新教材同步系列2024春高中物理第五章原子與原子核第五節(jié)裂變和聚變課后提升訓(xùn)練粵教版選擇性必修第三冊(cè)

第五章第五節(jié)A組·基礎(chǔ)達(dá)標(biāo)1．科學(xué)家發(fā)覺在月球上含有豐富的eq\o\al(3,2)He(氦3).它是一種高效、清潔、平安的核聚變?nèi)剂希鋮⒓拥囊环N核聚變反應(yīng)的方程式為eq\o\al(3,2)He＋eq\o\al(3,2)He→2eq\o\al(1,1)H＋eq\o\al(4,2)He.關(guān)于eq\o\al(3,2)He聚變，下列表述正確的是()A．聚變反應(yīng)不會(huì)釋放能量B．聚變反應(yīng)產(chǎn)生了新的原子核C．聚變反應(yīng)沒有質(zhì)量虧損D．目前核電站都接受eq\o\al(3,2)He聚變反應(yīng)發(fā)電【答案】B【解析】聚變反應(yīng)時(shí)將質(zhì)量較小的輕核聚變成質(zhì)量較大的核，聚變過程會(huì)有質(zhì)量虧損，要放出大量的能量．但目前核電站都接受鈾核的裂變反應(yīng)，可控的輕核聚變尚在試驗(yàn)階段．2．為了實(shí)現(xiàn)“碳中和”目標(biāo)，我國將新建核電站項(xiàng)目．目前關(guān)于核電站獲得核能的基本核反應(yīng)方程可能是()A．eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(90,38)Sr＋eq\o\al(136,54)Xe＋10eq\o\al(1,0)nB．eq\o\al(24,11)Na→eq\o\al(24,12)Mg＋eq\o\al(0,－1)eC．eq\o\al(14,7)N＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(17,8)O＋eq\o\al(1,1)HD．eq\o\al(238,92)U→eq\o\al(234,90)Th＋eq\o\al(4,2)He【答案】A【解析】重核的裂變是指質(zhì)量數(shù)較大的原子核分裂成兩個(gè)中等質(zhì)量的原子核，A是裂變反應(yīng)，A正確；B為β衰變，C是發(fā)覺質(zhì)子的反應(yīng)，D是α衰變．3．(2024年焦作期末)下列四幅圖涉及到不同的物理學(xué)問，其中說法正確的是() A．甲圖是電子衍射試驗(yàn)，電子的衍射說明白電子具有粒子性，說明物質(zhì)波理論是正確的B．乙圖是α粒子散射試驗(yàn)示意圖，由α粒子散射試驗(yàn)可估算出原子核半徑的數(shù)量級(jí)C．丙圖是康普頓效應(yīng)示意圖，康普頓效應(yīng)表明，散射后有些光子的波長變短了D．丁圖是原子核裂變示意圖，原子核裂變是一種熱核反應(yīng)【答案】B【解析】電子衍射圖樣說明白電子具有波動(dòng)性，A錯(cuò)誤；依據(jù)α粒子散射試驗(yàn)，盧瑟福估算出原子核半徑的數(shù)量級(jí)，B正確；在康普頓效應(yīng)中，入射光子與晶體中的電子碰撞，把一部分動(dòng)量轉(zhuǎn)移給電子，光子動(dòng)量變小，由λ＝eq\f(h,p)，可知光子散射后的波長變長，C錯(cuò)誤；原子核裂變是一種鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，核聚變是熱核反應(yīng)，D錯(cuò)誤．4．(多選)一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子結(jié)合成氘核，同時(shí)放出光子，核反應(yīng)方程是eq\o\al(1,1)H＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(2,1)H＋γ，以下說法中正確的是()A．反應(yīng)后氘核的質(zhì)量確定小于反應(yīng)前質(zhì)子和中子的質(zhì)量之和B．反應(yīng)前后的質(zhì)量數(shù)不變，因而質(zhì)量不變C．γ光子的能量為Δmc2，Δm為反應(yīng)中的質(zhì)量虧損，c為光在真空中的速度D．因存在質(zhì)量虧損Δm，所以“物質(zhì)不滅”的說法不正確【答案】AC【解析】核反應(yīng)中質(zhì)量數(shù)與電荷數(shù)及能量均守恒，由于反應(yīng)中要釋放核能，會(huì)出現(xiàn)質(zhì)量虧損，反應(yīng)中氘核的質(zhì)量確定小于反應(yīng)前質(zhì)子和中子的質(zhì)量之和，所以質(zhì)量不守恒，但質(zhì)量數(shù)不變，A正確，B錯(cuò)誤；能量守恒，釋放的能量會(huì)以γ光子的形式向外釋放，依據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程可知，γ光子的能量為Δmc2，Δm為反應(yīng)中的質(zhì)量虧損，c為光在真空中的速度，C正確；盡管存在質(zhì)量虧損Δm，但核反應(yīng)中的“質(zhì)量虧損”并不是質(zhì)量消逝，所以“物質(zhì)不滅”的說法仍是正確的，D錯(cuò)誤．5．(多選)我國科技工作者分別在1964年、1967年勝利爆炸了我國第一顆原子彈和氫彈．下列核反應(yīng)方程中可表示兩彈的爆炸原理的是()A．eq\o\al(14,7)N＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(17,8)O＋eq\o\al(1,1)HB．eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(90,38)Sr＋eq\o\al(139,54)Xe＋7eq\o\al(1,0)nC．eq\o\al(238,92)U→eq\o\al(234,90)Th＋eq\o\al(4,2)HeD．eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)n【答案】BD【解析】原子彈是利用核裂變反應(yīng)，而氫彈是利用核聚變反應(yīng)，B項(xiàng)對(duì)應(yīng)原子彈的爆炸原理，D對(duì)應(yīng)氫彈的爆炸原理；A為人工核轉(zhuǎn)變，C為核衰變反應(yīng)，不符合要求，選B、D．6．(2024年永州適應(yīng)性考試)華能石島灣高溫氣冷堆核電站是我國自主研發(fā)的世界首座具有第四代核電特征的核電站．核反應(yīng)堆是核電站的心臟，它是通過可控鏈?zhǔn)胶肆炎兎矗瓚?yīng)來實(shí)現(xiàn)核能利用的．一個(gè)eq\o\al(235,92)U原子核在中子的轟擊下發(fā)生裂變反應(yīng)，其裂變方程為eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(y,x)Sr＋eq\o\al(139,54)Xe＋3eq\o\al(1,0)n，下列說法正確的是()A．核反應(yīng)方程中Sr的中子數(shù)為56B．核反應(yīng)方程中Sr的質(zhì)量數(shù)為92C．因?yàn)榱炎冡尫拍芰浚霈F(xiàn)質(zhì)量虧損，所以裂變后的總質(zhì)量數(shù)削減D．因?yàn)榱炎冡尫拍芰浚琗e原子核的比結(jié)合能應(yīng)比U原子核的小【答案】A【解析】依據(jù)質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒可得235＋1＝y(tǒng)＋139＋3，92＝x＋54，解得y＝94，x＝38，所以核反應(yīng)方程中Sr的中子數(shù)為z＝y(tǒng)－x＝56，A正確、B錯(cuò)誤；核裂變釋放能量，會(huì)出現(xiàn)質(zhì)量虧損，但是總質(zhì)量數(shù)不變，C錯(cuò)誤；比結(jié)合能越大，原子核越穩(wěn)定，eq\o\al(235,)92U原子核裂變得到Xe原子核，說明Xe原子核比eq\o\al(235,)92U原子核穩(wěn)定，即Xe原子核的比結(jié)合能應(yīng)比eq\o\al(235,)92U原子核的大，D錯(cuò)誤．7．(多選)核反應(yīng)堆是利用中子轟擊重核發(fā)生裂變反應(yīng)，釋放出大量核能．eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(141,56)Ba＋eq\o\al(92,36)Kr＋aX是反應(yīng)堆中發(fā)生的很多核反應(yīng)中的一種，X是某種粒子，a是X粒子的個(gè)數(shù)，用mU、mBa、mKr分別表示eq\o\al(235,92)U、eq\o\al(141,56)Ba、eq\o\al(92,36)Kr核的質(zhì)量，mX表示X粒子的質(zhì)量，c為真空中的光速，以下說法正確的是()A．X為中子，a＝2B．X為中子，a＝3C．上述核反應(yīng)中放出的核能ΔE＝(mU－mBa－mKr－2mX)c2D．上述核反應(yīng)中放出的核能ΔE＝(mU－mBa－mKr－3mX)c2【答案】BC【解析】核反應(yīng)中，質(zhì)量數(shù)守恒，電荷數(shù)守恒，則知eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(141,56)Ba＋eq\o\al(92,36)Kr＋aX中X為eq\o\al(1,0)n，a＝3，A錯(cuò)誤，B正確．由ΔE＝Δmc2可得ΔE＝(mU＋mX－mBa－mKr－3mX)c2＝(mU－mBa－mKr－2mX)c2，C正確，D錯(cuò)誤．8．(2024年?？跈z測(cè))eq\o\al(235,92)U的一種核反應(yīng)方程為eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(144,56)Ba＋eq\o\al(89,36)Kr＋3eq\o\al(1,0)n，生成的eq\o\al(144,56)Ba還會(huì)發(fā)生β衰變．下列說法正確的是()A．鈾發(fā)生的這種核反應(yīng)又叫熱核反應(yīng)，須要很高的溫度B．鈾發(fā)生的這種核反應(yīng)產(chǎn)生慢中子，對(duì)中子加速后可發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)C．eq\o\al(144,56)Ba發(fā)生β衰變時(shí)產(chǎn)生的β射線是鋇原子核外的電子躍遷形成的D．eq\o\al(144,56)Ba發(fā)生β衰變的速度不能通過調(diào)整壓強(qiáng)和溫度來限制【答案】D【解析】鈾發(fā)生的這種核反應(yīng)屬于核裂變反應(yīng)，不屬于核聚變反應(yīng)，不須要很高的溫度，A錯(cuò)誤；鈾發(fā)生的這種核反應(yīng)產(chǎn)生快中子，用慢化劑對(duì)其減速后可發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，B錯(cuò)誤；eq\o\al(144,56)Ba發(fā)生β衰變時(shí)產(chǎn)生的β射線是原子核內(nèi)中子轉(zhuǎn)化為質(zhì)子時(shí)產(chǎn)生的，C錯(cuò)誤；eq\o\al(144,56)Ba衰變的快慢是由核內(nèi)部自身的因素確定的，與外界因素?zé)o關(guān)，D正確．9．一個(gè)氘核和一個(gè)氚核經(jīng)過核反應(yīng)后生成氦核和中子，同時(shí)放出一個(gè)γ光子．已知氘核、氚核、中子、氦核的質(zhì)量分別為m1、m2、m3、m4，普朗克常量為h，真空中的光速為c.下列說法正確的是()A．這個(gè)核反應(yīng)是裂變反應(yīng)B．這個(gè)反應(yīng)的核反應(yīng)方程是eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋2eq\o\al(1,0)n＋γC．輻射出的γ光子的能量E＝(m3＋m4－m1－m2)c2D．輻射出的γ光子在真空中的波長λ＝eq\f(h,(m1＋m2－m3－m4)c)【答案】D【解析】該核反應(yīng)方程為eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)n＋γ，該反應(yīng)為聚變反應(yīng)，故A、B錯(cuò)誤；依據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程知，輻射的光子能量E＝Δmc2＝(m1＋m2－m3－m4)c2，C錯(cuò)誤；光子能量為E＝hν＝heq\f(c,λ)，則有λ＝eq\f(h,(m1＋m2－m3－m4)c)，D正確．10．(2024年朝陽段考)為了疼惜環(huán)境，削減碳排放，目前世界各國都在努力實(shí)現(xiàn)可控核聚變以替代核裂變，我國的核聚變探討已經(jīng)居于世界前列．關(guān)于核裂變和核聚變，下列說法正確的是()A．核裂變和核聚變前后，電荷量和質(zhì)量均守恒B．同質(zhì)量的原材料，核裂變比核聚變釋放出的能量更高C．核聚變過程生成的新核的比結(jié)合能小于反應(yīng)前原子核的比結(jié)合能D．核裂變和核聚變反應(yīng)后的平均核子質(zhì)量減小【答案】D【解析】核反應(yīng)遵循質(zhì)量數(shù)與電荷數(shù)守恒，即核裂變和核聚變前后，電荷量和質(zhì)量數(shù)均守恒，由于核裂變和核聚變釋放能量，依據(jù)質(zhì)能方程可知，核裂變和核聚變后存在質(zhì)量虧損，故A錯(cuò)誤；同質(zhì)量的原材料，核聚變比核裂變釋放出的能量更高，故B錯(cuò)誤；核聚變過程釋放出能量，即生成的新核比反應(yīng)前原子核更加穩(wěn)定，則生成的新核的比結(jié)合能大于反應(yīng)前原子核的比結(jié)合能，故C錯(cuò)誤；由于核裂變和核聚變釋放能量，核裂變和核聚變后存在質(zhì)量虧損，可知核裂變和核聚變反應(yīng)后的平均核子質(zhì)量減小，故D正確．B組·實(shí)力提升11．(1)核電站利用原子核鏈?zhǔn)椒磻?yīng)放出的巨大能量進(jìn)行發(fā)電，eq\o\al(235,92)U是核電站常用的核燃料．eq\o\al(235,92)U受一個(gè)中子轟擊后裂變成eq\o\al(144,56)Ba和eq\o\al(89,36)Kr兩部分，并產(chǎn)生______個(gè)中子．要使鏈?zhǔn)椒磻?yīng)發(fā)生，裂變物質(zhì)的體積要______(填“大于”或“小于”)它的臨界體積．(2)取質(zhì)子的質(zhì)量mp＝1.6726×10-27kg，中子的質(zhì)量mn＝1.6749×10-27kg，α粒子的質(zhì)量mα＝6.6467×10-27kg，光速c＝3.0×108m/s.則α粒子的結(jié)合能為____________．(結(jié)果保留兩位有效數(shù)字).【答案】(1)3大于(2)4.3×10-12J【解析】(1)由eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(144,56)Ba＋eq\o\al(89,36)Kr＋3eq\o\al(1,0)n可知，會(huì)產(chǎn)生3個(gè)中子，要使裂變持續(xù)進(jìn)行(鏈?zhǔn)椒磻?yīng))，物質(zhì)的體積須要大于它的臨界體積．(2)組成α粒子的核子與α粒子的質(zhì)量差為Δm＝2mp＋2mn－mα，結(jié)合能ΔE＝Δmc2，代入數(shù)據(jù)得ΔE＝4.3×10-12J．12．已知氘核質(zhì)量為2.0136u，中子質(zhì)量為1.0087u，eq\o\al(3,2)He核的質(zhì)量為3.0150u．兩個(gè)速率相等的氘核對(duì)心碰撞聚變成eq\o\al(3,2)He并放出一個(gè)中子，釋放的核能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能．(質(zhì)量虧損為1u時(shí)，釋放的能量為931.5MeV.除了計(jì)算質(zhì)量虧損外，eq\o\al(3,2)He的質(zhì)量可以認(rèn)為是中子的3倍)(1)寫出該核反應(yīng)的反應(yīng)方程式；(2)該核反應(yīng)釋放的核能是多少？(3)若測(cè)得反應(yīng)后生成中子的動(dòng)能是3.12MeV，則反應(yīng)前每個(gè)氘核的動(dòng)能是多少？解：(1)核反應(yīng)方程為eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(2,1)H→eq\o\al(3,2)He＋eq\o\al(1,0)n.(2)質(zhì)量虧損為Δm＝2.0136u×2－(3.0150u＋1.0087u)＝0.0035u，釋放的核能為ΔE＝0.0035×931.5MeV＝3.26MeV.(3)設(shè)中子和eq\o\al(3,2)He核的質(zhì)量分別為m1、m2，速度分別為v1、v2.反應(yīng)前每個(gè)氘核的動(dòng)能是E0，反應(yīng)后中子和eq\o\al(3,2)He核動(dòng)能分別為E1、E2，依據(jù)動(dòng)量守恒定律，得m1v1－m2v2＝0，eq\f(E1,E2)＝eq\f(p2,2m1)∶eq\f(p2,2m2)＝eq\f(m2,m1)＝3，E2＝eq\f(E1,3)＝1.04MeV.由能量的轉(zhuǎn)化和守恒定律，得E1＋E2＝2E0＋ΔE，E0＝0.45MeV.13．在全部能源中，核能具有能量密度大，地區(qū)適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，在核電站中，核反應(yīng)堆釋放的核能被轉(zhuǎn)化為電能．核反應(yīng)堆的工作原理是利用中子轟擊重核發(fā)生裂變反應(yīng)，釋放出大量核能．(1)核反應(yīng)方程式eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(141,56)Ba＋eq\o\al(92,36)Kr＋aX是反應(yīng)堆中發(fā)生的很多核反應(yīng)中的一種，eq\o\al(1,0)n為中子，X為待求粒子，a為X的個(gè)數(shù)，則X是什么？a為多少？以mU、mBa、mKr分別表示eq\o\al(235,92)U、eq\o\al(141,56)Ba、eq\o\al(92,36)Kr核的質(zhì)量，mn、mp分別表示中子、質(zhì)子的質(zhì)量，c為光在真空中傳播的速度，則在上述核反應(yīng)過程中放出的核能ΔE是多少？(2)有一座發(fā)電實(shí)力為P＝1.00×106kW的核電站，核能轉(zhuǎn)化為電能的效率η＝40%，假定反應(yīng)堆中發(fā)生的裂變反應(yīng)全是本題(1)中的核反應(yīng)，已知每次核反應(yīng)過程放出的核能ΔE＝2.78×10-11J，核的質(zhì)量mU＝390×10-27kg，求每年(1年≈3.15×107s)消耗的eq\o\al(235,92)U的質(zhì)量．解：(1)由反應(yīng)方程可知X為eq\o\al(1,0)n，a為3，釋放的能量為ΔE＝(mU－mBa－mKr－2mn)c2.(2)因電站發(fā)電效率為40%，故電站消耗eq\o\al(23