2024-2025学年高中物理第十九章原子核78核聚变粒子和宇宙课后作业含解析新人教版选修3-5

PAGEPAGE4核聚变粒子和宇宙时间：45分钟一、选择题(1～6题为单选，7～10题为多选)1．关于轻核聚变释放核能，下列说法正确的是(B)A．一次聚变反应肯定比一次裂变反应释放的能量多B．聚变反应每个核子释放的平均能量肯定比裂变反应大C．聚变反应中粒子的比结合能变小D．聚变反应中由于形成质量较大的核，故反应后质量增大解析：在一次聚变反应中释放的能量不肯定比裂变反应多，故A错误；由于聚变反应中释放出巨大的能量，则比结合能肯定增加，质量发生亏损，故C、D错误．2．目前普遍认为，质子和中子都是由被称为u夸克和d夸克的两类夸克组成的．u夸克带电荷量为eq\f(2,3)e，d夸克的带电荷量为－eq\f(1,3)e，e为元电荷，下列说法中可能正确的是(B)A．质子由1个u夸克和2个d夸克组成，中子由1个u夸克和2个d夸克组成B．质子由2个u夸克和1个d夸克组成，中子由1个u夸克和2个d夸克组成C．质子由1个u夸克和2个d夸克组成，中子由2个u夸克和1个d夸克组成D．质子由2个u夸克和1个d夸克组成，中子由2个u夸克和1个d夸克组成解析：质子eq\o\al(1,1)H带电荷量为2×eq\f(2,3)e＋(－eq\f(1,3)e)＝e，中子eq\o\al(1,0)n带电荷量为eq\f(2,3)e＋2×(－eq\f(1,3)e)＝0.可见B正确．3．当两个中子和两个质子结合成一个α粒子时，放出28.30MeV的能量，当三个α粒子结合成一个碳(C)核时，放出7.26MeV的能量，则当6个中子和6个质子结合成一个碳(C)核时，释放的能量约为(D)A．21.04MeV B．35.56MeVC．77.64MeV D．92.16MeV解析：6个中子和6个质子可结合成3个α粒子，放出能量3×28.30MeV＝84.90MeV，3个α粒子再结合成一个碳核，放出7.26MeV能量，故6个中子和6个质子结合成一个碳核时，释放能量为84.90MeV＋7.26MeV＝92.16MeV.4．正电子是电子的反粒子，它跟一般电子的电荷量相等，而电性相反，科学家设想在宇宙的某些部分可能存在完全由反粒子构成的物质——反物质.1997年年初和年底，欧洲和美国的科学探讨机构先后宣布，他们分别制造出9个和7个反氢原子，这是人类探究反物质的一大进步，你推想反氢原子的结构是(B)A．由一个带正电荷的质子与一个带负电荷的电子构成B．由一个带负电荷的质子与一个带正电荷的电子构成C．由一个不带电的中子与一个带负电荷的电子构成D．由一个带负电荷的质子与一个带负电荷的电子构成解析：依据反物质的定义可推断B正确．5．“轨道电子俘获”也是放射性同位素衰变的一种形式，它是指原子核(称为母核)俘获一个核外电子，其内部一个质子变为中子，从而变成一个新核(称为子核)，并且放出一个中微子的过程，中微子的质量微小，不带电，很难被探测到，人们最早是通过子核的反冲而间接证明中微子的存在的．关于一个静止的母核发生“轨道电子俘获”，衰变为子核并放出中微子，下面的说法中正确的是(C)A．子核的动量与中微子的动量相同B．母核的电荷数小于子核的电荷数C．母核的质量数等于子核的质量数D．子核的动能大于中微子的动能解析：原子核(称为母核)俘获电子的过程中动量守恒，初状态系统的总动量为0，则子核的动量和中微子的动量大小相等，方向相反，故A错误；原子核(称为母核)俘获一个核外电子(使其内部的一个质子变为中子，并放出一个中微子，从而变成一个新核(称为子核)的过程，电荷数少1，质量数不变，故B错误，C正确．子核的动量大小和中微子的动量大小相等，由于中微子的质量很小，依据Ek＝eq\f(p2,2m)知，中微子的动能大于子核的动能，故D错误．6．一个氘核和一个氚核经过核反应后生成氦核和中子，同时放出一个γ光子．已知氘核、氚核、中子、氦核的质量分别为m1、m2、m3、m4，普朗克常量为h，真空中的光速为c.下列说法正确的是(D)A．这个核反应是裂变反应B．这个反应的核反应方程是eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋2eq\o\al(1,0)n＋γC．辐射出的γ光子的能量E＝(m3＋m4－m1－m2)c2D．辐射出的γ光子在真空中的波长λ＝eq\f(h,m1＋m2－m3－m4c)解析：一个氘核和一个氚核经过核反应后生成一个氦核和一个中子，这是核聚变反应，A、B选项错误．核反应的质量亏损Δm＝m1＋m2－m3－m4，辐射出的γ光子的能量E＝(m1＋m2－m3－m4)c2，C选项错误．γ光子在真空中的频率ν＝eq\f(E,h)，波长λ＝eq\f(c,ν)＝eq\f(ch,E)＝eq\f(ch,m1＋m2－m3－m4c2)＝eq\f(h,m1＋m2－m3－m4c)，D选项正确．7．月球土壤里大量存在着一种叫做“氦3(eq\o\al(3,2)He)”的化学元素，是热核聚变的重要原料，科学家初步估计月球上至少有100万吨氦3，假如相关技术开发胜利，将为地球带来取之不尽的能源．关于“氦3(eq\o\al(3,2)He)”与氘核聚变，下列说法中正确的是(AD)A．核反应方程为eq\o\al(3,2)He＋eq\o\al(2,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,1)HB．核反应生成物的质量将大于参与反应的物质的质量C．氦3(eq\o\al(3,2)He)一个核子的结合能大于氦4(eq\o\al(4,2)He)一个核子的结合能D．氦3(eq\o\al(3,2)He)的原子核与一个氘核发生聚变将放出能量解析：氦3(eq\o\al(3,2)He)与氘核聚变的核反应符合质量数与电荷数守恒，且聚变是放能反应，有质量亏损，新核的结合能大，故选A、D.8．关于核聚变，以下说法正确的是(ACD)A．与裂变相比轻核聚变辐射极少，更为平安、清洁B．世界上已经有利用核聚变能来发电的核电站C．要使轻核发生聚变，必需使它们的距离达到10－15m以内，核力才能起作用D．地球聚变燃料的储量非常丰富，从海水中可以提炼出大量核聚变所需的氘核解析：与裂变相比，核聚变有下面的几个优势：(1)平安、清洁、辐射少；(2)核燃料储量多；(3)核废料易处理，但核聚变不易限制其发电，还没有投入实际运行，所以B项是不正确的．9．下列说法正确的是(BC)A．聚变是裂变的逆反应B．核聚变反应须将反应物加热到数百万开尔文以上的高温，反应时放出能量C．轻核聚变比裂变更为平安、清洁D．强子是参与强相互作用的粒子，中子是最早发觉的强子解析：聚变和裂变的反应物和生成物完全不同，两者无干脆关系，并非互为逆反应，故A错；实现聚变反应必需使参与反应的轻核充分接近，须要数百万开尔文的高温，但聚变反应一旦实现，所释放的能量远大于所汲取的能量，所以聚变反应还是释放能量，故B正确；实现聚变须要高温，一旦出现故障，高温不能维持，反应就自动终止了，另外，聚变反应比裂变反应生成的废物数量少，简单处理，故C对；质子是最早发觉的强子，故D错．10．下列说法正确的是(ADE)A．氢原子从第一激发态向基态跃迁只能辐射特定频率的光子B．若使放射性物质的温度上升，其半衰期可能变小C．Th核发生一次α衰变时，新核与原来的原子核相比，中子数削减了4D．α粒子散射试验能揭示原子具有核式结构E．太阳辐射的能量主要来自太阳内部的热核反应解析：依据hν＝E1－E2可知，氢原子从第一激发态向基态跃迁只能辐射特定频率的光子，A正确；放射性物质的半衰期与元素所处的物理、化学状态无关，温度上升，其半衰期不变，B错误；Th核发生一次α衰变时，即放出一个α粒子时，新核与原来的原子核相比，中子数削减了2，C错误；卢瑟福通过α粒子散射试验提出了原子的核式结构模型，D正确；太阳辐射的能量主要来自太阳内部的热核反应，即轻核聚变，E正确．二、非选择题11．已知氘核质量为2.0136u，中子质量为1.0087u，eq\o\al(3,2)He核的质量为3.0150u．两个速率相等的氘核对心碰撞聚变成eq\o\al(3,2)He并放出一个中子，释放的核能全部转化为机械能．(质量亏损为1u时，释放的能量为931.5MeV.除了计算质量亏损外，eq\o\al(3,2)He的质量可以认为是中子的3倍)(1)写出该核反应的反应方程式．(2)该核反应释放的核能是多少？(3)若测得反应后生成中子的动能是3.12MeV，则反应前每个氘核的动能是多少？答案：(1)eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(2,1)H→eq\o\al(3,2)He＋eq\o\al(1,0)n(2)3.26MeV(3)0.45MeV解析：(1)核反应方程为：eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(2,1)H→eq\o\al(3,2)He＋eq\o\al(1,0)n(2)质量亏损为：Δm＝2.0136×2u－(3.0150u＋1.0087u)＝0.0035u，释放的核能为：ΔE＝Δmc2＝0.0035×931.5MeV≈3.26MeV(3)设中子和eq\o\al(3,2)He核的质量分别为m1、m2，速度分别为v1、v2.反应前每个氘核的动能是E0，反应后中子和eq\o\al(3,2)He核动能分别为E1、E2，依据动量守恒定律，得m1v1－m2v2＝0，eq\f(E1,E2)＝eq\f(p2,2m1)∶eq\f(p2,2m2)＝eq\f(m2,m1)＝3，E2＝eq\f(E1,3)＝1.04MeV由能量的转化和守恒定律，得E1＋E2＝2E0＋ΔE，E0＝0.45MeV.12．天文观测表明，几乎全部远处的恒星(或星系)都在以各自的速度背离我们而运动，离我们越远的星体，背离我们运动的速度(称为退行速度)越大；也就是说，宇宙在膨胀．不同星体的退行速度v和它们离我们的距离r成正比，即v＝Hr.式中H为一常量，称为哈勃常数，已由天文视察测定．为说明上述现象，有人提出一种理论，认为宇宙是从一个大爆炸的火球起先形成的．假定大爆炸后各星体以不同的速度向外匀速运动，并设想我们就位于其中心，则速度越大的星体现在离我们越远．这一结果与上述天文观测一样．由上述理论和天文观测结果可估算宇宙年龄T，其计算式如何表达？依据观测，哈勃常数H＝3×10－2m/s·光年，其