第5章 第4节 核裂变和核聚变 第5节 核能的利用与环境保护（同步练习）-【学而思·PPT课件分层练习】2025-2026学年高二物理选择性必修第三册（鲁科版）

第5章　原子核与核能 第4节　核裂变和核聚变 第5节　核能的利用与环境保护 基础过关练 题组一　核裂变 1.下列关于重核裂变的说法中正确的是 (　　) A.裂变过程中释放能量 B.裂变过程中吸收能量 C.反应过程中质量增加 D.反应过程中质量不变 2.一个U原子核在中子的轰击下发生一种可能的裂变反应,其裂变方程为UnX+Sr+n,则下列叙述正确的是 (　　) A.X原子核中含有86个中子 B.X原子核中含有141个核子 C.因为裂变时释放能量,根据E=mc2,可知裂变后的总质量数增加 D.因为裂变时释放能量,出现质量亏损,所以生成物的总质量数减少 3.(2023山东济宁二模)核潜艇以核反应堆作动力源,其中一种核反应方程是Un→X+Sr+n,生成物XSr的比结合能分别为8.7 MeV、8.4 MeV,下列说法正确的是 (　　) A.该反应是核聚变反应 B.X比Sr更稳定 C.X的质子数与中子数相等 D.X的结合能比U的结合能大 4.(2024四川泸州三模)核潜艇是以核反应堆为动力来源,若反应堆的一个核反应方程式为UnBaKr+xY,则 (　　) A.x=1,Y为Li元素 B.x=3,Y为n CBa有56个质子,144个中子 DBa核比U核的比结合能小 题组二　核聚变 5.(多选题)(2024福建泉州二模)2023年8月25日,“中国环流三号”托卡马克装置首次实现100万安培等离子体电流下的高约束模式运行,是我国核能开发进程中的重要里程碑。下列关于核反应方程HHHe+X的说法,正确的是 (　　) A.X是中子 B.该核反应属于原子核的人工转变 C.该核反应过程电荷数和质量均守恒 DHe的比结合能大于H的比结合能 6.(2023安徽安庆示范高中联考)聚变能是一种清洁、安全的新能源,核聚变反应的主要原料是氘核H)与氚核H),已知氘核H)的比结合能是1.09 MeV,氚核H)的比结合能是2.78 MeV,氦核He)的比结合能是7.03 MeV。关于氘H)、氚H)的核聚变反应,下列说法不正确的是 (　　) A.氚H)的质量小于组成它的核子的质量之和 B.两个氘核H)结合成氦核He)要释放能量 C.氘H)和氚H)核聚变反应后质量数变小,释放能量 D.氘H)和氚H)核聚变反应的方程为HHHen 7.(2023河南焦作一中月考)当两个中子和两个质子结合成一个α粒子时,放出28.30 MeV的能量,当三个α粒子结合成一个碳(C)核时,放出7.26 MeV的能量,则当6个中子和6个质子结合成一个碳核时,释放的能量约为 (　　) A.21.04 MeV　　　　　　B.35.56 MeV C.77.64 MeV　　　　　　D.92.16 MeV 8.四个氢核聚变成一个氦核,同时放出两个正电子,释放出2.8×106 eV的能量,写出核反应方程,并计算1 g氢核完成这个反应后释放出多少的能量?(氢核的摩尔质量为1 g/mol,阿伏伽德罗常数NA=6.0×1023 mol-1) 题组三　核能的利用与环境保护 9.(多选题)关于核能的利用,下列说法正确的是 (　　) A.核电站的反应堆将释放的核能转化为蒸汽的内能,再转化为电能 B.采用“内爆法”促使链式反应,做成的原子弹设计难度大,但材料利用率高 C.核燃料的危害主要是其具有放射性 D.太阳发光主要来自太阳内部重核裂变产生的核能 10.(多选题)(2024辽宁重点校协作体期末)图为核电站的反应堆示意图,下列说法正确的是 (　　) A.水泥防护层主要起保温作用 B.镉棒的作用是吸收中子,控制反应速度 C.反应堆放出的热量可直接全部转化为电能 D.核反应堆中的核废料需要装入特定的容器深埋地下 11.在其他能源中,核能具有能量密度大,地区适应性强的优势。在核电站中,核反应堆释放的核能被转化为电能。核反应堆的工作原理是利用中子轰击重核发生裂变反应,释放出大量核能。 (1)核反应方程式UnBaKr+aX是反应堆中发生的许多核反应中的一种,n为中子,X为待求粒子,a为X的个数,则X为　　　　,a=　　　　,mU、mBa、mKr分别表示U核Ba核Kr核的质量,mn、mp分别表示中子、质子的质量,c为光子在真空中传播的速度,则在上述核反应过程中放出的核能ΔE=　　　　　　　　　　。  (2)有一座发电能力为P=1.00×106 kW的核电站,核能转化为电能的效率η=40%。假定反应堆中发生的裂变反应全是本题(1)中的核反应,已知每次核反应过程中放出的核能ΔE=2.78×10-11 JU核的质量mU=390×10-27 kg。求每年(1年=3.15×107 s)消耗的U的质量。 能力提升练 题组一　核裂变的分析与计算 1.(2024江苏泰州一模)我国科学家钱三强、何泽慧夫妇在实验中发现铀核也可能分裂为三部分或四部分。如图是铀核俘获中子后,裂变成三个质量较大的核和一个质量较小的核时产生的径迹。下列说法错误的是 (　　) A.铀核裂变过程质量数守恒 B.铀核裂变过程电荷数守恒 C.铀核裂变过程如果生成物不同,释放的能量可能会有差异 D.铀核中使核子紧密结合在一起的作用是弱相互作用 2.(2023安徽合肥模拟预测)我国自主研发的“玲龙一号”核反应堆,是全球首个陆上商用模块化小型核反应堆,核反应方程为U+BaKr+n+γ,反应产物Ba会发生β衰变。已知核UBaKr和n的质量分别是235.043 9 u、140.913 9 u、91.897 3 u和1.008 7 u,1 u=1.66×10-27 kg,光速c=3×108 m/s。则下列说法正确的是 (　　) A.核反应方程中的x=56,y=94 BU核的比结合能大于Ba核的比结合能 CBa的衰变方程为BanXe D.一个铀核裂变放出的核能约为3.2×10-11 J 3.(2023辽宁大连二模)核电站获取核能的一种裂变反应是用一个中子轰击一个铀核U),产生一个氙核Xe)、一个锶核Sr)和若干个新的中子。已知铀核、中子、锶核和氙核的质量分别为mU、mn、mSr和mXe,真空中的光速为c。 (1)写出该反应的核反应方程,并求出一次核反应所释放的核能ΔE; (2)2022年,我国核电机组累计发电量为E(焦耳),核电能量转化的效率为η1,核电使用的铀中实际发生裂变的铀235的占比为η2,求2022年我国消耗的铀的质量M。 题组二　核聚变的分析与计算 4.(2023湖南怀化二模)中国“嫦娥五号”在月球采集的约2公斤月壤中含有地球上鲜有的HeHe是地球上很难得到的清洁、安全和高效的核聚变发电燃料,被科学家们称为“完美能源”。有关He聚变的核反应方程如下:HHe+X+3.3 MeV,HeHeHe+2Y+12.86 MeV。下列说法正确的是 (　　) A.X为质子,核反应①、②又称热核反应 BHe的比结合能比He的比结合能大 C.方程①中,反应前后原子核总质量相等 D.方程②中,核子平均释放的能量约为2.14 MeV 5.(2023天津五校期中)日本福岛核电站泄漏事故再升级,日本政府准备将大量受污染的核废水直接排入大海,遭到了来自日本国内乃至全世界人民的反对。核废水中含有大量无法中和的放射性氚,氚能通过β衰变放射出β射线,半衰期大约为12.5年,氚同时也是轻核聚变的重要原料,一个氘核与一个氚核结合成一个氦核时(同时放出一个粒子),辐射出一个γ光子。下列说法正确的是 (　　) AHHHe+n+γ,此方程中 x=1,且此反应属于α衰变 B.聚变后核子平均质量会减小He的结合能大于H和H的结合能之和 C.20个氚核发生β衰变时,经过25年,大约还有5个氚核未发生衰变 D.氚发生β衰变时,β射线来自原子核外的电子电离 6.(2024河北石家庄二模)2023年12月,新一代人造太阳“中国环流三号”面向全球开放。“人造太阳”内部发生的一种核反应方程为HHHe+X,已知H的比结合能为E1H的比结合能为E2He的比结合能为E3,光在真空中的传播速度为c。下列说法正确的是 (　　) A.核反应方程中X为电子 BHe的比结合能小于H的比结合能 C.核反应吸收的能量为E3-(E1+E2) D.核反应中的质量亏损为 7.(2023福建福安一中一模)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C(称为3α反应),核反应方程为HeC,瞬间释放大量的核能。如果太阳发生氦闪,对太阳系内的生命都是毁灭性的,电影《流浪地球》讲述的就是发生在这样的背景之下的故事。下列说法中不正确的是(已知C的质量是mC=He的质量是mHe=4.002 6 u,1 u的质量对应的能量是931.5 MeV) (　　) A.氦闪发生的是人工转变 B.一次3α反应释放的核能为7.265 7 MeV C.一次3α反应亏损的质量为Δm=0.007 8 u DC的比结合能比He的比结合能大,更稳定 8.(2024河北保定期中)一个氘核H)和一个氚核H)发生聚变时,可以得到一个氦核和一个中子,已知H的比结合能是1.09 MeVH的比结合能是2.78 MeVHe的比结合能是7.03 MeV,中子的结合能为零。 (1)写出聚变时的核反应方程; (2)求发生聚变时释放的能量; (3)求发生聚变时亏损的质量(c=3.0×108 m/s,结果保留两位小数)。 答案与分层梯度式解析 第5章　原子核与核能 第4节　核裂变和核聚变 第5节　核能的利用与环境保护 基础过关练 1.A　重核裂变成中等质量的原子核,质量减少,释放出能量,A正确,B、C、D错误。 2.A　由质量数守恒和核电荷数守恒知:235+1=a+94+2×1,92=b+38,解得a=140,b=54,其中a为X的质量数,b为X的核电荷数,X核中的中子数为:a-b=140-54=86,由此可知A对,B错;裂变释放能量,由质能关系可知,其总质量减少,但质量数守恒,故C、D均错。 3.B　根据质量数守恒和电荷数守恒,可知该核反应方程为UnXSr+n,该反应属于核裂变,A错误;因为生成物X比Sr的比结合能大,所以X比Sr更稳定,B正确;X的质子数为54,中子数为132-54=78,所以中子数和质子数不相等,C错误;X的核子数比U少,两者的比结合能接近,因此X的结合能比U的结合能小,D错误。 4.B　根据电荷数守恒和质量数守恒得x=3,Y为n,故A错误,B正确Ba有56个质子,中子数为144-56=88,故C错误;核反应方程式中,生成物比反应物更稳定,比结合能更大,则Ba核比U核的比结合能大,故D错误。 5.AD　核反应方程电荷数守恒、质量数守恒,释放能量,质量亏损,所以质量不守恒,故C错误;由电荷数守恒和质量数守恒可知核反应方程为HHHen,所以X是中子,故A正确;该核反应属于核聚变,故B错误;原子的比结合能越大,核越稳定,核反应中生成物较稳定,则比结合能较大He的比结合能大于H的比结合能,故D正确。 6.C　核子组成原子核需要释放能量,故核子的质量之和大于原子核的质量,A正确;由氘核和氦核的比结合能可知,两个氘核结合成氦核要释放能量,B正确;氘和氚反应后质量数不变,C错误;氘H)和氚H)核聚变反应的方程为HHHen,D正确。本题选不正确的,故选C。 7.D　6个中子和6个质子可结合成3个α粒子,放出能量为3×28.30 MeV=84.9 MeV,3个α粒子再结合成一个碳核,放出7.26 MeV的能量,故6个中子和6个质子结合成一个碳核时,释放的能量为84.9 MeV+7.26 MeV=92.16 MeV,故D对。 8.答案　4.2×1029 eV 解析　该核反应的方程为HHe+e。 由此可知,平均每个氢核反应释放出的能量为 E0= eV=7×105 eV 1 g氢核(即1 mol)所包含的氢核的个数为6.0×1023(个) 故1 g氢核完成此反应释放出的总能量为 E=7×105×6.0×1023 eV=4.2×1029 eV。 9.ABC　核电站的能量转化过程为核能到内能再到电能,A正确;“内爆法”难度大,但材料利用率高,B正确;放射性对人体和环境都有危害,C正确;太阳发光主要来自太阳内部轻核聚变反应释放的能量,D错误。 10.BD　水泥防护层的作用是为了阻隔γ射线,避免放射性危害,故A错误;镉棒的作用是可以吸收中子,以控制反应速度,故B正确;反应堆放出的热量不可以直接全部转化为电能,故C错误;核反应堆中的核废料需要装入特定的容器深埋地下,故D正确。 11.答案　(1n　3　[mU-(mBa+mKr+2mn)]·c2　(2)1 105 kg 解析　(1)依据核电荷数守恒和质量数守恒可判断X为中子n,且a=3,根据爱因斯坦质能方程ΔE=Δmc2,可得ΔE=[mU-(mBa+mKr+2mn)]·c2。 (2)因核电站的核能转化效率为40%,故核电站消耗U的功率为 P'== kW=2.5×106 kW 则核电站每年消耗U所释放的能量为E=P't=2.5×106×103×3.15×107 J=7.875×1016 J 故每年消耗U的质量为m=·mU=×390×10-27 kg≈1 105 kg。 能力提升练 1.D　铀核裂变过程中电荷数和质量数均守恒,故A、B正确;根据爱因斯坦质能方程ΔE=Δmc2可知铀核裂变过程如果生成物不同,释放的能量可能会有差异,故C正确;铀核中使核子紧密结合在一起的作用是强相互作用,故D错误。本题选错误的,故选D。 2.D　根据核反应中质量数守恒和电荷数守恒可得92+0=x+36+3×0,235+1=141+y+3×1,解得x=56,y=92,选项A错误;核裂变过程存在质量亏损,释放能量Ba核比U核更稳定,则U核的比结合能小于Ba核的比结合能,选项B错误Ba发生β衰变的方程为BaXe,选项C错误;一个铀核裂变放出的核能为ΔE=Δmc2,代入数据可得ΔE=(235.043 9-140.913 9-91.897 3-2×1.008 7)×1.66×10-27× J≈3.2×10-11 J,选项D正确。 3.答案　(1UnSrXe+n　(mU-mSr-mXe-9mn)c2　(2) 解析　(1)根据质量数守恒和电荷数守恒可得,核反应方程为UnSrXe+n 一次核反应亏损的质量Δm=(mU+mn)-(mSr+mXe+10mn) 则一次核反应释放核能ΔE=Δmc2=(mU-mSr-mXe-9mn)c2。 (2)累计发电量E对应N次核反应,则有E=η1NΔE 消耗铀的质量M= 联立解得M=。 4.D　由电荷数守恒和质量数守恒可知,X的质量数为A=2+2-3=1,核电荷数为Z=1+1-2=0,可知X为中子n,核反应①、②为聚变反应,又称热核反应,选项A错误;由核反应方程②可知,该核反应释放出核能,所以生成物比反应物更稳定,比结合能也更大,即He的比结合能比He的比结合能小,选项B错误;方程①中有核能放出,由质能方程ΔE=Δmc2可知,一定有质量亏损,因此方程①中反应前后原子核总质量不相等,选项C错误;方程②中,每个He含有3个核子,因此每个核子平均释放的能量为E= MeV≈2.14 MeV,选项D正确。 5.B　由核电荷数及质量数守恒知HHHe+n+γ中x=1,该反应属于轻核聚变,A错误;该反应释放能量,所以聚变后核子平均质量会减小He的结合能大于H和H的结合能之和,B正确;半衰期是个统计概念,对象是大量的原子核,对于个别原子核是无法确定其衰变的,C错误;氚发生β衰变时,β射线是中子变成质子时产生的,D错误。故选B。 6.D　根据质量数守恒与电荷数守恒可知X为n,故A错误;核反应方程式中,生成物比反应物稳定,则He的比结合能大于H的比结合能,故B错误;核反应放出的能量为ΔE=4E3-(2E1+3E2),由质能方程可得4E3-(2E1+3E2)=Δmc2,解得Δm=,故C错误,D正确。 7.A　根据题述氦闪的过程可知,符合核聚变,即轻的原子核(例如氘和氚)结合成较重的原子核(例如氦)时放出巨大能量,所以氦闪发生的是核聚变反应,故A错误;由核反应方程HeC可知,亏损的质量Δm=3×mHe-mC=3×4.002 6 u-12.000 0 u=0.007 8 u,释放的能量为E=Δmc2=0.007 8×931.5 MeV=7.265 7 MeV,故B、C正确;比结合能越大,原子核越稳定He通过核聚变生成C释放巨大能量,说明C的比结合能更大,故D正确。本题选不正确的,故选A。 8.答案　(1HHHen　(2)17.6 MeV　(3)3.13×10-29 kg 解析　(1)核反应方程为HHHen。 (2)聚变反应前氘核和氚核的结合能为E1=(1.09×2+2.78×3) MeV=10.52 MeV 反应后生成的氦核的结合能为E2=7.03×4 MeV=28.12 MeV 中子无结合能,所以聚变过程释放出的能量为ΔE=E2-E1=(28.12-10.52) MeV=17.6 MeV。 (3)由质能方程可知ΔE=Δmc2 由单位换算关系可知1 eV=1.6×10-19 J,则ΔE=17.6 MeV=2.816×10-12 J 代入可得Δm=3.13×10-29 kg。 7 学科网（北京）股份有限公司 $