粤教版高中物理选修3-5课时分层作业 16裂变和聚变 Word版含解析

课时分层作业(十六)
(时间：45分钟　分值：100分)
[基础达标练]
一、选择题(本题共6小题，每小题6分)
1．重核裂变和轻核聚变是人类获得核能的两种主要途径，下列判断正确的是(　　)
A．裂变和聚变过程中都有质量亏损
B．裂变过程中有质量亏损，聚变过程中质量有所增加
C．裂变过程中质量有所增加，聚变过程中有质量亏损
D．裂变、聚变过程中质量都增加
A　[根据爱因斯坦质能方程进行判断，人类利用原子能的主要途径是重核裂变和轻核聚变，在这两个过程中有原子能释放，由爱因斯坦质能方程ΔE＝Δmc2可知，在获取能量的同时，质量是减少的，也就是发生质量亏损．所以A选项正确．]
2．据央视报道，中科院等离子体物理研究所经过八年的艰苦努力，终于率先建成了世界上第一个全超导的托克马克试验装置并调试成功，这种装置被称为“人造太阳”(如图)，它能够承受上亿摄氏度高温且能够控制等离子态的核子发生聚变并稳定持续地输出能量，就像太阳一样为人类提供无限清洁的能源．在下列核反应方程中有可能是该装置内部所进行的核反应的是(　　)
A.7N＋He―→8O＋H
B.H＋H―→He＋n
C. U―→Th＋He
D. U＋n―→Ba＋Kr＋3n
B　[该装置承受上亿摄氏度高温且能够控制等离子态的核子发生聚变并稳定持续地输出能量，内部进行的是轻核聚变，B选项正确．]
3．(多选)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方程为He＋He→2H＋He，关于He聚变下列表述正确的是(　　)
A．聚变反应会释放能量
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
AB　[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，这是人类利用核能的途径之一．目前核电站大多采用重核裂变的方法来释放与利用核能发电．]
4．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，最好用铀238而不用铀235
D．铀块的体积对产生链式反应无影响
B　[铀核受到中子的轰击，会引起裂变，放出2～3个中子，裂变的产物是各种各样的，具有极大的偶然性，只是裂变成两块的情况多，也有的分裂成多块，A错误，B错误．铀235受慢中子的轰击时，裂变的概率大，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，C错误．而要引起链式反应，需使铀块体积超过临界体积，故D错误．]
5．已知太阳内部进行激烈的热核反应，每秒钟辐射的能量为3.8×1025 J，则可算出(　　)
A．太阳的质量约为4.22×105 t
B．太阳的质量约为8.44×105 t
C．太阳的质量每秒减少4.22×105 t
D．太阳的质量每秒减少8.44×105 t
C　[由质能方程知太阳每秒钟内因辐射能量而失去的质量为：
Δm＝＝＝4.22×108 kg＝4.22×105 t.
该方法不能确定太阳的质量．所以选项A、B、D错误，C正确．]
6．我国自行研制了可控热核反应实验装置“超导托卡马克”(英文名称：EAST，称“人造太阳”)．设可控热核实验反应前氘核(H)的质量为m1，氚核(H)的质量为m2，反应后氦核(He)的质量为m3，中子(n)的质量为m4，已知光速为c.下列说法中正确的是(　　)
A．核反应放出的能量等于 (m1＋m2－m3－m4)c2
B．由核反应过程质量守恒可知m1＋m2＝m3＋m4
C．这种热核实验反应是α衰变
D．这种装置与我国大亚湾核电站所使用核装置的核反应原理相同
A　[可控热核反应装置中发生的核反应方程式是H＋H→He＋n，核反应过程中质量数守恒，但质量不守恒，核反应过程中存在质量亏损，因此m1＋m2＞m3＋m4，核反应过程中的质量亏损Δm＝m1＋m2－m3－m4，释放的核能为ΔE＝Δmc2＝(m1＋m2－m3－m4)c2，故A正确，B错误；这种热核实验反应是核聚变，故C错误．这种装置的核反应是核聚变，我国大亚湾核电站所使用核装置是核裂变，它们的核反应原理不相同，故D错误．]
二、非选择题(14分)
7．1个铀235核吸收1个中子发生核反应时，大约放出196 MeV的能量，则1 g纯铀235完全发生核反应放出的能量是多少？
[解析]　1 g纯铀235有×NA个铀235核．因此1 g纯铀235吸收中子完全发生核反应可以释放出×196 MeV能量＝5.0×1023 MeV.
[答案]　5.0×1023 MeV
[能力提升练]
一、选择题(本题共4小题，每小题6分)
1.He与H的核聚变发电不产生温室气体，不产生放射性物质，是一种十分清洁、安全和环保的能源，开发月球土壤中蕴藏丰富的氦3资源，对人类社会今后的可持续发展具有深远意义．该核反应可表示为He＋H→Li＋X(X表示某种粒子)，若He、H和Li的质量分别为m1、m2、m3，则下列选项正确的是(　　)
A．X为中子
B．这种核反应在月球上可自发进行
C．高速的X粒子可以用来工业探伤
D．该反应释放的核能ΔE＞(m1＋m2－m3)c2
A　[根据电荷数守恒、质量数守恒知，X的电荷数为0，质量数为1，可知X为中子，故A正确．该反应为聚变反应，不能自发进行，故B错误．高速的中子不能用来工业探伤，故C错误．根据爱因斯坦质能方程得，释放的能量为：ΔE＝(m1＋m2－m3－mX)c2＜(m1＋m2－m3)c2，故D错误．]
2．2017年量子通信卫星“墨子号”首席科学家潘建伟获得“物质科学奖”．对于有关粒子的研究，下列说法正确的是(　　)
A．在铀核的裂变中，当铀块的体积小于“临界体积”时，不能发生链式反应
B．铀元素的半衰期为T，当温度发生变化时，铀元素的半衰期也发生变化
C．轻核聚变的过程质量增大，重核裂变的过程有质量亏损
D．比结合能小的原子核结合成(或分裂成)比结合能大的原子核时一定吸收能量
A　[在铀核的裂变中，当铀块的体积小于“临界体积”时，不能发生链式反应，A选项正确；半衰期的大小与温度无关，由原子核内部因素决定，B选项错误；轻核聚变和重核裂变都有质量亏损，都向外辐射能量，C选项错误；比结合能小的原子核结合成(或分裂成)比结合能大的原子核时有质量亏损，释放核能，D选项错误．]
3．(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．核燃烧的质量相同时，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
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．]
4．(多选)1938年哈恩用中子轰击铀核，发现产物中有原子核钡(Ba)、氪(Kr)、中子和一些γ射线．下列关于这个实验的说法中正确的是(　　)
A．这个实验的核反应方程是U＋n→Ba＋Kr＋3n
B．这是一个核裂变过程，反应后粒子质量之和大于反应前粒子质量之和
C．这个反应中释放出的能量可以用爱因斯坦的光电效应方程来计算
D．实验中产生的γ射线，其穿透能力极强
AD　[根据质量数守恒、电荷数守恒，铀核裂变的核反应方程应为U＋n→Ba＋Kr＋3n，选项A正确；铀核裂变过程中，产生γ射线，放出能量，发生质量亏损，释放的能量根据爱因斯坦的质能方程计算，选项B、C不正确；核反应中产生的γ射线频率很高，穿透能力极强，是能量极高的光子，选项D正确．]
二、非选择题(本题共2小题，共26分)
5．(13分)已知U(质量为235.043 9 u)裂变后生成Ba(质量为140.913 9 u)和Kr(质量为91.897 3 u)，同时放出3个中子(每个中子质量为1.008 7 u)，则1 kg铀全部裂变所放出的能量相当于多少千克优质煤完全燃烧时放出的能量？(1 kg优质煤完全燃烧时产生3.36×107 J的热量)
[解析]　核反应方程为U＋n→Ba＋Kr＋3n
质量亏损为Δm＝(mU＋mn)－(mBa＋mKr＋3mn)＝(235.043 9＋1.008 7)u－(140.913 9＋91.897 3＋3×1.008 7)u＝0.215 3 u.
释放的核能为
ΔE＝Δmc2＝0.215 3×931.5 MeV≈200 MeV，
已知235 g铀有6.02×1023个铀核，那么1 kg铀内大约有×6.02×1023＝2.56×1024个铀核，由此可知1 kg铀全部裂变放出的能量为
ΔE＝2.56×1024×200 MeV＝5.12×1026 MeV＝5.12×1032 eV＝8.2×1013 J，
则相当于优质煤的质量为M＝ kg＝2.44×106 kg.
[答案]　2.44×106 kg
6．(13分)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．两个速率相等的氘核对心碰撞聚变成He并放出一个中子，释放的核能全部转化为机械能．(质量亏损为1 u时，释放的能量为931.5 MeV.除了计算质量亏损外，He的质量可以认为是中子的3倍)
(1)写出该核反应的反应方程式．
(2)该核反应释放的核能是多少？
(3)若测得反应后生成中子的动能是3.12 MeV，则反应前每个氘核的动能是多少MeV?
[解析]　(1)核反应方程为H＋H→He＋n
(2)质量亏损为Δm＝2.013 6×2 u－(3.015 0 u＋1.008 7 u)＝0.003 5 u，释放的核能
ΔE＝Δmc2＝0.003 5×931.5 MeV＝3.26 MeV
(3)设中子和He核的质量分别为m1、m2，速度分别为v1、v2.反应前每个氘核的动能是E0，反应后中子和He核动能分别为E1、E2，根据动量守恒定律，得
m1v1－m2v2＝0
＝∶＝＝3
E2＝＝1.04 MeV
由能量的转化和守恒定律，得
E1＋E2＝2E0＋ΔE，E0＝0.45 MeV.
[答案]　(1)H＋H→He＋n
(2)3.26 MeV　(3)0.45 MeV