《核裂变与核聚变-“基本”粒子》教案

《核裂变与核聚变“基本”粒子》教案1．知道重核裂变及链式反应的条件；了解核电站及其工作原理。2．知道核聚变，了解受控热核反应及控制方法。3.会判断和书写核裂变、核聚变方程，会计算核反应过程释放的能量。4．了解粒子的分类及夸克模型。eq\a\vs4\al(一、核裂变)1．填一填(1)核裂变的发现①发现：1938年底，德国物理学家哈恩和他的助手斯特拉斯曼在用中子轰击铀核的实验中发现了铀核的裂变。②定义：重核被中子轰击后分裂成两个质量差不多的新原子核，并放出核能的过程。③铀核裂变：用中子轰击铀核时，铀核发生裂变，其产物是多种多样的，其中一种典型的反应是eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(144,56)Ba＋eq\o\al(89,36)Kr＋3eq\o\al(1,0)n。④链式反应：当一个中子引起一个重核裂变后，裂变释放的中子再引起其他重核裂变，且能不断继续下去的核裂变反应。⑤链式反应的条件：发生裂变物质的体积大于等于临界体积或裂变物质的质量大于等于临界质量。(2)反应堆：可以控制链式反应释放核能的装置。(3)核电站①组成核电站是利用核能发电，它的核心设施是核反应堆，它主要由以下几部分组成：a．燃料：铀棒。b．慢化剂：铀235容易捕获慢中子发生反应，采用石墨、重水或普通水作慢化剂。c．控制棒：由吸收中子能力很强的镉制成，用以控制链式反应的速度。②工作原理：核燃料裂变释放的能量使反应区温度升高。③能量输出：利用水或液态的金属钠等流体在反应堆内外循环流动，把反应堆内的热量传输出去，用于发电。④核污染的处理：为避免射线对人体的伤害和放射性物质对水源、空气和工作场所造成放射性污染，在反应堆的外面需要修建很厚的水泥层，用来屏蔽裂变产物放出的各种射线，核反应堆用过的核废料具有很强的放射性，需要装入特制的容器，深埋地下。2．判一判(1)铀核裂变的产物是固定的，就是生成钡和氪，同时放出3个中子。(×)(2)只有铀块的体积大于临界体积时，才能够发生链式反应。(√)(3)核反应堆用过的核废料无毒无害。(×)3．想一想原子弹应用的是什么核反应，它是根据什么原理制成的，它是如何实现链式反应的？提示：原子弹是根据重核的裂变原理制成的，是铀核裂变的链式反应，制成时是由两块或几块小于临界体积分离的铀块构成，引爆时，可通过普通炸药使原来分离的几块铀块相互靠近挤压形成一块大于临界体积的铀块而发生链式反应，从而瞬间释放巨大的能量即核爆炸。eq\a\vs4\al(二、核聚变)1．填一填(1)定义：两个轻核结合成质量较大的核，并释放出能量的反应。(2)eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)n＋17.6MeV。(3)条件：要使轻核聚变，必须使轻核间距达到核力发生作用的距离10－15m以内，核力才能起作用。由于原子核都带正电，要使它们接近到这种程度，必须克服巨大的库仑斥力，这就要求原子核具有足够的动能，有一种方法就是把它们加热到很高的温度，温度高达几百万开尔文，因此核聚变又叫热核反应。(4)太阳能：太阳的主要成分是氢，太阳的中心温度可达1.6×107K，在此高温下，氢核聚变成氦核的反应不停地进行着，太阳能就来自于太阳内部核聚变释放的核能。(5)应用：目前，热核反应主要用在核武器上，那就是氢弹，需要用原子弹爆炸产生的高温高压引发热核爆炸。(6)聚变的优点：第一：轻核聚变产能效率高。第二：地球上聚变燃料的储量丰富。第三：轻核聚变更为安全、清洁。(7)聚变的难点：地球上没有任何容器能够经受热核反应的高温。(8)控制方法①磁约束：利用磁场约束参加反应的物质，目前最好的一种磁约束装置是环流器。②惯性约束：聚变物质因自身的惯性，在极短时间内来不及扩散就完成了核反应，在惯性约束下，用高能量密度的激光或X射线从各个方向照射反应物，使它们“挤”在一起发生反应。2．判一判(1)核聚变平均每个核子放出的能量，比裂变反应中平均每个核子放出的能量大。(√)(2)热核反应除用在核武器上外，还用于核电站发电。(×)(3)热核反应一旦发生，就不再需要外界给它能量。(√)3．选一选[多选]关于轻核聚变，下列说法正确的是()A．两个轻核聚变为中等质量的原子核时要吸收能量B．同样质量的物质发生聚变时放出的能量比同样质量的物质裂变时释放的能量大很多C．聚变反应的条件是聚变物质的体积达到临界体积D．发生聚变反应时的原子核必须有足够大的动能解析：选BD根据比结合能图线可知，聚变后比结合能增加，因此聚变反应中会释放能量，故A错误；聚变反应中平均每个核子放出的能量比裂变反应中每个核子放出的能量大3～4倍，故B正确；裂变反应的条件是裂变物质的体积达到临界体积，而聚变反应时，要使轻核之间的距离达到10－15m以内，这需要原子核有很大的动能才可以实现聚变反应，故C错误，D正确。eq\a\vs4\al(三、“基本”粒子)1．填一填(1)“基本”粒子不基本①19世纪末，人们都认为光子、电子、质子和中子是组成物质的不可再分的最基本的粒子。②随着科学的发展，科学家们发现了很多的新粒子都不是由质子、中子、电子组成的，又发现质子、中子等本身也有自己的复杂结构。(2)发现新粒子①20世纪50年代前发现的新粒子：1932年发现了正电子，1937年发现了μ子,1947年发现了K介子和π介子，及以后的质量比质子的质量大的超子。②20世纪，70年代以后发现的新粒子1971～1980年间发现τ子、胶子、J/Ψ介子1981～1990年间发现W和Z玻色子1991～2000年间发现τ子中微子2001～至今发现希格斯玻色子③反粒子：质量、寿命、自旋等物理性质与过去已发现的粒子相同，而电荷等其他性质相反。例如，电子的反粒子是正电子，质子的反粒子是反质子。(3)粒子的分类现在发现的粒子达400多种，它们可大体分为强子、轻子、规范玻色子和希格斯玻色子四大类。(4)夸克模型1964年美国物理学家盖尔曼提出了强子的夸克模型，认为强子是由更基本的成分组成，这种成分叫作夸克，夸克模型指出电子电荷不再是电荷的最小单位，即存在分数电荷。2．判一判(1)电子的反粒子带一个单位的正电荷，质量数为0。(√)(2)质子、中子不能再分。(×)(3)夸克的带电荷量是电子电荷量的整数倍。(×)3．选一选关于粒子，下列说法正确的是()A．电子、质子和中子是组成物质的不可再分的最基本的粒子B．强子都是带电的粒子C．夸克模型是探究三大类粒子结构的理论D．夸克模型说明电子不再是电荷的最小单位解析：选D由于质子、中子是由不同夸克组成的，它们不是最基本的粒子，不同夸克构成强子，有的强子带电，有的强子不带电，故A、B错误；夸克模型是研究强子结构的理论，不同夸克带电荷不同，分别为＋eq\f(2,3)e和－eq\f(1,3)e，说明电子电荷不再是电荷的最小单位，故C错误，D正确。核裂变和核能计算[学透用活]1．铀核的裂变和裂变方程(1)核子受激发：当中子进入铀235后，便形成了处于激发状态的复核，复核中由于核子的激烈运动，使核变成不规则的形状。(2)核子分裂：核子间的距离增大，因而核力迅速减弱，使得原子核由于质子间的斥力作用而分裂成几块，同时放出2或3个中子，这些中子又引起其他铀核裂变，这样，裂变就会不断地进行下去，释放出越来越多的核能。(3)常见的裂变方程：①eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(139,54)Xe＋eq\o\al(95,38)Sr＋2eq\o\al(1,0)n；②eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(144,56)Ba＋eq\o\al(89,36)Kr＋3eq\o\al(1,0)n。2．链式反应的条件(1)有慢中子轰击。(2)铀块的体积大于临界体积，或铀块的质量大于临界质量。3．裂变反应的能量铀核裂变为中等质量的原子核，发生质量亏损，所以放出能量。一个铀235核裂变时释放的能量如果按200MeV估算，1kg铀235全部裂变时放出的能量相当于2800t标准煤完全燃烧时释放的化学能，裂变时能产生几百万摄氏度的高温。4．铀235比铀238更易发生链式反应在天然铀中，主要有两种同位素，99.3%的是铀238，0.7%的是铀235，中子能引起这两种铀核发生裂变，但它们和中子发生作用的情况不同。(1)铀235：俘获各种能量的中子都会发生裂变，且俘获低能量的中子发生裂变的概率大。(2)铀238：只有俘获能量大于1MeV的中子才能发生裂变，且裂变的概率小。能量低于1MeV的中子只与铀核发生弹性碰撞，不引起裂变。因此，为了使链式反应容易发生，最好利用纯铀235。eq\a\vs4\al([典例1])现有的核电站比较广泛采用的核反应之一是：eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(143,60)Nd＋eq\o\al(A,Z)Zr＋3eq\o\al(1,0)n＋8eq\o\al(0,－1)e＋ν(1)核反应方程中的ν是中微子，它不带电，质量数为零。试确定生成物锆(Zr)的电荷数与质量数；(2)已知铀(92235U)核的质量为235.0493u，中子质量为1.0087u，钕(eq\a\vs4\al(60)143Nd)核质量为142.9098u，锆核质量为89.9047u。又知1u＝1.6606×10－27kg，试计算，1kg铀235大约能产生的能量是多少？[解析](1)根据电荷数和质量数守恒，可得Zr的电荷数Z＝92－60＋8＝40，质量数A＝236－143－3×1＝90。(2)Δm＝(mU＋mn)－(mNd＋mZr＋3mn)＝0.2174u＝0.2174×1.6606×10－27kg≈3.6×10－28kgΔE＝Δmc2＝3.6×10－28×(3×108)2J＝3.24×10－11Jn＝eq\f(1000,235)×6.02×1023个≈2.562×1024个E总＝nΔE＝2.562×1024×3.24×10－11J≈8.3×1013J。[答案](1)4090(2)8.3×1013J[规律方法]重核裂变释放的核能的计算方法(1)根据爱因斯坦质能方程，用裂变反应中质量亏损(Δm)的千克数乘以真空中的光速(c＝3×108m/s)的平方，即ΔE＝Δmc2。(2)根据1个原子质量单位(u)相当于931.5兆电子伏(MeV)能量计算，用裂变反应中质量亏损的原子质量单位数乘以931.5MeV，即ΔE＝Δm(u)×931.5MeV。(3)由核能的转化量计算。[对点练清]1．下列核反应中，表示核裂变的是()A.eq\o\al(238,92)U→eq\o\al(234,90)Th＋eq\o\al(4,2)HeB.eq\o\al(14,6)C→eq\o\al(14,7)N＋eq\o\al(0,－1)eC.eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(144,56)Ba＋eq\o\al(89,36)Kr＋3eq\o\al(1,0)nD.eq\o\al(9,4)Be＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(12,6)C＋eq\o\al(1,0)n解析：选Ceq\o\al(238,92)U→eq\o\al(234,90)Th＋eq\o\al(4,2)He是α衰变，eq\o\al(14,6)C→eq\o\al(14,7)N＋eq\o\al(0,－1)e是β衰变，eq\o\al(9,4)Be＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(12,6)C＋eq\o\al(1,0)n是原子核的人工转变，只有C选项是重核裂变。2．关于重核的裂变，以下说法正确的是()A．核裂变释放的能量等于它俘获中子时得到的能量B．中子从铀块中通过时，一定发生链式反应C．重核裂变释放出大量能量，产生明显的质量亏损，所以核子数要减少D．由于重核的核子平均质量大于中等质量核的核子平均质量，所以重核裂变为中等质量的核时，要发生质量亏损，放出核能解析：选D根据重核发生裂变的条件和裂变放能的原理分析可知，裂变时因铀核俘获中子即发生核反应，是核能转化为其他形式能的过程，其释放的能量远大于其俘获中子时吸收的能量。链式反应是有条件的，即铀块的体积必须大于其临界体积。如果体积小，中子从铀块中穿过，碰不到原子核，则链式反应不会发生。在裂变反应中由电荷数与质量数守恒得核子数是不会减少的，重核裂变时发生质量亏损，放出核能，因此选项A、B、C均错，D正确。3．一个eq\o\al(235,92)U原子核在中子的轰击下发生一种可能的裂变反应，其裂变方程式为eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→X＋eq\o\al(94,38)Sr＋2eq\o\al(1,0)n，则下列叙述正确的是()A．X原子核中含有86个中子B．X原子核中含有141个核子C．因为裂变时释放能量，根据E＝mc2，所以裂变后的总质量数增加D．因为裂变时释放能量，出现质量亏损，所以生成物的总质量数减少解析：选A根据电荷数守恒、质量数守恒可知，X原子核质量数为140，电荷数为54，其中子数为140－54＝86，核子数为140，故A正确，B错误；裂变过程中释放核能，反应前后总质量不同，但质量数守恒，故C、D均错误。反应堆的工作原理和核电站主要组成[学透用活]1．反应堆工作原理(1)热源：在核电站中，核反应堆是热源，如图为简化的核反应堆示意图。铀棒是燃料，由天然铀或者浓缩铀(铀235的含量占2%～4%)制成，常用石墨、重水和普通水(也叫轻水)为慢化剂，使反应生成的快中子变为慢中子，便于铀235的吸收，发生裂变，慢化剂附在铀棒周围。(2)控制棒：镉棒的作用是吸收中子，控制反应速度，所以也叫控制棒。控制棒插入深一些，吸收中子多，反应速度变慢，插入浅一些，吸收中子少，反应速度加快，采用电子仪器自动调节控制棒插入深度，就能控制核反应的剧烈程度。(3)冷却剂：核反应释放的能量大部分转化为内能，这时通过水、液态的金属钠等作冷却剂，在反应堆内外循环流动，把内能传输出去，用于推动汽轮发电机发电。发生裂变反应时，会产生一些有危险的放射性物质，很厚的水泥防护层可以防止射线辐射到外面。2．核电站的主要组成核电站的核心设施是核反应堆，反应堆用的核燃料是铀235，它的主要组成如表格：部件名称慢化剂控制棒热循环介质保护层采用的材料石墨、重水或普通水(也叫轻水)镉水或液态的金属钠很厚的水泥外壳作用降低中子速度，便于铀235吸收吸收中子，控制反应速度把反应堆内的热量传输出去屏蔽射线，防止放射性污染eq\a\vs4\al([典例2])如图是慢中子反应堆的示意图，对该反应堆，下列说法中正确的是()A．铀235容易吸收快中子后发生裂变反应B．快中子跟慢化剂的原子核碰撞后能量减少，变成慢中子，慢中子容易被铀235俘获而引起裂变反应C．控制棒由镉做成，当反应过于激烈时，使控制棒插入浅一些，让它少吸收一些中子，链式反应的速度就会慢一些D．要使裂变反应更激烈一些，应使控制棒插入深一些，使大量快中子碰撞控制棒后变成慢中子，链式反应的速度就会快一些[解析]快中子容易与铀235擦肩而过，快中子跟慢化剂的原子核碰撞后能量减少，变成慢中子，慢中子容易被铀235俘获而引起裂变反应，选项B正确，A错误；控制棒由镉做成，镉吸收中子的能力很强，当反应过于激烈时，使控制棒插入深一些，让它多吸收一些中子，链式反应的速度就会慢一些，选项C、D错误。[答案]B[对点练清]1．核反应堆是实现可控制的重核裂变链式反应的一种装置，它主要由四部分组成()A．原子燃料、减速剂、冷却系统和控制调节系统B．原子燃料、减速剂、发热系统和传热系统C．原子燃料、减速剂、碰撞系统和传热系统D．原子燃料、中子源、原子能储存系统和输送系统解析：选A核反应堆里用的核燃料是用浓缩铀(铀235占2%～4%)制成的铀棒；铀235易俘获慢中子，不易俘获快中子，必须使用减速剂(如石墨、重水、普通水)，让快中子跟减速剂的原子核碰撞后能量减少，变成慢中子；控制调节系统是用于调节中子的数目以控制反应速度，它是由镉做成的置放在铀棒之间的一些控制棒及计算机调节系统组成；冷却系统靠水或液态金属钠等流体在反应堆内外循环流动，把反应堆内的热量传输出去，用于发电，同时使反应堆冷却，保证安全。2．[多选]目前我国已经建成秦山和大亚湾核电站并投入使用，请根据所学物理知识，判断下列说法中正确的是()A．核能发电对环境的污染比火力发电要小B．核能发电对环境的污染比火力发电要大C．都只利用核裂变释放大量的原子能D．既有核裂变，又有核聚变释放大量的原子能解析：选AC目前核电站都用核裂变，其原料是铀，且污染程度小，核燃料是一种比较清洁的能源，A、C正确，B、D错误。3．铀核裂变是核电站核能的重要来源，其一种裂变反应式是eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(144,56)Ba＋eq\o\al(89,36)Kr＋3eq\o\al(1,0)n。下列说法正确的有()A．上述裂变反应中伴随着中子放出B．铀块体积对链式反应的发生无影响C．铀核的链式反应不可人工控制D．铀核的半衰期会受到环境温度的影响解析：选A从铀核裂变方程可以看出，反应中伴随着中子放出，A项正确；铀块的体积必须大于临界体积才能发生链式反应，B项错误；通过控制中子数可以控制链式反应，C项错误；铀核的半衰期与物理、化学状态无关，因此不受环境温度的影响，D项错误。核聚变的特点及应用[学透用活]1．核聚变发生的条件要使轻核聚变，必须使轻核间距达到核力发生作用的距离10－15m以内，这要克服电荷间强大的斥力作用，要求使轻核具有足够大的动能。要使原子核具有足够大的动能，就要给它们加热，使物质达到几百万开尔文的高温。2．轻核聚变是放能反应从比结合能的图线看，轻核聚变后比结合能增加，因此聚变反应是一个放能反应。3．核聚变的特点(1)在消耗相同质量的核燃料时，轻核聚变比重核裂变释放更多的能量。(2)热核反应一旦发生，就不再需要外界给它能量，靠自身产生的热就可以使反应进行下去。(3)普遍性：热核反应在宇宙中时时刻刻地进行着，太阳就是一个巨大的热核反应堆。4．核聚变的作用(1)核武器——氢弹：一种不需要人工控制的轻核聚变反应装置。它利用弹体内的原子弹爆炸产生的高温高压引发热核聚变爆炸。(2)可控热核反应：目前处于探索阶段。5．重核裂变与轻核聚变的区别重核裂变轻核聚变放能原理重核分裂成两个或多个中等质量的原子核，放出核能两个轻核结合成质量较大的原子核，放出核能放能多少聚变反应比裂变反应平均每个核子放出的能量要大3～4倍核废料处理难度聚变反应的核废料处理要比裂变反应简单得多原料的蕴藏量核裂变燃料铀在地球上储量有限，尤其用于核裂变的铀235在铀矿石中只占0.7%主要原料是氘，氘在地球上的储量非常丰富，1L海水中大约有0.03g氘，如果用来进行热核反应，放出的能量约与燃烧300L汽油相当可控性速度比较容易进行人工控制，现在的核电站都是用核裂变反应释放核能目前，除氢弹以外，人们还不能控制它eq\a\vs4\al([典例3])一个质子和两个中子可聚变为一个氚核，已知质子质量为mH＝1.0073u，中子质量为mn＝1.0087u，氚核质量为m＝3.0180u。(1)写出聚变方程；(2)释放出的核能多大？(3)平均每个核子释放的能量是多大？[解析](1)聚变方程：11H＋201n→13H。(2)质量亏损Δm＝mH＋2mn－m＝(1.0073＋2×1.0087－3.0180)u＝0.0067u释放的核能ΔE＝Δmc2＝0.0067×931.5MeV≈6.24MeV。(3)平均每个核子放出的能量为eq\f(6.24,3)MeV＝2.08MeV。[答案](1)11H＋201n→13H(2)6.24MeV(3)2.08MeV[规律方法](1)核聚变反应和一般的核反应一样，也遵循电荷数和质量数守恒，这是书写核反应方程式的重要依据。(2)核能的计算关键是要求出核反应过程中的质量亏损，然后代入ΔE＝Δmc2进行计算。[对点练清]1．[多选]下列关于核聚变的说法中正确的是()A．要使聚变发生，必须克服库仑斥力做功B．轻核聚变需要几百万开尔文的高温，因此核聚变又叫作热核反应C．原子弹爆炸能产生几百万开尔文的高温，所以氢弹利用原子弹引发热核反应D．太阳和许多恒星内部都在激烈地进行着热核反应，在地球内部也可以自发地进行解析：选ABC轻核聚变时，要使轻核之间距离达到10－15m以内，所以必须克服库仑斥力做功，A正确；原子核必须有足够的动能，才能使它们接近到核力能发生作用的范围，实验证实，原子核必须处在几百万开尔文的高温下才有这样的能量，这样高的温度可通过原子弹爆炸获得，B、C正确；在太阳和其他恒星内部都存在着热核反应，但在地球内部不会自发地进行，D错误。2．[多选]能源是社会发展的基础，发展核能是解决能源问题的途径之一。下列释放核能的核反应方程，表述正确的有()A.eq\o\al(3,1)H＋eq\o\al(2,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)n是核聚变反应B.eq\o\al(3,1)H＋eq\o\al(2,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)n是β衰变C.eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(144,56)Ba＋eq\o\al(89,36)Kr＋3eq\o\al(1,0)n是核裂变反应D.eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(140,54)Xe＋eq\o\al(94,38)Sr＋2eq\o\al(1,0)n是α衰变解析：选ACeq\o\al(3,1)H＋eq\o\al(2,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)n是核聚变反应，而不是β衰变，A正确，B错误；C、D选项都是核裂变反应，C正确，D错误。3．大科学工程“人造太阳”主要是将氘核聚变反应释放的能量用来发电。氘核聚变反应方程是：eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(2,1)H→eq\o\al(3,2)He＋eq\o\al(1,0)n。已知eq\o\al(2,1)H的质量为2.0136u，eq\o\al(3,2)He的质量为3.0150u，eq\o\al(1,0)n的质量为1.0087u,1u＝931MeV/c2。氘核聚变反应中释放的核能约为()A．3.7MeV B．3.3MeVC．2.7MeV D．0.93MeV解析：选B氘核聚变反应的质量亏损为Δm＝2×2.0136u－(3.0150u＋1.0087u)＝0.0035u，释放的核能为ΔE＝Δmc2＝0.0035×931MeV/c2×c2≈3.3MeV，选项B正确。对粒子的认识[学透用活]1．粒子与反粒子随着科学技术的发展，人们发现了更多的粒子，一方面是“基本粒子”不基本，另一方面是发现了反粒子。2．对各类粒子的认识(1)强子参与强相互作用，有内部结构，由“夸克”构成。(2)轻子不参与强相互作用，且没发现内部结构。如电子、电子中微子等。(3)玻色子传递各种相互作用，如光子传递电磁相互作用，中间坡色子传递弱相互作用，胶子传递强相互作用。3．对夸克模型的认识(1)夸克的种类：上夸克(u)、下夸克(d)、奇异夸克(s)、粲夸克(c)、底夸克(b)和顶夸克(t)。(2)夸克所带电荷：夸克所带的电荷量是分数电荷量，即其电荷量为元电荷的－eq\f(1,3)或＋eq\f(2,3)。例如，上夸克带的电荷量为＋eq\f(2e,3)，下夸克带的电荷量为－eq\f(e,3)。(3)意义：电子电荷不再是电荷的最小单位，即存在分数电荷。eq\a\vs4\al([典例4])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夸克所带的电荷量为eq\f(2,3)e，d夸克所带的电荷量为－eq\f(1,3)e，e为元电荷，下列论断中可能正确的是()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11H所带的电荷量为2×eq\f(2,3)e＋eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(－\f(1,3)e))＝e，中子01n所带的电荷量为eq\f(2,3)e＋2×eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(－\f(1,3)e))＝0，结合不同夸克的带电荷量可知，B正确。[答案]B[规律方法]质子和中子的组成(1)质子带一个元电荷e的电荷量，两个u夸克和1个d夸克可以组成一个质子。(2)中子不带电，1个u夸克和两个d夸克可以组成一个中子。[对点练清]1．根据宇宙大爆炸的理论，在宇宙形成之初是“粒子家族”尽显风采的时期，那么在大爆炸之后最早产生的粒子是()A．夸克、轻子、胶子等粒子B．质子和中子等强子C．光子、中微子和电子等轻子D．氢核、氘核、氦核等轻核解析：选A宇宙形成之初产生了夸克、轻子和胶子等粒子，之后又经历了质子和中子等强子时代，再之后是自由光子、中微子、电子大量存在的轻子时代，再之后是中子和质子组合成氘核，并形成氦核的核合成时代，之后电子和质子复合成氢原子，最后形成恒星和星系，因此A正确，B、C、D错误。2．[多选]下列关于夸克模型的说法正确的是()A．强子是由更基本的夸克组成的B．夸克的电荷量分别为元电荷的＋eq\f(2,3)或－eq\f(1,3)C．每种夸克都有对应的反夸克D．夸克能以自由的状态单个出现解析：选ABC夸克不能以自由的状态单个出现，D错误，A、B、C正确。3.[多选]由中国提供永磁体的阿尔法磁谱仪如图所示，它曾由航天飞机携带升空，将其安装在阿尔法国际空间站中，主要使命之一是探索宇宙中的反物质。所谓的反物质即质量与正粒子相等，带电荷量与正粒子相等但电性相反，例如反质子即为eq\o\al(1,－1)H。假若使一束质子、反质子、α粒子和反α粒子组成的射线，通过OO′进入匀强磁场B2而形成图中的4条径迹，则()A．1、2是反粒子径迹 B．3、4为反粒子径迹C．2为反α粒子径迹 D．4为反α粒子径迹解析：选AC由左手定则判定质子、α粒子受到洛伦兹力向右偏转；反质子、反α粒子向左偏转，故选项A正确。进入匀强磁场B2的粒子具有相同的速度，由偏转半径R＝eq\f(mv,Bq)知，反α粒子、α粒子在磁场中的半径大，C正确。一、估算太阳的寿命(科学探究)[选自鲁科版新教材“物理聊吧”]太阳中发生的氢核聚变成氦核的反应，是太阳辐射能量的来源。假定地球表面1m2接受能量的功率为1.4kW，地球到太阳的距离为1.5×1011m，太阳的质量为2×1030kg，请估算太阳的寿命。[解析]太阳每秒辐射的能量E0＝4πr2×P0＝4×3.14×(1.5×1011)2×1.4×103J＝4.0×1026J太阳每秒钟减少的质量Δm＝eq\f(E0,c2)＝eq\f(4.0×1026,3×1082)kg＝4.44×109kg所以太阳的寿命为n＝eq\f(m,Δm)＝eq\f(2×1030,4.44×109×3600×24×365)(年)＝1.43×1013(年)[答案]1.43×1013年二、典题好题发掘，练典题做一当十[选自鲁科版新教材课后练习]4个氢核(质子)聚变成1个氦核，同时放出2个正电子10e。写出这个过程的核反应方程，并计算释放了多少能量。若1g氢完全聚变，能释放多少能量？(氢核的质量为1.0073u，氦核的质量为4.0026u,1u相当于931.5MeV)[解析]核反应方程为：4eq\o\al(1,1)H→eq\o\al(4,2)He＋2eq\o\al(0,1)e由Δm＝4×1.0073u－4.0026u＝0.0266u释放的核能ΔE＝Δmc2＝0.0266×931.5MeV＝24.778MeV1g氢含有6.02×1023个氢核，完全聚变放出的能量E＝eq\f(6.02×1023,4)×ΔE＝eq\f(6.02×1023,4)×24.778MeV＝3.729×1024MeV[答案]4eq\o\al(1,1)H→eq\o\al(4,2)He＋2eq\o\al(0,1)e24.778MeV3．729×1024MeVeq\a\vs4\al([课时跟踪训练])A级—双基达标1．链式反应中，重核裂变时放出的可以使裂变不断进行下去的粒子是()A．质子 B．中子C．β粒子 D．α粒子解析：选B重核裂变链式反应发生依靠中子不断地轰击原子核使得裂变不断进行下去，故选项B正确。2．以下说法正确的是()A．最早发现的轻子是电子，最早发现的强子是中子B．质子、中子、介子和超子都属于强子C．强子、轻子都有内部结构D．τ子质量比核子质量大，τ子不属于轻子解析：选B最早发现的强子是质子，最早发现的轻子是电子，故选项A错误；强子有内部结构，由夸克组成，轻子没有内部结构，所以C错误；质子、中子、介子、超子都属于强子，τ子质量比核子质量大，但仍属于轻子，B正确、D不正确。3．1938年哈恩用中子轰击铀核，发现产物中有原子核钡(Ba)、氪(Kr)、中子和一些γ射线。下列关于这个实验的说法中正确的是()A．这个实验的核反应方程是eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(144,56)Ba＋eq\o\al(89,36)Kr＋eq\o\al(1,0)nB．这是一个核裂变过程，反应后粒子质量之和大于反应前粒子质量之和C．这个反应中释放出的能量不可以用爱因斯坦的质能方程来计算D．实验中产生的γ射线穿透能力极强解析：选D根据质量数守恒、电荷数守恒，铀核裂变的核反应方程应为：eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(144,56)Ba＋eq\o\al(89,36)Kr＋3eq\o\al(1,0)n，选项A不正确；铀核裂变过程中产生γ射线，放出能量，发生质量亏损，释放的能量根据爱因斯坦的质能方程计算，选项B、C不正确；核反应中产生的γ射线，穿透能力极强，是能量极高的光子，选项D正确。4．1个铀235吸收1个中子发生核反应时，大约放出196MeV的能量，则1g纯铀235完全发生核反应放出的能量为(NA为阿伏加德罗常数)()A．NA×196MeV B．235NA×196MeVC．235×196MeV D.eq\f(NA,235)×196MeV解析：选D由于1mol的铀核质量为235g,1g铀235的物质的量为eq\f(1,235)mol，因此1g铀235释放的能量E＝eq\f(NA,235)×196MeV，故D正确。5．可控核反应堆是驱动航空母舰的理想设备。其工作原理是利用重核裂变反应释放出大量核能获得动力，eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(143,56)Ba＋eq\o\al(89,36)Kr＋yX是若干核反应的一种，其中n为中子，X为待求粒子，y为X的个数，则()A．X是中子，y＝4 B．X是电子，y＝3C．X是质子，y＝2 D．X是中子，y＝3解析：选A核反应过程中电荷数守恒，质量数守恒，y个X粒子的总电荷数为92－56－36＝0，总质量数为235＋1－143－89＝4，分析可知X为中子，y为4，B、C、D选项错误，A选项正确。6．[多选](2019·天津高考)我国核聚变反应研究大科学装置“人造太阳”2018年获得重大突破，等离子体中心电子温度首次达到1亿度，为人类开发利用核聚变能源奠定了重要的技术基础。下列关于聚变的说法正确的是()A．核聚变比核裂变更为安全、清洁B．任何两个原子核都可以发生聚变C．两个轻核结合成质量较大的核，总质量较聚变前增加D．两个轻核结合成质量较大的核，核子的比结合能增加解析：选AD与核裂变相比，轻核聚变没有放射性污染，安全、清洁，A正确；只有原子序数小的轻核才能发生聚变，B错误；轻核聚变成质量较大的原子核，比结合能增加、总质量减小，故C错误，D正确。7．[多选]已知π＋介子、π－介子都是由一个夸克(夸克u或夸克d)和一个反夸克(反夸克eq\x\to(u)或反夸克eq\x\to(d))组成的，它们的带电荷量如下表所示，表中e为元电荷。粒子π＋π－udeq\x\to(u)eq\x\to(d)带电量＋e－e＋eq\f(2,3)e－eq\f(1,3)e－eq\f(2,3)e＋eq\f(1,3)e下列说法正确的是()A．π＋由u和eq\x\to(d)组成 B．π＋由d和eq\x\to(u)组成C．π－由u和eq\x\to(d)组成 D．π－由d和eq\x\to(u)组成解析：选AD根据电荷量关系可知由于π＋介子带有＋e的电荷量，又由于π＋介子是由一个夸克和一个反夸克组成，根据题意可知π＋介子(＋e)应由一个夸克u(＋eq\f(2,3)e)和一个反夸克eq\x\to(d)(＋eq\f(1,3)e)组成，故A对，B错；同理π－介子由夸克d和反夸克eq\x\to(u)组成，故C错，D正确。8．我国自行研制了可控热核反应实验装置“超导托卡马克”(俗称“人造太阳”)。设可控热核实验反应前氘核(eq\o\al(2,1)H)的质量为m1，氚核(eq\o\al(3,1)H)的质量为m2，反应后氦核(eq\o\al(4,2)He)的质量为m3，中子(eq\o\al(1,0)n)的质量为m4，光速为c，下列有关说法正确的是()A．这种装置中发生的核反应方程式是eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)nB．由核反应过程质量守恒可知m1＋m2＝m3＋m4C．核反应放出的能量等于(m1－m2－m3－m4)c2D．这种装置与我国大亚湾核电站所使用装置的核反应原理相同解析：选A核反应方程为eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)n，选项A正确；反应过程中向外释放能量，故质量有亏损，且释放的能量ΔE＝Δmc2＝(m1＋m2－m3－m4)c2，选项B、C错误；可控热核反应原理为核聚变，大亚湾核电站所用核装置反应原理为核裂变，选项D错误。9．假设有一种放射线是由铀核eq\o\al(238,92)U衰变成eq\o\al(234,90)Th，并释放一种粒子产生的。(1)写出eq\o\al(238,92)U衰变为eq\o\al(224,90)Th的方程式；(2)已知铀核质量为3.853131×10－25kg，钍核的质量为3.786567×10－25kg，α粒子的质量为6.64672×10－27kg，求衰变释放的能量。解析：(1)反应方程式为eq\o\al(238,92)U→eq\o\al(234,90)Th＋eq\o\al(4,2)He。(2)核反应中质量亏损Δm＝mU－mTh－mα，由质能方程得，释放的能量ΔE＝Δmc2＝(mU－mTh－mα)c2，代入数据得ΔE＝8.7×10－13J。答案：(1)eq\o\al(238,92)U→eq\o\al(234,90)Th＋eq\o\al(4,2)He(2)8.7×10－13JB级—选考提能10．关于热核反应是一种理想能源的原因，以下说法不正确的是()A．就平均每一个核子来说，热核反应比重核裂变时释放的能量多B．对环境的放射性污染较重核裂变轻，且较容易处理C．热核反应的原料在地球上储量丰富D．热核反应的速度容易控制解析：选D由热核反应的优势可知，选项A、B、C正确，热核反应的速度不容易人为控制，故D项错误。11．[多选]一种典型的铀核裂变是生成钡和氪，同时放出3个中子，核反应方程是eq\o\al(235,92)U＋X→eq\o\al(144,56)Ba＋eq\o\al(89,36)Kr＋3eq\o\al(1,0)n。已知部分原子核的比结合能与核子数的关系如图所示，下列说法正确的是()A．核反应方程中，X粒子是中子B．核反应方程中，X粒子是质子C.eq\o\al(235,92)U、eq\o\al(144,56)Ba和eq\o\al(89,36)Kr相比，eq\o\al(144,56)Ba核的比结合能最大，它最稳定D.eq\o\al(235,92)U、eq\o\al(144,56)Ba和eq\o\al(89,36)Kr相比，eq\o\al(235,92)U核的核子数最多，它的结合能最大解析：选AD根据核反应质量数守恒和电荷数守恒可知题中的核反应方程中X粒子是中子，选项A正确，B错误；根据题图，核子数为80左右的原子核的比结合能最大，最稳定，所以eq\o\al(235,92)U、eq\o\al(144,56)Ba和eq\o\al(89,36)Kr相比，eq\o\al(89,36)Kr核的比结合能最大，最稳定，选项C错误；eq\o\al(235,92)U、eq\o\al(144,56)Ba和eq\o\al(89,36)Kr相比，eq\o\al(235,92)U的核子数最多，它的结合能最大，选项D正确。12．两个氘核聚变产生一个中子和一个氦核(氦的同位素)。已知氘核质量m0＝2.0136u，氦核质量mHe＝3.0150u，中子质量mn＝1.0087u。(1)写出聚变方程并算出释放的核能(已知1u相当于931.5MeV)；(2)若反应前两氘核的动能均为Ek0＝0.35MeV，它们正面对撞发生核聚变，且反应后释放的核能全部转变为动能，则反应产生的氦核和中子的动能各为多大？解析：(1)聚变的核反应方程为2eq\o\al(2,1)H→eq\o\al(3,2)He＋eq\o\al(1,0)n。这个核反应中的质量亏损为：Δm＝2m0－(mHe＋mn)＝(2×2.0136－3.0150－1.0087)u＝0.0035u。释放的核能为ΔE＝0.0035×931.5MeV＝3.26MeV。(2)把两个氘核作为一个系统，对撞过程中动量守恒，由于反应前两核动能相同，其动量等值反向，因此反应前后系统的总动量恒为零，即：0＝mHevHe＋mnvn①又由于反应前后能量守恒，故反应后氦核和中子的总动能为：eq\f(1,2)mHevHe2＋eq\f(1,2)mnvn2＝ΔE＋2Ek0②因为mHe∶mn＝3∶1，所以氦核和中子的速率之比为：eq\f(vHe,vn)＝eq\f(1,3)把这两个关系式代入②式得：ΔE＋2Ek0＝4×eq\f(1,2)mHevHe2＝4EkHe。解得氦核的动能和中子的动能分别为：EkHe＝eq\f(1,4)×(3.26＋2×0.35)MeV＝0.99MeV，Ekn＝3EkHe＝2.97MeV。答案：(1)2eq\o\al(2,1)H→eq\o\al(3,2)He＋eq\o\al(1,0)n3.26MeV(2)0.99MeV2.97MeVA组·基础达标1．科学家发现在月球上含有丰富的eq\o\al(3,2)He(氦3)．它是一种高效、清洁、安全的核聚变燃料，其参与的一种核聚变反应的方程式为eq\o\al(3,2)He＋eq\o\al(3,2)He→2eq\o\al(1,1)H＋eq\o\al(4,2)He.关于eq\o\al(3,2)He聚变，下列表述正确的是()A．聚变反应不会释放能量B．聚变反应产生了新的原子核C．聚变反应没有质量亏损D．目前核电站都采用eq\o\al(3,2)He聚变反应发电【答案】B【解析】聚变反应时将质量较小的轻核聚变成质量较大的核，聚变过程会有质量亏损，要放出大量的能量．但目前核电站都采用铀核的裂变反应，可控的轻核聚变尚在实验阶段．2．中国承诺到2021年碳排放量下降40%～45%.为了实现负责任大国的承诺，我国将新建核电站项目．目前关于核电站获取核能的基本核反应方程可能是()A.eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(90,38)Sr＋eq\o\al(136,54)Xe＋10eq\o\al(1,0)nB.eq\o\al(24,11)Na→eq\o\al(24,12)Mg＋0－1eC.eq\o\al(14,)7N＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(17,)8O＋eq\o\al(1,1)HD.eq\o\al(238,92)U→eq\o\al(234,90)Th＋eq\o\al(4,2)He【答案】A【解析】重核的裂变是指质量数较大的原子核分裂成两个中等质量的原子核，A是裂变反应，A正确；B为β衰变，C是发现质子的反应，D是α衰变．3．(多选)日本福岛第一核电站在地震后，数秒内就将控制棒插入核反应堆芯，终止了铀的裂变链式反应．但海啸摧毁了机组的冷却系统，因裂变遗留的产物铯、钡等继续衰变不断释放能量，核燃料棒温度不断上升，对周边环境产生了巨大的危害．则下列说法正确的是()A．控制棒通过吸收中子来实现对核反应的控制B．日本后来向反应堆灌注海水，可以降温，但大量被污染的海水外泄，对周边环境产生了巨大的危害C．核裂变遗留物铯、钡等原子的质量可能比铀原子质量大D．核泄漏中放射性物质对人类是有害的【答案】ABD【解析】控制棒通过吸收中子来实现对核反应速度的控制，A符合题意；日本后来向反应堆灌注海水，大量被污染的海水外泄，泄漏的放射性物质对周边环境产生了巨大的危害，B、D符合题意；因为核反应有能量释放，可知铯、钡等原子的质量比铀原子质量小，故C不符合题意．4．(多选)一个质子和一个中子结合成氘核，同时放出光子，核反应方程是eq\o\al(1,1)H＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(2,1)H＋γ，以下说法中正确的是()A．反应后氘核的质量一定小于反应前质子和中子的质量之和B．反应前后的质量数不变，因而质量不变C．γ光子的能量为Δmc2，Δm为反应中的质量亏损，c为光在真空中的速度D．因存在质量亏损Δm，所以“物质不灭”的说法不正确【答案】AC【解析】核反应中质量数与电荷数及能量均守恒，由于反应中要释放核能，会出现质量亏损，反应中氘核的质量一定小于反应前质子和中子的质量之和，所以质量不守恒，但质量数不变，A正确，B错误；能量守恒，释放的能量会以γ光子的形式向外释放，根据爱因斯坦质能方程可知，γ光子的能量为Δmc2，Δm为反应中的质量亏损，c为光在真空中的速度，C正确；尽管存在质量亏损Δm，但核反应中的“质量亏损”并不是质量消失，所以“物质不灭”的说法仍是正确的，D错误．5．(多选)我国科技工作者分别在1964年、1967年成功爆炸了我国第一颗原子弹和氢弹．下列核反应方程中可表示两弹的爆炸原理的是()A.eq\o\al(14,)7N＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(17,)8O＋eq\o\al(1,1)HB.eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(90,38)Sr＋eq\o\al(139,54)Xe＋7eq\o\al(1,0)nC.eq\o\al(238,92)U→eq\o\al(234,90)Th＋eq\o\al(4,2)HeD.eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)n【答案】BD【解析】原子弹是利用核裂变反应，而氢弹是利用核聚变反应，B项对应原子弹的爆炸原理，D对应氢弹的爆炸原理；A为人工核转变，C为核衰变反应，不符合要求，选B、D.6．(多选)据新华社报道，由我国自行设计、研制的世界第一套全超导核聚变实验装置(又称“人造太阳”)已完成了首次工程调试．下列关于“人造太阳”的说法正确的是()A．“人造太阳”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＋eq\o\al(1,0)nB．“人造太阳”的核反应方程是eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(141,56)Ba＋eq\o\al(92,36)Kr＋3eq\o\al(1,0)nC．“人造太阳”释放的能量大小的计算式是ΔE＝Δmc2D．“人造太阳”核能大小的计算公式是E＝eq\f(1,2)mc2【答案】AC【解析】释放的能量大小用爱因斯坦质能方程ΔE＝Δmc2计算，有的考生不能区分裂变和聚变，得出错误的答案B.7．(多选)核反应堆是利用中子轰击重核发生裂变反应，释放出大量核能.eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(141,56)Ba＋eq\o\al(92,36)Kr＋aX是反应堆中发生的许多核反应中的一种，X是某种粒子，a是X粒子的个数，用mU、mBa、mKr分别表示eq\o\al(235,92)U、eq\o\al(141,56)Ba、eq\o\al(92,36)Kr核的质量，mX表示X粒子的质量，c为真空中的光速，以下说法正确的是()A．X为中子，a＝2B．X为中子，a＝3C．上述核反应中放出的核能ΔE＝(mU－mBa－mKr－2mX)c2D．上述核反应中放出的核能ΔE＝(mU－mBa－mKr－3mX)c2【答案】BC【解析】核反应中，质量数守恒，电荷数守恒，则eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(141,56)Ba＋eq\o\al(92,36)Kr＋aX中X为eq\o\al(1,0)n，a＝3，则A错误，B正确．由ΔE＝Δmc2可得ΔE＝(mU＋mX－mBa－mKr－3mX)c2＝(mU－mBa－mKr－2mX)c2，则C正确，D错误．8．(多选)我国最新一代核聚变装置“EAST”在安徽合肥首次放电，显示了EAST装置具有良好的整体性能，使等离子体约束时间达1000s，温度超过1亿摄氏度，这标志着我国磁约束核聚变研究进入国际先进水平．合肥也成为世界上第一个建成此类全超导非圆截面核聚变实验装置并能实际运行的地方．核聚变的主要原料是氘，在海水中含量极其丰富．已知氘核的质量为m1，中子的质量为m2，eq\o\al(3,2)He的质量为m3，质子的质量为m4，则下列说法中正确的是()A．两个氘核聚变成一个eq\o\al(3,2)He所产生的另一个粒子是质子B．两个氘核聚变成一个eq\o\al(3,2)He所产生的另一个粒子是中子C．两个氘核聚变成一个eq\o\al(3,2)He所释放的核能为(2m1－m3－m4)c2D．两个氘核聚变成一个eq\o\al(3,2)He所释放的核能为(2m1－m3－m2)c2【答案】BD【解析】由核反应方程2eq\o\al(2,1)H→eq\o\al(3,2)He＋eq\o\al(1,0)X知X应为中子，释放的核能应为ΔE＝(2m1－m3－m2)c2，聚变反应的污染非常小，而现行的裂变反应的废料具有很强的放射性，故A、C错误，B、D正确．9．一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()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)【答案】D【解析】该核反应方程为eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)n＋γ，该反应为聚变反应，故A、B错误；根据爱因斯坦质能方程知，辐射的光子能量E＝Δmc2＝(m1＋m2－m3－m4)c2，C错误；光子能量为E＝hν＝heq\f(c,λ)，则有λ＝eq\f(h,m1＋m2－m3－m4c)，D正确．故选D.10．某科学家提出年轻热星体中核聚变的一种理论，其中的两个核反应方程为eq\o\al(1,1)H＋eq\o\al(12,6)C→eq\o\al(13,7)N＋Q1①，eq\o\al(1,1)H＋eq\o\al(15,7)N→eq\o\al(12,6)C＋X＋Q2②，方程中Q1、Q2表示释放的能量，相关的原子核质量如表：原子核eq\o\al(1,1)Heq\o\al(3,1)Heq\o\al(4,2)Heeq\o\al(12,)6Ceq\o\al(13,)7Neq\o\al(15,)7N质量/u1.00783.01664.002612.000013.005715.0001则可以推断X是________，方程中Q1和Q2的大小关系是Q1________Q2.【答案】eq\o\al(4,2)He<【解析】由质量数守恒和电荷数守恒，可判断X为eq\o\al(4,2)He，①式质量亏损为Δm1＝1.0078u＋12.0000u－13.0057u＝0.0021u．②式的质量亏损为Δm2＝1.0078u＋15.0001u－12.0000u－4.0026u＝0.0053u，所以Δm2>Δm1根据质能方程ΔE＝Δmc2可求解Q2>Q1.B组·能力提升11．(1)核电站利用原子核链式反应放出的巨大能量进行发电，eq\o\al(235,92)U是核电站常用的核燃料.eq\o\al(235,92)U受一个中子轰击后裂变成eq\o\al(144,56)Ba和eq\o\al(89,36)Kr两部分，并产生______个中子．要使链式反应发生，裂变物质的体积要______(填“大于”或“小于”)它的临界体积．(2)取质子的质量mp＝1.6726×10－27kg，中子的质量mn＝1.6749×10－27kg，α粒子的质量mα＝6.6467×10－27kg，光速c＝3.0×108m/s.则α粒子的结合能为________．(计算结果保留两位有效数字)．【答案】(1)3大于(2)4.3×10－12J【解析】(1)由eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(144,56)Ba＋eq\o\al(89,36)Kr＋3eq\o\al(1,0)n可知，会产生3个中子，要使裂变持续进行(链式反应)，物质的体积需要大于它的临界体积．(2)组成α粒子的核子与α粒子的质量差为Δm＝2mp＋2mn－mα，结合能ΔE＝Δmc2，代入数据得ΔE＝4.3×10－12J.12．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MeV?解：(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＝2.0136u×2－(3.0150u＋1.0087u)＝0.0035u，释放的核能为ΔE＝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，根据动量守恒定律，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.13．在所有能源中，核能具有能量密度大，地区适应性强的优势，在核电站中，核反应堆释放的核能被转化为电能．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eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(141,56)Ba＋eq\o\al(92,36)Kr＋aX是反应堆中发生的许多核反应中的一种，eq\o\al(1,0)n为中子，X为待求粒子，a为X的个数，则X是什么？a为多少？以mU、mBa、mKr分别表示eq\o\al(235,92)U、eq\o\al(141,56)Ba、eq\o\al(92,36)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ΔE是多少？(2)有一座发电能力为P＝1.00×106kW的核电站，核能转化为电能的效率η＝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ΔE＝2.78×10－11J，核的质量mU＝390×10－27kg，求每年(1年＝3.15×107s)消耗的eq\o\al(235,92)U的质量．解：(1)由反应方程可知X为eq\o\al(1,0)n，a为3，释放的能量为ΔE＝(mU－mBa－mKr－2mn)c2.(2)因电站发电效率为40%，故电站消耗eq\o\al(235,92)U的功率为P′＝eq\f(P,40%)＝eq\f(106,40%)kW＝2.5×106kW，电站每年消耗eq\o\al(235,92)U的能量为W＝Pt＝2.5×109×3.15×107J＝7.875×1016J.每年消耗eq\o\al(235,92)U的质量为M＝eq\f(W,ΔE)mU＝eq\f(7.875×1016×390×10－27,2.78×10－11)kg＝1105kg.14．有一种聚变反应是四个氢核聚变成一个氦核，同时放出两个正电子．求：(1)该聚变反应释放多少能量？(2)若1g氢完全聚变，能释放多少能量？(3)1g氢完全聚变，释放的能量相当于多少煤完全燃烧放出的热能？(已知煤的热值q＝3.36×107J/kg，氢核质量为1.008142u，氦核质量为4.001509u，电子的质量为0.000549u)解：(1)核反应方程为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，ΔE＝0.029961×931.5MeV＝27.91MeV＝4.47×10－12J.(2)1g氢完全聚变释放的能量为E＝eq\f(1,4)×6.02×1023×4.47×10－12J＝6.73×1011J.(3)相当于煤完全燃烧的质量为m＝eq\f(6.73×1011,3.36×107)kg＝2.00×104kg.A组·基础达标1．(多选)下列说法中正确的是()A．目前还未发现玻色子、轻子和夸克这三类粒子的内部结构B．自然界存在着能量守恒定律、动量守恒定律及电荷守恒定律，对基本粒子不适用C．反粒子与其对应的粒子相遇时，会发生湮灭现象D．强子是参与强相互作用的粒子，质子是最早发现的强子【答案】ACD【解析】玻色子、轻子和夸克在现代实验中还没有发现其内部结构，故A正确．反粒子带等量异种电荷，反粒子与其对应的粒子相遇时会发生湮灭现象，故C正确．质子是最早发现的强子，故D正确．2．(多选)下列所述正确的是()A．强子是参与强相互作用的粒子B．轻子是不参与强相互作用的粒子C．目前发现的轻子只有8种D．夸克有6种，它们带的电荷量分别为元电荷的＋eq\f(2,3)或－eq\f(1,3)【答案】ABD【解析】由三类粒子的特性可知A、B正确；而目前发现的轻子只有6种，C错误；夸克模型经过几十年的发展，已知夸克有6种，它们带的电荷分别为元电荷的＋eq\f(2,3)或－eq\f(1,3)，D正确．3．阿尔法磁谱仪(简称AMS)，是人类送入太空的第一台磁谱仪，其核心部分是中国研制的一台用铷铁硼材料制成的大型永磁体．AMS将在太空中寻找反物质、暗物质等，回答有关宇宙起源的重要问题．反物质是指由质量相同但电荷符号相反的反电子(即正电子)、反质子和反中子组成的反原子构成的物质．AMS原理是利用这些物质的粒子在磁场中运动时表现出的不同特点探测的．如图所示，是三种等速粒子在永磁体形成的磁场内的运动轨迹，下面对这三种粒子判断可能正确的是()A．a粒子是反质子，b粒子是反电子B．a粒子是反质子，c粒子是反电子C．b粒子是反质子，c粒子是反电子D．c粒子是反质子，b粒子是反电子【答案】C【解析】首先由左手定则可知，向左偏转的粒子带正电，向右偏转的粒子带负电，根据r＝eq\f(mv,qB)可知，等速的反质子比反电子的运动半径大；反质子带负电，反电子带正电，由此可得b可能为反质子，c可能为反电子．4．1956年，李政道和杨振宁提出在弱相互作用中动量不守恒，并由吴健雄用eq\o\al(60,27)Co放射进行了实验验证，1957年李、杨两人为此获得诺贝尔物理学奖.eq\o\al(60,27)Co的衰变方程是eq\o\al(60,27)Co→eq\o\al(A,Z)Ni＋eq\o\al(0,－1)e＋eq\x\to(νe)，eq\x\to(νe)是反中微子，它的电荷量为零，静止质量可认为是零，则衰变产物eq\o\al(A,Z)Ni的质量数和核电荷数分别为()A．60,28 B．60,26C．59,26 D．59,28【答案】A【解析】根据核电荷数守恒得27＝Z－1，Z＝28，；根据质量数守恒得60＝A＋0，A＝60.故A正确．5．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．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．下列论断中可能正确的是()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【答案】B【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．6．正电子是电子的反粒子，它跟普通电子电荷量相等，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年初和年底，欧洲和美国的科学研究机构先后宣布；他们分别制造出9个和7个反氢原子．这是人类探索反物质的一大进步，你推测反氢原子的结构是()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【答案】B【解析】氢原子是由质子和电子构成，那么反氢原子也应由它们的反粒子构成，即反质子和反电子，因此B正确，A、C、D错误．