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第十九章原子核 第7節(jié)核聚變 欄目鏈接 學習目標 1 知道核聚變的概念及其研究的進展 2 知道什么是受控聚變反應 3 通過核能的利用 思考科學技術與社會的關系 1 聚變 輕核結合成質(zhì)量較大的原子核的反應叫聚變 例如 2 熱核反應 輕核必須在很高的溫度下相遇才能發(fā)生聚合放出更大的能量 這種在很高溫度下產(chǎn)生的聚變又叫熱核反應 注 使輕核反生聚變 必須使它們的距離十分接近 達到10 15m的近距離 由于原子核都是帶正電的 要使它們接近到這種程度 必須克服巨大的庫侖斥力 欄目鏈接 這就要使原子核具有很大的動能 用什么辦法能使大量原子核獲得足夠的動能來產(chǎn)生聚變呢 有一種辦法就是給它們加以很高的溫度 當物體達到幾百萬攝氏度的高溫時 劇烈的熱運動使得一部分原子核具有足夠的動能 可以克服相互間的庫侖斥力 在碰撞時發(fā)生聚變 因此 聚變反應又叫熱核反應 3 輕核聚變和重核裂變的對比 欄目鏈接 嘗試應用1 多選 北京奧運會的相關場館建設大量采用對環(huán)境有益的新技術 如奧運會場館周圍80 的路燈利用了太陽能發(fā)電技術 奧運會90 的洗浴熱水采用了全玻璃真空管型太陽能集熱技術 太陽能的產(chǎn)生是太陽內(nèi)部高溫高壓條件下的核反應形成的 下列說法正確的是 AC 解析 太陽能是太陽內(nèi)部核聚變反應產(chǎn)生的 反應中釋放出能量是因為核子的平均質(zhì)量較的大 故A C正確 欄目鏈接 1 熱核反應的優(yōu)點 與裂變相比 1 產(chǎn)生的能量大 2 反應后生成的放射性物質(zhì)易處理 3 熱核反應的燃料在地球上儲量豐富 2 實現(xiàn)核聚變的難點 地球上沒有任何容器能夠經(jīng)受如此高的溫度 為解決這個難題 科學家設想了兩種方案 即磁約束和慣性約束 嘗試應用2 太陽內(nèi)部持續(xù)不斷地發(fā)生著4個質(zhì)子 聚變?yōu)?個氦核 的熱核反應 核反應方程是 這個核反應釋放出大量核能 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 D A 方程中的X表示中子 B 方程中的X表示電子 C 這個核反應中質(zhì)量虧損D 這個核反應中釋放的核能 解析 由質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒知 X為 A B均錯 該反應中質(zhì)量虧損 C錯 D對 恒星向外輻射的能量來自于其內(nèi)部發(fā)生的各種熱核反應 當溫度達到108K時 可以發(fā)生 氦燃燒 完成 氦燃燒 的核反應方程 是一種不穩(wěn)定的粒子 其半衰期為2 6 10 16s 一定質(zhì)量的 經(jīng)后所剩下的占開始時的 審題指導 1 由題意結合核反應方程滿足質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒可得答案 2 由題意可知經(jīng)過3個半衰期 剩余的的質(zhì)量 解析 根據(jù)電荷數(shù)守恒 質(zhì)量數(shù)守恒 知未知粒子的電荷數(shù)為2 質(zhì)量數(shù)為4 為 經(jīng) 知經(jīng)歷了3個半衰期 所剩占開始時的答案 或 或12 5 點評 本題考查了核反應方程 半衰期 動量守恒定律 變式訓練1 下列說法中正確的是 A A 中子和質(zhì)子結合成氘核時放出能量B 升高放射性物質(zhì)的溫度 可縮短其半衰期 C 某原子核經(jīng)過一次 衰變和一次 衰變后 核內(nèi)中子數(shù)減少4個D 射線的電離作用很強 可用來消除有害靜電解析 輕核聚變時放出能量 半衰期是物質(zhì)的本身屬性與溫度無關 經(jīng)過一次 衰變中子數(shù)減2 一次 衰變后 中子數(shù)減1 射線的穿透作用很強 射線的電離作用很強 輕核聚變時放出能量 所以中子和質(zhì)子結合成氘核時放出能量 故A正確 半衰期是物質(zhì)的本身屬性與溫度無關 故B錯誤 經(jīng)過一次 衰變中子數(shù)減2 一次 衰變后 中子數(shù)減1 所以某原子核經(jīng)過一次 衰變和一次 衰變后 核內(nèi)中子數(shù)減少3個 故C錯誤 射線的穿透作用很強 射線的電離作用很強 故D錯誤 多選 據(jù)新華社報道 由我國自行設計 研制的世界第一套全超導核聚變實驗裝置 又稱 人造太陽 已完成了首次工程調(diào)試 下列關于 人造太陽 的說法正確的是 A 人造太陽 的核反應方程式是B 人造太陽 的核反應方程式是 C 根據(jù)公式可知 核燃料的質(zhì)量相同時 聚變反應釋放的能量比裂變反應大得多D 根據(jù)公式可知 核燃料的質(zhì)量相同時 聚變反應釋放的能量與裂變反應釋放的能量相同 審題指導 1 理解核聚變與核裂變的原理 可確定這兩種核反應的方程式 2 核聚變都是氘核和氚核進行的核聚變反應 所有的核聚變和裂變都可以根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程求釋放的能量 聚變反應比裂變反應平均每個核子放出的能量大3 4倍 質(zhì)量相同時 核子數(shù)更多 放出能量更多 解析 人造太陽的核聚變是氘核和氚核進行的核聚變反應 故A正確 質(zhì)量較重的鈾核通過核反應產(chǎn)生兩個中等質(zhì)量的鋇核和氪核 屬于重核的核裂變 故B錯誤 相同質(zhì)量的核燃料 發(fā)生核聚變反應所釋放出的核能比發(fā)生核裂變反應所釋放的能量更加巨大 故C正確 D錯誤 答案 AC點評 本題考查核聚變與核裂變方程式 以及利用愛因斯坦質(zhì)能方程比較發(fā)生這兩種核反應時放出的能量 變式訓練2 多選 太陽內(nèi)部有多種熱核反應 其中的一個反應方程是 若已知的質(zhì)量為的質(zhì)量為的質(zhì)量為 X的質(zhì)量為 則下列說法中正確的是 AB A X是中子B 這個反應釋放的核能為C 在常溫下就能夠發(fā)生聚變D 核反應堆產(chǎn)生的能量來自輕核聚變解析 根據(jù)質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒 得到X的質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù) 即可得到X是什么粒子 聚變不能在常溫下發(fā)生 欄目鏈接 根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程 求解核反應釋放的核能 我國大亞灣核電站就是利用重核的裂變釋放的能量來發(fā)電的 根據(jù)質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒得到 X的質(zhì)量數(shù)為1 電荷數(shù)為0 則X是中子 故A正確 該方程的質(zhì)量虧損為 m E 故B正確 在常溫下不能發(fā)生聚變 只有在高溫下才能發(fā)生聚變 故C錯誤 我國大亞灣核電站就是利用重核的裂變釋放的能量來發(fā)電的 故D錯誤 1994年3月 中國科技大學研制成功了比較先進的HT 7型超導托卡馬克 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katushka 線圈 的第一個字母組成的縮寫詞 根據(jù)以上信息 下列說法不正確的是 A 這種裝置的核反應原理是輕核的聚變 同時釋放出大量的能量 與太陽發(fā)光的原理類似 B 這種裝置同我國秦山核電站 大亞灣核電站所使用核裝置反應原理相同C 這種裝置可以控制熱核反應速度 使聚變能緩慢而穩(wěn)定地釋放D 這種裝置產(chǎn)生的核聚變對環(huán)境的污染比核裂變要輕得多 審題指導 1 本題需要從題目所給條件中分析主要內(nèi)容 結合問題作答 2 目前所有具有使用價值的核反應堆全部采用核裂變模式 但是 核聚變也是核能利用的一種形式 只是核聚變的速度太快 只有能夠控制 才能利用 解析 輕核聚變是把輕核結合成質(zhì)量較大的核 釋放出核能的反應稱聚變反應 又稱為熱核反應 它需要極大的壓強和極高的溫度 原因是自持的核聚變反應必須在極高的壓力和溫度下進行 A正確 目前核電站是利用核裂變釋放能量發(fā)電 B錯誤 當?shù)入x子體的溫度達到幾千萬度甚至幾億度時 原子核就可以克服斥力聚合在一起 如果同時還有足夠的密度和足夠長的熱能約束時間 這種聚變反應就可以穩(wěn)定地持續(xù)進行 C正確 這種裝置產(chǎn)生的核聚變對環(huán)境的污染比核裂變要輕得多 D正確 答案 B 欄目鏈接 變式訓練3 多選 2006年2月4日 由中科院等離子體物理研究所設計 制造的EAST全超導非圓截面托卡馬克實驗裝置大部件已安裝完畢 進入抽真空降溫試驗階段 其目的是建成一個受控核聚變反應堆 屆時就相當于人類為自己制造了一個小太陽 可以得到無窮盡的清潔能源 據(jù)專家介紹 今年七 八月份如能按期完成首次放電實驗 合肥將成為世界上第一個建成此類全超導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 A 兩個氘核聚變成一個所產(chǎn)生的另一個粒子是質(zhì)子B 兩個氘核聚變成一個所產(chǎn)生的另一個粒子是中子C 兩個氘核聚變成一個所釋放的核能為D 與受控核聚變比較 現(xiàn)行的核反應堆產(chǎn)生的廢物具有放射性 已知氘核的質(zhì)量為 中子的質(zhì)量為的質(zhì)量為 質(zhì)子的質(zhì)量為 則下列說法中正確的是 BD 解析 根據(jù)電荷數(shù)守恒 質(zhì)量數(shù)守恒確定未知粒子的種類 根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程求出釋放的核能 由核反應方程可知 X應為中子 故A錯誤 B正確 釋放的核能應為 E 故C錯誤 聚變反應的污染非常小 而現(xiàn)行的裂變反應的廢料具有很強的放射性 故B D正確 A C錯誤