2023春新教材高中物理第5章原子與原子核第5節(jié)裂變和聚變課后提升訓練粵教版選擇性

第五章第五節(jié)A組·基礎達標1．科學家發(fā)現(xiàn)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、安全的核聚變燃料，其參與的一種核聚變反應的方程式為eq\o\al(3,2)He＋eq\o\al(3,2)He→2eq\o\al(1,1)H＋eq\o\al(4,2)He．關于eq\o\al(3,2)He聚變，下列表述正確的是()A．聚變反應不會釋放能量B．聚變反應產(chǎn)生了新的原子核C．聚變反應沒有質量虧損D．目前核電站都采用eq\o\al(3,2)He聚變反應發(fā)電【答案】B【解析】聚變反應時將質量較小的輕核聚變成質量較大的核，聚變過程會有質量虧損，要放出大量的能量．但目前核電站都采用鈾核的裂變反應，可控的輕核聚變尚在實驗階段．2．為了實現(xiàn)“碳中和”目標，我國將新建核電站項目．目前關于核電站獲取核能的基本核反應方程可能是()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】重核的裂變是指質量數(shù)較大的原子核分裂成兩個中等質量的原子核，A是裂變反應，A正確；B為β衰變，C是發(fā)現(xiàn)質子的反應，D是α衰變．3．(多選)日本福島第一核電站在地震后，數(shù)秒內就將控制棒插入核反應堆芯，終止了鈾的裂變鏈式反應．但海嘯摧毀了機組的冷卻系統(tǒng)，因裂變遺留的產(chǎn)物銫、鋇等繼續(xù)衰變不斷釋放能量，核燃料棒溫度不斷上升，對周邊環(huán)境產(chǎn)生了巨大的危害．則下列說法正確的是()A．控制棒通過吸收中子來實現(xiàn)對核反應的控制B．日本后來向反應堆灌注海水，可以降溫，但大量被污染的海水外泄，對周邊環(huán)境產(chǎn)生了巨大的危害C．核裂變遺留物銫、鋇等原子的質量可能比鈾原子質量大D．核泄漏中放射性物質對人類是有害的【答案】ABD【解析】控制棒通過吸收中子來實現(xiàn)對核反應速度的控制，A符合題意；日本后來向反應堆灌注海水，大量被污染的海水外泄，泄漏的放射性物質對周邊環(huán)境產(chǎn)生了巨大的危害，B、D符合題意；因為核反應有能量釋放，可知銫、鋇等原子的質量比鈾原子質量小，故C不符合題意．4．(多選)一個質子和一個中子結合成氘核，同時放出光子，核反應方程是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．反應后氘核的質量一定小于反應前質子和中子的質量之和B．反應前后的質量數(shù)不變，因而質量不變C．γ光子的能量為Δmc2，Δm為反應中的質量虧損，c為光在真空中的速度D．因存在質量虧損Δm，所以“物質不滅”的說法不正確【答案】AC【解析】核反應中質量數(shù)與電荷數(shù)及能量均守恒，由于反應中要釋放核能，會出現(xiàn)質量虧損，反應中氘核的質量一定小于反應前質子和中子的質量之和，所以質量不守恒，但質量數(shù)不變，A正確，B錯誤；能量守恒，釋放的能量會以γ光子的形式向外釋放，根據(jù)愛因斯坦質能方程可知，γ光子的能量為Δmc2，Δm為反應中的質量虧損，c為光在真空中的速度，C正確；盡管存在質量虧損Δm，但核反應中的“質量虧損”并不是質量消失，所以“物質不滅”的說法仍是正確的，D錯誤．5．(多選)我國科技工作者分別在1964年、1967年成功爆炸了我國第一顆原子彈和氫彈．下列核反應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，而氫彈是利用核聚變反應，B項對應原子彈的爆炸原理，D對應氫彈的爆炸原理；A為人工核轉變，C為核衰變反應，不符合要求，選B、D．6．(多選)據(jù)新華社報道，由我國自行設計、研制的世界第一套全超導核聚變實驗裝置(又稱“人造太陽”)已完成了首次工程調試．下列關于“人造太陽”的說法正確的是()A．“人造太陽”的核反應方程是eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)nB．“人造太陽”的核反應方程是eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(141,56)Ba＋eq\o\al(92,36)Kr＋3eq\o\al(1,0)nC．“人造太陽”釋放的能量大小的計算式是ΔE＝Δmc2D．“人造太陽”核能大小的計算公式是E＝eq\f(1,2)mc2【答案】AC【解析】釋放的能量大小用愛因斯坦質能方程ΔE＝Δmc2計算．7．(多選)核反應堆是利用中子轟擊重核發(fā)生裂變反應，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是反應堆中發(fā)生的許多核反應中的一種，X是某種粒子，a是X粒子的個數(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核的質量，mX表示X粒子的質量，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．上述核反應中放出的核能ΔE＝(mU－mBa－mKr－2mX)c2D．上述核反應中放出的核能ΔE＝(mU－mBa－mKr－3mX)c2【答案】BC【解析】核反應中，質量數(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，則A錯誤，B正確．由ΔE＝Δmc2可得ΔE＝(mU＋mX－mBa－mKr－3mX)c2＝(mU－mBa－mKr－2mX)c2，則C正確，D錯誤．8．(多選)我國最新一代核聚變裝置“EAST”在安徽合肥首次放電，顯示了EAST裝置具有良好的整體性能，使等離子體約束時間達1000s，溫度超過1億攝氏度，這標志著我國磁約束核聚變研究進入國際先進水平．合肥也成為世界上第一個建成此類全超導非圓截面核聚變實驗裝置并能實際運行的地方．核聚變的主要原料是氘，在海水中含量極其豐富．已知氘核的質量為m1，中子的質量為m2，eq\o\al(3,2)He的質量為m3，質子的質量為m4，則下列說法中正確的是()A．兩個氘核聚變成一個eq\o\al(3,2)He所產(chǎn)生的另一個粒子是質子B．兩個氘核聚變成一個eq\o\al(3,2)He所產(chǎn)生的另一個粒子是中子C．兩個氘核聚變成一個eq\o\al(3,2)He所釋放的核能為(2m1－m3－m4)c2D．兩個氘核聚變成一個eq\o\al(3,2)He所釋放的核能為(2m1－m3－m2)c2【答案】BD【解析】由核反應方程2eq\o\al(2,1)H→eq\o\al(3,2)He＋eq\o\al(1,0)X知X應為中子，釋放的核能應為ΔE＝(2m1－m3－m2)c2，聚變反應的污染非常小，而現(xiàn)行的裂變反應的廢料具有很強的放射性，故A、C錯誤，B、D正確．9．一個氘核和一個氚核經(jīng)過核反應后生成氦核和中子，同時放出一個γ光子．已知氘核、氚核、中子、氦核的質量分別為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．這個核反應是裂變反應B．這個反應的核反應方程是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，該反應為聚變反應，故A、B錯誤；根據(jù)愛因斯坦質能方程知，輻射的光子能量E＝Δmc2＝(m1＋m2－m3－m4)c2，C錯誤；光子能量為E＝hv＝heq\f(c,λ)，則有λ＝eq\f(h,(m1＋m2－m3－m4)c)，D正確．故選D．10．某科學家提出年輕熱星體中核聚變的一種理論，其中的兩個核反應方程為eq\o\al(1,1)H＋eq\o\al(12,6)C→eq\o\al(13,7)N＋Q1①，eq\o\al(1,1)H＋eq\o\al(15,7)N→eq\o\al(12,6)C＋X＋Q2②，方程中Q1、Q2表示釋放的能量，相關的原子核質量如表：原子核eq\o\al(1,1)Heq\o\al(3,1)Heq\o\al(4,2)Heeq\o\al(12,6)Ceq\o\al(13,7)Neq\o\al(15,7)N質量/u1.00783.01664.002612.000013.005715.0001則可以推斷X是__________，方程中Q1和Q2的大小關系是Q1__________Q2．【答案】eq\o\al(4,2)He<【解析】由質量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒，可判斷X為eq\o\al(4,2)He，①式的質量虧損為Δm1＝1.0078u＋12.0000u－13.0057u＝0.0021u．②式的質量虧損為Δm2＝1.0078u＋15.0001u－12.0000u－4.0026u＝0.0053u，所以Δm2>Δm1根據(jù)質能方程ΔE＝Δmc2可求解Q2>Q1．B組·能力提升11．(1)核電站利用原子核鏈式反應放出的巨大能量進行發(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________個中子．要使鏈式反應發(fā)生，裂變物質的體積要________(填“大于”或“小于”)它的臨界體積．(2)取質子的質量mp＝1.6726×10－27kg，中子的質量mn＝1.6749×10－27kg，α粒子的質量mα＝6.6467×10－27kg，光速c＝3.0×108m/s．則α粒子的結合能為______________．(結果保留兩位有效數(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，會產(chǎn)生3個中子，要使裂變持續(xù)進行(鏈式反應)，物質的體積需要大于它的臨界體積．(2)組成α粒子的核子與α粒子的質量差為Δm＝2mp＋2mn－mα，結合能ΔE＝Δmc2，代入數(shù)據(jù)得ΔE＝4.3×10－12J．12．已知氘核質量為2.0136u，中子質量為1.0087u，eq\o\al(3,2)He核的質量為3.0150u．兩個速率相等的氘核對心碰撞聚變成eq\o\al(3,2)He并放出一個中子，釋放的核能全部轉化為機械能．(質量虧損為1u時，釋放的能量為931.5MeV．除了計算質量虧損外，eq\o\al(3,2)He的質量可以認為是中子的3倍)(1)寫出該核反應的反應方程式；(2)該核反應釋放的核能是多少？(3)若測得反應后生成中子的動能是3.12MeV，則反應前每個氘核的動能是多少？解：(1)核反應方程為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)設中子和eq\o\al(3,2)He核的質量分別為m1、m2，速度分別為v1、v2．反應前每個氘核的動能是E0，反應后中子和eq\o\al(3,2)He核動能分別為E1、E2，根據(jù)動量守恒定律，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．由能量的轉化和守恒定律，得E1＋E2＝2E0＋ΔE，E0＝0.45MeV．13．在所有能源中，核能具有能量密度大，地區(qū)適應性強的優(yōu)勢，在核電站中，核反應堆釋放的核能被轉化為電能．核反應堆的工作原理是利用中子轟擊重核發(fā)生裂變反應，釋放出大量核能．(1)核反應方程式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是反應堆中發(fā)生的許多核反應中的一種，eq\o\al(1,0)n為中子，X為待求粒子，a為X的個數(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核的質量，mn、mp分別表示中子、質子的質量，c為光在真空中傳播的速度，則在上述核反應過程中放出的核能ΔE是多少？(2)有一座發(fā)電能力為P＝1.00×106kW的核電站，核能轉化為電能的效率η＝40%，假定反應堆中發(fā)生的裂變反應全是本題(1)中的核反應，已知每次核反應過程放出的核能ΔE＝2.78×10－11J，核的質量mU＝390×10－27kg，求每年(1年≈3.15×107s)消耗的eq\o\al(235,92)U的質量．解：(1)由反應方程可知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e