粤教版高中物理选择性必修第三册第5章第5节裂变和聚变达标练含答案

第五章　第五节

A组·基础达标

1．科学家发现在月球上含有丰富的He(氦3)．它是一种高效、清洁、安全的核聚变燃料，其参与的一种核聚变反应的方程式为He＋He→2H＋He．关于He聚变，下列表述正确的是(　　)

A．聚变反应不会释放能量

B．聚变反应产生了新的原子核

C．聚变反应没有质量亏损

D．目前核电站都采用He聚变反应发电

【答案】B

【解析】聚变反应时将质量较小的轻核聚变成质量较大的核，聚变过程会有质量亏损，要放出大量的能量．但目前核电站都采用铀核的裂变反应，可控的轻核聚变尚在实验阶段．

2．为了实现“碳中和”目标，我国将新建核电站项目．目前关于核电站获取核能的基本核反应方程可能是(　　)

A．U＋n―→Sr＋Xe＋10n

B．Na―→Mg＋e

C．N＋He―→O＋H

D．U―→Th＋He

【答案】A

【解析】重核的裂变是指质量数较大的原子核分裂成两个中等质量的原子核，A是裂变反应，A正确；B为β衰变，C是发现质子的反应，D是α衰变．

3．(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

【答案】ABD

【解析】控制棒通过吸收中子来实现对核反应速度的控制，A符合题意；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，B、D符合题意；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不符合题意．

4．(多选)一个质子和一个中子结合成氘核，同时放出光子，核反应方程是H＋n→H＋γ，以下说法中正确的是(　　)

A．反应后氘核的质量一定小于反应前质子和中子的质量之和

B．反应前后的质量数不变，因而质量不变

C．γ光子的能量为Δmc2，Δm为反应中的质量亏损，c为光在真空中的速度

D．因存在质量亏损Δm，所以“物质不灭”的说法不正确

【答案】AC

【解析】核反应中质量数与电荷数及能量均守恒，由于反应中要释放核能，会出现质量亏损，反应中氘核的质量一定小于反应前质子和中子的质量之和，所以质量不守恒，但质量数不变，A正确，B错误；能量守恒，释放的能量会以γ光子的形式向外释放，根据爱因斯坦质能方程可知，γ光子的能量为Δmc2，Δm为反应中的质量亏损，c为光在真空中的速度，C正确；尽管存在质量亏损Δm，但核反应中的“质量亏损”并不是质量消失，所以“物质不灭”的说法仍是正确的，D错误．

5．(多选)我国科技工作者分别在1964年、1967年成功爆炸了我国第一颗原子弹和氢弹．下列核反应方程中可表示两弹的爆炸原理的是(　　)

A．N＋He―→O＋H

B．U＋n―→Sr＋Xe＋7n

C．U―→Th＋He

D．H＋H―→He＋n

【答案】BD

【解析】原子弹是利用核裂变反应，而氢弹是利用核聚变反应，B项对应原子弹的爆炸原理，D对应氢弹的爆炸原理；A为人工核转变，C为核衰变反应，不符合要求，选B、D．

6．(多选)据新华社报道，由我国自行设计、研制的世界第一套全超导核聚变实验装置(又称“人造太阳”)已完成了首次工程调试．下列关于“人造太阳”的说法正确的是(　　)

A．“人造太阳”的核反应方程是H＋H→He＋n

B．“人造太阳”的核反应方程是U＋n→Ba＋Kr＋3n

C．“人造太阳”释放的能量大小的计算式是ΔE＝Δmc2

D．“人造太阳”核能大小的计算公式是E＝mc2

【答案】AC

【解析】释放的能量大小用爱因斯坦质能方程ΔE＝Δmc2计算．

7．(多选)核反应堆是利用中子轰击重核发生裂变反应，释放出大量核能．U＋n―→Ba＋Kr＋aX是反应堆中发生的许多核反应中的一种，X是某种粒子，a是X粒子的个数，用mU、mBa、mKr分别表示U、Ba、Kr核的质量，mX表示X粒子的质量，c为真空中的光速，以下说法正确的是(　　)

A．X为中子，a＝2

B．X为中子，a＝3

C．上述核反应中放出的核能ΔE＝(mU－mBa－mKr－2mX)c2

D．上述核反应中放出的核能ΔE＝(mU－mBa－mKr－3mX)c2

【答案】BC

【解析】核反应中，质量数守恒，电荷数守恒，则知U＋n―→Ba＋Kr＋aX中X为n，a＝3，则A错误，B正确．由ΔE＝Δmc2可得ΔE＝(mU＋mX－mBa－mKr－3mX)c2＝(mU－mBa－mKr－2mX)c2，则C正确，D错误．

8．(多选)我国最新一代核聚变装置“EAST”在安徽合肥首次放电，显示了EAST装置具有良好的整体性能，使等离子体约束时间达1 000 s，温度超过1亿摄氏度，这标志着我国磁约束核聚变研究进入国际先进水平．合肥也成为世界上第一个建成此类全超导非圆截面核聚变实验装置并能实际运行的地方．核聚变的主要原料是氘，在海水中含量极其丰富．已知氘核的质量为m1，中子的质量为m2，He的质量为m3，质子的质量为m4，则下列说法中正确的是(　　)

A．两个氘核聚变成一个He所产生的另一个粒子是质子

B．两个氘核聚变成一个He所产生的另一个粒子是中子

C．两个氘核聚变成一个He所释放的核能为(2m1－m3－m4)c2

D．两个氘核聚变成一个He所释放的核能为(2m1－m3－m2)c2

【答案】BD

【解析】由核反应方程2H→He＋X知X应为中子，释放的核能应为ΔE＝(2m1－m3－m2)c2，聚变反应的污染非常小，而现行的裂变反应的废料具有很强的放射性，故A、C错误，B、D正确．

9．一个氘核和一个氚核经过核反应后生成氦核和中子，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．下列说法正确的是(　　)

A．这个核反应是裂变反应

B．这个反应的核反应方程是H＋H→He＋2n＋γ

C．辐射出的γ光子的能量E＝(m3＋m4－m1－m2)c2

D．辐射出的γ光子在真空中的波长λ＝

【答案】D

【解析】该核反应方程为H＋H→He＋n＋γ，该反应为聚变反应，故A、B错误；根据爱因斯坦质能方程知，辐射的光子能量E＝Δmc2＝(m1＋m2－m3－m4)c2，C错误；光子能量为E＝hv＝h，则有λ＝，D正确．故选D．

10．某科学家提出年轻热星体中核聚变的一种理论，其中的两个核反应方程为

H＋C―→N＋Q1　①，

H＋N―→C＋X＋Q2　②，

方程中Q1、Q2表示释放的能量，相关的原子核质量如表：

则可以推断X是__________，方程中Q1和Q2的大小关系是Q1__________Q2．

【答案】He　<

【解析】由质量数守恒和电荷数守恒，可判断X为He，①式的质量亏损为Δm1＝1.007 8 u＋12.000 0 u－13.005 7 u＝0.002 1 u．②式的质量亏损为Δm2＝1.007 8 u＋15.000 1 u－12.000 0 u－4.002 6 u＝0.005 3 u，所以Δm2>Δm1根据质能方程ΔE＝Δmc2可求解Q2>Q1．

B组·能力提升

11．(1)核电站利用原子核链式反应放出的巨大能量进行发电，U是核电站常用的核燃料．U受一个中子轰击后裂变成Ba和Kr两部分，并产生________个中子．要使链式反应发生，裂变物质的体积要________(填“大于”或“小于”)它的临界体积．

(2)取质子的质量mp＝1.672 6×10－27 kg，中子的质量mn＝1.674 9×10－27 kg，α粒子的质量mα＝6.646 7×10－27 kg，光速c＝3.0×108 m/s．则α粒子的结合能为______________．(结果保留两位有效数字)．

【答案】(1)3　大于　(2)4.3×10－12 J

【解析】(1)由U＋n→Ba＋Kr＋3n可知，会产生3个中子，要使裂变持续进行(链式反应)，物质的体积需要大于它的临界体积．

(2)组成α粒子的核子与α粒子的质量差为

Δm＝2mp＋2mn－mα，

结合能ΔE＝Δmc2，代入数据得

ΔE＝4.3×10－12 J．

12．已知氘核质量为2.013 6 u，中子质量为1.008 7 u，He核的质量为3.015 0 u．两个速率相等的氘核对心碰撞聚变成He并放出一个中子，释放的核能全部转化为机械能．(质量亏损为1 u时，释放的能量为931.5 MeV．除了计算质量亏损外，He的质量可以认为是中子的3倍)

(1)写出该核反应的反应方程式；

(2)该核反应释放的核能是多少？

(3)若测得反应后生成中子的动能是3.12 MeV，则反应前每个氘核的动能是多少？

解：(1)核反应方程为H＋H→He＋n．

(2)质量亏损为Δm＝2.013 6 u×2－(3.015 0 u＋1.008 7 u)＝0.003 5 u，释放的核能为

ΔE＝0.003 5×931.5 MeV＝3.26 MeV．

(3)设中子和He核的质量分别为m1、m2，速度分别为v1、v2．反应前每个氘核的动能是E0，反应后中子和He核动能分别为E1、E2，根据动量守恒定律，得m1v1－m2v2＝0，＝∶＝＝3，E2＝＝1.04 MeV．

由能量的转化和守恒定律，得

E1＋E2＝2E0＋ΔE，E0＝0.45 MeV．

13．在所有能源中，核能具有能量密度大，地区适应性强的优势，在核电站中，核反应堆释放的核能被转化为电能．核反应堆的工作原理是利用中子轰击重核发生裂变反应，释放出大量核能．

(1)核反应方程式U＋n―→Ba＋Kr＋aX是反应堆中发生的许多核反应中的一种，n为中子，X为待求粒子，a为X的个数，则X是什么？a为多少？以mU、mBa、mKr分别表示U、Ba、Kr核的质量，mn、mp分别表示中子、质子的质量，c为光在真空中传播的速度，则在上述核反应过程中放出的核能ΔE是多少？

(2)有一座发电能力为P＝1.00×106 kW的核电站，核能转化为电能的效率η＝40%，假定反应堆中发生的裂变反应全是本题(1)中的核反应，已知每次核反应过程放出的核能ΔE＝2.78×10－11 J，核的质量mU＝390×10－27 kg，求每年(1年≈3.15×107 s)消耗的U的质量．

解：(1)由反应方程可知X为n，a为3，释放的能量为

ΔE＝(mU－mBa－mKr－2mn)c2．

(2)因电站发电效率为40%，故电站消耗U的功率为P′＝＝ kW＝2.5×106 kW，

电站每年消耗U的能量为

W＝Pt＝2.5×109×3.15×107 J＝7.875×1016 J．

每年消耗U的质量为

M＝mU＝ kg＝1 105 kg．

14．有一种聚变反应是四个氢核聚变成一个氦核，同时放出两个正电子．问：

(1)该聚变反应释放多少能量？

(2)若1 g氢完全聚变，能释放多少能量？

(3)1 g氢完全聚变，释放的能量相当于多少煤完全燃烧放出的热能？(已知煤的热值q＝3.36×107 J/kg，氢核质量为1.008 142 u，氦核质量为4.001 509 u，电子的质量为0.000 549 u)

解：(1)核反应方程为4H―→He＋2e，所以Δm＝4mH－mHe－2me＝4×1.008 142 u－4.001 509 u－2×0.000 549 u＝0.029 961 u，

ΔE＝0.029 961×931.5 MeV＝27.91 MeV＝4.47×10－12 J．

(2)1 g氢完全聚变释放的能量为

E＝×6.02×1023×4.47×10－12 J＝6.73×1011 J．

(3)相当于煤完全燃烧的质量为

m＝ kg＝2.00×104 kg．