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19.7核聚变

学案

学习目标

1．了解聚变反应的特点及其条件. 2．了解可控热核反应及其研究和发展. 3．知道轻核的聚变能够释放出很多的能量,如果能加以控制将为人类提供广阔的能源前景。

学习重点

聚变核反应的特点。

聚变反应的条件。

自主学习

一、核聚变

1．定义：两个轻核结合成质量______的核的反应．轻核聚变反应必须在______下进行，因此又叫热核反应．21*cnjy*com

32．核反应举例：2→__________＋11H＋1H―0n＋17.6 MeV 3．特点：在消耗相同质量的核燃料时，轻核聚变比重核裂变能__________的能量．热核反应一旦发生，就不再需要外界给它能量，靠__________的热就可以使反应进行下去．

4．实例分析

(1)核武器：______，由普通炸药引爆________，再由________爆炸产生的高温高压引发热核爆炸．www.21-cn-jy.com

(2)宇宙天体：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____________．

二、受控热核反应

1．聚变与裂变相比有很多优点

(1)轻核聚变____________：相同质量的核燃料，聚变反应产生的能量较多．

(2)地球上聚变燃料的储量______．地球上的河流、湖泊、海洋中的水中含有丰富的____，反应中所用的氚可以用____制取，而____在地球上也有很大的储量．

(3)轻核聚变更为安全、清洁．聚变反应产生的____没有放射性，放射性废物主要是泄漏的氚和聚变时产生的高速______、______与其他物质反应而生成的放射性物质，比裂变反应堆生成的废物________、容易处理．【来源：21cnj*y.co*m】

2．约束核聚变材料的方法

(1)磁约束：带电粒子在均匀磁场中运动时会由于洛伦兹力的作用而不飞散，所以可用磁场约束参加反应的物质，目前性能最好的磁约束装置是________．

(2)惯性约束：聚变反应的时间非常短，聚变物质由于自身______还来不及扩散就完成了反应，因此，在______约束下，可以用激光照射的方法使聚变物质“挤”在一起发生反应．

典型例题

2例1、(2009·烟台诊断)两个动能均为1 MeV的氘核发生正面碰撞，引起如下反应21H＋13H―→1H＋1已知：氘核的质量为2.0136 u，氚核的质量为3.0156 u，氢核的质量为1.0073 1H，u,1原子质量单位(u)相当于931.5 MeV.试求：【出处：21教育名师】

(1)此核反应中放出的能量ΔE为多少MeV? (2)若放出的能量全部变为新生核的动能，则新生的氢核所具有的动能为多少MeV?

[解析] (1)由质能方程的简化公式得：ΔE＝Δm×931.5 MeV＝(2×2.0136－3.0156－1.0073)×931.5 MeV≈4.005 MeV【来源：21·世纪·教育·网】

(2)设氚核和氢核的动量分别为p1、p2，动能分别为Ek1、Ek2. 相互作用过程中动量守恒p1＝p2

2m1v1p21Ek1＝＝

22m12m2v2p22Ek2＝＝

22m2由能量守恒得2Ek＋ΔE＝Ek1＋Ek2

由以上几式并代入数据可解得Ek2≈4.5 MeV. 答案：(1)4.005 MeV

(2)4.5 MeV 自我检测

1．发生热核反应的办法有(

) A．用中子轰击

B．保持室温环境、增大压强

C．把物体加热到几百万摄氏度以上

D．用γ光子照射

2．关于轻核聚变释放核能，下列说法正确的是(

) A．一次聚变反应一定比一次裂变反应释放的能量多

B．聚变反应比裂变反应每个核子释放的平均能量大

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，故反应后质量增加

3．(2009·郑州质检)钱学森被评为

“2007感动中国十大人物”，他参与了我国第一颗原子弹和第一颗氢弹的研制工作．氢弹爆炸时发生的核反应是(

) 41A.9→

124Be＋2He―6C＋0n

0B.

234→

23490Th―91Pa＋－1e 11361C.

235→9092U＋0n―38Sr＋

54Xe＋100n 34D.2→2He＋11H＋1H―0n 4．已知氦原子核的质量为mHe

u，电子的质量为me

u，质子的质量为mp

u，中子的质量为mn u，u为原子质量单位，且由爱因斯坦的质能方程E＝mc2可知：1 u对应931. 5 MeV的能量，若取光速c＝3×108 m/s，则每合成(聚变)一个氦原子核，释放的能量为(

) A．[2×(mp＋mn)－mHe]×931.5 MeV B．[2×(mp＋mn)＋me]×931.5 MeV C．[2×(mp＋mn＋me)]×c2

D．[2×(mp＋mn)－mHe]×c2

5．有下列反应：

2730①4→15P＋12He＋13Al―0n 314②1H＋1H―→2He＋γ

1914③

9F＋1H―→16

8O＋2He 11361④235→90

92U＋0n―38Sr＋

54Xe＋100n＋γ

关于上面四个核反应方程，下列说法正确的是(

) A．①是原子核的人工转变的反应方程式

B．②是聚变的核反应方程式

C．③是α衰变的反应方程式

D．④是裂变的核反应方程式

316．(2009·东营模拟)一个氘核和一个氚核的反应方程是2→41H＋1H―2He＋0n，此反应过程产生的质量亏损为Δm.21世纪教育网版权所有

已知阿伏加德罗常数为NA，真空中的光速为c.若1 mol氘和1 mol氚完全发生反应生成氦，则在这个核反应中释放的能量为(

)21教育网

1A.NAΔmc2

B．NAΔmc2

2C．2NAΔmc2

D．5NAΔmc2

7．(2009·潍坊质检)设太阳内部持续不断地发生着4个质子聚变为1个氦核放出2个正电子的热核反应，这个核反应释放的大量能量就是太阳的能源．21·世纪*教育网

已知mp＝1.007 276 u，mHe＝4.002 603 u，me＝0.000 548 u.

(1)写出这个核反应方程；

(2)这一核反应释放出的能量有多少焦？

(3)若太阳向空间辐射的总功率为3.8×1026W，则太阳的质量每秒将减少多少千克？

8．试求在氢弹中合成1 kg的氦时所释放的能量．(氘核2氚核31H的质量为2.0136

u，1H的质量为3.0166 u，氦核42He的质量为4.0026 u，中子的质量为1.0087 u)

参考答案

一、1.较大

高温

2.42He

3.产生更多

自身产生

4．(1)氢弹

原子弹

原子弹

(2)热核反应堆

二、1.(1)产能效率高

(2)丰富

氘

锂

锂

(3)氦

中子

质子

数量少

2.(1)环流器

(2)惯性

惯性21cnjy.com

－1．选C

要发生热核反应，必须使轻核接近核力发生作用的距离1015m，这就要求原子核应具有足够的动能，方法是给原子核加热，使其达到几百万摄氏度的高温．

2．选B

在一次聚变反应中释放的能量不一定比裂变反应多，但平均每个核子释放的能量一定大，故A错误，B正确；由于聚变反应中释放出巨大能量，则比结合能一定增加，质量发生亏损，故C、D错误．21·cn·jy·com

16．选A

其核反应方程为21H＋21→40n―2He，则其反应中的质量亏损为[2(mp＋mn)－mHe]u，2·1·c·n·j·y

所以ΔE＝[2(mp＋mn)－mHe]×931.5 MeV，A选项正确．

7．选ABD

根据各种定义可知：①是人工转变的反应方程式；②是聚变的核反应方程式；③并不是α衰变，而是人工转变，衰变是自发进行的，不需要外界因素的影响；④是裂变的核反应方程式．故答案为A、B、D.www-2-1-cnjy-com

8．选B

由爱因斯坦质能方程E＝mc2可知，一次核反应释放出的核能为ΔE＝Δmc2，则1 mol氘和1 mol氚核反应释放的能量为NAΔmc2.2-1-c-n-j-y

09．解析：(1)核反应方程式为：41→41H―2He＋21e (2)该核反应中放出的结合能为：

ΔE＝(4mp－mHe－2me)c2

－解得ΔE≈23.7 MeV≈3.79×1012 J Pt(3)太阳每秒减少的质量为：Δm＝2

c解得：Δm≈4.2×109 kg －120答案：(1)41→4 J 1H―2He＋21e

(2)3.79×109(3)4.2×10 kg 3410．解析：设弹壳内装的是氘和氚，它们在高温下聚变生成氦，核聚变方程为2→21H＋1H―He＋10n. 3当一个氘核21H与一个氚核1H发生反应时放出的能量为

ΔE＝Δmc2＝(2.0136＋3.0166－4.0026－1.0087)×931.5 MeV≈17.6 MeV. 1 kg氦(42He)中所含的原子核数目为

1000N＝nNA＝×6.02×1023个≈1.5×1026个．

4.0026可求得合成1 kg氦时所释放的总能量为

E＝NΔE＝1.5×1026×17.6 MeV ＝2.64×1027 MeV. 答案：2.64×1027 MeV