5.3-5.5 核力与结合能 核裂变与核聚变 “基本”粒子（重难点训练）物理人教版选择性必修第三册

5.3-5.5 核力与结合能 核裂变与核聚变 “基本”粒子 一、结合能与比结合能 1 二、核力、四种基本相互作用 6 三、质能方程 9 四、核裂变 12 五、核聚变 14 六、基本粒子 17 一、结合能与比结合能 1．放射性同位素锗—68的衰变方程为，则下列说法正确的是（　　） A．X为负电子 B．X来自原子核外 C．比多一个中子 D．的比结合能小于的比结合能 【答案】D 【详解】A．衰变中原子序数减少1，质量数不变，属于β⁺衰变，X为正电子，故A错误； B．β衰变的粒子来自原子核内中子与质子的转化，故B错误； C．Ge的中子数为68−32=36，Ga的中子数为68−31=37，Ge比Ga少1个中子，故C错误； D．衰变后产物更稳定，比结合能更大，故Ge的比结合能小于Ga的比结合能，故D正确。 故选D。 2．钚的一种同位素衰变时释放巨大能量，如图所示，其衰变方程为，并伴随γ光子辐射，则下列说法中正确的是（　　） A．核燃料总是利用比结合能小的核 B．核反应中γ光子的能量就是核的结合能 C．核比核更稳定，说明核的结合能大 D．由于衰变时释放巨大能量，所以核比核的比结合能大 【答案】A 【详解】A．由于比结合能越小的核越不稳定，越容易发生核反应释放能量，所以核燃料总是利用比结合能小的核，故A正确； B．核反应中，反应前系统内所有原子核的总结合能与反应后生成的所有新核的总结合能之差就是该次核反应所释放（或吸收）的核能。所以题设核反应中，的结合能等于和的总结合能与核反应所释放的核能之和，不仅仅等于γ光子的能量，故B错误； CD．衰变时释放巨大能量，说明核比核的结合能大；衰变后的比核更稳定，说明的比结合能大，故CD错误。 故选A。 3．中国科学院近代物理研究所首次合成的新核素会发生衰变，衰变方程为，其中、、X的比结合能分别为E1、E2、E3。下列说法中正确的是（　　） A．X粒子为电子 B．的半衰期随温度升高而减小 C．该衰变反应释放的核能为 D．比少4个中子 【答案】C 【详解】A．衰变方程中，质量数守恒：210 = 206 + 4，电荷数守恒：91 = 89 + 2，故X为α粒子，A错误； B．半衰期是原子核的固有属性，与温度无关，B错误； C．结合能是 “核子结合成原子核时释放的能量”，衰变释放的能量等于反应前后结合能的变化：反应前结合能为210E1，反应后结合能为206E2+4E3，故释放的核能为（206E2 + 4E3）− 210E1，C正确； D．Pa的中子数为210 − 91 = 119，Ac的中子数为206 − 89 = 117，两者相差2个中子，而非4个，D错误。 故选C。 4．如图，将1mol半衰期为的放射性元素的原子核放入开有小孔的铅制容器中，并在空间施加垂直纸面向里的匀强磁场，发现射线分成三束。已知X原子核衰变后成为Y原子核，则下列说法正确的是（　　） A．射线①可以穿透几毫米厚的铝板 B．射线②的电离作用比射线③的电离作用强 C．原子核的比结合能小于原子核的比结合能 D．经过一段时间后，原子核衰变了 【答案】C 【详解】AB．根据射线在磁场中的偏转情况可知，射线①带正电为射线，射线②不带电为射线，射线③带负电为射线，射线不可以穿透几毫米厚的铝板，射线的电离作用比射线的电离作用强，故AB错误； C．在原子核衰变中，反应物的比结合能小于生成物的比结合能，所以原子核的比结合能小于原子核的比结合能，故C正确； D．根据半衰期的定义，经过一段时间后，原子核剩余未发生衰变，故D错误。 故选C。 5．原子核的比结合能曲线如图所示。根据该曲线，下列判断正确的是（　　） A．核的结合能约为 B．核比核更稳定 C．4个核反应生成核时释放能量 D．核中核子的平均结合能比核中的大 【答案】C 【详解】A．由题图可知核的比结合能约为7 MeV，所以结合能约为4×7 MeV＝28MeV，故A错误； B．核的比结合能比核的比结合能小，所以核更稳定，故B错误； C．4个核反应生成核，由比结合能小的反应生成比结合能大的要释放能量，故C正确； D．核中核子的平均结合能比核中的小，故D错误。 故选C。 6．已知铀核发生衰变的方程为，下列分析正确的是（　　） A．该衰变属于衰变，衰变过程中原子核内一个中子转化为质子 B．衰变后钍核内的核力比铀核内的核力弱 C．钍核的比结合能比铀核的比结合能大 D．衰变过程中原子核的总质量增加，遵循能量守恒定律 【答案】C 【详解】A．该衰变释放的是粒子（氦核），属于衰变，故A错误； B．钍核的核子数比铀核少，但核力强弱无法直接通过核子数简单比较，故B错误； C．比结合能越大，原子核越稳定。铀核发生衰变后生成的钍核比铀核更稳定，因此钍核的比结合能比铀核的比结合能大，故C正确； D．衰变过程中存在质量亏损，总质量减少，减少的质量以能量的形式辐射出去，但总能量守恒，故D错误。 故选C。 7．原子核的比结合能如图所示。下列说法正确的是（　　） A．核比核更稳定 B．核比核核子数多，比结合能大 C．核比核结合能大，比结合能小 D．两个核结合成核，需要吸收能量 【答案】C 【详解】A．由图像可知，质量数居中时，比结合能越大，原子核越稳定，但是核比结合能显然小于核，所以核更稳定，故A错误。 B．核比核更靠近中等核，所以核比结合能大，故B错误。 C．核比核更靠近中等核，所以核比结合能小，但是核核子更多，结合能大，故C正确。 D．两个核结合成核有质量损失，释放能量，故D错误。 故选C。 8．根据放射性强度减小的情况可以推算植物死亡的时间，其衰变方程。在大气中的含量相当稳定，活的植物与环境交换碳元素，其体内的比例与大气中的相同，枯死的植物仍在衰变，但已不能得到补充。已知的半衰期为，下列说法正确的是（　　） A．衰变时释放的粒子X是 B．比的比结合能小 C．随着全球变暖，的半衰期变短 D．若枯死植物含量为大气中含量的，则死亡时间为kT 【答案】D 【详解】A．根据质量数与电荷数守恒有14-14=0，6-7=-1，可知X是，故A错误； B．衰变反应释放能量，生成核比反应核更加稳定，原子核越稳定，比结合能越大，可知比的比结合能大，故B错误； C．半衰期是原子核的固有属性，由核内部结构决定，与温度、压强等外界条件无关，故C错误； D．根据半衰期公式，剩余质量满足 当剩余比例为时，有 解得，故D正确。 故选D。 9．如图所示，轧钢厂的热轧机上安装有射线测厚仪，测厚仪使用的放射性同位素为镅，其衰变方程为，则（    ） A．衰变方程中的X等于227 B．比的比结合能大 C．射线的电离能力比射线弱 D．可以自发地发射出射线 【答案】D 【详解】A．根据质量数守恒，241 = x + 4，解得x=237，故A错误； B．衰变向比结合能更高的产物进行，因此Am的比结合能小于Np的比结合能，故B错误； C．α射线电离能力比γ射线强，故C错误； D．衰变生成的Np可能处于激发态，会自发辐射γ射线，故D正确。 故选D。 10．钚的放射性同位素衰变为铀核和新核，已知的质量为、的质量为和新核的质量为，且相当于的能量。其中衰变方程为。下列说法正确的是（　　） A．衰变方程中的为中子 B．的平均核子质量小于 C．的比结合能是 D．该衰变过程放出的核能的数量级为 【答案】D 【详解】A．衰变方程中，钚衰变为铀，原子序数减少2，质量数减少4，符合衰变特征，放出氦核。因此，X应为α粒子而非中子，故A错误； B．比结合能高的核更稳定。衰变产物铀比钚更稳定，说明铀的比结合能更高。比结合能与平均核子质量成反比，因此的平均核子质量大于，故B错误； C．比结合能是原子核总结合能除以核子数。表达式对应的是衰变释放的核能，而并不是钚的比结合能，故C错误； D．质量亏损 释放能量 换算为焦耳：，数量级为，故D正确。 故选D。 二、核力、四种基本相互作用 11．关于核力，下列说法正确的是（　　） A．核力是一种特殊的万有引力 B．原子核内只有质子和质子间有核力作用，而中子和中子之间、质子和中子之间则没有核力作用 C．核力是原子核稳定存在的原因 D．核力是一种短程力 【答案】CD 【详解】A．核力是强相互作用，不是万有引力，故A错误； BCD．核力是短程力，作用范围在之内；核力只存在于相邻的核子之间，质子间、中子间、质子和中子间都可以有核力作用，核力是原子核能稳定存在的原因，故B错误，CD正确。 故选CD。 12．下列说法正确的是（　　） A．核力是短程力，作用范围很小，只在邻近核子间发生 B．核力可能是引力，也可能是斥力。核力把核子紧紧束缚在核内，形成稳定的原子核，但又不会融合在一起 C．质子间、中子间、质子和中子之间都可能有核力 D．核力是一种弱相互作用力，在其作用范围内，核力比库仑力大得多 【答案】ABC 【详解】A．核力是短程力，作用范围很小，只在邻近核子间发生，核力的作用范围约为，仅在相邻核子间显著作用，故A正确； B．核力可能是引力，也可能是斥力。核力把核子紧紧束缚在核内，形成稳定的原子核，但又不会融合在一起，核力在中等距离时表现为强吸引力，维持原子核稳定；当核子间距过小时转为斥力，防止核子融合，故B正确； C．质子间、中子间、质子和中子之间都可能有核力，核力与电荷无关，所有核子（质子、中子）间均存在核力，故C正确； D．核力是一种弱相互作用力，在其作用范围内，核力比库仑力大得多，核力属于强相互作用，而弱相互作用是另一类基本力（如β衰变），故D错误。 故选ABC。 13．2022年，由数十个国家的科学家组成的团队发现了“四中子”存在的明确证据。这是一种只由四个中子构成的粒子，用表示。“四中子”是通过向液态氢靶上发射“氦8”（原子核）而产生的，与碰撞可将一个核分裂成一个α粒子和一个“四中子”，同时放出Z光子，如图。则下列有关“四中子”粒子的说法正确的是（　　） A．“四中子”的四个核子间不存在电磁相互作用 B．可以通过回旋加速器加速“四中子”，使之形成高能粒子流 C．产生“四中子”的核反应为 D．α粒子和“四中子”的质量之和小于“氦8” 【答案】AD 【详解】A．“四中子”的核子由于是中子构成的，其不带电，核子间的作用力没有电磁力，故A正确； B．由于中子不带电，所以四中子也是不带电，即无法通过电磁场使形成高速粒子束，故B错误； C．由电荷数守恒和质子数守恒，其核反应方程应该为，故C错误； D．该核反应方程引发质量亏损，放出Z光子，故D正确。 故选AD。 14．下列关于四种基本相互作用的说法正确的是（　　） A．万有引力把行星、恒星等聚在一起形成太阳系、银河系和其他星系，故万有引力只存在于天体之间 B．四种基本相互作用是独立存在的，有一种相互作用存在时，就一定不存在其他相互作用 C．强相互作用和弱相互作用只存在于微观粒子之间 D．四种基本相互作用的规律有很多相似之处，因此科学家可能建立一种“统一场论”将四者统一起来 【答案】CD 【详解】A．宇宙万物任何两个物体之间都存在着相互作用的吸引力，这种引力叫做万有引力，故A错误； B．四种基本相互作用的规律既是独立的，又是统一的，有一种相互作用存在时，还可以存在其它相互作用，故B错误； C．强相互作用存在于原子核内，作用范围在1.5×10-15m之内，弱相互作用力是微观粒子之间的一种作用力，作用距离约10-18m，强相互作用和弱相互作用是短程力，只存在于微观粒子之间；故C正确； D．四种基本相互作用的规律既是独立的，又是统一的，四种基本相互作用的规律有很多相似之处，因此，科学家可能建立一种“统一场论”将四者统一起来，故D正确。 故选CD。 15．关于自然界中最基本的四种相互作用，下列说法正确的是（　　） A．重力、弹力、摩擦力、电磁力就是自然界中最基本的四种相互作用 B．万有引力、弹力、摩擦力、电磁力就是自然界中最基本的四种相互作用 C．弹力、摩擦力是由电磁力引起的 D．两个异名磁极之间相互吸引，这种力属于四种相互作用中的引力相互作用 【答案】C 【详解】AB．自然界中最基本的四种作用是引力相互作用、电磁相互作用、强相互作用和弱相互作用，AB错误； C．弹力、摩擦力是由电磁力引起的，C正确； D．两个异名磁极之间相互吸引，这种力属于四种相互作用中的电磁相互作用，D错误。 故选C。 三、质能方程 16．原来静止的原子核质量为，处在区域足够大的匀强磁场中，经衰变后变成质量为的原子核，粒子的质量为，已知粒子的速度垂直于磁场，且动能为，假定原子核衰变时释放的核能全部转化为动能，则下列四个结论中，正确的是（　　） A．原子核与粒子在磁场中运动的周期之比为 B．原子核与粒子在磁场中运动的半径之比为 C．此衰变过程中的质量亏损为 D．此衰变过程中释放的核能为 【答案】D 【详解】A．根据题意可知，粒子在磁场中做圆周运动的周期为 则原子核与粒子在磁场中运动的周期之比为，故A错误； B．根据题意可知，衰变过程中动量守恒，Y和α粒子动量大小相等，由 可得 则原子核与粒子在磁场中运动的半径之比为，故B错误； C．质量亏损为衰变前总质量减去衰变后总质量，即，故C错误； D．总动能 由动量守恒定律有 结合动能公式 可得 则有，故D正确。 故选D。 17．用粒子加速器加速后的质子轰击静止的锂原子核，生成两个动能均为8.919MeV的α粒子（），其核反应方程式为：，已知质子质量为1.007825u，锂原子核的质量为7.016004u，α粒子的质量为4.00260u，1u相当于931MeV的能量。若核反应释放的能量全部转化为α粒子的动能，则入射质子的动能约为（　　） A．0.5MeV B．8.4MeV C．8.9MeV D．17.34MeV 【答案】A 【详解】该反应放出能量为 则入射质子的动能为 故选A。 18．钍基熔盐堆被视为第四代核能技术的绿色革命，我国在该实验堆的技术突破上具有全球领先地位。该反应堆中利用钍-铀循环产能，（钍核）吸收一个粒子X后转化为钍233，钍233衰变后生成（铀核），吸收热中子后发生裂变反应，释放大量能量。下列说法正确的是（    ） A．粒子X为质子 B．钍233要发生两次β衰变才能生成 C．温度越高，钍233的半衰期越短 D．吸收热中子后发生的裂变反应没有质量亏损 【答案】B 【详解】A．钍232（）吸收粒子X后变为钍233（质量数+1），X应为中子（），而非质子，故A错误； B．钍233（Z=90）经两次β衰变（每次Z+1，质量数不变）生成铀233（Z=92），故B正确； C．半衰期由核内部结构决定，与温度无关，故C错误。 D．核裂变释放能量，根据质能方程可知该过程必然伴随质量亏损，故D错误。 故选B。 19．太阳内部持续不断地发生着四个质子聚变为一个氦核同时放出两个正电子的热核反应，这个核反应释放出的大量能量就是太阳的能源。已知质子质量为mH＝1.007 3 u，氦核质量为mHe＝4.002 6 u，电子质量为me＝0.000 55 u，1 u相当于931.5 MeV的能量，真空中的光速c＝3×108 m/s。 (1)写出这个核反应方程； (2)这一核反应能释放多少能量？ (3)已知太阳每秒释放的能量为3.8×1026 J，则太阳每秒减少的质量为多少千克？ 【答案】(1) (2)23.8 MeV (3)4.2 × 109 kg 【详解】（1）四个质子聚变为一个氦核同时放出两个正电子的热核反应方程为。 （2）根据爱因斯坦质能方程，核反应释放的能量为。 （3）太阳每秒减少的质量为。 20．（1）已知中子的质量是mn＝1.674 9×10－27 kg，质子的质量是mp＝1.672 6×10－27 kg，氘核的质量是mD＝3.343 6×10－27 kg，真空中的光速c＝3.00×108 m/s，e＝1.60×10－19 C，求氘核的比结合能是多少MeV。 （2）一个静止的铀核（原子质量为232.037 2 u）放出一个α粒子（原子质量为4.002 6 u）后衰变成钍核（原子质量为228.028 7 u），已知1 u相当于931.5 MeV的能量（结果保留三位有效数字）。 （ⅰ）写出铀核的衰变反应方程； （ⅱ）算出该衰变反应中释放出的核能； （ⅲ）若释放的核能全部转化为新核和α粒子的动能，则α粒子的动能为多少？ 【答案】（1）1.1 MeV （2）（ⅰ） （ⅱ） （ⅲ） 【详解】（1）根据质能方程 ，质量亏损 代入数据可得比结合能 （2）（ⅰ）核反应方程，电荷数守恒，质量数守恒 （ⅱ）该衰变反应中释放出的核能 （ⅲ）铀核发生α衰变过程中动量守恒 释放的核能全部转化为新核和α粒子的动能 解得α粒子的动能 21．原子弹和核反应堆都利用了原子核裂变产生的能量，后者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，质量亏损相当于释放的能量，真空中光速。 (1)请写出上述裂变中的核反应方程； (2)求一个在裂变反应中释放的核能的表达式（用表示）； (3)若某原子弹装料为的，其中大约有发生裂变，真实的裂变情况有很多种，假设发生的都是上述裂变反应，已知阿伏伽德罗常数，铀235的摩尔质量为，求这颗原子弹释放的能量约为多少？（结果保留2位有效数字） 【答案】(1) (2) (3) 【详解】（1）由质量数和电荷数守恒可得该核反应方程为 （2）反应前后质量亏损为 根据爱因斯坦质能方程 联立得 （3）一个在裂变反应中的质量亏损 根据爱因斯坦质能方程，可以求出一个在裂变反应中释放的能量为 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M约为，所以有 代入数据解得 四、核裂变 22．关于原子核、核反应，下列说法正确的是（　　） A．为衰变，放出的射线有很强的穿透性 B．氪不稳定，衰变成为锆需经过2次衰变 C．会放出能量，是目前核电站的主要核反应 D．已知中子、质子和氘核的质量分别为、和，则氘核的比结合能为 【答案】C 【详解】A．该反应是轻核聚变而非衰变。且射线穿透性弱，故A错误； B．衰变使原子序数，质量数不变。由变为，原子序数增加4，需4次衰变，而非2次，故B错误； C．该反应为的裂变，是核电站主要反应，故C正确； D．氘核结合能应为，比结合能应为，故D错误。 故选C。 23．下列4个核反应方程中，为核反应中产生的粒子，下列说法正确的是（　　） ① ② ③ ④ A．核反应①和④为核裂变反应 B．X粒子和Y粒子均带负电 C．核反应④中，的比结合能小于的比结合能 D．核反应③中，有中子转化成了质子和电子 【答案】D 【详解】A．①是α衰变（放出氦核），属于自发衰变，不是核裂变；④是典型的核裂变反应，A错误； B． 中，X的核电荷数为0（左右电荷守恒），故X为中子（不带电）；是β衰变，Y为电子（带负电）， B错误； C．核裂变释放能量，生成物越稳定比结合能越大，则的比结合能大于，C错误； D．核反应③中，是β衰变，β衰变本质是中子转化为质子和电子，D正确。 故选D。 24．我国研制出一种硼中子俘获治疗癌症的新方法，将含硼的特有化合物注入患者体内，接下来再通过中子进行30~60分钟的照射，中子能和含硼化合物产生强烈的核反应，释放出一种杀伤力很强的射线，最终完成对癌细胞的剿灭，但整个过程不会对周围的组织产生损伤。核反应方程是，下列说法正确的是（    ） A．X是射线 B．X是射线 C．该反应属于核裂变 D．该反应属于核聚变 【答案】B 【详解】AB．根据核反应的质量数守恒和电荷数守恒可知，X的质量数为 电荷数为 对应氦核（粒子），而射线由粒子组成，故A错误，B正确； CD．该反应属于原子核的人工转变，故CD错误。 故选B。 25．我国第四代反应堆——钍基熔盐堆能源系统（TMSR）研究已获重要突破。在相关中企发布熔盐反应堆驱动的巨型集装箱船的设计方案之后，钍基熔盐核反应堆被很多人认为是中国下一代核动力航母的理想动力。钍基熔盐核反应堆的核反应方程式主要包括两个主要的核反应，其中一个是：。已知核、、、的质量分别为是、、、，根据质能方程，物质的能量相当于。下列说法正确的是（    ） A．核反应方程中的， B．一个核裂变放出的核能约为 C．核裂变放出一个光子，若该光子撞击一个粒子后动量大小变小，则波长会变长 D．核反应堆是通过核裂变把核能直接转化为电能发电 【答案】C 【详解】A．根据电荷数守恒和质量数守恒可得， 解得，，故A错误； B．亏损的质量为 则一个核裂变放出的核能为，故B错误； C．根据，核裂变放出一个光子，若该光子撞击一个粒子后动量大小变小，则波长会变长，故C正确； D．核反应堆通过核裂变将核能转化为内能，再经热机转化为机械能，最终转化为电能，而非直接转化，故D错误。 故选C。 26．核反应方程为，现真空中有两个动量大小相等，方向相反的氘核与氚核相撞，发生核反应，设反应释放的能量几乎转化为与的动能，则（　　） A．该反应有质量亏损 B．该反应为核裂变 C．获得的动能约为 D．获得的动能约为 【答案】AC 【详解】核反应方程为 。两个动量大小相等、方向相反的氘核与氚核相撞，反应释放的能量几乎全部转化为氦核（）与中子（）的动能。总初始动量为零。 A．反应释放能量，根据爱因斯坦质能方程，释放的能量来源于质量亏损，故该反应一定有质量亏损，故A正确。 B．核裂变是重核分裂成中等质量核的过程，而此反应是两个轻核（氘核和氚核）聚合成一个较重的氦核，属于核聚变，不是核裂变，故B错误。 C．反应释放的能量几乎全部转化为氦核与中子的动能。初始总动量为零，反应后总动量也为零，氦核与中子动量大小相等、方向相反。质量比（质量数比近似为质量比） 动能公式为 动量大小相等，故动能与质量成反比，则有 即 总动能 解得， 故中子动能约为 14 MeV，故C正确。 D．由上述计算，氦核动能约为，不是，故D错误。 故选AC。 五、核聚变 27．2025年10月1日，我国紧凑型聚变能实验装置（BEST）主机首个关键部——杜瓦底座在安徽合肥成功落位安装，标志着项目主体工程建设步入新阶段，预计在2030年前后实现核聚变发电示范。核聚变燃料主要是氢的同位素，氘和氚在高温高压下聚变生成氦核，并释放巨大能量。下列说法正确的是（　　） A．该聚变反应方程式为： B．氘原子和氚原子互为同位素，它们的化学性质不同 C．氘原子核内有1个中子，氚原子核内有1个中子 D．聚变生成的氦核核内有2个核子 【答案】A 【详解】A．反应式左边质量数2+3=5，电荷数1+1=2；右边质量数4+1=5，电荷数2+0=2，均守恒，故A正确； B．同位素化学性质相同，故B错误； C．氘中子数=2-1=1，氚中子数=3-1=2，故C错误； D．氦核质量数4，核子数为4，故D错误。 故选A。 28．月球上有大量的氦3，因此获取氦3是开发月球的重要目标之一。已知一个氘核和一个氦3聚变的生成物是氦4和一个未知粒子，H的质量为m1，He的质量为m2，He的质量为m3，未知粒子的质量为m4，则（　　） A．未知粒子是质子 B．该核反应属于原子核的人工转变 C．反应物和生成物的质量关系是m1＋m2＝m3＋m4 D．氦4的结合能一定小于氦3的结合能 【答案】A 【详解】A．根据电荷数和质量数守恒， 反应前：氘核电荷数1，质量数2；氦3电荷数2，质量数3；反应后：氦4电荷数2，质量数4； 所以未知粒子电荷数为 ，质量数为 ，电荷数1、质量数1的粒子为质子，故A正确； B．该反应是轻核聚变生成更重核的过程，属于核聚变，而非人工转变，故B错误； C． 核反应中因质量亏损，总质量减少，即 ，故C错误； D．比结合能是衡量原子核稳定性的重要指标，比结合能越大，原子核越稳定。氦4的比结合能大于氦3，因此氦4是更稳定的原子核，其总结合能也更大，故D错误。 故选A。 29．月球储藏大量可控核聚变理想燃料氦－3，2020年12月1日，我国嫦娥五号探测器成功着陆月面后开始“挖土”并成功带回地面供科学研究。核聚变反应方程为或。下列说法正确的是（　　） A．X是中子 B．Y是正电子 C．核聚变过程发生质量亏损，释放核能 D．比的原子核更稳定 【答案】AC 【详解】AC．根据质量数守恒和电荷数守恒可得：的质量数为 电荷数为，为中子，的质量数为 电荷数为，为质子，故A正确，故B错误； C．核聚变反应过程中，由于质量亏损所以会释放出核能，故C正确； D．质量数越接近中等核的原子核比结合能越大，所以比的比结合能大，也更稳定，故D错误。 故选AC。 30．如图甲所示是托卡马克装置的结构示意图，其主要包括环形真空室、极向场线圈、环向场线圈等，在环形真空室内注入少量氢的同位素氘和氚，提高温度使其发生聚变反应产生氦和中子。如图乙所示为环形真空室的俯视示意图，它的轴线半径为r，横截面的圆半径为R，假设环形真空室内粒子质量为m、电荷量为+q，粒子碰到真空室的室壁立即被吸收。（sin37°=0.6，cos37°=0.8） (1)写出氘和氚核聚变的核反应方程式； (2)只接通极向场线圈电流，通电后在真空室轴线处产生竖直方向的磁场，若粒子以v0速度沿真空室轴线做匀速圆周运动，求极向场线圈在真空室轴线处产生的磁感应强度B的大小； (3)如图丙，若真空室为长直管道，直管道半径为R，室内有水平向右的匀强磁场B0。轴线上的粒子源O向右侧各个方向均匀发射速度大小为的粒子。 ①若某粒子发射时速度方向与x轴的夹角θ=37°，求该粒子做螺旋线运动的螺距L； ②求粒子源发出的粒子没有被室壁吸收发射时速度方向与x轴夹角的最大值θm。 【答案】(1) (2) (3)①；② 【详解】（1）氘和氚核聚变的核反应方程式为 （2）设极向场线圈产生的磁场大小为B，由洛伦兹力提供向心力 解得 （3）带电粒子与x轴成θ角射入环向磁场，粒子沿螺旋线运动。 ①设粒子垂直轴向做圆周运动的周期为T，则 则螺距为 解得 ②粒子垂直轴向做匀速圆周运动，当粒子刚好碰到室壁时v0与x轴夹角最大为θm，由牛顿第二定律 又半径为 解得， 六、基本粒子 31．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。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】设上夸克电荷量为，下夸克为，质子由两个上夸克和一个下夸克组成，总电荷为，即 中子由两个下夸克和一个上夸克组成，总电荷为，即 联立得上夸克电荷量为，下夸克电荷量为 故选AB。 32．关于粒子，下列说法正确的是（　　） A．电子、质子和中子是组成物质的不可再分的最基本的粒子 B．强子都是带电粒子 C．夸克模型是探究轻子结构的理论 D．夸克模型说明电子电荷不再是电荷的最小单位 【答案】D 【详解】A．质子、中子由夸克组成，并非不可再分，而电子是基本粒子；但选项A错误地将质子、中子视为不可再分，故A错误； B．强子包含质子（带电）和中子（不带电），并非都带电，故B错误； C．夸克模型用于研究强子结构，轻子（如电子）属于基本粒子，不适用夸克模型，故C错误； D．夸克电荷为或，说明存在其电荷量小于元电荷的基本粒子（夸克），故D正确。 故选D。 33．列说法正确的是（　　） A．目前还未发现轻子的内部结构 B．自然界存在着的能量守恒定律、动量守恒定律及电荷守恒定律，对粒子不适用 C．反粒子与其对应的粒子相遇时，会发生湮灭现象 D．强子是参与强相互作用的粒子，质子是最早发现的强子 【答案】ACD 【详解】A．轻子（如电子、中微子）属于基本粒子，目前实验未发现其内部结构，故A正确； B．能量守恒定律、动量守恒定律及电荷守恒定律在粒子物理中仍然成立，故B错误； C．反粒子与对应粒子（如电子与正电子）相遇时，会湮灭并转化为能量，故C正确； D．强子是参与强相互作用的粒子，质子是最早被发现的强子，故D正确。 故选ACD。 34．仔细观察图片，回答下列问题： (1)如图甲所示，曾经许多人认为电子、质子、中子和光子是组成物质的不可再分的最基本的粒子，称为“基本粒子”。后来发现质子、中子等本身也有复杂的结构，你有什么猜想？ (2)如图乙是安德森1932年拍摄到的照片，宇宙射线从上方射入，在磁场的作用下偏转，穿过铅板后轨迹半径变小。经测量这种射线粒子的质量与电子相等，但受到的洛伦兹力方向与电子相反，你有什么猜想？ (3)20世纪30年代以来，通过研究宇宙射线及加速器中粒子的碰撞，发现了很多新粒子，这么多粒子错综复杂，应该如何分析、研究？ (4)许多实验事实表明质子、中子等强子有内部结构。为了解释这些现象，1964年盖尔曼提出了夸克模型。观察图丙所示夸克模型，夸克带电量的特点是什么？ 【答案】(1)质子、中子等可能由更基本的粒子组成。 (2)该射线粒子可能是正电子（质量与电子相等、电荷与电子相反）。 (3)按粒子相互作用（如强、弱、电磁、引力相互作用）或粒子属性（如轻子、强子）分类研究。 (4)6种夸克带的电荷量分别为元电荷的或。 【详解】（1）质子、中子等可能由更基本的粒子组成。 （2）该射线粒子可能是正电子（质量与电子相等、电荷与电子相反）。 （3）按粒子相互作用（如强、弱、电磁、引力相互作用）或粒子属性（如轻子、强子）分类研究。 （4）6种夸克带的电荷量分别为元电荷的或 2 / 2 学科网（北京）股份有限公司 $ 5.3-5.5 核力与结合能 核裂变与核聚变 “基本”粒子 一、结合能与比结合能 1 二、核力、四种基本相互作用 4 三、质能方程 5 四、核裂变 6 五、核聚变 7 六、基本粒子 9 一、结合能与比结合能 1．放射性同位素锗—68的衰变方程为，则下列说法正确的是（　　） A．X为负电子 B．X来自原子核外 C．比多一个中子 D．的比结合能小于的比结合能 2．钚的一种同位素衰变时释放巨大能量，如图所示，其衰变方程为，并伴随γ光子辐射，则下列说法中正确的是（　　） A．核燃料总是利用比结合能小的核 B．核反应中γ光子的能量就是核的结合能 C．核比核更稳定，说明核的结合能大 D．由于衰变时释放巨大能量，所以核比核的比结合能大 3．中国科学院近代物理研究所首次合成的新核素会发生衰变，衰变方程为，其中、、X的比结合能分别为E1、E2、E3。下列说法中正确的是（　　） A．X粒子为电子 B．的半衰期随温度升高而减小 C．该衰变反应释放的核能为 D．比少4个中子 4．如图，将1mol半衰期为的放射性元素的原子核放入开有小孔的铅制容器中，并在空间施加垂直纸面向里的匀强磁场，发现射线分成三束。已知X原子核衰变后成为Y原子核，则下列说法正确的是（　　） A．射线①可以穿透几毫米厚的铝板 B．射线②的电离作用比射线③的电离作用强 C．原子核的比结合能小于原子核的比结合能 D．经过一段时间后，原子核衰变了 5．原子核的比结合能曲线如图所示。根据该曲线，下列判断正确的是（　　） A．核的结合能约为 B．核比核更稳定 C．4个核反应生成核时释放能量 D．核中核子的平均结合能比核中的大 6．已知铀核发生衰变的方程为，下列分析正确的是（　　） A．该衰变属于衰变，衰变过程中原子核内一个中子转化为质子 B．衰变后钍核内的核力比铀核内的核力弱 C．钍核的比结合能比铀核的比结合能大 D．衰变过程中原子核的总质量增加，遵循能量守恒定律 7．原子核的比结合能如图所示。下列说法正确的是（　　） A．核比核更稳定 B．核比核核子数多，比结合能大 C．核比核结合能大，比结合能小 D．两个核结合成核，需要吸收能量 8．根据放射性强度减小的情况可以推算植物死亡的时间，其衰变方程。在大气中的含量相当稳定，活的植物与环境交换碳元素，其体内的比例与大气中的相同，枯死的植物仍在衰变，但已不能得到补充。已知的半衰期为，下列说法正确的是（　　） A．衰变时释放的粒子X是 B．比的比结合能小 C．随着全球变暖，的半衰期变短 D．若枯死植物含量为大气中含量的，则死亡时间为kT 9．如图所示，轧钢厂的热轧机上安装有射线测厚仪，测厚仪使用的放射性同位素为镅，其衰变方程为，则（    ） A．衰变方程中的X等于227 B．比的比结合能大 C．射线的电离能力比射线弱 D．可以自发地发射出射线 10．钚的放射性同位素衰变为铀核和新核，已知的质量为、的质量为和新核的质量为，且相当于的能量。其中衰变方程为。下列说法正确的是（　　） A．衰变方程中的为中子 B．的平均核子质量小于 C．的比结合能是 D．该衰变过程放出的核能的数量级为 二、核力、四种基本相互作用 11．关于核力，下列说法正确的是（　　） A．核力是一种特殊的万有引力 B．原子核内只有质子和质子间有核力作用，而中子和中子之间、质子和中子之间则没有核力作用 C．核力是原子核稳定存在的原因 D．核力是一种短程力 12．下列说法正确的是（　　） A．核力是短程力，作用范围很小，只在邻近核子间发生 B．核力可能是引力，也可能是斥力。核力把核子紧紧束缚在核内，形成稳定的原子核，但又不会融合在一起 C．质子间、中子间、质子和中子之间都可能有核力 D．核力是一种弱相互作用力，在其作用范围内，核力比库仑力大得多 13．2022年，由数十个国家的科学家组成的团队发现了“四中子”存在的明确证据。这是一种只由四个中子构成的粒子，用表示。“四中子”是通过向液态氢靶上发射“氦8”（原子核）而产生的，与碰撞可将一个核分裂成一个α粒子和一个“四中子”，同时放出Z光子，如图。则下列有关“四中子”粒子的说法正确的是（　　） A．“四中子”的四个核子间不存在电磁相互作用 B．可以通过回旋加速器加速“四中子”，使之形成高能粒子流 C．产生“四中子”的核反应为 D．α粒子和“四中子”的质量之和小于“氦8” 14．下列关于四种基本相互作用的说法正确的是（　　） A．万有引力把行星、恒星等聚在一起形成太阳系、银河系和其他星系，故万有引力只存在于天体之间 B．四种基本相互作用是独立存在的，有一种相互作用存在时，就一定不存在其他相互作用 C．强相互作用和弱相互作用只存在于微观粒子之间 D．四种基本相互作用的规律有很多相似之处，因此科学家可能建立一种“统一场论”将四者统一起来 15．关于自然界中最基本的四种相互作用，下列说法正确的是（　　） A．重力、弹力、摩擦力、电磁力就是自然界中最基本的四种相互作用 B．万有引力、弹力、摩擦力、电磁力就是自然界中最基本的四种相互作用 C．弹力、摩擦力是由电磁力引起的 D．两个异名磁极之间相互吸引，这种力属于四种相互作用中的引力相互作用 三、质能方程 16．原来静止的原子核质量为，处在区域足够大的匀强磁场中，经衰变后变成质量为的原子核，粒子的质量为，已知粒子的速度垂直于磁场，且动能为，假定原子核衰变时释放的核能全部转化为动能，则下列四个结论中，正确的是（　　） A．原子核与粒子在磁场中运动的周期之比为 B．原子核与粒子在磁场中运动的半径之比为 C．此衰变过程中的质量亏损为 D．此衰变过程中释放的核能为 17．用粒子加速器加速后的质子轰击静止的锂原子核，生成两个动能均为8.919MeV的α粒子（），其核反应方程式为：，已知质子质量为1.007825u，锂原子核的质量为7.016004u，α粒子的质量为4.00260u，1u相当于931MeV的能量。若核反应释放的能量全部转化为α粒子的动能，则入射质子的动能约为（　　） A．0.5MeV B．8.4MeV C．8.9MeV D．17.34MeV 18．钍基熔盐堆被视为第四代核能技术的绿色革命，我国在该实验堆的技术突破上具有全球领先地位。该反应堆中利用钍-铀循环产能，（钍核）吸收一个粒子X后转化为钍233，钍233衰变后生成（铀核），吸收热中子后发生裂变反应，释放大量能量。下列说法正确的是（    ） A．粒子X为质子 B．钍233要发生两次β衰变才能生成 C．温度越高，钍233的半衰期越短 D．吸收热中子后发生的裂变反应没有质量亏损 19．太阳内部持续不断地发生着四个质子聚变为一个氦核同时放出两个正电子的热核反应，这个核反应释放出的大量能量就是太阳的能源。已知质子质量为mH＝1.007 3 u，氦核质量为mHe＝4.002 6 u，电子质量为me＝0.000 55 u，1 u相当于931.5 MeV的能量，真空中的光速c＝3×108 m/s。 (1)写出这个核反应方程； (2)这一核反应能释放多少能量？ (3)已知太阳每秒释放的能量为3.8×1026 J，则太阳每秒减少的质量为多少千克？ 20．（1）已知中子的质量是mn＝1.674 9×10－27 kg，质子的质量是mp＝1.672 6×10－27 kg，氘核的质量是mD＝3.343 6×10－27 kg，真空中的光速c＝3.00×108 m/s，e＝1.60×10－19 C，求氘核的比结合能是多少MeV。 （2）一个静止的铀核（原子质量为232.037 2 u）放出一个α粒子（原子质量为4.002 6 u）后衰变成钍核（原子质量为228.028 7 u），已知1 u相当于931.5 MeV的能量（结果保留三位有效数字）。 （ⅰ）写出铀核的衰变反应方程； （ⅱ）算出该衰变反应中释放出的核能； （ⅲ）若释放的核能全部转化为新核和α粒子的动能，则α粒子的动能为多少？ 21．原子弹和核反应堆都利用了原子核裂变产生的能量，后者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，质量亏损相当于释放的能量，真空中光速。 (1)请写出上述裂变中的核反应方程； (2)求一个在裂变反应中释放的核能的表达式（用表示）； (3)若某原子弹装料为的，其中大约有发生裂变，真实的裂变情况有很多种，假设发生的都是上述裂变反应，已知阿伏伽德罗常数，铀235的摩尔质量为，求这颗原子弹释放的能量约为多少？（结果保留2位有效数字） 四、核裂变 22．关于原子核、核反应，下列说法正确的是（　　） A．为衰变，放出的射线有很强的穿透性 B．氪不稳定，衰变成为锆需经过2次衰变 C．会放出能量，是目前核电站的主要核反应 D．已知中子、质子和氘核的质量分别为、和，则氘核的比结合能为 23．下列4个核反应方程中，为核反应中产生的粒子，下列说法正确的是（　　） ① ② ③ ④ A．核反应①和④为核裂变反应 B．X粒子和Y粒子均带负电 C．核反应④中，的比结合能小于的比结合能 D．核反应③中，有中子转化成了质子和电子 24．我国研制出一种硼中子俘获治疗癌症的新方法，将含硼的特有化合物注入患者体内，接下来再通过中子进行30~60分钟的照射，中子能和含硼化合物产生强烈的核反应，释放出一种杀伤力很强的射线，最终完成对癌细胞的剿灭，但整个过程不会对周围的组织产生损伤。核反应方程是，下列说法正确的是（    ） A．X是射线 B．X是射线 C．该反应属于核裂变 D．该反应属于核聚变 25．我国第四代反应堆——钍基熔盐堆能源系统（TMSR）研究已获重要突破。在相关中企发布熔盐反应堆驱动的巨型集装箱船的设计方案之后，钍基熔盐核反应堆被很多人认为是中国下一代核动力航母的理想动力。钍基熔盐核反应堆的核反应方程式主要包括两个主要的核反应，其中一个是：。已知核、、、的质量分别为是、、、，根据质能方程，物质的能量相当于。下列说法正确的是（    ） A．核反应方程中的， B．一个核裂变放出的核能约为 C．核裂变放出一个光子，若该光子撞击一个粒子后动量大小变小，则波长会变长 D．核反应堆是通过核裂变把核能直接转化为电能发电 26．核反应方程为，现真空中有两个动量大小相等，方向相反的氘核与氚核相撞，发生核反应，设反应释放的能量几乎转化为与的动能，则（　　） A．该反应有质量亏损 B．该反应为核裂变 C．获得的动能约为 D．获得的动能约为 五、核聚变 27．2025年10月1日，我国紧凑型聚变能实验装置（BEST）主机首个关键部——杜瓦底座在安徽合肥成功落位安装，标志着项目主体工程建设步入新阶段，预计在2030年前后实现核聚变发电示范。核聚变燃料主要是氢的同位素，氘和氚在高温高压下聚变生成氦核，并释放巨大能量。下列说法正确的是（　　） A．该聚变反应方程式为： B．氘原子和氚原子互为同位素，它们的化学性质不同 C．氘原子核内有1个中子，氚原子核内有1个中子 D．聚变生成的氦核核内有2个核子 28．月球上有大量的氦3，因此获取氦3是开发月球的重要目标之一。已知一个氘核和一个氦3聚变的生成物是氦4和一个未知粒子，H的质量为m1，He的质量为m2，He的质量为m3，未知粒子的质量为m4，则（　　） A．未知粒子是质子 B．该核反应属于原子核的人工转变 C．反应物和生成物的质量关系是m1＋m2＝m3＋m4 D．氦4的结合能一定小于氦3的结合能 29．月球储藏大量可控核聚变理想燃料氦－3，2020年12月1日，我国嫦娥五号探测器成功着陆月面后开始“挖土”并成功带回地面供科学研究。核聚变反应方程为或。下列说法正确的是（　　） A．X是中子 B．Y是正电子 C．核聚变过程发生质量亏损，释放核能 D．比的原子核更稳定 30．如图甲所示是托卡马克装置的结构示意图，其主要包括环形真空室、极向场线圈、环向场线圈等，在环形真空室内注入少量氢的同位素氘和氚，提高温度使其发生聚变反应产生氦和中子。如图乙所示为环形真空室的俯视示意图，它的轴线半径为r，横截面的圆半径为R，假设环形真空室内粒子质量为m、电荷量为+q，粒子碰到真空室的室壁立即被吸收。（sin37°=0.6，cos37°=0.8） (1)写出氘和氚核聚变的核反应方程式； (2)只接通极向场线圈电流，通电后在真空室轴线处产生竖直方向的磁场，若粒子以v0速度沿真空室轴线做匀速圆周运动，求极向场线圈在真空室轴线处产生的磁感应强度B的大小； (3)如图丙，若真空室为长直管道，直管道半径为R，室内有水平向右的匀强磁场B0。轴线上的粒子源O向右侧各个方向均匀发射速度大小为的粒子。 ①若某粒子发射时速度方向与x轴的夹角θ=37°，求该粒子做螺旋线运动的螺距L； ②求粒子源发出的粒子没有被室壁吸收发射时速度方向与x轴夹角的最大值θm。 六、基本粒子 31．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。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＋ 32．关于粒子，下列说法正确的是（　　） A．电子、质子和中子是组成物质的不可再分的最基本的粒子 B．强子都是带电粒子 C．夸克模型是探究轻子结构的理论 D．夸克模型说明电子电荷不再是电荷的最小单位 33．列说法正确的是（　　） A．目前还未发现轻子的内部结构 B．自然界存在着的能量守恒定律、动量守恒定律及电荷守恒定律，对粒子不适用 C．反粒子与其对应的粒子相遇时，会发生湮灭现象 D．强子是参与强相互作用的粒子，质子是最早发现的强子 34．仔细观察图片，回答下列问题： (1)如图甲所示，曾经许多人认为电子、质子、中子和光子是组成物质的不可再分的最基本的粒子，称为“基本粒子”。后来发现质子、中子等本身也有复杂的结构，你有什么猜想？ (2)如图乙是安德森1932年拍摄到的照片，宇宙射线从上方射入，在磁场的作用下偏转，穿过铅板后轨迹半径变小。经测量这种射线粒子的质量与电子相等，但受到的洛伦兹力方向与电子相反，你有什么猜想？ (3)20世纪30年代以来，通过研究宇宙射线及加速器中粒子的碰撞，发现了很多新粒子，这么多粒子错综复杂，应该如何分析、研究？ (4)许多实验事实表明质子、中子等强子有内部结构。为了解释这些现象，1964年盖尔曼提出了夸克模型。观察图丙所示夸克模型，夸克带电量的特点是什么？ 2 / 2 学科网（北京）股份有限公司 $