新教材同步系列2024春高中物理第五章原子與原子核第五節(jié)裂變和聚變課后提升訓練粵教版選擇性必修第三冊

第五章第五節(jié)A組·基礎達標1．科學家發(fā)覺在月球上含有豐富的eq\o\al(3,2)He(氦3).它是一種高效、清潔、平安的核聚變燃料，其參加的一種核聚變反應的方程式為eq\o\al(3,2)He＋eq\o\al(3,2)He→2eq\o\al(1,1)H＋eq\o\al(4,2)He.關于eq\o\al(3,2)He聚變，下列表述正確的是()A．聚變反應不會釋放能量B．聚變反應產(chǎn)生了新的原子核C．聚變反應沒有質量虧損D．目前核電站都接受eq\o\al(3,2)He聚變反應發(fā)電【答案】B【解析】聚變反應時將質量較小的輕核聚變成質量較大的核，聚變過程會有質量虧損，要放出大量的能量．但目前核電站都接受鈾核的裂變反應，可控的輕核聚變尚在試驗階段．2．為了實現(xiàn)“碳中和”目標，我國將新建核電站項目．目前關于核電站獲得核能的基本核反應方程可能是()A．eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(90,38)Sr＋eq\o\al(136,54)Xe＋10eq\o\al(1,0)nB．eq\o\al(24,11)Na→eq\o\al(24,12)Mg＋eq\o\al(0,－1)eC．eq\o\al(14,7)N＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(17,8)O＋eq\o\al(1,1)HD．eq\o\al(238,92)U→eq\o\al(234,90)Th＋eq\o\al(4,2)He【答案】A【解析】重核的裂變是指質量數(shù)較大的原子核分裂成兩個中等質量的原子核，A是裂變反應，A正確；B為β衰變，C是發(fā)覺質子的反應，D是α衰變．3．(2024年焦作期末)下列四幅圖涉及到不同的物理學問，其中說法正確的是() A．甲圖是電子衍射試驗，電子的衍射說明白電子具有粒子性，說明物質波理論是正確的B．乙圖是α粒子散射試驗示意圖，由α粒子散射試驗可估算出原子核半徑的數(shù)量級C．丙圖是康普頓效應示意圖，康普頓效應表明，散射后有些光子的波長變短了D．丁圖是原子核裂變示意圖，原子核裂變是一種熱核反應【答案】B【解析】電子衍射圖樣說明白電子具有波動性，A錯誤；依據(jù)α粒子散射試驗，盧瑟福估算出原子核半徑的數(shù)量級，B正確；在康普頓效應中，入射光子與晶體中的電子碰撞，把一部分動量轉移給電子，光子動量變小，由λ＝eq\f(h,p)，可知光子散射后的波長變長，C錯誤；原子核裂變是一種鏈式反應，核聚變是熱核反應，D錯誤．4．(多選)一個質子和一個中子結合成氘核，同時放出光子，核反應方程是eq\o\al(1,1)H＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(2,1)H＋γ，以下說法中正確的是()A．反應后氘核的質量確定小于反應前質子和中子的質量之和B．反應前后的質量數(shù)不變，因而質量不變C．γ光子的能量為Δmc2，Δm為反應中的質量虧損，c為光在真空中的速度D．因存在質量虧損Δm，所以“物質不滅”的說法不正確【答案】AC【解析】核反應中質量數(shù)與電荷數(shù)及能量均守恒，由于反應中要釋放核能，會出現(xiàn)質量虧損，反應中氘核的質量確定小于反應前質子和中子的質量之和，所以質量不守恒，但質量數(shù)不變，A正確，B錯誤；能量守恒，釋放的能量會以γ光子的形式向外釋放，依據(jù)愛因斯坦質能方程可知，γ光子的能量為Δmc2，Δm為反應中的質量虧損，c為光在真空中的速度，C正確；盡管存在質量虧損Δm，但核反應中的“質量虧損”并不是質量消逝，所以“物質不滅”的說法仍是正確的，D錯誤．5．(多選)我國科技工作者分別在1964年、1967年勝利爆炸了我國第一顆原子彈和氫彈．下列核反應方程中可表示兩彈的爆炸原理的是()A．eq\o\al(14,7)N＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(17,8)O＋eq\o\al(1,1)HB．eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(90,38)Sr＋eq\o\al(139,54)Xe＋7eq\o\al(1,0)nC．eq\o\al(238,92)U→eq\o\al(234,90)Th＋eq\o\al(4,2)HeD．eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)n【答案】BD【解析】原子彈是利用核裂變反應，而氫彈是利用核聚變反應，B項對應原子彈的爆炸原理，D對應氫彈的爆炸原理；A為人工核轉變，C為核衰變反應，不符合要求，選B、D．6．(2024年永州適應性考試)華能石島灣高溫氣冷堆核電站是我國自主研發(fā)的世界首座具有第四代核電特征的核電站．核反應堆是核電站的心臟，它是通過可控鏈式核裂變反－－應來實現(xiàn)核能利用的．一個eq\o\al(235,92)U原子核在中子的轟擊下發(fā)生裂變反應，其裂變方程為eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(y,x)Sr＋eq\o\al(139,54)Xe＋3eq\o\al(1,0)n，下列說法正確的是()A．核反應方程中Sr的中子數(shù)為56B．核反應方程中Sr的質量數(shù)為92C．因為裂變釋放能量，出現(xiàn)質量虧損，所以裂變后的總質量數(shù)削減D．因為裂變釋放能量，Xe原子核的比結合能應比U原子核的小【答案】A【解析】依據(jù)質量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒可得235＋1＝y(tǒng)＋139＋3，92＝x＋54，解得y＝94，x＝38，所以核反應方程中Sr的中子數(shù)為z＝y(tǒng)－x＝56，A正確、B錯誤；核裂變釋放能量，會出現(xiàn)質量虧損，但是總質量數(shù)不變，C錯誤；比結合能越大，原子核越穩(wěn)定，eq\o\al(235,)92U原子核裂變得到Xe原子核，說明Xe原子核比eq\o\al(235,)92U原子核穩(wěn)定，即Xe原子核的比結合能應比eq\o\al(235,)92U原子核的大，D錯誤．7．(多選)核反應堆是利用中子轟擊重核發(fā)生裂變反應，釋放出大量核能．eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(141,56)Ba＋eq\o\al(92,36)Kr＋aX是反應堆中發(fā)生的很多核反應中的一種，X是某種粒子，a是X粒子的個數(shù)，用mU、mBa、mKr分別表示eq\o\al(235,92)U、eq\o\al(141,56)Ba、eq\o\al(92,36)Kr核的質量，mX表示X粒子的質量，c為真空中的光速，以下說法正確的是()A．X為中子，a＝2B．X為中子，a＝3C．上述核反應中放出的核能ΔE＝(mU－mBa－mKr－2mX)c2D．上述核反應中放出的核能ΔE＝(mU－mBa－mKr－3mX)c2【答案】BC【解析】核反應中，質量數(shù)守恒，電荷數(shù)守恒，則知eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(141,56)Ba＋eq\o\al(92,36)Kr＋aX中X為eq\o\al(1,0)n，a＝3，A錯誤，B正確．由ΔE＝Δmc2可得ΔE＝(mU＋mX－mBa－mKr－3mX)c2＝(mU－mBa－mKr－2mX)c2，C正確，D錯誤．8．(2024年?？跈z測)eq\o\al(235,92)U的一種核反應方程為eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(144,56)Ba＋eq\o\al(89,36)Kr＋3eq\o\al(1,0)n，生成的eq\o\al(144,56)Ba還會發(fā)生β衰變．下列說法正確的是()A．鈾發(fā)生的這種核反應又叫熱核反應，須要很高的溫度B．鈾發(fā)生的這種核反應產(chǎn)生慢中子，對中子加速后可發(fā)生鏈式反應C．eq\o\al(144,56)Ba發(fā)生β衰變時產(chǎn)生的β射線是鋇原子核外的電子躍遷形成的D．eq\o\al(144,56)Ba發(fā)生β衰變的速度不能通過調整壓強和溫度來限制【答案】D【解析】鈾發(fā)生的這種核反應屬于核裂變反應，不屬于核聚變反應，不須要很高的溫度，A錯誤；鈾發(fā)生的這種核反應產(chǎn)生快中子，用慢化劑對其減速后可發(fā)生鏈式反應，B錯誤；eq\o\al(144,56)Ba發(fā)生β衰變時產(chǎn)生的β射線是原子核內中子轉化為質子時產(chǎn)生的，C錯誤；eq\o\al(144,56)Ba衰變的快慢是由核內部自身的因素確定的，與外界因素無關，D正確．9．一個氘核和一個氚核經(jīng)過核反應后生成氦核和中子，同時放出一個γ光子．已知氘核、氚核、中子、氦核的質量分別為m1、m2、m3、m4，普朗克常量為h，真空中的光速為c.下列說法正確的是()A．這個核反應是裂變反應B．這個反應的核反應方程是eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋2eq\o\al(1,0)n＋γC．輻射出的γ光子的能量E＝(m3＋m4－m1－m2)c2D．輻射出的γ光子在真空中的波長λ＝eq\f(h,(m1＋m2－m3－m4)c)【答案】D【解析】該核反應方程為eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)n＋γ，該反應為聚變反應，故A、B錯誤；依據(jù)愛因斯坦質能方程知，輻射的光子能量E＝Δmc2＝(m1＋m2－m3－m4)c2，C錯誤；光子能量為E＝hν＝heq\f(c,λ)，則有λ＝eq\f(h,(m1＋m2－m3－m4)c)，D正確．10．(2024年朝陽段考)為了疼惜環(huán)境，削減碳排放，目前世界各國都在努力實現(xiàn)可控核聚變以替代核裂變，我國的核聚變探討已經(jīng)居于世界前列．關于核裂變和核聚變，下列說法正確的是()A．核裂變和核聚變前后，電荷量和質量均守恒B．同質量的原材料，核裂變比核聚變釋放出的能量更高C．核聚變過程生成的新核的比結合能小于反應前原子核的比結合能D．核裂變和核聚變反應后的平均核子質量減小【答案】D【解析】核反應遵循質量數(shù)與電荷數(shù)守恒，即核裂變和核聚變前后，電荷量和質量數(shù)均守恒，由于核裂變和核聚變釋放能量，依據(jù)質能方程可知，核裂變和核聚變后存在質量虧損，故A錯誤；同質量的原材料，核聚變比核裂變釋放出的能量更高，故B錯誤；核聚變過程釋放出能量，即生成的新核比反應前原子核更加穩(wěn)定，則生成的新核的比結合能大于反應前原子核的比結合能，故C錯誤；由于核裂變和核聚變釋放能量，核裂變和核聚變后存在質量虧損，可知核裂變和核聚變反應后的平均核子質量減小，故D正確．B組·實力提升11．(1)核電站利用原子核鏈式反應放出的巨大能量進行發(fā)電，eq\o\al(235,92)U是核電站常用的核燃料．eq\o\al(235,92)U受一個中子轟擊后裂變成eq\o\al(144,56)Ba和eq\o\al(89,36)Kr兩部分，并產(chǎn)生______個中子．要使鏈式反應發(fā)生，裂變物質的體積要______(填“大于”或“小于”)它的臨界體積．(2)取質子的質量mp＝1.6726×10-27kg，中子的質量mn＝1.6749×10-27kg，α粒子的質量mα＝6.6467×10-27kg，光速c＝3.0×108m/s.則α粒子的結合能為____________．(結果保留兩位有效數(shù)字).【答案】(1)3大于(2)4.3×10-12J【解析】(1)由eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(144,56)Ba＋eq\o\al(89,36)Kr＋3eq\o\al(1,0)n可知，會產(chǎn)生3個中子，要使裂變持續(xù)進行(鏈式反應)，物質的體積須要大于它的臨界體積．(2)組成α粒子的核子與α粒子的質量差為Δm＝2mp＋2mn－mα，結合能ΔE＝Δmc2，代入數(shù)據(jù)得ΔE＝4.3×10-12J．12．已知氘核質量為2.0136u，中子質量為1.0087u，eq\o\al(3,2)He核的質量為3.0150u．兩個速率相等的氘核對心碰撞聚變成eq\o\al(3,2)He并放出一個中子，釋放的核能全部轉化為機械能．(質量虧損為1u時，釋放的能量為931.5MeV.除了計算質量虧損外，eq\o\al(3,2)He的質量可以認為是中子的3倍)(1)寫出該核反應的反應方程式；(2)該核反應釋放的核能是多少？(3)若測得反應后生成中子的動能是3.12MeV，則反應前每個氘核的動能是多少？解：(1)核反應方程為eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(2,1)H→eq\o\al(3,2)He＋eq\o\al(1,0)n.(2)質量虧損為Δm＝2.0136u×2－(3.0150u＋1.0087u)＝0.0035u，釋放的核能為ΔE＝0.0035×931.5MeV＝3.26MeV.(3)設中子和eq\o\al(3,2)He核的質量分別為m1、m2，速度分別為v1、v2.反應前每個氘核的動能是E0，反應后中子和eq\o\al(3,2)He核動能分別為E1、E2，依據(jù)動量守恒定律，得m1v1－m2v2＝0，eq\f(E1,E2)＝eq\f(p2,2m1)∶eq\f(p2,2m2)＝eq\f(m2,m1)＝3，E2＝eq\f(E1,3)＝1.04MeV.由能量的轉化和守恒定律，得E1＋E2＝2E0＋ΔE，E0＝0.45MeV.13．在全部能源中，核能具有能量密度大，地區(qū)適應性強的優(yōu)勢，在核電站中，核反應堆釋放的核能被轉化為電能．核反應堆的工作原理是利用中子轟擊重核發(fā)生裂變反應，釋放出大量核能．(1)核反應方程式eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(141,56)Ba＋eq\o\al(92,36)Kr＋aX是反應堆中發(fā)生的很多核反應中的一種，eq\o\al(1,0)n為中子，X為待求粒子，a為X的個數(shù)，則X是什么？a為多少？以mU、mBa、mKr分別表示eq\o\al(235,92)U、eq\o\al(141,56)Ba、eq\o\al(92,36)Kr核的質量，mn、mp分別表示中子、質子的質量，c為光在真空中傳播的速度，則在上述核反應過程中放出的核能ΔE是多少？(2)有一座發(fā)電實力為P＝1.00×106kW的核電站，核能轉化為電能的效率η＝40%，假定反應堆中發(fā)生的裂變反應全是本題(1)中的核反應，已知每次核反應過程放出的核能ΔE＝2.78×10-11J，核的質量mU＝390×10-27kg，求每年(1年≈3.15×107s)消耗的eq\o\al(235,92)U的質量．解：(1)由反應方程可知X為eq\o\al(1,0)n，a為3，釋放的能量為ΔE＝(mU－mBa－mKr－2mn)c2.(2)因電站發(fā)電效率為40%，故電站消耗eq\o\al(23