- 核聚变和受控热核反应
- 共134题
一个静止的(原子质量为232.0372u),放出一个α粒子(原子质量为4.00260u)后,衰变为
(原子质量为228.0287u)。假设放出的核能完全变为Th核和α粒子的动能,试计算α粒子的动能(1uc2=931.5MeV)。
正确答案
略
为确定爱因斯坦质能联系方程ΔE=Δmc2的正确性,设计了如下实验:用动能为E1="0.9 " MeV的质子去轰击静止的锂核Li,生成两个α粒子,测得这两个α粒子的动能之和为E="19.9" MeV.
(1)写出该核反应方程;
(2)计算核反应过程中释放出的能量ΔE;
(3)通过计算说明ΔE=Δmc2的正确性.(计算中质子、α粒子和锂核Li的质量分别取:mp="1.007" 3 u,mα="4.001" 5 u,mLi="7.016" 0 u)
正确答案
(1)H+
Li→2
He
(2)18.9 MeV (3)略
(1)H+
Li→2
He.
(2)Δm="(1.007" 3+7.016 0-2×4.001 5)u="0.020" 3u
ΔE="0.020" 3×931.5 MeV="18.9" MeV.
(3)反应前后系统总动能的增加为
E-E1="19.9" MeV-0.9 MeV="19.0" MeV
这与核反应释放的核能在误差允许范围内近似相等,说明ΔE=Δmc2是正确的.
两个中子和质子结合成一个α粒子时,其核反应方程式是____________,该反应可放出28.30 MeV的能量;三个α粒子结合成一个碳核时,可放出7.26 MeV的能量,由此可推出:6个中子和6个质子结合成一个碳核时,可释放出的能量为____________MeV.
正确答案
2H+2
n→
He 92.16
2H+2
n→
He
可以认为6个中子和6个质子先结合成3个α粒子,然后3个α粒子再结合成一个碳核,因此共可释放核能为:(28.30×3+7.26) MeV="92.16" MeV.
在氢原子中,电子(质量为m,电荷量为e)绕核做半径为r的匀速圆周运动从而形成电流,那么电子绕核运动的周期T=____________(设静电力常量为k).若电子在基态时运动形成的电流为I,当它处于量子数n=3的激发态时,所形成的电流为____________.
正确答案
I/27
由k=mr(
)2得T=
,由于T∝
,r3=32r1,所以T3=27T1,所以I3=
=
.
由于铀235具有俘获慢中子而发生裂变的特点,但裂变时产生的中子速度很大,不易被铀235俘获而诱发新的裂变,所以在核反应堆中常用石墨作减速荆,当快中子与石墨原子核经过若干次弹性碰撞后变会变为慢中子.设每次碰撞前石墨的原子核都处于静止状态,一个具有初动能E0的中子,去正面弹性碰撞质量是中子质量的k倍的石墨原子核,试问:
(1)第一次碰撞后,中子的动能是多少?
(2)第n次碰撞后,中子的动能是多少?
正确答案
(1) (2)
(1)设第一次碰撞后中子与碳核的速度分别为,由动量守恒和能量守恒有
,
,
所以,负号说明碰撞后速度方向与原方向相反,
。
(2)由以上分析可知:第二次碰撞后中子速度大小为,
第三次为,
第n次为,所以
。
2006年,我国自行设计并研制的“人造太阳”——托卡马克实验装置运行获得重大进展,这标志着我国已经迈入可控热核反应领域先进国家行列。该反应所进行的聚变过程是,反应原料氘
富存于海水中,而氚
是放射性元素,自然界中不存在,但可以通过中子轰击锂核
的人工核转变得到。则:
(1)请把下列用中子轰击锂核产生一个氚核
和一个新核的人工核转变方程填写完整:
+_____________→_____________+
H。
(2)在(1)中,每生产lg的氚同时有多少个核实现了核转变?(阿伏伽德罗常数NA取6.0×1023个/mol)
(3)一个氘核和一个氚核发生核聚变时,平均每个核子释放的能量为5.6×10-13 J,求该核聚变过程中的质量亏损。
正确答案
解:(1),
(2)因为1g氚为,根据核反应方程实现核转变的
也为
所以有个
实现了核转变
(3)根据爱因斯坦质能方程△E=△mc2,核聚变中有5个核子参加了反应,所以该核聚变中的质量亏损
一个质子和两个中子聚变为一个氚核,已知质子质量mH=1.007 3 u,中子质量mn=1.008 7 u,氚核质量m=3.018 0 u。
(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?
正确答案
解:(1)聚变方程
(2)质量亏损△m=mH+2mn-m=(1.007 3+2×1.008 7-3.018 0)u=0.006 7 u
释放的核能△E=△mc2=0.006 7×931.5 MeV≈6.24 MeV
(3)平均每个核子放出的能量为
(12分)从静止的镭核中射出的
粒子垂直进入正交的匀强电场E和匀强磁场B,在电磁场中做直线运动,已知E=3.72×104N/C,B=2.0×10-3T。
(1)写出核反应式。
(2)放出粒子后,反冲核速度多大?
(3)若静止的镭核放出粒子是在匀强磁场中进行的,而且衰变后它们的速度均垂直于匀强磁场B,求
粒子与反冲核做圆周运动的半径之比,并定性地画出
粒子和反冲核运动的完整轨迹。
正确答案
(1)
(2)
(3)
(1)
(2)设粒子速度为v1 ,反冲核速度为v2 ,
粒子在电磁中直线运动得:
,
由动量守恒定律得:,
(3),
两个动能均为0.35MeV的氘核对心正碰,聚变后生成氦核同时放出一个中子,已知氘核的质量为3. 3426 ×10-27kg ,氦核的质量为5.0049 ×10-27kg ,中子的质量为1. 6745 ×10-27kg. 设聚变中放出的能量都转变成了氦核和中子的动能,求氦核的动能.
正确答案
解:两个氘核发生聚变的质量亏损与放出的能量分别为
△m=2mH-mHe-mn = (2×3.3426×10-27-5. 0049×10-27-1. 6745×10-27) kg=5.8×10-3 kg
△E=△mc2=5.8×10-30×(3×108)2J=5. 22×10-13 J=3. 26MeV
两个氘核对心正碰发生聚变的过程中动量守恒
由此有mHvH-mHvH=mHevHe-mnvn
两个氘核发生聚变的过程,由能量守恒有
联立以上三式解得氦核的动能为
两个氘核聚变产生一个中子和一个氦核。已知氘核质量为2. 0136u ,氦核质量为3.0150u ,中子的质量为1.0087u 。
(1) 写出聚变方程,求出释放能量(1u 相当于931.5MeV )。
(2) 若反应前两氘核的动能均为0.35MeV ,正面相碰发生反应,且反应中释放的结合能全部转变为动能,则反应后氦核和中子的动能各为多大?
正确答案
解:(1)核反应方程为 反应中质量亏损为
△m=(2mH-mHe-mn) =2×2. 0136u-3. 0150u-1. 0087u =0. 0035u
所以释放能量为△E=0.0035×931.5 MeV=3.26 MeV
(2)设反应中生成的中子和氦核的速度分别为vu、vHe,
由反应中动量守恒和能量守恒知0=mnvn+mHevHe ①
②
式中EkH=0. 35 MeV为反应前每个氘核的动能,
由①式得中子和氦核的速度大小之比为
则它们的动能之比为
所以
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