轻核的聚变

一. 本周教学内容：　　轻核的聚变

二. 知识要点：

1. 了解轻核的聚变特点，知道可控热核反应，知道热核反应及其应用。

2. 本章知识网络

三. 疑难辨析：

1. 核物理学中把轻核结合成质量较大的核，释放出核能的反应叫做轻核的聚变、简称聚变。聚变放出核能的原因是原子序数很小的轻核（质量数小于30）结合成一个原子序数大些的核时，会有质量亏损，因而放出核能。

使轻核发生聚变，必须使它们的距离十分接近，达到10^－15m的近距离。由于原子核都是带正电的，要使它们接近到这种程度，必须克服巨大的库仑斥力。这就需要原子核有足够的动能，有一种办法，就是把它加热到几百万摄氏度以上的高温，因此聚变反应又叫热核反应。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。

热核反应与核裂变反应相比具有以下优越性：① 就相同质量的核燃料而言，热核反应释放的核能比裂变反应大得多；② 裂变时产生的放射性物质，由于放射性强、半衰期大，处理起来比较困难，而热核反应在这方面的问题要简单得多；③ 就核燃料的储量而言，热核反应所用的燃料氘，在地球上的储量非常丰富。

2. 利用人工方法控制的热核反应称为可控热核反应。太阳辐射的能量来自太阳内部的热核反应。氢弹的工作原理也是热核反应。

3. 本章知识网络

【典型例题】

[例1] 一个质子和两个中子聚变成一个氚核，已知质子的质量为< style= >

=1.0073u，中子质量为解：

（1）聚变方程为

（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

B.

解：由定义可知，A、C正确

[例3] 甲、乙两个原来静止的原子核在匀强磁场中衰变后的运动轨迹分别如图中的（甲）和（乙）所示。

（1）哪一个是

衰变?哪一个是

粒子的径迹？哪一个是

粒子的径迹？

（3）如果甲图中轨道半径之比为

，求发生衰变的原子核的原子序数为多少？

衰变，图（乙）是

粒子的径迹，②是

粒子的径迹；（3）90

[例4] 在慢中子反应堆中，用石墨作减速剂，将铀核裂变产生的快中子变成慢中子。若初速度为v0的中子与碳原子发生弹性正碰，且碳原子在碰撞之前是静止的，求中子与n个碳原子核发生碰撞后的速度。（已知碳核的质量是中子的12倍）

【模拟试题一】（答题时间：30分钟）

1. 下列关于核聚变的说法中，正确的是（ ）

A. 要使聚变产生必须克服库仑力做功

B. 轻核聚变需要几百万摄氏度的高温，因此聚变又叫做热核反应

C. 原子弹爆炸能产生几百万摄氏度的高温。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

2. 1994年3月，中国科学技术大学研制成功了比较先进的HT?D7型超导托卡马克。托卡马克（Tokamak）是研究受控核聚变的一种装置。这个词是 torodal（环形的）、kamera（真空室）、magnit（磁）的头两个字母以及katushka（线圈）的第一个字母组成的缩写词。根据以上信息，下述判断中可能正确的是（ ）

A. 核反应原理是氢的原子核在装置中聚变成氦核，同时放出大量的能量，和太阳发光的原理类似

B. 线圈的作用是通电产生磁场使氘核等带电粒子在磁场中旋转而不溢出

C. 这种装置同我国秦山、大亚湾核电站所用核装置的核反应原理相同

D. 这种装置可以控制热核反应的速度，使聚变能缓慢而稳定地释放

3. 两个氘核聚变产生一个中子和?D个氦核，已知1个氘核质量为mD=2.0136u，氦核质量

＝0.35MeV。它们正面对撞发生核聚变，且反应之后释放的核能全部转变为动能。则反应后产生的氦核和中子的动能各是多少？

4. 太阳内部持续不断地发生着四个质子聚变为氦核的热核反应。这个核反应释放出的大量能量就是太阳的能源。

（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）太阳的质量每秒减少多少千克；

（4）若太阳质量减少

，热核反应就不能继续发生，计算太阳还能存在多少年。（已知太阳向空间辐射的总功率为3.8×10²⁶W，太阳的质量为2×10³⁰kg，mp＝1.008142u，

=0.000548u）

【模拟试题二】（答题时间：40分钟）

一. 选择题：

1. 下列关于原子和原子核的说法中，正确的是（ ）

A. 卢瑟福的

粒子散射实验说明了原子具有核式结构

B. 爱因斯坦提出了质能方程，从而可计算出核能

C. 氕、氘、氚核中具有相同的中子数和不同的质量数，所以是氢的同位素

D. 氢原子辐射一个光子后，氢原子的电势能减少，核外电子的动能增加

2. 下列说法中正确的有（ ）

A. 我们无法改变放射性元素的半衰期，除非把它变成另外一种元素的同位素

B. 氡的半衰期为3.8天，若有4个氡核，经过3.8天就剩下2个氡核

C. 放射性同位素的化学性质和半衰期都相同

D. 氡的半衰期为3.8天，若有4克氡，经过3.8天就剩下2克氡

3. 在

粒子散射实验中，当α粒子最接近金原子核时

粒子符合下列哪种情况（ ）

A. 动能最小

B. 势能最小

C.

粒子与金原子核组成的系统的能量最大

D. 所受的原子核的核力最大

4. 下面说法中正确的是（ ）

①

粒子不同于氦原子核；

④

粒子的强。

A. ②、① B. ①、③ C. ②、④ D. ①、④

5. 光子的能量为

，动量大小为

光子，则衰变以后的原子核（ ）

A. 仍然静止 　　　　　　　

B. 沿着与光子运动方向相同的方向运动

C. 沿着与光子运动方向相反的方向运动

D. 可能沿任何方向运动

二. 填空题：

6.

，其中

的核外电子数为 ，衰变产物

静止，根据云室照片可以看出，衰变产物

和

，那么衰变过程将违背 守恒定律。

（3）

俘获一个速度为2.3×10⁷m／s的中子生成一个复核X，X又衰变成Y、Z两个新核，设Y、Z的速度方向与中子的速度方向相同。Y的质量是中子的11倍，速度是1×10⁶m／s，Y、Z在同一匀强磁场中做匀速圆周运动的半径之比为RY：RZ＝11:30。求：

（1）X核的速度大小；

（2）根据计算判断Z是什么核；

（3）写出核反应方程式。

9. 云室处在磁感应强度为B的匀强磁场中，?D个静止的质量为M的原子核在云室中发生一次

衰变，

粒子的质量为m，电荷量为q，其运动轨迹在与磁场垂直的平面内。现测得

粒子运动的轨道半径为R，试求在衰变过程中的质量亏损。（涉及动量问题时，亏损的质量可忽略不计，且放出的核能全部转化为粒子的动能）

10. 已知太阳每秒辐射出3.8×10²⁶J的能量，问：

（1）太阳每秒损失的质量为多少?

（2）假设太阳放射出的能量由“燃烧氢”的核反应

为中微子，中微子是一种质量远小于电子质量、穿透率极强的中性粒子。试计算地球上在与太阳光垂直的每平方米的面积上每秒有多少中微子到达。

（3）假设原始的太阳全部由

和电子组成，且仅有10％的

可供燃烧，试估算太阳的寿命。已知太阳质量M0=2.0×l0³⁰kg。质子质量mp=1.7×10^－27kg，日地距离R=1.5×10¹¹m。

 

1. A、B、D 2. A、D 3. A 4. C 5. C

 

7. 5.03×l0^－29 8.（1）3×10⁶m/s；（2）Z核是

10..（1）4.2×10⁹kg；（2）6.0×10¹⁴个；（3）3.5×10¹⁷s

 

 

【励志故事】

沉静?D?D思考?D?D判断?D?D成功

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