5.4核裂变和核聚变同步练习（含解析）2023——2024学年高物理鲁科版（2019）选择性必修第二册

5.4 核裂变和核聚变 同步练习
学校:___________姓名：___________班级：___________考号：___________
一、单选题
1．钍基熔盐堆核能系统（TMSR）是第四代核能系统之一，其中钍基核燃料铀由较难裂变的钍吸收一个中子后经过若干次衰变而来；铀的一种典型裂变产物是钡和氪。以下说法正确的是（　　）
A．题中铀核裂变的核反应方程为
B．钍核衰变的快慢由原子所处的化学状态和外部条件决定
C．针核经过2次衰变可变成镤
D．在铀核裂变成钡和氪的核反应中，核子的比结合能增大
2．2023年12月，新一代人造太阳“中国环流三号”面向全球开放。“人造太阳”内部发生的一种核反应方程为，已知的比结合能为，的比结合能为，的比结合能为，光在真空中的传播速度为c。下列说法正确的是（　　）
A．核反应方程中X为电子
B．的比结合能小于的比结合能
C．核反应吸收的能量为
D．核反应中的质量亏损为
3．上世纪四十年代末，我国科学家钱三强、何泽慧夫妇在实验室中发现铀核的“三裂变”和“四裂变”，这一重大研究成果打破了以往“三裂变”的认知，得到了国际上广泛的认可和赞誉。其中“四裂变”是指铀235核俘获中子后裂变成三个质量较大的核和一个质量较小的核，径迹如图所示。关于铀核裂变过程，下列说法正确的是（　　）
A．核反应前后的总质量增加
B．核反应前后的总质量数增加
C．产生的新核的比结合能均比铀核的小
D．产生的新核的核子平均质量均比铀核的小
4．研究表明原子核的质量虽然随着原子序数的增大而增大，但是二者之间并不成正比关系，其核子的平均质量（原子核的质量除以核子数）与原子序数的关系如图所示，一般认为大于铁原子核质量数（56）的为重核，小于则为轻核，下列对该图像的说法错误的是（　　）
A．从图中可以看出，Fe原子核最稳定
B．从图中可以看出，重核A裂变成原子核B和C时，释放核能
C．从图中可以看出，轻核D和E发生聚变生成原子核F时，释放核能
D．从图中可以看出，重核随原子序数的增加，其比结合能变大
5．现在地球上消耗的能量，追根溯源，绝大部分来自太阳，即太阳内部核聚变时释放的核能。已知氘氚核聚变方程为，其中的比结合能为，的比结合能为，的比结合能为，则一个氘核与一个氚核发生这样的核反应释放的能量为（　　）
A． B． C． D．
6．2023 年8月 25 日，新一代人造太阳“中国环流三号”首次实现 100 万安培等离子体电流下的高约束模式运行，再次刷新中国磁约束聚变装置运行纪录。核聚变是一种核反应的形式。下列关于核反应的说法中正确的是（　　）
A．要使轻核发生聚变，一种可行的方法是将物质加热到几百万开尔文的高温
B．氘氚核聚变的核反应方程为
C．相同质量的核燃料，重核裂变比轻核聚变释放的核能更多
D．核聚变反应过程中没有质量亏损
7．下列说法中，符合物理学发展过程或事实的选项是（　　）
A．卢瑟福通过对粒子散射实验的研究，提出了原子的“枣糕模型”
B．原子核的结合能越大，表示核子结合得越牢固，原子就越稳定
C．查德威克用粒子轰击获得核，并发现了中子
D．，其中X为粒子
8．宇宙中一些年轻炽热的恒星通过热核反应，源源不断地向外辐射能量，其中一种热核反应为，已知X、、的比结合能分别为、、，真空中的光速为c，下列说法正确的是（　　）
A．该反应是吸热反应 B．核反应中的X为
C．X的中子数为7 D．核反应中的质量亏损为
二、多选题
9．关于核反应方程，下列说法正确的是（　　）
A．，该核反应是α衰变
B．，该核反应是聚变
C．该核反应是聚变
D．该核反应是β衰变
10．2023年8月25日，“中国环流三号”托卡马克装置首次实现100万安培等离子体电流下的高约束模式运行，是我国核能开发进程中的重要里程碑。下列关于核反应方程的说法，正确的是（ ）
A．X是中子 B．该核反应属于原子核的人工转变
C．该核反应过程电荷数和质量均守恒 D．的比结合能大于的比结合能
11．目前，我们学习过的核反应有4种类型：衰变、核裂变、核聚变和人工转变。下列核反应方程类型正确的是（　　）
A．核聚变：
B．衰变：
C．核裂变：
D．原子核的人工转变：
12．我国“华龙一号”是当前核电市场接受度最高的三代核电机型之一，其全面建成有力支撑了我国由核电大国向核电强国的跨越。核反应堆是利用中子轰击重核发生裂变反应，释放出大量核能。是反应堆中发生的许多核反应中的一种，X是某种粒子，a是X粒子的个数，用、、分别表示、、核的质量，表示X粒子的质量，c为真空中的光速。以下说法正确的是（　　）
A．X为中子，
B．太阳就是一个巨大的铀核裂变反应堆
C．上述核反应中放出的核能
D．铀块体积必须达到临界体积，有中子通过时，才能发生链式反应
三、实验题
13．太阳能是一种清洁能源，太阳能电池可以将太阳能转变为电能并加以利用。我国在这一方面位居世界前列。
（1）太阳能是依据太阳的 活动导致的。
A．核裂变 B．核聚变 C．化学变化
（2）辐射频率是指单位时间内的辐射的总能量。按照国际单位制，辐射频率的国际单位可以表示为( )
A．kg·m2/s3 B．kg·m2/s2 C． kg·m/s2 D．kg·m/s
（3）小何利用如图（a）所示电路研究太阳能电池的伏安特性。连接电路后，闭合开关S，在光照条件和温度不变的情况下，改变电阻箱Rx的阻值，记录电压表示数U和电流表示数I，并多次重复该过程。将实验数据描在U-I图中，得到图（b）。

①根据图中的数据点画出U-I图像。
②由图线可知，当U= 14.0V时，该太阳能电池的输出功率为 。（结果保留3位有效数字）
③定值电阻R0为10.0 ，当电阻箱R的阻值为90.0 时，电阻箱Rx两端的电压为 （结果保留3位有效数字）
四、解答题
14．两个氘核以相等动能相向运动并发生正碰，产生一个中子和一个氦核，已知氘核质量，氦核质量，中子质量，相当于，取阿伏伽德罗常数。结果均保留三位有效数字。
（1）计算这次反应释放多少核能；
（2）求中子和氦核的动能分别为多少；
（3）若共有的氘核完全反应，求放出的总能量。
15．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2.0141u，氚原子的质量为3.0160u，氦原子质量为4.0026u，中子的质量为1.0087u，1u=1.66×10-27kg。
（1）写出氘和氚聚合的反应方程；
（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变成了电能，每年要消耗多少氘的质量 （一年按3.2×107s计算，光速c=3.00×108m/s，结果取两位有效数字）
16．某次核反应中，变成和，同时释放出若干中子。的平均结合能约为7.6MeV，的平均结合能约为8.4MeV，的平均结合能约为8.7MeV。
（1）把分解成核子时，要吸收多少能量；
（2）使相应的核子分别结合成和时，要释放出多少能量；
（3）在这个核反应中是吸收能量还是释放能量；这个能量大约是多少？
17．某实验室工作人员，用初速度v0=0.09c（c为真空的光速）的α粒子，轰击静止的氮原子核 ，产生了质子 ，若某次碰撞可看作对心正碰，碰后新核与质子同方向运动，垂直磁场方向射入磁场，通过分析偏转半径可得出新核与质子的速度大小之比为1：20，已知质子质量为m。
（1）写出核反应方程；
（2）求出质子的速度v。
18．山东海阳核电站一期工程建设了两台125万千瓦的AP1000三代核电机组．如果铀235在中子的轰击下裂变为Sr和Xe，质量mU＝235.0439u，mn＝1.0087u，mSr＝89.9077u，mXe＝135.9072u。
（1）写出裂变方程；
（2）求出一个铀核裂变放出的能量；
（3）若铀矿石的浓度为3%，一期工程投产发电后，一年将消耗多少吨铀矿石？（阿伏加德罗常数NA＝6.02×1023mol－1）
19．已知氘核的质量为，中子的质量为，核的质量为。
（1）写出两个氘核聚变成核的反应方程；
（2）计算上述核反应中释放的核能（相当于的能量）；
（3）若两个氘核以相等的动能做对心碰撞（碰撞前后动量守恒）即可发生上述核反应，且释放的核能全部转化为机械能，则反应中生成的核和中子的动能之比是多少？
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参考答案：
1．D
【详解】A．根据质量数守恒与电荷数守恒可知，铀核裂变的核反应方程为
故A错误；
B．原子核的半衰期由核内部自身因素决定，与原子所处的化学状态和外部条件无关，故B错误；
C．钍核（）经过1次β衰变可变成镤（），故C错误；
D．重核裂变的过程中释放能量，所以重核分裂成中等大小的核，核子的比结合能增大，所以在铀核裂变成钡和氪的核反应中，核子的比结合能增大，故D正确。
故选D。
2．D
【详解】A．根据质量数与电荷数守恒可知X为，故A错误；
B．核反应方程式中，生成物比反应物稳定，则的比结合能大于的比结合能，故B错误；
CD．核反应放出的能量为
由能量守恒可得
解得
故C错误，D正确。
故选D。
3．D
【详解】A．核裂变过程中有质量亏损，核反应前后的总质量减少。故A错误；
B．核反应前后电荷数守恒、质量数守恒。故B错误；
C．核反应产生的新核质量数比铀核略小，其比结合能均比铀核的大。故C错误；
D．铀核裂变过程释放能量，反应后核子的平均质量小于反应前核子平均质量。故D正确。
故选D。
4．D
【详解】A．从图中可以看出，Fe原子核核子平均质量最小，比结合能最大，Fe原子核最稳定，故A正确，不符合题意；
B．重核A裂变成原子核B和C时，由图可知，核子平均质量减小，裂变过程存在质量亏损，需要释放能量，故B正确，不符合题意；
C．轻核D和E发生聚变生成原子核F时，由图可知，核子平均质量减小，聚变过程存在质量亏损，需要释放能量，故C正确，不符合题意；
D．从图中可以看出，重核随原子序数的增加，原子核越不稳定，故比结合能越小，故D错误，符合题意。
故选D。
5．C
【详解】因为该反应放出能量，所以生成物的比结合能更大，由题意可知，有两个核子，有三个核子，共有四个核子，所以其释放的核能为
故选C。
6．A
【详解】A．发生轻核聚变的条件是使核的距离十分接近，达到10－15m，这就要使原子核获得很大的动能，所用方法是把它们加热到几百万摄氏度以上的高温，因此聚变反应又叫做热核反应，A正确；
B．根据质量数守恒和核电荷数守恒可知，氘氚核聚变的核反应方程为
故B错误；
C．对于相同质量的核燃料，轻核聚变产生的核能比重核裂变产生的核能多，故C错误；
D．核聚变反应过程中放出大量能量，有质量亏损，故D错误；
故选A。
7．C
【详解】A．卢瑟福通过对粒子散射实验的研究，提出了原子的“核式结构模型”，故A错误；
B．原子核的比结合能越大，表示核子结合得越牢固，原子就越稳定，故B错误；
C．查德威克用粒子轰击获得核，并发现了中子，故C正确；
D．根据质量数守恒和电荷数守恒可知，的质量数为1，电荷数为0，则X为中子，故D错误。
故选C。
8．D
【详解】
A．该热核反应释放大量的热，故A错误；
BC．根据电荷数和质量数守恒可知X为，中子数为8，故BC错误；
D．对该热核反应，由能量守恒可得
解得
故D正确。
故选D。
9．ABD
【详解】A．核反应
是衰变，故A正确；
B．核反应
是核聚变，故B正确；
C．核反应
是核裂变，故C错误；
D．核反应
是衰变，故D正确。
故选ABD。
10．AD
【详解】C．核反应方程电荷数和质量数守恒，释放热量，质量亏损，所以质量不守恒，故C错误；
A．由电荷数和质量数守恒可知核反应方程为
所以X是中子，故A正确；
B．该核反应属于核聚变，故B错误；
D．原子的比结合能越大越稳定，生成物较稳定，比结合能越大，的比结合能大于的比结合能，故D正确。
故选AD。
11．BC
【详解】A．核反应是实验室内用粒子轰击氮14原子核产生的核反应，属于原子核的人工转变，故A错误；
B．核反应是钍234原子核的衰变，衰变时原子核放出一个电子，同时增加一个质子，故B正确；
C．核反应是铀235原子核俘获慢中子后的裂变反应，故C正确；
D．核反应是典型的轻核聚变反应，故D错误。
故选BC。
12．CD
【详解】A．由电荷数守恒知X的电荷数为0，故X为中子，由质量数守恒知
故A错误；
B．太阳发生的是轻核聚变，所以太阳是一个巨大的热核反应堆，故B错误；
C．由题意知，核反应过程中的质量亏损
由质能方程可知，释放的核能
故C正确；
D．根据链式反应的条件可知，铀块体积必须达到临界体积，有中子通过时，才能发生链式反应，故D正确。
故选CD。
13． B A 2.38 13.5
【详解】（1）[1]太阳能是依据太阳的核聚变活动导致的。
故选B。
（2）[2]根据
辐射频率的国际单位可以表示为。
故选A。
（3）[3]U-I图像如图所示。

[4]由图可知当U= 14.0V时，电流为，该太阳能电池的输出功率为
（5）[5]和两端的电压为
做图线，交太阳能电池U-I图像于。电阻箱Rx两端的电压为

14．（1）；（2），；（3）
【详解】（1）由题可知反应过程中质量亏损为
则释放的能量为
（2）因碰撞过程中动量守恒，反应前后总动量为零，所以中子与氦核动量大小相等，方向相反，由公式
可得
又由能量守恒有
解得
，
（3）的氘含有的原子数为
发生核反应的次数为,故放出的总能量为
15．（1）；（2）2.8×10-12J；（3）23kg
【详解】（1）氘和氚聚合的反应方程为
（2）根据质能方程可得核反应释放出来的能量为
（3）每年要消耗氘的质量为
16．（1）1786MeV；（2）1142.4MeV，783MeV；（3）释放能量，139.4MeV
【详解】（1）把分解成核子时，要吸收的能量为
（2）使相应的核子结合成要释放的能量为
使相应的核子结合成要释放的能量为
（3）这个核反应放出的能量为
故会释放能量139.4MeV。
17．（1） ＋ → ＋ ；（2）v=0.20c
【详解】（1） ＋ → ＋
（2）设α粒子、新核质量分别为4m、17m，质子速度为v，由于对心碰撞，满足动量守恒，故
4mv0=17m ＋mv
解得
v=0.20c
18．（1） （2）140.4MeV （3）45.7t
【详解】（1）根据核裂变规律可得
（2）裂变过程的质量亏损为
释放的能量为
（3）核电站一年的发电量为
由
得
代入数据解得
19．（1）；（2）；（3）
【详解】（1）由质量数守恒和核电荷数守恒，写出核反应方程为
（2）反应过程中质量减少了
反应过程中释放的核能为
（3）设和的动量分别为和，由动量守恒定律得
由此得和大小相等，由动能和动量关系
结合核和质量关系，得核动能与中子的动能之比是
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