5.4核裂变与核聚变 同步练习 -2024-2025学年高二下学期物理人教版（2019）选择性必修第三册

第五章第四节 核裂变与核聚变 【教材课后习题】 1.什么是核裂变？什么是链式反应？ 2.在核反应堆中，用什么方法控制核裂变的速度？ 3.什么是核聚变？核聚变过程中的能量转化有什么特点？ 4.请分析：在地球上实现受控热核反应的必要性、可能性和困难是什么？ 5.在一个反应堆中用石墨做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，经过一次碰撞，中子失去的动能是多少？ （2）至少经过多少次碰撞，中子的动能才能小于？ 6.秦山核电站第一期工程装机容量为。如果1 g铀235完全核裂变时产生的能量为，并且假定所产生的能量都变成了电能，那么每年要消耗多少铀235？ 7.太阳的总输出功率为，它来自三种核反应，这些反应的最终结果是氢转变为氦。按照总输出功率计算，太阳每秒失去多少质量？ 【定点变式训练】 8.2024年2月，中科院近代物理研究所在全球首次合成新核素：锇和钨。核反应方程为，锇衰变方程为。下列说法正确的是( ) A.X是质子 B.Y是α粒子 C.的比结合能大于 D.衰变过程无质量亏损 9.有“人造太阳”之称的全超导托卡马克核聚变实验装置取得新突破，成功实现可重复的1.2亿摄氏度101s和1.6亿摄氏度20s等离子体运行。其内部发生的一种核聚变反应方程式为，已知的质量为2.0136u，的质量为4.0026u，的质量为1.0087u，lu相当于931MeV，则X的核子平均质量为( ) A.3.0166u B.1.5083u C.1.00554u D.1.0087u 10.科学家发现太阳的核聚变反应区只是中心很小的一部分，由于太阳强大的引力和磁场的束缚，使太阳内部的能量可以向外持续稳定地释放，而不会像氢弹那样瞬间爆炸，这就是可控核聚变技术的由来。太阳内部核聚变反应的一种可能形式为，设、X和的质量分别为和，光速为c，则下列说法正确的是( ) A.X是 B.该核反应释放的核能为 C.核反应中比结合能较小的原子核变成了比结合能较大的原子核 D.核反应中核子平均质量较小的原子核变成了核子平均质量较大的原子核 11.核电作为清洁低碳、安全高效、稳定且可大规模发展的绿色低碳能源，在推动绿色发展和助力“双碳”目标实现方面发挥着重要的作用。据统计，一座百万千瓦电功率的核电厂和燃煤电厂相比，每年可以减少二氧化碳排放600多万吨，可见核能是减排效应较大的能源之一。下列关于核反应的说法正确的是( ) A.重核裂变过程中能释放能量而轻核聚变过程中只吸收能量 B.核反应堆中发生的核裂变方程为 C.核裂变产生的一个原子核中有56个质子，88个中子 D.的半衰期为7亿年，10个原子核经过7亿年还有5个没发生衰变 12.下列四幅图涉及不同的物理知识，相关说法正确的是( ) A.图甲：卢瑟福通过分析α粒子散射实验结果发现了质子 B.图乙：天然放射现象的发现说明原子核内部有复杂结构，其中1为α射线 C.图丙：铀材料达到临界体积，才可以持续链式反应下去 D.图丁：镉棒插入深一些可加快链式反应的速度 答案以及解析 1.答案：见解析 解析：重原子核受到中子的轰击分裂成两个或两个以上中等质量原子核的现象，称为核裂变。由重核裂变产生的中子使裂变反应一代接代继续下去的过程，叫作核裂变的链式反应。 2.答案：见解析 解析：通过调节中子的数目来控制反应速度。用镉制成控制棒，用来吸收减速后的中子，控制反应速度。当反应太快时，控制棒能自动插入一些，多吸收一些中子；当反应速度不够时，控制棒能自动抽出些，少吸收一些中子。 3.答案：见解析 解析：两个轻核结合成质量较大的核，这样的核反应叫作核聚变。从比结合能图像看，聚变后比结合能增加，因此反应中要释放能量。 4.答案：见解析 解析：必要性：由于地球上化石燃料和裂变材料的储量有限，开发聚变能非常重要，并且是一项十分紧迫的任务。各国科学家都在加紧研究，以期尽快在地球上制造出人类自己的“太阳”缓解甚至消除能源危机的困扰。 可能性：地球上聚变燃料的储量丰富。每升水中含有0.03 g氘，地球上河流、湖泊、海洋等有138.6亿亿立方米的水，大约有40多万亿吨氘。反应中所用的氘也可以用锂来提取，锂储量丰富。 困难：地球上没有任何容器能够经受住热核反应所需要的高温。 5.答案：（1） （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，碳核的质量为M，则有。 设中子碰前的速度为，碰后的速度为，碳核碰后的速度为，由动量守恒定律得，。 由能守恒定得。 由以上三式解得，负号表示速度反向。 则经过一次碰撞，中子损失的动能为。 （2）中子第2次碰撞后的速度为， 中子第3次碰撞后的速度为， … 中子第k次碰撞后的速度为。 则中子经k次碰撞后的动能为， 中子的动能小于时，有， 解得。 所以中子至少经过42次碰撞，中子的动能才能小于。 6.答案：115.38 kg 解析：每年发电， 每年耗铀量。 7.答案： 解析：太阳每秒释放的能量， 由得太阳每秒失去的质量。 8.答案：B 解析：A.设X的质量数m、电荷数为n，根据电荷数和质量数守恒，结合核反应方程 可得 ， 解得 ， 故X是中子，故A错误； B.设Y的质量数、电荷数为，根据电荷数和质量数守恒，结合衰变方程 可得 ， 解得 ， 故Y是α粒子，故B正确； CD.放射性衰变的过程中存在质量亏损，释放能量，比结合能增大，故的比结合能小于，故CD错误。 故选B。 9.答案：C 解析：由核反应质量数守恒和核电荷数守恒可知X为，设的核子平均质量为m，由爱因斯坦质能方程得：，解得：，故ABD错误，C正确。 10.答案：C 解析：A.根据质量数和电荷数守恒得，X应为，故A项错误； B.根据质能亏损方程得，该核反应释放的核能为，故B项错误； CD.该核反应中生成的新核核子平均质量变小，新核的比结合能变大，故C项正确，D项错误。 故选C。 11.答案：C 解析：A.核聚变时释放能量，质量亏损，故A错误； B.核反应堆中发生的核裂变方程为 故B错误； C.核裂变产生的一个原子核中有56个质子，个中子，故C正确； D.半衰期是对大量粒子的统计规律，10个原子核不符合半衰期规律，故D错误。 12.答案：BC 解析：A.图甲：卢瑟福通过分析α粒子散射实验得出了原子的核式结构理论，选项A错误； B.图乙：天然放射现象的发现说明原子核内部有复杂结构，由左手定则可知，粒子1带正电，为α射线，选项B正确； C.图丙：铀材料达到临界体积，才可以持续链式反应下去，选项C正确； D.图丁：核反应堆是用镉棒控制核反应速度的，镉棒插入的越深，吸收的中子越多，核反应越慢，故D错误。 故选BC。 学科网（北京）股份有限公司 $$