人教版物理高二选修2-3第六章第三节核聚变和受控热核反应同步训练

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人教版物理高二选修2-3第六章
第三节核聚变和受控热核反应同步训练
一．选择题
1．核反应堆是人工控制链式反应速度、并获得核能的装置．它是由以下几个主要部件构成：（1）铀棒；（2）控制棒；（3）减速剂；（4）冷却剂．关于控制棒的主要作用，下面说法正确的是（ ）
A．使快中子减速，维持链式反应的进行
B．吸收中子，控制链式反应的速度
C．冷却降温，控制核反应堆的温度不要持续升高
D．控制铀的体积不要超过临界体积
答案：B
解析：解答：控制棒是用含有金属铪、铟、银、镉等材料做成的；可以有效吸收反应堆中的中子；
中子越多，核反应越剧烈；故核反应堆就像一堆火一样，要想让核燃料的“火势”减弱或加强，可通过调整控制棒在核反应堆里的高度来实现，插入得越深，“吃”掉的中子越多，拔出的越高，产生的中子越多；要想关闭核反应堆，只需把足够量的控制棒插入到核反应堆里即可；
故选：B．
分析：根据核反应堆的工作原理分析，明确各部件的主要作用，知道核反应的链式反应是如何进行的．
2．核电站利用核能发电，它的核心设备是反应堆，下列说法正确的是（）
A．反应堆是用人工方法控制链式反应速度并获得核能的装置
B．目前核电站都是通过聚变反应来利用核能
C．控制棒的作用是使中子减速，从而控制链式反应的速度
D．通入反应堆中的水起冷却作用和吸收中子的作用
答案：A
解析：解答：A、核电站的核反应堆是利用可控的核裂变反应释放核能的设备．A正确．
B、核电站主要利用核裂变的可控链式反应来发电的．B错误．
C、控制棒的作用是控制中子数量，从而控制链式反应的速度，C错误．
D、冷却剂把反应堆核反应产生的热量传递出去，同时使反应堆冷却，D错误．
故选A．
分析：核能发电是利用铀原子核裂变时放出的核能来发电的．核电站的核心设备是核反应堆，核反应堆是通过可控裂变（链式反应）释放能量的．
控制棒的作用是控制中子数量，从而控制链式反应的速度，冷却剂把反应堆核反应产生的热量传递出去，同时使反应堆冷却．
3．关于我国现已建成的核电站，下列说法中正确说法是（）
A．发电的能量来自于天然放射性元素衰变放出的能量
B．发电的能量来自于重核裂变放出的能量
C．当控制棒插入反应堆的深度增大时链式反应速度加快
D．当控制棒插入反应堆的深度减小时链式反应速度减慢
答案：B
解析：解答：A、B：核电站是利用原子核裂变的链式反应释放出大量的核能，是可控链式反应，故A错误B正确；
C、当控制棒插入反应堆的深度增大时链式反应速度减慢，故C错误；
D、当控制棒插入反应堆的深度减小时链式反应速度加快，故D错误．
故选B．
分析：核能分为裂变和聚变两种，裂变分为两种：可控链式反应和不可控链式反应，前者主要应用在核反应堆中，后者应用在原子弹中；聚变主要应用在氢弹上．
4． 2011年3月11日，日本大地震引发了福岛核电站核泄漏事故，使核电安全问题成为人们关注的焦点．下列关于核电站说法正确的是（）
A．核电站利用核聚变反应时释放的能量进行发电
B．将控制棒插入核反应堆可以控制链式反应的速度
C．核电站是直接将核能转化为电能的发电站
D．核泄漏的有害物质主要是化学反应中产生的有害气体
答案：B
解析：解答：A、核电站是利用原子核裂变的链式反应释放出大量的核能，是可控链式反应，故A错误；
B、如果对裂变的链式反应不加控制，在极短的时间内就会释放出巨大的能量，发生猛烈爆炸．原子弹爆炸时发生的链式反应就是不可控链式反应，故B正确；
C、核电站中将核能先转化为介质的内能，再推动发电机的转子转动，转化为机械能，并在发电机中最终转化为电能，故C错误；
D、核电站不排放烟尘、CO2、SO2等有害气体，但是铀核裂变会产生核废料，核废料会产生放射性污染，所以，核电站必须采用多种可靠的防护措施，来防止放射性物质的泄漏．核废料不能用来铺设马路，进行二次利用，故D错误．
故选B．
分析：核电站主要利用核裂变的可控链式反应来发电的．虽然核能发电有很多优点，但是核废料因具有放射线，故必须慎重处理．
5．中广核集团现拥有大亚湾核电站、岭澳核电站一期、岭澳核电站二期等在运行的核电机组，核电站利用的是（）
A．放射性元素衰变放出的能量
B．人工放射性同位素放出的能量
C．重核裂变放出的能量
D．轻核聚变放出的能量
答案：C
解析：解答：目前人类能控制缓慢释放能量的核能只有核裂变；故核电站均采用受控热核裂变释放的能量；
故选：C．
分析：目前我们能控制的核能只有核裂变；现在的核电站是利用核裂变释放核能而发电的．
6．某原子核反应堆由铀棒、镉棒、慢化剂、冷却剂和水泥防护层等组成，关于它们的作用，下列说法中不正确的是（）
A．铀棒是核反应堆的燃料
B．镉棒是吸收中子的材料
C．慢化剂（如石墨、重水等）起减慢核反应的作用
D．冷却剂把反应堆的热量传递出去，同时使反应堆冷却
答案：C
解析：解答：A、原子核反应堆中铀棒是核反应堆的燃料．故A正确．
B、镉棒能吸收中子，控制速率．故镉棒是吸收中子的材料；故B正确．
C、慢化剂将裂变产生的快中子减慢成热中子，提高裂变反应的几率的作用，不是来减慢核反应的．故C错误．
D、冷却剂的作用是把反应堆核反应产生的热量传递出去，同时使反应堆冷却．故D正确．
故选：C．
分析：原子核反应堆中铀棒是核反应堆的燃料，镉棒是吸收中子的材料，慢化剂（如石墨、重水等）起减慢裂变产生的快中子的速度，冷却剂把反应堆的热量传递出去，同时使反应堆冷却．
7．核反应堆中的燃料棒被控制棒分散隔开着，而控制棒的作用是（）
A．吸收中子B．防止放射线向外辐射
C．作为冷却剂D．作为减速剂
答案：A
解析：解答：在核电站中，通过控制棒（一般用石墨棒）吸收中子多少来控制反应速度，故A正确；
故选A
分析：控制棒是用含有金属铪、铟、银、镉等材料做成的．要想让核燃料的“火势”减弱或加强，可通过调整控制棒在核反应堆里的高度来实现，插入得越深，“吃”掉的中子越多，拔出的越高，产生的中子越多；要想关闭核反应堆，只需把足够量的控制棒插入到核反应堆里即可．
8． 2011年3月11日下午，日本东部海域发生里氏9.0级大地震，并引发海啸，受此影响，日本福岛第一核电站发生放射性物质泄漏事故，对人的安全及环境产生一定的危害作用．下列关于核反应及核衰变的一些说法中正确的是（）
A．福岛核电站是依靠核聚变反应放出的核能来发电的
B．核裂变过程质量亏损，核聚变过程质量增大
C．放射性物质半衰期越短，污染环境时间也越短
D．β射线与γ射线一样是电磁波，但穿透本领远比γ射线小
答案：C
解析：解答：A、核电站是依靠核裂变反应放出的核能来发电的，故A错误；
B、聚变过程也是质量亏损放出能量，故B错误；
C、半衰期越短放射性物质越容易消失的快，故C正确；
D、β射线是电子流，故D错误；
故选：C
分析：本题考查了四个知识点，难度不大，如三种射线的特性．
9．关于原子核，下列说法中正确的是（）
A．原子核能发生β衰变说明原子核内存在电子
B．核反应堆利用镉棒吸收中子控制核反应速度
C．轻核的聚变反应可以在任何温度下进行
D．一切核反应都能释放核能
答案：B
解析：解答：A、β衰变是核内的一个中子变为质子同时发出一个电子，故A错误；
B、镉具有很大的中子吸收界面，所以用来吸收裂变产生的中子，故B正确；
C、聚变必须在高温下进行，故C错误；
D、核聚变和核裂变大部分是放出核能，只有极少数的核反应是吸收能量，故D错误；
故选：B
分析：该题考察知识比较全面，题目中四个选项，考察了四个方面的知识，但是所考察问题均为对基本概念、规律的理解．只要正确理解教材中有关概念即可．
10．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
答案：D
解析：解答：太阳的能量来自于内部的核聚变，产生很高的能量，又称为热核反应．故D正确，A、B、C错误．
故选D．
分析：太阳辐射能量主要来自太阳内部的热核反应．
11．秦山核电站是我国第一座自主研究、设计和建造的核电站，它为中国核电事业的发展奠定了基础．秦山核电站的能量来自于（）
A．天然放射性元素衰变放出的能量
B．人工放射性同位素衰变放出的能量
C．重核裂变放出的能量
D．轻核聚变放出的能量
答案：C
解析：解答：核电站发电是利用重核裂变原理，故C正确，A、B、D错误．
故选：C．
分析：核电站是利用核能发电，利用了核裂变原理．
12．关于原子物理的相关知识，下列说法正确的是（）
A．太阳辐射能量主要来自太阳内部的核裂变反应
B．一束单色光照射到某种金属表面不能发生光电效应，是因为该光的波长太短
C．发生光电效应时，入射光的频率越高，逸出的光电子的最大初动能就越大
D．大量的氢原子从n=3能级向低能级跃迁时，只能辐射两种不同频率的光
答案：C
解析：解答：A、太阳辐射的能量主要来自太阳内部的核聚变反应．故A不正确；
B、一束单色光照射到某种金属表面不能发生光电效应，说明了光子的能量太小，是因为该束光的波长太长；故B错误；
C、发生光电效应时，入射光的光强一定，频率越高，光子的能量越大，由：Ekm=hγ﹣W逸出功得，逸出的光电子的最大初动能就越大．故C正确
D、大量的氢原子从n=3的能级向低能级跃迁时，会辐射三种不同频率的光，故D错误
故选：C．
分析：太阳辐射的能量主要来自太阳内部的核聚变反应；一束单色光照射到某种金属表面不能发生光电效应，是因为该束光的波长太长；发生光电效应时，入射光的光强一定，频率越高，逸出的光电子的最大初动能就越大
13．下列说法不正确的是（）
A．太阳辐射的能量主要来自于太阳内部的热核反应
B．波尔根据氢原子光谱分立的特性提出电子轨道和原子能量是量子化的
C．核力是强相互作用的一种表现，在原子核内核力比库仑大得多
D．光电效应和α粒子散射实验都证明了原子核式结构模型
答案：D
解析：解答：A、太阳内部在进行剧烈的热核反应，释放出巨大的核能，故A正确；
B、玻尔根据氢原子光谱分立的特性提出电子轨道和原子能量是量子化的，故B正确；
C、核力是核子之间的作用力，它是核子组成稳定的原子核的非常巨大的力，是一种强相互作用，主要是吸引力，比库仑力大得多，在吸引范围内，核力约是静电斥力的100倍，故C正确；
D、α粒子散射实验证明了原子核式结构模型，光电效应证明光具有粒子性，故D错误；
故选：D．
分析：太阳内部发生的热核反应；玻尔提出了电子轨道的量子化和能量的量子化；核力是一种强相互作用力．光电效应说明光具有粒子性．在核反应中，电荷数守恒、质量数守恒．
14．原子能资源的综合利用已成为世界各国的发展方向，我国在综合利用原子能方面进展较快，目前我国核电站已建成9座、正在建设的3座、即将开建的有4座．届时将较好地改变我国能源结构．对有关原子核的下列说法中正确的是（）
A．太阳辐射的能量主要来源于重核裂变
B．β衰变所释放的电子是原子核内的中子转化成质子时所产生的
C．X射线是处于激发态的原子核辐射出来的
D．核力是强相互作用的一种表现，在原子核内核力与库仑力差不多大
答案：B
解析：解答：A、太阳的能量来自于内部的核聚变，产生很高的能量，又称为热核反应，故A错误；
B、β衰变所释放的电子是原子核内的中子转化成质子时所产生的，故B正确；
C、X射线是因为原子的内层电子受到激发产生的，γ射线是激发态的原子核辐射的．故C错误；
D、核力是强相互作用的一种表现，在原子核内核力远大于库仑力．故D错误．
故选：B．
分析：太阳的能量来自于内部的核聚变，X射线是因为原子的内层电子受到激发产生的；比结合能越大的原子核越稳定．
15．以下物理过程中原子核发生变化而产生新核的有（）
A．光电效应现象B．卢瑟福的α粒子散射实验
C．X射线的产生过程D．太阳内部发生的剧烈反应
答案：D
解析：解答：A、光电效应是发出光电子的现象，未产生新核．故A错误．
B、卢瑟福的α粒子散射实验，是氦核受到库仑斥力发生偏转，未产生新核．故B错误．
C、伦琴射线的产生过程，是核外电子逸出，未产生新核．故C错误．
D、太阳内部发生的是聚变反应，产生新核．故D正确．
故选：D．
分析：通过判断各种物理现象的实质，确定有无新核的产生．
二．填空题
16．核电站是人类和平利用核能的一个实例，目前核电站是利用 释放的核能来发电的．（选填“核裂变”或“核聚变”）
答案：核裂变
解析：解答：目前核电站是利用核裂变释放的核能来发电的．
答案为：核裂变
分析：现在世界上的核电站都是利用核裂变发电的．
17． 2006年11月21日，中国、欧盟、美国、日本、韩国、俄罗斯和印度七方在法国总统府正式签署一个能源方面的联合实施协定及相关文件，该协定中的能源是指 能源．
答案：核聚变
解析：解答：国际热核聚变实验反应堆的原理，类似太阳发光发热．即在上亿度的超高温条件下．利用氢的同位素氘、氚的聚变反应释放出核能．热核聚变燃料氘、氚可以从海水中提取，1升海水中的氘、氚经过核聚变反应释放的能量．相当于300升汽油，可以说原料取之不尽；核聚变反应不产生温室气体和核废料，不会危害环境．这项计划的实施结果，将决定人类能否迅速、大规模使用核聚变能源，从而可能影响人类从根本上解决能源问题的进程，意义非常巨大．
故答案为：核聚变．
分析：参加国际热核聚变实验反应堆计划的欧盟、中国、美国、日本、韩国、俄罗斯、印度七方代表，11月21日在法国总统府爱丽舍富正式签署联合实验协定以及相关文件，人类开发热核聚变能源的宏伟计划全面启动．
18．人类利用的大部分能量都是直接或间接来自于太阳能,在太阳内部，氢原子核在超高温下发生 ，释放出巨大的 ．今天我们开采化石燃料来获取能量，实际上是在开采上亿年前地球所接收的 ．
答案：核聚变|能量|太阳能
解析：解答：人类利用的大部分能量都是直接或间接来自于太阳能．在太阳内部，氢原子核在超高温下发生核聚变，释放巨大的能量．今天我们开采化石燃料来获取能量，实际上是在开采上亿年前地球所接收的太阳能．
故答案为：核聚变，能量，太阳能．
分析：太阳内部进行的是核聚变，释放巨大的能量．化石燃料实际上储存了上亿年前地球所接收的太阳能．
19．在可控核反应堆中需要给快中子减速，轻水、重水和石墨等常用作减速剂．中子在重水中可与H核碰撞减速，在石墨中与C核碰撞减速．上述碰撞可简化为弹性碰撞模型．某反应堆中快中子与静止的靶核发生对心正碰，通过计算说明，仅从一次碰撞考虑，用重水和石墨作减速剂，哪种减速效果更好？ ．
答案：重水减速效果更好
解析：解答：设中子的质量为mn，靶核质量为m，
以中子的初速度方向为正方向，
由动量守恒定律：mnv0=mnv1+mv2
由能量守恒定律得：mnv12+mv22=mnv02，
解得：v1=，
在重水中靶核质量m=2mn
解得：v1H==﹣v0，
在石墨中靶核的质量m=12mn
v1C==﹣11v0/3，
与重水靶核碰后中子速度较小，故重水减速效果更好．
故答案为：重水减速效果更好．
分析：中子和靶核碰撞的过程中动量守恒、能量守恒，根据动量守恒定律和能量守恒定律分别求出碰后中子的速度，进行比较，判断哪种效果更好．
20．核能是一种高效的能源：
①在核电站中，为了防止放射性物质泄漏，核反应堆有三道防护屏障：燃料包壳，压力壳和安全壳（见图甲）．结合图乙可知，安全壳应当选用的材料是 ．
②图丙是用来监测工作人员受到辐射情况的胸章，通过照相底片被射线感光的区域，可以判断工作人员受到何种辐射．当胸章上1mm铝片和3mm铝片下的照相底片被感光，而铅片下的照相底片未被感光时，分析工作人员受到了射线的辐射；当所有照相底片被感光时，工作人员受到了 射线的辐射．
答案：混凝土|β、γ
解析：解答：①由图乙可知，燃料包壳为铝，压力壳为铅，而安全壳为混凝土；
②三种射线中β射线给穿过1mm的铝片；而γ射线能穿过3mm的铝片，故答案为：β、γ；
故答案为：①混凝土；②β；γ
分析：根据图乙中给出数据可知安全壳的材料；根据射线的穿透能力结合图象进行分析可知工作人员受到的辐射．
三．解答题
21．科学家初步估计月球土壤中至少有100万吨“氦3”（即23He），它是热核聚变的重要原料如果月球开发成功，将为地球带来取之不尽的能源．已知氨3核与氘核发生聚变反应有质子流产生
（1）写出核反应方程，
答案：根据题意设生成的新核，则由于在核反应过程中遵循质量数守恒故有3+2=1+A
解得A=4
根据核反应过程中核电荷数守恒可得2+1=1+Z
解得Z=2，
故新核为
所以核反应方程式为：
（2）若该反应中质量亏损为9.0×l0﹣30kg，且释放的能量全部转化为生成物的总动能．试计算生成物的总动能（聚变前粒子的动能可忽略不计）．
答案：核反应过程中质量亏损为△m，根据爱因斯坦质能方程△E=△mC2
可得释放的能量△E=9.0×10﹣30×（3×108）2=8.1×10﹣13J
由于释放的能量全部转化为动能，故生成物的动能为8.1×10﹣13J．
解析：解答：①根据题意设生成的新核，则由于在核反应过程中遵循质量数守恒故有3+2=1+A
解得A=4
根据核反应过程中核电荷数守恒可得2+1=1+Z
解得Z=2，
故新核为
所以核反应方程式为：
②核反应过程中质量亏损为△m，根据爱因斯坦质能方程△E=△mC2
可得释放的能量△E=9.0×10﹣30×（3×108）2=8.1×10﹣13J
由于释放的能量全部转化为动能，故生成物的动能为8.1×10﹣13J．
分析：①要写出核反应方程，必须知道生成物是什么，所以可以根据核反应过程遵循质量数守恒和核电荷数守恒求出新核的质量数、核电荷数从而确定新核，并最终写出核反应方程式．
②要计算生成物的总动能，就必须知道核反应释放的核能，根据爱因斯坦质能方程△E=△mC2即可求出核反应释放的能量．
22．一个质子和一个中子聚变结合成一个氘核，同时辐射一个γ光子．已知质子、中子、氘核的质量分别为m1、m2、m3，普朗克常量为h，真空中的光速为c．写出核反应方程并求该光子的波长．
答案：解答：根据核反应方程质量数与质子数守恒，则有：
H+n→H；
聚变反应中的质量亏损：
△m=（m1+m2）﹣m3；
聚变反应中亏损的质量转化为能量以光子的形式放出，故光子能量为：
E=（m1+m2﹣m3）c2；
根据E==（m1+m2﹣m3）c2，得光子的波长为：
λ=；
答：核反应方程为：H+n→H；该光子的波长为．
解析：分析：解答本题需要掌握：核反应方程要遵循质量数和电荷数守恒；聚变反应后质量减小，放出能量；正确利用质能方程求释放的能量；掌握光子能量、频率、波长、光速之间关系．
23．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m1，氚原子的质量为m2，氦原子的质量为m3，中子的质量为m4，真空中光速为C
（1）写出氘和氚聚变的核反应方程；
答案：（1）氘和氚聚变的核反应方程
（2）试计算这个核反应释放出来的能量．
答案：核反应释放出来的能量
解析：解答：（1）根据电荷数守恒、质量数守恒得，（2）由△E=△mC2得答：（1）氘和氚聚变的核反应方程；（2）核反应释放出来的能量．
分析：（1）根据电荷数守恒、质量数守恒写出核反应方程．（2）根据爱因斯坦质能方程求出核反应所释放的能量．
24．一个氘核和一个氚核发生聚变，放出一个中子和17.6MeV的能量．计算2克氘和3克氚聚变放出的能量，并写出核反应方程．
答案：解答：根据质量数守恒，新核的质量数：m=2+3﹣1=4
根据电荷数守恒，新核的电荷数：z=1+1﹣0=2
所以新核是氦核，核反应方程式为：
2克氘的物质的量是1mol，3克氚的物质的量也是1mol，所以它们一起产生1mol的氦核，放出的热量是：=EoxNA=17.6x6.02x1023=1.06×1025MeV
答：2克氘和3克氚聚变放出的能量是1.06×1025MeV，该核反应方程是：
解析：分析：①根据质量数守恒和电荷数守恒写出核反应方程，并确定新核的种类．
②先求解出质量亏损，再根据爱因斯坦质能方程求解出方程的核能．
25．原子核聚变可望给人类未来提供丰富洁净的能源．当氘等离子体被加热到适当高温时，氘核参与的几种聚变反应可能发生，放出能量．这几种反应的总效果可以表示为6H→kHe+dH+2n+43.15MeV，（1MeV=1.6×10﹣13J）
那么该反应方程中的K和d各位多少？质量亏损为多少？．
答案：解答：（1）在核反应的过程由质量数守恒可得：6×2=4k+d+2×1…①
根据核电荷数守恒可得：6×1=2k+d…②
联立①②两式解得：k=2，d=2．
根据爱因斯坦质能方程得：△E=△mc2
解得：kg
故答案为：（1）2，2；（2）7.67×10﹣29
解析：解答：（1）在核反应的过程由质量数守恒可得：6×2=4k+d+2×1…①
根据核电荷数守恒可得：6×1=2k+d…②
联立①②两式解得：k=2，d=2．
根据爱因斯坦质能方程得：△E=△mc2
解得：kg
故答案为：（1）2，2；（2）7.67×10﹣29
分析：根据核反应中遵循质量数守恒，核电荷数守恒可以求出kd的得数．根据爱因斯坦质能方程即可求解质量亏损．
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