第5章 4 核裂变与核聚变 5 “基本”粒子（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（人教版）

第五章　原子核 4　核裂变与核聚变　　5　“基本”粒子 基础过关练 题组一　核裂变 1.(2025江苏常熟期末)我国自主研发的“华龙一号”反应堆技术利用铀235发生核裂变释放的能量发电,典型的核反应方程为Un→BaKr+n,则反应产物中Ba核内中子数比Kr核内中子数多(　　) A.28　　　B.29　　　C.30　　　D.31 2.(2025湖北名校联考)现代核电站主要是通过可控链式裂变反应来实现核能的和平利用U是核裂变的主要燃料之一,铀核裂变的产物是多样的,一种典型的铀核裂变是生成钡和氪,同时放出3个中子,核反应方程是U+XBaKr+n。关于该核反应,下列说法正确的是(　　) A.X是质子,质子是卢瑟福通过实验最先发现的 BU与BaKr相比U核子数最多,结合能最大,最稳定 CU有放射性,经过一个半衰期,1 000个U只剩下500个未衰变 D.该核反应中,X的速度不能太快,否则铀核不能“捉”住它,不能发生核裂变 3.(2025湖南岳阳期中)钍基熔盐反应堆主要采用钍232Th)和铀238U)作为燃料。反应堆工作时U吸收中子转化为钚239Pu),核反应方程为UnPu+2X,则(　　) A.核反应方程式中的X为H B.铀238的比结合能比钚239的小 C.钚239的中子数比铀238的中子数多一个 D.核反应前后原子的质量数守恒,不存在质量亏损 题组二　反应堆与核电站 4.(2025河南洛阳期中)原子反应堆是实现可控制的重核裂变链式反应的一种装置,它主要由四部分组成,分别为(　　) 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、慢化剂、碰撞系统和传热系统 D.原子燃料、中子源、原子能存聚系统和输送系统 5.(2025江苏苏州期末)如图为普通核反应堆的结构示意图,通过铀235链式反应实现核能的可控释放。下列关于工作中的核反应堆的说法正确的是(　　) A.正常运行的反应堆,水泥防护层外能检测到大量α粒子 B.中子速度越快越容易发生链式反应 C.通过改变镉棒的插入深度来控制反应速度 D.铀核裂变时释放能量的多少与生成物种类无关 6.(2025湖北黄冈期中)利用核反应堆工作时释放出的热使水汽化以推动汽轮发电机发电,这就是核电站U受中子轰击时会发生裂变,产生Ba和Kr,同时放出200 MeV的能量。现要建设发电能力是10万千瓦的核电站,用铀235作为原子锅炉的燃料。假设核裂变释放的能量的50%转化为电能。 (1)写出核反应方程; (2)一天需要纯铀235的质量为多大?(取阿伏加德罗常数NA=6.02×1023 mol-1,e=1.6×10-19 C) 题组三　核聚变 7.(2025广西河池期中)2025年1月20日,中国“人造太阳”全超导托卡马克核聚变装置首次完成1亿摄氏度1 000秒“高质量燃烧”,对人类加快实现聚变发电具有重要意义HH→Xn为氘与氚聚变的核反应方程,下列说法正确的是(　　) A.X是He BH与H的核反应质量要增加 CH与H的核反应要吸收能量 DH的结合能大于H的结合能 8.(2025重庆期末)科学家发现在月球上含有丰富的He(氦3),它是一种高效、清洁、安全的核聚变燃料,其参与的一种核聚变反应的方程为HeHe→H+X。则下列关于该反应的说法,正确的是(　　) A.该反应没有质量亏损 B.X为α粒子 C.X比β射线的穿透能力强 D.X的结合能小于He 9.(2025广东珠海期中)中国的全超导托卡马克核聚变实验装置(EAST)首次实现了1亿摄氏度条件下1 000秒的等离子体运行。该装置内部发生的核反应方程为HHHe+X,此反应会释放核能,伴随γ光子放出。下列说法正确的是(　　) A.该核反应方程中的X是质子 BHe的比结合能小于H的比结合能 C.核聚变反应所释放的γ光子可能来源于氢原子能级跃迁 D.该反应需要原子核具有足够的动能以克服库仑斥力才能发生 10.(2025安徽合肥期中)一种典型的核聚变反应是两个氘核H)聚变成氦核He),同时释放中子,已知氘核质量为2.013 6 u,氦核质量为3.015 0 u,中子质量为1.008 7 u,1 u的质量相当于931.5 MeV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0.37 MeV,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。 题组四　“基本”粒子 11.(2025广东湛江期中)现在科学家们正在设法探寻“反物质”,所谓“反物质”是由“反粒子”构成的,“反粒子”与其对应的正粒子有相同的质量和相同的电荷量,但电荷性质相反。据此,若有反α粒子,它的质量数和电荷数分别为(　　) A.-4,-2　　B.4,-2　　C.-4,2　　D.4,2 12.(2025辽宁沈阳期中)π+介子会发生衰变,反应方程式为π+→μ++νμ,即生成一个μ+介子和一个μ子中微子。在云室中可观察到π+介子衰变前后部分粒子的运动轨迹,如图所示。已知云室中匀强磁场的方向垂直照片平面,粒子重力忽略不计,两段圆弧相切于P点,且r1∶r2=2∶1。则μ+和νμ粒子的动量大小之比可能为(　　) A.1∶1　　B.1∶3　　C.3∶1　　D.2∶1 能力提升练 题组一　核反应及分类 1.(2025福建宁德期末)中国的新一代“人造太阳”——中国环流三号实验装置在2025年3月成功实现了原子核温度达到1.17亿摄氏度、电子温度达到1.6亿摄氏度的“双亿度”运行。其主要的核反应方程为HHHen,属于下列哪种核反应(　　) A.衰变　　　　B.聚变 C.裂变　　　　D.人工核反应 2.(2025广东韶关期末)1896年,法国物理学家贝克勒尔发现,铀和含铀的矿物能够发出看不见的射线,这些射线分别为α射线、β射线和γ射线。原子核自发地放出α、β射线后,变成了另一种原子核,此现象称为衰变。下列属于衰变的方程是(　　) AUThHe BNHeOH CHHHen DUnBaKr+n 3.(2025重庆联考)下列原子核变化的方程中,表示重核裂变的是(　　) AUnBaKr+n BThPae CHeBenC DHHHen 题组二　核裂变的应用 4.(2025江苏无锡期中)在一次核反应中,铀核U变成了具有β放射性的氙核Xe和锶核Sr,同时放出了若干中子U的比结合能约为7.6 MeVXe的比结合能约为8.4 MeVSr的比结合能约为8.7 MeV,下列说法正确的是(　　) A.核反应出现质量亏损,质量数减少 B.核反应放出的能量约208.1 MeV C.若把U全部分解为核子,将放出能量约1 786 MeV D.在生产约30 cm厚的钢板时,可利用β射线的穿透能力对钢板的厚度进行自动控制 5.(2025湖南长沙期末)慢化剂是核反应堆中用来降低快速运动的中子速度,使快中子减速为热中子的物质。核反应所产生的中子运动速度过快不适用于引起核裂变,必须使这些快速运动的中子的运动速度减慢,通常的方法是使用慢化剂,即中子与慢化剂的原子核发生碰撞而使中子的速度降低。主要的慢化剂包括重水、石墨、轻水、铍等。为了让中子速度降低,用石墨和重水(H原子是氘)作为慢化剂,且中子与石墨中碳核、重水中氘核发生弹性正碰,碰撞前碳核和氘核视为静止,它们只发生一次碰撞,则中子与石墨中碳核和重水中氘核碰撞完成后的速率之比约为(　　) A.　　　B.　　　C.　　　D. 6.(多选题)(2025吉林长春期末)图示为当前普遍使用的“慢中子”核反应堆的示意图,铀棒是核燃料,一种典型的铀核裂变方程为U+BaKr+n,用重水作慢化剂可使快中子减速。假设中子与重水中的氘核H)的每次碰撞都是弹性正碰,而且认为碰撞前氘核是静止的,氘核的质量是中子质量的两倍,则下列说法正确的是(　　) A.钡核Ba)的比结合能比铀核U)的大 B.若碰撞前中子的动能为E0,经过一次弹性碰撞,中子动能变成E0 C.镉棒插入深一些可增大链式反应的速度 D.水泥防护层可用来屏蔽裂变产物放出的射线 7.(2025江西南昌期中)在用铀235作燃料的核反应堆中,铀235核吸收一个慢中子后,可发生裂变反应,放出能量和快中子,而快中子不利于铀235的裂变。为了能使裂变反应继续下去,需要使反应中放出的快中子减速。有一种减速的方法是使用石墨(碳12)作慢化剂,让铀核裂变所产生的快中子通过和碳核不断碰撞而被减速。假设中子与碳核的碰撞是弹性碰撞,并在碰撞前碳核是静止的,碰撞后中子和碳核的速度都跟碰撞前中子的速度沿同一直线。已知碳核的质量近似为中子质量的12倍,中子原来的动能为E0。 (1)铀235的裂变方程为UnXeSr+n,则x值为多少?若反应过程中放出的能量为ΔE,则反应前后的质量差Δm为多少? (2)经过一次碰撞后,中子的动能为多少? (3)若经过n次碰撞后,一个动能为E0的快中子能减速成为动能为En的慢中子,请写出En与E0和n的关系式。 题组三　核聚变的应用 8.(2025湖北武汉期中)如图为全超导托卡马克核聚变实验装置(EAST),通过在其真空室内加入氘H)和氚H)进行核聚变反应释放出大量能量,被誉为“人造太阳”,是中国自主设计、研制的世界首个全超导非圆截面托卡马克装置。2025年1月20日,首次实现1亿摄氏度1 066秒稳态长脉冲高约束模式等离子体运行,标志着聚变研究从前沿的基础研究转向工程实践,是一次重大跨越。已知H原子核质量m1H原子核质量m2He原子核质量m3、质子质量mp、中子质量mn、真空中的光速c,以下说法错误的是(　　) A.反应方程为HHHen+γ B.反应出现的高温等离子体可以通过磁约束使其不与器壁接触而做螺旋运动 CHe核的结合能为c2 D.一个H原子核与一个H原子核反应后释放的能量为(m1+m2-m3-mn)c2 9.(2025广东惠州期中)2025年开年之际,国际上唯一的我国全超导托卡马克大科学装置集群正在加快推动聚变能源的开发和应用,其中一种核聚变反应方程式为HHHen,已知各元素原子核及中子的质量如下表,阿伏加德罗常数NA取6.0×1023 mol-1,氘核的摩尔质量为2 g· mol-1,1 u的质量对应931.5 MeV的能量,NA=6.0×1023 mol-1。则下列说法正确的是(　　) 元素原子核或中子 氘核H) 氚核H) 氦核He) 中子n) 质量/u 2.014 1 3.016 1 4.002 6 1.008 7 A.该核反应过程释放能量,不满足能量守恒定律 B.氘核的比结合能比氦核的大 C.氘核与氚核间距达到10-10 m量级即可发生核聚变反应 D.4 g氘完全参与聚变释放出能量的量级为1025 MeV 答案与分层梯度式解析 基础过关练 1.B 2.D 3.B 4.A 5.C 7.A 8.B 9.D 11.B 12.B 1.B　根据核反应过程中质量数守恒和电荷数守恒可知Kr核为Kr,则反应产物中Ba核内中子数比Kr核内中子数多(141-56)-(92-36)=29,故选B。 2.D　根据质量数守恒和电荷数守恒可知,X的质量数为1,电荷数为0,故X是中子,中子是查德威克通过实验最先发现的,A错误U与BaKr相比U的核子数最多,结合能最大,但比结合能较小,较不稳定,B错误;半衰期是针对大量原子核的统计规律,对于1 000个U不适用,C错误;核裂变中,中子的速度不能太快,否则铀核不能“捉”住它,不能发生核裂变,D正确。 名师点津 重核裂变的实质 　　(1)重核裂变是用中子轰击质量较大的原子核,使之分裂成中等质量的原子核,同时释放大量的能量的过程。 　　(2)重核的裂变是放能核反应,原因是核反应前后质量有亏损,根本原因是重核的比结合能比中等质量的核的比结合能要小。 3.B　根据质量数守恒和电荷数守恒可知,X的电荷数为-1,质量数为0,所以X为电子,故A错误;核反应中生成的新核更稳定,比结合能更大,所以铀238的比结合能比钚239的小,故B正确;钚239的中子数为145,铀238的中子数为146,所以钚239的中子数比铀238的中子数少一个,故C错误;虽然核反应中质量数守恒,但由于放出核能,所以存在质量亏损,故D错误。 4.A　原子反应堆里常用的核燃料是用浓缩铀(铀235占2%~4%)制成的铀棒;铀235易俘获慢中子,不易俘获快中子,必须使用慢化剂(如石墨、重水、普通水),让快中子跟慢化剂的原子核碰撞后能量减少,变成慢中子;控制调节系统用于调节中子的数目以控制反应速度,它是由镉做成的放置在铀棒之间的一些控制棒及计算机调节系统组成的;冷却系统靠水或液态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,同时使反应堆冷却,保证安全。故选A。 5.C　正常运行的核反应堆主要的辐射有γ射线辐射和中子辐射,所以水泥防护层外不可能检测到大量α粒子,故A错误;中子速度越快越不容易使链式反应发生,故B错误;利用镉棒对中子吸收能力强的特点,通过改变镉棒的插入深度,从而改变中子的数量来控制反应速度,故C正确;核裂变释放的能量与反应前后质量亏损有关,铀核裂变时会因产物种类不同导致质量亏损不同,释放能量不同,故D错误。 6.答案　(1)见解析　(2)0.21 kg 解析　(1)核反应方程为UnBaKr+n (2)一天的发电量为E=Pt=10×104×103×24×3 600 J=8.64×1012 J 消耗的铀235原子的个数为n===5.4×1023 需要的纯铀235的质量为m=M=×235×10-3 kg≈0.21 kg 7.A　核反应方程为HHHen,X是He,A正确H与H的核反应放出能量,质量要减少,B、C错误;核子数越大结合能越大H的结合能小于H的结合能,D错误。 8.B　该核聚变反应会释放能量,有质量亏损,故A错误;由质量数守恒和电荷数守恒可知,X为He,即α粒子,故B正确;α粒子的穿透能力比β射线的穿透能力弱,故C错误He可以看作是He再结合一个中子形成的,故其结合能大于He,故D错误。 9.D　根据质量数守恒和电荷数守恒得该核反应方程为HHHen,故A错误;核反应中生成物比反应物更加稳定,所以He的比结合能大于H的比结合能,故B错误;原子能级跃迁仅涉及电子在原子轨道间的跃迁,从高能级向低能级跃迁时可释放低能光子(如可见光、紫外线),与核反应无直接关联,核聚变反应释放的γ光子主要来源于核反应本身,而非氢原子能级跃迁,故C错误;要使核聚变发生,原子核之间的距离应达到10-15 m以内,核力才能主导结合过程,原子核带正电,根据库仑定律,它们之间的斥力随距离减小而急剧增大,这要求原子核有足够的动能才能克服库仑斥力作用,故D正确。 10.答案　(1HHHen　(2)3.26 MeV (3)3 MeV　1 MeV 解析　(1)由题意可写出核聚变反应方程式为HHHen (2)核反应中质量亏损为Δm=2×2.013 6 u-3.015 0 u-1.008 7 u=0.003 5 u 释放的核能为E=0.003 5×931.5 MeV≈3.26 MeV (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,根据动量守恒定律有0=p氦+p中 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Ek=mv2= 故中子和氦核的动能之比Ek中∶Ek氦=m氦∶m中=3∶1 核反应释放的核能全部转化为机械能,则中子和氦核的总动能Ek总=2×0.37 MeV+3.26 MeV=4 MeV 又因为Ek总=Ek中+Ek氦 解得Ek中=3 MeV,Ek氦=1 MeV 11.B　因“反粒子”与其对应的正粒子具有相同的质量和相同的电荷量,但电荷性质相反,所以,反α粒子的质量数为4,电荷数为-2,故选B。 12.B　π+介子和μ+介子在磁场中均做匀速圆周运动,由洛伦兹力提供向心力,则evB=m,解得动量p=mv=eBr,由核反应方程知只有π+介子和μ+介子带有电荷,设衰变前π+介子的运动方向为正方向,衰变前后动量守恒,即=-+,若π+介子在磁场中的轨迹半径为r1,动量大小为=eBr1,μ+介子在磁场中的轨迹半径为r2,动量大小为=eBr2,所以∶=2∶1,且=-+,解得∶=1∶3,故选B。 能力提升练 1.B 2.A 3.A 4.B 5.A 6.ABD 8.C 9.D 1.B　核反应方程HHHen,属于聚变,故选B。 2.A　A中是铀238衰变为钍234的α衰变的方程,故A符合题意;B中是卢瑟福用α粒子He)轰击氮14原子核发现质子的核反应方程(人工转变),故B不符合题意;C中是轻核的聚变反应方程,故C不符合题意;D中是铀235裂变的一种核反应方程,故D不符合题意。 方法技巧 核反应方程的快速区分 　　(1)衰变:衰变方程左边只有一个原子核,右边有两个粒子且其中一个为α粒子He)或β粒子e)。 　　(2)原子核的人工转变:核反应方程左边有一个原子核以及α粒子、中子、质子、氘核等粒子中的一个,右边有一个新核,还可能有其他粒子。 　　(3)重核裂变:左边为重核与中子,右边为两个(或多个)中等质量的核和若干个中子。 　　(4)轻核聚变:左边为两个轻核,右边为质量较大的核,可能还有质子、中子等粒子,例如氘核和氚核结合成氦核并放出一个中子。 3.AUnBaKr+n是重核裂变方程,故A符合题意ThPae是β衰变方程,故B不符合题意HeBenC是查德威克发现中子的核反应方程,属于人工核转变,故C不符合题意H+Hen是轻核聚变,故D不符合题意。 4.B　因235×7.6 MeV<(139×8.4+95×8.7) MeV,所以该核反应放出能量,有质量亏损,但质量数不变,故A错误;核反应放出的能量约为ΔE=(139×8.4+95×8.7-235×7.6) MeV=208.1 MeV,故B正确;若把U全部分解为核子,将吸收能量约235×7.6 MeV=1 786 MeV,故C错误;β射线只能穿透几毫米厚的铝板,所以在生产约30 cm厚的钢板时,不能利用β射线的穿透能力对钢板的厚度进行自动控制,故D错误。 5.A　设中子质量为m(1个质子质量与1个中子质量大约相等),初速度为v0,碳核质量为12m,氘核质量为2m,中子与碳核碰撞后速度为v1,中子与氘核碰撞后速度为v2,则由弹性碰撞知识可知v1=v0=-v0,v2=v0=-v0,则=,故选A。 6.ABD　铀核在裂变过程中,释放出核能,表明钡核比铀核更加稳定,所以钡核的比结合能要比铀核的大,故A正确;根据动量守恒定律有mnv0=mnv1+mHv2,根据机械能守恒定律有mn=mn+mH,由于氘核的质量是中子质量的两倍,解得v1=-v0,v2=v0,可知mn=mn=×mn=E0,故B正确;镉棒插入越深,则镉棒吸收中子数越多,链式反应速度越小,故C错误;水泥防护层可以屏蔽裂变产物放出的射线,故D正确。 7.答案　(1)3　　(2)E0　(3)En=E0 解析　(1)根据核反应中质量数守恒,有235+1=139+94+x 解得x=3 根据爱因斯坦的质能方程,有ΔE=Δmc2 可得亏损质量为Δm= (2)设中子的质量为m,碳核的质量为12m,根据中子与碳核碰撞过程中动量守恒和机械能守恒得 mv0=mv1+12mv2,m=m+×12m 解得v1=-v0,v2=v0 由于E0=m,E1=m 所以E1=E0=E0 (3)第1次碰撞后E1=E0 第2次碰撞后E2=E0 第3次碰撞后E3=E0 …… 第n次碰撞后En=E0 8.C　核反应遵循质量数守恒和电荷数守恒,故A正确;工作时,高温等离子体中的带电粒子被强磁场约束在环形真空室内部而不与器壁碰撞,故B正确;核子结合为原子核时所释放的能量即为结合能,两个质子和两个中子结合为He时,质量亏损为Δm=2mp+2mn-m3,可知He的结合能为ΔE=Δmc2=c2,故C错误;一个H原子核与一个H原子核反应后质量亏损为Δm'=m1+m2-m3-mn,释放的能量为ΔE'=Δm'c2=(m1+m2-m3-mn)c2,故D正确。故选C。 9.D　所有的核反应过程都满足能量守恒定律,该核聚变反应过程释放能量,存在质量亏损,亏损的质量以能量的形式释放出来,但整个过程能量依然守恒,故A错误;比结合能越大,原子核越稳定,氦核比氘核稳定,所以氦核的比结合能比氘核的大,故B错误;要使氘核与氚核发生核聚变反应,需要使它们克服库仑斥力,二者间距要达到10-15 m,而不是10-10 m,故C错误;4 g氘的物质的量n===2 mol,则氘核的个数N=nNA=2×6.0×1023=1.2×1024,根据核聚变反应方程,1个氘核参与反应的质量亏损Δm=(2.014 1+3.016 1-4.002 6-1.008 7) u=0.018 9 u,1 u相当于931.5 MeV的能量,则1个氘核参与反应释放的能量ΔE=0.018 9×931.5 MeV,那么4 g氘完全参与聚变释放的能量E=N×ΔE=1.2×1024×0.018 9×931.5 MeV≈2.1×1025 MeV,故D正确。 18 学科网（北京）股份有限公司 $