5.4核裂变和核聚变 同步作业（Word版含答案）

5.4核裂变和核聚变 同步作业（解析版）
一、选择题
1．中国的“人造太阳”，又称东方超环，全称是全超导托卡马克核聚变实验装置，是中国新一代先进磁约束核聚变实验研究装置。2021年5月28日，中国的“人造太阳”实现了可重复的1.2亿度101秒等离子体运行，刷新了世界纪录。所谓“人造太阳”，就是在地球上模拟太阳内部发生的核聚变反应，为人类提供源源不断的清洁能源。其内部发生的一种核聚变反应方程为，下列说法正确的是（　　）
A．反应产物X为
B．核聚变后的产物X比结合能小于的比结合能
C．可控的人工轻核聚变与核裂变相比更为安全、清洁
D．要实现核聚变，需要将轻核加热到很高的温度，使它们具有足够的动能克服核力作用而碰撞结合在一起
2．在下列四个方程中，X代表质子的是（　　）
A． B．
C． D．
3．下列四幅图涉及不同的物理知识，如图所示，其中说法正确的是（　　）
A．图甲，卢瑟福通过分析粒子散射实验结果，发现了质子和中子
B．图乙，用中子轰击铀核使其发生聚变，链式反应会释放出巨大的核能
C．图丙，玻尔理论指出氢原子能级是分立的，所以原子发射光子的频率是连续的
D．图丁，汤姆孙通过研究阴极射线发现电子，揭示了原子有复杂结构
4．核反应在原子核发生转变的同时伴随着巨大的能量变化，关于核反应和核能，下列说法正确的是（　　）
A．核反应方程属于轻核的聚变
B．原子核结合能越大，表明原子核中核子结合得越牢固，原子核就越稳定
C．太阳辐射能量是因为其内部在不断进行着核裂变反应
D．所有具有质量亏损的核反应都伴随着核能的释放
5．属于β衰变的核反应方程式是（ ）
A． B．
C． D．
6．2018年11月21日消息，中科院合肥物质科学研究院核能安全所吴宜灿研究员获得了美国核学会聚变核能杰出成就奖。关于聚变与衰变、天然放射现象，下列说法正确的是（　　）
A．原子核核子间的距离接近到10－10m就会发生聚变反应
B．Th衰变成Pb要经过6次α衰变和4次β衰变
C．天然放射现象中产生的α射线穿透能力很强且速度与光速相当
D．β衰变是放射性元素原子的核外电子具有较高能量时发生的
7．下列关于原子核的叙述正确的是（　　）
A．阴极射线表明原子核内部有电子
B．轻核聚变反应方程：，其中x表示电子
C．轻核聚变和重核裂变过程中都有质量亏损，都向外界放出能量
D．方程式是重核裂变反应方程
8．下列说法不正确的是（　　）
A．是核裂变 B．是重核裂变
C．是α衰变 D．是轻核聚变
9．2020年12月4日14时02分，新一代“人造太阳”装置——中国环流器二号M装置（HL-2M）在成都建成并实现首次放电，一个D（氘）核和T（氚）核发生聚变反应会产生一个中子，下列说法正确的是（　　）
A．该核反应方程式为
B．该核反应能够吸收大量能量
C．该反应能够在常温下进行
D．反应前平均核子质量比反应后大
10．2021年4月，日本决定将福岛核电站所产生的核废水排向海洋，此举引发了国际社会的广泛争议。据报道氚是核废水中主要放射性物质之一，其半衰期长达12.5年下列有关说法正确的是（　　）
A．福岛核电站所利用的核反应方程可能是
B．排放的核废水中所含有的氚全部衰变完需要25年
C．氚与氕、氚这两种同位素具有相同的中子数
D．氚发生变后生成的产物为氦的同位素
11．下列说法正确的是（　　）
A．，其中铀（U）的比结合能比钡（Ba）的小
B．，此方程为核聚变反应方程
C．卢瑟福通过粒子散射实验提出了原子核是由质子和中子组成的
D．几百万度的高温足以改变原子核衰变的半衰期
12．2021年5月28日，中科院合肥物质研究院的可控核聚变装置“人造太阳”全超导托卡马克（EAST），成功实现了1.2亿摄氏度的条件下人工可控核聚变101秒。已知该装置内部发生的核反应方程为++x+17.6MeV，已知的比结合能为1.09MeV，的比结合能为2.78MeV，则下列说法正确的是（　　）
A．x是质子
B．的比结合能一定小于1.09MeV
C．该反应属于α衰变
D．该反应中存在质量亏损
13．能源是社会发展的基础，发展核能是解决能源问题的途径之一，下列释放核能的反应方程，表述正确的有（　　）
A．是核聚变反应
B．是衰变
C．是核裂变反应
D．是衰变
14．关于核反应、核能，下列说法中正确的是（　　）
A．原子弹是利用轻核的聚变制成的，它利用氢弹引发热核反应
B．从到共发生了次衰变，次衰变
C．氢原子由低能级向高能级跃迁时，吸收光子的能量可以稍大于两能级间能量差
D．铅原子核的结合能大于铯原子核的结合能
15．新冠病毒是一种传染病毒，传染病的传播过程十分复杂，但是可以构建最简单的传播模型来描述，这个最简模型可称为链式模型，类似于核裂变链式反应模型。铀裂变核反应方程为＋→＋＋R，其中n表示中子。裂变后产生的中子能继续发生反应的次数称为链式反应的“传染系数”。下列说法正确的有（　　）
A．从铀裂变核反应方程看，“传染系数”R=2
B．核反应堆中通过镉板吸收中子降低“传染系数”
C．链式反应的临界值对应的实际“传染系数”为1
D．核反应堆中的实际“传染系数”与铀浓度无关
二、解答题
16．两个氘核聚变产生一个中子和一个氦核，已知氘核质量mD＝2.0136u，氦核质量mHe＝3.0150u，中子质量mn＝1.0087u。
(1)计算释放出的结合能；
(2)若反应前两氘核的动能均为Ek0＝0.35MeV，它们正撞发生聚变，且反应后释放的核能全部转变为动能，则反应产生的氦核和中子的动能各为多大？
17．两个动能均为的氘核，正面对心碰撞发生聚变，生成一个中子和氦核。已知氘核质量，中子质量，氦核质量。相当于的能量。（能量均以为单位，且保留两位小数）
(1)写出核聚变的方程式；
(2)计算上述核反应释放的核能；
(3)若核反应中释放的核能全部转化为动能，求生成的中子和氦核的动能、。
参考答案
1．C
【详解】
A．根据核聚变反应方程满足质子数和质量数守恒，可知反应物X为，选项A错误；
B．比结合能越大，物质越稳定，所以核聚变后的产物X比结合能应大于的比结合能，选项B错误；
C．可控的人工轻核聚变产物为氦核，没有辐射和污染，所以与核裂变相比更为安全、清洁，选项C正确；
D．核聚变反应，又称热核反应，需要超高温度，选项D错误。
故选C。
2．D
【详解】
A．根据质量数和核电荷数守恒可知，是粒子，A错误
B．根据质量数和核电荷数守恒可知是氘，B错误
C．根据质量数和核电荷数守恒可知是中子，C错误
D．根据质量数和核电荷数守恒可知是质子，D正确
故选D。
3．D
【详解】
A．卢瑟福通过分析α粒子散射实验结果，得出原子的核式结构模型，故A错误；
B．用中子轰击铀核使其发生核裂变，链式反应会释放出巨大的核能，故B错误；
C．玻尔理论指出氢原子能级是分立的，所以原子发射光子的频率也是不连续的，故C错误；
D．汤姆孙通过研究阴极射线发现电子，揭示了原子有复杂结构，故D正确。
故选D。
4．D
【详解】
A. 轻核聚变一般是指氢的同位素结合成氦核，并释放出大量能量的反应，它的最大特点是反应时需要高温，α粒子轰击氮核是人工转变，不是聚变，故A错误；
B. 比结合能越大，原子核就越稳定，结合能大的，比结合能不一定大，故B错误。
C. 太阳内部发生的是核聚变，不是核裂变，故C错误。
D. 根据爱因斯坦的质能方程，质量的变化伴随着能量的变化，有能量释放，就有质量亏损，故D正确。
故选D。
5．B
【分析】
β衰变是指原子核自发地放射出β粒子（电子），并变成新原子核，衰变遵循质量数守恒，电荷数守恒。
【详解】
A．A反应是原子核的人工转变方程，A错误；
B．B反应放出的是负电子，则是β衰变方程，B正确；
C．C反应是轻核的聚变反应，C错误；
D．D反应放出的是正电子，不是β衰变方程，D错误。
故选B。
6．B
【详解】
A．要使原子核发生聚变反应，必须使核子间的距离接近到10－15m，A错误；
B．设发生了x次α衰变和y次β衰变，则根据质量数和电荷数守恒有
解得
故衰变过程中要经过6次α衰变和4次β衰变，B正确；
C．α射线是速度约为0.1c的氦核流，穿透能力弱，C错误；
D．β衰变放出的电子来自原子核内部发生变化时的产物，D错误。
故选B。
7．C
【详解】
A．天然放射现象放射出的射线是高速运动的电子流，是由原子核中的中子变成质子后产生的，故A错误；
B．轻核聚变反应方程
根据质量数守恒和电荷数守恒可知，x的电荷数为0，质量数为1，所以是中子，故B错误；
C．根据核反应的特点可知：轻核聚变和重核裂变过程中都有质量亏损，都向外界放出能量，故C正确；
D．核反应方程
放出一个氦核，所以是衰变，不是裂变，故D错误。
故选C。
8．A
【详解】
A．是Na不稳定自发的衰变，生成物有电子，属于衰变，选项A错误；
B．是重核在中子的轰击下变成两个中核，同时再生成中子继续反应，属于重核裂变，选项B正确；
C．是Ra不稳定自发的衰变，生成物有氦核，属于α衰变，选项C正确；
D．是两个轻核聚变为中核的核反应，属于轻核聚变，选项D正确。
本题选不正确的，故选A。
9．D
【详解】
A．根据电荷数守恒、质量数守恒可知，新核的电荷数为：1+1-0=2，质量数为：2+3-1=4，新核为，此反应属于轻核的聚变，故A错误；
B．此反应属于轻核的聚变，该核反应能够放出大量能量，故B错误；
C．此核聚变发生反应时，压力需要非常大，温度需要高达5000万度以上，因此该反应不能在常温下进行，故C错误；
D．因反应放出核能，反应后核子的平均质量减小，故D正确。
故选D。
10．D
【详解】
A．当今世界上正在运行生产的核电站均运用核裂变反应，可控核聚变正在试验研究阶段，故A项错误；
B．每经历一个半衰期，剩下的原子核数量是原来的一半，因此，25年后剩下的氚应是排放时的四分之一，B项错误；
C．同位素具有相同的质子数，不同的中子数，故C项错误；
D．根据质量数和电荷数守恒的原则，可得β衰变的核反应方程
故D项正确。
故选D。
11．A
【详解】
A．是重核铀裂变为两个质量中等的核的过程，质量中等的核比重核稳定，比结合能越大，核越稳定，所以铀（U）的比结合能比钡（Ba）的小，A正确；
B．，此方程为原子核的人工转变，B错误；
C．卢瑟福通过粒子散射实验提出了原子的核式结构模型，C错误；
D．放射性元素衰变的半衰期是由原子核内部自身决定的，与外界的物理和化学状态无关，D错误。
故选A。
12．D
【详解】
A．根据电荷数和质量数守恒，可知x是中子，故A错误；
B．聚变反应释放出能量，所以更稳定，即的比结合能更大，故B错误；
C．该反应属于轻核聚变，故C错误；
D．根据爱因斯坦的质能亏损方程可知，聚变过程释放能量，所以存在质量亏损，故D正确。
故选D。
13．AC
【详解】
AB.是核聚变反应，故A正确，B错误；
CD. 和都是核裂变反应，故C正确，D错误。
故选AC。
14．BD
【详解】
A．氢弹是利用轻核的聚变制成的，原子核必须有足够的动能，才能使它们接近核力能发生作用的范围。实验证明，原子核必须处在几百万摄氏度以上的高温才有这样的能量，这样高的温度通常利用原子弹爆炸获得，故A错误；
B．从变成，设衰变过程经历了次衰变、次衰变，则由电荷数与质量数守恒得∶，得，可知发生了次衰变，次衰变，故B正确；
C．氢原子由低能级向高能级跃迁时，吸收光子的能量等于两能级间能量差，故C错误；
D．原子核的结合能等于使其完全分解成自由核子所需的最小能量，且原子核越大，它的结合能就越高，铯原子核比铅原子核小，所以铯原子核的结合能比铅原子核的结合能小，故D正确。
故选BD。
15．BC
【详解】
A．中子的电荷数Z=0，质量数A=1，核反应遵循电荷数守恒及质量数守恒，因此可计算得R=3，故A错误；
B．核反应堆中通过镉板吸收中子，减少轰击铀核的中子数，最终起到降低实际“传染系数”的作用，所以B正确；
C．在链式反应中，当实际“传染系数”R≥1时，反应才能持续发展下去，当实际“传染系数”R<1时，反应将趋于停滞，即R=1是链式反应持续下去的临界值，故C正确；
D．核反应堆中还可以通过铀棒来控制核反应的速率，实际上就是通过调整铀浓度来控制实际“传染系数”，所以D错误。
故选BC。
16．(1)3.26MeV；(2)EkHe＝0.99MeV，Ekn＝2.97MeV
【详解】
(1)核反应方程为
12H＋12H→01n＋13He
设反应质量亏损
Δm＝2mD－mHe－mn＝0.0035u
由质能方程得释放核能
ΔE＝Δm×931.5MeV＝0.0035×931.5MeV＝3.26MeV
(2)将两氘核作为一个系统，由动量守恒有
0＝mHevHe＋mnvn
由能量守恒有
mHevHe2＋mnvn2＝ΔE＋2Ek0
代入数据可得
EkHe＝0.99MeV
Ekn＝2.97MeV
17．(1)；(2)；(3)；
【详解】
(1)由聚变反应中质量数守恒、核电荷数守恒得
。
(2)设核反应中的质量亏损为，则有
解得
。
(3)因反应前两核动能相同，其动量等大反向，因此反应前后系统的总动量为0，两氘核正面对心碰撞过程动量守恒，结合动量大小p与动能的关系有：
或
或
解得