高中物理 模塊要點(diǎn)回眸 第17點(diǎn) 聚變反應(yīng)的三大題型舉例素材 新人教版選修3-5（通用）

第17點(diǎn)聚變反應(yīng)的三大題型舉例 一、認(rèn)識(shí)“核聚變”對(duì)點(diǎn)例題1 下列核反應(yīng)方程中，表示核聚變過(guò)程的是()A.PSie B.HHHenC.CNe D.UThHe解題指導(dǎo)輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核叫聚變此題關(guān)鍵在一個(gè)“聚”字，暗示變化之前應(yīng)至少有兩種核，四個(gè)選項(xiàng)中只有B符合要求答案B方法點(diǎn)評(píng)掌握聚變的兩個(gè)特點(diǎn)：(1)“聚”：反應(yīng)前至少有兩種核；(2)“輕”：“聚變”為“輕”核聚變，是兩個(gè)質(zhì)量數(shù)較小的原子核聚合在一起產(chǎn)生的核反應(yīng)，聚變反應(yīng)的“燃料”一般為氫(H)和氫的同位素氘(H)、氚(H)二、聚變核能的計(jì)算對(duì)點(diǎn)例題2 一個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子聚變?yōu)橐粋€(gè)氚核，已知質(zhì)子質(zhì)量mH1.007 3 u，中子質(zhì)量mn1.008 7 u，氚核質(zhì)量m3.018 0 u，1 u相當(dāng)于931.5 MeV.(1)寫(xiě)出聚變方程；(2)釋放出的核能多大？(3)平均每個(gè)核子釋放的能量是多大？解題指導(dǎo)(1)聚變方程為H2nH(2)質(zhì)量虧損mmH2mnm(1.007 32×1.008 73.018 0) u0.006 7 u釋放的核能E0.006 7×931.5 MeV6.24 MeV(3)平均每個(gè)核子釋放的能量為 MeV2.08 MeV答案(1)H2nH(2)6.24 MeV(3)2.08 MeV點(diǎn)撥提升從數(shù)據(jù)上看本題中聚變釋放的能量并不很大，但如果考慮到輕核的摩爾質(zhì)量很小，可知聚變出1 kg氚核放出的核能遠(yuǎn)大于核裂變，因此，聚變能釋放出比重核裂變更多的能量(聚變反應(yīng)中平均每個(gè)核子放出的能量比裂變反應(yīng)中平均每個(gè)核子放出的能量大34倍)三、核聚變過(guò)程中動(dòng)量和能量守恒對(duì)點(diǎn)例題3 兩個(gè)氘核聚變產(chǎn)生一個(gè)中子和一個(gè)氦核(氦的同位素)已知氘核質(zhì)量mD2.013 6 u，氦核質(zhì)量mHe3.015 0 u，中子質(zhì)量mn1.008 7 u.(1)寫(xiě)出聚變方程并計(jì)算出釋放的核能(已知1 u相當(dāng)于931.5 MeV)；(2)若反應(yīng)前兩氘核的動(dòng)能均為EkD0.35 MeV.它們正面對(duì)撞發(fā)生聚變，且反應(yīng)后釋放的核能全部轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能，則反應(yīng)后產(chǎn)生的氦核和中子的動(dòng)能各為多大？解題指導(dǎo)(1)聚變的核反應(yīng)方程為2HHen這個(gè)核反應(yīng)中的質(zhì)量虧損為m2mD(mHemn)(2×2.013 63.015 01.008 7) u0.003 5 u釋放的核能為E0.003 5×931.5 MeV3.26 MeV(2)把兩個(gè)氘核作為一個(gè)系統(tǒng)，對(duì)撞過(guò)程中動(dòng)量守恒由于反應(yīng)前兩氘核動(dòng)能相同，相向正碰，它們的動(dòng)量等大反向，因此反應(yīng)前后系統(tǒng)的總動(dòng)量恒為零，即0mHevHemnvn又由于反應(yīng)前后總能量守恒，故反應(yīng)后氦核和中子的總動(dòng)能為mHevmnvE2EkD因?yàn)閙Hemn31，所以由得氦核和中子的速率之比把這兩個(gè)關(guān)系代入式得E2EkD4×mHev4EkHe即(3.262×0.35) MeV4EkHe得氦核的動(dòng)能和中子的動(dòng)能分別為EkHe×(3.262×0.35) MeV0.99 MeVEkn3EkHe2.97 MeV答案(1)2HHen3.26 MeV(2)0.99 MeV297 MeV易錯(cuò)警示該題常犯的錯(cuò)誤在于運(yùn)用能量守恒定律解題時(shí)沒(méi)有將核反應(yīng)過(guò)程中與原子核質(zhì)量增減對(duì)應(yīng)的能量考慮進(jìn)去，而認(rèn)為作用后的總動(dòng)能等于作用前的總動(dòng)能在衰變中常伴有一種稱(chēng)為“中微子”的粒子放出中微子的性質(zhì)十分特別，因此在實(shí)驗(yàn)中很難探測(cè).1953年，萊尼斯和柯文建造了一個(gè)由大水槽和探測(cè)器組成的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，利用中微子與水中H的核反應(yīng)，間接地證實(shí)了中微子的存在(1)中微子與水中的H發(fā)生核反應(yīng)，產(chǎn)生中子(n)和正電子(01e)，即中微子Hne可以判定，中微子的質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)分別是_(填寫(xiě)選項(xiàng)前的字母)A0和0 B0和1C1和0 D1和1(2)上述核反應(yīng)產(chǎn)生的正電子與水中的電子相遇，與電子形成幾乎靜止的整體后，可以轉(zhuǎn)變?yōu)閮蓚€(gè)光子()，即01e01e2.已知正電子和電子的質(zhì)量都為9.1×1031 kg，反應(yīng)中產(chǎn)生的每個(gè)光子的能量約為_(kāi) J正電子與電子相遇不可能只轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)光子，原因是_.(3)試通過(guò)分析比較，具有相同動(dòng)能的中子和電子的物質(zhì)波波長(zhǎng)的大小答案見(jiàn)解析解析(1)發(fā)生核反應(yīng)前后，質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒，據(jù)此可知中微子的質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)都是0，A項(xiàng)正確(2)產(chǎn)生的能量是由于質(zhì)量虧損兩個(gè)電子轉(zhuǎn)變?yōu)閮蓚€(gè)光子之后，質(zhì)量變?yōu)榱?，則Emc2，故一個(gè)光子的能量為，代入數(shù)據(jù)得8.19×1014 J正電子與水中的電子相遇，與電子形成幾乎靜止的整體，故系統(tǒng)總動(dòng)量為零，故如果只產(chǎn)生一個(gè)光子是不可能的，因?yàn)榇诉^(guò)程遵循動(dòng)量守恒定律(3)物質(zhì)波的波長(zhǎng)為，要比較波長(zhǎng)需要將中子和電子的動(dòng)量用動(dòng)能表示出來(lái)即p，因?yàn)閙n>me，所以pn>pe，故n<e.