2025人教版高中物理选择性必修第三册强化练习题（有解析）--4　核裂变与核聚变　5“基本”粒子

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2025人教版高中物理选择性必修第三册
4　核裂变与核聚变　　　5　“基本”粒子
基础过关练
题组一　核裂变
1.关于铀核的裂变,下列叙述正确的是 (　　)
A.核反应堆中铀核俘获一个中子后分裂为两个或几个中等质量的原子核,并吸收大量能量
B.核反应堆中铀核自发分裂为两个或几个中等质量的原子核,同时释放大量的核能
C.要使核反应堆中铀核发生链式反应,必须要有慢中子的轰击
D.要使链式反应发生,裂变物质的体积要小于它的临界体积
2.(经典题)(2024广东佛山二模)在2023年10月28日举行的首届国际天然铀产业发展论坛中,我国宣布,通过“天空地深”一体化勘查技术发现了一批万吨至十万吨级铀矿床。天然铀中主要有铀238和铀235,其中,铀235的裂变方程为UnKrBa+n,下列说法正确的是 (　　)
A.铀235裂变可以自发进行
B.反应方程中A=144,Z=53
CKr的比结合能大于U的比结合能
D.离地表越深,温度越高,铀235的半衰期也越大
3.(多选题)(2024湖北武汉一模改编)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”,这一重大研究成果深化了人们对裂变现象的认识,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.核反应后的总质量减少
B.核反应后的总质量数减小
C.铀核裂变过程如果生成物不同,释放的能量可能会有差异
D.产生的新核的核子平均质量均比铀核的小
题组二　反应堆与核电站
4.(2023江苏南京期中)核电站发电原理是核裂变反应所释放的能量通过热力产生电能。铀235是核电站的主要核燃料,核反应堆在工作时,铀235既发生裂变,也发生衰变。铀235裂变方程为Un→XKr+n,衰变方程为U→YHe,则下列说法正确的是(　　)
A.衰变产生的新核Y不再具有放射性
BU的结合能小于Kr的结合能
C.衰变过程是通过吸收裂变过程释放的能量进行的
D.反应堆中镉棒插入深一些将会减慢核反应速度
5.如图是核电站工作流程图,下列说法正确的是 (　　)
A.核反应堆可以把核能直接转化为电能
B.核反应堆利用的是原子核衰变过程产生的能量
C.核反应生成物的比结合能小于反应物的比结合能
D.水泥防护层的作用是屏蔽裂变产物放出的各种射线
6.(经典题)(2024河北一模)统计显示,一座百万千瓦电功率的核电厂和燃煤电厂相比,每年可以减少二氧化碳排放600多万吨,可见核能是减排效应较大的能源之一。下列对于铀235相关的核反应的描述中,说法正确的是(　　)
A.铀块的体积越小,越容易发生链式反应
B.发生链式反应的核反应方程可能为U→Kr+n
C.在核反应堆中,中子的速度越快,铀核越容易发生核裂变
D.核反应堆中,在铀棒之间插入一些镉棒,主要是为了调节中子数量,以控制反应速度
7.(教材习题改编)某核电站,一天要消耗0.53 kU。设每个铀核裂变时放出200 MeV的能量,核电站的效率为20%,求这座核电站的发电功率。(阿伏加德罗常数取6.02×1023 mol-1)
题组三　核聚变
8.(2023江苏徐州期末)如图所示为氘核与氚核的核聚变示意图。下列说法正确的是 (　　)
A.目前核电站主要利用核聚变来发电
B.与轻核聚变相比,重核裂变更安全更清洁
C.要使氘核与氚核接近到可以聚变的距离,需要给它们提供足够的动能
D.要使核聚变持续发生,需要外界持续不断提供能量
9.(多选题)(2024北京平谷模拟预测改编)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HH→Hee
C.相同质量的核燃料,轻核聚变比重核裂变释放的核能更多
D.核聚变反应过程中没有质量亏损
10.(2024河北保定期中)一个氘核H)和一个氚核H)发生聚变时,可以得到一个氦核和一个中子,已知H的比结合能是1.09 MeVH的比结合能是2.78 MeVHe的平均结合能是7.03 MeV,中子的结合能为零。
(1)写出聚变时核反应方程;
(2)求发生聚变时释放的能量;
(3)求发生聚变时亏损的质量(c=3.0×108 m/s)。
题组四　“基本”粒子
11.关于粒子,下列说法中正确的是 (　　)
A.光子、电子、质子和中子是组成物质的不可再分的最基本粒子
B.质量比核子大的粒子都参与强相互作用
C.强子、轻子都由夸克组成
D.许多粒子都存在反粒子
能力提升练
题组一　核反应方程
1.(多选题)(2024重庆渝中阶段测试)关于核反应方程,下列说法正确的是 (　　)
ARaRnHe是α衰变
BHHHen是核裂变
CUnXeSr+n是核聚变
DNaMge是β衰变
2.(2024湖北武汉二模)2024年2月29日,国际热核聚变实验堆(ITER)组织与中核集团牵头的中法联合体正式签署真空室模块组装合同,中国将再次为ITER计划顺利推进贡献智慧和力量。下列核反应方程,属于热核反应的是(　　)
AHHHen
BNHeOH
CUThHe
DUnBaKr+n
题组二　核裂变及其应用
3.(2024河南许昌一模)2024年1月6日,“华龙一号”4号机组内穹顶吊装就位,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。核反应堆利用中子轰击重核发生裂变反应,释放出大量核能。nBaKr+aX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mU、mBa、mKr分别表示U、BaKr核的质量,mX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,a=2
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ΔE=(mU-mBa-mKr-2mX)c2
D.铀块体积必须达到临界体积,有质子通过时,才能发生链式反应
4.(多选题)(2024浙江宁波期末)2021年12月秦山核电站迎来安全发电30周年。核电站利用铀核裂变释放的能量每年发电约5×1010 kW·h,相当于减排二氧化碳五千万吨。为了提高能源利用率,核电站还将利用冷却水给周围居民供热。下列说法正确的是 (　　)
A.裂变反应产物Kr的比结合能比U的大
B.每年秦山核电站发电使原子核亏损的质量大于20 kg
C.反应堆中存在UBaKr+n的核反应
D.核电站常用的慢化剂有石墨、重水和普通水,可以减慢链式反应
5.(经典题)(2023辽宁名校联盟联考)原子弹和核反应堆都利用了原子核裂变产生的能量。用一个中子轰击U,可发生裂变反应生成Ba和Kr,并释放出几个中子,已知每个中子的质量m1=1.008 uU的质量m2=235.043 uBa的质量m3=140.913 u,Kr的质量m4=91.897 u,质量亏损1 u相当于释放931 MeV的能量,光速c=3×108 m/s。
(1)请写出上述裂变中的核反应方程;
(2)求一个U在裂变反应中释放的核能的表达式(用m1、m2、m3、m4、c表示);
(3)若某原子弹装料为60 kg的U,其中大约有1.2%发生裂变,真实的裂变情况有很多种,假设发生的都是上述裂变反应,已知阿伏加德罗常数NA=6×1023mol-1,求这颗原子弹释放的能量约为多少MeV (结果保留2位有效数字)
题组三　核聚变及其应用
6.(2024江苏南京秦淮中学二模)2023年4月12日21时,中国有“人造太阳”之称的全超导托卡马克核聚变实验装置(EAST)创造了新的世界纪录,成功实现稳态高约束模式等离子体运行403秒。其运行原理就是在装置的真空室内加入少量氢的同位素氘和氚,通过某种方法产生等离子体,等离子体满足一定条件就会发生聚变反应,反应过程中会产生巨大的能量。关于氢的同位素氘和氚的核聚变,其核反应方程为HHHe+X+17.6 MeV,光速c=3.0×108 m/s,则下列说法正确的是 (　　)
AH的比结合能大于He的比结合能
B.粒子X具有较强的电离能力
C.一个氘核和一个氚核发生核聚变,亏损的质量约为3.1×10-29 kg
D.提升等离子体的密度,在常温常压下也能发生聚变反应
7.(2023江苏南京期末)利用He与H的核聚变发电不产生温室气体,不产生放射性物质,是一种十分清洁、安全和环保的能源,开发月球土壤中蕴藏的丰富的He资源,对人类社会今后的可持续发展具有深远意义。该核反应可表示为HeHHe+X,若HeH和He的质量分别为m1、m2、m3,设聚变过程中释放的核能都转化为γ光子的能量,下列说法正确的是(　　)
A.反应产物X为电子
B.该反应释放的核能ΔE<(m1+m2-m3)c2
C.γ光子的波长λ=
D.轻核聚变与重核裂变相比产能效率更低
8.(2024江西吉安期末)如图为太阳内部的一种轻核聚变的示意图,此反应需要超高温;另一种核反应是几个氦核He在高温高压的作用下变成一个C,此核反应是放热反应。已知He的比结合能为E1C的比结合能为E2,光速为c,下列说法正确的是 (　　)
A.图像所对应的核反应方程式为H+H→Hen
B.另外一种核反应的方程式为HeC
CC的比结合能小于He的比结合能
D.另外一种核反应中的质量亏损为
9.(教材习题改编)在反应堆中通常用石墨做慢化剂使快中子减速。中子由两个氘核以相等动能Ek=0.5 MeV相向运动并发生正碰产生,氘核碰撞产生一个中子和一个氦核,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 u相当于931.5 MeV的能量,碳核的质量是中子的12倍,产生的中子和碳核每次碰撞也是弹性正碰,设碰撞前碳核都是静止的,中子动能为E0,发生核反应时向外辐射的能量不计。(lo10=-14)
(1)写出核反应方程;
(2)求中子与碳核碰撞前的动能E0为多少;
(3)至少经过多少次碰撞,中子的动能才能小于10-6E0。
答案与分层梯度式解析
1.C 2.C 3.ACD 4.D 5.D 6.D
8.C 9.AC 11.D
1.C　核反应堆中铀核俘获一个中子后分裂为两个或几个中等质量的原子核,同时释放大量的核能,选项A、B错误;要使核反应堆中铀核发生链式反应,必须要有慢中子的轰击,快中子不易捕获,选项C正确;要使链式反应发生,裂变物质的体积要大于等于它的临界体积,D错误。
2.C　铀235的裂变需要中子轰击才能发生,A错误;根据质量数守恒和电荷数守恒可知A=235+1-89-3=144,Z=92-36=56,B错误;铀核裂变时会释放能量,则反应后的产物Kr的比结合能大于U的比结合能,C正确;半衰期不随温度变化而变化,D错误。故选C。
导师点睛
重核裂变的实质
　　(1)重核裂变是用中子轰击质量较大的原子核,使之分裂成中等质量的原子核,同时释放大量的能量的过程。
　　(2)重核的裂变是放能核反应,原因是核反应前后质量有亏损,根本原因是重核的比结合能比中等质量的核的比结合能要小。
3.ACD　核裂变过程中释放核能,有质量亏损,核反应后的总质量减少,A正确;核反应前后电荷数守恒、质量数守恒,总质量数不变,B错误;根据质能方程ΔE=Δmc2,可知铀核裂变过程如果生成物不同,释放的能量会有差异,C正确;铀核裂变过程释放能量,有质量亏损,反应后核子的平均质量小于反应前核子平均质量,D正确。故选A、C、D。
4.D　根据电荷数守恒和质量数守恒,Y原子核中含有的电荷数为92-2=90,大于83,是具有放射性的,故A错误U的核子数比Kr的多U的结合能更大,选项B错误;衰变过程是原子核自发地进行的,选项C错误;镉吸收中子的能力很强(易错点),将镉棒插入深一些,可以多吸收一些中子,链式反应的速度就会慢一些,故D正确。故选D。
5.D　核反应堆把核能转化为内能,使水变成水蒸气,水蒸气推动汽轮发电机发电,选项A错误;核反应堆利用重核裂变过程产生的能量进行发电,选项B错误;核反应堆中发生核反应要放出能量,所以核反应生成物的比结合能大于反应物的比结合能,选项C错误;水泥防护层的作用是屏蔽裂变产物放出的各种射线,选项D正确。
6.D　要使链式反应发生,铀块必须达到临界体积,A错误;发生链式反应时,需有中子轰击铀核,生成物中也有中子,核反应方程中箭头两侧的中子不能约掉,B错误;在核反应堆中,中子的速度太快,会与铀235“擦肩而过”,铀核不能发生核裂变,C错误;核反应堆中,在铀棒之间插入一些镉棒,可以吸收中子,主要是为了调节中子数量,控制反应速度,D正确。故选D。
7.答案　1×108 W
解析　0.53 kU含有的铀原子个数N=nNA=NA=×6.02×1023≈1.36×1024
每个铀核裂变时放出200 MeV的能量,那么0.53 kg铀235裂变后释放的能量
E=1.36×1024×200×106×1.6×10-19=4.35×1013 J
因核电站的效率为20%,故核电站一天的发电量W=20%×4.35×1013 J=8.7×1012 J
则这座核电站的发电功率为P== W=1×108 W
8.C　目前核电站主要利用重核裂变释放的能量来发电,选项A错误;轻核聚变与重核裂变相比,轻核聚变更为安全、清洁,废物数量少,选项B错误;要使氘核与氚核接近到可以聚变的距离,需要给它们提供足够的动能,选项C正确;核聚变一旦发生,就不再需要外界给它能量,靠自身产生的热就会使反应继续下去,选项D错误。
9.AC　要使轻核发生聚变,原子核要有很大的动能,一种可行的方法是把它们加热到几百万开尔文的高温,因此聚变反应又叫热核反应,A正确;根据质量数守恒和电荷数守恒可知,氘、氚核聚变的核反应方程为HHHen,B错误;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,C正确;核聚变反应过程中放出大量能量,有质量亏损,D错误。故选A、C。
10.答案　(1HHHen　(2)17.6 MeV
(3)3.13×10-29 kg
解析　(1)氘核、氚核聚变时的核反应方程为
HHHen
(2)反应物的总结合能为
E1=(1.09×2+2.78×3) MeV=10.52 MeV
生成物的总结合能为E2=7.03×4 MeV=28.12 MeV(点拨:单个核子n无结合能)
所以聚变时释放的能量为ΔE=E2-E1=(28.12-10.52) MeV=17.6 MeV
(3)1 eV=1.6×10-19 J,ΔE=17.6 MeV=2.816×10-12 J
由质能方程可知ΔE=Δmc2
代入可得Δm=3.13×10-29 kg
11.D　质子、中子本身有复杂结构,选项A错误;τ子的质量比核子的质量大,但它属于轻子,不参与强相互作用,选项B错误;现代实验还没有发现轻子的内部结构,选项C错误;宇宙中的许多粒子都存在反粒子,选项D正确。
能力提升练
1.AD 2.A 3.C 4.AB 6.C 7.B 8.D
1.ADRaRnHe是α衰变,A正确H+Hen是核聚变,B错误UnXeSr+n是核裂变,C错误NaMge是β衰变,D正确。故选A、D。
方法技巧
核反应方程的快速区分
　　(1)衰变:衰变方程左边只有一个原子核,右边有两个粒子且其中一个为α粒子He)或β粒子e)。
　　(2)原子核的人工转变:核反应方程左边有一个原子核以及α粒子、中子、质子、氘核等粒子中的一个,右边有一个新核,还可能放出其他粒子。
　　(3)重核裂变:左边为重核与中子,右边为两个(或多个)中等质量的核和若干个中子。
　　(4)轻核聚变:左边为两个轻核,右边为质量较大的核,可能还有质子、中子等粒子,例如氘核和氚核结合成氦核的反应。
2.A　A是轻核聚变,需要加热到很高的温度才能发生,又叫热核反应,B是原子核的人工转变,C是衰变,D是重核裂变,故选A。
3.C　由质量数守恒和电荷数守恒可知,a=3,X的电荷数为0,质量数是1,X为中子,A错误;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,B错误;由题意知,核反应过程中的质量亏损Δm=mU+mX-mBa-mKr-3mX=mU-mBa-mKr-2mX,由质能方程可知,放出的核能ΔE=Δmc2=(mU-mBa-mKr-2mX)c2,C正确;根据链式反应的条件可知,铀块体积必须达到临界体积,有中子轰击时,才能发生链式反应,D错误。故选C。
4.AB　裂变反应生成物比反应物更稳定,即生成物的比结合能比反应物的比结合能更大,故A正确。Δm== kg=20 kg,而发电效率达不到100%,故原子核亏损的质量大于20 kg,故B正确。铀235的裂变需要中子轰击,生成多个中等质量的核和中子,存在UnBaKr+n的核反应,故C错误。核电站常用的慢化剂有石墨、重水和普通水,可以减慢中子的速度(易错点);通过控制镉棒插入的深度来控制链式反应速度,故D错误。故选A、B。
5.答案　(1UnBaKr+n　(2)ΔE=(m2-m3-m4-2m1)c2　(3)3.7×1026 MeV
解析　(1)由质量数守恒和电荷数守恒可得该核反应方程为UnBaKr+n
(2)反应前后质量亏损为Δm=m1+m2-m3-m4-3m1=m2-m3-m4-2m1
根据质能方程ΔE=Δmc2
得ΔE=(m2-m3-m4-2m1)c2
(3)一个U发生裂变反应,反应前后质量亏损Δm=(235.043-140.913-91.897-2×1.008) u=0.217 u
根据质能方程ΔE=Δm×931 MeV
可以求出释放能量为ΔE=202.027 MeV
这颗原子弹中发生裂变的铀235的质量约为m=60 kg×1.2%=0.72 kg=720 g
铀235的摩尔质量M约为235 g/mol,所以E总=NAΔE
代入数据得E总=3.7×1026 MeV。
6.CH和H聚变为He会放出能量,可知生成物比反应物更加稳定,即H的比结合能小于He的比结合能,故A错误;根据电荷数守恒和质量数守恒可知,此反应中X的电荷数为0,质量数为1,即粒子是中子,中子的穿透能力强,电离能力弱(破题关键),故B错误;根据质能方程ΔE=Δmc2,一个氘核和一个氚核发生核聚变,亏损的质量为Δm= kg≈3.1×10-29 kg,故C正确;目前轻核聚变只能在高温高压的环境下进行,故D错误。故选C。
7.B　根据核反应中质量数守恒和电荷数守恒可知,X的质量数为1,电荷数为1,则反应产物X为质子,选项A错误;该反应释放的核能ΔE=(m1+m2-m3-mX)c2<(m1+m2-m3)c2,选项B正确;根据ΔE=,可得γ光子的波长λ=,选项C错误;轻核聚变与重核裂变相比产能效率更高,选项D错误。故选B。
8.D　图像所对应的核反应方程式为HHHen,A错误;另一种核反应是几个氦核He在高温高压的作用下变成一个C,核反应的方程式为HeC,此核反应是放热反应,生成物比反应物要稳定,比结合能大,即C的比结合能大于He的比结合能,B、C错误;对另外一种核反应,放出的能量E=12E2-12E1,由质能方程E=Δmc2,解得核反应中的质量亏损Δm=,D正确。故选D。
9.答案　(1)HnHe　(2)3.20 MeV　(3)42次
解析　(1)核反应方程为HnHe
(2)核反应中的质量亏损为Δm=2×2.013 6 u-1.008 7 u-3.015 0 u=0.003 5 u
释放的核能为ΔE=0.003 5×931.5 MeV
由动量守恒可知,氦核与中子的动量大小相等(破题关键)。
由Ek=知,EHe∶En=1∶3
由能量守恒,有EHe+En=ΔE+2Ek
则中子与碳核碰撞前的动能
E0=En=×(ΔE+2Ek)≈3.20 MeV
(3)设中子的质量为m,速度为v0,碳核的质量为M=12m,二者碰撞后的速度分别为v1、v,碰撞过程动量守恒、机械能守恒,以中子和碳核组成的系统为研究对象,以中子的初速度方向为正方向,由动量守恒定律得mv0=mv1+Mv①
由机械能守恒定律得m=m+Mv2②
由①②可得v1=-v0
中子与碳核第一次碰撞后剩余的动能为
E1=m=m=E0
同理经过第二次碰撞后,中子剩余的动能为
E2=m=m=E0
…
第n次碰撞后中子剩余的动能为
En=m=m=E0(解题技法)
且En=10-6E0
有E0=10-6E0
即=10-6
两边取对数可得lo10-6=2n,解得n=42(次)
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