2024-2025學(xué)年新教材高中物理課時(shí)作業(yè)17核裂變和核聚變核能的利用與環(huán)境保護(hù)含解析魯科版選擇性必修3

PAGE5-課時(shí)分層作業(yè)(十七)核裂變和核聚變核能的利用與環(huán)境愛護(hù)(建議用時(shí)：25分鐘)◎考點(diǎn)一鈾核裂變及鏈?zhǔn)椒磻?yīng)1．下列核反應(yīng)中，表示核裂變的是()A．eq\o\al(238,92)U→eq\o\al(234,90)Th＋eq\o\al(4,2)HeB．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)nC．eq\o\al(14,6)C→eq\o\al(14,7)N＋eq\o\al(0,－1)eD．eq\o\al(9,4)Be＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(12,6)C＋eq\o\al(1,0)nB[題目選項(xiàng)中，eq\o\al(238,92)U→eq\o\al(234,90)Th＋eq\o\al(4,2)He是α衰變，eq\o\al(14,6)C→eq\o\al(14,7)N＋eq\o\al(0,－1)e是β衰變，eq\o\al(9,4)Be＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(12,6)C＋eq\o\al(1,0)n是人工核轉(zhuǎn)變，只有B選項(xiàng)是重核裂變，故B正確．]2．(多選)關(guān)于鈾核裂變，下列說法正確的是()A．鈾核裂變的產(chǎn)物是多種多樣的，但只能裂變成兩種不同的核B．鈾核裂變可能同時(shí)釋放2～3個(gè)中子C．為了使裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)簡(jiǎn)單進(jìn)行，最好用濃度較高的鈾235D．鈾塊的體積對(duì)產(chǎn)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)無影響B(tài)C[鈾核裂變的產(chǎn)物是多種多樣的，具有極大的偶然性，但裂變成兩個(gè)核的狀況較多，也會(huì)分裂成多個(gè)核，并放出幾個(gè)中子．鈾235被中子轟擊時(shí)，裂變的概率大，且可以俘獲各種能量的中子引起裂變，而鈾238只有俘獲能量在1MeV以上的中子才能發(fā)生裂變，且裂變的概率小，而要引起鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，必需使鈾塊的體積大于臨界體積，為了使裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)簡(jiǎn)單進(jìn)行，最好用濃度較高的鈾235．故選項(xiàng)B、C正確．]◎考點(diǎn)二重核裂變的應(yīng)用3．關(guān)于核反應(yīng)堆中用鎘棒限制反應(yīng)速度的原理，下列說法正確的是()A．鎘棒能釋放中子，依靠釋放的多少限制反應(yīng)速度B．用鎘棒插入的多少限制快中子變?yōu)槁凶拥臄?shù)量C．利用鎘棒對(duì)中子汲取實(shí)力強(qiáng)的特點(diǎn)，依靠插入的多少限制中子數(shù)量D．鎘棒對(duì)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(yīng)速度C[鎘棒不會(huì)釋放中子，A錯(cuò)誤；鎘棒不是減速劑，不能使快中子變?yōu)槁凶?，B、D錯(cuò)誤；鎘棒對(duì)中子有汲取作用，通過中子強(qiáng)度檢測(cè)器檢測(cè)，當(dāng)反應(yīng)太強(qiáng)，鎘棒能自動(dòng)插入，多汲取中子，反之，自動(dòng)抽出，少汲取中子，故鎘棒也叫限制棒，C正確．]4．裂變反應(yīng)是目前核能利用中常用的反應(yīng)，以原子核eq\o\al(235,92)U為燃料的反應(yīng)堆中，eq\o\al(235,92)U俘獲一個(gè)慢中子后發(fā)生裂變反應(yīng)可以有多種方式，其中一種方式可表示為：eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(139,54)Xe＋eq\o\al(94,38)Sr＋3eq\o\al(1,0)n235.04391.0087138.917893.9154反應(yīng)方程下方的數(shù)字是中子及有關(guān)原子核靜止時(shí)的質(zhì)量(以原子質(zhì)量單位u為單位)，已知1u的質(zhì)量對(duì)應(yīng)的能量為931.5MeV，求：(1)該反應(yīng)中放出的能量是多少M(fèi)eV?(2)1kg鈾235大約產(chǎn)生多少能量？(保留2位有效數(shù)字)[解析](1)裂變前后的質(zhì)量虧損為Δm＝mU＋mn－mXe－mSr－3mn，由質(zhì)能方程ΔE＝Δm×931.5MeV，得ΔE＝(235.0439－138.9178－93.9154－2×1.0087)×931.5MeV≈1.8×102MeV．(2)1kg鈾235的鈾核數(shù)為n＝eq\f(1000,235)×6.02×1023個(gè)≈2.56×1024個(gè)．故1kg鈾235完全裂變產(chǎn)生的能量約為E＝n·ΔE＝2.56×1024×1.8×102MeV≈4.6×1026MeV．[答案](1)1.8×102MeV(2)4.6×1026MeV◎考點(diǎn)三重核裂變與輕核聚變的區(qū)分5．太陽每秒輻射出來的能量約為3.8×1026J，這些能量是()①重核的裂變反應(yīng)中產(chǎn)生的②輕核的聚變反應(yīng)中產(chǎn)生的③原子核的衰變反應(yīng)中產(chǎn)生的④熱核反應(yīng)中產(chǎn)生的A．①② B．②③C．③④ D．②④D[由于太陽的主要成分是氫，它釋放出的巨大能量來源于氫核的聚變反應(yīng)．這一反應(yīng)又叫熱核反應(yīng)，故D正確．]6．(多選)核聚變的主要原料是氘，在海水中含量極其豐富．已知氘核的質(zhì)量為m1，中子的質(zhì)量為m2，eq\o\al(3,2)He的質(zhì)量為m3，質(zhì)子的質(zhì)量為m4，則下列說法中正確的是()A．兩個(gè)氘核聚變成一個(gè)eq\o\al(3,2)He所產(chǎn)生的另一個(gè)粒子是質(zhì)子B．兩個(gè)氘核聚變成一個(gè)eq\o\al(3,2)He所產(chǎn)生的另一個(gè)粒子是中子C．兩個(gè)氘核聚變成一個(gè)eq\o\al(3,2)He所釋放的核能為(2m1－m3－m4)c2D．與受控核聚變比較，現(xiàn)行的核反應(yīng)堆產(chǎn)生的廢物具有放射性BD[由核反應(yīng)方程2eq\o\al(2,1)H→eq\o\al(3,2)He＋eq\o\al(1,0)X知，X應(yīng)為中子，釋放的核能應(yīng)為ΔE＝(2m1－m3－m2)c2，聚變反應(yīng)的污染特別小，而現(xiàn)行的裂變反應(yīng)的廢料具有很強(qiáng)的放射性，故A、C錯(cuò)誤，B、D正確．]7．我國自行設(shè)計(jì)并研制的“人造太陽”——托卡馬克試驗(yàn)裝置運(yùn)行獲得重大進(jìn)展，這標(biāo)記著我國已經(jīng)邁入可控?zé)岷朔磻?yīng)領(lǐng)域先進(jìn)國家行列．該反應(yīng)所進(jìn)行的聚變過程是eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)n，反應(yīng)原料氘(eq\o\al(2,1)H)富存于海水中，而氚(eq\o\al(3,1)H)是放射性元素，自然界中不存在，但可以通過中子轟擊鋰核(eq\o\al(6,3)Li)的人工核轉(zhuǎn)變得到．(1)請(qǐng)把下列用中子轟擊鋰核(eq\o\al(6,3)Li)產(chǎn)生一個(gè)氚核(eq\o\al(3,1)H)和一個(gè)新核的人工核轉(zhuǎn)變方程填寫完整：________＋eq\o\al(1,0)n→________＋eq\o\al(3,1)H．(2)在(1)中，每產(chǎn)生1g氚的同時(shí)有多少個(gè)eq\o\al(6,3)Li核實(shí)現(xiàn)了核轉(zhuǎn)變？(阿伏伽德羅常數(shù)NA取6.0×1023mol－1)(3)一個(gè)氘核和一個(gè)氚核發(fā)生核聚變時(shí)，平均每個(gè)核子釋放的能量為5.6×10－13J，求該核聚變過程中的質(zhì)量虧損．[解析](1)核反應(yīng)方程為：eq\o\al(6,3)Li＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(3,1)H．(2)因?yàn)?g氚為eq\f(1,3)mol，依據(jù)核反應(yīng)方程，實(shí)現(xiàn)核轉(zhuǎn)變的eq\o\al(6,3)Li也為eq\f(1,3)mol，所以有2.0×1023個(gè)eq\o\al(6,3)Li實(shí)現(xiàn)了核轉(zhuǎn)變．(3)依據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程ΔE＝Δmc2，核聚變反應(yīng)中有5個(gè)核子參與了反應(yīng)，5個(gè)核子釋放總能量ΔE＝5×5.6×10－13J＝2.8×10－12J，所以質(zhì)量虧損為Δm＝eq\f(ΔE,c2)＝eq\f(2.8×10－12,3×1082)kg＝3.1×10－29kg．[答案](1)eq\o\al(6,3)Lieq\o\al(4,2)He(2)2.0×1023個(gè)(3)3.1×10－29kg◎考點(diǎn)四核能的利用與環(huán)境愛護(hù)8．(多選)2024年以前我國將新增投產(chǎn)2300萬千瓦的核電站，核電站與火電站相比較，下列說法正確的是()A．核燃料釋放的能量遠(yuǎn)大于相等質(zhì)量的煤放出的能量B．就可采儲(chǔ)量來說，地球上核燃料資源遠(yuǎn)大于煤炭C．在經(jīng)濟(jì)效益方面核電與火電不前不后D．核電站沒有任何污染AC[核燃料釋放的能量遠(yuǎn)大于相等質(zhì)量的煤放出的能量，A項(xiàng)正確；就可采儲(chǔ)量所供應(yīng)的能量來說，遠(yuǎn)大于煤炭所能供應(yīng)的能量，而不是采儲(chǔ)量，B項(xiàng)錯(cuò)誤；在經(jīng)濟(jì)效益方面核電與火電不前不后，C項(xiàng)正確；核電站是有污染的，核反應(yīng)堆用過的核廢料具有很強(qiáng)的輻射性，要做特別處理，D項(xiàng)錯(cuò)誤．]9．(多選)如圖所示，托卡馬克(tokamak)是探討受控核聚變的一種裝置，這個(gè)詞是toroidal(環(huán)形的)、kamera(真空室)、magnet(磁)的頭兩個(gè)字母以及kotushka(線圈)的第一個(gè)字母組成的縮寫詞．依據(jù)以上信息，下列推斷中可能正確的是()A．這種裝置的核反應(yīng)原理是輕核的聚變，同時(shí)釋放出大量的能量，和太陽發(fā)光的原理類似B．線圈的作用是通電產(chǎn)生磁場(chǎng)使帶電粒子在磁場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)而不溢出C．這種裝置同我國秦山、大亞灣核電站所運(yùn)用核裝置的核反應(yīng)原理相同D．這種裝置是科學(xué)家設(shè)想的其中一種方案ABD[聚變反應(yīng)原料在裝置中發(fā)生聚變，放出能量，故A對(duì)；線圈通電時(shí)產(chǎn)生磁場(chǎng)，帶電粒子在磁場(chǎng)中受洛倫茲力作用旋轉(zhuǎn)而不溢出，故B對(duì)；核電站的原理是裂變，托卡馬克的原理是聚變，故C錯(cuò)；該裝置是科學(xué)家設(shè)想的其中一種方案，故D對(duì)．](建議用時(shí)：15分鐘)10．(多選)據(jù)新華社報(bào)道，由我國自行設(shè)計(jì)、研制的世界第一套全超導(dǎo)核聚變?cè)囼?yàn)裝置(又稱“人造太陽”)已完成了首次工程調(diào)試．下列關(guān)于“人造太陽”的說法正確的是()A．“人造太陽”的核反應(yīng)方程是eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)nB．“人造太陽”的核反應(yīng)方程是eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(141,56)Ba＋eq\o\al(92,36)Kr＋3eq\o\al(1,0)nC．依據(jù)公式E＝mc2可知，核燃料的質(zhì)量相同時(shí)，聚變反應(yīng)釋放的能量與裂變反應(yīng)相同D．核燃燒的質(zhì)量相同時(shí)，聚變反應(yīng)過程的質(zhì)量虧損比裂變反應(yīng)過程的質(zhì)量虧損大得多AD[eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)n是氫核聚變方程，A正確；依據(jù)氫核聚變特點(diǎn)，相同質(zhì)量的核燃料，氫核聚變釋放的能量比裂變反應(yīng)大得多，氫核聚變反應(yīng)過程的質(zhì)量虧損比裂變反應(yīng)過程的質(zhì)量虧損大得多，D正確．]11．利用氦3(eq\o\al(3,2)He)和氘進(jìn)行的聚變反應(yīng)平安無污染，簡(jiǎn)單限制．月球上有大量的氦3，每個(gè)航天大國都將獲得氦3作為開發(fā)月球的重要目標(biāo)之一．“嫦娥一號(hào)”探月衛(wèi)星執(zhí)行的一項(xiàng)重要任務(wù)就是評(píng)估月壤中氦3的分布和儲(chǔ)量．已知兩個(gè)氘核聚變生成一個(gè)氦3和一個(gè)中子的核反應(yīng)方程是：2eq\o\al(2,1)H→eq\o\al(3,2)He＋eq\o\al(1,0)n＋3.26MeV，若有2g氘全部發(fā)生聚變，則釋放的能量是(NA為阿伏伽德羅常數(shù))()A．0.5×3.26MeV B．3.26MeVC．0.5NA×3.26MeV D．NA×3.26MeVC[2g氘核的摩爾數(shù)n＝eq\f(2,2)mol＝1mol，因?yàn)?個(gè)氘核聚變可放出3.26MeV的能量，所以2g氘核全部發(fā)生聚變時(shí)釋放的能量為0.5NA×3.26MeV，故C正確，其他選項(xiàng)錯(cuò)誤．]12．兩個(gè)氘核聚變產(chǎn)生一個(gè)中子和一個(gè)氦核(氦的同位素)．已知氘核質(zhì)量mD＝2.0136u，氦核質(zhì)量mHe＝3.0150u，中子質(zhì)量mn＝1.0087u．(1)寫出聚變方程并算出釋放的核能；(已知質(zhì)量虧損1u釋放的核能為931.5MeV)(2)若反應(yīng)前兩氘核的動(dòng)能均為EkD＝0.35MeV．它們正面對(duì)撞發(fā)生聚變，且反應(yīng)后釋放的核能全部轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能，則反應(yīng)產(chǎn)生的氦核和中子的動(dòng)能各為多大？[解析](1)核反應(yīng)方程為eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(2,1)H→eq\o\al(1,0)n＋eq\o\al(3,2)He，該反應(yīng)質(zhì)量虧損Δm＝2mD－mHe－mn＝0.0035u，由質(zhì)能方程得釋放核能ΔE＝Δm×931.5MeV＝0.0035×931.5MeV≈3.26MeV．(2)將兩個(gè)氘核作為一個(gè)系統(tǒng)，由系統(tǒng)動(dòng)量守恒有0＝mHevHe－mnvn，由于eq\f(mHe,mn)＝eq\f(3,1)，則vHe＝eq\f(1,3)vn，又由能量守恒有eq\f(1,2)mHeveq\o\al(2,He)＋eq\f(1,2)mnveq\o\al(2,n)＝ΔE＋2EkD，代入數(shù)據(jù)可得EkHe＝0.99MeV，Ekn＝2.97MeV．[答案](1)eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(2,1)H→eq\o\al(3,2)He＋eq\o\al(1,0)n3.26MeV(2)0.99MeV2.97MeV13．核聚變能是一種具有經(jīng)濟(jì)性能優(yōu)越、平安牢靠、無環(huán)境污染等優(yōu)勢(shì)的新能源．近幾年來，受控核聚變的科學(xué)可行性已得到驗(yàn)證，目前正在突破關(guān)鍵技術(shù)，最終將建成商用核聚變電站．一種常見的核聚變反應(yīng)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(gè)中子．若已知氘原子的質(zhì)量為2.0141u，氚原子的質(zhì)量為3.0160u，氦原子的質(zhì)量為4.0026u