第5章 4. 核裂变与核聚变&5. “基本”粒子-【新课程能力培养】2024-2025学年高中物理选择性必修第三册同步练习（人教版2019）

第五章 原 子 核 练 知识点 1 重核裂变 1. 一个铀 235 吸收一个中子后发生的反应式 是 235 92 U+ 1 0 n→ 136 54 Xe+ 90 38 Sr+10 1 0 n ， 放出的能量 为 E ， 铀 235 核的质量为 M ， 中子的质量 为 m ， 氙 136 核的质量为 m 1 ， 锶 90 核的 质量为 m 2 ， 真空中光速为 c ， 则释放的能 量 E 等于 （ ） A. （ M-m 1 -m 2 ） c 2 B. （ M+m-m 1 -m 2 ） c 2 C. （ M-m 1 -m 2 -9m ） c 2 D. （ m 1 +m 2 +9m-M ） c 2 2. （多选） 铀核裂变是核电站核能的重要来 源， 其一种裂变反应式是 235 92 U+ 1 0 n→ 144 56 Ba+ 89 36 Kr+3 1 0 n 。 下列说法正确的有 （ ） A. 上述裂变反应中伴随着中子放出 B. 铀块体积对链式反应的发生无影响 C. 铀核的链式反应可人工控制 D. 铀核的半衰期会受到环境温度的影响 3. （多选） 关于裂变反应， 下列说法正确的 是 （ ） A. 用中子轰击铀核发生裂变， 其一定分 裂为质量差不多的两部分 B. 铀核裂变为中等质量的原子核时一定 释放能量 C. 铀核发生裂变时可能分裂成两部分、 三部分或四部分 D. 所有重核元素用中子轰击均能发生裂 变反应 知识点 2 轻核聚变 4. 下列关于原子核聚变的说法不正确的是 （ ） A. 任何两个原子核都可以发生聚变 B. 原子核必须在超高温下才能发生聚变 C. 大量的氢原子核聚变时释放出惊人的 能量 D. 目前人类还不能有效控制原子核聚变 5. （多选） 在某些恒星内， 3 个 α 粒子结合 成 一 个 12 6 C 核 ， 已 知 12 6 C 原 子 质 量 是 12.0000 u ， 4 2 He 原子质量是 4.0026 u 。 已 知 1 u=1.66×10 -27 kg ， 则 （ ） A. 反应过程中的质量亏损是 Δm=0.0078 u B. 反应过程中的质量亏损是 Δm=1.29× 10 -29 kg C. 反应过程中释放的能量是 7.26 MeV D. 反应过程中释放的能量是 1.16×10 -19 J 知识点 3 基本粒子 6. （多选） 下列说法正确的有 （ ） A. 原子是组成物质的不可再分的最小微粒 B. 原子是最大的微粒 C. 原子由原子核和核外电子构成， 质子 和中子组成了原子核 D. 质子、 中子本身也是复合粒子， 它们 自身也有着复杂的结构 基 础 练 习 4.核裂变与核聚变 5.“基本” 粒子 85 练 第三册 （人教版）高中物理选择性必修 8. 原子核反应有广泛的应用， 如用于核电站 等。 在下列核反应中， 属于核裂变反应的 是 （ ） A. 10 5 B+ 1 0 n→ 7 3 Li+ 4 2 He B. 238 92 U→ 234 90 Th+ 4 2 He C. 14 7 N+ 4 2 He→ 17 8 O+ 1 1 H D. 235 92 U+ 1 0 n→ 141 56 Ba+ 92 36 Kr+3 1 0 n 9. 铀是常用的一种核燃料， 若它的原子核发 生了如下的裂变反应： 235 92 U+ 1 0 n→a+b+2 1 0 n ， 则 a+b 可能是 （ ） A. 140 54 Xe+ 93 36 Kr B. 141 56 Ba+ 92 36 Kr C. 141 56 Ba+ 93 38 Sr D. 140 54 Xe+ 94 38 Sr 10. 根据宇宙大爆炸的理论， 在宇宙形成之 初是 “粒子家族” 尽显风采的时期， 那么 在大爆炸之后最早产生的粒子是 （ ） A. 夸克、 轻子、 胶子等粒子 B. 质子和中子等强子 C. 光子、 中微子和电子等轻子 D. 氦核、 氚核、 氦 3 等轻核 11. 两个氘核聚变产生一个中子和一个氦 核 （氦的同位素）。 已知氘核质量 m D = 2.0136 u ， 氦核质量 m He =3.0150 u ， 中子 质量 m n =1.0087 u 。 （ 1 ） 写出聚变方程并计算出释放的核能。 （ 2 ） 若反应前两氘核的动能均为 E kD = 0.35 MeV 。 它们相互对心碰撞发生 聚变， 且反应后释放的核能全部转 变为动能， 则反应产生的氦核和中 子的动能各为多大？ * 12. 在一个反应堆里用石墨作慢化剂使快中 子减速。 碳核的质量是中子的 12 倍， 假 设中子与碳核的每次碰撞都是弹性正碰， 而且认为碰撞前碳核都是静止的。 （ 1 ） 设碰撞前中子的动能是 E 0 ， 经过一 次碰撞， 中子失去的动能是多少？ （ 2 ） 至少多少次碰撞， 中子的动能才能 小于 E 0 ×10 -6 ？ 提 升 练 习 7. 关于粒子， 下列说法正确的是 （ ） A. 光子、 电子、 质子和中子是组成物质 的不可再分的最基本粒子 B. 质量比核子大的粒子都参与强相互作用 C. 强子、 轻子、 媒介子都由更基本的粒子 夸克组成 D. 许多粒子都存在反粒子 86 参考答案与解析 变后钍核的动量大小等于 α 粒子的动量大小， B 正确； 而动能 E k ＝ p 2 2m ， 由于钍核的质量 （ m 1 ） 大于 α 粒子的质 量 （ m 2 ）， 故其动能不等， A 错误； 铀核的半衰期是大 量的铀核半数发生衰变所用的时间， 而不是放出一个 α 粒子所经历的时间， C 错误； 原子核衰变前后质量数守 恒， 衰变时放出核能， 质量亏损， D 错误。 10. （ 1 ） 232 92 U→ 228 90 Th＋ 4 2 He （ 2 ） 5.49MeV （ 3 ） 0.09MeV 【解析】 （ 1 ） 核衰变反应方程为 232 92 U→ 228 90 Th＋ 4 2 He 。 （ 2 ） ΔE＝Δmc 2 ＝ （ 232.0372 u-228.0287 u-4.0026 u ） × 931 MeV/u＝5.49 MeV 。 （ 3 ） 核反应过程中系统动量守恒， 钍核和 α 粒子的 动量大小相等、 方向相反， 即 p Th + （ -p α ） =0 即 p Th =p α 又 E kTh = p 2 Th 2m Th E kα = p 2 α 2m 0 由题意知， E kTh +E kα =ΔE 所以 钍 核 获 得 的 动 能 E kTh = m α m α +m Th ΔE = 4 4+228 × 5.49 MeV=0.09 MeV 。 4.核裂变与核聚变 5.“基本” 粒子 基础练习 1. C 【解析】 铀 235 裂变时的质量亏损： Δm＝M＋m- m 1 -m 2 -10m＝M-m 1 -m 2 -9m ， 由质能方程可得 E＝Δmc 2 ＝ （ M-m 1 -m 2 -9m ） c 2 ， 故 C 正确。 2. AC 【解析】 1 0 n 表示中子， 反应式中有 1 0 n 放出， A 正确； 当铀块体积小于临界体积时， 链式反应不会 发生， B 错误； 铀核的核反应中释放出的快中子被减 速剂减速后变为慢中子， 而慢中子会被铀核吸收发生 链式反应， 故铀核的链式反应可由人工控制， C 正确； 铀核的半衰期只由自身决定， 而与其他外部因素无关， D 错误。 3. BC 【解析】 用中子轰击 235 92 U （或 239 94 Pu ） 等少数几 种重核元素时能发生裂变反应， 发生裂变的原子核可能 分裂为两部分、 三部分或四部分， 但产生两部分的概率 很大， 在裂变过程中有质量亏损， 释放能量， 由此知 B 、 C 正确。 4. A 【解析】 聚变是指两个轻核结合成质量较大的 核， 并释放能量， 不是任意的原子核都能发生核聚变， A 错误。 5. ABC 【解析 】 由题目可得此核反应的方程为 3 4 2 He→ 12 6 C＋ΔE ， 则反应后的质量亏损为 Δm＝ （ 3×4.0026- 12.0000 ） u＝0.0078×1.66×10 -27 kg＝1.29×10 -29 kg ， 由质能 方程 ΔE＝Δm · c 2 ＝1.29×10 -29 × （ 3.0×10 8 ） 2 J＝1.161×10 -12 J＝ 7.26 MeV 。 故 A 、 B 、 C 项正确。 6. CD 【解析】 汤姆孙发现电子后， 揭示了原子有 复杂结构， A 错误； 卢瑟福由 α 粒子散射实验提出了原 子核式结构， 并提出原子核由中子和质子组成 ， C 正 确； 现代物理学发现强子仍有结构， D 正确。 7. D 【解析】 质子、 中子本身有复杂结构， A 错误； τ 子的质量比核子的质量大， 但它属于轻子， 不参与强 相互作用， B 错误； 现代实验还没有发现轻子的内部结 构， C 错误。 提升练习 8. D 【解析】 A 、 C 选项是某种高能粒子轰击原子 核， 使其发生变化， 属人工转变； B 选项是放射性元素 放出 α 粒子后变成了新核， 属衰变； D 选项是重核在中 子轰击下， 变为 n 个中等质量的原子核， 属重核裂变， 故 D 正确。 9. D 【解析】 根据核反应中的质量数守恒可知， a＋b 的质量数应为 235＋1-2＝234 ， 但质子数应为 92 ， A 选项 中的质量数为 140＋93＝233 ， B 选项中质量数是 141＋92＝ 233 ， C 选项中质量数为 141＋93＝234 ， 质子数为 56＋38＝ 94 ， D 选项中质量数为 140＋94＝234 ， 质子数为 54＋38＝ 92 ， 综上可知， D 正确。 10. A 【解析】 最早产生的是比强子更基本的粒子， 即夸克、 轻子、 胶子等粒子， 故 A 正确。 11. （ 1 ） 2 2 1 H→ 3 2 He＋ 1 0 n ， 3.26 MeV （ 2 ） 0.99 MeV ， 2.97 MeV 【解析】 （ 1 ） 聚变的核反应方程为 2 2 1 H→ 3 2 He＋ 1 0 n 。 这个核反应中的质量亏损 Δm＝2m D - （ m He ＋m n ） ＝ （ 2×2.0136- 3.0150-1.0087 ） u＝0.0035 u 。 释放的核能 ΔE＝0.0035× 931.5 MeV＝3.26 MeV 。 （ 2 ） 把两个氘核作为一个系统， 对撞过程中动量守 恒， 由于反应前两氘核动能相同， 其动量等值反向， 因 此反应前后系统的总动量守恒且为 0 ， 即 0＝m He v He ＋m n v n 。 又由于反应前后总能量守恒， 故反应后氦核和中子的总 37 第三册 （人教版）高中物理选择性必修 动能为 1 2 m He v ２ He ＋ 1 2 m n v 2 n ＝ΔE＋2E kD 。 因为 m He m n ＝ 3 1 ， 所以 氦核和中子的速率之比为 v He v n ＝ 1 3 ， 把这两个关系式代入 得 ΔE＋2E kD ＝4 · 1 2 m He v 2 He ＝4E kHe ， 即 （ 3.26＋2×0.35 ） MeV＝ 4E kHe ， 得氦核的动能和中子的动能分别为 E kHe ＝ 1 4 （ 3.26＋ 2×0.35 ） MeV＝0.99 MeV ， E kn ＝3E kHe ＝2.97 MeV 。 * 12. （ 1 ） 0.284E 0 （ 2 ） 42 次 【解析】 因为中子与 碳核每次都是弹性正碰， 所以碰撞过程中动量守恒、 能 量守恒， 中子失去的动能即为碳核增加的动能。 （ 1 ） 设中子的质量为 m 、 碳核的质量 M ， 则有 M＝ 12m 。 设中子碰前的速度为 v ， 碰后的速度为 v n1 ， 碳核碰 后的速度为 v C ， 由动量守恒定律得 mv 0 ＝mv n1 ＋Mv C ， 由能 量守恒定律得 1 2 mv 2 0 ＝ 1 2 mv 2 n1 ＋ 1 2 Mv 2 C ， 由以上三式解得 v C ＝ 2 13 v 0 ， v n1 ＝- 11 13 v 0 ， 负号表示速度反向， 则经过一次碰 撞 ， 中子损失的动能为 ΔE＝ 1 2 mv 2 C ＝ 1 2 ×12m 2 13 v 0 0 " 2 ＝ 48 169 E 0 ＝0.284E 0 。 （ 2 ） 同理， 中子第 2 次碰撞后的速度为 v n2 ＝- 11 13 v n1 ＝ - 11 13 0 " 2 v 0 ， 中子第 3 次碰撞后的速度为 v n3 ＝- 11 13 0 " v n2 ＝ - 11 13 0 " 3 v 0 ……中子第 k 次碰撞后的速度为 v nk ＝ - 11 13 0 " k v 0 ， 则中子经 k 次碰撞的动能为 E＝ 1 2 mv 2 nk ＝ 1 2 m - 11 13 0 " k v 0 0 $ 2 ＝ 11 13 0 " 2k mv 2 0 ＝ 11 13 0 " 2k E 0 。 所以中子的动能小于 E 0 ×10 -6 时 ， 有 11 13 0 " 2k <10 -6 ， 解得 k>41.35 ， 所以中子至少经过 42 次 碰撞， 中子的动能才小于 E 0 ×10 -6 。 情境题专项 1. A 【解析】 在 α 衰变的过程中， 电荷数少 2 ， 质 量数少 4 ， 在 β 衰变的过程中， 电荷数多 1 ， 质量数不 变， 根据该规律求出 α 衰变和 β 衰变的次数； 根据各自 核反应的特征判断核反应的类型； 设经过 m 次 α 衰变， n 次 β 衰变 ， 根据电荷数和质量数守恒可知 ， 2m-n＝ 4 ， 4m＝12 ， 解得 m＝3 ， n＝2 ， A 正确； 2 1 H＋ 3 1 H→ 4 2 He＋ 1 0 n 是 核聚变方程 ， 222 86 Rn→ 234 91 Pa＋ 0 -1 e 是 β 衰变方程 ， 222 92 Th＋ 1 0 n→ 144 56 Pa＋ 89 36 Kr＋3 1 0 n 是裂变反应方程， 不是氢弹的核反应 方程， B ， C 错误； 高速运动的 α 粒子轰击氮核可从氮 核中打出质子， 其核反应方程为 4 2 He＋ 14 7 H→ 17 8 O＋ 1 0 n ， D 错误。 2. B 【解析】 核反应的基本规律是质量数和电荷数 守恒， 所以 6×2＝4k＋d＋2 ， 6×1＝2k＋d ， 解得 k＝2 ， d＝2 ， B 正确。 3. CD 【解析】 经过 2 个半衰期后矿石中剩余的铀 还有 m 4 ， A 、 B 错误； 经过 3 个半衰期后矿石中剩余的 铀还有 m 8 ， C 正确； 因为衰变产物大部分仍然留在该矿 石中， 所以矿石质量没有太大的改变， D 正确。 4. （ 1 ） 6 3 Li 4 2 He （ 2 ） 2.0×10 23 （ 3 ） 3.1×10 -29 【解析】 （ 1 ） 核反应方程为 6 3 Li+ 1 0 n→ 4 2 He+ 3 1 H 。 （ 2 ） 因为 1 g 氚为 1 3 mol ， 根据核反应方程， 实现 核转变的 6 3 Li 也为 1 3 mol ， 所以有 2.0×10 23 个 6 3 Li 实现了 核转变。 （ 3 ） 根据爱因斯坦质能方程 ΔE=Δmc 2 ， 核聚变反 应中有 5 个核子参加了反应， 所以质量亏损为 Δm=3.1× 10 -29 kg 。 章末测试 1. A 【解析】 由公式 N=N 0 1 2 0 " t T 可知， 6 h 为 3 个 半衰期， 所以半衰期为 2 h 。 2. C 【解析】 分解后中子、 质子的动能之和等于入 射光能与和反应中释放的核能之和， 且质子与中子动能 相等， 所以 C 正确。 3. D 【解析】 235 92 U 核必须是在受到中子的轰击时才 能发生裂变， 故 A 错误； 核子只与相邻的核子之间才有 核力作用， B 错误； 半衰期是表明原子核本身特性的物 理量， 与其他因素无关， C 错误； 由 α 粒子散射实验分 析知， 原子内部绝大部分是空的， D 正确。 4. D 【解析】 E＝mc 2 反映了物体的质量与其能量的 对应关系， 表明物体具有的能量与其质量成正比， A 正 38