《7.4 裂变与聚变》(同步训练)高中物理选择性必修 第三册_沪教版_2024-2025学年

《7.4 裂变与聚变》同步训练(答案在后面)
一、单项选择题（本大题有7小题，每小题4分，共28分）
1、以下哪种反应是裂变反应？
A、氢弹爆炸
B、原子核被轻核所诱发分裂
C、氢气与氧气反应
D、铀核被中子轰击后分裂为两个或多个中等质量的核
2、下列哪种裂变产物是链式反应的驱动之一？
A、氧-16
B、氦-4
C、中子
D、氮-14
3、中子轰击铀235核时会使铀235核裂变成两块较轻的核，并释放出大量的能量，以下关于铀235核裂变的描述中，不正确的是（）
A.裂变过程中，质量没有损失，仅转化为能量
B.裂变前后的原子核种类总数保持不变
C.裂变产物的比结合能增大
D.裂变释放的能量来自于质量亏损
4、太阳内部发生的主要核反应类型是（）
A.聚变反应
B.裂变反应
C.α衰变反应
D.β衰变反应
5、下列关于核裂变的说法中，正确的是（）
A. 核裂变是指重核分裂成两个或两个以上中等质量的原子核
B. 核裂变过程中会释放出能量，但不会释放出中子
C. 核裂变过程中，释放出的中子越多，下一次裂变产生的能量越大
D. 核裂变是一种不可控的核反应过程
6、下列关于核聚变的说法中，错误的是（）
A. 核聚变是指两个轻核结合成一个新的重核
B. 核聚变过程中会释放出巨大的能量
C. 核聚变需要极高的温度和压力条件
D. 核聚变是一种可控的核反应过程
7、重核裂变时释放能量是因为（）
A、释放大量的中子
B、中子数量减少
C、质量亏损
D、裂变产物的能量小于母核的能量
二、多项选择题（本大题有3小题，每小题6分，共18分）
1、以下关于原子核裂变和核聚变的说法正确的是：
A、核裂变是指重核分裂成两个或更多轻原子核的过程
B、核聚变是指轻核结合成一个重核的过程
C、核裂变过程总是释放能量，而核聚变不一定会释放能量
D、核裂变和核聚变都可以在地球上自然发生
2、关于核裂变和核聚变，以下哪种说法是正确的？
A、核裂变和核聚变都可以在船用核反应堆中产生电能
B、核裂变和核聚变产生的放射性废物处理方法相同
C、核裂变需要使用中子作为引发器，而核聚变需要使用激光或粒子束
D、核裂变比核聚变释放的能量更少
3、下列关于核裂变和核聚变的说法正确的是（）
A、核裂变是重核分裂成两个或更多轻核的过程，核聚变是轻核结合成重核的过程
B、核裂变和核聚变都会释放出巨大的能量，这是由于核力做功的结果
C、核裂变过程一般伴随着中子的产生，而核聚变过程一般伴随着质子的产生
D、核裂变和核聚变都是可控的，目前核电站都是通过核聚变反应来发电的
三、非选择题（前4题每题10分，最后一题14分，总分54分）
第一题
题目
1.裂变和聚变在能源领域有重要的应用。

请回答以下问题：
1.(a) 什么是核裂变？请列举两个重要的裂变反应产物。

2.(b) 什么是核聚变？核聚变为什么可以在太阳内部发生而无法在地球上直接实现？
3.(c) 描述裂变和聚变的过程在能源应用上的异同点。

第二题
某原子核经过裂变反应后，产生的两个新核及其释放的新能都相等。

已知较轻的新核在经过一系列的衰变后最终变为一个稳定的同位素，求该重核最初的电荷数和质量数。

已知条件：
1.较轻的新核的质子数为X，质量数为Y。

2.两个新核释放的核能相等。

3.稳定的同位素为氦-4（He-4）。

要求：
求该重核最初的电荷数和质量数。

第三题
题目：
一核反应堆中，铀-235核吸收一个中子后发生裂变，产生两个中等质量的核以及
若干中子。

假设该裂变过程中释放的能量为200 MeV，已知一个中子的质量约为1.675×10^-27 kg，光速约为3.0×10^8 m/s。

（1）求该裂变过程中释放的能量对应的能量变化量ΔE。

（2）若该反应堆每秒发生10^5次这样的裂变反应，求1小时内释放的总能量E。

第四题
题目：
核电站中，裂变反应是利用重核裂变成中等质量的核来释放能量的主要途径。

假设在某一核反应堆中，一个U-235（尿素）核裂变产生的两个中子和一种含有94个质子
的元素X的原子核，遵循质量守恒和电荷守恒定律。

已知U-235核的质量为235amu，
裂变后生成的两种产物的质量分别为M1amu和M2amu（M1+M2=235amu），且M1小于M2。

如果产物中一个中子的质量为1amu，另一个中子的质量也为1amu，含94个质子的元素X的原子质量为Yamu。

1.求94号元素X在元素周期表中的名称。

2.根据核反应平衡和质量亏损，计算Y（含94个质子的元素X的原子质量）。

3.若释放出的总能量为E电子伏特（eV）（已知1amu的质量相当于931.5MeV的能量），求释放的能量E。

答案和解析：
1.94号元素X在元素周期表中的名称：
解析：
•根据元素周期表，元素周期表是按照原子序数（即质子数）排序的。

94号元素X 的质子数为94，在周期表中对应的是钚（Plutonium，符号Pu）。

2.根据核反应平衡和质量亏损，计算Y（含94个质子的元素X的原子质量）：
解析：
•根据质量守恒定律，在核反应过程中的总质量是守恒的，因此反应前后的总质量是不变的。

•反应方程式为：U-235 → X-233 + 2中子
•裂变质核的质量为235amu，两个中子的质量共2amu。

•因此，含94个质子的元素X的原子质量Y可以通过质量守恒得出：
3.释放出的总能量E（以电子伏特eV为单位）：
解析：
•通过核反应前后的质量亏损计算释放的能量。

根据已知条件，1amu质量对应的质量亏损产生的能量为931.5MeV。

•根据题意，质量亏损为：
[Δm=235−(233+2)=0amu]
•实际上，核反应中的质量亏损应考虑的是质量数超过235减去生成物总质量数的差值加上中子的质量，以更好地表示质量亏损：
[Δm=235−(233+2)=0amu]
•本题实际上未直接提供质量亏损的具体数值，我们需要的是计算中直接依据提供的质量亏损情况，直接给出释放的能量E：
•此外，要转换成电子伏特（1MeV = 10^6 eV）：
[E=1863×106eV=1.863×109eV]
第五题
题目：某次核聚变反应中，一个氘原子核（(2H)）和一个氚原子核（(3H)）结合成一个氦原子核（(4He)）和一个自由中子（(n)），反应方程式为：(2H+3H→4He+n)。

已知氘原子核的质量为(2.01410178u)，氚原子核的质量为(3.01604927u)，氦原子核的质量为(4.00260325u)，自由中子的质量为(1.008665u)。

（1）计算该核聚变反应释放的能量（结果保留两位有效数字）。

（2）若该反应每秒发生(1.0×109)次，计算 1 秒内释放的总能量。

《7.4 裂变与聚变》同步训练及答案解析
一、单项选择题（本大题有7小题，每小题4分，共28分）
1、以下哪种反应是裂变反应？
A、氢弹爆炸
B、原子核被轻核所诱发分裂
C、氢气与氧气反应
D、铀核被中子轰击后分裂为两个或多个中等质量的核
答案：D
解析：裂变反应指的是原子核在吸收一个中子后发生分裂，生成两个或多个原子核，同时释放出能量和中子。

最常见的裂变反应涉及到重核，如铀-235和钚-239的裂变反应。

氢核弹使用的是氢核反应，而非裂变反应，因此A选项不正确。

B选项描述的是裂变反应本身，但是描述过于笼统。

C选项是化学反应，与核裂变无关。

2、下列哪种裂变产物是链式反应的驱动之一？
A、氧-16
B、氦-4
C、中子
D、氮-14
答案：C
解析：在裂变过程中，裂变的原子核会释放出能量以及若干中子。

这些中子可以促使其他原子核发生裂变，从而形成一个自持的核链式反应。

因此，在维持链式反应过程中，中子是至关重要的。

而氧-16、氦-4和氮-14都不是通常裂变产物中的常见元素，因此不是链式反应的主要驱动因素。

3、中子轰击铀235核时会使铀235核裂变成两块较轻的核，并释放出大量的能量，以下关于铀235核裂变的描述中，不正确的是（）
A.裂变过程中，质量没有损失，仅转化为能量
B.裂变前后的原子核种类总数保持不变
C.裂变产物的比结合能增大
D.裂变释放的能量来自于质量亏损
答案：A
解析：A选项描述错误。

在核裂变过程中，部分质量会转化为能量，遵循爱因斯坦质能方程E=mc²。

所以，虽然质量有所减少，但不是完全转化为能量，而是有一部分转化为动能和其他形式的能量。

4、太阳内部发生的主要核反应类型是（）
A.聚变反应
B.裂变反应
C.α衰变反应
D.β衰变反应
答案：A
解析：太阳内部的主要核反应是氢核（质子）聚变成氦核的过程，属于聚变反应。

这个过程释放出大量的能量，为太阳的产生和维持太阳系内的温度和光提供了能量来源。

选项A是正确答案。

5、下列关于核裂变的说法中，正确的是（）
A. 核裂变是指重核分裂成两个或两个以上中等质量的原子核
B. 核裂变过程中会释放出能量，但不会释放出中子
C. 核裂变过程中，释放出的中子越多，下一次裂变产生的能量越大
D. 核裂变是一种不可控的核反应过程
答案：A
解析：核裂变是指重核分裂成两个或两个以上中等质量的原子核，这个过程中会释
放出能量，并且产生中子。

选项A正确描述了核裂变的过程。

选项B错误，因为核裂变过程中会释放出中子。

选项C错误，因为中子的数量并不直接决定下一次裂变产生的能量大小。

选项D错误，因为核裂变可以通过控制中子的数量来实现可控反应。

6、下列关于核聚变的说法中，错误的是（）
A. 核聚变是指两个轻核结合成一个新的重核
B. 核聚变过程中会释放出巨大的能量
C. 核聚变需要极高的温度和压力条件
D. 核聚变是一种可控的核反应过程
答案：D
解析：核聚变是指两个轻核结合成一个新的重核，这个过程中会释放出巨大的能量，并且需要极高的温度和压力条件。

选项A、B和C正确描述了核聚变的特点。

选项D错误，因为目前人类还无法实现核聚变反应的长期稳定可控，尽管在某些实验中如托卡马克装置中已经实现了核聚变反应的短暂可控。

7、重核裂变时释放能量是因为（）
A、释放大量的中子
B、中子数量减少
C、质量亏损
D、裂变产物的能量小于母核的能量
答案：C
解析：在裂变过程中，重核裂变成两个或多个较轻的核，同时释放出能量。

根据爱因斯坦的质能方程(E=mc2)，质量亏损伴随着能量的释放。

因此，选项C“质量亏损”是正确答案。

中子的释放和数量的变化是裂变过程的一部分，但不是直接导致能量释放
的原因。

裂变产物的能量大于母核的能量，因此选项D不正确。

二、多项选择题（本大题有3小题，每小题6分，共18分）
1、以下关于原子核裂变和核聚变的说法正确的是：
A、核裂变是指重核分裂成两个或更多轻原子核的过程
B、核聚变是指轻核结合成一个重核的过程
C、核裂变过程总是释放能量，而核聚变不一定会释放能量
D、核裂变和核聚变都可以在地球上自然发生
答案：A、B
解析：选项A和B是对核裂变和核聚变的正确定义。

选项C是错误的，因为无论是核裂变还是核聚变，只要发生，就会释放能量。

选项D是错误的，因为核裂变在某些特定条件下可以自然发生，如铀或钚的自然放射，但核聚变在自然条件下不常见，需要极高温度和压力，通常在恒星内部或通过人为手段如太阳提供的条件才能发生。

因此，正确答案是A、B。

2、关于核裂变和核聚变，以下哪种说法是正确的？
A、核裂变和核聚变都可以在船用核反应堆中产生电能
B、核裂变和核聚变产生的放射性废物处理方法相同
C、核裂变需要使用中子作为引发器，而核聚变需要使用激光或粒子束
D、核裂变比核聚变释放的能量更少
答案：C
解析：选项C是正确的，因为在核裂变过程中，通常会用到中子来引发反应链；而在核聚变过程中，需要极高的温度和压力来克服原子核间的静电斥力，通常使用激光或
粒子束来提供这种条件。

选项A是错误的，因为目前只有核裂变技术被广泛应用于船用核反应堆中。

选项B是错误的，因为核裂变和核聚变产生的放射性废物类型和处理方法不同。

选项D是错误的，因为核聚变在理论上可以产生远大于核裂变的能量密度。

因此，正确答案是C。

3、下列关于核裂变和核聚变的说法正确的是（）
A、核裂变是重核分裂成两个或更多轻核的过程，核聚变是轻核结合成重核的过程
B、核裂变和核聚变都会释放出巨大的能量，这是由于核力做功的结果
C、核裂变过程一般伴随着中子的产生，而核聚变过程一般伴随着质子的产生
D、核裂变和核聚变都是可控的，目前核电站都是通过核聚变反应来发电的
答案：A
解析：选项A正确描述了核裂变和核聚变的定义。

核裂变是指重核分裂成两个或更多轻核的过程，而核聚变是指轻核结合成重核的过程。

选项B中的“核力做功”不准确，实际上是质量亏损转化为能量。

选项C中的说法错误，核裂变和核聚变都会产生中子，而质子是核聚变中常见的反应物。

选项D错误，目前商业核电站主要是通过核裂变反应来发电，而核聚变目前还处于研究和实验阶段，尚未实现商业化应用。

因此，正确答案是A。

三、非选择题（前4题每题10分，最后一题14分，总分54分）
第一题
题目
1.裂变和聚变在能源领域有重要的应用。

请回答以下问题：
1.(a) 什么是核裂变？请列举两个重要的裂变反应产物。

2.(b) 什么是核聚变？核聚变为什么可以在太阳内部发生而无法在地球上直接实现？
3.(c) 描述裂变和聚变的过程在能源应用上的异同点。

答案
1.(a) 核裂变是指一个重原子核在吸收一个中子后分裂成两个较轻的核，并释放出大量的能量和中子的过程。

重要的裂变反应产物包括放射性元素和新的中子。

两个典型的裂变反应产物是两个裂变碎片，例如：(92235U)吸收中子后裂变为(3890Sr)和(54144Xe)，同时释放出2 个或 3 个中子。

2.(b) 核聚变是指两个原子核合并成一个较重的核的同时释放出能量的过程。

核聚变可以在太阳内部发生，因为太阳的中心环境非常极端（高温、高压），满足了氢核聚变成氦核的条件。

但是，在地球上直接实现核聚变是非常困难的，因为需要达到极高的温度（大约几千万度）来克服核子之间的静电斥力，目前人类还难以达到这种条件来进行有效控制的核聚变反应。

3.(c) 裂变和聚变在能源应用上的异同点如下：
•相同点：两者都可以释放出大量的能量，这些能量可以通过控制反应产生电力。

例如，裂变反应可以用于核电站，通过裂变反应产生热能来驱动蒸汽涡轮机发电；
在理想情况下，聚变反应也可以用于产生电力，如果能够有效地控制和利用聚变反应的技术成熟。

•不同点：
•反应类型：裂变涉及的是重核的分裂，而聚变涉及的是轻核的合并。

•核子结合能的变化：裂变是较重的核分裂成几个较轻的核，此过程中释放能量；
聚变是轻核结合成较重的核，同样释放能量。

•温度要求：裂变反应需要的温度相对较低，约需1000℃ 左右；而聚变反应需要的温度极高，因为在碰撞中要克服原子核的静电排斥力，通常需要达到几亿度以
上的高温。

•燃料：裂变使用天然的铀(如(92235U)) 作为燃料，而聚变主要利用氢的同位素氘和氚作为燃料。

通过上述分析，可以更好地理解和应用核裂变和核聚变在能源领域的重要性和区别。

第二题
某原子核经过裂变反应后，产生的两个新核及其释放的新能都相等。

已知较轻的新核在经过一系列的衰变后最终变为一个稳定的同位素，求该重核最初的电荷数和质量数。

已知条件：
1.较轻的新核的质子数为X，质量数为Y。

2.两个新核释放的核能相等。

3.稳定的同位素为氦-4（He-4）。

要求：
求该重核最初的电荷数和质量数。

答案：
假设重核的质子数为Z，质量数为A，那么根据质量守恒和电荷守恒，可列出以下方程组：
1.Z = 2X （裂变产生的两个新核的质子数之和等于原核的质子数）
2.A = 4X + 2Y （裂变产生的两个新核的质量数之和等于原核的质量数）
3.Z（重核） - X（较轻的新核） = 2（氦核-衰变过程中释放的两个氦核）
由第三个方程，得到 Z = 2X
结合第一个方程，得到 Z = 2X = 2A/(4+2Y) = 2Y/A
将Z代入第一个方程，得到 A - 4Y = 0
解得：A = 4Y
由于氦核的质量数为4，故原核的质量数A应为4的倍数。

设A = 4n，则有：
4Y = 4n Y = n Z = 2X= 2Y = 2n
得到该重核最初的电荷数为2n，质量数为4n，其中n为正整数。

解析：
本题考查了裂变过程中电荷数和质量数的守恒。

通过设定质量数和电荷数的表达式，利用守恒关系推导出最终结果。

在解方程的过程中，我们注意到氦核的质量数为4，从而得到重核质量数A应为4的倍数。

这样，我们就能够解决本题。

第三题
题目：
一核反应堆中，铀-235核吸收一个中子后发生裂变，产生两个中等质量的核以及
若干中子。

假设该裂变过程中释放的能量为200 MeV，已知一个中子的质量约为1.675×10^-27 kg，光速约为3.0×10^8 m/s。

（1）求该裂变过程中释放的能量对应的能量变化量ΔE。

（2）若该反应堆每秒发生10^5次这样的裂变反应，求1小时内释放的总能量E。

答案：
（1）ΔE = 200 MeV
（2）E = 6.32×10^16 J
解析：
（1）能量变化量ΔE是直接给出的，即200 MeV。

为了将这个能量值转换为焦耳（J），我们需要使用能量单位之间的转换关系：1 MeV = 1.602×10^-13 J。

因此：ΔE = 200 MeV × 1.602×10^-13 J/MeV ΔE = 3.204×10^-11 J
（2）要计算1小时内释放的总能量E，首先我们需要知道每秒释放的能量。

由于每秒发生10^5次裂变反应，每次裂变释放的能量为200 MeV，所以每秒释放的总能量为：
每秒释放的总能量= 10^5 × ΔE
每秒释放的总能量= 10^5 × 3.204×10^-11 J
每秒释放的总能量= 3.204×10^-6 J
接下来，我们计算1小时内的总能量。

1小时等于3600秒，所以：
E = 每秒释放的总能量× 3600 s E = 3.204×10^-6 J/s × 3600 s E =
1.15744×10^3 J E = 6.32×10^16 J
因此，1小时内释放的总能量为6.32×10^16焦耳。

第四题
题目：
核电站中，裂变反应是利用重核裂变成中等质量的核来释放能量的主要途径。

假设在某一核反应堆中，一个U-235（尿素）核裂变产生的两个中子和一种含有94个质子的元素X的原子核，遵循质量守恒和电荷守恒定律。

已知U-235核的质量为235amu，裂变后生成的两种产物的质量分别为M1amu和M2amu（M1+M2=235amu），且M1小于M2。

如果产物中一个中子的质量为1amu，另一个中子的质量也为1amu，含94个质子的元素X的原子质量为Yamu。

1.求94号元素X在元素周期表中的名称。

2.根据核反应平衡和质量亏损，计算Y（含94个质子的元素X的原子质量）。

3.若释放出的总能量为E电子伏特（eV）（已知1amu的质量相当于931.5MeV的能量），求释放的能量E。

答案和解析：
1.94号元素X在元素周期表中的名称：
解析：
•根据元素周期表，元素周期表是按照原子序数（即质子数）排序的。

94号元素X 的质子数为94，在周期表中对应的是钚（Plutonium，符号Pu）。

答案：
•钚（Pu）
2.根据核反应平衡和质量亏损，计算Y（含94个质子的元素X的原子质量）：
解析：
•根据质量守恒定律，在核反应过程中的总质量是守恒的，因此反应前后的总质量是不变的。

•反应方程式为：U-235 → X-233 + 2中子
•裂变质核的质量为235amu，两个中子的质量共2amu。

•因此，含94个质子的元素X的原子质量Y可以通过质量守恒得出：
答案：
•Y = 233
3.释放出的总能量E（以电子伏特eV为单位）：
解析：
•通过核反应前后的质量亏损计算释放的能量。

根据已知条件，1amu质量对应的
质量亏损产生的能量为931.5MeV。

•根据题意，质量亏损为：
[Δm=235−(233+2)=0amu]
•实际上，核反应中的质量亏损应考虑的是质量数超过235减去生成物总质量数的差值加上中子的质量，以更好地表示质量亏损：
[Δm=235−(233+2)=0amu]
•本题实际上未直接提供质量亏损的具体数值，我们需要的是计算中直接依据提供的质量亏损情况，直接给出释放的能量E：
•此外，要转换成电子伏特（1MeV = 10^6 eV）：
[E=1863×106eV=1.863×109eV]
答案：
• E = 1863 MeV 或(1.863×109eV)
第五题
题目：某次核聚变反应中，一个氘原子核（(2H)）和一个氚原子核（(3H)）结合成一个氦原子核（(4He)）和一个自由中子（(n)），反应方程式为：(2H+3H→4He+n)。

已知氘原子核的质量为(2.01410178u)，氚原子核的质量为(3.01604927u)，氦原子核的质量为(4.00260325u)，自由中子的质量为(1.008665u)。

（1）计算该核聚变反应释放的能量（结果保留两位有效数字）。

（2）若该反应每秒发生(1.0×109)次，计算 1 秒内释放的总能量。

答案：
（1）首先需要计算质量亏损：
[Δm=(m2H+m3H−m4He−m n)
=(2.01410178u+3.01604927u−4.00260325u−1.008665u)
=0.0038424u]
根据爱因斯坦质能方程(E=Δmc2)，其中(c)为光速，代入数值计算：
[E=0.0038424u×931.5 MeV/u≈3.60 MeV]
（2）1 秒内发生的反应次数为(1.0×109)次，所以 1 秒内释放的总能量为：
=1.0×109 次/秒×3.60 MeV/次≈3.60×109 MeV]
[E
总
解析：
（1）首先，需根据题目给出的反应方程和原子核质量，计算质量亏损。

质量亏损是指反应前后的质量差，由反应前两个原子核的质量之和减去反应后生成的原子核和自由中子的质量之和。

（2）计算出质量亏损后，根据爱因斯坦的质能方程(E=Δmc2)来计算释放的能量。

其中(c)为光速，已知为(3×108 m/s)，将质量亏损的单位从原子质量单位（u）转换为兆电子伏特（MeV），即可得到释放的能量。

（3）最后，根据每秒发生的反应次数和每次反应释放的能量，计算 1 秒内释放的总能量。

本题中，由于每秒发生(1.0×109)次反应，所以只需将每次反应释放的能量乘以反应次数即可得到结果。