15.3 核反应核能质能方程一、考点聚焦核能．质量亏损．爱因斯坦的质能方程Ⅱ要求核反应堆．核电站Ⅰ要求重核的裂变．链式反应．轻核的聚变Ⅰ要求可控热核反应．Ⅰ要求二、知识扫描1、核反应在核物理学中，原子核在其它粒子的轰击下产生新原子核的过程，称为核反应．典型的原子核人工转变14 7N+42He 178O+11H 质子11H的发现方程卢瑟福9 4Be+42He 126C+1n 中子1n的发现方程查德威克2、核能（1）核反应中放出的能量称为核能（2）质量亏损：原子核的质量小于组成它的核子质量之和．质量亏损．（3）质能方程：质能关系为Ｅ＝ｍｃ2原子核的结合能ΔＥ=Δｍｃ23、裂变把重核分裂成质量较小的核，释放出的核能的反应，叫裂变典型的裂变反应是：235 92Ｕ+1ｎ9038Ｓr+13654Ｘe+101ｎ4．轻核的聚变把轻核结合成质量较大的核，释放出的核能的反应叫轻核的聚变．聚变反应释放能量较多，典型的轻核聚变为：2 1Ｈ+31Ｈ42Ｈe+1ｎ5．链式反应一个重核吸收一个中子后发生裂变时，分裂成两个中等质量核，同时释放若干个中子，如果这些中子再引起其它重核的裂变，就可以使这种裂变反应不断的进行下去，这种反应叫重核裂变的链式反应三、好题精析例1．雷蒙德·戴维斯因研究来自太阳的电子中微子（v。
）而获得了2002年度诺贝尔物理学奖．他探测中微子所用的探测器的主体是一个贮满615t四氯乙烯（C2Cl4）溶液的巨桶．电子中微子可以将一个氯核转变为一个氢核，其核反应方程式为νe＋3717Cl→3718Ar十 0－1e已知3717Cl核的质量为36.95658 u，3718Ar核的质量为36.95691 u， 0－1e的质量为0.00055 u，1 u质量对应的能量为931.5MeV.根据以上数据，可以判断参与上述反应的电子中微子的最小能量为（A）0.82 Me V （B）0.31 MeV （C）1.33 MeV （D）0.51 MeV [解析] 由题意可得：电子中微子的能量E≥E∆=mc2-（m Ar+m e-m Cl）·931.5MeV=(36.95691+0.00055-36.95658)×931.5MeV=0.82MeV则电子中微子的最小能量为 E min =0.82MeV[点评] 应用爱因斯坦质能方程时，注意单位的使用。
当m ∆用kg 单位，c 用m/s 时，E ∆单位是J ，也可像本题利用1 u 质量对应的能量为931.5MeV.例2、质子、中子和氘核的质量分别为ｍ１、ｍ２、ｍ３，质子和中子结合成氘核时，发出γ射线，已知普朗克恒量为ｈ，真空中光速为ｃ，则γ射线的频率υ＝ ______ ．[解析] 核反应中释放的能量ΔＥ＝Δｍｃ２以释放光子的形式释放出来，由于光子的能量为h υ，依能量守恒定律可知：h υ=Δｍｃ２据此便可求出光子的频率。
质子和中子结合成氘核：11Ｈ+10ｎ 21Ｈ+γ这个核反应的质量亏损为：Δｍ＝ｍ１＋ｍ２－ｍ３根据爱因斯坦质能方程 ΔＥ＝Δｍｃ２此核反应放出的能量 ΔＥ＝（ｍ１＋ｍ２－ｍ）c 2以γ射线形式放出，由Ｅ＝h υυ= hc m m m 2321)(-+ [点评] 此题考查计算质量亏损，根据爱因斯坦质能方程确定核能．关键是对质量亏损的理解和确定．例3、如图所示，有界匀强磁场的磁感应强度为B ，区域足够大，方向垂直于纸面向里，直角坐标系xoy 的y 轴为磁场的左边界，A 为固定在x 轴上的一个放射源，内装镭核（88226Ra ）沿着与+x 成θ角方向释放一个α粒子后衰变成氡核（Rn ）。
α粒子在y 轴上的N 点沿-x 方向飞离磁场，N 点到O 点的距离为l ，已知OA 间距离为l 2，α粒子质量为m ，电荷量为q ，氡核的质量为m 0。
（1）写出镭核的衰变方程；（2）如果镭核衰变时释放的能量全部变为α粒子和氡核的动能求一个原来静止的镭核衰变时放出的能量。
[解析]（1）镭核衰变方程为：He R Ra n 422228622688+→ （2）镭核衰变放出α粒子和氡核，分别在磁场中做匀速圆周运动，α粒子射出y 轴时被粒子接收器接收，设α粒子在磁场中的轨道半径为R ，其圆心位置如图中O '点，有222)2()(R l R l =+-，则l R 85= ① α粒子在磁场中做匀速圆周运动，有Rv m gvB 2=，即qBR mv =，② α粒子的动能为mqBl m qBR m mv mv E 128)5(2)(2)(2122221==== ∴ 衰变过程中动量守恒00v m mv =，④则氡核反冲的动能为01200221m mE v m E == ⑤ ∴ m qBl m m m E E E 128)5(20021+=+= ⑥ [点评] 要熟练掌握核反应方程，动量守恒定律，带电粒子在匀强磁场中的圆周运动规律的综合运用。
例4. 核聚变能是一种具有经济性能优越、安全可靠、无环境污染等优势的新能源。
近年来，受控核聚变的科学可行性已得到验证，目前正在突破关键技术，最终将建成商用核聚变电站。
一种常见的核聚变反应是由氢的同位素氘（又叫重氢）和氚（又叫超重氢）聚合成氦，并释放一个中子了。
若已知氘原子的质量为2.0141u ，氚原子的质量为3.0160u ，氦原子的质量为4.0026u ，中子的质量为1.0087u ，1u=1.66×10-27kg 。
⑴写出氘和氚聚合的反应方程。
⑵试计算这个核反应释放出来的能量。
⑶若建一座功率为3.0×105kW 的核聚变电站，假设聚变所产生的能量有一半变成了电能，每年要消耗多少氘的质量？（一年按3.2×107s 计算，光速c=3.00×108m/s ，结果取二位有效数字）[解析] （1） n He H H 10423121+→+ （2）ΔE=Δmc 2=（2．0141+3．0160-4．0026-1．0087）×1．66×10-27×32×1016J=2.8×10-12J（3）M=271066.10141.22-⨯⨯⨯∆Ept =122778108.21066.10141.2102.31032--⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯=23kg [点评]例 5．众所周知，地球围绕着太阳做椭圆运动，阳光普照大地，万物生长．根据学过的知识试论述说明随着岁月的流逝，地球公转的周期，日、地的平均距离及地球表面的温度的变化趋势．[解析] 太阳内部进行着剧烈的热核反应，在反应过程中向外释放着巨大的能量，这些能量以光子形式放出．根据爱因斯坦质能关系： ΔＥ＝Δｍ·ｃ2 ，知太阳质量在不断减小．地球绕太阳旋转是靠太阳对地球的万有引力来提供向心力 G 2RmM =m ω2R ， 现因M 减小，即提供的向心力减小，不能满足所需的向心力，地球将慢慢向外做离心运动，使轨道半径变大，日地平均距离变大．由上式可知，左边的引力G 2RmM 减小，半径R 增大，引起地球公转的角速度变化，从而使公转周期变化 G 2RmM =m 224T πR ，T 2=GM R 324π，即 T 增大． 一方面，因太阳质量变小，发光功率变小；另一方面，日地距离变大，引起辐射到地球表面的能量减小，导致地球表面温度变低．[点评] 该题集原子物理与力学为一体，立意新颖，将这一周而复始的自然用所学知识一步一步说明，是一道考查能力、体现素质的好题．四、变式迁移1、静止在匀强磁场中的23892U 核，发生。
衰变后生成Th 核，衰变后的α粒子速度方向垂直于磁场方向，则以下结论中正确的是( )①衰变方程可表示为：23892U →23490Th+42He②衰变后的Th 核和α粒子的轨迹是两个内切圆，轨道半径之比为1:45 ③Th 核和α粒子的动能之比为2:17④若α粒子转了117圈，则Th 核转了90圈A ．①③B ．②④C ①②D ．③④2．下列核反应或核衰变方程中，符号“X ”表示中子的是(A) X C He Be 1264294+→+ (B)X O He N +→+17842147(C)X H Pt n Hg ++→+112027810204802 (D)X Np U +→2399323992五、能力训练一、选择题1、下列关于原子结构和原子核的说法正确的是（）A 卢瑟福在α粒子散射实验的基础上提出了原子的核式结构15.5-3B 天然放射性元素在衰变过程中电荷数和质量数守恒，其放射线在磁场中不偏转的是γ射线C 据图15.3-3可知，原子核A裂变变成原子核B和C要放出核能D 据图15.3-3可知，原子核D和E聚变成原子核F要吸收核能2、当两个中子和两个质子结合成一个α粒子时，放出28.30MeV的能量，当三个α粒子结合成一个碳核时，放出7.26MeV的能量，则当6个中子和6个质子结合成一个碳核时，释放的能量约为( )A 21.04MeVB 35.56MeVC 77.64MeVD 92.16MeV3、下列说法正确的是A、太阳辐射的能量主要来自太阳内部的裂变反应B、卢瑟福的a粒子散射实验可以估算原子核的大小C、玻尔理论是依据a粒子散射实验分析得出的D、氢原子核外电子从半径较小的轨道跃迁到半径较大的轨道时，电子的动能减小，电势能增大，总能量增大4．中微子失踪之迷是一直困扰着科学家的问题。
原来中微子在离子开太阳向地球运动的过程中，发生“中微子振荡”，转化为一个μ子和一个τ子。
科学家通过对中微子观察和理论分析，终于弄清了中微子失踪的原因，成为“2001年世界十大科技突破”之一。
若中微子在运动中只转化为一个μ子和一个τ子，并已知μ子的运动方向与中微子原来的方向一致，则τ子的运动方向（）A 一定与中微子方向一致B一定与中微子方向相反 C 可能与中微子方向不在同一直线上 D 只能中微子方向在同一直线上5.在一定条件下，让质子获得足够大的速度，当两个质子p以相等的速率对心正碰，将发生下列反应：P+P→P+P+P+p其中p是P反质子(反质子与质子质量相等，均为m p，且带一个单位负电荷)，则以下关于该反应的说法正确的是A．反应前后系统总动量皆为0B．反应过程系统能量守恒C．根据爱因斯坦质能方程可知，反应前每个质子的能量最小为2m p c2：D．根据爱因斯坦质能方程可知，反应后单个质子的能量可能小于m p c26．用α粒子轰击铍核(94Be)，生成一个碳核(126C)和一个粒子，则该粒子( )(A)带正电，能在磁场中发生偏转（B)在任意方向的磁场中都不会发生偏转(C)电离本领特别强，是原子核的组成部分之一(D)用来轰击铀235可引起铀榱的裂变7.假设钚的同位素离子23994Pu静止在匀强磁场中，设离子沿与磁场垂直的方向放出α粒子后，变成铀的一个同位素离子，同时放出能量为E=0.09Mev的光子。