4.6-4.7 核能利用 小粒子与大宇宙 习题（含答案）

第六节　核能利用
第七节　小粒子与大宇宙
1．(1)核电站：是利用核能发电，它的核心设施是________，它主要由以下几部分组成：
①燃料：______；
②减速剂：铀235容易捕获慢中子发生反应，采用________、________________作减速剂；
③控制棒：为了控制能量释放的速度，就要想办法减少中子的数目，采用在反应堆中插入镉棒的方法，利用镉____________________________的特性，就可以容易地控制链式反应的速度．
(2)工作原理：核燃料______释放能量，使反应区温度升高．
(3)能量输出：利用水或液态的金属钠等流体在反应堆内外______________________，把反应堆内的热量传输出去，用于发电．
(4)核污染的处理：为避免________对人体的伤害，在反应堆的外面需要修建很厚的____________，用来屏蔽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，__________.
2．宇宙模型是指对宇宙的时空结构、运动形态和物体演化的理论描述．________宇宙模型是一种被普通接受的模型．
人类目前所能研究的物质世界的空间尺度约从__________到________，共跨越了大约42个数量级．
3．常见的粒子，质子、电子、光子等是________的粒子，其余的绝大多数基本粒子都是________，在很短时间内就发生衰变，物质世界的时间尺度约从__________到__________，跨越了将近43个数量级．
4．基本粒子的发现和夸克模型
(1)基本粒子
①新粒子：1932年发现了________，1937年发现________，1947年发现K介子和±π介子及以后发现的超子、反粒子等．
②分类：按照粒子与各种相互作用的关系，可将粒子分为：强子、轻子和________．
(2)夸克模型
①夸克模型的提出：1964年美国物理学家提出了强子的夸克模型，认为强子是由________构成的．
②分类：上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克、底夸克、顶夸克；它们带的电荷分别为元电荷的________或________，每种夸克都有对应的________．
③意义：电子电荷不再是电荷的______________，即存在分数电荷．
【概念规律练】
知识点一　核能利用
1．目前核电站利用的核反应是(　　)
A．裂变，核燃料为铀
B．α衰变，核燃料为铀
C．裂变，核燃料为氘
D．β衰变，核燃料为氘
2．原子核反应有广泛的应用，如用于核电站等．在下列核反应中，属于核裂变反应的是(　　)
3．人类认识原子结构和开发利用原子能经历了十分曲折的过程．请按要求回答下列问题．
(1)卢瑟福、玻尔、查德威克等科学家在原子结构或原子核的研究方面做出了卓越的贡献．
请选择其中的两位，指出他们的主要成绩．
①________________________________________________________________________.
②________________________________________________________________________.
在贝克勒尔发现天然放射现象后，人们对放射线的性质进行了深入研究，图1为三种射线在同一磁场中的运动轨迹，请从三种射线中任选一种，写出它的名称和一种用途．
图1
(2)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？
知识点二　对粒子的认识
4．正电子是电子的反粒子，它跟普通电子的电荷量相等，而电性相反，科学家设想在宇宙的某些部分可能存在完全由反粒子构成的物质——反物质.1997年初和年底，欧洲和美国的科学研究机构先后宣布，他们分别制造出9个和7个反氢原子，这是人类探索反物质的一大进步，你推测反氢原子的结构是(　　)
A．由一个带正电荷的质子与一个带负电荷的电子构成
B．由一个带负电荷的质子与一个带正电荷的电子构成
C．由一个不带电的中子与一个带负电荷的电子构成
D．由一带负电荷的质子与一个带负电荷的电子构成
5．目前普通认为，质子和中子都是由被称为u夸克和d夸克的两类夸克组成．u夸克带电荷量为e，d夸克带电荷量为－e，e为元电荷．下列论断可能正确的是(　　)
A．质子由1个u夸克和1个d夸克组成，中子由1个u夸克和2个d夸克组成
B．质子由2个u夸克和1个d夸克组成，中子由1个u夸克和2个d夸克组成
C．质子由1个u夸克和2个d夸克组成，中子由2个u夸克和1个d夸克组成
D．质子由2个u夸克和1个d夸克组成，中子由1个u夸克和1个d夸克组成
【方法技巧练】
粒子间相互作用问题的分析方法
6．在β衰变中常伴有一种称为“中微子”的粒子放出．中微子的性质十分特别，因此在实验中很难探测.1953年，莱尼斯和柯文建造了一个由大水槽和探测器组成的实验系统，利用中微子与水中H的核反应，间接地证实了中微子的存在．
(1)中微子与水中的H发生核反应，产生中子(n)和正电子(e)，即
中微子＋H→n＋e
可以判定，中微子的质量数和电荷数分别是________．(填写选项前的字母)
A．0和0
B．0和1
C．1和0
D．1和1
(2)上述核反应产生的正电子与水中的电子相遇，与电子形成几乎静止的整体后，可以转变为两个光子(γ)，即
e＋e→2γ
已知正电子和电子的质量都为9.1×10－31
kg，反应中产生的每个光子的能量约为__________J．正电子与电子相遇不可能只转变为一个光子，原因是________________________________________________________________________．
(3)试通过分析比较，具有相同动能的中子和电子的物质波波长的大小．
1．现已建成的核电站发电的能量主要来自于(　　)
A．天然放射性元素衰变放出的能量
B．人工放射性同位素放出的能量
C．重核裂变放出的能量
D．化学反应放出的能量
2．(双选)关于铀核裂变，下列说法中正确的是(　　)
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．铀核裂变时还能同时释放2～3个中子
C．为了使裂变的链式反应容易进行，最好用纯铀235
D．铀块的体积对产生链式反应无影响
3．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，以改变中子数目
D．利用石墨与中子的碰撞来改变中子的速度
4．(双选)下列关于铀裂变和核电站的说法中正确的是(　　)
A．铀235只要俘获中子就能进行链式反应
B．铀235裂变后的生成物是多种多样的，但这些裂变都要发生质量亏损
C．核电站中镉棒是起减速剂的作用
D．核电站使用后的核废料必须装入特制容器，深埋地下
5．我国物理学家钱三强、何泽慧夫妇，1947年在法国巴黎发现了铀的三分裂和四分裂，这是我国科学家在核物理研究中做出的贡献，它是将中子打入铀核后所发生的核反应，它属于(　　)
A．人工核转变
B．重核的裂变
C．铀核的衰变
D．轻核的聚变
6.U吸收一个慢中子后，分裂成Xe和Sr，并生成下列什么粒子(　　)
A．一个α粒子
B．3个中子
C．10个中子
D．10个质子
7．(双选)已知π＋介子、π－介子都是由一个夸克(夸克u或夸克d)和一个反夸克(反夸克或反夸克)组成的，它们的带电荷量如下表所示，表中e为元电荷.
π＋
π－
u
d
u
d
带电荷量
＋e
－e
＋e
－e
－e
＋e
下列说法正确的是(　　)
A．π＋由u和组成
B．π＋由d和组成
C．π－由u和组成
D．π－由d和组成
题　号
1
2
3
4
5
6
7
答　案
8.2011年3月11日，日本发生九级大地震，造成福岛核电站严重的核泄漏事故．在泄漏的污染物中含有131I和137Cs两种放射性核素，它们通过一系列衰变产生对人体有危害的辐射．在下列四个式子中，有两个能分别反映131I和137Cs的衰变过程，它们分别是________和________(填入正确选项前的字母).131I和137Cs原子核中的中子数分别是________和________．
9．现在，科学家们正在设法寻找“反物质”，所谓“反物质”是由“反粒子”构成的，“反粒子”与其对应的正粒子具有相同质量和相同电荷量，但电荷的电性相反，据此，若有反α粒子，它的质量数为________，电荷数为________．
11.茫茫宇宙空间存在大量的宇宙射线，对宇航员构成了很大的威胁．现有一束射线(含有α、β、γ三种射线)
(1)在不影响β和γ射线的情况下，如何用最简单的办法除去α射线？
图2
(2)余下的这束β和γ射线经过如图2所示的一个使它们分开的磁场区域，请画出β和γ射线进入磁场区域后的轨迹示意图．(画在图5上)
(3)用磁场可以区分β和γ射线，但不能把α射线从γ射线束中分离出来，为什么？(已知α粒子的质量约是β粒子质量的8
000倍，α射线速度约为光速的十分之一，β射线速度约为光速)．
12．α衰变是指放射性元素的原子核自发地放出α射线的衰变．
(1)设元素X是放射性元素，其质量数和核电荷数分别为A、Z，α衰变后的原子核是Y，写出核反应方程．
(2)α衰变释放的能量称为α衰变能，用Q表示，设原子核X、Y和α衰变多数发生在核质量数大于209的重核，试证明α衰变能的98%以上表现为α粒子的动能．
第六节　核能利用
第七节　小粒子与大宇宙
课前预习练
1．(1)反应堆　①铀棒　②石墨　重水和普通水　③吸收中子　(2)裂变　(3)循环流动　(4)核射线　水泥防护层　放射性　深埋地下
2．大爆炸　10－15
m　1027
m
3．稳定　不稳定的　10－25
s　1018
s
4．(1)①正电子　μ子　②媒介子　(2)①夸克　②＋　－　反夸克　③最小单元
课堂探究练
1．A　[目前核电站使用的裂变材料是铀，铀在地壳中的含量较高，铀发生裂变反应产生大量的热量，驱动汽轮机发电．]
2．D　[裂变是重核俘获中子后变成中等质量的原子核，同时还要放出几个中子的过程，故只有选项D正确．]
3．见解析
解析　(1)卢瑟福提出了原子的核式结构模型(或其他成就)
玻尔把量子理论引入原子模型，并成功解释了氢光谱(或其他成就)
查德威克发现了中子(或其他成就)
射线2为γ射线，穿透力强，可用于金属探伤
(2)设中子质量为mn，靶核质量为m，由动量守恒定律：
mnv0＝mnv1＋mv2
由能量守恒：mnv＝mnv＋mv
解得：v1＝v0
在重水中靶核质量：mH＝2mn
在石墨中靶核质量：mC＝12mn
与重水靶核碰后中子速度较小，故重水减速效果更好．
4．B　[氢原子是由质子和电子构成，那么反氢原子也应由它们的反粒子构成，即反质子和反电子，因此B正确，A、C、D错．]
5．B　[质子带电荷量为e，中子不带电，组成质子的u夸克和d夸克带电荷量之和应等于质子的电荷量，组成中子的u夸克和d夸克所带电荷量之和应等于中子的电荷量，即为零．]
6．(1)A　(2)8.2×10－14　碰撞过程中遵循动量守恒
(3)λn<λe
解析　(1)在核反应中，由质量数和电荷数守恒可知A正确．
(2)2mc2＝2E
E＝mc2＝8.2×10－14
J，在碰撞过程中遵循动量守恒，如果是产生一个光子，合动量为零，光子的速度为零，与实际光子的运动状况矛盾．
(3)粒子的动量p＝
物质波的波长λ＝
课后巩固练
1．C　[核电站发电的能量主要来自于重核的裂变放出的能量，正确选项为C.]
2．BC　[铀核受到中子的轰击，会引起裂变，裂变的产物是各种各样的，具有极大的偶然性，但裂变成两块的情况多，也有的分裂成多块，并放出几个中子，铀235受中子的轰击时，裂变的概率大，且可以俘获各种能量的中子而引起裂变，而铀238只有俘获能量在1
MeV以上的中子才能引起裂变，且裂变的几率小；而要引起链式反应，须使铀块体积超过临界体积．故上述选项B、C正确．]
3．C　[控制核反应的速度是靠调节中子数目来实现，即用镉棒吸收中子改变中子数目．]
4．BD　5.B
6．C　[设放出的粒子的质量数为x，电荷数为y，核反应过程满足质量数守恒和电荷数守恒．由题意可得
则
由此判定核反应放出的一定是中子，且个数是10，C选项正确．]
7．AD
8．B　C　78　82
解析　衰变的种类有α衰变和β衰变两类，衰变中放出的粒子是氦核或电子而不会是质子或中子，故他们不会是131I和137Cs的衰变．
由质量数守恒和电荷数守恒可知X2、X3分别是53I、
55Cs，而中子数等于质量数与核电荷数的差值，故他们的中子数分别为78、82.
9．4　－2
解析　由于“正α粒子”为He，质量数为4，电荷数为2，根据题中对“反粒子”的定义，“反α粒子”质量数也为4，而电荷数则应为－2.
10．207
MeV
11．(1)用一张纸放在射线前即可除去α射线　(2)见解析图　(3)α射线的圆周运动的半径很大，几乎不偏转．故与γ射线无法分离
解析　(1)由于α射线贯穿能力很弱，用一张纸放在射线前即可除去α射线．
(2)如图所示．