高中物理：选择性必修三 5.4 裂变和聚变（含答案）

裂变和聚变
(建议用时：40分钟)
基础练
?题组一　核裂变及链式反应
1．下列核反应中，表示核裂变的是(　　)
A．U→Th＋He
B．U＋n→Ba＋Kr＋3n
C．C→N＋e
D．Be＋He→C＋n
2．(多选)关于铀核裂变，下列说法正确的是(　　)
A．铀核裂变的产物是多种多样的，但只能裂变成两种不同的核
B．铀核裂变可能同时释放2～3个中子
C．为了使裂变的链式反应容易进行，最好用浓度较高的铀235
D．铀块的体积对产生链式反应无影响
3．用中子(n)轰击铀核(U)发生裂变反应，会产生钡核(Ba)和氪核(Kr)，并释放中子(n)，当达到某些条件时可发生链式反应，一个铀核(U)裂变时，质量亏损为Δm，已知光在真空中的传播速度为c，以下说法正确的是(　　)
A．U的裂变方程为U→Ba＋Kr＋2n
B．U发生链式反应的条件与铀块的温度有关
C．U发生链式反应的条件与铀块的体积有关
D．一个铀核(U)裂变时，放出的能量为ΔE＝Δmc2
?题组二　核聚变的理解
4．太阳每秒辐射出来的能量约为3.8×1026 J，这些能量是(　　)
①重核的裂变反应中产生的　②轻核的聚变反应中产生的　③原子核的衰变反应中产生的　④热核反应中产生的
A．①②　　　　 B．②③
C．③④ D．②④
5．(多选)核聚变的主要原料是氘，在海水中含量极其丰富．已知氘核的质量为m1，中子的质量为m2，He的质量为m3，质子的质量为m4，则下列说法中正确的是(　　)
A．两个氘核聚变成一个He所产生的另一个粒子是质子
B．两个氘核聚变成一个He所产生的另一个粒子是中子
C．两个氘核聚变成一个He所释放的核能为(2m1－m3－m4)c2
D．与受控核聚变比较，现行的核反应堆产生的废物具有放射性
6．关于轻核聚变释放核能，下列说法正确的是(　　)
A．一次聚变反应一定比一次裂变反应释放的能量多
B．聚变反应中平均每个核子释放的能量一定比裂变反应的大
C．聚变反应中粒子的比结合能变小
D．聚变反应中由于形成质量较大的核，故反应后质量增加
?题组三　重核裂变的应用
7．关于核反应堆中用镉棒控制反应速度的原理，下列说法正确的是(　　)
A．镉棒能释放中子，依靠释放的多少控制反应速度
B．用镉棒插入的多少控制快中子变为慢中子的数量
C．利用镉棒对中子吸收能力强的特点，依靠插入的多少控制中子数量
D．镉棒对铀核裂变有一种阻碍作用，利用其与铀的接触面积的大小控制反应速度
8．(多选)2020年以前我国将新增投产2 300万千瓦的核电站，核电站与火电站相比较，下列说法正确的是(　　)
A．核燃料释放的能量远大于相等质量的煤放出的能量
B．就可采储量来说，地球上核燃料资源远大于煤炭
C．在经济效益方面核电与火电不相上下
D．核电站没有任何污染
9．我国自行设计并研制的“人造太阳”——托卡马克实验装置运行获得重大进展，这标志着我国已经迈入可控热核反应领域先进国家行列．该反应所进行的聚变过程是H＋H→He＋n，反应原料氘(H)富存于海水中，而氚(H)是放射性元素，自然界中不存在，但可以通过中子轰击锂核(Li)的人工核转变得到．
(1)请把下列用中子轰击锂核(Li)产生一个氚核(H)和一个新核的人工核转变方程填写完整：________＋n→________＋H.
(2)在(1)中，每产生1 g氚的同时有多少个Li核实现了核转变？(阿伏伽德罗常数NA取6.0×1023 mol－1)
(3)一个氘核和一个氚核发生核聚变时，平均每个核子释放的能量为5.6×10－13 J，求该核聚变过程中的质量亏损．
提升练
10．(多选)据新华社报道，由我国自行设计、研制的世界第一套全超导核聚变实验装置(又称“人造太阳”)已完成了首次工程调试．下列关于“人造太阳”的说法正确的是(　　)
A．“人造太阳”的核反应方程是H＋H→He＋n
B．“人造太阳”的核反应方程是U＋n→Ba＋Kr＋3n
C．根据公式E＝mc2可知，核燃料的质量相同时，聚变反应释放的能量与裂变反应相同
D．核燃烧的质量相同时，聚变反应过程的质量亏损比裂变反应过程的质量亏损大得多
11．利用氦3(He)和氘进行的聚变反应安全无污染，容易控制．月球上有大量的氦3，每个航天大国都将获取氦3作为开发月球的重要目标之一．“嫦娥一号”探月卫星执行的一项重要任务就是评估月壤中氦3的分布和储量．已知两个氘核聚变生成一个氦3和一个中子的核反应方程是：2H→He＋n＋3.26 MeV，若有2 g氘全部发生聚变，则释放的能量是(NA为阿伏伽德罗常数)(　　)
A．0.5×3.26 MeV B．3.26 MeV
C．0.5NA×3.26 MeV D．NA×3.26 MeV
12．两个氘核聚变产生一个中子和一个氦核(氦的同位素)．已知氘核质量mD＝2.013 6 u，氦核质量mHe＝3.015 0 u，中子质量mn＝1.008 7 u.
(1)写出聚变方程并算出释放的核能；(已知质量亏损1 u释放的核能为931.5 MeV)
(2)若反应前两氘核的动能均为EkD＝0.35 MeV.它们正面对撞发生聚变，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？
13．核聚变能是一种具有经济性能优越、安全可靠、无环境污染等优势的新能源．近几年来，受控核聚变的科学可行性已得到验证，目前正在突破关键技术，最终将建成商用核聚变电站．一种常见的核聚变反应是由氢的同位素氘(又叫重氢)和氚(又叫超重氢)聚合成氦，并释放一个中子．若已知氘原子的质量为2.014 1 u，氚原子的质量为3.016 0 u，氦原子的质量为4.002 6 u，中子的质量为1.008 7 u,1 u＝1.66×10－27 kg.
(1)写出氘和氚聚变的反应方程；
(2)试计算这个核反应释放出来的能量；
(3)若建一座功率为3.0×105kW的核聚变电站，假设聚变所产生的能量有一半转化为电能，求每年要消耗氘的质量？(一年按3.2×107 s计算，光速c＝3.0×108 m/s，结果取两位有效数字)
参考答案：
基础练
?题组一　核裂变及链式反应
1．下列核反应中，表示核裂变的是(　　)
A．U→Th＋He
B．U＋n→Ba＋Kr＋3n
C．C→N＋e
D．Be＋He→C＋n
B [题目选项中，U→Th＋He是α衰变，C→N＋e是β衰变，Be＋He→C＋n是人工核转变，只有B选项是重核裂变，故B正确．]
2．(多选)关于铀核裂变，下列说法正确的是(　　)
A．铀核裂变的产物是多种多样的，但只能裂变成两种不同的核
B．铀核裂变可能同时释放2～3个中子
C．为了使裂变的链式反应容易进行，最好用浓度较高的铀235
D．铀块的体积对产生链式反应无影响
BC　[铀核裂变的产物是多种多样的，具有极大的偶然性，但裂变成两个核的情况较多，也会分裂成多个核，并放出几个中子．铀235被中子轰击时，裂变的概率大，且可以俘获各种能量的中子引起裂变，而铀238只有俘获能量在1 MeV以上的中子才能发生裂变，且裂变的概率小，而要引起链式反应，必须使铀块的体积大于临界体积，为了使裂变的链式反应容易进行，最好用浓度较高的铀235.故选项BC正确．]
3．用中子(n)轰击铀核(U)发生裂变反应，会产生钡核(Ba)和氪核(Kr)，并释放中子(n)，当达到某些条件时可发生链式反应，一个铀核(U)裂变时，质量亏损为Δm，已知光在真空中的传播速度为c，以下说法正确的是(　　)
A．U的裂变方程为U→Ba＋Kr＋2n
B．U发生链式反应的条件与铀块的温度有关
C．U发生链式反应的条件与铀块的体积有关
D．一个铀核(U)裂变时，放出的能量为ΔE＝Δmc2
C　[U的裂变方程为U＋n→Ba＋Kr＋3n，故A错误；当铀块体积达到临界体积时才能使链式反应不断进行下去，与铀块的温度无关，B错误，C正确；根据爱因斯坦质能方程可知一个U裂变时，放出的能量为ΔE＝Δmc2，D错误．]
?题组二　核聚变的理解
4．太阳每秒辐射出来的能量约为3.8×1026 J，这些能量是(　　)
①重核的裂变反应中产生的　②轻核的聚变反应中产生的　③原子核的衰变反应中产生的　④热核反应中产生的
A．①②　　　　 B．②③
C．③④ D．②④
D　[由于太阳的主要成分是氢，它释放出的巨大能量来源于氢核的聚变反应．这一反应又叫热核反应，故D正确．]
5．(多选)核聚变的主要原料是氘，在海水中含量极其丰富．已知氘核的质量为m1，中子的质量为m2，He的质量为m3，质子的质量为m4，则下列说法中正确的是(　　)
A．两个氘核聚变成一个He所产生的另一个粒子是质子
B．两个氘核聚变成一个He所产生的另一个粒子是中子
C．两个氘核聚变成一个He所释放的核能为(2m1－m3－m4)c2
D．与受控核聚变比较，现行的核反应堆产生的废物具有放射性
BD　[由核反应方程2H→He＋X知，X应为中子，释放的核能应为ΔE＝(2m1－m3－m2)c2，聚变反应的污染非常小，而现行的裂变反应的废料具有很强的放射性，故AC错误，BD正确．]
6．关于轻核聚变释放核能，下列说法正确的是(　　)
A．一次聚变反应一定比一次裂变反应释放的能量多
B．聚变反应中平均每个核子释放的能量一定比裂变反应的大
C．聚变反应中粒子的比结合能变小
D．聚变反应中由于形成质量较大的核，故反应后质量增加
B　[在一次聚变反应中释放的能量不一定比裂变反应多，但平均每个核子释放的能量一定大，故A错误，B正确；由于聚变反应中释放出巨大能量，则比结合能一定增加，质量发生亏损，故CD错误．]
?题组三　重核裂变的应用
7．关于核反应堆中用镉棒控制反应速度的原理，下列说法正确的是(　　)
A．镉棒能释放中子，依靠释放的多少控制反应速度
B．用镉棒插入的多少控制快中子变为慢中子的数量
C．利用镉棒对中子吸收能力强的特点，依靠插入的多少控制中子数量
D．镉棒对铀核裂变有一种阻碍作用，利用其与铀的接触面积的大小控制反应速度
C　[镉棒不会释放中子，A错误；镉棒不是减速剂，不能使快中子变为慢中子，BD错误；镉棒对中子有吸收作用，通过中子强度检测器检测，当反应太强，镉棒能自动插入，多吸收中子，反之，自动抽出，少吸收中子，故镉棒也叫控制棒，C正确．]
8．(多选)2020年以前我国将新增投产2 300万千瓦的核电站，核电站与火电站相比较，下列说法正确的是(　　)
A．核燃料释放的能量远大于相等质量的煤放出的能量
B．就可采储量来说，地球上核燃料资源远大于煤炭
C．在经济效益方面核电与火电不相上下
D．核电站没有任何污染
AC　[核燃料释放的能量远大于相等质量的煤放出的能量，A项正确；就可采储量所提供的能量来说，远大于煤炭所能提供的能量，而不是采储量，B项错误；在经济效益方面核电与火电不相上下，C项正确；核电站是有污染的，核反应堆用过的核废料具有很强的辐射性，要做特殊处理，D项错误．]
9．我国自行设计并研制的“人造太阳”——托卡马克实验装置运行获得重大进展，这标志着我国已经迈入可控热核反应领域先进国家行列．该反应所进行的聚变过程是H＋H→He＋n，反应原料氘(H)富存于海水中，而氚(H)是放射性元素，自然界中不存在，但可以通过中子轰击锂核(Li)的人工核转变得到．
(1)请把下列用中子轰击锂核(Li)产生一个氚核(H)和一个新核的人工核转变方程填写完整：________＋n→________＋H.
(2)在(1)中，每产生1 g氚的同时有多少个Li核实现了核转变？(阿伏伽德罗常数NA取6.0×1023 mol－1)
(3)一个氘核和一个氚核发生核聚变时，平均每个核子释放的能量为5.6×10－13 J，求该核聚变过程中的质量亏损．
[解析]　(1)核反应方程为：Li＋n→He＋H.
(2)因为1 g氚为 mol，根据核反应方程，实现核转变的Li也为mol，所以有2.0×1023个Li实现了核转变．
(3)由爱因斯坦质能方程ΔE＝Δmc2，核聚变反应中有5个核子参加了反应，5个核子释放总能量ΔE＝5×5.6×10－13J＝2.8×10－12 J，所以质量亏损为Δm＝＝ kg＝3.1×10－29 kg.
[答案]　(1)Li　He　(2)2.0×1023个　(3)3.1×10－29 kg
提升练
10．(多选)据新华社报道，由我国自行设计、研制的世界第一套全超导核聚变实验装置(又称“人造太阳”)已完成了首次工程调试．下列关于“人造太阳”的说法正确的是(　　)
A．“人造太阳”的核反应方程是H＋H→He＋n
B．“人造太阳”的核反应方程是U＋n→Ba＋Kr＋3n
C．根据公式E＝mc2可知，核燃料的质量相同时，聚变反应释放的能量与裂变反应相同
D．核燃烧的质量相同时，聚变反应过程的质量亏损比裂变反应过程的质量亏损大得多
AD　[H＋H→He＋n是氢核聚变方程，A正确；根据氢核聚变特点，相同质量的核燃料，氢核聚变释放的能量比裂变反应大得多，氢核聚变反应过程的质量亏损比裂变反应过程的质量亏损大得多，D正确．]
11．利用氦3(He)和氘进行的聚变反应安全无污染，容易控制．月球上有大量的氦3，每个航天大国都将获取氦3作为开发月球的重要目标之一．“嫦娥一号”探月卫星执行的一项重要任务就是评估月壤中氦3的分布和储量．已知两个氘核聚变生成一个氦3和一个中子的核反应方程是：2H→He＋n＋3.26 MeV，若有2 g氘全部发生聚变，则释放的能量是(NA为阿伏伽德罗常数)(　　)
A．0.5×3.26 MeV B．3.26 MeV
C．0.5NA×3.26 MeV D．NA×3.26 MeV
C　[2 g氘核的摩尔数n＝ mol＝1 mol，因为2个氘核聚变可放出3.26 MeV的能量，所以2 g氘核全部发生聚变时释放的能量为0.5NA×3.26 MeV，故C正确，其他选项错误．]
12．两个氘核聚变产生一个中子和一个氦核(氦的同位素)．已知氘核质量mD＝2.013 6 u，氦核质量mHe＝3.015 0 u，中子质量mn＝1.008 7 u.
(1)写出聚变方程并算出释放的核能；(已知质量亏损1 u释放的核能为931.5 MeV)
(2)若反应前两氘核的动能均为EkD＝0.35 MeV.它们正面对撞发生聚变，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？
[解析]　(1)核反应方程为H＋H→n＋He
该反应质量亏损Δm＝2mD－mHe－mn＝0.003 5 u
由质能方程得释放核能ΔE＝Δm×931.5 MeV＝0.003 5×931.5 MeV≈3.26 MeV.
(2)将两个氘核作为一个系统，由系统动量守恒有
0＝mHevHe－mnvn，由于＝，则vHe＝vn又由能量守恒有mHev＋mnv＝ΔE＋2EkD．
代入数据可得EkHe＝0.99 MeV，Ekn＝2.97 MeV.
[答案]　(1)H＋H→He＋n　3.26 MeV　(2)0.99 MeV　2.97 MeV
13．核聚变能是一种具有经济性能优越、安全可靠、无环境污染等优势的新能源．近几年来，受控核聚变的科学可行性已得到验证，目前正在突破关键技术，最终将建成商用核聚变电站．一种常见的核聚变反应是由氢的同位素氘(又叫重氢)和氚(又叫超重氢)聚合成氦，并释放一个中子．若已知氘原子的质量为2.014 1 u，氚原子的质量为3.016 0 u，氦原子的质量为4.002 6 u，中子的质量为1.008 7 u,1 u＝1.66×10－27 kg.
(1)写出氘和氚聚变的反应方程；
(2)试计算这个核反应释放出来的能量；
(3)若建一座功率为3.0×105kW的核聚变电站，假设聚变所产生的能量有一半转化为电能，求每年要消耗氘的质量？(一年按3.2×107 s计算，光速c＝3.0×108 m/s，结果取两位有效数字)
[解析]　(1)氘和氚聚变的反应方程为H＋H→He＋n.
(2)该反应过程的质量亏损Δm＝2.0141 u＋3.0160 u－4.0026 u－1.0087 u＝0.0188 u＝3.1208×10－29 kg.
释放的核能ΔE＝Δmc2＝3.1208×10－29×(3×108)2 J＝2.8×10－12 J.
(3)设每年要消耗的氘的质量为M，氘原子的质量为MD
由能量守恒可得：·ΔE·η＝Pt.
可得：M＝＝
kg＝23 kg.
[答案]　(1)H＋H→He＋n　(2)2.8×10－12 J　(3)23 kg