核反应方程式U+nBa+Kr+aX是反应堆中发生的许多核反应中的一种，n为中子，X为待求粒子，a为X的个数，则X为_，a=_.以mu、mBa、mKr分别表示U、Ba、Kr核的质量，mn 、mp分别表示中子、质子的质量，c为光在真空中传播的速度，则在上述核反应过程中放出的核能E=_.（2）有一座发电能力为P=1.00106kW的核电站，核能转化为电能的效率=40%.假定反应堆中发生的裂变反应全是本题（1）中的核反应，已知每次核反应过程放出的核能E=2.7810-11J, U核的质量Mu=39010-27kg.求每年（1年=3.15107s）消耗的U的质量.参考答案：难点磁场1.1.82102 MeV 2.4.8 eV歼灭难点训练1.C 2.9.46 MeV3.粒子在磁场中做圆周运动，洛伦兹力提供向心力qvB=m所以，粒子的动能E=mv2=m（）2=X核衰变后生成的新核Y的速度为u，则依据动量守恒得：Mu=mu所以Y核的动能EM=Mu2=mv2衰变过程释放的总能量E=E+EM释放的能量由衰变过程亏损的质量转化而来，根据质能方程E=mc2,得亏损的质量：m=4.（1）核反应方程式为H+HH+n（2）两个氘核聚变前后的质量亏损为：m=2mH-（mHe+mn）=22.0136 u-（3.0150+1.0087） u=0.0035 u根据质能方程，释放的能量E=mc2=0.00351.6610-27（3.0108） J=5.2310-13 J（3）1 mol氘含有6.021023个氘核，1 kg氘所含氘核数n=6.021023=3.011026每2个氘聚变释放的能量为5.231013 J,1 kg氘完全聚变为氦3所释放的能量E=5.2310-13J=3.871013 J相当于完全燃烧kg=1.16106 kg的煤放出的能量.5.（1）设T为地球绕日心运动的周期，由万有引力定律和牛顿定律可知：G=m2（）2r地球表面处重力加速度：g=G由、式联立解得m1=m2（）2以题给数值代入得m1=21030 kg（2）根据质量亏损和质能公式，该核反应每发生一次释放的核能为E=（4mp+2me-ma）c2代入数值，解得E=4.210-12J（3）根据题给假定，在太阳继续保持在主序星阶段的时间内，发生题中所述的核聚变反应次数为：N=10%因此，太阳总共辐射能量为E=NE,设太阳辐射是各向同性的，则每秒内太阳向外放出的辐射能为：=4r2所以太阳继续保持在主序星的时间为：t=由以上各式解得：t=以题给数据代入，并以年为单位可得：t=11010年=1百亿年.6.（1）由核反应方程的电荷数守恒和质量数守恒知X的电荷数为零，且