第21讲：核裂变与核聚变、“基本”粒子【九大题型}-2024-2025学年高二下学期物理精讲与精练高分突破考点专题系列（人教版（2019）选择性必修第三册）

第21讲：核裂变与核聚变、“基本”粒子 【考点归纳】 · 考点一：铀核的核裂变方程 · 考点二：计算核裂变放出的能量 · 考点三:核裂变应用 · 考点四：核聚变现象和条件 · 考点五：典型的核聚变方程 · 考点六：计算核聚变放出的能量 · 考点七：受控热核反应 · 考点八：“基本”粒子 · 考点九：核裂变与聚变的综合问题 【知识归纳】 知识点一、核裂变的发现 1．核裂变：铀核在被中子轰击后分裂成两块质量差不多的碎块，这类核反应定名为核裂变． 2．铀核裂变 用中子轰击铀核时，铀核发生裂变，其产物是多种多样的，其中一种典型的反应是U＋ n→Ba＋Kr＋3n. 3．链式反应 中子轰击重核发生裂变后，裂变释放的中子继续与其他重核发生反应，引起新的核裂变，使核裂变反应一代接一代继续下去，这样的过程叫作核裂变的链式反应． 4．临界体积和临界质量：核裂变物质能够发生链式反应的最小体积叫作它的临界体积，相应的质量叫作临界质量． 知识点二、反应堆与核电站 1．核电站：利用核能发电，它的核心设施是反应堆，它主要由以下几部分组成： (1)燃料：铀棒． (2)慢化剂：石墨、重水和普通水(也叫轻水)． (3)控制棒：为了调节中子数目以控制反应速度，还需要在铀棒之间插进一些镉棒，它吸收中子的能力很强，当反应过于激烈时，将镉棒插入深一些，让它多吸收一些中子，链式反应的速度就会慢一些，这种镉棒叫作控制棒． 2．工作原理 核燃料发生核裂变释放的能量使反应区温度升高，水或液态的金属钠等流体在反应堆内外循环流动，把反应堆内的热量传输出去，用于发电，同时也使反应堆冷却． 3．核污染的处理 在反应堆的外面需要修建很厚的水泥层，用来屏蔽裂变产物放出的各种射线．核废料具有很强的放射性，需要装入特制的容器，深埋地下． 技巧归纳1．核电站的主要部件及作用 组成部分 材料 作用 裂变材料(核燃料) 浓缩铀 提供核燃料 减速剂(慢化剂) 石墨、重水或普通水(也叫轻水) 使裂变产生的快中子减速 控制棒 镉棒 吸收中子，控制反应速度 热交换器 水或液态的金属钠 传输热量 防护层 厚水泥层 防止放射线泄露，对人体及其他生物体造成伤害 知识点三、核聚变 1．定义：两个轻核结合成质量较大的核，这样的核反应叫作核聚变． 2．核反应方程：H＋H→He＋n＋17.6 MeV. 3．条件：使轻核的距离达到10－15 m以内． 方法：加热到很高的温度． 4．宇宙中的核聚变：太阳能是太阳内部的氢核聚变成氦核释放的核能． 5．人工热核反应：氢弹．首先由化学炸药引爆原子弹，再由原子弹爆炸产生的高温高压引发热核爆炸． 6．核聚变与核裂变的比较 (1)优点：①轻核聚变产能效率高；②地球上核聚变燃料氘和氚的储量丰富；③轻核聚变更为安全、清洁． (2)缺点：核聚变需要的温度太高，地球上没有任何容器能够经受如此高的温度． 解决方案：磁约束和惯性约束． 技巧归纳2：重核裂变与轻核聚变的区别 重核裂变 轻核聚变 放能原理 重核分裂成两个或多个中等质量的原子核，放出核能 两个轻核结合成质量较大的原子核，放出核能 放能多少 聚变反应比裂变反应平均每个核子放出的能量要大3～4倍 知识点四、“基本”粒子 1．人们认为光子、电子、质子和中子是组成物质的不可再分的最基本的粒子，把它们叫作“基本粒子”． 2．随着科学的发展，科学家们发现很多新粒子不能看作由质子、中子、电子组成，并发现质子、中子等本身也有自己的复杂的结构． 3、发现新粒子 1932年发现了正电子，1937年发现了μ子,1947年发现了K介子和π介子，后来发现了超子等． 知识点五、粒子的分类 1．强子：是参与(填“参与”或“不参与”)强相互作用的粒子．质子和中子都是强子． 2．轻子：不参与(填“参与”或“不参与”)强相互作用．电子、电子中微子、μ子、μ子中微子以及τ子和τ子中微子都是已发现的轻子． 3．规范玻色子：是传递各种相互作用的粒子，如光子，中间玻色子(W和Z玻色子)、胶子． 4．希格斯玻色子：是希格斯场的量子激发． 知识点三、夸克与粒子物理标准模型 1．夸克、夸克模型：1964年，美国科学家盖尔曼等人提出了夸克模型，认为强子由更基本的成分组成，这种成分叫作夸克． 2．粒子物理标准模型是一整套关于粒子的理论．其中，夸克、轻子、规范玻色子和希格斯玻色子是组成物质的几类最基本的粒子． 技巧归纳3：新粒子的发现及分类 1．新粒子的发现 发现时间 1932年 1937年 1947年 20世纪60年代后 新粒子 反粒子 μ子 K介子与π介子 超子 基本特点 质量、寿命、自旋等物理性质与对应粒子相同，而电荷等其他性质相反 比质子的质量小 质量介于电子与质子之间 质量比质子大 2.粒子的分类 分类 参与的相互作用 发现的粒子 备注 强子 参与强相互作用 质子、中子等 强子有内部结构，由“夸克”构成 轻子 不参与强相互作用 电子、电子中微子、μ子、μ子中微子、τ子、τ子中微子 未发现内部结构 规范玻色子 传递各种相互作用 光子、中间玻色子、胶子等 光子传递电磁相互作用，中间玻色子传递弱相互作用，胶子传递强相互作用 希格斯玻色子 是希格斯场的量子激发 【题型归纳】 题型一：铀核的核裂变方程 1．（24-25高二下·重庆·期中）下列核反应方程中属于核裂变的是（　　） A． B． C． D． 【答案】A 【详解】A．该反应为核裂变，故A正确； B．该反应为β衰变，故B错误； C．该反应为α衰变，故C错误； D．该反应为核聚变，故D错误。 故选A。 2．（2024·河北·一模）统计显示，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。下列对于铀235相关的核反应的描述中，说法正确的是（　　） A．铀块的体积越小，越容易发生链式反应 B．发生链式反应的核反应方程为 C．在核反应堆中，中子的速度越快，铀核越容易发生核裂变 D．核反应堆中，在铀棒之间插入一些镉棒，主要是为了调节中子数量，控制反应速度 【答案】D 【详解】A．要使链式反应发生，铀块必须达到临界体积，故A错误； B．只有中子轰击铀核，才能发生裂变反应，其方程为 故B错误； C．在核反应堆中，中子的速度越快，会与铀235“擦肩而过”，铀核越不容易发生核裂变，故C错误； D．核反应堆中，在铀棒之间插入一些镉棒，可以吸收中子，主要是为了调节中子数量，控制反应速度，故D正确。 故选D。 3．（22-23高三下·湖北武汉·阶段练习）1947年，中国科学家钱三强与何泽慧在利用中子轰击铀核的实验中，观察到铀核可能分裂为三部分或四部分，其中的一种裂变反应是。关于铀核裂变，下列说法正确的是（　　） A．的核子平均质量比的小 B．裂变后与裂变前相比，总质量数增加 C．铀核容易俘获快中子而发生裂变释放核能 D．铀的纯度越高，其裂变的链式反应越难进行 【答案】A 【详解】A．核反应后生成的核比核稳定，可知核的比结合能大于核的比结合能，则的核子平均质量比的小，故A正确； B．裂变后与裂变前相比，总质量数保持不变，故B错误； C．铀核容易俘获慢中子而发生裂变释放核能，故C错误； D．铀的纯度越高，其裂变的链式反应越容易进行，故D错误。 故选A。 题型二：计算核裂变放出的能量 4．（23-24高二下·全国）我国自主研发的“玲珑一号”核反应堆，是全球最小的商用核反应堆，核反应方程为，反应产物会发生衰变。已知核、、和的质量分别是、、和，为，真空中的光速。则下列说法正确的是（　　） A．核反应方程中的， B．核的比结合能小于核的比结合能 C．的衰变方程为 D．一个核裂变放出的核能约为 【答案】B 【详解】A．根据质量数守恒和电荷数守恒可知核反应方程中的，，故A错误； B．核反应的产物比反应物更稳定，而比结合能越大原子核越稳定，可知核的比结合能小于核的比结合能，故B正确； C．根据题意可知，会发生衰变，因此其衰变方程为 故C错误； D．根据爱因斯坦的质能方程有 解得 故D错误。 故选B。 5．（23-24高二下·浙江宁波·期末）2021年12月秦山核电站迎来安全发电30周年。核电站利用铀核裂变释放的能量每年发电约，相当于减排二氧化碳五千万吨。为了提高能源利用率，核电站还将利用冷却水给周围居民供热。下列说法正确的是（　　） A．裂变反应产物的比结合能比大 B．秦山核电站发电使原子核亏损的质量约为2kg C．反应堆中存在的核反应 D．核电站常用的慢化剂有石墨、重水和普通水，可以减慢链式反应 【答案】A 【详解】A．生产物比反应物更稳定，即生成物的比结合能比反应物的比结合能更大，故A正确； B．原子核亏损的质量全部转化为电能时，约为 故B错误； C．反应堆利用铀235的裂变，生成多个中核和中子，且产物有随机的两分裂、三分裂，再根据质量数、电荷数守恒，即存在 故C错误； D．核电站常用的慢化剂有石墨、重水和普通水，可以减慢中子的速度；控制镉棒插入的深度来控制链式反应速率，故D错误。 故选A。 6．（22-23高二下·浙江绍兴·期末）一座大型核电站用加压水核反应堆提供动力，反应堆产生的热功率为3400MW，发电站能够产生1100MW的电能。所用燃料是的氧化铀形式的铀棒，分别放置在根燃料棒中，其中铀含量是浓缩到3%的铀235。如果每个铀235的质量为，一个铀235核裂变按释放能量200MeV估算，下列说法正确的是（    ） A．该电站每天发生裂变的铀235质量约为3.6kg B．核裂变反应中释放了大量能量，反应后产物的比结合能减小 C．该反应又称为热核反应 D．反应堆中的镉棒可以将“快中子”变成“慢中子”，从而控制链式反应速度 【答案】A 【详解】A．该电站每天发生裂变的铀235质量约为 故A正确； B．核裂变反应中释放了大量能量，反应后产物的比结合能增大，故B错误； C．该反应是核裂变，热核反应是核聚变，故C错误； D．反应堆中的镉棒可以吸收中子，从而控制链式反应速度，故D错误。 故选A。 题型三:核裂变应用 7．（24-25高二下·重庆·期中）核反应堆是核电站的核心装置。下列叙述正确的是（　　） A．控制棒通过释放中子来加快反应速率 B．减速剂（如石墨）的作用是减慢中子速度 C．核反应堆中发生的核反应主要为核聚变 D．冷却剂将热量直接转化为电能以供使用 【答案】B 【详解】A．控制棒通过释放中子来减慢反应速率，故A错误； B．减速剂（如石墨）的作用是减慢中子速度，故B正确； C．核反应堆中发生的核反应主要为核裂变，故C错误； D．冷却剂将热量传递给水，水汽化带走热量，故D错误。 故选B。 8．（24-25高二下·全国·课后作业）核反应堆是实现可控制的重核裂变链式反应的一种装置，它的主要组成部分是（　　） A．原子燃料、慢化剂、冷却系统和控制调节系统 B．原子燃料、慢化剂、发热系统和传热系统 C．原子燃料、调速剂、碰撞系统和传热系统 D．原子燃料、中子源、原子能聚存和输送系统 【答案】A 【详解】核反应堆的主要部分包括：①燃料，即浓缩铀235；②慢化剂，采用石墨、重水或普通水；③控制棒，控制链式反应的速度；④冷却系统，水或液态钠等流体在反应堆内外循环流动，把反应堆的热量传输出去用于发电。 故选A。 9．（24-25高二下·全国·课后作业）以下关于核能发电的说法正确的是（    ） A．核能发电利用的是轻核聚变释放出来的核能 B．核裂变过程满足电荷数守恒和质量数守恒 C．核裂变过程中释放核能是因为新核的比结合能小 D．裂变物质的体积小于临界体积时才能发生链式反应 【答案】B 【详解】A．核能发电利用的是重核裂变释放出来的核能，故A错误； B．核反应过程都满足电荷数守恒和质量数守恒，故B正确； C．核裂变产生的新核更稳定，比结合能更大，故C错误； D．裂变物质的体积大于临界体积时才能发生链式反应，故D错误。 故选B。 题型四：核聚变现象和条件 10．（22-23高二下·辽宁·期末）2023年4月12日21时，中国有“人造太阳”之称的全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）创造新的世界纪录，成功实现稳态高约束模式等离子体运行403秒。下列关于核聚变的说法正确的是（　　） A．核电站采用核聚变技术发电 B．任何两个原子核都可以发生聚变 C．两个轻核结合成质量较大的原子核，核子的比结合能变小 D．两个轻核结合成质量较大的原子核，生成核的质量小于两轻核的质量之和 【答案】D 【详解】A．核电站采用核裂变技术发电，故A错误； B．自然界中最容易实现的聚变反应是氢的同位素，氘和氚的聚变，不是任何两个原子核都可以发生聚变，故B错误； C．两个轻核结合成质量较大的原子核，新生成的核子更加稳定，核子的比结合能变大，故C错误； D．两个轻核结合成质量较大的原子核，要释放能量，根据爱因斯坦质能方程可知生成核的质量小于两轻核的质量之和，故D正确。 故选D。 11．（22-23高二下·湖南·期末）新能源是指刚开始开发利用或正在积极研究、有待推广的能源，如太阳能、风能和核聚变能等，下列关于太阳能、核聚变的说法正确的是（    ）    A．太阳能是来自太阳内部进行的热核反应，它属于重核的裂变 B．轻核聚变过程中质量增大且放出巨大能量 C．核聚变方程中的粒子是中子 D．核电站是利用轻核聚变的链式反应产生的能量来发电的 【答案】C 【详解】A．在太阳内部，氢原子核在超高温下发生聚变，释放出巨大的核能，因此太阳内部进行着大规模的核反应是核聚变，A项错误； B．轻核聚变释放出巨大能量，伴随着质量亏损，B项错误； C．根据质量数与电荷数守恒，可知X为中子，C项正确； D．核电站是利用原子核裂变的链式反应产生的能量来发电的，D项错误。 故选C。 12．（2023·天津·高考真题）关于太阳上进行的核聚变，下列说法正确的是（　　） A．核聚变需要在高温下进行 B．核聚变中电荷不守恒 C．太阳质量不变 D．太阳核反应方程式： 【答案】A 【详解】A．因为高温时才能使得粒子的热运动剧烈，才有可能克服他们自身相互间的排斥力，使得它们间的距离缩短，才能发生聚变，故A正确； B．核聚变中电荷是守恒的，故B错误； C．因为太阳一直在发生核聚变，需要放出大量能量，根据质能方程可知是要消耗一定的质量的，故C错误； D．核聚变的方程为 题中为核裂变方程，故D错误。 故选A。 题型五：典型的核聚变方程 13．（23-24高二下·全国·单元测试）下列说法正确的是（　　） A．中X为中子，反应类型为衰变 B．中Y为中子，反应类型为人工核转变 C．，其中K为10个中子，反应类型为重核裂变 D．，其中Z为氢核，反应类型为轻核聚变 【答案】C 【详解】A．根据反应的质量数和电荷数守恒可知，反应中的X的质量数为4，电荷数为2，则为粒子，反应类型为衰变，故A错误； B．反应中的Y的质量数为1，电荷数为0，为中子，反应类型为轻核聚变，故B错误； C．反应中的K的质量数总数为10，电荷数为0，则K为10个中子，反应类型为重核裂变，故C正确； D．反应中的Z的质量数为1，电荷数为1，为质子，反应类型为人工核转变，故D错误。 故选C。 14．（24-25高二下·全国·课后作业）下列方程中属于核聚变的是（　　） A． B． C． D． 【答案】A 【详解】A．核反应方程，是核聚变，故A正确； B．核反应方程是原子核的人工转变，故B错误； C．核反应方程原子核的β衰变，故C错误； D．核反应方程是核裂变，故D错误。 故选A。 15．（24-25高二下·全国·单元测试）能源是社会发展的基础，发展核能是解决能源问题的途径之一。下列关于核反应方程的说法，正确的是（    ） A．是α衰变 B．是目前人类获得核能的主要方式 C．中的X是质子 D．是核聚变，反应后的总质量较聚变前增加 【答案】B 【详解】A．核反应方程 是轻核聚变，故A错误； B．核反应方程 属于重核裂变，是目前人类获得核能的主要方式，故B正确； C．由质量数守恒和电荷数守恒，可知核反应方程 中的X的质量数为0，电荷数为-1，为电子，故C错误； D．核反应方程是核聚变，反应过程中放出能量，由质能关系可知反应后的总质量较聚变前减少，故D错误。 故选B。 题型六：计算核聚变放出的能量 16．（24-25高二下·全国）太阳内部发生的核反应主要是核聚变，太阳中存在的主要元素是氢，氢核的核聚变反应可以看做是4个氢核（H）结合成1个氦核（He）。表中列出了部分粒子的质量（1 u相当于931.5 MeV的能量），以下说法中不正确的是（　　） 粒子名称 质子p α粒子 电子e 中子n 质量/u 1.007 3 4.001 5 0.000 55 1.008 7 A．核反应方程式为4H→He＋2e B．核反应方程式为4H→He＋2e C．4个氢核结合成1个氦核时的质量亏损为0.026 6 u D．聚变反应过程中释放的能量约为24.8 MeV 【答案】B 【详解】AB．根据核反应过程中质量数守恒和电荷数守恒，氢核聚变的核反应方程为 故A正确，不符合题意，B错误，符合题意； CD．质量亏损为 △m=4mp−mα−2me=（4×1.0073−4.0015−2×0.00055）u=0.0266u 发生一次核反应释放的核能为 故CD正确，不符合题意。 故选B。 17．（23-24高二下·北京大兴·期末）一个氘核与一个氚核结合成一个氦核同时放出中子，反应方程为。已知氘核、氚核、氦核和中子的质量分别为和 ，光在真空中的速度为c，下列说法正确的是（　　） A． B．该核反应可以在常温下进行 C．该核反应释放的能量 D．该核反应中的核燃料是目前核电站采用的核燃料 【答案】C 【详解】AC．根据爱因斯坦质能方程，因反应放出能量，则质量一定有亏损，该核反应释放的能量 故A错误、C正确； B．该反应不能在常温下进行，只能在很高的温度下进行，故B错误； D．核电站主要是核裂变，而该反应是核聚变反应，故D错误。 故选C。 18．（23-24高二下·广东广州·期末）我国研制新一代可控核聚变研究装置“中国环流器二号M”（又被称为“人造太阳”）在2020年12月4日在成都建成并实现首次发电。其所发生的可控核聚变方程是，已知、、和的质量分别为、、和，真空中的光速为。下列说法正确的是（　　） A．是电子 B．大亚湾核电站就是利用此核反应发电 C．该核反应所释放的核能为 D．、的比结合能大于的比结合能 【答案】C 【详解】A．根据质量数与电荷数守恒有 2+3-4=1，1+1-2=0 可知，X是中子，故A错误； B．目前的核电站是利用重核裂变，即大亚湾核电站不是利用此核反应发电，是利用重核裂变反应发电，故B错误； C．根据质能方程，该核反应所释放的核能为 故C正确； D．核聚变过程释放能量，生成核比反应核更加稳定，原子核越稳定，比结合能越大，可知，、的比结合能小于的比结合能，故D错误。 故选C。 题型七：受控热核反应 19．（21-22高二下·河北沧州·期末）2022年5月2日，作为中国东北地区第一座核电站及最大的能源投资项目，辽宁红沿河核电站6号机组首次并网发电。有关核反应和核能，下列说法正确的是（　　） A．目前核能发电是利用核聚变，氢弹是利用核裂变的链式反应原理 B．核潜艇的动力装置是核反应堆，核反应堆中用镉棒控制核裂变的反应速度 C．核电站设备应用链式反应，当铀块的体积小于临界体积时就会发生链式反应 D．原子核必须在超高温下才能发生聚变，说明核聚变过程需要吸收能量 【答案】B 【详解】A．目前核能发电是利用核裂变，原子弹是利用核裂变的链式反应原理，氢弹利用的是核聚变，故A错误； B．核反应堆中插入镉棒为了吸收中子，控制核裂变的反应速度，故B正确； C．当铀块的体积大于或等于临界体积，并有慢中子能够被俘获时，就会发生链式反应，瞬时放出巨大能量，故C错误； D．尽管核聚变在高温高压下才能发生，但聚变过程会放出能量，故D错误。 故选B。 20．（2022·辽宁·模拟预测）2020年3月2日9时12分，我国具有完全自主知识产权的三代核电“华龙一号”全球首堆——中核集团福清核电5号机组热态性能试验基本完成，为后续机组装料、并网发电等工作奠定了坚实基础。该机组正式运行后的核反应方程之一为，下列说法正确的是（　　） A．该核反应中，X是质子 B．该核反应属于热核反应 C．的比结合能比的比结合能大 D．该核反应的产物的结合能之和小于反应物的结合能之和 【答案】C 【详解】AB．该核反应属于核裂变，不属于核聚变（热核反应），所以反应物中X是中子，故AB错误； CD．该反应释放核能，则生成物的总结合能大于反应物的总结合能，考虑到中子不具备结合能，所以生成物具备结合能的核子数为233，反应物具备结合能的核子数为235，由此可知的比结合能比的比结合能大，故C正确，D错误。 故选C。 21．（20-21高二下·山东青岛·期末）中国的“人造太阳”，又称东方超环，全称是全超导托卡马克核聚变实验装置，是中国新一代先进磁约束核聚变实验研究装置。2021年5月28日，中国的“人造太阳”实现了可重复的1.2亿度101秒等离子体运行，刷新了世界纪录。所谓“人造太阳”，就是在地球上模拟太阳内部发生的核聚变反应，为人类提供源源不断的清洁能源。其内部发生的一种核聚变反应方程为，下列说法正确的是（　　） A．反应产物X为 B．核聚变后的产物X比结合能小于的比结合能 C．可控的人工轻核聚变与核裂变相比更为安全、清洁 D．要实现核聚变，需要将轻核加热到很高的温度，使它们具有足够的动能克服核力作用而碰撞结合在一起 【答案】C 【详解】A．根据核聚变反应方程满足质子数和质量数守恒，可知反应物X为，选项A错误； B．比结合能越大，物质越稳定，所以核聚变后的产物X比结合能应大于的比结合能，选项B错误； C．可控的人工轻核聚变产物为氦核，没有辐射和污染，所以与核裂变相比更为安全、清洁，选项C正确； D．核聚变反应，又称热核反应，需要超高温度，选项D错误。 故选C。 题型八：“基本”粒子 22．（2022·上海·模拟预测）关于粒子的说法，正确的是（    ） A．发生衰变时放出的射线是电子流，射线来自原子核，说明原子核里有电子 B．德布罗意通过实验验证了实物粒子具有波动性 C．发生光电效应时，从金属表面逸出的光电子是一次性吸收光子的全部能量，不需要积累的时间 D．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，叫作“基本粒子” 【答案】C 【详解】A．发生衰变时放出的电子流是原子核内部中子转变成质子，同时释放出一个电子，不是原子核里有电子，故A错误； B．德布罗意通过理论提出实物粒子具有波动性，故B错误； C．光子能量不可再分，发生光电效应时，从金属表面逸出的光电子是一次性吸收光子的全部能量，不需要积累的时间，故C正确； D．光子不是组成物质的不可再分的最基本粒子，故D错误。 故选C。 23．（2022高三·全国·专题练习）关于粒子，下列说法中正确的是（　　） 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、轻子都由夸克组成 D．许多粒子都存在反粒子 【答案】D 【详解】A．质子、中子本身有复杂结构，故A错误； B．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，故B错误； C．现代实验还没有发现轻子的内部结构，故C错误； D．宇宙中的许多粒子都存在反粒子，故D正确。 故选D。 24．（2022高三·全国·专题练习）正电子是电子的反粒子，它跟普通电子的电荷量大小相等，而电性相反，科学家设想在宇宙的某些部分可能存在完全由反粒子构成的物质——反物质。1997年，欧洲和美国的科学研究机构先后宣布：他们分别制造出9个和7个反氢原子，这是人类探索反物质的一大进步。你推测反氢原子的结构是（　　） A．由一个带正电荷的质子和一个带负电荷的电子构成 B．由一个带负电荷的反质子和一个不带电荷的中子构成 C．由一个不带电荷的中子和一个带负电荷的电子构成 D．由一个带负电荷的反质子与一个带正电荷的正电子构成 【答案】D 【详解】氢原子由质子和电子组成，它们的反粒子分别是带负电荷的反质子和一个带正电荷的正电子，故D正确，ABC错误。 故选D。 题型九：核裂变与聚变的综合问题 25．（24-25高二下·全国）2023年4月12日，中科院合肥物质科学研究院有“人造太阳”之称的全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）创造新的世界纪录，成功实现403秒稳态高约束模式等离子体运行。科研人员称该成果表明未来聚变实验堆高约束稳态运行具备可行性，对于探索未来聚变堆前沿物理等问题具有重要意义。一种典型的氢核聚变反应是两个氘核（）聚变成氦核（），同时释放中子，已知氘核质量为2.0136u，氦核质量为3.0150u，中子质量为1.0087u，1u的质量相当于931.5MeV的能量。 (1)写出上述核反应方程式； (2)求核反应中释放的核能； (3)原子核具有足够的动能去克服库仑斥力，碰撞时十分接近，才可以发生核聚变。若两个氘核以相等的动能进行对心碰撞，已知一个氘核动能大小为0.37MeV，并且核反应释放的核能全部转化为机械能，求反应中产生的中子和氦核的动能。 【答案】(1) (2)3.26MeV (3)3MeV，1MeV 【详解】（1）由题意可写出氢核聚变反应方程式为 （2）核反应中质量亏损为 释放的核能为 MeVMeV （3）两个氘核以相等的动能进行对心碰撞，故系统初动量为零，据动量守恒定律有 即产生的中子和氦核的动量大小相等，方向相反,动量与动能的关系为 故中子和氦核的动能之比 中子和氦核的总动能 MeVMeVMeV 可解得 MeV，MeV 26．（24-25高二下·全国·课后作业）利用核反应堆工作时释放出的热能使水汽化以推动汽轮发电机发电，这就是核电站。核电站消耗的“燃料”很少，但功率却很大，目前，核能发电技术已经成熟。 (1)核反应堆中的“燃料”是，完成下面的核反应方程式，。 (2)一座100万千瓦的核电站，每年需要多少千克浓缩铀？已知铀核的质量为235.0439u，氙核质量为135.9072u，锶核质量为89.9077u。1ukg，中子的质量为1.0087u，浓缩铀中铀235的含量占2%。（一年按365天计算，保留2位有效数字，mol⁻¹） 【答案】(1) (2) 【详解】（1）核反应方程式 （2）核电站每年放出的热量 JJ 一个裂变放出的热量 需要的浓缩铀质量 27．（23-24高二下·河南南阳·期末）2022年10月19日下午，中国新一代“人造太阳”装置（HL-2M等离子体电流突破100万安培（1兆安），创造了中国可控核聚变装置运行新纪录，标志着我国核聚变研发距离聚变点火迈进重要一步，跻身国际第一方阵，技术水平居国际前列。“人造太阳”主要是将氘核聚变反应释放的能量用来发电。已知氘核的质量为，中子的质量为，核的质量为。两个速率相等的氘核对心碰撞聚变成并放出一个中子，已知质量亏损为时，释放的能量为，除了计算质量亏损外，核的质量可以认为是中子的3倍。 （1）写出该核反应方程。 （2）该核反应释放的核能为多少？（结果保留三位有效数字） （3）若两个氘核以相同的动能正碰而发生核聚变，同时释放出一对向相反方向运动的光子，每个光子的能量为，求生成的核的动能。（结果保留两位有效数字） 【答案】（1）；（2）3.26 MeV；（3）0.74MeV 【详解】（1）核反应过程满足质量数和电荷数守恒，该核反应的反应方程式为 （2）该核反应的质量亏损 Δm=(2×2.013 6－1.008 7－3.015 0)u=0.0035 u 该核反应释放的核能 ΔE=0.0035×931.5 MeV≈3.26 MeV （3）两个氘核正碰而发生核聚变过程，满足动量守恒，设中子的质量为m，中子的速度大小为v1，核的质量为3m，核的速度大小为v2，一个光子能量E0=0.5Mev，由于碰撞前的总动量为零，则有 mv1=3mv2 根据能量守恒可得 =ΔE+2Ek－2E0=2.96 MeV 联立解得生成的核的动能为 =0.74MeV 【过关精练】 一、单选题 1．（21-22高三·全国）下列说法的正确的是（　　） A．目前，人们认为粒子界由夸克、强子、轻子构成 B．强子是参与强相互作用的粒子，质子是最早发现的强子 C．电子、质子和中子是组成物质的不可再分的基本粒子 D．夸克的带电荷量是电子电荷量的整数倍 【答案】B 【详解】A．按照粒子与各种相互作用的不同关系，把粒子分为三大类，即强子、轻子和媒介子，A错误； B．强子是参与强相互作用的粒子，质子是最早发现的强子，B正确； C．质子和中子由不同的夸克组成，本身有复杂的结构，不是基本粒子，C错误； D．已知夸克有6种，它们的电荷分别为元电荷的或，D错误。 故选B。 2．（2022高三·全国·专题练习）下列说法正确的是（　　） A．许多粒子都有自己的反粒子，反粒子与其对应的粒子相遇时，会发生湮灭现象 B．规范玻色子是几种基本粒子中最后一个被发现的 C．希格斯玻色子是传递各种相互作用的粒子 D．光子属于轻子 【答案】A 【详解】A．许多粒子都有自己的反粒子，反粒子与其对应的粒子带等量异种电荷，相遇时会发生湮灭现象，A正确； BCD．规范玻色子是传递各种相互作用的粒子，如光子传递电磁相互作用，希格斯玻色子是希格斯场的量子激发，是几种基本粒子中最后一个被发现的，光子不属于轻子，BCD错误。 故选A。 3．（24-25高二下·全国）铀核裂变是在反应堆中进行的，核反应堆主要由铀棒、镉棒、慢化剂、冷却系统和水泥防护层组成，镉棒在反应堆中起的作用主要是（　　） A．使快中子变成慢中子 B．使慢中子变成快中子 C．使反应速度加快 D．控制反应速度，调节反应速度的快慢 【答案】D 【详解】镉棒可以吸收中子，控制镉棒插入反应堆的深度可以控制参与反应的中子数目，从而控制反应堆的反应速度，不一定是加快反应速度，也可能是减慢反应速度。 故选D。 4．（23-24高二下·全国·单元测试）下列原子核变化的方程中，表示重核裂变过程的是（　　） A． B． C． D． 【答案】A 【详解】A．是重核裂变，故A正确； B．是衰变，故B错误； C．是查德威克发现中子的核反应方程，属于人工核转变，故C错误； D．是轻核聚变，故D错误。 故选A。 5．（24-25高二下·全国·课后作业）中国最高参数“人造太阳”已在成都建成并投入使用，人造太阳是利用氘核聚变实现的，反应方程是，下列说法正确的是（    ） A．该反应过程满足电荷守恒和质量守恒 B．重核裂变比轻核聚变更为安全、清洁 C．聚变反应相比裂变反应，平均每个核子释放的能量多 D．目前核反应堆产生的能量主要来自轻核聚变 【答案】C 【详解】A．该反应过程满足电荷数守恒和质量数守恒，反应放出核能，则核反应过程前后有质量亏损，质量不守恒，故A错误； B．轻核聚变相比重核裂变更为安全、清洁，故B错误； C．聚变反应相比裂变反应，平均每个核子释放的能量多，C正确； D．目前核反应堆产生的能量主要来自重核裂变，D错误。 故选C。 6．（24-25高二下·全国·课后作业）核动力航空母舰因其性能强劲被称为海上霸主，它利用可控核裂变释放的核能获得动力。有一种核裂变的方程为，关于该核裂变，下列说法正确的是（    ） A．X的核子数为141 B．X的中子数为75 C．核反应方程可以简化为 D．X比稳定 【答案】D 【详解】A．根据质量数守恒可知，X的核子数为，故A错误； B．根据电荷数守恒可知，X的质子数为，中子数为，故B错误； C．裂变反应中子参与核反应，不能消去，故C错误； D．反应生成X，释放能量，说明X比稳定，故D正确。 故选D。 7．（24-25高二下·全国·课后作业）电影《流浪地球2》中太阳核心聚变加速，导致内核温度高达一亿度，足以产生“氦闪”。如图所示，现实中太阳内层的氢发生聚变，每4个会聚变成1个，即质子-质子链反应。下列说法不正确的是（    ） A．两个合成的过程中产生一个中子 B．比少一个中子 C．和聚合成，反应前后质量数守恒 D．的比结合能大于的比结合能 【答案】A 【详解】A．两个合成的核反应方程是，即产生一个正电子，A错误，符合题意； B．比少一个中子，B正确，不符题意； C．和聚合成，反应前后质量数和电荷数均守恒，C正确，不符题意； D．反应放出核能，最终的生成物更稳定，则的比结合能大于的比结合能，D正确，不符题意。 故选A。 8．（24-25高二下·全国·课后作业）铀原子核既可发生衰变，也可发生裂变。其衰变方程为，裂变方程为，其中、、Y、的质量分别为、、、，光在真空中的传播速度为c。下列叙述正确的是（    ） A．衰变是衰变，射线可以用来测量钢板的厚度 B．裂变时释放的能量为 C．若提高温度，的半衰期将会变小 D．Y原子核中含有88个中子 【答案】D 【详解】A．根据质量数守恒和电荷数守恒可得X为，发生的是衰变，射线贯穿能力弱，不可以用来测量钢板的厚度，A错误； B．由爱因斯坦质能方程得裂变时释放的能量 B错误； C．半衰期与原子核所在环境没有关系，C错误； D．根据核反应前后质量数守恒和电荷数守恒，Y原子核中含有56个质子，中子数为（个），D正确。 故选D。 9．（23-24高二下·上海·课后作业）下列核反应方程式的书写正确的是（　　） A．钴60衰变的方程为 B．碳14发生衰变的方程为 C．核泄漏污染物的衰变方程为 D．太阳内部的一种核反应是3个氦核变成一个碳核，核反应方程为 【答案】C 【详解】A．钴60衰变的方程为，A错误； B．碳14发生衰变的方程为；B错误； C．核泄漏的污染物的衰变方程为，C正确； D．太阳内部的一种核反应是3个氦核变成一个碳核，核反应方程式为，D错误。 故选C。 10．（23-24高二下·福建福州·期末）中科院EAST全超导托卡马克装置，被称为中国的“人造太阳”，已实现了1.6亿度（约为太阳中心温度的10倍）等离子体运行。其核反应方程是：，则（　　） A．的结合能小于与结合能之和 B．该反应前后核子的总质量相等 C．的比结合能小于的比结合能 D．X为中子 【答案】D 【详解】AB．该核反应释放能量，有质量亏损，生成物更稳定，则知的结合能比反应物的结合能之和大。故AB错误； C．核反应中，生成物的比结合能大于反应物的比结合能。故C错误； D．由电荷数和质量数守恒，X的质量数 电荷数 可知X为中子。故D正确。 故选D。 11．（23-24高二下·吉林白山·期末）月球储藏了大量可控核聚变理想燃料氦（），我国探测器已成功着陆月面并带回月壤供科学家研究，地球实验室中完成可控核聚变是靠温度和压力的共同作用完成的，某可控核聚变装置内发生的核反应方程为，下列说法正确的是（    ） A．该反应属于衰变 B．Y是质子 C．该反应中生成物的总质量大于反应物的总质量 D．该反应中反应物的结合能之和大于生成物的结合能之和 【答案】B 【详解】A．该反应属于核聚变，故A错误； B．根据核反应前后质量数和电荷数守恒可知，Y的质量数为1，电荷数为1，则Y为质子，故B正确； C．核聚变过程发生质量亏损，释放核能，该反应中生成物的总质量小于反应物的总质量，故C错误； D．轻核聚变过程，生成物的结合能大于反应物的结合能，故D错误。 故选B。 12．（23-24高二下·辽宁·期末）碘-131是一种碘的放射性同位素，半衰期为8.02070d，主要来源于核工业及核技术应用、核试验落下灰、核事故释放等，也可在反应堆中以慢中子轰击Te-130或在回旋加速器中以氘轰击Te-130来制得。已知碘核的衰变方程为，碘-131的比结合能为，Xe-131的比结合能为，下列说法正确的是（　　） A．以慢中子轰击Te-130生成碘-131的过程为核聚变反应 B．碘-131衰变产生的射线来自原子的核外电子 C．200个碘-131经过8.02070d还剩余100个 D．一个碘-131衰变释放的能量为 【答案】D 【详解】A．以慢中子轰击Te-130生成碘-131的过程为原子核的人工转变，故A错误； B．碘-131衰变产生的射线来自原子核内部中子裂变成质子和电子，故B错误； C．半衰期是大量粒子的统计规律，200个碘-131经过8.02070d不一定还剩余100个，故C错误； D．碘-131的比结合能为，Xe-131的比结合能为，一个碘-131衰变释放的能量为，故D正确。 故选D。 13．（23-24高二下·北京西城·期末）核聚变过程可以释放大量能量。一种典型的聚变反应就是四个氢原子核（质子）结合成一个氦原子核，大约释放28MeV的能量。太阳内部就时刻发生着核聚变。如果想实现人工核聚变，困难在于原子核都带正电，互相排斥，一般情况下不能相互靠近而发生结合，只有在温度达到极高温度时，原子核的热运动速度非常大，才能冲破库仑斥力的壁垒，碰撞到一起发生结合，这叫热核反应。根据统计物理学，绝对温度为T时，粒子的平均动能，其中，叫做玻尔兹曼常量。理论计算表明，当质子的平均动能达到约时，热运动的质子容易发生结合而发生聚变反应。不考虑量子效应及相对论效应，根据以上信息结合经典理论，判断下列说法中正确的是（　　） A．目前核电站利用核聚变反应 B．将氦核的核子全部分开，大约需要28MeV的能量，氦核的比结合能约为14MeV C．若两个质子以相同初动能E0相向运动正碰而恰好结合，则一个质子从远处以初动能2E0与另一个静止的质子发生正碰，也能恰好结合 D．由以上信息可以估算出发生热核反应时的温度约为量级 【答案】D 【详解】A．目前核电站利用核裂变反应。故A错误； B．四个氢原子核（质子）结合成一个氦原子核，大约释放28MeV的能量，反之将氦核的核子全部分开，大约需要28MeV的能量，氦核的比结合能约为 故B错误； C．若两个质子以相同初动能E0相向运动正碰而恰好结合，由动量和能量守恒可知，质子结合能为2E0。则一个质子从远处以初动能2E0与另一个静止的质子发生正碰，假如结合在一起，由动量和能量守恒可知 ， 质子结合能为E0小于2E0。则它们不能结合。故C错误； D．由题意有 解得 故D正确。 故选D 二、多选题 14．（24-25高二下·全国·课后作业）下列关于核电站的说法中正确的有（　　） A．核电站直接将核能转换为电能 B．反应堆中减速剂是控制核反应速度的 C．核反应的快慢是由控制棒来控制的 D．目前我国核电站所用的核燃料为浓缩铀 【答案】CD 【详解】A．核电站通过核反应堆将核能转换为内能，再利用内能使水变成水蒸气，利用高温高压的蒸汽推动汽轮发电机发电，故A错误； B．反应堆中减速剂的作用是使快中子变为慢中子，利于反应的进行，故B错误； C．核反应堆中插入镉棒，镉棒吸收中子减缓反应速度，插入越深，反应越慢，故C正确； D．目前我国核电站所用的核燃料为浓缩铀，故D正确。 故选CD。 15．（24-25高二下·全国·随堂练习）已知π＋介子、π－介子都是由一个夸克（夸克u或夸克d）和一个反夸克（反夸克或反夸克）组成的，它们的带电荷量如表所示，表中e为元电荷. 粒子 π＋ π－ u d 带电荷量 ＋e －e 下列说法正确的是（　　） A．π＋由u和组成 B．π＋由d和组成 C．π－由u和组成 D．π－由d和组成 【答案】AD 【详解】AB．因π＋介子带有＋e的电荷量，且是由一个夸克和一个反夸克组成的，则夸克u带和反夸克带合成电荷量为＋e，那么π＋介子是由夸克u和反夸克组成的，故A正确，B错误； CD．同理，π－介子由夸克d和反夸克组成，故C错误，D正确。 故选AD。 16．（2022高三·全国·专题练习）质子和中子属于强子，强子是由更基本的粒子——夸克组成。根据夸克理论，夸克有6种，它们是上夸克、下夸克、奇夸克、粲夸克、底夸克和顶夸克。它们的带电荷量分别为±或±e，电荷量e为元电荷。已知一个质子由两个上夸克和一个下夸克组成，一个中子由两个下夸克和一个上夸克组成。则下列说法正确的是（　　） A．上夸克的电荷量为＋ B．下夸克的电荷量为- C．上夸克的电荷量为- D．下夸克的电荷量为＋ 【答案】AB 【详解】根据质子带电荷量为＋e和中子不带电，设上、下夸克的电荷量分别为q1、q2，则有 2q1＋q2=＋e q1＋2q2=0 解得 q1=＋ q2=- 故选AB。 17．（24-25高二下·全国·课后作业）2023年4月12日21时，我国全超导托卡马克核聚变装置成功实现稳态高约束模式等离子体运行403秒，在该装置内发生的核反应方程是。若的质量是，的质量是，的质量是，X的质量是，光速是c，下列说法错误的是（    ） A．只有氘和氚能发生核聚变，其他原子核不能 B．发生一次上述聚变反应所释放的核能大小为 C．其中粒子X的符号是 D．核聚变反应发生后，需要外界不断给它提供能量才能将反应持续下去 【答案】ABD 【详解】A．理论上，原子序数小于铁的都可以发生核聚变，不一定是氘和氚，A错误，符合题意； B．发生一次题述聚变反应所释放的核能大小为，B错误，符合题意； C．由核反应前后质量数守恒和电荷数守恒可知，其中粒子X的符号是，C正确，不符题意； D．核聚变一旦发生，就不再需要外界给它能量，靠自身产生的能量就会使反应继续下去，D错误，符合题意。 故选ABD。 18．（23-24高二下·全国·课后作业）对于下列四个核反应方程的说法正确的是（　　） ①                ② ③        ④ A．①是发现中子的核反应方程 B．②是链式反应方程 C．③是核裂变方程，其中 D．④是衰变方程，其中Y是中子 【答案】AC 【详解】A．①是发现中子的核反应方程，故A正确； B．②是轻核聚变反应方程，故B错误； C．③是核裂变方程，根据质量数和电荷数守恒，可得，故C正确； D．④是原子核的人工转变方程，根据质量数和电荷数守恒可知，Y的质量数为1，电荷数为1，是质子，故D错误。 故选AC。 19．（22-23高二下·上海·随堂练习）据新华社报道，由我国自行设计、研制的世界第一套全超导核聚变实验装置（又称“人造太阳”）已完成了首次工程调试。下列关于“人造太阳”的说法正确的是（　　） A．“人造太阳”的核反应方程是H＋H→He＋n B．“人造太阳”的核反应方程是U＋n→Ba＋Kr＋3n C．根据公式E＝mc2可知，核燃料的质量相同时，聚变反应释放的能量比裂变反应大得多 D．根据公式E＝mc2可知，核燃料的质量相同时，聚变反应释放的能量与裂变反应相同 【答案】AC 【详解】AB．“人造太阳”的核反应方程是H＋H→He＋n。故A正确；B错误； C．根据公式E＝mc2可知，核燃料的质量相同时，聚变反应过程质量亏损较大，所以其释放的能量比裂变反应大得多。故C正确；D错误。 故选AC。 20．（24-25高二下·全国·单元测试）如图所示，2022年6月23日，辽宁红沿河核电站6号机组正式具备商业运行条件，该核电站是中国首次一次同时装机4台百万千瓦级核电机组标准化、规模化建设的核电项目，也是东北地区第一个核电站。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。已知一个原子核在中子的轰击下发生裂变反应，其裂变方程为，下列说法不正确的是（　　） A．裂变方程式左右两边都有中子，可以改写成 B．在中子轰击下发生裂变反应过程中，有质量亏损 C．裂变释放能量，原子核的结合能比原子核的大 D．在自然界中可发生衰变，60个铀核经过一个半衰期后，一定有30个铀核发生衰变 【答案】ACD 【详解】A．裂变反应方程中左右两边都有中子，这是核反应原理，必须有中子的参与，方程不能改写成，故A错误，满足题意要求； B．在中子轰击下发生裂变反应过程中，有质量亏损，故B正确，不满足题意要求； C．结合能和核子数有关，原子核的核子数大于原子核的核子数，原子核的结合能更大，故C错误，满足题意要求； D．半衰期是针对大量放射性元素的统计规律，对少量放射性元素不适用，故D错误，满足题意要求。 故选ACD。 三、解答题 21．（23-24高二下·宁夏石嘴山·期末）一种常见的核聚变反应是由氢的同位素氘（又叫重氢）和氚（又叫超重氢）聚合成氦，并释放粒子X，若已知氘原子的质量为2.0141u，氚原子的质量为3.0160u，氦原子质量为4.0026u，X的质量为1.0087u， （1）写出该核反应方程式（X用物理学上规定的符号表示。）； （2）试计算这个核反应释放出来的能量。（1u相当于931.5MeV） 【答案】（1）；（2） 【详解】（1）该核反应方程式 （2）反应的质量亏损 反应释放出来的能 22．（24-25高二下·全国·单元测试）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，可发生裂变反应生成和，并释放出几个中子，已知每个中子的质量，的质量，的质量，的质量，质量亏损1u相当于释放931MeV的能量，光速，铀的摩尔质量为235g/mol。 (1)请写出上述裂变中的核反应方程； (2)若某原子弹中有60kg的，其中有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，求这颗原子弹释放的能量。（结果保留2位有效数字） 【答案】(1) (2) 【详解】（1）由质量数和电荷数守恒可得该核反应方程为 （2）一个发生裂变反应质量损失 可以求出释放能量为 这颗原子弹中发生裂变的铀235的质量约为 铀235的摩尔质量为，所以 代入数据得 23．（23-24高二下·海南海口·期末）两个氘核以相同动能相向运动并发生正碰，产生一个中子和一个氦核，已知氘核质量=2.0136u，氘核的摩尔质量为=2g/mol，氦核质量=3.0150u，中子质量=1.0087u，lu相当于931.5MeV，取阿伏加德罗常数=。计算结果均保留三位小数。 （1）计算这次反应释放多少核能； （2）若放出的能量全部转化成核的动能，求中子和氦核的动能分别为多少； （3）若共有1g的氘核完全反应，求放出的总能量。 【答案】（1）；（2），；（3） 【详解】（1）由题可知反应过程中质量亏损为 这次反应释放的核能为 （2）因碰撞过程中动量守恒，反应前后总动量为零，所以中子与氦核动量大小相等，方向相反，由公式 可得 根据能量守恒有 解得 ， （3）1g的氘含有的原子数为 发生核反应的次数为，故放出的总能量为 24．（23-24高二下·宁夏银川·期末）两个轻核结合成质量较大的核，这样的核反应叫作核聚变，核聚变反应会释放出核能。例如，一个氘核与一个氚核结合成一个氦核同时放出一个中子，就要向外释放出能量，已知氘核的质量为2.0141u，氚核的质量为3.0161u，中子的质量为1.0087u，氦核的质量为4.0026u。根据爱因斯坦的质能方程E=mc2可以证明1 u相当于931.5 MeV的能量。 （1）写出该核聚变反应的方程。 （2）试根据上述条件计算出该反应能释放出多少兆电子伏特的核能。（结果保留三位有效数字） （3）燃烧值是指完全燃烧1 kg的某种燃料所能释放出的能量，单位是J/kg。若已知某种型号汽油的燃烧值为4.4×107 J/kg，试计算按照上述核反应每结合成1 kg氦核释放的核能大约相当于燃烧多少汽油释放出的化学能?（结果保留三位有效数字，取阿伏加德罗常数NA=6.02×1023mol-1，氦的摩尔质量Mmol=4g/mol） 【答案】（1）；（2）17.6MeV；（3） 【详解】（1）该核聚变反应的方程为 （2）该核反应的质量亏损为 由爱因斯坦的只能方程 得 （3）1kg氦核含有的氦原子核个数 结合成1kg氦核释放的核能 相当于燃烧的汽油 25．（23-24高二下·河北·期中）轻核聚变是比重核裂变产能效率更高的反应，在宇宙中时时刻刻进行着，太阳就是一个巨大的反应堆。若一个氘核（）和一个氚核（）聚变时产生一个中子（）和一个α粒子（）。已知氘核的质量为mD，氚核的质量为mT，中子的质量为mn，α粒子的质量为mα，光速为c，元电荷电荷量为e，普朗克常量为h。 （1）写出核反应方程，并求一个氘核和一个氚核聚变时释放的核能；若此核能以一对同频率的光子向相反方向放出，求此光子的频率； （2）反应放出的α粒子在与匀强磁场垂直的平面内做圆周运动，若α粒子的速度大小为v，磁感应强度大小为B，求α粒子在磁场中做圆周运动的周期T和等效电流I的大小。 【答案】（1），，；（2）， 【详解】（1）核反应方程 由爱因斯坦质能方程可得，反应释放的核能 由得 （2）设轨迹半径为R，由洛伦兹力提供向心力 其中 得粒子在磁场中运动的周期 由电流定义式 得环形电流大小 2 学科网（北京）股份有限公司 $$ 第21讲：核裂变与核聚变、“基本”粒子 【考点归纳】 · 考点一：铀核的核裂变方程 · 考点二：计算核裂变放出的能量 · 考点三:核裂变应用 · 考点四：核聚变现象和条件 · 考点五：典型的核聚变方程 · 考点六：计算核聚变放出的能量 · 考点七：受控热核反应 · 考点八：“基本”粒子 · 考点九：核裂变与聚变的综合问题 【知识归纳】 知识点一、核裂变的发现 1．核裂变：铀核在被中子轰击后分裂成两块质量差不多的碎块，这类核反应定名为核裂变． 2．铀核裂变 用中子轰击铀核时，铀核发生裂变，其产物是多种多样的，其中一种典型的反应是U＋ n→Ba＋Kr＋3n. 3．链式反应 中子轰击重核发生裂变后，裂变释放的中子继续与其他重核发生反应，引起新的核裂变，使核裂变反应一代接一代继续下去，这样的过程叫作核裂变的链式反应． 4．临界体积和临界质量：核裂变物质能够发生链式反应的最小体积叫作它的临界体积，相应的质量叫作临界质量． 知识点二、反应堆与核电站 1．核电站：利用核能发电，它的核心设施是反应堆，它主要由以下几部分组成： (1)燃料：铀棒． (2)慢化剂：石墨、重水和普通水(也叫轻水)． (3)控制棒：为了调节中子数目以控制反应速度，还需要在铀棒之间插进一些镉棒，它吸收中子的能力很强，当反应过于激烈时，将镉棒插入深一些，让它多吸收一些中子，链式反应的速度就会慢一些，这种镉棒叫作控制棒． 2．工作原理 核燃料发生核裂变释放的能量使反应区温度升高，水或液态的金属钠等流体在反应堆内外循环流动，把反应堆内的热量传输出去，用于发电，同时也使反应堆冷却． 3．核污染的处理 在反应堆的外面需要修建很厚的水泥层，用来屏蔽裂变产物放出的各种射线．核废料具有很强的放射性，需要装入特制的容器，深埋地下． 技巧归纳1．核电站的主要部件及作用 组成部分 材料 作用 裂变材料(核燃料) 浓缩铀 提供核燃料 减速剂(慢化剂) 石墨、重水或普通水(也叫轻水) 使裂变产生的快中子减速 控制棒 镉棒 吸收中子，控制反应速度 热交换器 水或液态的金属钠 传输热量 防护层 厚水泥层 防止放射线泄露，对人体及其他生物体造成伤害 知识点三、核聚变 1．定义：两个轻核结合成质量较大的核，这样的核反应叫作核聚变． 2．核反应方程：H＋H→He＋n＋17.6 MeV. 3．条件：使轻核的距离达到10－15 m以内． 方法：加热到很高的温度． 4．宇宙中的核聚变：太阳能是太阳内部的氢核聚变成氦核释放的核能． 5．人工热核反应：氢弹．首先由化学炸药引爆原子弹，再由原子弹爆炸产生的高温高压引发热核爆炸． 6．核聚变与核裂变的比较 (1)优点：①轻核聚变产能效率高；②地球上核聚变燃料氘和氚的储量丰富；③轻核聚变更为安全、清洁． (2)缺点：核聚变需要的温度太高，地球上没有任何容器能够经受如此高的温度． 解决方案：磁约束和惯性约束． 技巧归纳2：重核裂变与轻核聚变的区别 重核裂变 轻核聚变 放能原理 重核分裂成两个或多个中等质量的原子核，放出核能 两个轻核结合成质量较大的原子核，放出核能 放能多少 聚变反应比裂变反应平均每个核子放出的能量要大3～4倍 知识点四、“基本”粒子 1．人们认为光子、电子、质子和中子是组成物质的不可再分的最基本的粒子，把它们叫作“基本粒子”． 2．随着科学的发展，科学家们发现很多新粒子不能看作由质子、中子、电子组成，并发现质子、中子等本身也有自己的复杂的结构． 3、发现新粒子 1932年发现了正电子，1937年发现了μ子,1947年发现了K介子和π介子，后来发现了超子等． 知识点五、粒子的分类 1．强子：是参与(填“参与”或“不参与”)强相互作用的粒子．质子和中子都是强子． 2．轻子：不参与(填“参与”或“不参与”)强相互作用．电子、电子中微子、μ子、μ子中微子以及τ子和τ子中微子都是已发现的轻子． 3．规范玻色子：是传递各种相互作用的粒子，如光子，中间玻色子(W和Z玻色子)、胶子． 4．希格斯玻色子：是希格斯场的量子激发． 知识点三、夸克与粒子物理标准模型 1．夸克、夸克模型：1964年，美国科学家盖尔曼等人提出了夸克模型，认为强子由更基本的成分组成，这种成分叫作夸克． 2．粒子物理标准模型是一整套关于粒子的理论．其中，夸克、轻子、规范玻色子和希格斯玻色子是组成物质的几类最基本的粒子． 技巧归纳3：新粒子的发现及分类 1．新粒子的发现 发现时间 1932年 1937年 1947年 20世纪60年代后 新粒子 反粒子 μ子 K介子与π介子 超子 基本特点 质量、寿命、自旋等物理性质与对应粒子相同，而电荷等其他性质相反 比质子的质量小 质量介于电子与质子之间 质量比质子大 2.粒子的分类 分类 参与的相互作用 发现的粒子 备注 强子 参与强相互作用 质子、中子等 强子有内部结构，由“夸克”构成 轻子 不参与强相互作用 电子、电子中微子、μ子、μ子中微子、τ子、τ子中微子 未发现内部结构 规范玻色子 传递各种相互作用 光子、中间玻色子、胶子等 光子传递电磁相互作用，中间玻色子传递弱相互作用，胶子传递强相互作用 希格斯玻色子 是希格斯场的量子激发 【题型归纳】 题型一：铀核的核裂变方程 1．（24-25高二下·重庆·期中）下列核反应方程中属于核裂变的是（　　） A． B． C． D． 2．（2024·河北·一模）统计显示，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。下列对于铀235相关的核反应的描述中，说法正确的是（　　） A．铀块的体积越小，越容易发生链式反应 B．发生链式反应的核反应方程为 C．在核反应堆中，中子的速度越快，铀核越容易发生核裂变 D．核反应堆中，在铀棒之间插入一些镉棒，主要是为了调节中子数量，控制反应速度 3．（22-23高三下·湖北武汉·阶段练习）1947年，中国科学家钱三强与何泽慧在利用中子轰击铀核的实验中，观察到铀核可能分裂为三部分或四部分，其中的一种裂变反应是。关于铀核裂变，下列说法正确的是（　　） A．的核子平均质量比的小 B．裂变后与裂变前相比，总质量数增加 C．铀核容易俘获快中子而发生裂变释放核能 D．铀的纯度越高，其裂变的链式反应越难进行 题型二：计算核裂变放出的能量 4．（23-24高二下·全国）我国自主研发的“玲珑一号”核反应堆，是全球最小的商用核反应堆，核反应方程为，反应产物会发生衰变。已知核、、和的质量分别是、、和，为，真空中的光速。则下列说法正确的是（　　） A．核反应方程中的， B．核的比结合能小于核的比结合能 C．的衰变方程为 D．一个核裂变放出的核能约为 5．（23-24高二下·浙江宁波·期末）2021年12月秦山核电站迎来安全发电30周年。核电站利用铀核裂变释放的能量每年发电约，相当于减排二氧化碳五千万吨。为了提高能源利用率，核电站还将利用冷却水给周围居民供热。下列说法正确的是（　　） A．裂变反应产物的比结合能比大 B．秦山核电站发电使原子核亏损的质量约为2kg C．反应堆中存在的核反应 D．核电站常用的慢化剂有石墨、重水和普通水，可以减慢链式反应 6．（22-23高二下·浙江绍兴·期末）一座大型核电站用加压水核反应堆提供动力，反应堆产生的热功率为3400MW，发电站能够产生1100MW的电能。所用燃料是的氧化铀形式的铀棒，分别放置在根燃料棒中，其中铀含量是浓缩到3%的铀235。如果每个铀235的质量为，一个铀235核裂变按释放能量200MeV估算，下列说法正确的是（    ） A．该电站每天发生裂变的铀235质量约为3.6kg B．核裂变反应中释放了大量能量，反应后产物的比结合能减小 C．该反应又称为热核反应 D．反应堆中的镉棒可以将“快中子”变成“慢中子”，从而控制链式反应速度 题型三:核裂变应用 7．（24-25高二下·重庆·期中）核反应堆是核电站的核心装置。下列叙述正确的是（　　） A．控制棒通过释放中子来加快反应速率 B．减速剂（如石墨）的作用是减慢中子速度 C．核反应堆中发生的核反应主要为核聚变 D．冷却剂将热量直接转化为电能以供使用 8．（24-25高二下·全国）核反应堆是实现可控制的重核裂变链式反应的一种装置，它的主要组成部分是（　　） A．原子燃料、慢化剂、冷却系统和控制调节系统 B．原子燃料、慢化剂、发热系统和传热系统 C．原子燃料、调速剂、碰撞系统和传热系统 D．原子燃料、中子源、原子能聚存和输送系统 9．（24-25高二下·全国）以下关于核能发电的说法正确的是（    ） A．核能发电利用的是轻核聚变释放出来的核能 B．核裂变过程满足电荷数守恒和质量数守恒 C．核裂变过程中释放核能是因为新核的比结合能小 D．裂变物质的体积小于临界体积时才能发生链式反应 题型四：核聚变现象和条件 10．（22-23高二下·辽宁·期末）2023年4月12日21时，中国有“人造太阳”之称的全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）创造新的世界纪录，成功实现稳态高约束模式等离子体运行403秒。下列关于核聚变的说法正确的是（　　） A．核电站采用核聚变技术发电 B．任何两个原子核都可以发生聚变 C．两个轻核结合成质量较大的原子核，核子的比结合能变小 D．两个轻核结合成质量较大的原子核，生成核的质量小于两轻核的质量之和 11．（22-23高二下·湖南·期末）新能源是指刚开始开发利用或正在积极研究、有待推广的能源，如太阳能、风能和核聚变能等，下列关于太阳能、核聚变的说法正确的是（    ）    A．太阳能是来自太阳内部进行的热核反应，它属于重核的裂变 B．轻核聚变过程中质量增大且放出巨大能量 C．核聚变方程中的粒子是中子 D．核电站是利用轻核聚变的链式反应产生的能量来发电的 12．（2023·天津·高考真题）关于太阳上进行的核聚变，下列说法正确的是（　　） A．核聚变需要在高温下进行 B．核聚变中电荷不守恒 C．太阳质量不变 D．太阳核反应方程式： 题型五：典型的核聚变方程 13．（23-24高二下·全国·单元测试）下列说法正确的是（　　） A．中X为中子，反应类型为衰变 B．中Y为中子，反应类型为人工核转变 C．，其中K为10个中子，反应类型为重核裂变 D．，其中Z为氢核，反应类型为轻核聚变 14．（24-25高二下·全国·课后作业）下列方程中属于核聚变的是（　　） A． B． C． D． 15．（24-25高二下·全国·单元测试）能源是社会发展的基础，发展核能是解决能源问题的途径之一。下列关于核反应方程的说法，正确的是（    ） A．是α衰变 B．是目前人类获得核能的主要方式 C．中的X是质子 D．是核聚变，反应后的总质量较聚变前增加 题型六：计算核聚变放出的能量 16．（24-25高二下·全国）太阳内部发生的核反应主要是核聚变，太阳中存在的主要元素是氢，氢核的核聚变反应可以看做是4个氢核（H）结合成1个氦核（He）。表中列出了部分粒子的质量（1 u相当于931.5 MeV的能量），以下说法中不正确的是（　　） 粒子名称 质子p α粒子 电子e 中子n 质量/u 1.007 3 4.001 5 0.000 55 1.008 7 A．核反应方程式为4H→He＋2e B．核反应方程式为4H→He＋2e C．4个氢核结合成1个氦核时的质量亏损为0.026 6 u D．聚变反应过程中释放的能量约为24.8 MeV 17．（23-24高二下·北京大兴·期末）一个氘核与一个氚核结合成一个氦核同时放出中子，反应方程为。已知氘核、氚核、氦核和中子的质量分别为和 ，光在真空中的速度为c，下列说法正确的是（　　） A． B．该核反应可以在常温下进行 C．该核反应释放的能量 D．该核反应中的核燃料是目前核电站采用的核燃料 18．（23-24高二下·广东广州·期末）我国研制新一代可控核聚变研究装置“中国环流器二号M”（又被称为“人造太阳”）在2020年12月4日在成都建成并实现首次发电。其所发生的可控核聚变方程是，已知、、和的质量分别为、、和，真空中的光速为。下列说法正确的是（　　） A．是电子 B．大亚湾核电站就是利用此核反应发电 C．该核反应所释放的核能为 D．、的比结合能大于的比结合能 题型七：受控热核反应 19．（21-22高二下·河北沧州·期末）2022年5月2日，作为中国东北地区第一座核电站及最大的能源投资项目，辽宁红沿河核电站6号机组首次并网发电。有关核反应和核能，下列说法正确的是（　　） A．目前核能发电是利用核聚变，氢弹是利用核裂变的链式反应原理 B．核潜艇的动力装置是核反应堆，核反应堆中用镉棒控制核裂变的反应速度 C．核电站设备应用链式反应，当铀块的体积小于临界体积时就会发生链式反应 D．原子核必须在超高温下才能发生聚变，说明核聚变过程需要吸收能量 20．（2022·辽宁·模拟预测）2020年3月2日9时12分，我国具有完全自主知识产权的三代核电“华龙一号”全球首堆——中核集团福清核电5号机组热态性能试验基本完成，为后续机组装料、并网发电等工作奠定了坚实基础。该机组正式运行后的核反应方程之一为，下列说法正确的是（　　） A．该核反应中，X是质子 B．该核反应属于热核反应 C．的比结合能比的比结合能大 D．该核反应的产物的结合能之和小于反应物的结合能之和 21．（20-21高二下·山东青岛·期末）中国的“人造太阳”，又称东方超环，全称是全超导托卡马克核聚变实验装置，是中国新一代先进磁约束核聚变实验研究装置。2021年5月28日，中国的“人造太阳”实现了可重复的1.2亿度101秒等离子体运行，刷新了世界纪录。所谓“人造太阳”，就是在地球上模拟太阳内部发生的核聚变反应，为人类提供源源不断的清洁能源。其内部发生的一种核聚变反应方程为，下列说法正确的是（　　） A．反应产物X为 B．核聚变后的产物X比结合能小于的比结合能 C．可控的人工轻核聚变与核裂变相比更为安全、清洁 D．要实现核聚变，需要将轻核加热到很高的温度，使它们具有足够的动能克服核力作用而碰撞结合在一起 题型八：“基本”粒子 22．（2022·上海·模拟预测）关于粒子的说法，正确的是（    ） A．发生衰变时放出的射线是电子流，射线来自原子核，说明原子核里有电子 B．德布罗意通过实验验证了实物粒子具有波动性 C．发生光电效应时，从金属表面逸出的光电子是一次性吸收光子的全部能量，不需要积累的时间 D．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，叫作“基本粒子” 23．（2022高三·全国·专题练习）关于粒子，下列说法中正确的是（　　） 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、轻子都由夸克组成 D．许多粒子都存在反粒子 24．（2022高三·全国·专题练习）正电子是电子的反粒子，它跟普通电子的电荷量大小相等，而电性相反，科学家设想在宇宙的某些部分可能存在完全由反粒子构成的物质——反物质。1997年，欧洲和美国的科学研究机构先后宣布：他们分别制造出9个和7个反氢原子，这是人类探索反物质的一大进步。你推测反氢原子的结构是（　　） A．由一个带正电荷的质子和一个带负电荷的电子构成 B．由一个带负电荷的反质子和一个不带电荷的中子构成 C．由一个不带电荷的中子和一个带负电荷的电子构成 D．由一个带负电荷的反质子与一个带正电荷的正电子构成 题型九：核裂变与聚变的综合问题 25．（24-25高二下·全国）2023年4月12日，中科院合肥物质科学研究院有“人造太阳”之称的全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）创造新的世界纪录，成功实现403秒稳态高约束模式等离子体运行。科研人员称该成果表明未来聚变实验堆高约束稳态运行具备可行性，对于探索未来聚变堆前沿物理等问题具有重要意义。一种典型的氢核聚变反应是两个氘核（）聚变成氦核（），同时释放中子，已知氘核质量为2.0136u，氦核质量为3.0150u，中子质量为1.0087u，1u的质量相当于931.5MeV的能量。 (1)写出上述核反应方程式； (2)求核反应中释放的核能； (3)原子核具有足够的动能去克服库仑斥力，碰撞时十分接近，才可以发生核聚变。若两个氘核以相等的动能进行对心碰撞，已知一个氘核动能大小为0.37MeV，并且核反应释放的核能全部转化为机械能，求反应中产生的中子和氦核的动能。 26．（24-25高二下·全国）利用核反应堆工作时释放出的热能使水汽化以推动汽轮发电机发电，这就是核电站。核电站消耗的“燃料”很少，但功率却很大，目前，核能发电技术已经成熟。 (1)核反应堆中的“燃料”是，完成下面的核反应方程式，。 (2)一座100万千瓦的核电站，每年需要多少千克浓缩铀？已知铀核的质量为235.0439u，氙核质量为135.9072u，锶核质量为89.9077u。1ukg，中子的质量为1.0087u，浓缩铀中铀235的含量占2%。（一年按365天计算，保留2位有效数字，mol⁻¹） 27．（23-24高二下·河南南阳·期末）2022年10月19日下午，中国新一代“人造太阳”装置（HL-2M等离子体电流突破100万安培（1兆安），创造了中国可控核聚变装置运行新纪录，标志着我国核聚变研发距离聚变点火迈进重要一步，跻身国际第一方阵，技术水平居国际前列。“人造太阳”主要是将氘核聚变反应释放的能量用来发电。已知氘核的质量为，中子的质量为，核的质量为。两个速率相等的氘核对心碰撞聚变成并放出一个中子，已知质量亏损为时，释放的能量为，除了计算质量亏损外，核的质量可以认为是中子的3倍。 （1）写出该核反应方程。 （2）该核反应释放的核能为多少？（结果保留三位有效数字） （3）若两个氘核以相同的动能正碰而发生核聚变，同时释放出一对向相反方向运动的光子，每个光子的能量为，求生成的核的动能。（结果保留两位有效数字） 【过关精练】 一、单选题 1．（21-22高三·全国）下列说法的正确的是（　　） A．目前，人们认为粒子界由夸克、强子、轻子构成 B．强子是参与强相互作用的粒子，质子是最早发现的强子 C．电子、质子和中子是组成物质的不可再分的基本粒子 D．夸克的带电荷量是电子电荷量的整数倍 2．（2022高三·全国·专题练习）下列说法正确的是（　　） A．许多粒子都有自己的反粒子，反粒子与其对应的粒子相遇时，会发生湮灭现象 B．规范玻色子是几种基本粒子中最后一个被发现的 C．希格斯玻色子是传递各种相互作用的粒子 D．光子属于轻子 3．（24-25高二下·全国）铀核裂变是在反应堆中进行的，核反应堆主要由铀棒、镉棒、慢化剂、冷却系统和水泥防护层组成，镉棒在反应堆中起的作用主要是（　　） A．使快中子变成慢中子 B．使慢中子变成快中子 C．使反应速度加快 D．控制反应速度，调节反应速度的快慢 4．（23-24高二下·全国·单元测试）下列原子核变化的方程中，表示重核裂变过程的是（　　） A． B． C． D． 5．（24-25高二下·全国·课后作业）中国最高参数“人造太阳”已在成都建成并投入使用，人造太阳是利用氘核聚变实现的，反应方程是，下列说法正确的是（    ） A．该反应过程满足电荷守恒和质量守恒 B．重核裂变比轻核聚变更为安全、清洁 C．聚变反应相比裂变反应，平均每个核子释放的能量多 D．目前核反应堆产生的能量主要来自轻核聚变 6．（24-25高二下·全国·课后作业）核动力航空母舰因其性能强劲被称为海上霸主，它利用可控核裂变释放的核能获得动力。有一种核裂变的方程为，关于该核裂变，下列说法正确的是（    ） A．X的核子数为141 B．X的中子数为75 C．核反应方程可以简化为 D．X比稳定 7．（24-25高二下·全国·课后作业）电影《流浪地球2》中太阳核心聚变加速，导致内核温度高达一亿度，足以产生“氦闪”。如图所示，现实中太阳内层的氢发生聚变，每4个会聚变成1个，即质子-质子链反应。下列说法不正确的是（    ） A．两个合成的过程中产生一个中子 B．比少一个中子 C．和聚合成，反应前后质量数守恒 D．的比结合能大于的比结合能 8．（24-25高二下·全国·课后作业）铀原子核既可发生衰变，也可发生裂变。其衰变方程为，裂变方程为，其中、、Y、的质量分别为、、、，光在真空中的传播速度为c。下列叙述正确的是（    ） A．衰变是衰变，射线可以用来测量钢板的厚度 B．裂变时释放的能量为 C．若提高温度，的半衰期将会变小 D．Y原子核中含有88个中子 9．（23-24高二下·上海·课后作业）下列核反应方程式的书写正确的是（　　） A．钴60衰变的方程为 B．碳14发生衰变的方程为 C．核泄漏污染物的衰变方程为 D．太阳内部的一种核反应是3个氦核变成一个碳核，核反应方程为 10．（23-24高二下·福建福州·期末）中科院EAST全超导托卡马克装置，被称为中国的“人造太阳”，已实现了1.6亿度（约为太阳中心温度的10倍）等离子体运行。其核反应方程是：，则（　　） A．的结合能小于与结合能之和 B．该反应前后核子的总质量相等 C．的比结合能小于的比结合能 D．X为中子 11．（23-24高二下·吉林白山·期末）月球储藏了大量可控核聚变理想燃料氦（），我国探测器已成功着陆月面并带回月壤供科学家研究，地球实验室中完成可控核聚变是靠温度和压力的共同作用完成的，某可控核聚变装置内发生的核反应方程为，下列说法正确的是（    ） A．该反应属于衰变 B．Y是质子 C．该反应中生成物的总质量大于反应物的总质量 D．该反应中反应物的结合能之和大于生成物的结合能之和 12．（23-24高二下·辽宁·期末）碘-131是一种碘的放射性同位素，半衰期为8.02070d，主要来源于核工业及核技术应用、核试验落下灰、核事故释放等，也可在反应堆中以慢中子轰击Te-130或在回旋加速器中以氘轰击Te-130来制得。已知碘核的衰变方程为，碘-131的比结合能为，Xe-131的比结合能为，下列说法正确的是（　　） A．以慢中子轰击Te-130生成碘-131的过程为核聚变反应 B．碘-131衰变产生的射线来自原子的核外电子 C．200个碘-131经过8.02070d还剩余100个 D．一个碘-131衰变释放的能量为 13．（23-24高二下·北京西城·期末）核聚变过程可以释放大量能量。一种典型的聚变反应就是四个氢原子核（质子）结合成一个氦原子核，大约释放28MeV的能量。太阳内部就时刻发生着核聚变。如果想实现人工核聚变，困难在于原子核都带正电，互相排斥，一般情况下不能相互靠近而发生结合，只有在温度达到极高温度时，原子核的热运动速度非常大，才能冲破库仑斥力的壁垒，碰撞到一起发生结合，这叫热核反应。根据统计物理学，绝对温度为T时，粒子的平均动能，其中，叫做玻尔兹曼常量。理论计算表明，当质子的平均动能达到约时，热运动的质子容易发生结合而发生聚变反应。不考虑量子效应及相对论效应，根据以上信息结合经典理论，判断下列说法中正确的是（　　） A．目前核电站利用核聚变反应 B．将氦核的核子全部分开，大约需要28MeV的能量，氦核的比结合能约为14MeV C．若两个质子以相同初动能E0相向运动正碰而恰好结合，则一个质子从远处以初动能2E0与另一个静止的质子发生正碰，也能恰好结合 D．由以上信息可以估算出发生热核反应时的温度约为量级 二、多选题 14．（24-25高二下·全国·课后作业）下列关于核电站的说法中正确的有（　　） A．核电站直接将核能转换为电能 B．反应堆中减速剂是控制核反应速度的 C．核反应的快慢是由控制棒来控制的 D．目前我国核电站所用的核燃料为浓缩铀 15．（24-25高二下·全国·随堂练习）已知π＋介子、π－介子都是由一个夸克（夸克u或夸克d）和一个反夸克（反夸克或反夸克）组成的，它们的带电荷量如表所示，表中e为元电荷. 粒子 π＋ π－ u d 带电荷量 ＋e －e 下列说法正确的是（　　） A．π＋由u和组成 B．π＋由d和组成 C．π－由u和组成 D．π－由d和组成 16．（2022高三·全国·专题练习）质子和中子属于强子，强子是由更基本的粒子——夸克组成。根据夸克理论，夸克有6种，它们是上夸克、下夸克、奇夸克、粲夸克、底夸克和顶夸克。它们的带电荷量分别为±或±e，电荷量e为元电荷。已知一个质子由两个上夸克和一个下夸克组成，一个中子由两个下夸克和一个上夸克组成。则下列说法正确的是（　　） A．上夸克的电荷量为＋ B．下夸克的电荷量为- C．上夸克的电荷量为- D．下夸克的电荷量为＋ 17．（24-25高二下·全国·课后作业）2023年4月12日21时，我国全超导托卡马克核聚变装置成功实现稳态高约束模式等离子体运行403秒，在该装置内发生的核反应方程是。若的质量是，的质量是，的质量是，X的质量是，光速是c，下列说法错误的是（    ） A．只有氘和氚能发生核聚变，其他原子核不能 B．发生一次上述聚变反应所释放的核能大小为 C．其中粒子X的符号是 D．核聚变反应发生后，需要外界不断给它提供能量才能将反应持续下去 18．（23-24高二下·全国·课后作业）对于下列四个核反应方程的说法正确的是（　　） ①                ② ③        ④ A．①是发现中子的核反应方程 B．②是链式反应方程 C．③是核裂变方程，其中 D．④是衰变方程，其中Y是中子 19．（22-23高二下·上海·随堂练习）据新华社报道，由我国自行设计、研制的世界第一套全超导核聚变实验装置（又称“人造太阳”）已完成了首次工程调试。下列关于“人造太阳”的说法正确的是（　　） A．“人造太阳”的核反应方程是H＋H→He＋n B．“人造太阳”的核反应方程是U＋n→Ba＋Kr＋3n C．根据公式E＝mc2可知，核燃料的质量相同时，聚变反应释放的能量比裂变反应大得多 D．根据公式E＝mc2可知，核燃料的质量相同时，聚变反应释放的能量与裂变反应相同 20．（24-25高二下·全国·单元测试）如图所示，2022年6月23日，辽宁红沿河核电站6号机组正式具备商业运行条件，该核电站是中国首次一次同时装机4台百万千瓦级核电机组标准化、规模化建设的核电项目，也是东北地区第一个核电站。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。已知一个原子核在中子的轰击下发生裂变反应，其裂变方程为，下列说法不正确的是（　　） A．裂变方程式左右两边都有中子，可以改写成 B．在中子轰击下发生裂变反应过程中，有质量亏损 C．裂变释放能量，原子核的结合能比原子核的大 D．在自然界中可发生衰变，60个铀核经过一个半衰期后，一定有30个铀核发生衰变 三、解答题 21．（23-24高二下·宁夏石嘴山·期末）一种常见的核聚变反应是由氢的同位素氘（又叫重氢）和氚（又叫超重氢）聚合成氦，并释放粒子X，若已知氘原子的质量为2.0141u，氚原子的质量为3.0160u，氦原子质量为4.0026u，X的质量为1.0087u， （1）写出该核反应方程式（X用物理学上规定的符号表示。）； （2）试计算这个核反应释放出来的能量。（1u相当于931.5MeV） 22．（24-25高二下·全国·单元测试）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，可发生裂变反应生成和，并释放出几个中子，已知每个中子的质量，的质量，的质量，的质量，质量亏损1u相当于释放931MeV的能量，光速，铀的摩尔质量为235g/mol。 (1)请写出上述裂变中的核反应方程； (2)若某原子弹中有60kg的，其中有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，求这颗原子弹释放的能量。（结果保留2位有效数字） 23．（23-24高二下·海南海口·期末）两个氘核以相同动能相向运动并发生正碰，产生一个中子和一个氦核，已知氘核质量=2.0136u，氘核的摩尔质量为=2g/mol，氦核质量=3.0150u，中子质量=1.0087u，lu相当于931.5MeV，取阿伏加德罗常数=。计算结果均保留三位小数。 （1）计算这次反应释放多少核能； （2）若放出的能量全部转化成核的动能，求中子和氦核的动能分别为多少； （3）若共有1g的氘核完全反应，求放出的总能量。 24．（23-24高二下·宁夏银川·期末）两个轻核结合成质量较大的核，这样的核反应叫作核聚变，核聚变反应会释放出核能。例如，一个氘核与一个氚核结合成一个氦核同时放出一个中子，就要向外释放出能量，已知氘核的质量为2.0141u，氚核的质量为3.0161u，中子的质量为1.0087u，氦核的质量为4.0026u。根据爱因斯坦的质能方程E=mc2可以证明1 u相当于931.5 MeV的能量。 （1）写出该核聚变反应的方程。 （2）试根据上述条件计算出该反应能释放出多少兆电子伏特的核能。（结果保留三位有效数字） （3）燃烧值是指完全燃烧1 kg的某种燃料所能释放出的能量，单位是J/kg。若已知某种型号汽油的燃烧值为4.4×107 J/kg，试计算按照上述核反应每结合成1 kg氦核释放的核能大约相当于燃烧多少汽油释放出的化学能?（结果保留三位有效数字，取阿伏加德罗常数NA=6.02×1023mol-1，氦的摩尔质量Mmol=4g/mol） 25．（23-24高二下·河北·期中）轻核聚变是比重核裂变产能效率更高的反应，在宇宙中时时刻刻进行着，太阳就是一个巨大的反应堆。若一个氘核（）和一个氚核（）聚变时产生一个中子（）和一个α粒子（）。已知氘核的质量为mD，氚核的质量为mT，中子的质量为mn，α粒子的质量为mα，光速为c，元电荷电荷量为e，普朗克常量为h。 （1）写出核反应方程，并求一个氘核和一个氚核聚变时释放的核能；若此核能以一对同频率的光子向相反方向放出，求此光子的频率； （2）反应放出的α粒子在与匀强磁场垂直的平面内做圆周运动，若α粒子的速度大小为v，磁感应强度大小为B，求α粒子在磁场中做圆周运动的周期T和等效电流I的大小。 2 学科网（北京）股份有限公司 $$