高中物理第五章原子核4_5核裂变与核聚变基本粒子课时练习含解析选择性必修3

核裂变与核聚变“基本”粒子
(25分钟·60分)
一、选择题(本题共6小题,每题6分,共36分)
1.核潜艇是以核反应堆为动力来源的潜艇,有一种核裂变方程为n→
X Sr+1n。

关于裂变反应及上述裂变反应产物,下列说法正确的是( )
A.裂变反应中亏损的质量变成了能量
B.裂变反应出现质量亏损导致质量数不守恒
C.X原子核中有54个中子
D.X原子核比铀核的比结合能大
【解析】选D。

在裂变反应中亏损的质量以能量的形式释放出来,不是亏损的质量变成了能量,
故A错误;裂变反应中,电荷数守恒、质量数守恒,故B错误;根据电荷数守恒知X的电荷数为
92-38=54,即质子数为54,根据质量数守恒X的质量数为235+1-94-10×1=132,故其中子数为
132-54=78,故C错误;中等核的比结合能较大,知X原子核比铀核的平均结合能大,故D正确。

2.在众多的裂变反应中,有一种反应方程为U n Ba+Kr+aX,其中X为某种粒
子,a为X的个数,则( ) A.X为中子,a=2 B.X为中子,a=3
C.X为质子,a=2
D.X为质子,a=3
【解析】选B。

由质量数、核电荷数守恒得U n Ba+Kr+n,所以X为中
子,a=3,故B正确。

3.(2020·全国Ⅱ卷)氘核H可通过一系列聚变反应释放能量,其总效果可用反应式
H He+H+n+43.15 MeV
表示。

海水中富含氘,已知1 kg海水中含有的氘核约为1.0×1022个,若全都发生聚变反应,其
释放的能量与质量为M的标准煤燃烧时释放的热量相等;已知1 kg标准煤燃烧释放的热量约
为2.9×107J,1 MeV= 1.6×10-13 J,则M约为( ) A.40 kg B.100 kg
C.400 kg
D.1 000 kg
【解析】选C。

6个氘核聚变可释放43.15 MeV能量,故1 kg海水中的氘核全部发生聚变释放
的能量为Q1=43.15×1.6×10-13×J,质量为M的标准煤燃烧释放的热量为
Q2=M×2.9×107 J,因Q1=Q2,解得M≈400 kg,C正确,A、B、D错误。

4.铀核裂变是核电站核能的重要来源,其一种裂变反应是
,下列说法正确的有( )
A.上述裂变反应中伴随着α粒子放出
B.铀块体积对链式反应的发生无影响
C.铀核的链式反应可人工控制
D.铀核的半衰期会受到环境温度的影响
【解析】选C。

由铀核反应方程知,没有α粒子产生,故A错误;铀块的体积必须达到临界体积
才能发生链式反应,故B错误;核反应堆的铀核链式反应的速度可人工控制,故C正确;放射性
元素的半衰期由核本身的因素决定,与环境温度无关,故D错误。

5.根据宇宙大爆炸的理论,在宇宙形成之初是“粒子家族”尽显风采的时期,那么在大爆炸之
后最早产生的粒子是( )
A.夸克、轻子、胶子等粒子
B.质子和中子等强子
C.光子、中微子和电子等轻子
D.氢核、氘核、氦核等轻核
【解析】选A。

宇宙形成之初产生了夸克、轻子和胶子等粒子,之后又经历了质子和中子等强
子时代,再之后是自由光子、中微子、电子大量存在的轻子时代,再之后是中子和质子组合成
氘核,并形成氦核的核合成时代,之后电子和质子复合成氢原子,最后形成恒星和星系,因此A
正确,B、C、D错误。

6.中国科学家吴宜灿获得2018年欧洲聚变核能创新奖,获奖理由:开发了一种新的基于CAD的
粒子传输软件,用于核设计和辐射安全计算。

下列关于聚变的说法中,正确的是( ) A.同样质量的物质裂变时释放的能量比同样质量的物质聚变时释放的能量大很多
B.裂变过程有质量亏损,聚变过程质量有所增加
C.核反应堆产生的能量来自轻核聚变
D.聚变反应每个核子释放的平均能量一定比裂变反应大
【解析】选D。

根据聚变与裂变的特点可知,同样质量的物质聚变时释放的能量比同样质量的物质裂变时释放的能量大很多,故A错误;裂变过程有质量亏损,聚变过程质量也亏损,故B错误;核反应堆产生的能量来自重核裂变,故C错误;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D正确。

二、非选择题(本题共2小题,共24分。

要有必要的文字说明和解题步骤,有数值计算的要标明单位)
7.(12分)裂变反应是目前核能利用中常用的反应,以原子核U为燃料的反应堆中,当
U俘获一个慢中子后发生的裂变反应可以有多种方式,其中一种可表示为
U + n →Xe +Sr + n
235.043 9 1.008 7 138.917 8 93.915 4
反应方程下方的数字是中子及有关原子的静止质量(以原子质量单位u为单位),已知1 u的质量对应的能量为9.3×102 MeV,此裂变反应释放出的能量是多少MeV?
【解析】此裂变反应的质量亏损为:
(235.043 9+1.008 7)u-(138.917 8+93.915 4+3×1.008 7)u=0.193 3 u
由1 u的质量对应的能量为9.3×102 MeV
ΔE=9.3×102×0.193 3 MeV≈1.80×102 MeV。

答案:1.80×102 MeV
【总结提升】裂变问题的分析方法
(1)对于裂变问题,要知道是什么原子核发生了裂变,写出原子核的裂变方程,应该注意裂变方程的质量数和电荷数守恒;更应该注意的是,原子核的裂变方程必须是能够实际发生的,不能随意编造,并不是所有满足质量数和电荷数守恒的方程都能发生。

(2)根据质能方程ΔE=Δmc2,由反应前后原子核的质量亏损,可以计算出一个原子核裂变时释放的能量。

(3)根据1原子质量单位(u)相当于931.5兆电子伏(MeV)能量计算,用核子结合成原子核时质
量亏损的原子质量单位乘以931.5 MeV,即ΔE=Δm×931.5 MeV。

(4)由每个铀核反应释放的核能乘以铀核个数求得E=ΔE每个×N A×。

8.(12分)科学家初步估计月球土壤中至少有100万吨“氦3”(即He),它是热核聚变的重要
原料。

如果月球开发成功,将为地球带来取之不尽的能源。

已知氦3核与氘核发生聚变反应有
质子流产生。

(1)写出核反应方程。

(2)若该反应中质量亏损为9.0×10-30 kg,且释放的能量全部转化为生成物的总动能。

试计算
生成物的总动能(聚变前粒子的动能可忽略不计)。

【解析】(1)核反应方程式为:
He H H He。

(2)核反应过程中质量亏损为Δm,
根据爱因斯坦质能方程ΔE=Δmc2,
可得释放的能量ΔE=9.0×10-30×(3×108)2 J=8.1×10-13 J。

答案:(1He H H He
(2)8.1×10-13 J
(15分钟·40分)
9.(7分)(多选)日本福岛第一核电站在地震后,数秒内就将控制棒插入核反应堆芯,终止了铀
的裂变链式反应。

但海啸摧毁了机组的冷却系统,因裂变遗留的产物铯、钡等继续衰变不断释
放能量,核燃料棒温度不断上升,对周边环境产生了巨大的危害。

则下列说法正确的是( )
A.控制棒通过吸收中子来实现对核反应的控制
B.日本后来向反应堆灌注海水,可以降温,但大量被污染的海水外泄,对周边环境产生了巨大
的危害
C.核裂变遗留物铯、钡等原子的质量可能比铀原子质量大
D.核泄漏中放射性物质对人类是有害的
【解析】选A、B、D。

控制棒通过吸收中子来实现对核反应速度的控制,选项A正确;日本后来
向反应堆灌注海水,大量被污染的海水外泄,泄漏的放射性物质对周边环境产生了巨大的危害,
选项B、D正确;因为核反应有能量释放,可知铯、钡等原子的质量比铀原子质量小,故C错误。

【补偿训练】
关于核反应堆中用镉棒控制反应速度的原理,下列说法正确的是( )
A.镉棒能释放中子,依靠释放中子的多少控制反应速度
B.用镉棒插入的多少控制快中子变为慢中子的数量
C.利用镉棒对中子吸收能力强的特点,依靠插入的多少控制中子数量
D.镉棒对铀核裂变有一种阻碍作用,利用其与铀的接触面积的大小控制反应速度
【解析】选C。

镉棒并不能释放中子,也不能使中子减速,对铀核裂变也没有阻碍作用,而是利
用其对中子吸收能力强的特点,通过控制中子数量的多少而控制核反应速度,故C正确。

10.(7分)(多选)在某核反应堆中,在铀棒()周围放置重水作为“慢化剂”,已知重水
的原子核质量是中子的20倍,中子与重水原子核每次碰撞都可看成是弹性碰撞,且每次碰撞前
重水原子核都可以认为是静止的。

则下列说法正确的是( )
A.铀棒周围放置“慢化剂”的目的是使中子减速
B. 裂变产生2～3个中子,这些中子再与其他发生核反应,会形成链式反应
C.中子与重水的原子核碰撞一次后速率为原来的
D.中子与重水的原子核碰撞10次后速率为原来的()10
【解析】选A、B、D。

铀235发生裂变的条件是有慢中子轰击,而核反应结束后的中子的速度
都比较快,所以铀棒周围放置“慢化剂”的目的是使中子减速,故A正确;根据产生链式反应的
条件,结合U裂变的特点可知, 裂变产生2～3个中子,这些中子再与其他
发生核反应,会形成链式反应,故B正确;中子与重水原子核每次碰撞都可看成是弹性
碰撞,选取中子运动的初速度v0的方向为正方向,设中子的质量为m,则由动量守恒定律
得:mv0=mv1+m s v s
由动能守恒得:m=m+m s
由于m s=20m
联立可得:v1=v0,故C错误;结合C选项的分析可知,每一次碰撞后,中子的速度都变成碰撞前
的,所以中子与重水的原子核碰撞10次后速率为原来的()10,故D正确。

11.(7分)(多选)下列叙述正确的是( )
A.强子是参与强相互作用的粒子
B.轻子是不参与强相互作用的粒子
C.目前发现的轻子只有8种
D.夸克有6种,它们带的电荷量分别为元电荷的+或-
【解析】选A、B、D。

由三类粒子的特性可知A、B正确;而目前发现的轻子只有6种,C错误;
夸克模型经过几十年的发展,已知夸克有6种,它们带的电荷分别为元电荷的+或-,D正确。

12.(19分)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。

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。

若已知氘原子的质量为2.014 1 u,氚原子的质量为3.016 2 u,氦原子的质量为4.002 6 u,
中子的质量为1.008 7 u,
1 u=1.66×10-27 kg。

(1)写出氘和氚聚变的反应方程。

(2)试计算这个核反应释放出来的能量。

(3)若建一座功率为3.0×105 kW的核聚变电站,假设聚变所产生的能量有一半转化成了电能,
求每年要消耗的氘的质量。

(一年按3.2×107 s计算,光速c=3.0× 108 m/s,结果保留两位有
效数字)
【解析】(1H H He n
(2)根据爱因斯坦质能方程得ΔE=Δmc2=(2.014 1+3.016 2-4.002 6-1.008 7)×1.66×10-27×
(3.0×108)2 J≈2.8×10-12 J
(3)每个氘原子质量
m D=2.0141×1.66×10-27 kg=3.34×10-27 kg
核聚变电站产生的电能Pt=η·ΔE 则m=·m D
代入数据得m≈23 kg。

答案:(1H H He n
(2)2.8×10-12 J (3)23 kg。