[A级——基础达标练]
1．(多选)关于人们发现的新粒子，下列说法正确的是( )
A．许多粒子都有自己的反粒子
B．把粒子分为强子、轻子、媒介子，依据是粒子与各种相互作用的关系
C．质子属于强子
D．光子属于轻子
解析：选ABC。许多粒子都有自己的反粒子，反粒子与其对应的正粒子具有相同的质量和相同的电荷量，但电荷的符号相反，故A正确；粒子分为三大类：媒介子、轻子和强子，依据其相互作用的关系，质子属于强子，光子属于媒介子，故B、C正确，D错误。
2．(多选)当一个重核裂变时，它能产生的两个核( )
A．一定是稳定的
B．含有的中子数较裂变前重核的中子数少
C．裂变时释放的能量等于俘获中子时得到的能量
D．可以是多种形式的两个核的组合
解析：选BD。重核裂变为两个中等质量的核时平均要放出2个或3个中子，裂变释放的能量比俘获中子的能量大，C错误；中子数会减少，B正确；重核裂变的产物是多种多样的，A错误，D正确。
3．一个静止的铀核U(原子质量为232.037 2 u)放出一个α粒子(原子质量为4.002 6 u)后衰变成钍核90Th(原子质量为228.028 7 u)。已知1 u相当于931.5 MeV的能量。铀核的衰变反应方程为→90Th＋He，算出该衰变反应中释放出的核能为( )
A．5.35 MeV
B．5.5 MeV
C．10.35 MeV
D．10.5 MeV
答案：B
4．我国秦山核电站第三期工程中有两组60万千瓦的发电机组，发电站的核能来源于92U的裂变，现有四种说法：
①92U原子核中有92个质子，143个中子
②92U的一种可能裂变是变成两个中等质量的原子核，反应方程为92U＋n→54Xe＋Sr＋2n
③92U是天然放射性元素，常温下它的半衰期约为45亿年，升高温度半衰期缩短
④一个92 U裂变能放出200 MeV的能量，合3.2×10－11 J
以上说法中完全正确的是( )
A.①②③ B．②③④
C．①③④ D．①②④
解析：选D。由92 U的质量数和电荷数关系知①正确；由核反应方程中电荷数守恒和质量数守恒知②正确；半衰期不受外界因素干扰，故③错误；因为200 MeV＝200×106×1.6×10－19 J＝3.2×10－11 J，所以④正确，故D正确。
5．太阳辐射能量主要来自太阳内部的( )
A．化学反应
B．放射性衰变
C．裂变反应
D．热核反应
解析：选D。太阳的能量来自内部的核聚变，产生很高的能量，又称为热核反应。故D正确，A、B、C错误。
6．ITER装置是一个能产生大规模核聚变反应的超导托卡马克，俗称“人造太阳”。人造太阳中发生的主要是氢的同位素——氘和氚的核聚变反应。下列说法正确的是( )
A．核反应方程为H＋H→He＋H
B．该核反应过程吸收能量
C．该核反应生成物的质量大于反应物的质量
D．聚变生成物He的比结合能大于反应物H的比结合能
解析：选D。核反应方程中质量数与电荷数守恒，而A选项中的电荷数不守恒，A错误；核聚变反应过程放出能量，B错误；核聚变反应有大量的能量放出，由爱因斯坦质能方程知，有质量亏损，生成物的质量小于反应物的质量，C错误；比结合能越大，原子核越稳定，故He的比结合能大于H的比结合能，D正确。
7．我国自行研制的“超导托卡马克”可控热核反应实验装置，俗称人造太阳，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，通过类似变压器的原理使其产生等离子体，然后提高其密度、温度使其发生聚变反应，产生巨大的能量，核反应方程式是H＋H→He＋X，下列说法正确的是( )
A．该核反应前后核子的平均质量增加
B．核反应方程式中的X是中子
C．该核反应前后的电荷数不守恒
D．该核反应产生的条件之一是核聚变的原料要大于一定的临界体积
解析：选B。该核反应过程中要释放能量，故前后核子的平均质量减小，A错误；根据核反应前后质量数是守恒的，可得X为n，是中子，B正确；核反应前后的电荷数是守恒的，C错误；核聚变反应是热核反应，与体积无关，D错误。
[B级——能力增分练]
8．下列说法正确的是( )
A．研制核武器的钚239 eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(Pu)) 由铀239 eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(U)) 经过2次β衰变而产生
B．升高温度可以加快6C 的衰变
C．20 g的92U 经过两个半衰期后，质量变为15 g
D．92U 在中子轰击下，生成Sr 和54Xe 的核反应前后，原子核的核子总数减少
解析：选A。经过β衰变电荷数多1，质量数不变，所以钚239由铀239经过2次β衰变而产生，A正确；温度不会影响衰变速度，B错误；根据半衰期公式m＝m0，可得m＝5 g，即20 g的铀经过2个半衰期后其质量变为5 g，C错误；核反应前后，原子核的核子总数守恒，D错误。
9．有一种聚变反应是四个氢核聚变成一个氦核，同时放出两个正电子。(已知煤的燃烧值q＝3.36×107 J/kg，氢核质量为1.008 142 u，氦核质量为4.001 509 u，电子的质量为0.000 549 u，质量亏损为1 u时，释放的能量为931.5 MeV，阿伏加德罗常数取6.02×1023 mol－1，结果均保留3位有效数字)问：
(1)若1 g氢完全聚变，能释放多少能量？
(2)1 g氢完全聚变，释放的能量相当于多少煤完全燃烧放出的热能？
解析：(1)核反应方程为4H→He＋2e
所以Δm＝4mH－mHe－2me＝4×1.008 142 u－4.001 509 u－2×0.000 549 u＝0.029 961 u
根据ΔE＝Δmc2有ΔE＝Δmc2＝0.029 961 uc2＝0.029 961×931.5 MeV＝27.91 MeV＝4.47×10－12 J
1 g氢完全聚变释放的能量为E＝×6.02×1023×4.47×10－12 J＝6.73×1011 J。
(2)1 g氢完全聚变，释放的能量相当于煤完全燃烧的质量为m＝ kg＝2.00×104 kg。
答案：(1)6.73×1011 J (2)2.00×104 kg
10．用中子轰击铀核(92U)，其中的一个可能反应是分裂成钡(56Ba)和氪(Kr)两部分，放出3个中子。
各个核和中子的质量如下：
mU＝390.313 9×10－27 kg，mn＝1.674 9×10－27 kg；
mBa＝234.001 6×10－27 kg，mKr＝152.604 7×10－27 kg。
试写出核反应方程，求出反应中释放的核能。
解析：根据反应前后核的质量数守恒和核电荷数守恒，
此铀核裂变方程为
n＋U→56Ba＋Kr＋3n，
则核反应前后的质量亏损
Δm＝mU＋mn－mBa－mKr－3mn＝0.357 8×10－27 kg，
由爱因斯坦质能方程可得释放的核能为
ΔE＝Δmc2＝0.357 8×10－27×(3.0×108)2 J≈3.220 2×10－11 J。
答案：n＋92U→Ba＋Kr＋3n 3.220 2×10－11 J
11.92U受中子轰击时会发生裂变，产生56Ba和Kr，同时放出200兆电子伏特的能量。现要建设发电能力是50万千瓦的核电站，用铀235作为原子锅炉的燃料。假设核裂变释放的能量全部被用来发电，那么一天需要纯铀235的质量为多大？(阿伏加德罗常数取6.02×1023mol－1)
解析：核电站每一天的发电量E＝Pt＝50×104×103×24×3600 J＝4.32×1013 J
据题意知，核电站一天的发电量就等于发电站在一天时间内铀235裂变所释放的总能量，故核电站每天所消耗的铀235核的个数
n＝
＝(个)＝1.35×1024(个)。
故发电站每一天需要的纯铀235的质量
m＝·M＝×235×10－3 kg≈0.527 kg。
答案：0.527 kg
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第五章 原子核
第4节 核裂变与核聚变
第5节 “基本”粒子
[学习目标]
1．知道重核的裂变反应和链式反应的发生条件。
2．了解裂变反应堆的类型，知道核电站的工作模式。
3．知道聚变反应，关注受控聚变反应研究的进展。
4．会分析和计算核裂变和核聚变过程释放的核能。
5．初步了解粒子物理学的基础知识。
中子
核能
3．链式反应
(1)由重核裂变产生的中子使核裂变反应一代一代继续下去的过程，叫作核裂变的____________。
(2)通常把核裂变物质能够发生链式反应的最小体积叫作它的____________，相应的质量叫作____________。
链式反应
临界体积
临界质量
知识点2 反应堆与核电站
1．核反应堆：通过可控制的链式反应实现核能释放的装置称为____________。
2．慢化剂：反应堆中，为了使裂变产生的快中子减速，在铀棒周围要放“慢化剂”，常用的慢化剂有______、______和_________。
3．控制棒：为了控制反应速度，还需要在铀棒之间插进一些镉棒，镉吸收______的能力很强，当反应过于激烈时，可将其插入___一些，多吸收一些______，链式反应的速度就会慢一些，这种镉棒叫作_________。
核反应堆
石墨
重水
普通水
中子
深
中子
控制棒
4．核污染的处理
为避免______对人体的伤害和_______________对水源、空气和工作场所造成放射性污染，在反应堆的外面需要修建很厚的_________，用来屏蔽核裂变产物放出的各种射线。核废料具有很强的_________，需要装入特制的容器，____________。
射线
放射性物质
水泥层
放射性
深埋地下
质量较大
10－15m
温度
热核反应
4．优点
(1)轻核聚变_______________。
(2)地球上__________________储量丰富，而氚可以利用锂来制取，足以满足核聚变的需要。
(3)轻核聚变更为安全、清洁。
5．约束方法：_________和惯性约束。
产能效率高
核聚变燃料氘
磁约束
[判一判]
1．(1)铀核的裂变是一种天然放射现象。( )
(2)铀块的质量大于临界质量时链式反应才能不停地进行下去。( )
(3)控制棒是通过吸收中子多少来控制链式反应速度的。( )
(4)核聚变反应中平均每个核子放出的能量比裂变时小一些。( )
×
√
√
×
知识点4 发现新粒子
1．新粒子：1932年发现了_________，1937年发现了____，1947年发现了_______和_______及以后的超子等。
2．反粒子：实验中发现，存在着这样一类粒子，它们的质量、寿命、自旋等物理性质与过去已经发现的粒子______，而电荷等其他性质______，这些粒子叫作反粒子。例如，电子的反粒子就是_________。
正电子
μ子
K介子
π介子
相同
相反
正电子
知识点5 粒子的分类
1．强子：强子是______强相互作用的粒子。______和______都是强子。
2．轻子：轻子_________强相互作用。最早发现的轻子是______。
3．规范玻色子：规范玻色子是______各种相互作用的粒子。光子传递____________作用，中间玻色子传递_________作用，胶子传递_________作用。
4．希格斯玻色子：希格斯玻色子是希格斯场的量子激发。
参与
质子
中子
不参与
电子
传递
电磁相互
弱相互
强相互
[判一判]
2．(1)质子、中子和电子都是不可再分的基本粒子。( )
(2)质子和反质子的电荷量相同，电性相反。( )
×
√
1．(核裂变)在核反应中，控制铀235核裂变反应速度的方法是( )
A．使用浓缩铀
B．改变铀块的临界体积
C．通过自动控制装置，改变镉棒插入的深度，以改变中子数
D．利用石墨与中子的碰撞来改变中子的速度
√
√
解析：X原子核中的核子数为(235＋1)－(94＋2)＝140个，B错误；
中子数为(235－92)＋1－(94－38)－2＝86个，A正确；
裂变时释放能量，出现质量亏损,但是其总质量数是不变的,C、D错误。
3．(核聚变)在大约50至60亿年之后，太阳内部的氢元素几乎会全部消耗殆尽，核心将发生坍缩。在太阳核心发生坍缩前，太阳的能量来源于内部的核反应，下列关于太阳的核反应的说法错误的是( )
A．核反应是太阳内部的核裂变
B．核反应需要达到极高温度
C．核反应前后核子的平均质量减小
D．核反应前后核子总质量数不变
√
解析：核反应是太阳内部的核聚变，故A错误；
核反应需要达到极高温度，故B正确；
核反应前后释放能量，质量亏损，核子的平均质量减小，故C正确；
核反应前后质量数守恒，电荷数守恒，核子总质量数不变，故D正确。
4．(粒子的分类)以下说法正确的是( )
A．最早发现的轻子是电子，最早发现的强子是中子
B．质子、中子、介子和超子都属于强子
C．强子、轻子都有内部结构
D．τ子质量比核子质量大，τ子不属于轻子
√
解析：最早发现的强子是质子，最早发现的轻子是电子，A错误；
质子、中子、介子和超子都属于强子，B正确；
强子有内部结构，由夸克组成，轻子没有内部结构，C错误；
τ子质量比核子质量大，但τ子仍属于轻子，D错误。
5．(基本粒子)现在科学家们正在设法探寻“反物质”，所谓“反物质”是由“反粒子”构成的，“反粒子”与其对应的正粒子有相同的质量和相同的电荷量，但电荷符号相反。据此，若有反α粒子，它的质量数和电荷数分别为( )
A．－4，－2 B．4，－2
C．－4，2 D．4，2
解析：因“反粒子”与其对应的正粒子具有相同的质量、相同的电荷量,但电荷的符号相反。所以，反α粒子质量数为4，电荷数为－2。
√
探究一 重核裂变的分析
1．铀核的裂变和裂变方程
(1)核子受激发：当中子进入铀235后，便形成了处于激发状态的复核，复核中由于核子的激烈运动，使核变成不规则的形状。
(2)核子分裂：核子间的距离增大，因而核力迅速减弱，使得原子核由于质子间的斥力作用而分裂成几块，同时放出2或3个中子，这些中子又引起其他铀核裂变，这样，裂变就会不断地进行下去，释放出越来越多的核能。
3．裂变反应的能量
铀核裂变为中等质量的原子核，发生质量亏损，所以放出能量。一个铀235核裂变时释放的能量如果按200 MeV估算，1 kg铀235全部裂变放出的能量相当于2 800 t标准煤完全燃烧时释放的能量，裂变时能产生几百万度的高温。
√
√
探究二 核电站的工作原理及能量转化
1．反应堆工作原理
(1)热源：在核电站中，核反应堆是热源，如图为简化的核反应堆示意
图：铀棒是燃料，由天然铀或浓缩铀(铀235的含量占2%～4%)制成，石墨(重水)为慢化剂，使反应生成的快中子变为慢中子,便于铀235的吸收，发生裂变。慢化剂附在铀棒周围。
(2)控制棒：镉棒的作用是吸收中子，控制反应速度，所以也叫控制棒。控制棒插入深一些，吸收中子多，反应速度变慢，插入浅一些，吸收中子少，反应速度加快，采用电子仪器自动调节控制棒插入深度，就能控制核反应的剧烈程度。
(3)冷却剂：核反应释放的能量大部分转化为内能，这时通过水、液态钠等作冷却剂，在反应堆内外循环流动，把内能传输出去，用于推动蒸汽机，使发电机发电。
发生裂变反应时，会产生一些有危险的放射性物质，很厚的水泥防护层可以防止射线辐射到外面。
2．核电站发电的优点
(1)消耗的核燃料少。
(2)作为核燃料的铀、钍等在地球上可采储量大。
(3)对环境的污染要比火力发电小。
【例2】 (2024·江西开学考试)我国玲龙一号(ACP100)是全球首个陆上商用模块化小型核反应堆，被称为“核能移动充电宝”，可以作为我国将来的核动力航母的动力和电能来源。下列说法正确的是( )
A．玲龙一号核反应堆的核燃料取自海水中的氘
B.玲龙一号原理利用轻核的聚变释放核能
C．玲龙一号利用重核裂变释放的核能来发电
D．玲龙一号利用比结合能大的核变成比结合能小的核来获得核能
√
[解析] 玲龙一号利用重核的裂变释放的核能来发电，用中子轰击铀核裂变成中等质量的核，同时放出几个中子，故A、B错误，C正确；
中等质量的核比结合能最大，则玲龙一号是利用比结合能小的核变成比结合能大的核来获得核能的，故D错误。
[针对训练2] (多选)关于核反应堆，下列说法正确的是( )
A．铀棒是核燃料，裂变时释放核能
B．镉棒的作用是控制反应堆的功率
C．石墨的作用是吸收中子
D．冷却剂的作用是控制反应堆的温度和输出热能
√
√
√
解析： 铀棒是核燃料，裂变时可放出能量，故A正确；
镉棒吸收中子的能力很强，作用是调节中子数目以控制反应速度，即控制反应堆功率，故B正确；
慢中子最容易引发铀核裂变，所以在快中子碰到铀棒前要进行减速，石墨的作用是使中子减速，故C错误；
水或液态金属钠等流体在反应堆内外循环流动，把反应堆内的热量传输出去，用于发电，同时也使反应堆冷却，控制温度，故D正确。
探究三 核聚变及核能的计算
1．聚变发生的条件
要使轻核聚变，必须使轻核接近核力发生作用的距离10－15 m，这要克服电荷间强大的斥力作用，要求使轻核具有足够大的动能。要使原子核具有足够大的动能，就要给它们加热，使物质达到几百万开尔文的高温。
2．轻核聚变是放能反应
从比结合能的图线看，轻核聚变后比结合能增加，因此聚变反应是一个放能反应。
3．核聚变的特点
(1)在消耗相同质量的核燃料时，轻核聚变比重核裂变释放更多的能量。
(2)热核反应一旦发生，就不再需要外界给它能量，靠自身产生的热就可以使反应进行下去。
(3)普遍性：热核反应在宇宙中时时刻刻地进行着，太阳就是一个巨大的热核反应堆。
4．核聚变的应用
(1)核武器——氢弹，一种不需要人工控制的轻核聚变反应装置。它利用弹体内的原子弹爆炸产生的高温高压引发热核聚变爆炸。
(2)可控热核反应：目前处于探索阶段。
5．重核裂变与轻核聚变的区别
重核裂变 轻核聚变
放能原理 重核分裂成两个或多个中等质量的原子核，放出核能 两个轻核结合成质量较大的原子核，放出核能
放能多少 聚变反应比裂变反应平均每个核子放出的能量要大3～4倍
核废料处理难度 聚变反应的核废料处理要比裂变反应简单得多
重核裂变 轻核聚变
原料的
蕴藏量 核裂变燃料铀在地球上储量有限，尤其用于核裂变的铀235在铀矿石中只占0.7% 主要原料是氘，氘在地球上的储量非常丰富。 1 L海水中大约有0.03 g氘，如果用来进行热核反应，放出的能量约与燃烧300 L汽油相当
可控性 速度比较容易进行人工控制，现在的核电站都是用核裂变反应释放核能 目前，除氢弹以外，人们还不能控制它
【例4】 两个氘核结合成一个氦核，已知氘核质量为2.014 1 u，氦核质量为 4.002 6 u。
(1)写出相应的核反应方程；
(2)求出1 kg氘完全结合成氦时可以释放出的能量。已知：阿伏加德罗常数NA为6.0×1023 mol－1，氘核的摩尔质量为2 g/mol，1u相当于931.5 MeV的能量。(结果保留2位有效数字)
√
解析：核聚变反应中产生新的原子核，同时由于发生了质量亏损，会有核能的释放，B正确，A、C错误；
目前核电站大多采用重核裂变的方法来发电，D错误。第4节 核裂变与核聚变
第5节 “基本”粒子
[学习目标]
1．知道重核的裂变反应和链式反应的发生条件。
2．了解裂变反应堆的类型，知道核电站的工作模式。
3．知道聚变反应，关注受控聚变反应研究的进展。
4．会分析和计算核裂变和核聚变过程释放的核能。
5．初步了解粒子物理学的基础知识。
INCLUDEPICTURE "知识梳理.TIF"
知识点1 核裂变的发现
1．核裂变：重核被中子轰击后分裂成两个质量差不多的新原子核，并放出核能的过程。
2．铀核裂变：用中子轰击铀核时，铀核发生裂变，其产物是多种多样的，其中一种典型的反应是U＋n→ Ba＋Kr＋3n。
3．链式反应
(1)由重核裂变产生的中子使核裂变反应一代一代继续下去的过程，叫作核裂变的链式反应。
(2)通常把核裂变物质能够发生链式反应的最小体积叫作它的临界体积，相应的质量叫作临界质量。
知识点2 反应堆与核电站
1．核反应堆：通过可控制的链式反应实现核能释放的装置称为核反应堆。
2．慢化剂：反应堆中，为了使裂变产生的快中子减速，在铀棒周围要放“慢化剂”，常用的慢化剂有石墨、重水和普通水。
3．控制棒：为了控制反应速度，还需要在铀棒之间插进一些镉棒，镉吸收中子的能力很强，当反应过于激烈时，可将其插入深一些，多吸收一些中子，链式反应的速度就会慢一些，这种镉棒叫作控制棒。
4．核污染的处理
为避免射线对人体的伤害和放射性物质对水源、空气和工作场所造成放射性污染，在反应堆的外面需要修建很厚的水泥层，用来屏蔽核裂变产物放出的各种射线。核废料具有很强的放射性，需要装入特制的容器，深埋地下。
知识点3 核聚变
1．定义：两个轻核结合成质量较大的核，这样的核反应叫作核聚变。
2．举例：H＋H→He＋n＋17.6 MeV。
3．条件
(1)轻核的距离要达到10－15m以内。
(2)需要加热到很高的温度，因此核聚变又叫热核反应。
4．优点
(1)轻核聚变产能效率高。
(2)地球上核聚变燃料氘储量丰富，而氚可以利用锂来制取，足以满足核聚变的需要。
(3)轻核聚变更为安全、清洁。
5．约束方法：磁约束和惯性约束。
[判一判]
1．(1)铀核的裂变是一种天然放射现象。( )
(2)铀块的质量大于临界质量时链式反应才能不停地进行下去。( )
(3)控制棒是通过吸收中子多少来控制链式反应速度的。( )
(4)核聚变反应中平均每个核子放出的能量比裂变时小一些。( )
提示：(1)× (2)√ (3)√ (4)×
知识点4 发现新粒子
1．新粒子：1932年发现了正电子，1937年发现了μ子，1947年发现了K介子和π介子及以后的超子等。
2．反粒子：实验中发现，存在着这样一类粒子，它们的质量、寿命、自旋等物理性质与过去已经发现的粒子相同，而电荷等其他性质相反，这些粒子叫作反粒子。例如，电子的反粒子就是正电子。
知识点5 粒子的分类
1．强子：强子是参与强相互作用的粒子。质子和中子都是强子。
2．轻子：轻子不参与强相互作用。最早发现的轻子是电子。
3．规范玻色子：规范玻色子是传递各种相互作用的粒子。光子传递电磁相互作用，中间玻色子传递弱相互作用，胶子传递强相互作用。
4．希格斯玻色子：希格斯玻色子是希格斯场的量子激发。
[判一判]
2．(1)质子、中子和电子都是不可再分的基本粒子。( )
(2)质子和反质子的电荷量相同，电性相反。( )
提示：(1)× (2)√
INCLUDEPICTURE "基础自测.TIF"
1．(核裂变)在核反应中，控制铀235核裂变反应速度的方法是( )
A．使用浓缩铀
B．改变铀块的临界体积
C．通过自动控制装置，改变镉棒插入的深度，以改变中子数
D．利用石墨与中子的碰撞来改变中子的速度
答案：C
2．(核裂变及核能计算)一个92U原子核在中子的轰击下发生一种可能的裂变反应，其裂变方程为92U＋n→X＋Sr＋2n，则下列叙述正确的是( )
A．X原子核中含有86个中子
B．X原子核中含有141个核子
C．因为裂变时释放能量，根据E＝mc2，裂变后的总质量数增加
D．因为裂变时释放能量，出现质量亏损，所以生成物的总质量数减少
解析：选A。X原子核中的核子数为(235＋1)－(94＋2)＝140个，B错误；中子数为(235－92)＋1－(94－38)－2＝86个，A正确；裂变时释放能量，出现质量亏损，但是其总质量数是不变的，C、D错误。
3．(核聚变)在大约50至60亿年之后，太阳内部的氢元素几乎会全部消耗殆尽，核心将发生坍缩。在太阳核心发生坍缩前，太阳的能量来源于内部的核反应，下列关于太阳的核反应的说法错误的是( )
A．核反应是太阳内部的核裂变
B．核反应需要达到极高温度
C．核反应前后核子的平均质量减小
D．核反应前后核子总质量数不变
解析：选A。核反应是太阳内部的核聚变，故A错误；核反应需要达到极高温度，故B正确；核反应前后释放能量，质量亏损，核子的平均质量减小，故C正确；核反应前后质量数守恒，电荷数守恒，核子总质量数不变，故D正确。
4．(粒子的分类)以下说法正确的是( )
A．最早发现的轻子是电子，最早发现的强子是中子
B．质子、中子、介子和超子都属于强子
C．强子、轻子都有内部结构
D．τ子质量比核子质量大，τ子不属于轻子
解析：选B。最早发现的强子是质子，最早发现的轻子是电子，A错误；质子、中子、介子和超子都属于强子，B正确；强子有内部结构，由夸克组成，轻子没有内部结构，C错误；τ子质量比核子质量大，但τ子仍属于轻子，D错误。
5．(基本粒子)现在科学家们正在设法探寻“反物质”，所谓“反物质”是由“反粒子”构成的，“反粒子”与其对应的正粒子有相同的质量和相同的电荷量，但电荷符号相反。据此，若有反α粒子，它的质量数和电荷数分别为( )
A．－4，－2 B．4，－2
C．－4，2 D．4，2
解析：选B。因“反粒子”与其对应的正粒子具有相同的质量、相同的电荷量，但电荷的符号相反。所以，反α粒子质量数为4，电荷数为－2。
探究一 重核裂变的分析
INCLUDEPICTURE "重难整合.TIF"
1．铀核的裂变和裂变方程
(1)核子受激发：当中子进入铀235后，便形成了处于激发状态的复核，复核中由于核子的激烈运动，使核变成不规则的形状。
(2)核子分裂：核子间的距离增大，因而核力迅速减弱，使得原子核由于质子间的斥力作用而分裂成几块，同时放出2或3个中子，这些中子又引起其他铀核裂变，这样，裂变就会不断地进行下去，释放出越来越多的核能。
(3)常见的裂变方程：
①U＋n→Xe＋Sr＋2n。
②U＋n→Ba＋Kr＋3n。
2．链式反应的条件
(1)铀块的体积大于临界体积。
(2)铀块的质量大于临界质量。
以上两个条件满足一个，则另一个条件自动满足。
3．裂变反应的能量
铀核裂变为中等质量的原子核，发生质量亏损，所以放出能量。一个铀235核裂变时释放的能量如果按200 MeV估算，1 kg铀235全部裂变放出的能量相当于2 800 t标准煤完全燃烧时释放的能量，裂变时能产生几百万度的高温。
INCLUDEPICTURE "典例引领.TIF"
【例1】 (2021·江西鹰潭市高三二模)铀原子核既可发生衰变，也可发生裂变。其衰变方程为U→Th＋X，裂变方程为U＋n→Y＋Kr＋3n，其中U、n、Y、Kr 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．U衰变是α衰变，α射线可以用来测量钢板的厚度
B．U裂变时释放的能量为(m1－2m2－m3－m4)c2
C．若提高温度，U的半衰期将会变小
D．Y原子核中含有56个中子
[解析] 根据质量数守恒和电荷数守恒可得X为He，发生的是α衰变，α射线贯穿能力弱，不可以用来测量钢板的厚度，故A错误；裂变时释放的能量，由爱因斯坦质能方程得ΔE＝Δmc2＝(m1－2m2－m3－m4)c2，故B正确；半衰期与环境没有关系，故C错误；根据核反应前后质量数和核电荷数均守恒，Y原子核中含有56个质子，中子数为144－56＝88个，故D错误。
[答案] B
[针对训练1] 贫铀炸弹是一种杀伤力很强的武器，贫铀是提炼铀235以后的副产品，其主要成分为铀238，贫铀炸弹不仅有很强的穿甲能力，而且铀238具有放射性，残留物可长期对环境起破坏作用而造成污染。人长期生活在该环境中会受到核辐射而患上皮肤癌和白血病。下列叙述错误的是( )
A．铀238的衰变方程式U→Th＋He
B．U和U互为同位素
C．人患皮肤癌和白血病是因为核辐射导致了基因突变
D．贫铀弹的穿甲能力很强，也是因为它的放射性
答案：D
探究二 核电站的工作原理及能量转化
INCLUDEPICTURE "重难整合.TIF"
1．反应堆工作原理
(1)热源：在核电站中，核反应堆是热源，如图为简化的核反应堆示意图：铀棒是燃料，由天然铀或浓缩铀(铀235的含量占2%～4%)制成，石墨(重水)为慢化剂，使反应生成的快中子变为慢中子，便于铀235的吸收，发生裂变。慢化剂附在铀棒周围。
(2)控制棒：镉棒的作用是吸收中子，控制反应速度，所以也叫控制棒。控制棒插入深一些，吸收中子多，反应速度变慢，插入浅一些，吸收中子少，反应速度加快，采用电子仪器自动调节控制棒插入深度，就能控制核反应的剧烈程度。
(3)冷却剂：核反应释放的能量大部分转化为内能，这时通过水、液态钠等作冷却剂，在反应堆内外循环流动，把内能传输出去，用于推动蒸汽机，使发电机发电。
发生裂变反应时，会产生一些有危险的放射性物质，很厚的水泥防护层可以防止射线辐射到外面。
2．核电站发电的优点
(1)消耗的核燃料少。
(2)作为核燃料的铀、钍等在地球上可采储量大。
(3)对环境的污染要比火力发电小。
INCLUDEPICTURE "典例引领.TIF"
【例2】 (2024·江西开学考试)我国玲龙一号(ACP100)是全球首个陆上商用模块化小型核反应堆，被称为“核能移动充电宝”，可以作为我国将来的核动力航母的动力和电能来源。下列说法正确的是( )
A．玲龙一号核反应堆的核燃料取自海水中的氘
B.玲龙一号原理利用轻核的聚变释放核能
C．玲龙一号利用重核裂变释放的核能来发电
D．玲龙一号利用比结合能大的核变成比结合能小的核来获得核能
[解析] 玲龙一号利用重核的裂变释放的核能来发电，用中子轰击铀核裂变成中等质量的核，同时放出几个中子，故A、B错误，C正确；中等质量的核比结合能最大，则玲龙一号是利用比结合能小的核变成比结合能大的核来获得核能的，故D错误。
[答案] C
【例3】 在所有能源中核能具有能量密度大、区域适应性强的优点，在核电站中，核反应堆释放的核能被转化为电能。核反应堆的工作原理是利用中子轰击重核发生裂变反应，释放出大量核能。
(1)核反应方程式U＋n→Ba＋Kr＋aX是反应堆中发生的许多核反应中的一种，n为中子，X为待求粒子，a为X的个数，则X为________，a＝________。以mU、mBa、mKr分别表示U、Ba、Kr核的质量，mn、mp分别表示中子、质子的质量，c为光在真空中传播的速度，则在上述核反应过程中放出的核能ΔE＝______________。
(2)有一座发电能力为P＝1.00×106 kW的核电站，核能转化为电能的效率η＝40%。假定反应堆中发生的裂变反应全是本题(1)中的核反应，已知每次核反应过程中放出的核能ΔE＝2.78×10－11 J，铀核的质量mU＝390×10－27 kg，求每年(1年＝3.15×107 s)消耗的U的质量。
[解析] (1)依据电荷数守恒和质量数守恒可判断X为n，a为3，由质能方程知释放的能量为
ΔE＝(mU－mBa－mKr－2mn)c2。
(2)因核电站的核能转化效率为40%，故核电站消耗核能的功率为
P′＝＝ kW＝2.5×106 kW
则核电站每年所需核能为
E＝P′t＝2.5×109×3.15×107 J＝7.875×1016 J
产生这些能量消耗的铀核的数目
n＝＝(个)≈2.83×1027(个)
故每年消耗U的质量为
M＝nmU＝2.83×1027×390×10－27 kg＝1 103.7 kg。
[答案] (1)n 3 (mU－mBa－mKr－2mn)c2
(2)1 103.7 kg
[针对训练2] (多选)关于核反应堆，下列说法正确的是( )
A．铀棒是核燃料，裂变时释放核能
B．镉棒的作用是控制反应堆的功率
C．石墨的作用是吸收中子
D．冷却剂的作用是控制反应堆的温度和输出热能
解析：选ABD。 铀棒是核燃料，裂变时可放出能量，故A正确；镉棒吸收中子的能力很强，作用是调节中子数目以控制反应速度，即控制反应堆功率，故B正确；慢中子最容易引发铀核裂变，所以在快中子碰到铀棒前要进行减速，石墨的作用是使中子减速，故C错误；水或液态金属钠等流体在反应堆内外循环流动，把反应堆内的热量传输出去，用于发电，同时也使反应堆冷却，控制温度，故D正确。
探究三 核聚变及核能的计算
INCLUDEPICTURE "重难整合.TIF"
1．聚变发生的条件
要使轻核聚变，必须使轻核接近核力发生作用的距离10－15 m，这要克服电荷间强大的斥力作用，要求使轻核具有足够大的动能。要使原子核具有足够大的动能，就要给它们加热，使物质达到几百万开尔文的高温。
2．轻核聚变是放能反应
从比结合能的图线看，轻核聚变后比结合能增加，因此聚变反应是一个放能反应。
3．核聚变的特点
(1)在消耗相同质量的核燃料时，轻核聚变比重核裂变释放更多的能量。
(2)热核反应一旦发生，就不再需要外界给它能量，靠自身产生的热就可以使反应进行下去。
(3)普遍性：热核反应在宇宙中时时刻刻地进行着，太阳就是一个巨大的热核反应堆。
4．核聚变的应用
(1)核武器——氢弹，一种不需要人工控制的轻核聚变反应装置。它利用弹体内的原子弹爆炸产生的高温高压引发热核聚变爆炸。
(2)可控热核反应：目前处于探索阶段。
5．重核裂变与轻核聚变的区别
重核裂变 轻核聚变
放能原理 重核分裂成两个或多个中等质量的原子核，放出核能 两个轻核结合成质量较大的原子核，放出核能
放能多少 聚变反应比裂变反应平均每个核子放出的能量要大3～4倍
核废料处理难度 聚变反应的核废料处理要比裂变反应简单得多
原料的蕴藏量 核裂变燃料铀在地球上储量有限，尤其用于核裂变的铀235在铀矿石中只占0.7% 主要原料是氘，氘在地球上的储量非常丰富。 1 L海水中大约有0.03 g氘，如果用来进行热核反应，放出的能量约与燃烧300 L汽油相当
可控性 速度比较容易进行人工控制，现在的核电站都是用核裂变反应释放核能 目前，除氢弹以外，人们还不能控制它
INCLUDEPICTURE "典例引领.TIF"
【例4】 两个氘核结合成一个氦核，已知氘核质量为2.014 1 u，氦核质量为 4.002 6 u。
(1)写出相应的核反应方程；
(2)求出1 kg氘完全结合成氦时可以释放出的能量。已知：阿伏加德罗常数NA为6.0×1023 mol－1，氘核的摩尔质量为2 g/mol，1u相当于931.5 MeV的能量。(结果保留2位有效数字)
[解析] (1)核聚变反应的方程为H＋H→He。
(2)两个氘核结合成一个氦核时释放的能量为
ΔE＝Δmc2＝(2×2.014 1 u－4.002 6 u)c2
＝0.025 6×931.5 MeV≈23.8 MeV
由于1 kg氘中含有一对的氘核数为n＝×(×NA)
＝×(×6.0×1023)＝1.5×1026
1 kg氘完全结合成氦时可以释放出的能量为
E＝nΔE＝1.5×1026×23.8 MeV≈3.6×1027 MeV。
[答案] (1)H＋H→He (2)3.6×1027 MeV
[针对训练3] 科学家发现在月球上含有丰富的He(氦3)，它是一种高效、清洁、安全的核聚变燃料，其参与的一种核聚变反应的方程式为2He→2H＋He，下列关于He聚变的表述正确的是( )
A．聚变反应不会释放能量
B．聚变反应产生了新的原子核
C．聚变反应没有质量亏损
D．目前核电站都采用He聚变反应发电
解析：选B。核聚变反应中产生新的原子核，同时由于发生了质量亏损，会有核能的释放，B正确，A、C错误；目前核电站大多采用重核裂变的方法来发电，D错误。
INCLUDEPICTURE"分层演练素养达标LLL.TIF" INCLUDEPICTURE "H:\\临时文件\\9.19物理\\分层演练素养达标LLL.TIF" \* MERGEFORMATINET [A级——基础达标练]
1．(多选)关于人们发现的新粒子，下列说法正确的是( )
A．许多粒子都有自己的反粒子
B．把粒子分为强子、轻子、媒介子，依据是粒子与各种相互作用的关系
C．质子属于强子
D．光子属于轻子
解析：选ABC。许多粒子都有自己的反粒子，反粒子与其对应的正粒子具有相同的质量和相同的电荷量，但电荷的符号相反，故A正确；粒子分为三大类：媒介子、轻子和强子，依据其相互作用的关系，质子属于强子，光子属于媒介子，故B、C正确，D错误。
2．(多选)当一个重核裂变时，它能产生的两个核( )
A．一定是稳定的
B．含有的中子数较裂变前重核的中子数少
C．裂变时释放的能量等于俘获中子时得到的能量
D．可以是多种形式的两个核的组合
解析：选BD。重核裂变为两个中等质量的核时平均要放出2个或3个中子，裂变释放的能量比俘获中子的能量大，C错误；中子数会减少，B正确；重核裂变的产物是多种多样的，A错误，D正确。
3．一个静止的铀核92U(原子质量为232.037 2 u)放出一个α粒子(原子质量为4.002 6 u)后衰变成钍核90Th(原子质量为228.028 7 u)。已知1 u相当于931.5 MeV的能量。铀核的衰变反应方程为 eq \a\vs4\al(92U) →90Th＋He，算出该衰变反应中释放出的核能为( )
A．5.35 MeV
B．5.5 MeV
C．10.35 MeV
D．10.5 MeV
答案：B
4．我国秦山核电站第三期工程中有两组60万千瓦的发电机组，发电站的核能来源于92U的裂变，现有四种说法：
①92U原子核中有92个质子，143个中子
②92U的一种可能裂变是变成两个中等质量的原子核，反应方程为92U＋n→54Xe＋Sr＋2n
③92U是天然放射性元素，常温下它的半衰期约为45亿年，升高温度半衰期缩短
④一个92 U裂变能放出200 MeV的能量，合3.2×10－11 J
以上说法中完全正确的是( )
A.①②③ B．②③④
C．①③④ D．①②④
解析：选D。由92 U的质量数和电荷数关系知①正确；由核反应方程中电荷数守恒和质量数守恒知②正确；半衰期不受外界因素干扰，故③错误；因为200 MeV＝200×106×1.6×10－19 J＝3.2×10－11 J，所以④正确，故D正确。
5．太阳辐射能量主要来自太阳内部的( )
A．化学反应
B．放射性衰变
C．裂变反应
D．热核反应
解析：选D。太阳的能量来自内部的核聚变，产生很高的能量，又称为热核反应。故D正确，A、B、C错误。
6．ITER装置是一个能产生大规模核聚变反应的超导托卡马克，俗称“人造太阳”。人造太阳中发生的主要是氢的同位素——氘和氚的核聚变反应。下列说法正确的是( )
A．核反应方程为H＋H→He＋H
B．该核反应过程吸收能量
C．该核反应生成物的质量大于反应物的质量
D．聚变生成物He的比结合能大于反应物H的比结合能
解析：选D。核反应方程中质量数与电荷数守恒，而A选项中的电荷数不守恒，A错误；核聚变反应过程放出能量，B错误；核聚变反应有大量的能量放出，由爱因斯坦质能方程知，有质量亏损，生成物的质量小于反应物的质量，C错误；比结合能越大，原子核越稳定，故He的比结合能大于H的比结合能，D正确。
7．我国自行研制的“超导托卡马克”可控热核反应实验装置，俗称人造太阳，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，通过类似变压器的原理使其产生等离子体，然后提高其密度、温度使其发生聚变反应，产生巨大的能量，核反应方程式是H＋H→He＋X，下列说法正确的是( )
A．该核反应前后核子的平均质量增加
B．核反应方程式中的X是中子
C．该核反应前后的电荷数不守恒
D．该核反应产生的条件之一是核聚变的原料要大于一定的临界体积
解析：选B。该核反应过程中要释放能量，故前后核子的平均质量减小，A错误；根据核反应前后质量数是守恒的，可得X为n，是中子，B正确；核反应前后的电荷数是守恒的，C错误；核聚变反应是热核反应，与体积无关，D错误。
[B级——能力增分练]
8．下列说法正确的是( )
A．研制核武器的钚239 eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(94Pu)) 由铀239 eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(92U)) 经过2次β衰变而产生
B．升高温度可以加快6C 的衰变
C．20 g的92U 经过两个半衰期后，质量变为15 g
D．92U 在中子轰击下，生成Sr 和54Xe 的核反应前后，原子核的核子总数减少
解析：选A。经过β衰变电荷数多1，质量数不变，所以钚239由铀239经过2次β衰变而产生，A正确；温度不会影响衰变速度，B错误；根据半衰期公式m＝m0，可得m＝5 g，即20 g的铀经过2个半衰期后其质量变为5 g，C错误；核反应前后，原子核的核子总数守恒，D错误。
9．有一种聚变反应是四个氢核聚变成一个氦核，同时放出两个正电子。(已知煤的燃烧值q＝3.36×107 J/kg，氢核质量为1.008 142 u，氦核质量为4.001 509 u，电子的质量为0.000 549 u，质量亏损为1 u时，释放的能量为931.5 MeV，阿伏加德罗常数取6.02×1023 mol－1，结果均保留3位有效数字)问：
(1)若1 g氢完全聚变，能释放多少能量？
(2)1 g氢完全聚变，释放的能量相当于多少煤完全燃烧放出的热能？
解析：(1)核反应方程为4H→He＋2e
所以Δm＝4mH－mHe－2me＝4×1.008 142 u－4.001 509 u－2×0.000 549 u＝0.029 961 u
根据ΔE＝Δmc2有ΔE＝Δmc2＝0.029 961 uc2＝0.029 961×931.5 MeV＝27.91 MeV＝4.47×10－12 J
1 g氢完全聚变释放的能量为E＝×6.02×1023×4.47×10－12 J＝6.73×1011 J。
(2)1 g氢完全聚变，释放的能量相当于煤完全燃烧的质量为m＝ kg＝2.00×104 kg。
答案：(1)6.73×1011 J (2)2.00×104 kg
10．用中子轰击铀核(92U)，其中的一个可能反应是分裂成钡(56Ba)和氪(Kr)两部分，放出3个中子。
各个核和中子的质量如下：
mU＝390.313 9×10－27 kg，mn＝1.674 9×10－27 kg；
mBa＝234.001 6×10－27 kg，mKr＝152.604 7×10－27 kg。
试写出核反应方程，求出反应中释放的核能。
解析：根据反应前后核的质量数守恒和核电荷数守恒，
此铀核裂变方程为
n＋U→56Ba＋Kr＋3n，
则核反应前后的质量亏损
Δm＝mU＋mn－mBa－mKr－3mn＝0.357 8×10－27 kg，
由爱因斯坦质能方程可得释放的核能为
ΔE＝Δmc2＝0.357 8×10－27×(3.0×108)2 J≈3.220 2×10－11 J。
答案：n＋92U→Ba＋Kr＋3n 3.220 2×10－11 J
11.92U受中子轰击时会发生裂变，产生56Ba和Kr，同时放出200兆电子伏特的能量。现要建设发电能力是50万千瓦的核电站，用铀235作为原子锅炉的燃料。假设核裂变释放的能量全部被用来发电，那么一天需要纯铀235的质量为多大？(阿伏加德罗常数取6.02×1023mol－1)
解析：核电站每一天的发电量E＝Pt＝50×104×103×24×3600 J＝4.32×1013 J
据题意知，核电站一天的发电量就等于发电站在一天时间内铀235裂变所释放的总能量，故核电站每天所消耗的铀235核的个数
n＝
＝(个)＝1.35×1024(个)。
故发电站每一天需要的纯铀235的质量
m＝·M＝×235×10－3 kg≈0.527 kg。
答案：0.527 kg
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