2024-2025學年新教材高中物理第五章原子核4-5核裂變與核聚變基本粒子課時練習含解析新人教版選擇性必修3

PAGE7-核裂變與核聚變“基本”粒子(25分鐘·60分)一、選擇題(本題共6小題,每題6分,共36分)1.核潛艇是以核反應堆為動力來源的潛艇,有一種核裂變方程為n→XSr+1n。關于裂變反應及上述裂變反應產物,下列說法正確的是 ()A.裂變反應中虧損的質量變成了能量B.裂變反應出現質量虧損導致質量數不守恒C.X原子核中有54個中子D.X原子核比鈾核的比結合能大【解析】選D。在裂變反應中虧損的質量以能量的形式釋放出來,不是虧損的質量變成了能量,故A錯誤;裂變反應中,電荷數守恒、質量數守恒,故B錯誤;依據電荷數守恒知X的電荷數為92-38=54,即質子數為54,依據質量數守恒X的質量數為235+1-94-10×1=132,故其中子數為132-54=78,故C錯誤;中等核的比結合能較大,知X原子核比鈾核的平均結合能大,故D正確。2.在眾多的裂變反應中,有一種反應方程為UnBa+Kr+aX,其中X為某種粒子,a為X的個數,則 ()A.X為中子,a=2B.X為中子,a=3C.X為質子,a=2 D.X為質子,a=3【解析】選B。由質量數、核電荷數守恒得UnBa+Kr+n,所以X為中子,a=3,故B正確。3.(2024·全國Ⅱ卷)氘核H可通過一系列聚變反應釋放能量,其總效果可用反應式HHe+H+n+43.15MeV表示。海水中富含氘,已知1kg海水中含有的氘核約為1.0×1022個,若全都發(fā)生聚變反應,其釋放的能量與質量為M的標準煤燃燒時釋放的熱量相等;已知1kg標準煤燃燒釋放的熱量約為2.9×107J,1MeV=1.6×10-13J,則M約為 ()A.40kg B.100kgC.400kg D.1000kg【解析】選C。6個氘核聚變可釋放43.15MeV能量,故1kg海水中的氘核全部發(fā)生聚變釋放的能量為Q1=43.15×1.6×10-13×J,質量為M的標準煤燃燒釋放的熱量為Q2=M×2.9×107J,因Q1=Q2,解得M≈400kg,C正確,A、B、D錯誤。4.鈾核裂變是核電站核能的重要來源,其一種裂變反應是,下列說法正確的有 ()A.上述裂變反應中伴隨著α粒子放出B.鈾塊體積對鏈式反應的發(fā)生無影響C.鈾核的鏈式反應可人工限制D.鈾核的半衰期會受到環(huán)境溫度的影響【解析】選C。由鈾核反應方程知,沒有α粒子產生,故A錯誤;鈾塊的體積必需達到臨界體積才能發(fā)生鏈式反應,故B錯誤;核反應堆的鈾核鏈式反應的速度可人工限制,故C正確;放射性元素的半衰期由核本身的因素確定,與環(huán)境溫度無關,故D錯誤。5.依據宇宙大爆炸的理論,在宇宙形成之初是“粒子家族”盡顯風采的時期,那么在大爆炸之后最早產生的粒子是 ()A.夸克、輕子、膠子等粒子B.質子和中子等強子C.光子、中微子和電子等輕子D.氫核、氘核、氦核等輕核【解析】選A。宇宙形成之初產生了夸克、輕子和膠子等粒子,之后又經驗了質子和中子等強子時代,再之后是自由光子、中微子、電子大量存在的輕子時代,再之后是中子和質子組合成氘核,并形成氦核的核合成時代,之后電子和質子復合成氫原子,最終形成恒星和星系,因此A正確,B、C、D錯誤。6.中國科學家吳宜燦獲得2024年歐洲聚變核能創(chuàng)新獎,獲獎理由:開發(fā)了一種新的基于CAD的粒子傳輸軟件,用于核設計和輻射平安計算。下列關于聚變的說法中,正確的是 ()A.同樣質量的物質裂變時釋放的能量比同樣質量的物質聚變時釋放的能量大許多B.裂變過程有質量虧損,聚變過程質量有所增加C.核反應堆產生的能量來自輕核聚變D.聚變反應每個核子釋放的平均能量肯定比裂變反應大【解析】選D。依據聚變與裂變的特點可知,同樣質量的物質聚變時釋放的能量比同樣質量的物質裂變時釋放的能量大許多,故A錯誤;裂變過程有質量虧損,聚變過程質量也虧損,故B錯誤;核反應堆產生的能量來自重核裂變,故C錯誤;在一次聚變反應中釋放的能量不肯定比裂變反應多,但平均每個核子釋放的能量肯定大,故D正確。二、非選擇題(本題共2小題,共24分。要有必要的文字說明和解題步驟,有數值計算的要標明單位)7.(12分)裂變反應是目前核能利用中常用的反應,以原子核U為燃料的反應堆中,當U俘獲一個慢中子后發(fā)生的裂變反應可以有多種方式,其中一種可表示為U+n→Xe+Sr+n235.04391.0087138.917893.9154反應方程下方的數字是中子及有關原子的靜止質量(以原子質量單位u為單位),已知1u的質量對應的能量為9.3×102MeV,此裂變反應釋放出的能量是多少MeV?【解析】此裂變反應的質量虧損為:(235.0439+1.0087)u-(138.9178+93.9154+3×1.0087)u=0.1933u由1u的質量對應的能量為9.3×102MeVΔE=9.3×102×0.1933MeV≈1.80×102MeV。答案:1.80×102MeV【總結提升】裂變問題的分析方法(1)對于裂變問題,要知道是什么原子核發(fā)生了裂變,寫出原子核的裂變方程,應當留意裂變方程的質量數和電荷數守恒;更應當留意的是,原子核的裂變方程必需是能夠實際發(fā)生的,不能隨意編造,并不是全部滿意質量數和電荷數守恒的方程都能發(fā)生。(2)依據質能方程ΔE=Δmc2,由反應前后原子核的質量虧損,可以計算出一個原子核裂變時釋放的能量。(3)依據1原子質量單位(u)相當于931.5兆電子伏(MeV)能量計算,用核子結合成原子核時質量虧損的原子質量單位乘以931.5MeV,即ΔE=Δm×931.5MeV。(4)由每個鈾核反應釋放的核能乘以鈾核個數求得E=ΔE每個×NA×。8.(12分)科學家初步估計月球土壤中至少有100萬噸“氦3”(即He),它是熱核聚變的重要原料。假如月球開發(fā)勝利,將為地球帶來取之不盡的能源。已知氦3核與氘核發(fā)生聚變反應有質子流產生。(1)寫出核反應方程。(2)若該反應中質量虧損為9.0×10-30kg【解析】(1)核反應方程式為:HeHHHe。(2)核反應過程中質量虧損為Δm,依據愛因斯坦質能方程ΔE=Δmc2,可得釋放的能量ΔE=9.0×10-30×(3×108)2J=8.1×10-13J。答案:(1HeHHHe(2)8.1×10-13J(15分鐘·40分)9.(7分)(多選)日本福島第一核電站在地震后,數秒內就將限制棒插入核反應堆芯,終止了鈾的裂變鏈式反應。但海嘯摧毀了機組的冷卻系統(tǒng),因裂變遺留的產物銫、鋇等接著衰變不斷釋放能量,核燃料棒溫度不斷上升,對周邊環(huán)境產生了巨大的危害。則下列說法正確的是 ()A.限制棒通過汲取中子來實現對核反應的限制B.日本后來向反應堆灌注海水,可以降溫,但大量被污染的海水外泄,對周邊環(huán)境產生了巨大的危害C.核裂變遺留物銫、鋇等原子的質量可能比鈾原子質量大D.核泄漏中放射性物質對人類是有害的【解析】選A、B、D。限制棒通過汲取中子來實現對核反應速度的限制,選項A正確;日本后來向反應堆灌注海水,大量被污染的海水外泄,泄漏的放射性物質對周邊環(huán)境產生了巨大的危害,選項B、D正確;因為核反應有能量釋放,可知銫、鋇等原子的質量比鈾原子質量小,故C錯誤?！狙a償訓練】關于核反應堆中用鎘棒限制反應速度的原理,下列說法正確的是 ()A.鎘棒能釋放中子,依靠釋放中子的多少限制反應速度B.用鎘棒插入的多少限制快中子變?yōu)槁凶拥臄盗緾.利用鎘棒對中子汲取實力強的特點,依靠插入的多少限制中子數量D.鎘棒對鈾核裂變有一種阻礙作用,利用其與鈾的接觸面積的大小限制反應速度【解析】選C。鎘棒并不能釋放中子,也不能使中子減速,對鈾核裂變也沒有阻礙作用,而是利用其對中子汲取實力強的特點,通過限制中子數量的多少而限制核反應速度,故C正確。10.(7分)(多選)在某核反應堆中,在鈾棒()四周放置重水作為“慢化劑”,已知重水的原子核質量是中子的20倍,中子與重水原子核每次碰撞都可看成是彈性碰撞,且每次碰撞前重水原子核都可以認為是靜止的。則下列說法正確的是 ()A.鈾棒四周放置“慢化劑”的目的是使中子減速B.裂變產生2～3個中子,這些中子再與其他發(fā)生核反應,會形成鏈式反應C.中子與重水的原子核碰撞一次后速率為原來的D.中子與重水的原子核碰撞10次后速率為原來的()10【解析】選A、B、D。鈾235發(fā)生裂變的條件是有慢中子轟擊,而核反應結束后的中子的速度都比較快,所以鈾棒四周放置“慢化劑”的目的是使中子減速,故A正確;依據產生鏈式反應的條件,結合U裂變的特點可知,裂變產生2～3個中子,這些中子再與其他發(fā)生核反應,會形成鏈式反應,故B正確;中子與重水原子核每次碰撞都可看成是彈性碰撞,選取中子運動的初速度v0的方向為正方向,設中子的質量為m,則由動量守恒定律得:mv0=mv1+msvs由動能守恒得:m=m+ms由于ms=20m聯(lián)立可得:v1=v0,故C錯誤;結合C選項的分析可知,每一次碰撞后,中子的速度都變成碰撞前的,所以中子與重水的原子核碰撞10次后速率為原來的()10,故D正確。11.(7分)(多選)下列敘述正確的是 ()A.強子是參加強相互作用的粒子B.輕子是不參加強相互作用的粒子C.目前發(fā)覺的輕子只有8種D.夸克有6種,它們帶的電荷量分別為元電荷的+或-【解析】選A、B、D。由三類粒子的特性可知A、B正確;而目前發(fā)覺的輕子只有6種,C錯誤;夸克模型經過幾十年的發(fā)展,已知夸克有6種,它們帶的電荷分別為元電荷的+或-,D正確。12.(19分)核聚變能是一種具有經濟性能優(yōu)越、平安牢靠、無環(huán)境污染等優(yōu)勢的新能源。受控核聚變的科學可行性已得到驗證,目前正在突破關鍵技術,最終將建成商用核聚變電站。一種常見的核聚變反應是由氫的同位素氘(又叫重氫)和氚(又叫超重氫)聚合成氦,并釋放一個中子。若已知氘原子的質量為2.0141u,氚原子的質量為3.0162u,氦原子的質量為4.0026u,中子的質量為1.0087u,1u=1.66×10-27kg(1)寫出氘和氚聚變的反應方程。(2)試計算這個核反應釋放出來的能量。(3)若建一座功率為3.0×105kW的核聚變電站,假設聚變所產生的能量有一半轉化成了電能,求每年要消耗的氘的質量。(一年按3.2×107s計算