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人教版 (2019)选择性必修 第三册4 核裂变与核聚变学案
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这是一份人教版 (2019)选择性必修 第三册4 核裂变与核聚变学案，共14页。
一、核裂变的发现
1．核裂变：铀核在被中子轰击后分裂成两块质量差不多的碎块，这类核反应定名为核裂变．
2．铀核裂变
用中子轰击铀核时，铀核发生裂变，其产物是多种多样的，其中一种典型的反应是eq \\al(235, 92)U＋
eq \\al(1,0)n→eq \\al(144, 56)Ba＋eq \\al(89,36)Kr＋3eq \\al(1,0)n.
3．链式反应
中子轰击重核发生裂变后，裂变释放的中子继续与其他重核发生反应，引起新的核裂变，使核裂变反应一代接一代继续下去，这样的过程叫作核裂变的链式反应．
4．临界体积和临界质量：核裂变物质能够发生链式反应的最小体积叫作它的临界体积，相应的质量叫作临界质量．
二、反应堆与核电站
1．核电站：利用核能发电，它的核心设施是反应堆，它主要由以下几部分组成：
(1)燃料：铀棒．
(2)慢化剂：石墨、重水和普通水(也叫轻水)．
(3)控制棒：为了调节中子数目以控制反应速度，还需要在铀棒之间插进一些镉棒，它吸收中子的能力很强，当反应过于激烈时，将镉棒插入深一些，让它多吸收一些中子，链式反应的速度就会慢一些，这种镉棒叫作控制棒．
2．工作原理
核燃料发生核裂变释放的能量使反应区温度升高，水或液态的金属钠等流体在反应堆内外循环流动，把反应堆内的热量传输出去，用于发电，同时也使反应堆冷却．
3．核污染的处理
在反应堆的外面需要修建很厚的水泥层，用来屏蔽裂变产物放出的各种射线．核废料具有很强的放射性，需要装入特制的容器，深埋地下．
三、核聚变
1．定义：两个轻核结合成质量较大的核，这样的核反应叫作核聚变．
2．核反应方程：eq \\al(2,1)H＋eq \\al(3,1)H→eq \\al(4,2)He＋eq \\al(1,0)n＋17.6 MeV.
3．条件：使轻核的距离达到10－15 m以内．
方法：加热到很高的温度．
4．宇宙中的核聚变：太阳能是太阳内部的氢核聚变成氦核释放的核能．
5．人工热核反应：氢弹．首先由化学炸药引爆原子弹，再由原子弹爆炸产生的高温高压引发热核爆炸．
6．核聚变与核裂变的比较
(1)优点：①轻核聚变产能效率高；②地球上核聚变燃料氘和氚的储量丰富；③轻核聚变更为安全、清洁．
(2)缺点：核聚变需要的温度太高，地球上没有任何容器能够经受如此高的温度．
解决方案：磁约束和惯性约束．
1．判断下列说法的正误．
(1)铀块的质量大于或等于临界质量时链式反应才能不停地进行下去．( √ )
(2)中子的速度越快，越容易发生铀核裂变．( × )
(3)核聚变反应中平均每个核子放出的能量比裂变时小一些．( × )
(4)核聚变主要用在核武器上，那就是原子弹．( × )
2．下面是铀核裂变反应中的一个：eq \\al(235, 92)U＋eq \\al(1,0)n→eq \\al(136, 54)Xe＋eq \\al(90,38)Sr＋10eq \\al(1,0)n.已知铀235的质量为
235.043 9 u，中子质量为1.008 7 u，氙136的质量为135.907 2 u，锶90的质量为89.907 7 u，则此核反应中释放的总能量是多少？(1 u相当于931.5 MeV的能量)
答案 140.4 MeV
解析 释放的总能量为ΔE＝(235.043 9＋1.008 7－135.907 2－89.907 7－10×1.008 7)×
931.5 MeV≈140.4 MeV.
一、核裂变及链式反应
导学探究
如图1为铀核裂变示意图．
图1
(1)铀核裂变是如何发生的？试写出一种铀核裂变的核反应方程．
(2)只要有中子轰击铀块就可以产生链式反应吗？
答案 (1)当中子进入铀235后，便形成了处于激发状态的复核，复核中由于核子的激烈运动，使核变成不规则的形状．核子间的距离增大，因而核力迅速减弱，使得原子核由于质子间的斥力作用而分裂成几块，同时放出中子，这些中子又引起其他铀核裂变，这样，裂变反应一代接一代继续下去，形成链式反应．
eq \\al(235, 92)U＋eq \\al(1,0)n→eq \\al(144, 56)Ba＋eq \\al(89,36)Kr＋3eq \\al(1,0)n
(2)不是，铀块体积还须大于或等于临界体积．
知识深化
1．典型的裂变方程
(1)eq \\al(235, 92)U＋eq \\al(1,0)n→eq \\al(139, 54)Xe＋eq \\al(95,38)Sr＋2eq \\al(1,0)n
(2)eq \\al(235, 92)U＋eq \\al(1,0)n→eq \\al(144, 56)Ba＋eq \\al(89,36)Kr＋3eq \\al(1,0)n
2．核能的释放
由于重核的核子的平均质量大于中等质量原子核的核子的平均质量，因此，铀核裂变为中等质量的原子核时，会发生质量亏损，释放核能．
3．链式反应发生的条件
(1)铀块的体积大于或等于临界体积．
(2)有足够浓度的铀235.
(3)有足够数量的慢中子．
4．裂变反应的能量大小
铀核裂变为中等质量的原子核，发生质量亏损，所以放出能量．一个铀235核裂变时释放的能量如果按200 MeV估算，1 kg铀235 全部裂变放出的能量相当于2 800 t标准煤完全燃烧时释放的能量，裂变时能产生几百万度的高温．
命题角度1 对裂变的理解
关于重核的裂变，以下说法正确的是( )
A．核裂变释放的能量等于它俘获中子时得到的能量
B．中子从铀块中通过时，一定发生链式反应
C．重核裂变释放出大量能量，产生明显的质量亏损，所以核子数要减少
D．由于重核的核子平均质量大于中等质量核的核子平均质量，所以重核裂变为中等质量的核时，要发生质量亏损，放出核能
答案 D
解析 根据重核发生裂变的条件和裂变放能的原理分析可知，裂变时因铀核俘获中子发生核反应，是核能转化为其他形式能的过程，其释放的能量远大于其俘获中子时吸收的能量，链式反应是有条件的，即铀块的体积必须大于或等于其临界体积，如果体积小，中子从铀块中穿过，碰不到原子核，则链式反应不会发生，在裂变反应中核子数是不会减少的，故选D.
命题角度2 裂变产生核能的计算
铀核裂变的许多核反应中的其中一个是eq \\al(235, 92)U＋eq \\al(1,0)n→eq \\al(141, 56)Ba＋eq \\al(92,36)Kr＋3eq \\al(1,0)n.
(1)试计算一个铀235原子核裂变后释放的能量(eq \\al(235, 92)U、eq \\al(141, 56)Ba、eq \\al(92,36)Kr、eq \\al(1,0)n的质量分别为
235.043 9 u、140.913 9 u、91.897 3 u、1.008 7 u,1 u相当于931.5 MeV能量)；
(2)1 kg铀235原子核发生上述裂变时能放出多少核能？这相当于完全燃烧多少煤释放的能量？(煤的热值为2.94×107 J/kg)
答案 (1)200.6 MeV (2)5.14×1026MeV 相当于完全燃烧2 797.3 t煤
解析 (1)裂变反应的质量亏损为
Δm＝(235.043 9＋1.008 7－140.913 9－91.897 3－3×1.008 7) u＝0.215 3 u.
一个铀235原子核裂变后释放的能量为
ΔE＝0.215 3×931.5 MeV≈200.6 MeV.
(2)1 kg铀235原子核中含原子核的个数为
N＝eq \f(103,235)×6.02×1023≈2.56×1024个，
1 kg铀235原子核发生裂变时释放的总能量
ΔEN＝N·ΔE＝2.56×1024×200.6 MeV≈5.14×1026 MeV.
设完全燃烧的煤的质量为m，
有ΔEN＝qm，
所以m＝eq \f(ΔEN,q)＝eq \f(5.14×1026×106×1.6×10－19,2.94×107) kg≈2 797.3 t
二、核电站
1．核电站的主要部件及作用
2.核电站发电的优点
(1)消耗的核燃料少．
(2)作为核燃料的铀、钍等在地球上可采用储量大，所能提供的能量大．
(3)对环境的污染要比火力发电小．
如图2是慢中子反应堆的示意图，下列对该反应堆的说法正确的是( )
图2
A．铀235容易吸收快中子后发生裂变反应
B．快中子跟慢化剂的原子核碰撞后能量减少，变成慢中子，慢中子容易被铀235俘获而引起裂变反应
C．控制棒由镉做成，当反应过于激烈时，使控制棒插入浅一些，让它少吸收一些中子，链式反应的速度就会慢一些
D．要使裂变反应更激烈一些，应使控制棒插入深一些，使大量快中子碰撞控制棒后变成慢中子，链式反应的速度就会快一些
答案 B
解析 快中子容易与铀235“擦肩而过”，快中子跟慢化剂的原子核碰撞后能量减少，变成慢中子，慢中子容易被铀235俘获而引起裂变反应，A错误，B正确；控制棒由镉做成，镉吸收中子的能力很强，当反应过于激烈时，使控制棒插入深一些，让它多吸收一些中子，链式反应的速度就会慢一些，C、D错误．
三、核聚变
导学探究
为什么实现核聚变要使聚变的燃料加热到几百万开尔文的高温？
答案 轻核的聚变反应，是较轻的核子结合成较重的核子，要使得核子的强相互作用发挥作用，必须使核子间的距离达到10－15 m以内；同时由于在此距离时原子核之间的库仑斥力巨大，因而需要核子有很大的动能，表现在宏观上就是核燃料需要达到极高的温度．
知识深化
1．聚变发生的条件：要使轻核发生聚变，必须使轻核间的距离达到核力发生作用的距离
10－15 m以内，这要克服原子核间巨大的库仑斥力作用，使轻核具有足够大的动能．要使原子核具有足够大的动能，有一种方法就是给它们加热，使物质达到几百万开尔文的高温．
2．轻核聚变是放能反应：从比结合能的图线看，轻核聚变后比结合能增加，因此聚变反应是一个放能反应．
3．聚变方程
eq \\al(2,1)H＋eq \\al(3,1)H→eq \\al(4,2)He＋eq \\al(1,0)n＋17.6 MeV.
4．重核裂变与轻核聚变的区别
命题角度1 对聚变的理解
(多选)(2019·天津卷)我国核聚变反应研究大科学装置“人造太阳”(如图3)2018年获得重大突破，等离子体中心电子温度首次达到1亿摄氏度，为人类开发利用核聚变能源奠定了重要的技术基础．下列关于聚变的说法正确的是( )
图3
A．核聚变比核裂变更为安全、清洁
B．任何两个原子核都可以发生聚变
C．两个轻核结合成质量较大的核，总质量较聚变前增加
D．两个轻核结合成质量较大的核，核子的比结合能增加
答案 AD
解析 与核裂变相比轻核聚变更为安全、清洁，A正确；自然界中最容易发现的聚变反应是氢的同位素氘与氚的聚变，不是任意两个原子核都能发生核聚变，B错误；两个轻核发生聚变结合成质量较大的核时，放出巨大的能量，根据E＝mc2可知，聚变反应中存在质量亏损，则总质量较聚变前减少，C错误；两个轻核结合成质量较大的核的过程中要释放能量，核子的平均质量减少，核子的比结合能增加，D正确．
命题角度2 聚变产生核能的计算
(2020·平顶山市第一中学高二开学考试)已知氘核的平均结合能为1.1 MeV，氦核的平均结合能为7.1 MeV，则两个氘核结合成一个氦核时( )
A．释放出4.9 MeV的能量
B．吸收4.9 MeV的能量
C．吸收24.0 MeV的能量
D．释放出24.0 MeV的能量
答案 D
解析 两个氘核结合成一个氦核的核反应方程为：
eq \\al(2,1)H＋eq \\al(2,1)H→eq \\al(4,2)He＋γ，2个eq \\al(2,1)H的总结合能为
E1＝1.1×4 MeV＝4.4 MeV
反应后生成的氦核的结合能为
E2＝7.1×4 MeV＝28.4 MeV
所以反应释放的核能
ΔE＝E2－E1＝28.4 MeV－4.4 MeV＝24 MeV
故A、B、C错误，D正确．
1．(核裂变及链式反应)(多选)铀核裂变是核电站核能的重要来源，其中的一种裂变反应为eq \\al(235, 92)U＋eq \\al(1,0)n→eq \\al(144, 56)Ba＋eq \\al(89,36)Kr＋3eq \\al(1,0)n，下列说法正确的有( )
A．上述裂变反应中伴随着中子放出
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
答案 AC
解析 从裂变反应方程式可以看出裂变反应中伴随着中子放出，A对；铀块体积对链式反应的发生有影响，B错；铀核的链式反应可人工控制，C对；铀核的半衰期不会受到环境温度的影响，D错．
2．(核电站)(多选)关于核反应堆，下列说法正确的是( )
A．铀棒是核燃料，裂变时释放核能
B．镉棒的作用是控制反应堆的功率
C．石墨的作用是吸收中子
D．冷却剂的作用是控制反应堆的温度和输出热能
答案 ABD
解析 铀棒是核燃料，裂变时可放出能量，故选项A正确；镉棒吸收中子的能力很强，作用是调节中子数目以控制反应速度，即控制反应堆功率，故选项B正确；慢中子最容易引发核裂变，所以在快中子碰到铀棒前要进行减速，石墨的作用是使中子减速，故选项C错误；水或液态金属钠等流体在反应堆内外循环流动，把反应堆内的热量传输出去，用于发电，同时也使反应堆冷却，控制温度，故选项D正确．
3．(核聚变)(多选)(2020·河南省高三一模)“东方超环”是我国自主设计建造的世界上第一个非圆截面全超导托卡马克核聚变实验装置.2018年11月，有“人造太阳”之称的东方超环实现1亿摄氏度等离子体运行等多项重大突破，获得的实验参数接近未来聚变堆稳态运行模式所需要的物理条件，朝着未来聚变堆实验运行迈出了关键一步．已知“人造太阳”核聚变的反应方程为eq \\al(2,1)H＋eq \\al(3,1)H→eq \\al(4,2)He＋eq \\al(M,Z)X＋17.6 MeV，关于此核聚变，以下说法正确的是( )
A．要使轻核发生聚变，就要利用粒子加速器，使轻核获得很大的动能
B．Z＝0，M＝1
C．1 ml氘核和1 ml氚核发生核聚变，可以放出17.6 MeV的能量
D．聚变比裂变更安全、清洁
答案 BD
解析 “人造太阳”是以超导磁场约束，通过波加热，让等离子气体达到上亿度的高温而发生轻核聚变，故A错误．根据质量数和电荷数守恒，可以求出eq \\al(M,Z)X为中子eq \\al(1,0)n，即Z＝0，M＝1，故B正确.1个氘核和1个氚核发生核聚变，可以放出17.6 MeV的能量，故C错误．轻核聚变产生物为氦核，没有辐射和污染，所以聚变比裂变更安全、清洁，故D正确．
4．(核能的计算)现有的核电站常用的核反应之一是：
eq \\al(235, 92)U＋eq \\al(1,0)n→eq \\al(143, 60)Nd＋Zr＋3eq \\al(1,0)n＋8eq \\al( 0,－1)e＋eq \x\t(ν)
(1)核反应方程中的eq \x\t(ν)是反中微子，它不带电，质量数为零，试确定生成物锆(Zr)的电荷数与质量数；
(2)已知铀核的质量为235.043 9 u，中子的质量为1.008 7 u，钕(Nd)核的质量为142.909 8 u，锆(Zr)核的质量为89.904 7 u，不考虑核反应中生成的电子和反中微子的质量，试计算1 kg铀235裂变释放的能量为多少？(1 u＝1.660 6×10－27 kg,1 u相当于931.5 MeV的能量)
答案 (1)40 90 (2)8.1×1013 J
解析 (1)锆的电荷数Z＝92－60＋8＝40，
质量数A＝236－146＝90.
核反应方程中用符号eq \\al(90,40)Zr表示．
(2)1 kg铀235中铀核的个数为
n＝eq \f(1,235.043 9×1.660 6×10－27)≈2.56×1024(个)
1个铀235核裂变产生的质量亏损为
Δm＝0.212 u，
释放的能量为
ΔE＝0.212×931.5 MeV≈197.5 MeV
则1 kg铀235完全裂变释放的能量为
E＝nΔE＝2.56×1024×197.5 MeV≈8.1×1013 J.
考点一 重核的裂变及链式反应
1．(多选)当一个铀核裂变时，它所产生的两个核( )
A．含有的总质子数比裂变前铀核的质子数少
B．含有的总中子数比裂变前铀核的中子数少
C．比结合能比裂变前铀核的比结合能小
D．可能是多种形式的两个核的组合
答案 BD
解析 铀核裂变反应中，铀核吸收一个中子而释放出几个中子，与铀核相比，两个新核的总质子数没有发生变化，而总中子数减少，A错误，B正确；裂变发生质量亏损，释放能量，产物的比结合能更大，在铀核裂变反应中，产物并不是唯一的，故C错误，D正确．
2．目前核电站获取核能的基本核反应方程可能是( )
A.eq \\al(238, 92)U→eq \\al(234, 90)Th＋eq \\al(4,2)He
B.eq \\al(235, 92)U＋eq \\al(1,0)n→eq \\al(90,38)Sr＋eq \\al(136, 54)Xe＋10eq \\al(1,0)n
C.eq \\al(24,11)Na→eq \\al(24,12)Mg＋eq \\al( 0,－1)e
D.eq \\al(14, 7)N＋eq \\al(4,2)He→eq \\al(17, 8)O＋eq \\al(1,1)H
答案 B
解析 现在的核电站用的是裂变反应获取能量，A是α衰变，故A错误；B是裂变反应，故B正确；C是β衰变，故C错误；D是发现质子的反应，故D错误．
3．2017年11月17日，“中国核潜艇之父”——黄旭华获评全国道德模范，颁奖典礼上，习总书记为他“让座”的场景感人肺腑，下列有关核反应的说法错误的是( )
A．目前核潜艇是利用重核裂变提供动力
B．重核裂变反应前后一定有质量亏损
C．eq \\al(235, 92)U＋eq \\al(1,0)n→eq \\al(140, 54)U＋eq \\al(94,38)Sr＋deq \\al(1,0)n式中d＝2
D．铀核裂变后的新核比铀核的比结合能小
答案 D
解析 目前核潜艇是利用重核裂变释放的核能提供动力，故A正确．根据质能方程可知，重核裂变反应前后一定有质量亏损，故B正确．根据质量数与电荷数守恒可知，eq \\al(235, 92)U＋eq \\al(1,0)n→eq \\al(140, 54)U＋eq \\al(94,38)Sr＋deq \\al(1,0)n，式中d＝2，故C正确；铀核裂变后生成的新核稳定，可知铀核的比结合能比裂变后生成的新核的比结合能小，故D错误．
4.(2020·银川唐徕回民中学高三一模)作为我国核电走向世界的“国家名片”，华龙一号(如图1)是当前核电市场上接受度最高的三代核电机型之一，是我国核电创新发展的重大标志性成果，其国内外示范工程按期成功的建设，对我国实现由核电大国向核电强国的跨越具有重要意义．已知发电站的核能来源于eq \\al(235, 92)U的裂变，现有四种说法：
图1
①eq \\al(235, 92)U原子核中有92个质子，143个中子；
②eq \\al(235, 92)U的一种可能裂变是变成两个中等质量的原子核，反应方程为：eq \\al(235, 92)U＋eq \\al(1,0)n→eq \\al(95,38)Sr＋eq \\al(139, 54)Xe＋2eq \\al(1,0)n；
③eq \\al(235, 92)U是天然放射性元素，常温下它的半衰期约为45亿年，升高温度半衰期缩短；
④一个eq \\al(235, 92)U裂变能放出200 MeV的能量，相当于3.2×10－11 J.
以上说法中完全正确的是( )
A．①②③ B．②③④
C．①③④ D．①②④
答案 D
解析 由eq \\al(235, 92)U的质量数和电荷数关系可知，eq \\al(235, 92)U原子核中有92个质子，143个中子，①正确；由核反应方程中电荷数守恒和质量数守恒知，②正确；半衰期不受外界因素影响，③错误；通过计算知：200 MeV＝200×106×1.6×10－19 J＝3.2×10－11 J，④正确．故选D.
考点二 核电站
5．核反应堆是实现可控制的重核裂变链式反应的一种装置，它的主要组成部分是( )
A．燃料、减速剂、冷却系统和控制调节系统
B．燃料、减速剂、发热系统和传热系统
C．燃料、调速剂、碰撞系统和热系统
D．燃料、中子源、原子能聚存和输送系统
答案 A
解析 核反应堆的主要部分包括①燃料，即浓缩铀235；②减速剂，采用石墨、重水或普通水；③控制调节系统，用控制棒控制链式反应的速度；④冷却系统，水或液态金属钠等流体在反应堆内外循环流动，把反应堆的热量传输出去，用于发电，故A正确，B、C、D错误．
6．在核反应中，控制铀235核裂变反应速度的方法是( )
A．使用浓缩铀
B．改变铀块的临界体积
C．通过自动控制装置，改变镉棒插入的深度，以控制中子数
D．利用石墨与中子的碰撞来改变中子的速度
答案 C
解析 控制铀235核裂变反应速度的方法是控制中子的数量，其有效方法是用吸收中子能力很强的镉棒插入铀燃料周围，镉棒插入的深度不同，可控制中子的数目，以达到控制核反应速度的目的，C正确．
考点三 核聚变
7．中国新一代可控核聚变研究装置“中国环流器二号M”建设顺利．聚变与裂变相比有很多优点，下列说法不正确的是( )
A．地球上聚变燃料的储量丰富，足以满足聚变的需要
B．轻核聚变更为安全、清洁
C．相同质量的核燃料，轻核聚变反应中产生的能量更多
D．环流器是利用聚变物质的惯性进行约束，即用激光从各个方向照射反应的物质，使它们“挤”在一起发生反应
答案 D
解析 地球上聚变燃料的储量十分丰富，从海水中可以提炼出大量核聚变所需的氘核，选项A正确；与裂变相比轻核聚变辐射极少，更为安全、清洁，选项B正确；对于相同质量的核燃料，轻核聚变产生的核能比重核裂变产生的核能多，选项C正确；环流器是一种磁约束装置，是利用磁场来约束参与反应的物质，选项D错误．
8．(2020·广东高二期末)月球土壤里大量存在着一种叫作“氦3(eq \\al(3,2)He)”的化学元素，可作为发电燃料．即利用氘和氦3发生的核聚变反应产生一个质子和一个新核，释放能量，进行发电．关于“氦3”与氘核聚变反应，下列说法中正确的是( )
A．释放能量，出现质量亏损，所以生成物的总质量数减少
B．目前核电站普遍利用的就是这种核聚变反应
C．生成的新核是eq \\al(4,2)He
D．核聚变反应需要的条件是氦3的体积足够大
答案 C
解析 释放能量，出现质量亏损，但是质量数仍然守恒，A错误；目前核聚变反应无法有效的控制，核电站利用的是重核裂变，B错误；核反应方程为eq \\al(2,1)H＋eq \\al(3,2)He→eq \\al(1,1)H＋eq \\al(4,2)He，生成的新核是eq \\al(4,2)He，C正确；轻核聚变在高温、高压下才可以发生，重核裂变才要求裂变物质体积达到临界体积，D错误．
9．(2020·南宁三中高二期中)一个氘核和一个氚核经过核反应后生成一个氦核和一个中子，同时放出一个γ光子．已知氘核、氚核、中子、氦核的质量分别为m1、m2、m3、m4，普朗克常量为h，真空中的光速为c.下列说法中正确的是( )
A．这个反应的核反应方程是eq \\al(2,1)H＋eq \\al(3,1)H→eq \\al(4,2)He＋eq \\al(1,0)n＋γ
B．这个核反应既不是聚变反应也不是裂变反应
C．辐射出的γ光子的能量E＝(m3＋m4－m1－m2)c2
D．辐射出的γ光子的波长λ＝eq \f(h,m1＋m2－m3－m4c2)
答案 A
解析 核反应方程满足质量数和电荷数守恒，故A正确；该反应为聚变反应，故B错误；聚变反应中亏损的质量转化为能量，以光子的形式放出，故光子能量为E＝(m1＋m2－m3－m4)c2，故C错误；根据E＝eq \f(hc,λ)得光子的波长为λ＝eq \f(h,m1＋m2－m3－m4c)，故D错误．
10．太阳的能量来自于热核反应，其中一种核反应是四个质子聚变成一个α粒子，同时放出两个正电子和两个没有静止质量的中微子．已知α粒子的质量为mα，质子的质量为mp，电子的质量为me，c为光在真空中的传播速度，N为阿伏加德罗常数．在这种核反应中1 000 g的氢核聚变所放出的能量为( )
A．1 000(4mp＋mα＋2me)Nc2
B．1 000(mα＋2me－4mp)Nc2
C．250(mα＋2me－4mp)Nc2
D．250(4mp－mα－2me)Nc2
答案 D
解析 4个氢核聚变的质量亏损Δm＝(4mp－mα－2me)
根据质能方程，核聚变释放的能量
ΔE＝Δmc2＝(4mp－mα－2me)c2
1 000 g氢核的个数为n＝eq \f(1 000,1)N＝1 000N
1 000 g氢核聚变放出的能量E＝eq \f(n,4)ΔE＝250(4mp－mα－2me)Nc2，故选D.
11．(2020·绵阳市南山中学高二月考)不同的原子核的比结合能是不一样的，比结合能________(填“越大”或“越小”)的原子核越稳定，氘核和氚核聚变的核反应方程为eq \\al(2,1)H＋
eq \\al(3,1)H→eq \\al(4,2)He＋eq \\al(1,0)n，已知eq \\al(3,1)H的比结合能是2.78 MeV，eq \\al(2,1)H的比结合能是1.09 MeV，eq \\al(4,2)He的比结合能是7.03 MeV，则该核反应所________(填“释放”或“吸收”)的能量为________ MeV.
答案 越大 释放 17.6
解析 比结合能越大，原子核越稳定．聚变反应前eq \\al(2,1)H和eq \\al(3,1)H的总结合能为
E1＝(1.09×2＋2.78×3) MeV＝10.52 MeV
反应后生成的eq \\al(4,2)He氦核的结合能为
E2＝7.03×4 MeV＝28.12 MeV
故E2＞E1，核反应向比结合能增大的方向进行时，要释放能量．
反应释放的核能为
ΔE＝E2－E1＝(28.12－10.52) MeV＝17.6 MeV.
12．(2020·太和第一中学高二月考)用中子轰击铀核(eq \\al(235, 92)U)，其中的一个可能反应是分裂成钡
(eq \\al(141, 56)Ba)和氪(eq \\al(92,36)Kr)两部分，放出3个中子．各个核和中子的质量如下：(计算结果保留两位小数)
mU＝390.313 9×10－27 kg，mn＝1.674 9×10－27 kg；
mBa＝234.001 6×10－27 kg，mKr＝152.604 7×10－27 kg.
(1)试写出核反应方程；
(2)求出反应中释放的核能；
(3)我国第一座核电站——秦山核电站总装机容量达到650万千瓦，求秦山核电站一年需要消耗多少千克的裂变原料？
答案 (1)eq \\al(235, 92)U＋eq \\al(1,0)n→eq \\al(141, 56)Ba＋eq \\al(92,36)Kr＋3eq \\al(1,0)n
(2)3.22×10－11 J (3)2.48×103 kg
解析 (1)核反应方程eq \\al(235, 92)U＋eq \\al(1,0)n→eq \\al(141, 56)Ba＋eq \\al(92,36)Kr＋3eq \\al(1,0)n
(2)一个铀核发生反应的质量亏损
Δm＝mU＋mn－mBa－mKr－3mn＝mU－mBa－mKr－2mn
＝390.313 9×10－27 kg－234.001 6×10－27 kg－152.604 7×10－27 kg－2×1.674 9×10－27 kg＝0.357 8×10－27 kg.
一个铀核裂变释放能量为ΔE＝Δmc2＝0.357 8×10－27×(3×108)2 J≈3.22×10－11 J
(3)秦山核电站一年需要消耗裂变原料
m＝eq \f(650×107×365×24×3 600,3.22×10－11)×390.313 9×10－27 kg≈2.48×103 kg.
13．(2020·北京高二期末)目前地球上消耗的能量绝大部分来自太阳内部核聚变时释放的核能．
(1)如果将太阳聚变时的核反应简化为4个氢核(eq \\al(1,1)H)聚变生成1个氦核(eq \\al(4,2)He)和2个正电子．请你写出此核反应方程；
(2)目前太阳能已被广泛利用．如图2所示的太阳能路灯的额定功率为P，光电池的光电转换效率为η.用P0表示太阳辐射的总功率，用r表示太阳与地球间的距离．太阳光传播到达地面的过程中大约有30%的能量损耗．某段时间内，电池板接收太阳垂直照射的有效面积为S.求这段时间内路灯正常工作时间t与日照时间t0之比．
图2
(3)天文学家估测：太阳已有50亿年的历史了．有人认为：50亿年来，因释放核能而带来的太阳质量变化几乎可以忽略．请你通过计算说明这种观点的合理性．可能用到的数据：太阳的质量约为M0＝2×1030 kg，太阳辐射的总功率为P0＝4×1026 W,1年≈3×107 s.
答案 (1)4eq \\al(1,1)H→eq \\al(4,2)He＋2eq \\al(0,1)e (2)eq \f(7P0Sη,40πr2P) (3)见解析
解析 (1)由质量数和电荷数守恒得4eq \\al(1,1)H→eq \\al(4,2)He＋2eq \\al(0,1)e
(2)路灯正常工作t时间需要消耗的太阳能是E＝eq \f(Pt,η)
距太阳中心为r的球面积为S0＝4πr2，t0时间内照射到电池板上的太阳能为E＝eq \f(70%P0t0S,S0).
联立解得eq \f(t,t0)＝eq \f(7P0Sη,40πr2P)
(3)50亿年太阳辐射的总能量为ΔE＝P0t′
根据ΔE＝Δmc2可知，50亿年太阳损失的总质量为Δm＝eq \f(ΔE,c2)
损失的总质量与太阳质量之比eq \f(Δm,M0)≈0.03%
所以这种说法合理．组成部分
材料
作用
裂变材料(核燃料)
浓缩铀
提供核燃料
减速剂(慢化剂)
石墨、重水或普通水(也叫轻水)
使裂变产生的快中子减速
控制棒
镉棒
吸收中子，控制反应速度
热交换器
水或液态的金属钠
传输热量
防护层
厚水泥层
防止放射线泄露，对人体及其他生物体造成伤害
重核裂变
轻核聚变
放能原理
重核分裂成两个或多个中等质量的原子核，放出核能
两个轻核结合成质量较大的原子核，放出核能
放能多少
聚变反应比裂变反应平均每个核子放出的能量要大3～4倍
一、核裂变的发现
1．核裂变：铀核在被中子轰击后分裂成两块质量差不多的碎块，这类核反应定名为核裂变．
2．铀核裂变
用中子轰击铀核时，铀核发生裂变，其产物是多种多样的，其中一种典型的反应是eq \\al(235, 92)U＋
eq \\al(1,0)n→eq \\al(144, 56)Ba＋eq \\al(89,36)Kr＋3eq \\al(1,0)n.
3．链式反应
中子轰击重核发生裂变后，裂变释放的中子继续与其他重核发生反应，引起新的核裂变，使核裂变反应一代接一代继续下去，这样的过程叫作核裂变的链式反应．
4．临界体积和临界质量：核裂变物质能够发生链式反应的最小体积叫作它的临界体积，相应的质量叫作临界质量．
二、反应堆与核电站
1．核电站：利用核能发电，它的核心设施是反应堆，它主要由以下几部分组成：
(1)燃料：铀棒．
(2)慢化剂：石墨、重水和普通水(也叫轻水)．
(3)控制棒：为了调节中子数目以控制反应速度，还需要在铀棒之间插进一些镉棒，它吸收中子的能力很强，当反应过于激烈时，将镉棒插入深一些，让它多吸收一些中子，链式反应的速度就会慢一些，这种镉棒叫作控制棒．
2．工作原理
核燃料发生核裂变释放的能量使反应区温度升高，水或液态的金属钠等流体在反应堆内外循环流动，把反应堆内的热量传输出去，用于发电，同时也使反应堆冷却．
3．核污染的处理
在反应堆的外面需要修建很厚的水泥层，用来屏蔽裂变产物放出的各种射线．核废料具有很强的放射性，需要装入特制的容器，深埋地下．
三、核聚变
1．定义：两个轻核结合成质量较大的核，这样的核反应叫作核聚变．
2．核反应方程：eq \\al(2,1)H＋eq \\al(3,1)H→eq \\al(4,2)He＋eq \\al(1,0)n＋17.6 MeV.
3．条件：使轻核的距离达到10－15 m以内．
方法：加热到很高的温度．
4．宇宙中的核聚变：太阳能是太阳内部的氢核聚变成氦核释放的核能．
5．人工热核反应：氢弹．首先由化学炸药引爆原子弹，再由原子弹爆炸产生的高温高压引发热核爆炸．
6．核聚变与核裂变的比较
(1)优点：①轻核聚变产能效率高；②地球上核聚变燃料氘和氚的储量丰富；③轻核聚变更为安全、清洁．
(2)缺点：核聚变需要的温度太高，地球上没有任何容器能够经受如此高的温度．
解决方案：磁约束和惯性约束．
1．判断下列说法的正误．
(1)铀块的质量大于或等于临界质量时链式反应才能不停地进行下去．( √ )
(2)中子的速度越快，越容易发生铀核裂变．( × )
(3)核聚变反应中平均每个核子放出的能量比裂变时小一些．( × )
(4)核聚变主要用在核武器上，那就是原子弹．( × )
2．下面是铀核裂变反应中的一个：eq \\al(235, 92)U＋eq \\al(1,0)n→eq \\al(136, 54)Xe＋eq \\al(90,38)Sr＋10eq \\al(1,0)n.已知铀235的质量为
235.043 9 u，中子质量为1.008 7 u，氙136的质量为135.907 2 u，锶90的质量为89.907 7 u，则此核反应中释放的总能量是多少？(1 u相当于931.5 MeV的能量)
答案 140.4 MeV
解析 释放的总能量为ΔE＝(235.043 9＋1.008 7－135.907 2－89.907 7－10×1.008 7)×
931.5 MeV≈140.4 MeV.
一、核裂变及链式反应
导学探究
如图1为铀核裂变示意图．
图1
(1)铀核裂变是如何发生的？试写出一种铀核裂变的核反应方程．
(2)只要有中子轰击铀块就可以产生链式反应吗？
答案 (1)当中子进入铀235后，便形成了处于激发状态的复核，复核中由于核子的激烈运动，使核变成不规则的形状．核子间的距离增大，因而核力迅速减弱，使得原子核由于质子间的斥力作用而分裂成几块，同时放出中子，这些中子又引起其他铀核裂变，这样，裂变反应一代接一代继续下去，形成链式反应．
eq \\al(235, 92)U＋eq \\al(1,0)n→eq \\al(144, 56)Ba＋eq \\al(89,36)Kr＋3eq \\al(1,0)n
(2)不是，铀块体积还须大于或等于临界体积．
知识深化
1．典型的裂变方程
(1)eq \\al(235, 92)U＋eq \\al(1,0)n→eq \\al(139, 54)Xe＋eq \\al(95,38)Sr＋2eq \\al(1,0)n
(2)eq \\al(235, 92)U＋eq \\al(1,0)n→eq \\al(144, 56)Ba＋eq \\al(89,36)Kr＋3eq \\al(1,0)n
2．核能的释放
由于重核的核子的平均质量大于中等质量原子核的核子的平均质量，因此，铀核裂变为中等质量的原子核时，会发生质量亏损，释放核能．
3．链式反应发生的条件
(1)铀块的体积大于或等于临界体积．
(2)有足够浓度的铀235.
(3)有足够数量的慢中子．
4．裂变反应的能量大小
铀核裂变为中等质量的原子核，发生质量亏损，所以放出能量．一个铀235核裂变时释放的能量如果按200 MeV估算，1 kg铀235 全部裂变放出的能量相当于2 800 t标准煤完全燃烧时释放的能量，裂变时能产生几百万度的高温．
命题角度1 对裂变的理解
关于重核的裂变，以下说法正确的是( )
A．核裂变释放的能量等于它俘获中子时得到的能量
B．中子从铀块中通过时，一定发生链式反应
C．重核裂变释放出大量能量，产生明显的质量亏损，所以核子数要减少
D．由于重核的核子平均质量大于中等质量核的核子平均质量，所以重核裂变为中等质量的核时，要发生质量亏损，放出核能
答案 D
解析 根据重核发生裂变的条件和裂变放能的原理分析可知，裂变时因铀核俘获中子发生核反应，是核能转化为其他形式能的过程，其释放的能量远大于其俘获中子时吸收的能量，链式反应是有条件的，即铀块的体积必须大于或等于其临界体积，如果体积小，中子从铀块中穿过，碰不到原子核，则链式反应不会发生，在裂变反应中核子数是不会减少的，故选D.
命题角度2 裂变产生核能的计算
铀核裂变的许多核反应中的其中一个是eq \\al(235, 92)U＋eq \\al(1,0)n→eq \\al(141, 56)Ba＋eq \\al(92,36)Kr＋3eq \\al(1,0)n.
(1)试计算一个铀235原子核裂变后释放的能量(eq \\al(235, 92)U、eq \\al(141, 56)Ba、eq \\al(92,36)Kr、eq \\al(1,0)n的质量分别为
235.043 9 u、140.913 9 u、91.897 3 u、1.008 7 u,1 u相当于931.5 MeV能量)；
(2)1 kg铀235原子核发生上述裂变时能放出多少核能？这相当于完全燃烧多少煤释放的能量？(煤的热值为2.94×107 J/kg)
答案 (1)200.6 MeV (2)5.14×1026MeV 相当于完全燃烧2 797.3 t煤
解析 (1)裂变反应的质量亏损为
Δm＝(235.043 9＋1.008 7－140.913 9－91.897 3－3×1.008 7) u＝0.215 3 u.
一个铀235原子核裂变后释放的能量为
ΔE＝0.215 3×931.5 MeV≈200.6 MeV.
(2)1 kg铀235原子核中含原子核的个数为
N＝eq \f(103,235)×6.02×1023≈2.56×1024个，
1 kg铀235原子核发生裂变时释放的总能量
ΔEN＝N·ΔE＝2.56×1024×200.6 MeV≈5.14×1026 MeV.
设完全燃烧的煤的质量为m，
有ΔEN＝qm，
所以m＝eq \f(ΔEN,q)＝eq \f(5.14×1026×106×1.6×10－19,2.94×107) kg≈2 797.3 t
二、核电站
1．核电站的主要部件及作用
2.核电站发电的优点
(1)消耗的核燃料少．
(2)作为核燃料的铀、钍等在地球上可采用储量大，所能提供的能量大．
(3)对环境的污染要比火力发电小．
如图2是慢中子反应堆的示意图，下列对该反应堆的说法正确的是( )
图2
A．铀235容易吸收快中子后发生裂变反应
B．快中子跟慢化剂的原子核碰撞后能量减少，变成慢中子，慢中子容易被铀235俘获而引起裂变反应
C．控制棒由镉做成，当反应过于激烈时，使控制棒插入浅一些，让它少吸收一些中子，链式反应的速度就会慢一些
D．要使裂变反应更激烈一些，应使控制棒插入深一些，使大量快中子碰撞控制棒后变成慢中子，链式反应的速度就会快一些
答案 B
解析 快中子容易与铀235“擦肩而过”，快中子跟慢化剂的原子核碰撞后能量减少，变成慢中子，慢中子容易被铀235俘获而引起裂变反应，A错误，B正确；控制棒由镉做成，镉吸收中子的能力很强，当反应过于激烈时，使控制棒插入深一些，让它多吸收一些中子，链式反应的速度就会慢一些，C、D错误．
三、核聚变
导学探究
为什么实现核聚变要使聚变的燃料加热到几百万开尔文的高温？
答案 轻核的聚变反应，是较轻的核子结合成较重的核子，要使得核子的强相互作用发挥作用，必须使核子间的距离达到10－15 m以内；同时由于在此距离时原子核之间的库仑斥力巨大，因而需要核子有很大的动能，表现在宏观上就是核燃料需要达到极高的温度．
知识深化
1．聚变发生的条件：要使轻核发生聚变，必须使轻核间的距离达到核力发生作用的距离
10－15 m以内，这要克服原子核间巨大的库仑斥力作用，使轻核具有足够大的动能．要使原子核具有足够大的动能，有一种方法就是给它们加热，使物质达到几百万开尔文的高温．
2．轻核聚变是放能反应：从比结合能的图线看，轻核聚变后比结合能增加，因此聚变反应是一个放能反应．
3．聚变方程
eq \\al(2,1)H＋eq \\al(3,1)H→eq \\al(4,2)He＋eq \\al(1,0)n＋17.6 MeV.
4．重核裂变与轻核聚变的区别
命题角度1 对聚变的理解
(多选)(2019·天津卷)我国核聚变反应研究大科学装置“人造太阳”(如图3)2018年获得重大突破，等离子体中心电子温度首次达到1亿摄氏度，为人类开发利用核聚变能源奠定了重要的技术基础．下列关于聚变的说法正确的是( )
图3
A．核聚变比核裂变更为安全、清洁
B．任何两个原子核都可以发生聚变
C．两个轻核结合成质量较大的核，总质量较聚变前增加
D．两个轻核结合成质量较大的核，核子的比结合能增加
答案 AD
解析 与核裂变相比轻核聚变更为安全、清洁，A正确；自然界中最容易发现的聚变反应是氢的同位素氘与氚的聚变，不是任意两个原子核都能发生核聚变，B错误；两个轻核发生聚变结合成质量较大的核时，放出巨大的能量，根据E＝mc2可知，聚变反应中存在质量亏损，则总质量较聚变前减少，C错误；两个轻核结合成质量较大的核的过程中要释放能量，核子的平均质量减少，核子的比结合能增加，D正确．
命题角度2 聚变产生核能的计算
(2020·平顶山市第一中学高二开学考试)已知氘核的平均结合能为1.1 MeV，氦核的平均结合能为7.1 MeV，则两个氘核结合成一个氦核时( )
A．释放出4.9 MeV的能量
B．吸收4.9 MeV的能量
C．吸收24.0 MeV的能量
D．释放出24.0 MeV的能量
答案 D
解析 两个氘核结合成一个氦核的核反应方程为：
eq \\al(2,1)H＋eq \\al(2,1)H→eq \\al(4,2)He＋γ，2个eq \\al(2,1)H的总结合能为
E1＝1.1×4 MeV＝4.4 MeV
反应后生成的氦核的结合能为
E2＝7.1×4 MeV＝28.4 MeV
所以反应释放的核能
ΔE＝E2－E1＝28.4 MeV－4.4 MeV＝24 MeV
故A、B、C错误，D正确．
1．(核裂变及链式反应)(多选)铀核裂变是核电站核能的重要来源，其中的一种裂变反应为eq \\al(235, 92)U＋eq \\al(1,0)n→eq \\al(144, 56)Ba＋eq \\al(89,36)Kr＋3eq \\al(1,0)n，下列说法正确的有( )
A．上述裂变反应中伴随着中子放出
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
答案 AC
解析 从裂变反应方程式可以看出裂变反应中伴随着中子放出，A对；铀块体积对链式反应的发生有影响，B错；铀核的链式反应可人工控制，C对；铀核的半衰期不会受到环境温度的影响，D错．
2．(核电站)(多选)关于核反应堆，下列说法正确的是( )
A．铀棒是核燃料，裂变时释放核能
B．镉棒的作用是控制反应堆的功率
C．石墨的作用是吸收中子
D．冷却剂的作用是控制反应堆的温度和输出热能
答案 ABD
解析 铀棒是核燃料，裂变时可放出能量，故选项A正确；镉棒吸收中子的能力很强，作用是调节中子数目以控制反应速度，即控制反应堆功率，故选项B正确；慢中子最容易引发核裂变，所以在快中子碰到铀棒前要进行减速，石墨的作用是使中子减速，故选项C错误；水或液态金属钠等流体在反应堆内外循环流动，把反应堆内的热量传输出去，用于发电，同时也使反应堆冷却，控制温度，故选项D正确．
3．(核聚变)(多选)(2020·河南省高三一模)“东方超环”是我国自主设计建造的世界上第一个非圆截面全超导托卡马克核聚变实验装置.2018年11月，有“人造太阳”之称的东方超环实现1亿摄氏度等离子体运行等多项重大突破，获得的实验参数接近未来聚变堆稳态运行模式所需要的物理条件，朝着未来聚变堆实验运行迈出了关键一步．已知“人造太阳”核聚变的反应方程为eq \\al(2,1)H＋eq \\al(3,1)H→eq \\al(4,2)He＋eq \\al(M,Z)X＋17.6 MeV，关于此核聚变，以下说法正确的是( )
A．要使轻核发生聚变，就要利用粒子加速器，使轻核获得很大的动能
B．Z＝0，M＝1
C．1 ml氘核和1 ml氚核发生核聚变，可以放出17.6 MeV的能量
D．聚变比裂变更安全、清洁
答案 BD
解析 “人造太阳”是以超导磁场约束，通过波加热，让等离子气体达到上亿度的高温而发生轻核聚变，故A错误．根据质量数和电荷数守恒，可以求出eq \\al(M,Z)X为中子eq \\al(1,0)n，即Z＝0，M＝1，故B正确.1个氘核和1个氚核发生核聚变，可以放出17.6 MeV的能量，故C错误．轻核聚变产生物为氦核，没有辐射和污染，所以聚变比裂变更安全、清洁，故D正确．
4．(核能的计算)现有的核电站常用的核反应之一是：
eq \\al(235, 92)U＋eq \\al(1,0)n→eq \\al(143, 60)Nd＋Zr＋3eq \\al(1,0)n＋8eq \\al( 0,－1)e＋eq \x\t(ν)
(1)核反应方程中的eq \x\t(ν)是反中微子，它不带电，质量数为零，试确定生成物锆(Zr)的电荷数与质量数；
(2)已知铀核的质量为235.043 9 u，中子的质量为1.008 7 u，钕(Nd)核的质量为142.909 8 u，锆(Zr)核的质量为89.904 7 u，不考虑核反应中生成的电子和反中微子的质量，试计算1 kg铀235裂变释放的能量为多少？(1 u＝1.660 6×10－27 kg,1 u相当于931.5 MeV的能量)
答案 (1)40 90 (2)8.1×1013 J
解析 (1)锆的电荷数Z＝92－60＋8＝40，
质量数A＝236－146＝90.
核反应方程中用符号eq \\al(90,40)Zr表示．
(2)1 kg铀235中铀核的个数为
n＝eq \f(1,235.043 9×1.660 6×10－27)≈2.56×1024(个)
1个铀235核裂变产生的质量亏损为
Δm＝0.212 u，
释放的能量为
ΔE＝0.212×931.5 MeV≈197.5 MeV
则1 kg铀235完全裂变释放的能量为
E＝nΔE＝2.56×1024×197.5 MeV≈8.1×1013 J.
考点一 重核的裂变及链式反应
1．(多选)当一个铀核裂变时，它所产生的两个核( )
A．含有的总质子数比裂变前铀核的质子数少
B．含有的总中子数比裂变前铀核的中子数少
C．比结合能比裂变前铀核的比结合能小
D．可能是多种形式的两个核的组合
答案 BD
解析 铀核裂变反应中，铀核吸收一个中子而释放出几个中子，与铀核相比，两个新核的总质子数没有发生变化，而总中子数减少，A错误，B正确；裂变发生质量亏损，释放能量，产物的比结合能更大，在铀核裂变反应中，产物并不是唯一的，故C错误，D正确．
2．目前核电站获取核能的基本核反应方程可能是( )
A.eq \\al(238, 92)U→eq \\al(234, 90)Th＋eq \\al(4,2)He
B.eq \\al(235, 92)U＋eq \\al(1,0)n→eq \\al(90,38)Sr＋eq \\al(136, 54)Xe＋10eq \\al(1,0)n
C.eq \\al(24,11)Na→eq \\al(24,12)Mg＋eq \\al( 0,－1)e
D.eq \\al(14, 7)N＋eq \\al(4,2)He→eq \\al(17, 8)O＋eq \\al(1,1)H
答案 B
解析 现在的核电站用的是裂变反应获取能量，A是α衰变，故A错误；B是裂变反应，故B正确；C是β衰变，故C错误；D是发现质子的反应，故D错误．
3．2017年11月17日，“中国核潜艇之父”——黄旭华获评全国道德模范，颁奖典礼上，习总书记为他“让座”的场景感人肺腑，下列有关核反应的说法错误的是( )
A．目前核潜艇是利用重核裂变提供动力
B．重核裂变反应前后一定有质量亏损
C．eq \\al(235, 92)U＋eq \\al(1,0)n→eq \\al(140, 54)U＋eq \\al(94,38)Sr＋deq \\al(1,0)n式中d＝2
D．铀核裂变后的新核比铀核的比结合能小
答案 D
解析 目前核潜艇是利用重核裂变释放的核能提供动力，故A正确．根据质能方程可知，重核裂变反应前后一定有质量亏损，故B正确．根据质量数与电荷数守恒可知，eq \\al(235, 92)U＋eq \\al(1,0)n→eq \\al(140, 54)U＋eq \\al(94,38)Sr＋deq \\al(1,0)n，式中d＝2，故C正确；铀核裂变后生成的新核稳定，可知铀核的比结合能比裂变后生成的新核的比结合能小，故D错误．
4.(2020·银川唐徕回民中学高三一模)作为我国核电走向世界的“国家名片”，华龙一号(如图1)是当前核电市场上接受度最高的三代核电机型之一，是我国核电创新发展的重大标志性成果，其国内外示范工程按期成功的建设，对我国实现由核电大国向核电强国的跨越具有重要意义．已知发电站的核能来源于eq \\al(235, 92)U的裂变，现有四种说法：
图1
①eq \\al(235, 92)U原子核中有92个质子，143个中子；
②eq \\al(235, 92)U的一种可能裂变是变成两个中等质量的原子核，反应方程为：eq \\al(235, 92)U＋eq \\al(1,0)n→eq \\al(95,38)Sr＋eq \\al(139, 54)Xe＋2eq \\al(1,0)n；
③eq \\al(235, 92)U是天然放射性元素，常温下它的半衰期约为45亿年，升高温度半衰期缩短；
④一个eq \\al(235, 92)U裂变能放出200 MeV的能量，相当于3.2×10－11 J.
以上说法中完全正确的是( )
A．①②③ B．②③④
C．①③④ D．①②④
答案 D
解析 由eq \\al(235, 92)U的质量数和电荷数关系可知，eq \\al(235, 92)U原子核中有92个质子，143个中子，①正确；由核反应方程中电荷数守恒和质量数守恒知，②正确；半衰期不受外界因素影响，③错误；通过计算知：200 MeV＝200×106×1.6×10－19 J＝3.2×10－11 J，④正确．故选D.
考点二 核电站
5．核反应堆是实现可控制的重核裂变链式反应的一种装置，它的主要组成部分是( )
A．燃料、减速剂、冷却系统和控制调节系统
B．燃料、减速剂、发热系统和传热系统
C．燃料、调速剂、碰撞系统和热系统
D．燃料、中子源、原子能聚存和输送系统
答案 A
解析 核反应堆的主要部分包括①燃料，即浓缩铀235；②减速剂，采用石墨、重水或普通水；③控制调节系统，用控制棒控制链式反应的速度；④冷却系统，水或液态金属钠等流体在反应堆内外循环流动，把反应堆的热量传输出去，用于发电，故A正确，B、C、D错误．
6．在核反应中，控制铀235核裂变反应速度的方法是( )
A．使用浓缩铀
B．改变铀块的临界体积
C．通过自动控制装置，改变镉棒插入的深度，以控制中子数
D．利用石墨与中子的碰撞来改变中子的速度
答案 C
解析 控制铀235核裂变反应速度的方法是控制中子的数量，其有效方法是用吸收中子能力很强的镉棒插入铀燃料周围，镉棒插入的深度不同，可控制中子的数目，以达到控制核反应速度的目的，C正确．
考点三 核聚变
7．中国新一代可控核聚变研究装置“中国环流器二号M”建设顺利．聚变与裂变相比有很多优点，下列说法不正确的是( )
A．地球上聚变燃料的储量丰富，足以满足聚变的需要
B．轻核聚变更为安全、清洁
C．相同质量的核燃料，轻核聚变反应中产生的能量更多
D．环流器是利用聚变物质的惯性进行约束，即用激光从各个方向照射反应的物质，使它们“挤”在一起发生反应
答案 D
解析 地球上聚变燃料的储量十分丰富，从海水中可以提炼出大量核聚变所需的氘核，选项A正确；与裂变相比轻核聚变辐射极少，更为安全、清洁，选项B正确；对于相同质量的核燃料，轻核聚变产生的核能比重核裂变产生的核能多，选项C正确；环流器是一种磁约束装置，是利用磁场来约束参与反应的物质，选项D错误．
8．(2020·广东高二期末)月球土壤里大量存在着一种叫作“氦3(eq \\al(3,2)He)”的化学元素，可作为发电燃料．即利用氘和氦3发生的核聚变反应产生一个质子和一个新核，释放能量，进行发电．关于“氦3”与氘核聚变反应，下列说法中正确的是( )
A．释放能量，出现质量亏损，所以生成物的总质量数减少
B．目前核电站普遍利用的就是这种核聚变反应
C．生成的新核是eq \\al(4,2)He
D．核聚变反应需要的条件是氦3的体积足够大
答案 C
解析 释放能量，出现质量亏损，但是质量数仍然守恒，A错误；目前核聚变反应无法有效的控制，核电站利用的是重核裂变，B错误；核反应方程为eq \\al(2,1)H＋eq \\al(3,2)He→eq \\al(1,1)H＋eq \\al(4,2)He，生成的新核是eq \\al(4,2)He，C正确；轻核聚变在高温、高压下才可以发生，重核裂变才要求裂变物质体积达到临界体积，D错误．
9．(2020·南宁三中高二期中)一个氘核和一个氚核经过核反应后生成一个氦核和一个中子，同时放出一个γ光子．已知氘核、氚核、中子、氦核的质量分别为m1、m2、m3、m4，普朗克常量为h，真空中的光速为c.下列说法中正确的是( )
A．这个反应的核反应方程是eq \\al(2,1)H＋eq \\al(3,1)H→eq \\al(4,2)He＋eq \\al(1,0)n＋γ
B．这个核反应既不是聚变反应也不是裂变反应
C．辐射出的γ光子的能量E＝(m3＋m4－m1－m2)c2
D．辐射出的γ光子的波长λ＝eq \f(h,m1＋m2－m3－m4c2)
答案 A
解析 核反应方程满足质量数和电荷数守恒，故A正确；该反应为聚变反应，故B错误；聚变反应中亏损的质量转化为能量，以光子的形式放出，故光子能量为E＝(m1＋m2－m3－m4)c2，故C错误；根据E＝eq \f(hc,λ)得光子的波长为λ＝eq \f(h,m1＋m2－m3－m4c)，故D错误．
10．太阳的能量来自于热核反应，其中一种核反应是四个质子聚变成一个α粒子，同时放出两个正电子和两个没有静止质量的中微子．已知α粒子的质量为mα，质子的质量为mp，电子的质量为me，c为光在真空中的传播速度，N为阿伏加德罗常数．在这种核反应中1 000 g的氢核聚变所放出的能量为( )
A．1 000(4mp＋mα＋2me)Nc2
B．1 000(mα＋2me－4mp)Nc2
C．250(mα＋2me－4mp)Nc2
D．250(4mp－mα－2me)Nc2
答案 D
解析 4个氢核聚变的质量亏损Δm＝(4mp－mα－2me)
根据质能方程，核聚变释放的能量
ΔE＝Δmc2＝(4mp－mα－2me)c2
1 000 g氢核的个数为n＝eq \f(1 000,1)N＝1 000N
1 000 g氢核聚变放出的能量E＝eq \f(n,4)ΔE＝250(4mp－mα－2me)Nc2，故选D.
11．(2020·绵阳市南山中学高二月考)不同的原子核的比结合能是不一样的，比结合能________(填“越大”或“越小”)的原子核越稳定，氘核和氚核聚变的核反应方程为eq \\al(2,1)H＋
eq \\al(3,1)H→eq \\al(4,2)He＋eq \\al(1,0)n，已知eq \\al(3,1)H的比结合能是2.78 MeV，eq \\al(2,1)H的比结合能是1.09 MeV，eq \\al(4,2)He的比结合能是7.03 MeV，则该核反应所________(填“释放”或“吸收”)的能量为________ MeV.
答案 越大 释放 17.6
解析 比结合能越大，原子核越稳定．聚变反应前eq \\al(2,1)H和eq \\al(3,1)H的总结合能为
E1＝(1.09×2＋2.78×3) MeV＝10.52 MeV
反应后生成的eq \\al(4,2)He氦核的结合能为
E2＝7.03×4 MeV＝28.12 MeV
故E2＞E1，核反应向比结合能增大的方向进行时，要释放能量．
反应释放的核能为
ΔE＝E2－E1＝(28.12－10.52) MeV＝17.6 MeV.
12．(2020·太和第一中学高二月考)用中子轰击铀核(eq \\al(235, 92)U)，其中的一个可能反应是分裂成钡
(eq \\al(141, 56)Ba)和氪(eq \\al(92,36)Kr)两部分，放出3个中子．各个核和中子的质量如下：(计算结果保留两位小数)
mU＝390.313 9×10－27 kg，mn＝1.674 9×10－27 kg；
mBa＝234.001 6×10－27 kg，mKr＝152.604 7×10－27 kg.
(1)试写出核反应方程；
(2)求出反应中释放的核能；
(3)我国第一座核电站——秦山核电站总装机容量达到650万千瓦，求秦山核电站一年需要消耗多少千克的裂变原料？
答案 (1)eq \\al(235, 92)U＋eq \\al(1,0)n→eq \\al(141, 56)Ba＋eq \\al(92,36)Kr＋3eq \\al(1,0)n
(2)3.22×10－11 J (3)2.48×103 kg
解析 (1)核反应方程eq \\al(235, 92)U＋eq \\al(1,0)n→eq \\al(141, 56)Ba＋eq \\al(92,36)Kr＋3eq \\al(1,0)n
(2)一个铀核发生反应的质量亏损
Δm＝mU＋mn－mBa－mKr－3mn＝mU－mBa－mKr－2mn
＝390.313 9×10－27 kg－234.001 6×10－27 kg－152.604 7×10－27 kg－2×1.674 9×10－27 kg＝0.357 8×10－27 kg.
一个铀核裂变释放能量为ΔE＝Δmc2＝0.357 8×10－27×(3×108)2 J≈3.22×10－11 J
(3)秦山核电站一年需要消耗裂变原料
m＝eq \f(650×107×365×24×3 600,3.22×10－11)×390.313 9×10－27 kg≈2.48×103 kg.
13．(2020·北京高二期末)目前地球上消耗的能量绝大部分来自太阳内部核聚变时释放的核能．
(1)如果将太阳聚变时的核反应简化为4个氢核(eq \\al(1,1)H)聚变生成1个氦核(eq \\al(4,2)He)和2个正电子．请你写出此核反应方程；
(2)目前太阳能已被广泛利用．如图2所示的太阳能路灯的额定功率为P，光电池的光电转换效率为η.用P0表示太阳辐射的总功率，用r表示太阳与地球间的距离．太阳光传播到达地面的过程中大约有30%的能量损耗．某段时间内，电池板接收太阳垂直照射的有效面积为S.求这段时间内路灯正常工作时间t与日照时间t0之比．
图2
(3)天文学家估测：太阳已有50亿年的历史了．有人认为：50亿年来，因释放核能而带来的太阳质量变化几乎可以忽略．请你通过计算说明这种观点的合理性．可能用到的数据：太阳的质量约为M0＝2×1030 kg，太阳辐射的总功率为P0＝4×1026 W,1年≈3×107 s.
答案 (1)4eq \\al(1,1)H→eq \\al(4,2)He＋2eq \\al(0,1)e (2)eq \f(7P0Sη,40πr2P) (3)见解析
解析 (1)由质量数和电荷数守恒得4eq \\al(1,1)H→eq \\al(4,2)He＋2eq \\al(0,1)e
(2)路灯正常工作t时间需要消耗的太阳能是E＝eq \f(Pt,η)
距太阳中心为r的球面积为S0＝4πr2，t0时间内照射到电池板上的太阳能为E＝eq \f(70%P0t0S,S0).
联立解得eq \f(t,t0)＝eq \f(7P0Sη,40πr2P)
(3)50亿年太阳辐射的总能量为ΔE＝P0t′
根据ΔE＝Δmc2可知，50亿年太阳损失的总质量为Δm＝eq \f(ΔE,c2)
损失的总质量与太阳质量之比eq \f(Δm,M0)≈0.03%
所以这种说法合理．组成部分
材料
作用
裂变材料(核燃料)
浓缩铀
提供核燃料
减速剂(慢化剂)
石墨、重水或普通水(也叫轻水)
使裂变产生的快中子减速
控制棒
镉棒
吸收中子，控制反应速度
热交换器
水或液态的金属钠
传输热量
防护层
厚水泥层
防止放射线泄露，对人体及其他生物体造成伤害
重核裂变
轻核聚变
放能原理
重核分裂成两个或多个中等质量的原子核，放出核能
两个轻核结合成质量较大的原子核，放出核能
放能多少
聚变反应比裂变反应平均每个核子放出的能量要大3～4倍
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