课时梯级训练(25) 核裂变 核聚变 粒子物理学发展概况（Word练习）-【优化指导】2024-2025学年高中物理选择性必修第三册（教科版2019）

课时梯级训练(25)　核裂变　核聚变　粒子物理学发展概况 1．对于以下四个方程的认识，下列说法正确的是(　　) A．H＋H―→He＋n是α衰变 B．Th―→ Pa＋e是β衰变 C．U―→Th＋He是核裂变 D．7N＋n―→6C＋H是核聚变 B　解析：H＋H―→He＋n是轻核聚变，A错误；Th―→Pa＋e是β衰变，B正确；U―→Th＋He是α衰变，C错误；7N＋n―→6C＋H是原子核的人工转变，D错误。 2．现在科学家正在设法寻找“反物质”。所谓“反物质”是由“反粒子”组成的，则反α粒子的符号是(　　) A．He B．He C．He D．He C　解析：反粒子是质量相同，而电荷量大小相等、电性相反的粒子，α粒子的符号为He，因而反α粒子的质量数为4，电荷数为－2，符号为He，ABD错误，C正确。 3．在核裂变和核聚变反应中，下列说法正确的是(　　) A．核裂变和核聚变过程中，质量不发生变化 B．控制铀－235核裂变反应速度的方法是控制中子的数量 C．太阳辐射能量的主要来源是太阳中发生的重核裂变和轻核聚变 D．U在中子轰击下生成Sr和Xe的过程中，会吸收核能 B　解析：核裂变和核聚变过程中，释放能量，由ΔE＝Δmc2知，质量会减小，A错误；控制铀－235核裂变反应速度的方法是控制中子的数量，B正确；太阳辐射能量的主要来源是太阳中发生的轻核聚变，C错误；U在中子轰击下生成Sr和Xe的过程中，存在质量亏损，会释放核能，D错误。 4．太阳内部有多种热核反应，其中一个反应方程是H＋H―→He＋X，以下说法正确的是(　　) A．X是质子 B．该核反应属于α衰变 C．该核反应属于核聚变 D．该反应是现在核电站中的主要核反应 C　解析：根据质量数和电荷数守恒可得核反应方程为H＋H―→He＋n，可知X是中子，A错误；该核反应为热核反应，核聚变，B错误，C正确；现在核电站中的主要核反应是核裂变，D错误。 5．近日，我国新一代人造太阳“中国环流三号”取得重大科研进展，首次实现100万安培等离子体电流下的高约束模式运行。“人造太阳”物理本质就是核聚变，由于其发生核聚变的原理和太阳发光发热的原理很相似，核反应方程为H＋H―→He＋X。下列说法正确的是(　　) A．该核反应不需要极高的温度也能发生 B．该核反应是核聚变反应，聚变反应过程需要吸收能量才能进行 C．该核反应是核裂变反应，核反应方程式中的X是电子 D．轻核聚变与重核裂变相比，聚变更为安全、清洁 D　解析：该反应为核聚变反应，聚变反应过程需要吸收能量才能使轻核间的距离接近到发生聚变的距离，因此需要高温，但反应过程中会释放更大的能量，A、B错误；由质量数守恒和电荷数守恒可得H＋H―→He＋n，即X为中子，C错误；轻核聚变与重核裂变相比，聚变生产产物为He，无放射性，更为安全、清洁，废物数量少，D正确。 6．2023年6月7日，国家核安全局给予中国科学院上海应用物理研究所一张核反应堆运行许可证，甘肃省钍基反应堆正式开始运行，再生层钍232(Th)吸收一个中子后会变成钍233。钍233不稳定，会变成易裂变铀233(U)，成为新增殖铀燃料，下列说法正确的是(　　) A．钍基反应堆是通过衰变把核能转化为电能 B．钍233的比结合能大于铀233的比结合能 C．钍232变成铀233的核反应方程式是Th＋n―→U＋2e D．铀233的裂变方程可能为U＋n―→Ba＋Kr＋3n C　解析：钍基反应堆是通过裂变把核能转化为电能，A错误；钍233通过衰变转化为铀233，该过程放出能量，故钍233的比结合能小于铀233的比结合能，B错误；根据题意可知钍232变成铀233的核反应方程式是Th＋n―→U＋2e，C正确；选项中铀233的裂变方程质量数不守恒，D错误。 7．传统的航母动力来源是燃油蒸汽轮机，燃油限制了航母的载重量、续航里程和战斗力。2021年，我国研发的全球首个小型核反应堆“玲珑一号”问世，为我国建造核动力航母奠定了基础，“玲珑一号”的核燃料为浓缩铀，体积小，功率大，U的一种核反应方程为U＋n―→Ba＋Kr＋3n，生成的Ba还会发生β衰变。下列说法正确的是(　　) A．铀发生的这种核反应又叫热核反应，需要很高的温度 B．中子源单位时间内发射的中子数对反应堆功率有影响 C．Ba发生β衰变的过程需要吸收能量 D．Ba发生β衰变的速度可以通过调节压强和温度来控制 B　解析：铀发生的这种核反应又叫裂变反应，不需要很高的温度，A错误；核素U是主要的核燃料，则单位时间消耗核素U核子的数目越大，反应堆放出的能量越大，故中子源单位时间内发射的中子数越多，反应堆的功率越大，B正确；Ba发生β衰变的过程放出能量，C错误；Ba衰变的快慢是由核内部自身的因素决定的，与外界因素无关，D错误。 8．(2023·河南郑州高二期末统考)太阳大约在几十亿年后，会逐渐进入红巨星时期，核心温度逐渐升高，当升至某一温度时，太阳内部的氦元素开始转变为碳，即氦闪。三个He生成一个6C(称为3α反应)，核反应方程为3He―→6C，瞬间释放大量的核能(已知6C的质量是mC＝12.0000 u，He的质量是mHe＝4.0026 u，1 u的质量对应的能量是931.5 MeV)。下列说法错误的是(　　) A．氦闪发生的是人工转变 B．一次3α反应释放的核能为7.2657 MeV C．一次3α反应亏损的质量为Δm＝0.0078 u D．6C的比结合能比He的比结合能大，更稳定 A　解析：核聚变，即轻原子核(例如氘和氚)结合成较重原子核(例如氦)时放出巨大能量，氦闪发生的是核聚变反应，A错误；根据题意可知，一次3α反应亏损的质量为Δm＝3×4.0026 u－12.0000 u＝0.0078 u，释放的能量ΔE＝0.0078 u×931.5 MeV＝7.2657 MeV，B、C正确；He通过核聚变生成C释放巨大能量，说明6C比结合能更大，比结合能越大，越稳定，D正确。 9．2022年6月23日21时53分，随着168小时试运行试验圆满完成，辽宁红沿河核电站6号机组(如图所示)正式具备商业运行条件，标志着红沿河核电站一期和二期工程共6台机组全面投产。现代核电站主要是通过可控链式核裂变反应来实现核能的和平利用。已知一个U原子核在中子的轰击下发生裂变反应，其裂变方程为U＋n―→Ba＋Kr＋3n，下列说法正确的是(　　) A．裂变方程式左右两边都有中子n，可以改写成U―→Ba＋Kr＋2n B．裂变反应释放出大量的核能，也叫热核反应 C．裂变释放能量，Ba原子核的比结合能比U原子核的大 D．裂变释放能量，Kr原子核的结合能比U原子核的大 C　解析：裂变反应U＋n―→Ba＋Kr＋3n中左右两边都有中子n，这是核反应原理，必须有中子n的参与，不能改写成U―→Ba＋Kr＋2n，A错误；轻原子核的聚变才叫热核反应，B错误；比结合能越大，原子核越稳定，U原子核裂变得到Ba原子核，说明Ba原子核比U原子核稳定，即Ba原子核的比结合能比U原子核的大，C正确；结合能与核子数有关，U原子核的核子数远大于Kr原子核的核子数，所以Kr原子核的结合能比U原子核的小，D错误。 10．(多选)由俄罗斯、比利时和德国科学家组成的国际科研小组，首次在实验中观察到了中子衰变的新方式——放射β衰变，即一个自由中子衰变成质子(p)和电子(e)同时放出质量可视为零的反中微子(νe)。该科研成果对粒子物理的研究有重要意义。已知电子质量me＝9.1×10－3 kg＝0.51 MeV/c2，中子质量mn＝939.57 MeV/c2，质子质量mp＝938.27 MeV/c2(c为光速，不考虑粒子之间的相互作用)。若某次一个静止的中子衰变中放出的质子动量p＝3×10－8 MeV·s·m－1。则(　　) A．强相互作用是中子衰变成质子和电子的原因 B．中子衰变的核反应式为n―→p＋e＋νe C．中子衰变过程中电子和反中微子的总动能为0.7468 MeV D．中子衰变过程中放出的质子和电子，两者的动量大小相等方向相反 BC　解析：弱相互作用是中子衰变成质子和电子的原因，A错误；中子衰变的核反应式为n―→p＋e＋νe，B正确；中子衰变过程中释放的能量ΔE＝(mn－me－mp)c2＝0.79 MeV，一个静止的中子衰变过程中放出的质子动能Ekp＝＝ MeV＝0.0432 MeV，中子衰变过程中电子和反中微子的总动能ΔE－Ekp＝0.7468 MeV，C正确；中子衰变过程中放出了质子、电子和反中微子，中子衰变前速度为零，动量为零，衰变后反中微子的动量不为零，则质子和电子两者不一定大小相等方向相反，D错误。 11．镭核Ra发生衰变放出一个粒子变为氡核Rn，已知镭核Ra质量为226.0254 u，氡核Rn质量为222.0163 u，放出粒子的质量为4.0026 u，已知1 u的质量对应931.5 MeV的能量(保留三位有效数字)。 (1)写出核反应方程； (2)求镭核衰变放出的能量； (3)若镭核衰变前静止，且衰变放出的能量均转变为氡核和放出的粒子的动能，求放出粒子的动能。 答案：(1)Ra―→Rn＋He　(2)6.05 MeV　 (3)5.94 MeV 解析：(1)根据质量数守恒和电荷数守恒可得，核反应方程为 Ra―→Rn＋He。 (2)镭核衰变放出的能量 ΔE＝(226.0254－4.0026－222.0163)×931.5 MeV≈6.05 MeV。 (3)镭核衰变时动量守恒，则有 mRnvRn－mαvα＝0 衰变放出的能量转变为氡核和α粒子的动能，由能量守恒定律有 ΔE＝mRnv＋mαv 联立可得 Ekα＝·ΔE≈5.94 MeV。 12．原子弹和核反应堆都利用了原子核裂变产生的能量。前者可以给人类带来灾难，后者却能用来发电为人类造福。用一个中子轰击U，可发生裂变反应生成Ba和Kr，并释放出几个中子，已知每个中子的质量m1＝1.008 u，U的质量m2＝235.043 u，Ba的质量m3＝140.913 u，Kr的质量m4＝91.897 u，质量亏损1 u相当于释放931 MeV的能量，光速c＝3×108 m/s。 (1)请写出上述裂变中的核反应方程； (2)求一个U在裂变反应中释放的核能的表达式(用m1、m2、m3、m4、c表示)； (3)若某原子弹装料为60 kg的U，其中大约有1.2%发生裂变，真实的裂变情况有很多种，假设发生的都是上述裂变反应，已知阿伏伽德罗常量NA＝6×1023 mol－1，求这颗原子弹释放的能量约为多少 MeV(保留2位有效数字)? 答案：(1)U＋n―→Ba＋Kr＋3n　(2)ΔE＝(m2－m3－m4－2m1)c2　(3)3.7×1026 MeV 解析：(1)由质量数和电荷数守恒可得该核反应方程为：U＋n―→Ba＋Kr＋3n。 (2)反应前后质量亏损为 Δm＝(m1＋m2－m3－m4－3m1)＝(m2－m3－m4－2m1) 根据爱因斯坦质能方程 ΔE＝Δmc2 得ΔE＝(m2－m3－m4－2m1)c2。 (3)一个U在裂变反应中 Δm＝(235.043＋1.008－140.913－91.897－3×1.008) u＝0.217 u 根据爱因斯坦质能方程 ΔE＝Δmc2 可以求出释放能量为 ΔE＝Δmc2＝202 MeV 这颗原子弹中发生裂变的铀235的质量约为 m＝60 kg×1.2%＝0.72 kg＝720 g 铀235的摩尔质量M约为235 g/mol，所以 E总＝NAΔE 代入数据得 E总＝3.7×1026 MeV。 学科网（北京）股份有限公司 $$