7.4裂变与聚变学科素养提升练-2021-2022学年高二下学期物理沪教版（2019）选择性必修第三册（word含答案）

7.4裂变与聚变 学科素养提升练（解析版）
一、选择题
1．我国科学家为解决“玉兔二号”月球车长时间处于黑夜工作的需要，研制了一种小型核能电池，将核反应释放的核能转变为电能，需要的功率并不大，但要便于防护其产生的核辐射。请据此猜测“玉兔二号”所用核能电池有可能采纳的核反应方程是（　　）
A． B．
C． D．
2．黄旭华是中国核潜艇研究设计专家、核潜艇之父，2019年获国家最髙科学技术奖，核潜艇是以核反应堆为动力来源的潜艇，如图，反应堆的核反应方程式为：，下列说法正确的是（　　）
A．Kr有36个质子，89个中子
B．比的平均结合能小
C．核反应前、后原子核的总质量保持不变
D．镉棒插入深些会吸收更多反应生成的中子使反应减慢
3．关于天然放射现象，以下叙述正确的是（　　）
A．若使放射性物质的温度升高，其半衰期将减小
B．有6个放射性元素的原子核，当有3个发生衰变所需的时间就是该元素的半衰期
C．在α、β衰变中伴随产生γ射线，衰变前后的核子数不变但存在质量亏损
D．铀核（U）衰变为铅核（）的过程中，要经过8次α衰变和10次β衰变
4．1932年，考克饶夫和瓦尔顿用质子加速器进行人工核蜕变实验，验证了质能关系的正确性。在实验中，锂原子核俘获一个质子后成为不稳定的铍原子核，随后又蜕变为两个原子核，核反应方程为。已知、、X的质量分别为、、，光在真空中的传播速度为c，则在该核反应中（　　）
A．质量亏损
B．释放的核能
C．铍原子核内的中子数是5
D．X表示的是氚原子核
5．20世纪60年代，我国以国防为主的尖端科技取得了突破性的发展。1964年，我国第一颗原子弹试爆成功；1967年，我国第一颗氢弹试爆成功。关于原子弹和氢弹，下列说法正确的是（　　）
A．原子弹和氢弹都是根据核裂变原理研制的
B．原子弹和氢弹都是根据核聚变原理研制的
C．原子弹是根据核裂变原理研制的，氢弹是根据核聚变原理研制的
D．原子弹是根据核聚变原理研制的，氢弹是根据核裂变原理研制的
6．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。下列核反应方程及其表述都正确的是（　　）
A．He＋Al→P＋H是原子核的人工转变
B．F＋H→O＋He是α衰变
C．H＋H→He＋γ是核聚变反应
D．U→Sr＋Xe＋3n是核裂变反应
7．2021年国庆期间播放的电视剧《功勋》中,介绍了我国核潜艇之父黄旭华隐姓埋名30年,埋下头甘心做沉默的砥柱,如深海中的潜艇,无声但有无穷的力量。核潜艇以核反应堆作动力源,其中一种核反应方程是，、生成物X的比结合能分别为8.4MeV、8.7MeV,下列说法正确的是（　　）
A．X比更稳定 B．X的结合能比的结合能大
C．X的质子数比中子数多 D．该反应是核聚变反应
8．核潜艇是以核反应堆为动力来源的潜艇，有一种核裂变方程为，下列说法正确的是（　　）
A．裂变反应中亏损的质量变成了能量
B．裂变反应出现质量亏损导致质量数不守恒
C．X原子核中有54个质子
D．X原子核比铀核的平均结合能小
9．下列说法正确的是（　　）
A．汤姆孙通过电子的发现认为原子核还有更复杂的结构
B．原子核内的中子转化成一个质子和一个电子，这种转化产生的电子发射到核外，就是β粒子，这就是β衰变
C．一个氘核与一个氚核聚变生成一个氦核的同时，放出一个质子
D．按照玻尔理论，氢原子核外电子从半径较小的轨道跃迁到半径较大的轨道时，电子的动能增大，电势能增大，原子的总能量增大
10．核动力航空母舰因其性能强劲堪称海上霸主，它利用可控制核裂变释放的核能获得动力，核反应方程为：。已知光在真空中速度为c，的比结合能为，的比结合能为，的比结合能为。下列说法正确的是（　　）
A．X为中子，
B．反应过程中的质量亏损为
C．三种比结合能的大小关系为
D．此核裂变释放核能约为
11．物理学家们普遍相信太阳发光是由于其内部不断发生从氢核到氦核的核聚变反应。根据这一理论，在太阳内部4个氢核（）转化成一个氦核（He）和两个正电子（e）并放出能量。已知质子质量mp＝1.0073u，粒子的质量mα＝4.0026u，电子的质量me＝0.0005u。1u的质量对应931.5MeV的能量，估算一次这样的热核反应释放出的能量（　　）
A．22MeV B．24MeV C．26MeV D．20MeV
12．著名核物理学家邓稼先领导着许多学者和技术人员，成功地设计了中国原子弹和氢弹，把中国国防自卫武器引领到了世界先进水平，被誉为原子弹之父。若原子弹爆炸的核反应方程为，则（　　）
A．此核反应为聚变反应
B．核反应前后原子核总质量保持不变
C．核反应生成的新核的比结合能比轴核的小
D．根据核反应中质量数守恒，上述方程中
13．科学家使用核反应获取氚，再利用氘和氚的核反应获得能量，核反应方程分别为：X＋Y→He＋H＋4.9 MeV和H＋H→He＋X＋17.6 MeV，下列表述正确的有（　　）
A．X是中子 B．Y的质子数是3，中子数是6
C．两个核反应都没有质量亏损 D．氘和氚的核反应是核聚变反应
14．下列说法中正确的是（　　）
A．铀核裂变的核反应是U→Ba＋Kr＋2n
B．已知质子、中子、α粒子的质量分别为m1、m2、m3，那么质子和中子结合成一个α粒子，释放的能量是（2m1＋2m2－m3）c2
C．铀（U）经过多次α、β衰变形成稳定的铅（Pb）的过程中，有6个中子转变成质子
D．一个处于n=5能级态的氢原子，自发向低能级跃迁的过程中能辐射10种不同频率的电磁波
15．用中子轰击原子核产生裂变反应，其中一个可能的裂变方程已知为，、Y、、 的质量分别为m1、m2、m3、m4，光在真空中的传播速度为c。下列叙述正确的是（　　）
A．中有89个核子
B．Y原子核中含有56个中子
C．裂变时释放的能量为（m1-m2-m3-2m4）c2
D．的比结合能大于Y原子核的比结合能
二、解答题
16．地球上存在3个天然放射系，即钍系、铀系和锕系，它们的母体半衰期很长，其中大多数成员具备a放射性，少数具有β放射性，一般都伴随γ辐射，经过不断衰变最终都变成稳定的铅同位素，其中钍系与铀系的衰变过程如下所示。
钍系∶
，
铀系∶
，
已知的质量分别为m1、m2、m3、m4、m5，光速用c表示。
（1）写出钍系衰变过程中X粒子的种类；
（2）求钍系衰变成稳定的铅同位素的过程中发生β衰变的次数并写出推导过程；
（3）求铀系衰变成稳定的铅同位素的过程中放出的能量。
17．两个氘核（）聚变时产生一个氦核（，氦的同位素）和一个中子，已知氘核的质量为M，氦核（）的质量为，中子的质量为．以上质量均指静质量，不考虑相对论效应．
（1）请写出核反应方程并求两个氘核聚变反应释放的核能；
（2）为了测量产生的氦核（）的速度，让氦核垂直地射入磁感应强度为B的匀强磁场中，测得氦核在匀强磁场中做匀速圆周运动的半径为R，已知氦核的电荷量为q，氦核的重力忽略不计，求氦核的速度v及氦核做圆周运动的周期T；
（3）要启动这样一个核聚变反应，必须使氘核（）具有足够大的动能，以克服库仑斥力而进入核力作用范围之内．选无穷远处电势能为零，已知当两个氘核相距为r时，它们之间的电势能（k为静电力常量）．要使两个氘核发生聚变，必须使它们之间的距离接近到，氘核的重力忽略不计．那么，两个氘核从无穷远处以大小相同的初速度相向运动发生聚变，氘核的初速度至少为多大？
参考答案
1．A
【详解】
A．此核反应是人工放射性同位素的衰变反应，是小型核能电池主要采用的反应方式，故A正确；
B．此核反应是聚变反应，反应剧烈，至今可控聚变反应还处于各种实验研究阶段，所以不宜采用，故B错误；
C．此核反应是人工核转变反应，需要高能α粒子，在月球上不宜实现，故C错误。
D．此核反应是重核裂变反应，虽然实现了人工控制，但因反应剧烈，防护要求高还不能小型化，目前只是一些大型的核电站采用，故D错误；
故选A。
2．D
【详解】
A．Kr有36个质子，中子个数为
A错误；
B．中等质量核的平均结合能比重核大，所以比的平均结合能大，B错误；
C．重核裂变要放出能量，核反应前、后原子核的总质量减少，C错误；
D．镉棒插入深些会吸收更多反应生成的中子使反应减慢，D正确。
故选D。
3．C
【详解】
A．半衰期与外界因素无关，故A错误；
B．半衰期是大量原子核衰变的统计规律，对少数原子核不适用，故B错误；
C．在α、β衰变中伴随产生γ射线，衰变前后的核子数不变，因为衰变释放能量，根据
ΔE=Δmc2
可知，反应前后存在质量亏损，故C正确；
D．由质量数守恒知
238=206+4×8
经过8次α衰变。再由电荷数守恒知
92=82+2×8 6
可知经过6次β衰变。故D错误。
故选C。
4．B
【详解】
CD．根据核反应方程满足质量数守恒和电荷数守恒，可知方程为
则，，铍原子核内的中子数是4，X表示的是氦核，故CD错误；
AB．核反应质量亏损为
则释放的核能为
故A错误，B正确；
故选B。
5．C
【详解】
原子弹是根据重核裂变研制的，而氢弹是根据轻核聚变研制的，故ABD错误，C正确。
故选C。
6．C
【详解】
A．该方程书写错误，电荷数两边不相等，故A错误；
B．该方程是人工转变方程，故B错误；
C．该方程是核聚变反应，故C正确；
D．该方程书写错误，反应物中应该有中子，故D错误。
故选C。
7．A
【详解】
A．X比的比结合能大，因此X比更稳定，A项正确；
B．X的核子数明显比小，因此X的结合能比的结合能小，B项错误；
C．根据质量数、电荷数守恒得到X的质子数为54，中子数为78，C项错误；
D．该反应是重核的裂变反应，D项错误。
故选A。
8．C
【详解】
AB．裂变反应中释放核能有质量亏损，但质量数守恒，质量与能量之间存在一定的关系，但不是质量转变为能量，选项AB错误；
C .由于核反应中电荷数守恒，故X原子核中有54个质子，选项C正确；
D．重核的裂变是由平均结合能小的重核在中子的轰击下裂变成平均结合能较大的中等质量的原子核，所以X原子核比铀核的平均结合能大，选项D错误。
故选C。
9．B
【详解】
A．汤姆孙通过电子的发现认为原子还有更复杂的结构，而天然放射现象的发现则揭示了原子核内还有复杂的结构，故A错误；
B．β衰变的核反应方程为
产生的电子发射到核外就是β粒子，故B正确；
C．由核反应方程得
同时放出的是一个中子，故C错误；
D．根据玻尔理论，氢原子核外电子获得能量，从半径较小的轨道跃迁到半径较大的轨道时，原子总能量增大，由于库仑引力提供向心力，即
即
半径增大则电子动能减小，由于库仑力做负功，则电势能增大，故D错误。
故选B。
10．D
【详解】
A．由电荷数守恒及质量数守恒可得
故X为中子，，A错误；
D．此核裂变释放核能约为
D正确；
B．据质能方程可得，反应过程中的质量亏损为
B错误；
C．如图所示
据比结合能曲线图可知
C错误。
故选D。
11．B
【详解】
一次这样的热核反应质量亏损
一次这样的热核反应释放出的能量
故选B。
12．D
【详解】
A．此核反应为核裂变反应，故A错误；
B．核裂变和核聚变反应都存在质量亏损，故B错误；
C．因为比结合能越大原子核越稳定，所以核反应生成的新核的比结合能比轴核的大，故C错误；
D．根据核反应中质量数守恒，则有
235+1=A+144+3
解得
A=89
故D正确。
故选D。
13．AD
【详解】
A．根据核反应中质量数和电荷数守恒，可知X是，所以为中子，A正确；
B．Y应为，所以Y的质子数为3，核子数为6，中子数为3，B错误；
C．两核反应均有能量释放，根据爱因斯坦质能方程，两核反应都有质量亏损，C错误；
D．由聚变反应概念知，D正确。
故选AD。
14．BC
【详解】
A．铀核裂变时要用中子轰击铀核才能产生核反应，不能直接反应，故A错误；
B．已知质子、中子、α粒子的质量分别为m1、m2、m3，因两个质子和两个中子结合成一个α粒子，那么质子和中子结合成一个α粒子，质量亏损为2m1＋2m2－m3，释放的能量是
E=（2m1＋2m2－m3）c2
故B正确；
C．根据质量数和电荷数守恒知
238-206=4×8
发生8次α衰变；
92=82＋2×8-6
发生6次β衰变，β衰变的实质即为中子转化为质子同时释放电子，所以有6个中子转变成质子，故C正确；
D．一个处于n=5能级态的氢原子，自发向低能级跃迁的过程中最多能够辐射4种不同频率的电磁波，故D错误；
故选BC。
15．AC
【详解】
A．的质量数为89，则中有89个核子，故A正确；
B．根据质量数守恒可知，Y的质量数为
A=235＋1－89－3=144
电荷数为
z= 92－36= 56
可知Y原子核中含有56个质子，中子数为
144－56 =88个
故B错误；
C．由于核裂变的过程中释放能量，根据爱因斯坦质能方程得
故C正确；
D．比结合能的大小反应原子核的稳定程度，Y原子核比原子核更稳定，的比结合能小于Y原子核的比结合能，故D错误。
故选AC。
16．（1）β粒子（）；（2）2次；（3）
【详解】
（1）根据核反应的质量数和电荷数守恒可知，X的质量数为0，电荷数为-1为β粒子（）；
（2）设钍（）经过x次α衰变和y次β衰变后变成铅（）同位素，则
次
90-2x+y=82
解得
y=2
即发生β衰变的次数为2次。
（3）铀系衰变成稳定的铅同位素的过程，发生α衰变的次数为次；β衰变的次数次； 则
则反应放出的核能为
17．(1) (2) (3)
【详解】
（1）
核反应释放的核能
（2）由，得
由，得
（3）由能量守恒
得