4 核裂变与核聚变 5 “基本”粒子
[教材链接] (1)中子 核能 (2UnBaKr+n (3)中子 中子 (4)临界体积 临界质量
例1 (1)0.193 3 u (2)180 MeV
[解析] (1U裂变成Xe和Sr,同时放出中子n,裂变前后质量变化Δm=m前-m后=(235.043 9+1.008 7-138.917 8-93.915 4-3×1.008 7) u=0.193 3 u.
(2)由爱因斯坦质能方程得ΔE=Δmc2=0.193 3×931.5 MeV≈180 MeV.
变式1 B [解析] 链式反应能否发生跟铀原料的体积有关,故A错误;裂变产物Ba的比结合能大于U的比结合能,从而产生质量亏损,放出能量,故B正确;该核反应过程中质量有亏损,故C错误;该核反应中放出的核能为(mU-mBa-mKr-2mn)c2,故D错误.
[教材链接] (1)核反应堆 ①铀棒 ②石墨 重水 普通水
③吸收中子 (2)裂变 (3)循环流动 (4)射线 放射性物质 水泥层 放射性 深埋地下
例2 C [解析] 图示装置的核反应类型是核裂变,A错误;将铀棒插入得更深,中子接触的铀更多,反应加剧,B错误;裂变反应的燃料是铀,反应过程有质量亏损,C正确;石墨主要是将快中子变为慢中子,D错误.
[教材链接] (1)①轻核 增大 释放 ②a.10-15 m b.温度 热核反应 ③高温高压 ④热核反应堆 (2)①a.效率高 b.丰富 ②磁约束 惯性约束
例3 ACD [解析] 由核反应的质量数守恒及电荷数守恒得HHe+e,A正确;反应中的质量亏损为Δm=4mp-mα-2me=(4×1.007 3-4.001 5-2×0.000 55) u=0.026 6 u=4.43×10-29 kg,B错误,C正确;由质能方程得ΔE=Δmc2=4.43×10-29×(3×108)2 J≈4×10-12 J,D正确.
变式2 (1)HHe+e (2)见解析
[解析] (1)由质量数守恒和电荷数守恒可得核反应方程为HHe+e.
(2)50亿年太阳辐射的总能量为ΔE=P0t
根据ΔE=Δmc2可知,50亿年太阳损失的总质量为Δm=
损失的总质量与太阳质量之比≈0.03%
所以这种说法合理.
[物理观念] 基本粒子 (3)相反
例4 (1)参与 质子 中子 (2)不参与 电子 (3)传递 光子
随堂巩固
1.D [解析] 核裂变释放的能量来源于裂变过程的质量亏损,是核能转化为其他形式能的过程,其能量远大于俘获中子时吸收的能量,A错误,D正确;发生链式反应是有条件的,铀块的体积必须不小于其临界体积,否则中子从铀块中穿过时,可能碰不到原子核,则不会发生链式反应,B错误;重核裂变时,核子数守恒,C错误.
2.ABD [解析] 铀棒是核燃料,裂变时可放出能量,选项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,选项B正确;石墨的作用是使中子减速,选项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,选项D正确.
3.BC [解析] 裂变产生的快中子,要经过与慢化剂中的原子核碰撞,速度减小,变成慢中子,才容易被铀核吸收,故A错误;利用中子轰击铀核可以发生裂变反应,核反应方程可以为UnBaKr+n,故B正确;2.8 t标准煤完全燃烧时释放的能量为Q1=mQ=2.8×2.93×1010 J≈8.2×1010 J,1 g铀235的物质的量为 mol,个数为n=×6.02×1023个≈2.6×1021个,全部裂变时释放的能量为Q2=nQ0=2.6×1021×200×106×1.6×10-19 J≈8.3×1010 J,故1 g铀235全部裂变时释放的能量就相当于2.8 t标准煤完全燃烧时释放的能量,故C正确;裂变产生的核废料放射性极强,难以处理,聚变产物无污染,不具放射性,故D错误.
4.B [解析] 根据核反应过程满足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,可知X是质子,故A错误;两个轻核结合成质量较大的核,核反应属于聚变反应,反应过程存在质量亏损,释放能量,故B正确,D错误;He与He的质子数相同,均为2个质子,故C错误.4 核裂变与核聚变 5 “基本”粒子
学习任务一 核裂变的发现
[教材链接] 阅读教材“核裂变的发现”相关内容,完成下列填空:
(1)裂变:重核被 轰击后分裂成两个质量差不多的新原子核,并放出 的过程.
(2)典型的铀235裂变方程: .
(3)链式反应:铀235核裂变时释放出2~3个 ,这些 又继续引起其他铀235核裂变,这样就能使核裂变反应不断进行下去,称为核裂变的链式反应.
(4)链式反应的条件:发生裂变物质的体积大于或等于 或裂变物质的质量大于或等于 .
例1 裂变反应是目前核能利用中常用的反应.以原子核U为燃料的反应堆中,当U俘获一个慢中子后发生的裂变反应可以有多种方式,其中一种裂变反应方程为U+Sr+n,其中UnXeSr的质量分别为235.043 9 u、1.008 7 u、138.917 8 u、93.915 4 u.已知1 u的质量对应的能量为931.5 MeV,则此裂变反应过程中:
(1)质量亏损为多少
(2)释放出的能量是多少
变式1 [2024·河北唐山一中月考] 如图所示,某次铀核裂变反应式为UnBaKr+n.反应产生的中子可能击中其他铀原子核从而引发链式反应,用mU、mBa、mKr分别表示U、Ba、Kr核的质量,mn表示中子的质量,c为真空中的光速,下列说法正确的是 ( )
A.链式反应能否发生跟铀原料的体积无关
B.裂变产物Ba的比结合能大于U的比结合能
C.该核反应过程中质量有所增加
D.该核反应中放出的核能为(mU-mBa-mKr-3mn)c2
[反思感悟]
学习任务二 反应堆与核电站
[教材链接] 阅读教材“反应堆与核电站”相关内容,完成下列填空:
(1)核电站:核电站是利用核能发电的装置,它的核心设施是 ,它主要由以下几部分组成:
①核燃料: .
②慢化剂:铀235容易捕获慢中子发生反应,常采用 、 和 作慢化剂.
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 能力强的特性,就可以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: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 对人体的伤害和 对水源、空气和工作场所造成的放射性污染,在反应堆的外面需要修建很厚的 ,用来屏蔽核裂变反应放出的各种射线,核废料具有很强的 ,需要装入特制的容器, .
例2 [2024·江西九江一中月考] 2020年11月27日,“华龙一号”全球首堆——中核集团福清核电5号机组首次并网成功,其内核是如图所示的核反应堆,关于核反应下列说法中正确的是 ( )
A.图示装置的核反应类型是人工转变
B.要使核反应速度减慢,可以将铀棒插入得更深
C.裂变反应的燃料是铀,反应过程有质量亏损
D.石墨起到降低反应温度的作用
学习任务三 核聚变
[教材链接] 阅读教材“核聚变”相关内容,完成下列填空:
(1)核聚变的发生
①两个 结合成质量较大的核,这样的核反应叫核聚变.如HHHen+17.6 MeV.
聚变后比结合能 ,因此反应中会 能量.
②核聚变条件:a.轻核的距离要达到 以内.b.需要加热到很高的 ,因此又叫 .
③氢弹原理:首先由化学炸药引爆原子弹,再由原子弹爆炸产生的 引发热核爆炸.
④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 .
(2)受控热核反应
①聚变与裂变相比有很多的优点.a.轻核聚变产能 ;b.地球上核聚变燃料的储量 ;c.轻核聚变更为安全、清洁.
②科学家设想的受控热核反应有两种方案:即 和 .
例3 (多选)[2024·北京四中月考] 太阳的能量来源是轻核的聚变,太阳中存在的主要元素是氢,核聚变反应可以看作是4个氢核H)结合成1个氦核同时放出2个正电子.下表中列出了部分粒子的质量(取1 u=×10-26 kg).
粒子名称 质子(p) α粒子 正电子(e) 中子(n)
质量/u 1.007 3 4.001 5 0.000 55 1.008 7
以下说法正确的是 ( )
A.核反应方程为HHe+e
B.4个氢核结合成1个氦核时的质量亏损约为0.026 6 kg
C.4个氢核结合成1个氦核时的质量亏损约为4.43×10-29 kg
D.聚变反应过程中释放的能量约为4.0×10-12 J
变式2 目前地球上消耗的能量绝大部分来自太阳内部核聚变时释放的核能.
(1)如果将太阳内部聚变时的核反应简化为4个氢核H)聚变生成1个氦核(He)和2个正电子.请你写出此核反应方程.
(2)天文学家估测:太阳已有50亿年的历史了.有人认为:50亿年来,因释放核能而带来的太阳质量变化几乎可以忽略.请你通过计算说明这种观点的合理性.
可能用到的数据:光速为c=3×108 m/s,太阳的质量约为M0=2×1030 kg,太阳辐射的总功率为P0=4×1026 W,1年≈3×107 s.
【要点总结】
1.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中平均每个核子放出的能量多
2.热核反应的优越性
(1)相同质量的核燃料,热核反应所释放的能量比较多.
(2)热核反应产物基本上是稳定的氦核,生成的废物易处理.
(3)热核反应所用的燃料——氘和氚在地球上储量丰富.
学习任务四 “基本”粒子
[物理观念] 19世纪末,人们认为原子是组成物质的不可再分的最小微粒,但电子、质子和中子的发现使人们知道原子是可以再分的,人们把光子、电子、质子和中子叫作 .
(1)新粒子的发现
发现 时间 1932年 1937年 1947年 40年 代后
新粒子 正电子 μ子 K介子 与π介子 超子
(2)粒子的分类
分类 参与的 相互作用 发现的粒子 备注
强子 参与强相 互作用 质子、中子 强子有内部结构,由“夸克”组成
轻子 不参与强 相互作用 电子、电子中微子、μ子、μ子中微子、τ子、τ子中微子 未发现内部结构
规范玻 色子 传递各种 相互作用 光子、中间玻色子、胶子 光子、中间玻色子、胶子分别传递电磁、弱、强相互作用
希格斯 玻色子 希格斯玻色子是希格斯场的量子激发,基本粒子因与希格斯场耦合而获得质量
(3)实验中发现,对应着许多粒子都存在着质量、寿命、自旋等物理性质与它相同而电荷等其他性质 的粒子,叫作反粒子.
例4 粒子的分类
(1)强子:是 (填“参与”或“不参与”)强相互作用的粒子. 和 都是强子.
(2)轻子: (填“参与”或“不参与”)强相互作用. 、电子中微子、μ子、μ子中微子以及τ子和τ子中微子都是已发现的轻子.
(3)规范玻色子:是 各种相互作用的粒子,如 、中间玻色子(W和Z玻色子)、胶子.
(4)希格斯玻色子:是希格斯场的量子激发.
[反思感悟]
1.(核裂变)关于重核的裂变,以下说法正确的是( )
A.核裂变释放的能量等于它俘获中子时得到的能量
B.中子从铀块中通过时,一定发生链式反应
C.重核裂变释放出大量能量,产生明显的质量亏损,所以核子数要减少
D.由于重核的核子平均质量大于中等质量核的核子平均质量,所以重核裂变为中等质量的核时,要发生质量亏损,放出核能
2.(反应堆)(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量
3.(核裂变)(多选)核能已广泛应用于清洁电力、热力生产等领域,成为全球能源供应的重要组成部分,应进一步扩大核能利用,以减少碳排放,实现可持续发展和气候变化目标.目前核能的利用主要是人工控制下进行的核裂变的链式反应.已知阿伏加德罗常数为6.02×1023 mol-1,关于核裂变的链式反应,下列说法正确的是( )
A.裂变产生的快中子,速度越大越有利于反应的进行,无需设法使快中子减速
B.铀核裂变的产物是多样的,比如核反应方程可以是UnBaKr+n
C.一个铀235核裂变可释放200 MeV的能量,1 t标准煤燃烧时放出2.93×1010 J的热量,则1 g铀235全部裂变时释放的能量就相当于2.8 t标准煤完全燃烧时释放的能量
D.秦山核电站利用的是核裂变产生的能量,裂变比聚变产能效率更高,更为安全、清洁
4.(核聚变)[2022·天津卷] 从夸父逐日到羲和探日,中华民族对太阳的求知探索从未停歇.2021年10月,我国第一颗太阳探测科学技术试验卫星“羲和号”顺利升空.太阳的能量由核反应提供,其中一种反应序列包含核反应:He+HeHe+2X,下列说法正确的是 ( )
A.X是中子
B.该反应有质量亏损
C. He比He的质子数多
D.该反应是裂变反应4 核裂变与核聚变 5 “基本”粒子
1.BC [解析] 铀核受到中子的轰击,会引起裂变,裂变的产物是多种多样的,具有极大的偶然性,裂变成两种不同的新核的情况多,也有的裂变成多种,并放出几个中子,铀235受中子的轰击时,裂变的几率大,而铀238裂变的几率小,要引起链式反应,需使铀块体积不小于临界体积,故B、C正确.
2.D [解析] 铀发生的这种核反应属于核裂变反应,不属于核聚变反应,不需要很高的温度,A错误;铀发生的这种核反应产生快中子,用慢化剂对其减速后可发生链式反应,B错误;Ba发生β衰变时产生的β射线是原子核内中子转化为质子时产生的,C错误;Ba衰变的快慢是由核内部自身的因素决定的,与外界因素无关,D正确.
3.D [解析] 中子的速度不能太快,否则无法被铀核捕获,裂变反应不能进行下去,A错误;重核裂变,质量亏损,释放核能,比结合能大的原子核稳定,故新核氪的比结合能大于铀核的比结合能,B错误;链式反应是指由重核裂变产生的中子使裂变反应一代接一代继续下去的过程,C错误;镉棒的作用是吸收中子,当核反应过于缓慢时,可以适当地抽出镉棒,吸收中子较少,达到加快核反应速度的目的,D正确.
4.A [解析] 原子的比结合能越大越稳定,生成物较稳定,比结合能变大,A正确;轻核聚变反应过程需要吸收能量才能使轻核间的距离接近到发生聚变的距离,因此需要高温,B错误;核反应释放热量,质量亏损,所以生成物的质量小于反应物的质量,C错误;与核裂变反应相比,核聚变的产能效率更高,D错误.
5.A [解析] 根据电荷数守恒与质量数守恒可得H→He+e,每4个氢核转化为1个氦核和2个正电子,根据公式可得q=It=8×10-4×8.0×10-8 C=6.4×10-11 C,正电子个数为n===4×108,发生核聚变的氢核的个数为正电子个数的两倍,即氢核的个数是8×108.故选A.
6.B [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;强子有内部结构,现代实验还没有发现轻子的内部结构,C错误;质子和中子都属于强子,τ子质量比核子质量大,但仍属于轻子,D错误,B正确.
7.ABD [解析] 由粒子的特性可知,强子是参与强相互作用的粒子,轻子是不参与强相互作用的粒子,故A、B正确;目前发现的轻子有6种,故C错误;已知夸克有6种,它们带的电荷量为元电荷的+或-,故D正确.
8.D [解析] 核能属于清洁能源,不会对大气环境造成污染,故A错误;由题意可知,托卡马克内部核反应为核聚变,UnBaKr+n是核裂变,故B错误;线圈1在水平面内,由右手螺旋定则可知,其产生竖直方向的磁场,故C错误;根据左手定则可知,若磁场方向变化,则洛伦兹力方向变化,即螺旋形磁场可以约束运动方向不同的带电粒子,故D正确.
9.C [解析] 对K-介子,根据洛伦兹力公式和向心力公式可得evB=,可得K-介子的动量为p=mv=BeR,同理,可得π-介子的动量为p'=2BeR,则K-介子、π-介子的动量大小之比为1∶2;K-介子发生衰变,π-介子、π0介子组成的系统动量守恒,即π0介子的动量等于π-介子的动量减去K-介子的动量,所以K-介子、π-介子、π0介子的动量大小之比为1∶2∶1,故选C.
10.D [解析] 根据核反应中质量数守恒、电荷数守恒,可知核反应方程式为HHHen,选项A错误;生成物比反应物更稳定,因此生成物的比结合能更大,即氦核的比结合能比氘核的大,选项B错误;发生轻核聚变的条件是原子核之间距离达到原子核的尺度,即达到10-15 m,选项C错误;根据核反应可知,每次核聚变反应后质量亏损为Δm=n氘+n氚-n氦-n中=0.018 9 u,4 g氘参加反应,含有氘核个数N=NA=×6×1023=1.2×1024,质量亏损产生的核能为ΔE=NΔm×931.5 MeV=1.2×1024×0.018 9×931.5 MeV=2.11×1025 MeV,选项D正确.
11.(1)17.51 MeV (2)
[解析] (1)该反应中质量亏损Δm=2.014 1 u+3.016 0 u-4.002 6 u-1.008 7 u=0.018 8 u
由质能方程ΔE=Δmc2
代入数据,该反应释放的核能ΔE=17.51 MeV
(2)太阳每秒辐射的能量E0=P0×4πr2,太阳每秒减少的质量Δm0=
太阳的寿命t=,解得t=
12.(1)UnBaKr+n (2)3.22×10-11 J
(3)2.48×103 kg
[解析] (1)核反应方程为UnBaKr+n
(2)一个铀核发生反应的质量亏损
Δm=mU+mn-mBa-mKr-3mn=mU-mBa-mKr-2mn=390.313 9×10-27 kg-234.001 6×10-27 kg-152.604 7×10-27 kg-2×1.674 9×10-27 kg=0.357 8×10-27 kg
一个铀核裂变释放能量为ΔE=Δmc2=0.357 8×10-27×(3×108)2 J≈3.22×10-11 J
(3)秦山核电站一年需要消耗铀的质量
m=×390.313 9×10-27 kg≈2.48×103 kg4 核裂变与核聚变 5 “基本”粒子建议用时:40分钟
◆ 知识点一 核裂变
1.(多选)关于铀核裂变,下列说法正确的是( )
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新核
B.铀核裂变时可能同时释放2~3个中子
C.为了使裂变的链式反应容易进行,最好用铀235
D.铀块的体积对产生链式反应无影响
2.[2024·天津一中月考] 传统的航母动力来源是燃油蒸汽轮机,燃油限制了航母的载重量、续航里程和战斗力.2021年,我国研发的小型核反应堆“玲珑一号”问世,为我国建造核动力航母奠定了基础,“玲珑一号”的核燃料为浓缩铀,体积小,功率大,U的一种核反应方程为Un→Ba+Kr+n,生成的Ba还会发生β衰变.下列说法正确的是 ( )
A.铀发生的这种核反应又叫热核反应,需要很高的温度
B.铀发生的这种核反应产生慢中子,对中子加速后可发生链式反应
C. Ba发生β衰变时产生的β射线是钡原子核外的电子跃迁形成的
D. Ba发生β衰变的速度不能通过调节压强和温度来控制
◆ 知识点二 反应堆与核电站
3.如图所示,“核反应堆”通过可控的链式反应实现核能的释放,核燃料是铀棒,在铀棒周围放“慢化剂”,快中子和慢化剂中的碳原子核碰撞后,中子速度减小变为慢中子.下列说法正确的是 ( )
A.“慢化剂”使快中子变为慢中子,慢中子更难被铀核捕获,从而减缓反应速度
B.裂变后的新核氪的比结合能小于铀核的比结合能
C.链式反应是指由重核裂变产生的电子使裂变反应一代接一代继续下去的过程
D.当核反应过于缓慢时,可以适当地抽出镉棒,达到加快核反应速度的目的
◆ 知识点三 核聚变
4.[2024·湖北武汉二中月考] 2023年8月,“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,标志着我国在可控核聚变领域达到了国际领先水平.下列关于核聚变的说法正确的是( )
A.轻核聚变过程,原子核的比结合能变大
B.轻核聚变在常温常压下即可自发地进行
C.轻核聚变过程,生成物的质量大于反应物的质量
D.与核裂变反应相比,核聚变的产能效率更低
5.[2024·北京八中月考] 科学研究表明,太阳核心的温度极高、压力极大,使得太阳内部每4个氢核H)转化为1个氦核He)和几个正电子并释放出大量能量.假设生成的所有正电子均定向移动,且正电子在8×10-4 s时间内定向移动形成的平均电流为8.0×10-8A,已知电子的电荷量为1.6×10-19 C,则在这段时间内发生核聚变的氢核H)的个数为( )
A.8.0×108个 B.4.8×108个
C.3.2×108个 D.2.4×108个
◆ 知识点四 “基本”粒子
6.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.质子和中子都属于强子
C.现代实验发现强子、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
7.(多选)[2024·山西大同一中月考] 下列说法正确的是( )
A.强子是参与强相互作用的粒子
B.轻子是不参与强相互作用的粒子
C.目前发现的轻子只有4种
D.夸克有6种,它们带的电荷量为元电荷的+或-
8.2020年12月4日,新一代“人造太阳”核聚变实验装置——中国环流器二号M(如图甲所示)在四川成都建成并实现首次放电.这标志着我国自主掌握了大型先进托卡马克装置的设计、建造、运行技术,为我国核聚变堆的自主设计与建造打下了坚实基础.它是一种利用磁约束来实现可控核聚变的环形容器装置,容器外面缠绕着两组线圈(如图乙所示).通电时,托卡马克的内部会产生巨大的螺旋形磁场,将1.5亿摄氏度高温的等离子体约束在环形真空室内,以达到核聚变的目的.下列说法正确的是( )
A.核能不属于清洁能源
B.托卡马克内部核反应可能是Un→Ba+Kr+n
C.线圈1产生水平方向的环形磁场
D.螺旋形磁场可以约束运动方向不同的带电粒子
9.[2024·清华附中月考] 近代物理研究表明K-介子衰变的方程为K-→π-+π0,其中K-介子和π-介子带负电的基元电荷,π0介子不带电.一个K-介子在磁感应强度为B的匀强磁场中做半径为R的匀速圆周运动,在某时刻K-介子发生衰变,观察到π-介子做半径为2R的匀速圆周运动,运动轨迹如图所示,π0介子的轨迹未画出.则K-介子、π-介子、π0介子的动量大小之比为 ( )
A.1∶2∶2
B.1∶2∶3
C.1∶2∶1
D.2∶1∶3
10.[2024·浙江1月选考] 已知氘核质量为2.014 1 u,氚核质量为3.016 1 u,氦核质量为4.002 6 u,中子质量为1.008 7 u,阿伏加德罗常数NA取6.0×1023 mol-1,氘核摩尔质量为2 g/mol,1 u相当于931.5 MeV.关于氘与氚聚变成氦,下列说法正确的是 ( )
A.核反应方程式为HHHen
B.氘核的比结合能比氦核的大
C.氘核与氚核的间距达到10-10 m就能发生核聚变
D.4 g氘完全参与聚变释放出能量的数量级为1025 MeV
11.[2023·湖北孝感高中月考] 2022年12月,美国能源部官员宣布:加州劳伦斯·利弗莫尔国家实验室首次成功在核聚变反应中实现“净能量增益”,这一突破帮助人类在实现零碳排放能源的进程中迈出关键一步.太阳之所以能发光并辐射出巨大的能量,就是内部氢核聚变的结果.
(1)氢核聚变的核反应方程为HHHenH的质量为2.014 1 uH的质量为3.016 0 uHe的质量为4.002 6 un的质量为1.008 7 u,1 u=931.5 MeV/c2.求该反应释放的核能约为多少MeV (结果保留2位小数)
(2)假定地球单位面积接受太阳直射能量的功率为P0,地球到太阳的距离为r,太阳可用于氢核聚变的质量为m,光在真空中传播的速度为c,请估算太阳的寿命.
12.[2024·广东广雅中学月考] 用中子轰击铀核(U),其中的一个可能反应是分裂成钡(Ba)和氪(Kr)两部分,放出3个中子.各个核和中子的质量如下:(计算结果保留两位小数)
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.
(1)试写出核反应方程;
(2)求出反应中释放的核能;
(3)我国第一座核电站——秦山核电站总装机容量达到650万千瓦,则秦山核电站一年需要消耗多少千克的铀 (共79张PPT)
4 核裂变与核聚变 5 “基本”粒子
学习任务一 核裂变的发现
学习任务二 反应堆与核电站
学习任务三 核聚变
学习任务四 “基本”粒子
随堂巩固
◆
练习册
备用习题
学习任务一 核裂变的发现
［教材链接］ 阅读教材“核裂变的发现”相关内容，完成下列填空：
(1) 裂变：重核被______轰击后分裂成两个质量差不多的新原子核，并放出______的过程.
(2) 典型的铀235裂变方程：______________________________.
中子
核能
(3) 链式反应：铀235核裂变时释放出个______，这些______又继续引起其他铀235核裂变，这样就能使核裂变反应不断进行下去，称为核裂变的链式反应.
中子
中子
(4) 链式反应的条件：发生裂变物质的体积大于或等于__________或裂变物质的质量大于或等于__________.
临界体积
临界质量
例1 裂变反应是目前核能利用中常用的反应.以原子核为燃料的反应堆中，当俘获一个慢中子后发生的裂变反应可以有多种方式，其中一种裂变反应方程为，其中、、、的质量分别为、、、.已知的质量对应的能量为，则此裂变反应过程中：
(1) 质量亏损为多少
[答案]
[解析] 裂变成和，同时放出中子，裂变前后质量变化.
例1 裂变反应是目前核能利用中常用的反应.以原子核为燃料的反应堆中，当俘获一个慢中子后发生的裂变反应可以有多种方式，其中一种裂变反应方程为，其中、、、的质量分别为、、、.已知的质量对应的能量为，则此裂变反应过程中：
(2) 释放出的能量是多少
[答案]
[解析] 由爱因斯坦质能方程得.
变式1 [2024·河北唐山一中月考] 如图所示，某次
铀核裂变反应式为.
反应产生的中子可能击中其他铀原子核从而引发链式反应，用、、分别表示、、核的质量，表示中子的质量，为真空中的光速，下列说法正确的是( )
A.链式反应能否发生跟铀原料的体积无关
B.裂变产物的比结合能大于的比结合能
C.该核反应过程中质量有所增加
D.该核反应中放出的核能为
√
[解析] 链式反应能否发生跟铀原料的体积有关，故A错误；
裂变产物的比结合能大于的比结合能，从而产生质量亏损，放出能量，故B正确；
该核反应过程中质量有亏损，故C错误；
该核反应中放出的核能为，故D错误.
学习任务二 反应堆与核电站
［教材链接］ 阅读教材“反应堆与核电站”相关内容，完成下列填空：
(1) 核电站：核电站是利用核能发电的装置，它的核心设施是___________，它主要由以下几部分组成：
核反应堆
① 核燃料：______.
② 慢化剂：铀235容易捕获慢中子发生反应，常采用______、______和________作慢化剂.
铀棒
石墨
重水
普通水
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__________能力强的特性，就可以控制链式反应的速度.
吸收中子
(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：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.
裂变
循环流动
(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的放射性污染，在反应堆的外面需要修建很厚的________，用来屏蔽核裂变反应放出的各种射线，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
例2 [2024·江西九江一中月考] 2020年11月27日，“华龙一号”全球首堆——中核集团福清核电5号机组首次并网成功，其内核是如图所示的核反应堆，关于核反应下列说法中正确的是( )
A.图示装置的核反应类型是人工转变
B.要使核反应速度减慢，可以将铀棒插入得更深
C.裂变反应的燃料是铀，反应过程有质量亏损
D.石墨起到降低反应温度的作用
√
[解析] 图示装置的核反应类型是核裂变，A错误；
将铀棒插入得更深，中子接触的铀更多，反应加剧，B错误；
裂变反应的燃料是铀，反应过程有质量亏损，C正确；
石墨主要是将快中子变为慢中子，D错误.
学习任务三 核聚变
［教材链接］ 阅读教材“核聚变”相关内容，完成下列填空：
(1) 核聚变的发生
① 两个______结合成质量较大的核，这样的核反应叫核聚变.如.
聚变后比结合能______，因此反应中会______能量.
轻核
增大
释放
② 核聚变条件：.轻核的距离要达到_________以内.需要加热到很高的______，因此又叫__________.
温度
热核反应
③ 氢弹原理：首先由化学炸药引爆原子弹，再由原子弹爆炸产生的__________引发热核爆炸.
④ 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____________.
高温高压
热核反应堆
(2) 受控热核反应
① 聚变与裂变相比有很多的优点.轻核聚变产能________；.地球上核聚变燃料的储量______；.轻核聚变更为安全、清洁.
② 科学家设想的受控热核反应有两种方案：即________和__________.
效率高
丰富
磁约束
惯性约束
例3 (多选)[2024·北京四中月考] 太阳的能量来源是轻核的聚变，太阳中存在的主要元素是氢，核聚变反应可以看作是4个氢核结合成1个氦核同时放出2个正电子.下表中列出了部分粒子的质量(取).
粒子名称 质子 粒子 正电子 中子
质量/
以下说法正确的是( )
A.核反应方程为
B.4个氢核结合成1个氦核时的质量亏损约为
C.4个氢核结合成1个氦核时的质量亏损约为
D.聚变反应过程中释放的能量约为
[解析] 由核反应的质量数守恒及电荷数守恒得，A正确；
反应中的质量亏损为，B错误，C正确；
由质能方程得，D正确.
√
√
√
变式2 目前地球上消耗的能量绝大部分来自太阳内部核聚变时释放的核能.
(1) 如果将太阳内部聚变时的核反应简化为4个氢核聚变生成1个氦核和2个正电子.请你写出此核反应方程.
[答案]
[解析] 由质量数守恒和电荷数守恒可得核反应方程为.
变式2 目前地球上消耗的能量绝大部分来自太阳内部核聚变时释放的核能.
(2) 天文学家估测：太阳已有50亿年的历史了.有人认为：50亿年来，因释放核能而带来的太阳质量变化几乎可以忽略.请你通过计算说明这种观点的合理性.
可能用到的数据：光速为，太阳的质量约为，太阳辐射的总功率为，1年.
[答案] 见解析
[解析] 50亿年太阳辐射的总能量为
根据可知，50亿年太阳损失的总质量为
损失的总质量与太阳质量之比
所以这种说法合理.
【要点总结】
1.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中平均每个核子放出的能量多
2.热核反应的优越性
(1)相同质量的核燃料，热核反应所释放的能量比较多.
(2)热核反应产物基本上是稳定的氦核，生成的废物易处理.
(3)热核反应所用的燃料——氘和氚在地球上储量丰富.
学习任务四 “基本”粒子
［物理观念］19世纪末，人们认为原子是组成物质的不可再分的最小微粒，但电子、质子和中子的发现使人们知道原子是可以再分的，人们把光子、电子、质子和中子叫作__________.
(1)新粒子的发现
发现时间 1932年 1937年 1947年 40年代后
新粒子 正电子 子 介子与 介子 超子
基本粒子
(2)粒子的分类
分类 参与的相互作用 发现的粒子 备注
强子 参与强相互作用 质子、中子 强子有内部结构，由“夸克”组成
分类 参与的相互作用 发现的粒子 备注
轻子 不参与强相互作用 电子、电子中微子、 子、 子中微子、 子、 子中微子 未发现内部结构
规范玻色子 传递各种相互作用 光子、中间玻色子、胶子 光子、中间玻色子、胶子分别传递电磁、弱、强相互作用
(续表)
分类 参与的相互作用 发现的粒子 备注
希格斯玻色子 希格斯玻色子是希格斯场的量子激发，基本粒子因与希格斯场耦合而获得质量
(续表)
(3)实验中发现，对应着许多粒子都存在着质量、寿命、自旋等物理性质与它相同而电荷等其他性质______的粒子，叫作反粒子.
相反
例4 粒子的分类
(1) 强子：是______(填“参与”或“不参与”)强相互作用的粒子.______和______都是强子.
(2) 轻子：________(填“参与”或“不参与”)强相互作用.______、电子中微子、 子、 子中微子以及 子和 子中微子都是已发现的轻子.
(3) 规范玻色子：是______各种相互作用的粒子，如______、中间玻色子(和玻色子)、胶子.
参与
质子
中子
不参与
电子
传递
光子
(4)希格斯玻色子：是希格斯场的量子激发.
1.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]控制铀235核裂变反应速度的方法是控制中子的数量,其有效方法是用吸收中子能力很强的镉棒插入铀棒之间,镉棒插入的深度不同,吸收中子的能力不同,从而达到控制核反应的目的,故选C.
√
2.我国秦山核电站的核能来源于U的裂变,现有四种说法:
U原子核中有92个质子,143个中子;
U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UnXeSr+n;
U是天然放射性元素,常温下它的半衰期约为7亿年,升高温度半衰期缩短;
④一个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]由U的质量数和电荷数关系易知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;通过计算知④正确,故D正确.
3. (多选)如图所示,“人造太阳”装置中的核反应主要是一个氚核(H)与一个氘核(H)反应生成一个新核,同时放出一个中子并释放核能ΔE.已知真空中光速为c,下列说法正确的是( )
A.“人造太阳”装置中的核反应是热核反应
B.一个H核与一个H核反应生成的新核中子数为3
C.一个H核与一个H核反应过程中的质量亏损为
D. H核的比结合能为
√
√
[解析] “人造太阳”装置中的核反应是热核反应,选项A正确;
一个H核与一个H核反应生成的新核为He,则中子数为2,选项B错误;
一个H核与一个H核反应过程中释放核能ΔE,根
据ΔE=Δmc2,可得质量亏损为Δm=,选项C正确;
依据结合能的概念,ΔE不是H核的结合能,那么H核的比结合能也不等于,故D错误.
4.一个质子和两个中子聚变为一个氚核,已知质子质量mH=1.007 3 u,中子质量mn=1.008 7 u,氚核质量m=3.018 0 u(1 u的质量对应931.5 MeV的能量).
(1)写出聚变方程.
[答案] H+nH
[解析] 聚变方程为H+nH
4.一个质子和两个中子聚变为一个氚核,已知质子质量mH=1.007 3 u,中子质量mn=1.008 7 u,氚核质量m=3.018 0 u(1 u的质量对应931.5 MeV的能量).
(2)求释放出的核能.
[答案] 6.24 MeV
[解析] 质量亏损Δm=mH+2mn-m=(1.007 3+2×1.008 7-3.018 0) u=0.006 7 u
释放的核能ΔE=Δmc2=0.006 7×931.5 MeV=6.24 MeV
4.一个质子和两个中子聚变为一个氚核,已知质子质量mH=1.007 3 u,中子质量mn=1.008 7 u,氚核质量m=3.018 0 u(1 u的质量对应931.5 MeV的能量).
(3)求平均每个核子释放的能量.
[答案] 2.08 MeV
[解析] 平均每个核子放出的能量为 MeV=2.08 MeV
5.一个U原子核在中子的轰击下发生裂变反应,其裂变方程为U+n→Xe+n,下列说法正确的是( )
A.核反应方程中Sr的中子数为56
B.核反应方程中Sr的质量数为92
C.因为裂变释放能量,出现质量亏损,所以裂变后的总质量数减少
D.因为裂变释放能量,Xe原子核的比结合能应比U原子核的小
√
[解析]根据质量数守恒和电荷数守恒可得235+1=y+139+3,92=x+54,解得y=94、x=38,所以核反应方程中Sr的中子数为z=y-x=56,故A正确,B错误;
核裂变释放能量,会出现质量亏损,但是总质量数不变,故C错误;
比结合能越大,原子核越稳定,U原子核裂变得到Xe原子核,说明Xe原子核比U原子核稳定,即Xe原子核的比结合能应比U原子核的大,故D错误.
6. (多选)已知两个氘核聚变生成一个氦3和一个中子的核反应方程为HHe+n+3.26 MeV,氘核的摩尔质量是2 g/mol,NA为阿伏加德罗常数,则以下说法正确的是 ( )
A.两氘核聚变前后总能量守恒
B.反应物(H)质量比生成物Hen)质量小
C.若有1 g氘核全部发生聚变,则释放的能量约是0.5NA×3.26 MeV
D.两氘核聚变前后电荷数守恒,质量数守恒
√
√
[解析]两氘核聚变前后总能量守恒,选项A正确;
因反应放出能量,有质量亏损,可知反应物(H)质量比生成物Hen)质量大,选项B错误;
1 mol氘核的质量为2 g,若有1 g氘核全部发生聚变,则释放的能量约是E=0.25NA×3.26 MeV,选项C错误;
两氘核聚变前后电荷数守恒,质量数守恒,选项D正确.
7.太阳放出的大量中微子向地球飞来,但实验测定的数目只有理论的三分之一,后来科学家发现中微子在向地球传播过程中衰变成一个μ子和一个τ子.若在衰变过程中μ子的速度方向与中微子原来的方向一致,则τ子的运动方向( )
A.一定与μ子同方向 B.一定与μ子反方向
C.一定与μ子在同一直线上 D.不一定与μ子在同一直线上
√
[解析]根据题中给出的信息,中微子在衰变过程中分裂为μ子和τ子,满足动量守恒定律,mv0=mμvμ+mτvτ,因此mτvτ=mv0-mμvμ,当μ子与中微子速度方向相同时,τ子运动方向与μ子运动方向只能是同向或反向,即在同一直线上,但由于不知道中微子和μ子的动量大小,因此具体方向无法判断,所以A、B、D错误,C正确.
8.为了探究宇宙起源,“阿尔法磁谱仪(AMS)”将在太空中寻找“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的质量和相同的电荷量,但电荷的符号相反,则构成反氢原子的是( )
A.1个带正电荷的质子和1个带负电荷的电子
B.1个带负电荷的反质子和1个带正电荷的正电子
C.1个带负电荷的反质子和1个带负电荷的电子
D.1个不带电的中子和1个带正电荷的正电子
[解析]根据反粒子定义,“反粒子”与“正粒子”具有相同的质量,但带有等量的异种电荷.因此B正确.
√
1.(核裂变)关于重核的裂变，以下说法正确的是( )
A.核裂变释放的能量等于它俘获中子时得到的能量
B.中子从铀块中通过时，一定发生链式反应
C.重核裂变释放出大量能量，产生明显的质量亏损，所以核子数要减少
D.由于重核的核子平均质量大于中等质量核的核子平均质量，所以重核裂变为中等质量的核时，要发生质量亏损，放出核能
√
[解析] 核裂变释放的能量来源于裂变过程的质量亏损，是核能转化为其他形式能的过程，其能量远大于俘获中子时吸收的能量，A错误，D正确；
发生链式反应是有条件的，铀块的体积必须不小于其临界体积，否则中子从铀块中穿过时，可能碰不到原子核，则不会发生链式反应，B错误；
重核裂变时，核子数守恒，C错误.
2.(反应堆)(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量
√
√
√
[解析] 铀棒是核燃料，裂变时可放出能量，选项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，选项B正确；
石墨的作用是使中子减速，选项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，选项D正确.
3.(核裂变)(多选)核能已广泛应用于清洁电力、热力生产等领域，成为全球能源供应的重要组成部分，应进一步扩大核能利用，以减少碳排放，实现可持续发展和气候变化目标.目前核能的利用主要是人工控制下进行的核裂变的链式反应.已知阿伏加德罗常数为，关于核裂变的链式反应，下列说法正确的是( )
A.裂变产生的快中子，速度越大越有利于反应的进行，无需设法使快中子减速
B.铀核裂变的产物是多样的，比如核反应方程可以是
C.一个铀235核裂变可释放的能量，标准煤燃烧时放出的热量，则铀235全部裂变时释放的能量就相当于标准煤完全燃烧时释放的能量
D.秦山核电站利用的是核裂变产生的能量，裂变比聚变产能效率更高，更为安全、清洁
√
√
[解析] 裂变产生的快中子，要经过与慢化剂中的原子核碰撞，速度减小，变成慢中子，才容易被铀核吸收，故A错误；
利用中子轰击铀核可以发生裂变反应，核反应方程可以为，故B正确；
<
标准煤完全燃烧时释放的能量为，铀235的物质的量为，个数为个个，全部裂变时释放的能量为，故铀235全部裂变时释放的能量就相当于标准煤完全燃烧时释放的能量，故C正确；
裂变产生的核废料放射性极强，难以处理，聚变产物无污染，不具放射性，故D错误.
4.(核聚变)[2022·天津卷] 从夸父逐日到羲和探日，中华民族对太阳的求知探索从未停歇.2021年10月，我国第一颗太阳探测科学技术试验卫星“羲和号”顺利升空.太阳的能量由核反应提供，其中一种反应序列包含核反应：，下列说法正确的是( )
A.是中子 B.该反应有质量亏损
C.比的质子数多 D.该反应是裂变反应
√
[解析] 根据核反应过程满足质量数守恒和电荷数守恒可知，的质量数为1，电荷数为1，可知是质子，故A错误；
两个轻核结合成质量较大的核，核反应属于聚变反应，反应过程存在质量亏损，释放能量，故B正确，D错误；
与的质子数相同，均为2个质子，故C错误.
练 习 册
知识点一 核裂变
1.(多选)关于铀核裂变，下列说法正确的是( )
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新核
B.铀核裂变时可能同时释放个中子
C.为了使裂变的链式反应容易进行，最好用铀235
D.铀块的体积对产生链式反应无影响
√
√
[解析] 铀核受到中子的轰击，会引起裂变，裂变的产物是多种多样的，具有极大的偶然性，裂变成两种不同的新核的情况多，也有的裂变成多种，并放出几个中子，铀235受中子的轰击时，裂变的几率大，而铀238裂变的几率小，要引起链式反应，需使铀块体积不小于临界体积，故B、C正确.
2.[2024·天津一中月考] 传统的航母动力来源是燃油蒸汽轮机，燃油限制了航母的载重量、续航里程和战斗力.2021年，我国研发的小型核反应堆“玲珑一号”问世，为我国建造核动力航母奠定了基础，“玲珑一号”的核燃料为浓缩铀，体积小，功率大，的一种核反应方程为，生成的还会发生 衰变.下列说法正确的是( )
A.铀发生的这种核反应又叫热核反应，需要很高的温度
B.铀发生的这种核反应产生慢中子，对中子加速后可发生链式反应
C.发生 衰变时产生的 射线是钡原子核外的电子跃迁形成的
D.发生 衰变的速度不能通过调节压强和温度来控制
√
[解析] 铀发生的这种核反应属于核裂变反应，不属于核聚变反应，不需要很高的温度，A错误；
铀发生的这种核反应产生快中子，用慢化剂对其减速后可发生链式反应，B错误；
发生 衰变时产生的 射线是原子核内中子转化为质子时产生的，C错误；
衰变的快慢是由核内部自身的因素决定的，与外界因素无关，D正确.
知识点二 反应堆与核电站
3.如图所示，“核反应堆”通过可控的链式反应实现核能的释放，核燃料是铀棒，在铀棒周围放“慢化剂”，快中子和慢化剂中的碳原子核碰撞后，中子速度减小变为慢中子.下列说法正确的是( )
A.“慢化剂”使快中子变为慢中子，慢中子更难被铀核捕获，从而减缓反应速度
B.裂变后的新核氪的比结合能小于铀核的比结合能
C.链式反应是指由重核裂变产生的电子使裂变反应一代接一代继续下去的过程
D.当核反应过于缓慢时，可以适当地抽出镉棒，达到加快核反应速度的目的
√
[解析] 中子的速度不能太快，否则无法被铀核捕获，裂
变反应不能进行下去，A错误；
重核裂变，质量亏损，释放核能，比结合能大的原子核
稳定，故新核氪的比结合能大于铀核的比结合能，B错误；
链式反应是指由重核裂变产生的中子使裂变反应一代接一代继续下去的过程，C错误；
镉棒的作用是吸收中子，当核反应过于缓慢时，可以适当地抽出镉棒，吸收中子较少，达到加快核反应速度的目的，D正确.
知识点三 核聚变
4.[2024·湖北武汉二中月考] 2023年8月，“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，标志着我国在可控核聚变领域达到了国际领先水平.下列关于核聚变的说法正确的是( )
A.轻核聚变过程，原子核的比结合能变大
B.轻核聚变在常温常压下即可自发地进行
C.轻核聚变过程，生成物的质量大于反应物的质量
D.与核裂变反应相比，核聚变的产能效率更低
√
[解析] 原子的比结合能越大越稳定，生成物较稳定，比结合能变大，A正确；
轻核聚变反应过程需要吸收能量才能使轻核间的距离接近到发生聚变的距离，因此需要高温，B错误；
核反应释放热量，质量亏损，所以生成物的质量小于反应物的质量，C错误；
与核裂变反应相比，核聚变的产能效率更高，D错误.
5.[2024·北京八中月考] 科学研究表明，太阳核心的温度极高、压力极大，使得太阳内部每4个氢核转化为1个氦核和几个正电子并释放出大量能量.假设生成的所有正电子均定向移动，且正电子在时间内定向移动形成的平均电流为，已知电子的电荷量为，则在这段时间内发生核聚变的氢核的个数为( )
A.个 B.个 C.个 D.个
√
[解析] 根据电荷数守恒与质量数守恒可得，每4个氢核转化为1个氦核和2个正电子，根据公式可得，正电子个数为，发生核聚变的氢核的个数为正电子个数的两倍，即氢核的个数是.故选A.
知识点四 “基本”粒子
6.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.质子和中子都属于强子
C.现代实验发现强子、轻子都有内部结构
D. 子质量比核子质量大， 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；
强子有内部结构，现代实验还没有发现轻子的内部结构，C错误；
质子和中子都属于强子， 子质量比核子质量大，但仍属于轻子，D错误，B正确.
√
7.(多选)[2024·山西大同一中月考] 下列说法正确的是( )
A.强子是参与强相互作用的粒子
B.轻子是不参与强相互作用的粒子
C.目前发现的轻子只有4种
D.夸克有6种，它们带的电荷量为元电荷的或
[解析] 由粒子的特性可知，强子是参与强相互作用的粒子，轻子是不参与强相互作用的粒子,故A、B正确；
目前发现的轻子有6种，故C错误；
已知夸克有6种，它们带的电荷量为元电荷的或，故D正确.
√
√
√
8.2020年12月4日，新一代“人造太阳”核聚变实验装置——中国环流器二号(如图甲所示)在四川成都建成并实现首次放电.这标志着我国自主掌握了大型先进托卡马克装置的设计、建造、运行技术，为我国核聚变堆的自主设计与建造打下了坚实基础.它是一种利用磁约束来实现可控核聚变的环形容器装置，容器外面缠绕着两组线圈(如图乙所示).通电时，托卡马克的内部会产生巨大的螺旋形磁场，将1.5亿摄氏度高温的等离子体约束在环形真空室内，以达到核聚变的目的.下列说法正确的是( )
A.核能不属于清洁能源
B.托卡马克内部核反应可能是
C.线圈1产生水平方向的环形磁场
D.螺旋形磁场可以约束运动方向不同的带电粒子
√
[解析] 核能属于清洁能源，不会对大气环境造成污染，故A错误；
由题意可知，托卡马克内部核反应为核聚变，是核裂变，故B错误；
线圈1在水平面内，由右手螺旋定则可知，其产生竖直方向的磁场，故C错误；
根据左手定则可知，若磁场方向变化，则洛伦兹力方向变化，即螺旋形磁场可以约束运动方向不同的带电粒子，故D正确.
9.[2024·清华附中月考] 近代物理研究表明介子衰变的方程为，其中介子和介子带负电的基元电荷，介子不带电.一个介子在磁感应强度为的匀强磁场中做半径为的匀速圆周运动，在某时刻介子发生衰变，观察到介
A. B. C. D.
子做半径为的匀速圆周运动，运动轨迹如图所示，介子的轨迹未画出.则介子、介子、介子的动量大小之比为( )
√
[解析] 对介子，根据洛伦兹力公式和向心力公式可得，可得介子的动量为，同理，可得介子的动量为，则介子、介子的动量大小之比为；介子发生衰变，介子、介子组成的系统动量守恒，即
介子的动量等于介子的动量减去介子的动量，所以介子、介子、介子的动量大小之比为，故选C.
10.[2024·浙江1月选考] 已知氘核质量为，氚核质量为，氦核质量为，中子质量为，阿伏加德罗常数取，氘核摩尔质量为，相当于.关于氘与氚聚变成氦，下列说法正确的是( )
A.核反应方程式为
B.氘核的比结合能比氦核的大
C.氘核与氚核的间距达到就能发生核聚变
D.氘完全参与聚变释放出能量的数量级为
√
[解析] 根据核反应中质量数守恒、电荷数守恒，可知核反应方程式为，选项A错误；
生成物比反应物更稳定，因此生成物的比结合能更大，即氦核的比结合能比氘核的大，选项B错误；
发生轻核聚变的条件是原子核之间距离达到原子核的尺度，即达到，选项C错误；
根据核反应可知，每次核聚变反应后质量亏损为，氘参加反应，含有氘核个数，质量亏损产生的核能为，选项D正确.
11.[2023·湖北孝感高中月考] 2022年12月，美国能源部官员宣布：加州劳伦斯·利弗莫尔国家实验室首次成功在核聚变反应中实现“净能量增益”，这一突破帮助人类在实现零碳排放能源的进程中迈出关键一步.太阳之所以能发光并辐射出巨大的能量，就是内部氢核聚变的结果.
(1) 氢核聚变的核反应方程为，的质量为，的质量为，的质量为，的质量为，.求该反应释放的核能约为多少？(结果保留2位小数)
[答案]
[解析] 该反应中质量亏损
由质能方程
代入数据，该反应释放的核能
11.[2023·湖北孝感高中月考] 2022年12月，美国能源部官员宣布：加州劳伦斯·利弗莫尔国家实验室首次成功在核聚变反应中实现“净能量增益”，这一突破帮助人类在实现零碳排放能源的进程中迈出关键一步.太阳之所以能发光并辐射出巨大的能量，就是内部氢核聚变的结果.
(2) 假定地球单位面积接受太阳直射能量的功率为，地球到太阳的距离为，太阳可用于氢核聚变的质量为，光在真空中传播的速度为，请估算太阳的寿命.
[答案]
[解析] 太阳每秒辐射的能量，太阳每秒减少的质量
太阳的寿命，解得
12.[2024·广东广雅中学月考] 用中子轰击铀核，其中的一个可能反应是分裂成钡和氪两部分，放出3个中子．各个核和中子的质量如下：(计算结果保留两位小数)
，；
，.
(1) 试写出核反应方程；
[答案]
[解析] 核反应方程为
12.[2024·广东广雅中学月考] 用中子轰击铀核，其中的一个可能反应是分裂成钡和氪两部分，放出3个中子．各个核和中子的质量如下：(计算结果保留两位小数)
，；
，.
(2) 求出反应中释放的核能；
[答案]
[解析] 一个铀核发生反应的质量亏损
一个铀核裂变释放能量为
12.[2024·广东广雅中学月考] 用中子轰击铀核，其中的一个可能反应是分裂成钡和氪两部分，放出3个中子．各个核和中子的质量如下：(计算结果保留两位小数)
，；
，.
(3) 我国第一座核电站——秦山核电站总装机容量达到650万千瓦，则秦山核电站一年需要消耗多少千克的铀？
[答案]
[解析] 秦山核电站一年需要消耗铀的质量
