高中物理 鲁科版选修3-5学案：第4章 章末小结与测评Word版含答案


核反应的四种常见类型
某种元素的原子核变为另一种元素的原子核的过程叫做核反应，常见的核反应可分为衰变、人工转变、核裂变和核聚变。对于这四种反应类型，我们比较如下：
衰变
人工转变
核裂变
核聚变
概念
原子核自发地放出某种粒子而转变为新核的过程，也叫天然放射现象
人工用高速粒子轰击原子核，产生另一种新核的过程
重核分裂成中等质量的原子核，并释放出核能的过程
轻核聚合成质量较大的原子核，并释放出核能的过程
发现者
或重要
贡献者
贝可勒尔
卢瑟福、查德威克、居里夫妇等
—
—
典型反
应方程
U―→
Th＋He
Th―→
Pa＋e
N＋He
―→O＋H
Be＋He
―→C＋n
U＋n
―→Ba＋
Kr＋3n
H＋H―→
He＋n　　
产生
条件
所有原子序数大于82的元素及个别小于83的元素自发进行
需要人工用高速粒子进行诱发
需要中子的轰击和一定的临界体积
需要极高的温度
意义
揭开了人类研究原子核结构的序幕
通过原子核的人工转变发现了质子、中子、正电子等基本粒子和一些人工放射性同位素
人类获得新能源的一种重要途径
应用
举例
利用放射性元素的半衰期进行文物年代鉴定等
得到人工放射性同位素、作示踪原子
核电站、核潜艇、原子弹等
氢弹、热核反应
说明
衰变与其他核反应最主要的区别为前者自发进行，不需要其他粒子诱发，生成α、β或γ粒子；后三种都是原子核的人工转变，重核裂变和轻核聚变与其他人工转变不同的是有巨大能量释放，裂变最显著的特征是重核分成中等质量的核，聚变则为轻核结合成质量较大的原子核
1．(2016·全国卷Ⅱ)在下列描述核过程的方程中，属于α衰变的是________，属于β衰变的是________，属于裂变的是_______，属于聚变的是_______。(填正确答案标号)
A.C―→N＋e
B.P―→S＋e
C.U―→Th＋He
D.N＋He―→O＋H
E.U＋n―→Xe＋Sr＋2n
F.H＋H―→He＋n
解析：α衰变是一种元素衰变成另一种元素过程中释放出α粒子的现象，选项C为α衰变；β衰变为衰变过程中释放出β粒子的现象，选项A、B均为β衰变；重核裂变是质量较大的核变成中等质量的核的过程，选项E是常见的一种裂变；聚变是两个较轻的核聚合成质量较大的核的过程，选项F是典型的核聚变过程。
答案：C　AB　E　F
核反应中的守恒量
在各种核反应中，存在着一些“守恒量”，这些“守恒量”为我们提供了解决核反应中电荷、质量、能量、动量变化问题的方法和依据。概括为“五个守恒”：
(1)质量数守恒；
(2)电荷数守恒；
(3)质能守恒(“亏损质量”与释放或吸收的“核能”相当)；
(4)能量守恒；
(5)动量守恒。
2．已知氘核质量为2.013 6 u，中子质量为1.008 7 u，He核的质量为3.015 0 u。(1 u相当于931.5 MeV)
(1)写出两个氘核聚变成He的核反应方程。
(2)计算上述核反应中释放的核能。
(3)若两氘核以相等的动能0.35 MeV做对心碰撞，即可发生上述核反应，且释放的核能全部转化为机械能，则反应中生成的He核和中子的动能各是多少？
解析：(1)应用质量数守恒和核电荷数守恒，不难写出核反应方程为H＋H―→He＋n。
(2)由题给条件可求出质量亏损为
Δm＝[2.013 6×2－(3.015 0＋1.008 7)]u＝0.003 5 u
所以释放的核能
ΔE＝931.5×0.003 5 MeV＝3.26 MeV。
(3)因为该反应中释放的核能全部转化为机械能，即转化为He核和中子的动能，若设He核和中子的质量分别为m1、m2，动量分别为p1、p2，动能分别为Ek1、Ek2，氘核的动能为Ek0，则由动量守恒及能的转化和守恒定律，得
p1－p2＝0①
Ek1＋Ek2＝2Ek0＋ΔE②
由Ek＝得＝＝③
联合①②③解得：Ek1＝(2Ek0＋ΔE)＝0.99 MeV，
Ek2＝(2Ek0＋ΔE)＝2.97 MeV。
答案：(1)H＋H―→He＋n　(2)3.26 MeV　
(3)0.99 MeV　2.97 MeV
(时间：60分钟　满分：100分)
一、选择题(共8小题，每小题6分，共48分)
1．重核的裂变和轻核的聚变是人类利用原子能的两种主要方法，下列关于裂变和聚变的说法正确的是(　　)
A．裂变和聚变过程都有质量亏损
B．裂变过程有质量亏损，聚变过程质量有所增加
C．聚变过程有质量亏损，裂变过程质量有所增加
D．裂变和聚变过程质量都有所增加
解析：选A　重核裂变和轻核聚变的过程中都释放大量核能，都有质量亏损，故A正确。
2．我国物理学家钱三强、何泽慧夫妇，1946年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，这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．以上说法都不对
解析：选B　铀核裂变的产物是多样的，所以我国科学家钱三强、何泽慧夫妇发现了铀核的三分裂和四分裂。
3.(2017·天津高考)我国自主研发制造的国际热核聚变核心部件在国际上率先通过权威机构认证，这是我国对国际热核聚变项目的重大贡献。下列核反应方程中属于聚变反应的是(　　)
A.H＋H―→He＋n
B.N＋He―→O＋H
C.He＋Al―→P＋n
D.U＋n―→Ba＋Kr＋3n
解析：选A　A项是氢元素的两种同位素氘和氚聚变成氦元素的核反应方程，B项是用α粒子轰击氮原子核发现质子的核反应方程，C项属于原子核的人工转变，D项属于重核的裂变，因此只有A项符合要求。
4．下列说法中正确的是(　　)
A．太阳辐射的能量主要来自太阳内部的热核反应
B．中等核的平均结合能比重核的平均结合能小，所以重核裂变要放出能量
C．只要有核反应发生，就一定会释放出核能
D．轻核中质子数与中子数大致相等，重核中中子数小于质子数
解析：选A　太阳的能量来自轻核聚变放出的能量，A正确。中等核的平均结合能比重核的平均结合能大，B错误。核反应是否释放能量取决于反应前后是否发生了质量亏损，C错误。随核子数增加，若只增加中子，中子与其他核子没有库仑斥力，但有相互吸引的核力，有助于维系原子核的稳定，所以稳定的重原子核中子数要比质子数多，D错误。
5．某科学家提出年轻热星体中核聚变的一种理论，其中的两个核反应方程为H＋C―→N＋Q1，H＋N―→C＋X＋Q2，方程中Q1、Q2表示释放的能量，相关的原子核质量见下表：
原子核
H
He
He
C
N
N
质量(u)
1.007 8
3.016 0
4.002 6
12.000 0
13.005 7
15.000 1
以下推断正确的是(　　)
A．X是He，Q2＞Q1 B．X是He，Q2＞Q1
C．X是He，Q2＜Q1 D．X是He，Q2＜Q1
解析：选B　由核反应前后质量数守恒、核电荷数守恒可推得X为He，由核反应过程中的质量亏损可知Q2>Q1，故选B。
6．[多选]1964年、1967年我国分别成功引爆了第一颗原子弹和氢弹，同时庄重承诺任何情况下决不首先使用核武器，决不向无核国家使用核武器。下列核反应方程表示两弹原理的是(　　)
A.N＋He―→O＋H
B.U＋n―→Sr＋Xe＋2n
C.U―→Th＋He
D.H＋H―→He＋n
解析：选BD　原子弹利用核裂变，而氢弹利用核聚变获得巨大核能，故B项对应原子弹的爆炸原理，而D项对应氢弹的爆炸原理。A项为人工核转变，C项为α衰变反应。故正确答案为B、D。
7．[多选]科学家使用核反应获取氚，再利用氘和氚核反应获得能量，核反应方程分别为X＋Y―→He＋H＋4.9 MeV和H＋H―→He＋X＋17.6 MeV，下列表述正确的有(　　)
A．X是中子
B．Y的质子数是3，中子数是6
C．两个核反应都没有质量亏损
D．氘和氚的核反应是核聚变反应
解析：选AD　由H＋H―→He＋X＋17.6 MeV，根据反应前后质量数、电荷数守恒可知，X的质量数为1，电荷数为0，因此X是中子，故选项A正确；再由X＋Y―→He＋H＋4.9 MeV，根据反应前后质量数、电荷数守恒可知，Y的质量数为6，电荷数为3，即其质子数为3，中子数也为3，故选项B错误；由于两个反应中都释放了能量，因此根据爱因斯坦质能方程可知，两个反应中都存在质量亏损，故选项C错误；根据核聚变反应的定义可知，氘和氚反应生成了一个He核，故选项D正确。
8．[多选]据新华社报道，由我国自行设计、研制的世界第一套全超导核聚变实验装置(又称“人造太阳”)已完成了首次工程调试。下列关于“人造太阳”的说法正确的是(　　)
A．“人造太阳”的核反应方程是H＋H―→He＋n
B．“人造太阳”的核反应方程是U＋n―→Ba＋Kr＋3n
C．根据公式E＝mc2可知，核燃料的质量相同时，聚变反应释放的能量与裂变反应相同
D．核燃料的质量相同时，聚变反应过程的质量亏损比裂变反应过程的质量亏损大得多
解析：选AD　H＋H―→He＋n是氢核聚变方程，故A项正确；根据氢核聚变特点，相同质量的核燃料，氢核聚变释放的能量比裂变反应大得多，氢核聚变反应过程的质量亏损比裂变反应过程的质量亏损大得多，D正确。
二、非选择题(共4小题，共52分)
9．(12分)核反应有以下几种情况：一是衰变，二是人工转变，三是裂变，四是聚变。核反应可用方程来表示，叫核反应方程。完成下列核反应方程，并指明它属于何种核反应。
(1)U―→Th＋(　　)，属________；
(2)Be＋(　　)―→C＋n，属________；
(3)H＋H―→He＋(　　)，属________；
(4)U＋n―→Sr＋Xe＋(　　)，属________。
解析：根据质量数和电荷数守恒可判定：
(1)中的未知核为He，该反应属衰变；
(2)中的未知核为He，该反应属人工转变；
(3)中的未知核为n，该反应属于聚变；
(4)中的未知核为10n，该反应属于裂变。
答案：见解析
10．(12分)1993年，中国科学院上海原子核研究所制得了一种新的铂元素的同位素Pt。制取过程如下：
(1)用质子轰击铍Be产生快中子，核反应方程：________________________________
________________________________________________________________________。
(2)用快中子轰击汞Hg，反应过程可能有两种：
①生成Pt，放出氦原子核，核反应方程：________________________________________
________________________________________________________________________。
②生成Pt，放出质子、中子，核反应方程：________________________________。
(3)生成的铂Pt发生两次β衰变，变成稳定的原子核汞Hg，核反应方程：__________________________，________________________________。
解析：根据质量数守恒和电荷数守恒，算出新生核的电荷数和质量数，然后写出核反应方程式。写核反应方程的原则：①质量数守恒和电荷数守恒；②中间用箭头，不能写成等号。因两端仅仅是质量数守恒，没体现质量相等，也不能仅画一横线，因箭头的方向还表示反应进行的方向；③能量守恒，中学阶段不作要求；④核反应必须是实验能够发生的，不能毫无根据地随意乱写未经实验证实的核反应方程。
答案：(1)Be＋H―→B＋n
(2)①Hg＋n―→Pt＋He
②Hg＋n―→Pt＋2H＋n
(3)Pt―→Au＋e　Au―→Hg＋e
11．(14分)如下一系列核反应是在恒星内部发生的，
p＋C―→N　N―→C＋e＋＋ν
p＋C―→N　p＋N―→O
O―→N＋e＋＋ν　p＋N―→C＋α
其中p为质子，α为α粒子，e＋为正电子，ν为一种中微子。已知质子的质量为mp＝1.672 648×10－27 kg，α粒子的质量为mα＝6.644 929×10－27 kg，正电子的质量为me＋＝9.11×10－31 kg，中微子的质量可忽略不计，真空中的光速c＝3.00×108 m/s。试计算该系列核反应完成后释放的能量。
解析：将题中的几个核反应方程左右分别相加，消去两边相同的项，上述系列反应等效为4p―→α＋2e＋＋2ν，
质量亏损
Δm＝4mp－(mα＋2m)＝4×1.672 648×10－27 kg－6.644 929×10－27 kg－2×9.11×10－31 kg
＝4.384 1×10－29 kg，
释放的能量
ΔE＝Δmc2＝4.384 1×10－29×(3.00×108)2 J
≈3.95×10－12 J。
答案：3.95×10－12 J
12．(14分)天文学家测得银河系中氦的含量约为25%。有关研究表明，宇宙中氦生成的途径有两条：一是在宇宙诞生后3 min左右生成的；二是在宇宙演化到恒星诞生后，由恒星内部的氢核聚变反应生成的。
(1)把氢核聚变简化为4个氢核(H)聚变成氦核(He)，同时放出2个正电子(e)和2个中微子(νe)，请写出该氢核聚变反应的方程，并计算一次反应释放的能量。
(2)研究表明，银河系的年龄约为t＝3.8×1017 s，每秒钟银河系产生的能量约为1×1037 J(P＝1×1037 J/s)，现假定该能量全部来自上述氢核聚变反应，试估算银河系中氦的含量。(最后结果保留一位有效数字)
(3)根据你的估算结果，对银河系中氦的主要生成途径做出判断。
(可能用到的数据：银河系的质量约为M＝3×1041 kg，原子质量单位1 u＝1.66×10－27 kg,1 u相当于1.5×10－10 J的能量，电子质量me＝0.000 5 u，氦核质量mα＝4.002 6 u，氢核质量mp＝1.007 8 u，中微子νe质量为零)
解析：(1)由题意可知核反应方程为
4H―→He＋2e＋2νe
Δm＝4mp－mα－2me
ΔE＝Δmc2＝4.1×10－12 J。
(2)由氢核聚变反应生成氦的质量
m＝ mα＝6×1039 kg
氦的含量k＝×100%＝×100%＝2%。
(3)由估算结果可知，k≈2%远小于25%的实际值，所以银河系中的氦主要是宇宙诞生后3 min左右生成的。
答案：见解析