第5讲 核裂变与核聚变 讲义-2025-2026学年高二下学期物理沪科版选择性必修第三册

本讲义聚焦核裂变与核聚变核心知识点，系统梳理核裂变的发现、链式反应及临界条件，延伸至原子弹原理与核电站结构，再过渡到核聚变的定义、条件及应用，最后通过四类核反应比较构建知识体系。 资料以中国第一颗原子弹爆炸情景导学，结合思考问题与专题讲练，培养科学思维与探究能力。融入核电站、人造太阳等实例，强化能量观念与科学态度，课中辅助教师引导知识建构，课后助力学生通过讲练查漏补缺。

普高物理2021新教材选修3第15章原子核 第5讲 核裂变与核聚变（讲义）--学生版（定稿） 普高物理2021新教材选修3第15章原子核 第5讲 核裂变与核聚变（讲义） 知识点1、核裂变的发现 情景导学：1964年10月16日，中国第一颗原子弹在罗布泊的荒漠上爆炸成功，其爆炸力相当于1.8万吨TNT炸药。爆炸时安放原子弹的钢塔全部熔化，在半径400 m的范围内，沙石都被烧成黄绿色的玻璃状物质，半径1 600 m范围内所有动植物全部死亡。巨大的核能是从哪里来的？ 答案　铀核的裂变。 1、核裂变：铀核在被 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 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 反应的 体积叫作它的临界体积，相应的质量叫作临界质量。 5、核裂变的能量：重核裂变为中等质量的原子核、发生质量亏损，所以 能量。 如果一个铀235核裂变时释放的能量按200 MeV估算，1 kg铀235全部裂变时放出的能量就相当于 标准煤完全燃烧时释放的化学能。 6、铀核的裂变的深入理解 6.1、铀核受激发：当中子进入铀235后，使核处于激发状态，由于核子的激烈运动，使核变成不规则的形状。 6.2、铀核分裂：核子间的距离增大，因而核力迅速减弱，使得原子核由于质子间的斥力作用而分裂成几块，同时放出2～3个中子。 6.3、核能的释放：裂变中比结合能变大，因而释放核能。 6.4、常见的裂变方程 ①U＋n―→Xe＋Sr＋2n ②U＋n―→Ba＋Kr＋3n 7、链式反应的条件 7.1、有慢中子轰击。 7.2、铀块的体积大于临界体积，或铀块的质量大于临界质量。 8、铀核裂变释放核能的计算 8.1、首先算出裂变反应中发生的质量亏损Δm。 8.2、根据ΔE＝Δmc2计算释放的核能。 8.3、若计算一定质量的铀块完全裂变时放出的核能，应先算出铀块中有多少个铀核(设为n)，则铀块裂变释放的核能E＝nΔE。 思考1：如图所示为核裂变示意图。 (1)重核裂变是一种天然现象吗？ (2)只要有中子轰击铀块就可以产生链式反应吗？ (2)不是。有中子轰击铀块且铀块的体积大于等于临界体积，才会发生链式反应。 思考2．总结维持链式反应的条件。 原子弹 原子弹是利用重核裂变的链式反应制成的，在极短时间内能够释放大量核能，发生猛烈爆炸。 原子弹的燃料是U或Pu。在天然铀中只有的U，剩下的是不易裂变的U。为得到高浓度的U，就必须进行同位素分离，形成U含量较高的浓缩铀。Pu在自然界并不存在，人们利用核反应堆中产生的中子打击U，生成物衰变后成为Pu，然后再利用化学方法将从U中分离出来。 原子弹的结构有“内爆式”和“枪式”两种。 “内爆式”原子弹的构造如图所示。核燃料一般做成球形，体积小于临界体积。它的外部安放化学炸药，引爆时利用化学炸药爆炸的冲击波将核燃料压缩至高密度的超临界状态，聚心冲击波同时压缩放在核燃料球心的中子源，使它释放中子，引起核燃料的链式反应。为了降低中子逃逸率以减小临界质量，节省核燃料，四周用铀238做成中子反射层，使逸出燃料区的部分中子返回。 “枪式”原子弹的构造如图，弹壳里分开放置着一块球形和一块圆柱形高浓度铀235。每一块的体积都小于临界体积而大于临界体积的一半，在贮存时不会发生爆炸。这两块铀235彼此隔开一段距离，其中球形的被固定，圆柱形的后面安装普通炸药和引爆装置。当普通炸药爆炸时，两块铀压在一起形成一个整块，其体积超过临界体积，立刻发生链式核反应而爆炸。 第二次世界大战时核裂变的研究已经成熟。当时法西斯侵略战争在蔓延，一些科学家，特别是那些从法西斯迫害下逃亡出来的科学家，已经预感到制造原子弹的危险，尤其是风传德国正在加紧链式反应的研究，又获悉德国采取了禁止铀矿石出口等措施，他们更加焦虑万分。1939年7月，核物理学家西拉德（L.Szilard）等人一起找到爱因斯坦，想借助他的名声敦促美国赶在德国之前造出原子弹。于是爱因斯坦在1939年8月2日签署了给美国总统罗斯福的著名信件。罗斯福总统采纳了他们的建议，下令成立了铀顾问委员会，开始了代号为“曼哈顿工程”的原子弹研制工作，并于1942年7月委任奥本海默（J.R.Oppenbeimer，1904—1967）为这项工程的技术负责人。 1945年7月16日，第一颗原子弹在新墨西哥州的荒漠上爆炸成功，其爆炸力相当于1.8万吨TNT炸药。爆炸时安放原子弹的钢塔全部熔化，在半径400m的范围内，沙石都被烧成黄绿色的玻璃状物质，半径1600m范围内所有动植物全部死亡。 专题讲练1 1.1、对裂变的理解 1、 关于重核的裂变，以下说法正确的是(　 　) A.核裂变释放的能量等于它俘获中子时得到的能量 B.中子从铀块中通过时，一定发生链式反应 C.重核裂变释放出大量能量，产生明显的质量亏损，所以核子数要减少 D.由于重核的核子平均质量大于中等质量核的核子平均质量，所以重核裂变为中等质量的核时，要发生质量亏损，放出核能 2、2020年11月27日0时41分，“华龙一号”福清核电站5号机组首次并网成功，标志着我国正式进入核电技术先进国家行列。“华龙一号”利用的是铀核裂变释放的核能，其裂变方程为U＋n→X＋Sr＋2n，则下列叙述正确的是(　　) A．裂变后粒子的总核子数减少 B．X原子核中含有85个中子 C．裂变反应前后质量没有变化 D．裂变后新核的平均结合能比铀核的小 3、铀原子核既可发生衰变，也可发生裂变。其衰变方程为U→Th＋X，裂变方程为U＋n→Y＋Kr＋3n，其中U、n、Y、Kr的质量分别为m1、m2、m3、m4，光在真空中的传播速度为c。下列叙述正确的是(　 　) A.U发生的是β衰变 B.Y原子核中含有56个中子 C.若提高温度，U的半衰期将会变小 D.U裂变时释放的能量为(m1－2m2－m3－m4)c2 4、关于重核的裂变，以下说法正确的是(　 　) A．核裂变释放的能量等于它俘获中子时得到的能量 B．中子从铀块中通过时，一定发生链式反应 C．重核裂变释放出大量能量，产生明显的质量亏损，所以核子数要减少 D．由于重核的核子平均质量大于中等质量核的核子平均质量，所以重核裂变为中等质量的核时，要发生质量亏损，放出核能 5、原子弹是利用重核裂变的链式反应制成的，在极短的时间内能够释放大量的核能，发生猛烈爆炸。下列核反应方程式中属于原子弹爆炸的核反应方程式的是(　　) A.U→Th＋He B.U＋n→Sr＋Xe＋10n C.N＋H→C＋He D.H＋H→He＋n 6、核工厂将核原料(六氟化钠)提炼成核反应材料(二氟化铀)时出现操作失误，工作人员在一个加工炉中投入16 kg的核原料，大大超过了规定标准，从而造成了核泄漏，这个标准是(　 　) A．临界体积 B．临界压强 C．临界温度 D．由一定的温度、体积和压强共同确定 7、某核电站获得核能的核反应方程为U＋n―→Ba＋Kr＋xn，已知铀核的质量为m1，钡核的质量为m2，氪核的质量为m3，中子的质量为m4，真空中光速为c，下列说法中正确的是(　 　) A．该核电站通过核聚变获得核能 B．铀核的质子数为143 C．在上述核反应中x＝2 D．一个铀核发生上述核反应，释放的能量为(m1－m2－m3－2m4)c2 8、铀核裂变时，对于产生链式反应的重要因素，下列说法中正确的是(　 　) A.铀块的质量是重要因素，与体积无关 B.为了使裂变的链式反应容易发生，最好直接利用裂变时产生的中子 C.若铀235的体积超过它的临界体积，裂变的链式反应就能够发生 D.能否发生链式反应与铀块的质量无关 9、据悉我国第四代反应堆核能系统—钍基熔盐堆核能系统研究已获重要突破。该系统是以钍作为核燃料，钍核Th俘获一个中子后经过两次β衰变可得到核燃料铀233。铀核U的一种典型裂变产物是氪Kr和钡Ba，同时释放出巨大能量。下列说法正确的是(　 　) A.钍核Th有90个中子，142个质子 B.钍核俘获一个中子的核反应方程是Th＋n→U C.产生U的核反应方程是Th→U＋2e D.铀核裂变反应方程是U＋n→Kr＋Ba＋3n 10、铀核裂变的产物是多样的，一种典型的情形是生成钡和氪，同时放出3个中子，核反应方程是U＋n→Ba＋Kr＋3n以下说法正确的是(　 　) A.该反应质量数守恒，没有质量亏损 B.U的中子数比Ba的多91个 C.U的比结合能比Ba的大 D.Ba的结合能比Kr的大 11、关于核衰变和核反应的类型，下列表述正确的有(　 　) A.U→Th＋He是α衰变 B.N＋He→O＋H是轻核聚变 C.H＋H→He＋n是β衰变 D.Se→Kr＋2e是重核裂变 12、传染病的传播过程十分复杂，但是可以构建最简单的传播模型来描述，这个最简模型可称为链式模型，类似于核裂变链式反应模型，铀核裂变的核反应方程为U＋n―→Ba＋Kr＋Rn，裂变后产生的中子能继续发生反应的次数称为链式反应的“传染系数”，下列说法正确的是(　 　) A．从铀核裂变的核反应方程看，“传染系数”为2 B．核反应堆中通过镉棒吸收中子降低“传染系数” C．链式反应的临界值对应的实际“传染系数”为3 D．核反应堆中的实际“传染系数”与铀浓度无关 1.2、裂变产生核能的计算 1、若U俘获一个中子裂变成Sr及Xe两种新核，且三种原子核的质量分别为235.043 9 u、89.907 7 u和135.907 2 u，中子质量为1.008 7 u。(1 u＝1.660 6×10－27 kg，1 u相当于931.5 MeV的能量) (1)写出铀核裂变的核反应方程； (2)求一个U俘获一个中子发生上述裂变所释放的能量。(结果保留2位有效数字) 2、U受中子轰击时会发生裂变，产生Ba和Kr，同时放出200兆电子伏特的能量。现要建设发电能力为10万千瓦的核电站，用铀235作为燃料。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)求一天需要纯铀235的质量。(阿伏加德罗常数NA＝6.02×1023 mol－1) 3、核电站利用核反应堆工作，铀核U裂变生成钡核Ba和氪核Kr。在一个反应堆中用石墨做慢化剂使快中子减速。碳核的质量是中子的12倍，假设中子与碳核的每次碰撞都是弹性正碰，而且认为碰撞前碳核都是静止的。 (1)试完成铀核裂变反应方程： U＋n→Ba＋Kr＋3n (2)已知U、Ba、Kr核以及中子的质量分别是235.043 9 u,140.913 9 u,91.897 3 u和1.008 7 u，计算一个铀核裂变放出的核能。1 u＝1.66×10－27 kg，c＝3.0×108 m/s；(结果保留两位有效数字) (3)设碰撞前中子的动能是E0，经过一次碰撞，中子失去的动能是多少。 知识点2、反应堆与核电站 1、核反应堆：控制链式反应的核心设施是 ，它主要由以下几部分组成： 1.1、核燃料： 。 1.2、慢化剂：铀235容易捕获慢中子发生反应，采用 做慢化剂。 1.3、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。 镉 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，链式反应的速度会慢一些，这种镉棒叫作控制棒。 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) 、 或普通水(也叫轻水) 使裂变产生的快中子减速 控制棒 吸收中子，控制反应速度 热交换器 或液态的 传输热量 防护层 厚 层 防止放射线泄漏，对人体及其他生物体造成伤害 2、核电站——利用核能发电的装置 2.1、工作原理： 释放的能量，使反应区温度升高。 2.2、能量输出：利用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 传输出去，用于发电。同时也使反应堆冷却。 2.3、核污染的处理：为避免射线对人体的伤害和放射性物质对水源、空气和工作场所造成的放射性污染，在反应堆的外面需要修建很厚的 ，用来屏蔽 放出的各种射线，核废料具有很强的 ，需要装入特制的容器，深埋地下。 3、核电站的主要部件及作用如下表 部件名称 项目 慢化剂 控制棒 热循环介质 保护层 采用的材料 石墨、重水或普通水(也叫轻水) 镉 水或液态的金属钠 很厚的水泥外壳 作用 降低中子速度，便于铀235吸收 吸收中子，控制反应速度 把反应堆内的热量传输出去 屏蔽射线，防止放射性污染 4、核电站发电的优点 4.1、消耗的核燃料少。 4.2、作为核燃料的铀、钍等地球上可采储量大，所能提供的能量大。 4.3、对环境的污染比火力发电小。 专题讲练2 1、如图是核反应堆的示意图，对于核反应堆的认识，下列说法正确的是(　 　) A.铀棒是核燃料，核心物质是铀238 B.石墨起到吸收中子的作用 C.镉棒起到使中子减速的作用 D.水泥防护层的作用是阻隔各种射线，避免放射性危害 2、 如图是慢中子反应堆的示意图，对该反应堆的下列说法正确的是(　 　) A.铀235容易吸收快中子后发生裂变反应 B.快中子跟慢化剂的原子核碰撞后的能量减少，变成慢中子，慢中子容易被铀235俘获而引起裂变反应 C.控制棒由镉做成，当反应过于激烈时，使控制棒插入浅一些，让它少吸收一些中子，链式反应的速度就会慢一些 D.要使裂变反应更激烈一些，应使控制棒插入深一些，使大量快中子碰撞控制棒后变成慢中子，链式反应的速度就会快一些 3、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。下列关于核反应堆工作中的说法正确的是(　 　) 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 4、核反应堆是实现可控制的重核裂变的一种装置，它主要由四部分组成(　 　) A.核燃料、减速剂、冷却系统、控制调节系统 B.核燃料、减速剂、发热系统、传热系统 C.核燃料、减速剂、碰撞系统、传热系统 D.核燃料、中子源、核能储存系统、输送系统 5、核反应堆不锈钢外壳内除核燃料棒和控制棒以外还通入水，这些水除了起冷却作用外还起了(　 　) A．使中子减速的作用 B．使中子加速的作用 C．吸收放射性物质的作用 D．吸收反应发出的射线的作用 6、(多选)如图所示，核反应堆通过可控的链式反应实现核能的释放。核燃料是铀棒，在铀棒周围放慢化剂，快中子和慢化剂中的碳原子核碰撞后，中子能量减少变为慢中子。下列说法正确的是( 　 ) A．慢化剂使快中子变为慢中子，慢中子更难被铀核捕获 B．裂变后的新核氪的平均结合能大于铀核的平均结合能 C．链式反应是指由重核裂变产生的中子使裂变反应一代接一代继续下去的过程 D．一个U裂变释放的能量是200 MeV，则该核反应中质量亏损约为3.6×10－28 kg 7、(多选)为应对能源危机和优化能源结构，提高清洁能源的比重，我国制定了优先选择核能，其次加快发展风能和再生能源的政策，请根据所学物理知识，判断下列说法正确的是(　 　) A.核能发电对环境的污染比火力发电要小 B.核能发电对环境的污染比火力发电要大 C.现有核电站都只利用重核裂变释放大量的原子能 D.现有核电站既可以利用重核裂变，又可以利用轻核聚变释放大量的原子能 8、核电站是利用反应堆释放出的能量将水变成高温高压的水蒸气来推动汽轮发电机发电的。反应堆的核反应方程式为U＋n→Xe＋X＋10n，其中U、n、Xe、X的质量分别为m1、m2、m3、m4，真空中光速为c，以下说法正确的是(　 　) A.X原子核中含有中子数为52 B.该反应质量亏损Δm＝m1－m3－m4 C.该反应释放的能量为(m1－10m2－m3－m4)c2 D.U的比结合能大于Xe的比结合能 9、下列核反应方程中，属于重核裂变的是(　 　) A.卢瑟福发现的核反应方程：N＋He→O＋H B.贝克勒尔发现天然放射现象，其中的一种核反应方程：Th→Pa＋e C.太阳中发生的热核反应，一种典型的核反应方程：H＋H→He＋n D.核电站可控的链式反应中，一种典型的核反应方程：U＋n→Ba＋Kr＋3n 知识点3、核聚变 1、核聚变定义：两个 结合成质量较大的核，并释放出 的反应，这样的核反应叫作核聚变。 2、核聚变核反应方程(举例)：H＋H→He＋n＋17.6 MeV。 3、核聚变发生条件：要使轻核发生聚变，必须使它们的距离达到 m 以内，核力才能起作用。 4、核聚变方法：需要加热到很高的 ，因此核聚变又叫热核反应。 由于原子核都带正电，要使它们接近到这种程度，必须克服巨大的 ，这就要求原子核具有足够的动能，有一种方法就是把它们加热到很高的温度，温度高达 开尔文，因此核聚变又叫 。 5、宇宙中的核聚变：太阳能是太阳内部的氢核 成氦核释放的 能。 太阳的主要成分是 ，太阳中心温度可达1.6×107 K，在此高温下，氢核聚变成氦核的反应不停地进行着，太阳能就来自于太阳内部 释放的核能。 6、核聚变的特点 6.1、在消耗相同质量的核燃料时，轻核聚变比重核裂变释放更多的能量。 6.2、热核反应一旦发生，就不再需要外界给它能量，靠自身产生的热就可以使反应进行下去。 6.3、普遍性：热核反应在宇宙中时时刻刻地进行着，太阳就是一个巨大的热核反应堆。 7、核聚变的应用 7.1、核武器——氢弹：一种不需要人工控制的轻核聚变反应装置。 原理：首先由化学炸药引爆 ，再由 爆炸产生的高温高压引发热核爆炸。 7.2、可控热核反应：目前处于探索阶段 8、受控热核反应 8.1、核聚变的优点：第一：轻核聚变产能效率高。 第二：地球上核聚变燃料的储量丰富，而氚可利用锂来制取，足以满足核聚变的需要。 第三：轻核聚变更为安全、清洁。 8.2、核聚变的难点：地球上没有任何容器能够经受热核反应的高温。。 8.3、控制方法 ①磁约束：利用磁场约束参加反应的物质，目前最好的一种磁约束装置是 。 ②惯性约束：聚变物质因自身的惯性，在极短时间内来不及扩散就完成了核反应，在惯性约束下，用高能量密度的激光或X射线从各个方向照射反应物，使它们“挤”在一起发生反应。 思考：发生核聚变需要什么条件？ 专题讲练3 3.1、对聚变的理解 1、 (多选)下列关于聚变的说法中，正确的是(　 　) A.要使聚变发生，必须克服库仑斥力做功 B.轻核聚变需要几百万开尔文的高温，因此轻核聚变又叫作热核反应 C.原子弹爆炸能产生几百万开尔文的高温，所以氢弹利用原子弹引发热核反应 D.太阳和许多恒星内部都在激烈地进行着热核反应，在地球内部也可以自发地进行 2、2021年5月28日，在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，成功实现可重复的1.2亿摄氏度101秒和1.6亿摄氏度20秒等离子体运行，向核聚变能源应用迈出重要一步。下列关于聚变的说法正确的是(　 　) A．任何两个原子核都可以发生聚变 B．两个轻核结合成质量较大的核，总质量较聚变前减小 C．两个轻核结合成质量较大的核，核子的平均结合能减小 D．核聚变比核裂变更为安全、清洁，是目前利用核能的主要方式 3、关于核聚变反应，下列说法正确的是(　 ) A.核聚变反应原理简单，比裂变反应容易实现 B.两个轻核结合成质量较大的核，核子的比结合能增加 C.太阳目前正在进行的核反应既有聚变反应，也有裂变反应 D.核聚变反应的核反应方程可能是H＋H→He＋2n 4、2020年12月4日，我国自主设计建造的新一代“人造太阳”——中国环流器二号M装置(HL－2M)在成都建成并实现首次放电，标志着中国核聚变发展获得重大突破。关于核聚变和核能，下列说法正确的是(　 　) A．核聚变通常需要几百万开尔文以上的超高温，又称热核反应 B．太阳辐射的能量来源于核聚变，核聚变又称链式反应 C．一个氘核和一个氚核聚变的方程为：H＋H→He＋e D．核子平均质量越大，原子核越稳定 5、(多选)月球储藏大量可控核聚变理想燃料氦－3(He)，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H＋H→He＋X或H＋He→He＋Y。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.He比He的原子核更稳定 6、一个氘核和一个氚核经过核反应后生成一个氦核和一个中子，同时放出一个γ光子。已知氘核、氚核、中子、氦核的质量分别为m1、m2、m3、m4，普朗克常量为h，真空中的光速为c。下列说法中正确的是(　 　) A.这个反应的核反应方程是H＋H→He＋n＋γ B.这个核反应既不是聚变反应也不是裂变反应 C.辐射出的γ光子的能量E＝(m3＋m4－m1－m2)c2 D.辐射出的γ光子的波长λ＝ 7、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 8、(多选)核聚变能释放大量的核能，一种核聚变的反应方程为H＋H→X＋n＋E，关于该方程，下列说法正确的是(　 　) A.X射线的电离本领比γ射线强 B.X核的比结合能小于氘核的比结合能 C.X核子与中子的质量之和大于氘、氚两核子的质量之和 D.该核反应需要巨大的能量克服氘、氚核子问的库仑斥力 9、“嫦娥五号”在月球采集的约2千克月壤中含有地球上鲜有的He，He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的聚变反应方程如下： ①H＋H→He＋X＋3.3 MeV； ②He＋He→He＋2Y＋12.86 MeV。 下列说法正确的是(　D　) A.X为质子，Y为中子 B.He的比结合能比He的比结合能大 C.方程①中，质量亏损约为5.9×10－31 kg D.方程②中，每个核子平均释放的能量约为2.14 MeV 10、(多选)太阳的能量来源是轻核的聚变，太阳中存在的主要元素是氢，核聚变反应可以看作是4个氢核(H)结合成1个氦核同时放出2个正电子。下表中列出了部分粒子的质量(取1 u＝×10－26 kg，c＝3.0×108 m/s)，以下说法正确的是(　 　) 粒子名称 质子(p) α粒子 正电子(e) 质量/u 1.007 3 4.001 5 0.000 55 A.核反应方程为4H―→He＋2e B．4个氢核结合成1个氦核时的质量亏损约为0.026 6 kg C．4个氢核结合成1个氦核时的质量亏损约为4.43×10－29 kg D．聚变反应过程中释放的能量约为4.0×10－12 J 3.2、聚变产生核能的计算 1、氘核H可通过一系列聚变反应释放能量，其总效果可用反应式6H→2He＋2H＋2n＋43.15 MeV表示。海水中富含氘，已知1 kg海水中含有的氘核约为1.0×1022个，若全都发生聚变反应，其释放的能量与质量为M的标准煤燃烧时释放的热量相等；已知1 kg标准煤燃烧释放的热量约为2.9×107 J，1 MeV＝1.6×10－13 J，则M约为(　 　) A.40 kg B.100 kg C.400 kg D.1 000 kg 2、太阳的能量来自于热核反应，其中一种核反应是四个质子聚变成一个α粒子，同时放出两个正电子和两个没有静止质量的中微子。已知α粒子的质量为mα，质子的质量为mp，电子的质量为me，c为光在真空中的传播速度，N为阿伏加德罗常数。在这种核反应中1 000 g的氢核聚变所放出的能量为(　 　) A.1 000(4mp＋mα＋2me)Nc2 B.1 000(mα＋2me－4mp)Nc2 C.250(mα＋2me－4mp)Nc2 D.250(4mp－mα－2me)Nc2 3、大科学工程“人造太阳”主要是将氘核聚变反应释放的能量用来发电。氘核聚变反应方程是H＋H―→He＋n。已知H的质量为2.013 6 u，He的质量为3.015 0 u，n的质量为1.008 7 u, 1 u相当于931 MeV的能量。氘核聚变反应中释放的核能约为(　 　) A．3.7 MeV B．3.3 MeV C．2.7 MeV D．0.93 MeV 4、两个氘核结合成一个氦核，已知氘核质量为2.014 u，氦核质量为4.002 u。 (1)写出相应的核反应方程； (2)求出1 kg氘完全结合成氦时可以释放出的能量。已知：阿伏加德罗常数NA为6.0×1023 mol－1，氘核的摩尔质量为2 g/mol,1 u相当于931.5 MeV的能量(结果保留两位有效数字)。 5、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＝4.001 5 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？ 7、已知氘核质量为2.0136u，中子质量为1.0087u，氦核的质量为3.0150u． （1）写出两个氘核聚变成氦核的核反应方程； （2）计算上述核反应中释放的核能； （3）若两氘核以相等的动能E做对心碰撞即可发生上述核反应，且释放的核能（设为△Ε）全部转化为机械能，中子的质量设为m． 求：反应中生成的氦核和中子的动能各是多少？（用本小题中的物理符号表示结果） 知识点4、四类核反应 1、四类核反应方程的比较 名称 核反应方程 其他 衰变 α衰变 U→Th＋He 贝克勒尔 β衰变 Th→Pa＋e 裂变 U＋n→Ba＋Kr＋3n 原子弹原理 聚变 H＋H→He＋n＋17.6 MeV 氢弹原理 人工 转变 发现人工放射性同位素 Al＋He→P＋n 约里奥－居里夫妇 发现质子 N＋He→O＋H 卢瑟福 发现中子 Be＋He→C＋n 查德威克 2、四种核反应的理解 2.1衰变：放射性元素的原子核自发放出某种粒子后变成新的原子核的变化． ①α衰变：X→Y＋He ②β衰变：X→Y＋e 2.2原子核的人工转变：用人工的方法，使原子核在其他粒子的轰击下产生新原子核的过程． ①质子的发现：N＋He→O＋H(卢瑟福) ②中子的发现：Be＋He→C＋n(查德威克) ③放射性同位素和正电子的发现： Al＋He→P＋n P→Si＋e 2.3核裂变：一个重核分裂成两个中等质量的核，这样的核反应叫作核裂变． U＋n→Ba＋Kr＋3n U＋n→Xe＋Sr＋10n 2.4核聚变：两个轻核结合成质量较大的核，这样的核反应叫作核聚变． H＋H→He＋n 3、核反应类型的判断 核反应方程的常见类型有：衰变、人工转变、裂变和聚变。判断核反应方程是哪种类型的核反应时，应紧抓该类型核反应的定义。 3.1重核俘获一个中子后分裂为个中等质量核的反应过程，称为裂变。 裂变方程的重要特征是“”前有一个中子和一个重核，“”后有两个或两个以上的中等质量的核。 3.2把轻核结合成质量较大的核，释放出核能的反应，称为聚变，又称为热核反应。 聚变方程的特征是“”前有两个或两个以上的质量很小的核，“”后是一个质量稍大些的核，有的聚变中可能还会放出一个质子或一个中子、正电子等。 3.3人工转变通常是指某原子核在粒子（或其他粒子）的轰击下，转变为一个新核的核反应。 人工转变方程的特征是“”前有一个粒子（或其他粒子）和一个原子核，“”后一个新核，通常还伴随一个质子或中子。 3.4放射性元素的原子核放出一个粒子或粒子而转变成新核的过程称为衰变。 衰变方程的重要特征是“”前只有一个原子核，“”后粒子或粒子与一个新核。 专题讲练4 4.1、四种核反应 1、下列说法正确的是（ ）（多选） A．是衰变 B．是核聚变反应 C．是核裂变反应 D．是原子核的人工转变 2、在下列四个核反应方程中，表示质子的是（ ） A． B． C． D． 3、在下列四个核反应方程中，、、和各代表某种粒子。 以下判断中正确的是（ ） （是氙，是锶，是钍） A．是中子 B．是质子 C．是粒子 D．是氘核 4、在下列四个核反应方程中，x表示质子的是 （ ） A． B． C． D． 5、某原子核内有核子N个，其中有n个中子，当该核俘获一个中子后，放出一个α粒子和一个β粒子，它自身转成一个新的原子核，可知这个新的原子核 （ ） A．有中子（n－1）个 B．有中子（n－2）个 C．核子数是（n－3） D．原子序数是（N－n－2） 6、现有三个核反应：①、②、③下列说法中正确的是 （ ） A．①是裂变，②是β衰变，③是聚变 B．①是聚变，②是裂变，③是β衰变 C．①是β衰变，②是裂变，③是聚变 D．①是β衰变，②是聚变，③是裂变 7、下列表述正确的是（　 　）（多选） A．HeH→HeH是聚变反应 B．U→ThHe是人工核转变 C．Na→Mge是衰变反应 D．元素的半衰期会受到其所处环境的影响 E．Un→KrBa+3n是裂变反应 8、下列说法正确的是（　 ） A．U→Th+X中X为中子，核反应类型为衰变 B．HH→He+Y中Y为中子，核反应类型为人工核转变 C．Un→XeSr+K，其中K为10个中子，核反应类型为重核裂变 D．NHe→O+Z，其中Z为氢核核反应类型为轻核聚变 9、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．衰变方程U→Th＋X中X是质子 B．核裂变反应方程U＋n→Ba＋Kr＋bn中b＝3 C．核聚变反应方程H＋H→He＋an中a＝2 D．衰变方程Th→Pa＋Y中Y是中子 10、在下列描述核反应的方程中，属于α衰变的是________，属于β衰变的是______，属于核裂变的是________，属于核聚变的是________．(填正确答案前的字母) A.C→N＋e B.P→S＋e C.U→Th＋He D.N＋He→O＋H E.U＋n→Xe＋Sr＋2n F.H＋H→He＋n 11、嫦娥四号探测器上安装了一块核电池，利用放射性同位素发射的高能射线照射热电元件，将热能转化为电能，符合这种核电池原理的核反应方程是(　 　) A.H＋H→He＋n B.N＋He→O＋H C.Pu→He＋U D.U＋n→Ba＋Kr＋3n 12、关于下列核反应方程的说法正确的是(　 　) A.N＋H→C＋He是α衰变方程 B.U→Th＋He是核裂变方程 C．2H＋2n→He一定是释放核能的核反应方程 D.He＋Al→P＋n是发现中子的核反应方程 13作为一项新能源，人类利用核能，目前都是通过可控制的核裂变反应实现的．下列反应中属于核裂变反应的是( ) A.Th→Ra＋He B.He＋Al→P＋n C.H＋H→He＋n D.U＋n→Ba＋Kr＋3n 14、放射性同位素在工业、医疗、生物技术等领域都具有广泛应用，下列四个核反应方程中属于生成人工放射性同位素的是(　 　) A.Al＋He→P＋n B.U＋n→Ba＋Kr＋3n C.U→Th＋He D.H＋H→He＋n 15、核潜艇以核反应堆为动力源．关于核反应，下列说法正确的是(　 　) A．在核反应中，质量守恒、电荷数守恒 B．核反应方程U→Th＋He属于α衰变 C．核反应方程N＋He→O＋H属于核聚变，是核潜艇的动力原理 D．核反应方程C→N＋e属于β衰变，而β射线来自原子外层的电子 16、 质子一质子循环发生的核反应被认为是恒星能量的一种可能来源，具体的一个循环过程是这样的：两个质子（H）发生聚变，生成一个氘核（H），生成的氘核（H）再与一个质子（H）聚变生成一个氦核（He），接下来两个氦核（He）发生聚变，生成氦的同位素（He）同时再产生两个质子（H），这两个质子（H）再度发生聚变…进入下一个循环反应，成为恒星不竭之能量源泉。对于这种质子一质子循环发生的核反应，则下列说法正确的是（　 　） A．两个质子（H）发生聚变，可表示为：HH→He B．两个质子（H）发生聚变：可表示为：HH→2H C．一个完整的质子﹣质子循环核反应可表示为：3H→Hee D．一个完整的质子﹣质子循环核反应可表示为：6H→He+2e 17、发展核能是解决能源问题的途径之一。下列释放核能的反应方程中，表述正确的是（ ）（多选） A．HeAl→Pn是原子核的人工转变 B．HH→He+γ是原子核的人工转变 C．FH→OHe是α衰变 D．Un→SrXe+10n是裂变反应 18、太阳内部持续不断地发生着4个质子聚变为1个氦核的热核反应，这个核反应释放出的大量能量就是太阳的能源（　 　）（多选） A．核反应方程式为4H→He+2e B．由方程式可知，这个反应属于衰变反应 C．由方程式可知，这个反应属于裂变反应 D．由此可知，太阳的质量在不断减小 19、有下列4个核反应方程，核反应类型依次属于(　 　) ①Na→Mg＋e ②U＋n→Ba＋Kr＋3n ③F＋He→Ne＋H ④He＋H→He＋H A.衰变、裂变、人工转变、聚变 B.裂变、裂变、聚变、聚变 C.衰变、衰变、聚变、聚变 D.衰变、人工转变、人工转变、聚变 20、 (多选)关于下列核反应方程的说法正确的是(　 　) ①He＋Al→P＋n ②H＋H→He＋γ ③F＋H→O＋He ④U＋n→Sr＋Xe＋10n＋γ A.①是原子核的人工转变核反应方程 B.②是轻核聚变的核反应方程 C.③是α衰变的核反应方程 D.④是重核裂变的核反应方程 4、贝可勒尔在120年前首先发现了天然放射现象，如今原子核的放射性在众多领域中有着广泛应用。下列属于核聚变的是（　 　） A．HH→Hen B．HeAl→Pn C．C→Ne D．Un→IY+2n 1 物理学习的核心在于思维 最基本的知识、方法才是最重要的； 30%兴趣+30%信心+30%方法+10%勤奋+l%天赋>100%成功初三物理暑假课程 学科网（北京）股份有限公司 $普高物理2021新教材选修3第15章原子核 第5讲 核裂变与核聚变（讲义）--教师版（定稿） 普高物理2021新教材选修3第15章原子核 第5讲 核裂变与核聚变（讲义） 知识点1、核裂变的发现 情景导学：1964年10月16日，中国第一颗原子弹在罗布泊的荒漠上爆炸成功，其爆炸力相当于1.8万吨TNT炸药。爆炸时安放原子弹的钢塔全部熔化，在半径400 m的范围内，沙石都被烧成黄绿色的玻璃状物质，半径1 600 m范围内所有动植物全部死亡。巨大的核能是从哪里来的？ 答案　铀核的裂变。 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。 5、核裂变的能量：重核裂变为中等质量的原子核、发生质量亏损，所以放出能量。 如果一个铀235核裂变时释放的能量按200 MeV估算，1 kg铀235全部裂变时放出的能量就相当于2 800 t标准煤完全燃烧时释放的化学能。 6、铀核的裂变的深入理解 6.1、铀核受激发：当中子进入铀235后，使核处于激发状态，由于核子的激烈运动，使核变成不规则的形状。 6.2、铀核分裂：核子间的距离增大，因而核力迅速减弱，使得原子核由于质子间的斥力作用而分裂成几块，同时放出2～3个中子。 6.3、核能的释放：裂变中比结合能变大，因而释放核能。 6.4、常见的裂变方程 ①U＋n―→Xe＋Sr＋2n ②U＋n―→Ba＋Kr＋3n 7、链式反应的条件 7.1、有慢中子轰击。 7.2、铀块的体积大于临界体积，或铀块的质量大于临界质量。 8、铀核裂变释放核能的计算 8.1、首先算出裂变反应中发生的质量亏损Δm。 8.2、根据ΔE＝Δmc2计算释放的核能。 8.3、若计算一定质量的铀块完全裂变时放出的核能，应先算出铀块中有多少个铀核(设为n)，则铀块裂变释放的核能E＝nΔE。 思考1：如图所示为核裂变示意图。 (1)重核裂变是一种天然现象吗？ (2)只要有中子轰击铀块就可以产生链式反应吗？ 答案　(1)重核裂变不能自发地进行，只能发生在人工控制的核反应中，所以重核裂变不是一种天然现象。 (2)不是。有中子轰击铀块且铀块的体积大于等于临界体积，才会发生链式反应。 思考2．总结维持链式反应的条件。 答案　(1)铀块的体积大于等于临界体积或铀块的质量大于等于临界质量。 (2)有慢中子轰击。 (3)有足够浓度的铀235。 原子弹 原子弹是利用重核裂变的链式反应制成的，在极短时间内能够释放大量核能，发生猛烈爆炸。 原子弹的燃料是U或Pu。在天然铀中只有的U，剩下的是不易裂变的U。为得到高浓度的U，就必须进行同位素分离，形成U含量较高的浓缩铀。Pu在自然界并不存在，人们利用核反应堆中产生的中子打击U，生成物衰变后成为Pu，然后再利用化学方法将从U中分离出来。 原子弹的结构有“内爆式”和“枪式”两种。 “内爆式”原子弹的构造如图所示。核燃料一般做成球形，体积小于临界体积。它的外部安放化学炸药，引爆时利用化学炸药爆炸的冲击波将核燃料压缩至高密度的超临界状态，聚心冲击波同时压缩放在核燃料球心的中子源，使它释放中子，引起核燃料的链式反应。为了降低中子逃逸率以减小临界质量，节省核燃料，四周用铀238做成中子反射层，使逸出燃料区的部分中子返回。 “枪式”原子弹的构造如图，弹壳里分开放置着一块球形和一块圆柱形高浓度铀235。每一块的体积都小于临界体积而大于临界体积的一半，在贮存时不会发生爆炸。这两块铀235彼此隔开一段距离，其中球形的被固定，圆柱形的后面安装普通炸药和引爆装置。当普通炸药爆炸时，两块铀压在一起形成一个整块，其体积超过临界体积，立刻发生链式核反应而爆炸。 第二次世界大战时核裂变的研究已经成熟。当时法西斯侵略战争在蔓延，一些科学家，特别是那些从法西斯迫害下逃亡出来的科学家，已经预感到制造原子弹的危险，尤其是风传德国正在加紧链式反应的研究，又获悉德国采取了禁止铀矿石出口等措施，他们更加焦虑万分。1939年7月，核物理学家西拉德（L.Szilard）等人一起找到爱因斯坦，想借助他的名声敦促美国赶在德国之前造出原子弹。于是爱因斯坦在1939年8月2日签署了给美国总统罗斯福的著名信件。罗斯福总统采纳了他们的建议，下令成立了铀顾问委员会，开始了代号为“曼哈顿工程”的原子弹研制工作，并于1942年7月委任奥本海默（J.R.Oppenbeimer，1904—1967）为这项工程的技术负责人。 1945年7月16日，第一颗原子弹在新墨西哥州的荒漠上爆炸成功，其爆炸力相当于1.8万吨TNT炸药。爆炸时安放原子弹的钢塔全部熔化，在半径400m的范围内，沙石都被烧成黄绿色的玻璃状物质，半径1600m范围内所有动植物全部死亡。 专题讲练1 1.1、对裂变的理解 1、 关于重核的裂变，以下说法正确的是(　D　) A.核裂变释放的能量等于它俘获中子时得到的能量 B.中子从铀块中通过时，一定发生链式反应 C.重核裂变释放出大量能量，产生明显的质量亏损，所以核子数要减少 D.由于重核的核子平均质量大于中等质量核的核子平均质量，所以重核裂变为中等质量的核时，要发生质量亏损，放出核能 解析　核裂变释放的能量来源于裂变过程的质量亏损，是核能转化为其他形式能的过程，其能量远大于俘获中子时吸收的能量，A错误，D正确；发生链式反应是有条件的，铀块的体积必须大于其临界体积，否则中子从铀块中穿过时，可能碰不到原子核，则不会发生链式反应，B错误；重核裂变时，核子数守恒，C错误。 2、2020年11月27日0时41分，“华龙一号”福清核电站5号机组首次并网成功，标志着我国正式进入核电技术先进国家行列。“华龙一号”利用的是铀核裂变释放的核能，其裂变方程为U＋n→X＋Sr＋2n，则下列叙述正确的是(　B　) A．裂变后粒子的总核子数减少 B．X原子核中含有85个中子 C．裂变反应前后质量没有变化 D．裂变后新核的平均结合能比铀核的小 解析　核反应过程中，质量数守恒，所以裂变后粒子的总核子数不变，A错误；设X原子核中有x个质子，质量数为y，则92＝x＋38，235＋1＝y＋95＋1×2，解得x＝54，y＝139，所以X原子核中含有中子数为y－x＝85，B正确；裂变释放核能，所以有质量亏损，C错误；裂变释放核能是因为新核的平均结合能比铀核的大，新核较稳定，D错误。 3、铀原子核既可发生衰变，也可发生裂变。其衰变方程为U→Th＋X，裂变方程为U＋n→Y＋Kr＋3n，其中U、n、Y、Kr的质量分别为m1、m2、m3、m4，光在真空中的传播速度为c。下列叙述正确的是(　D　) A.U发生的是β衰变 B.Y原子核中含有56个中子 C.若提高温度，U的半衰期将会变小 D.U裂变时释放的能量为(m1－2m2－m3－m4)c2 解析　根据核反应过程中质量数守恒、电荷数守恒，知X为氦原子核，U发生的是α衰变，A错误；Y的质量数A＝235＋1－89－3＝144，电荷数Z＝92－36＝56，由原子核的组成特点可知，Y原子核中含有56个质子，中子数为144－56＝88，B错误；半衰期与温度、压强等外界因素无关，C错误；由于核裂变的过程中释放能量，根据爱因斯坦质能方程得ΔE＝Δmc2＝(m1－2m2－m3－m4)c2，D正确。 4、关于重核的裂变，以下说法正确的是(　D　) A．核裂变释放的能量等于它俘获中子时得到的能量 B．中子从铀块中通过时，一定发生链式反应 C．重核裂变释放出大量能量，产生明显的质量亏损，所以核子数要减少 D．由于重核的核子平均质量大于中等质量核的核子平均质量，所以重核裂变为中等质量的核时，要发生质量亏损，放出核能 解析　根据重核发生裂变的条件和裂变放能的原理分析可知，裂变时因铀核俘获中子发生核反应，是核能转化为其他形式能的过程，其释放的能量远大于其俘获中子时吸收的能量，链式反应是有条件的，即铀块的体积必须大于或等于其临界体积，在裂变反应中核子数是不会减少的，故选D。 5、原子弹是利用重核裂变的链式反应制成的，在极短的时间内能够释放大量的核能，发生猛烈爆炸。下列核反应方程式中属于原子弹爆炸的核反应方程式的是(　B　) A.U→Th＋He B.U＋n→Sr＋Xe＋10n C.N＋H→C＋He D.H＋H→He＋n 6、核工厂将核原料(六氟化钠)提炼成核反应材料(二氟化铀)时出现操作失误，工作人员在一个加工炉中投入16 kg的核原料，大大超过了规定标准，从而造成了核泄漏，这个标准是(　A　) A．临界体积 B．临界压强 C．临界温度 D．由一定的温度、体积和压强共同确定 解析　临界体积是核反应技术中的重要参数。如果核原料(六氟化钠)投入太多，提炼成核反应材料(二氟化铀)，就会超过临界体积，则可产生持续的铀核反应，从而造成了核泄漏，A正确；当铀块达不到其临界体积时，一般情况下，即便压强和温度达到一定值时，也不会产生核反应，不会产生核泄漏，B、C、D错误。 7、某核电站获得核能的核反应方程为U＋n―→Ba＋Kr＋xn，已知铀核的质量为m1，钡核的质量为m2，氪核的质量为m3，中子的质量为m4，真空中光速为c，下列说法中正确的是(　D　) A．该核电站通过核聚变获得核能 B．铀核的质子数为143 C．在上述核反应中x＝2 D．一个铀核发生上述核反应，释放的能量为(m1－m2－m3－2m4)c2 解析　该核电站通过核裂变获得核能，A错误；铀核的质子数为92，B错误；根据核反应过程满足质量数守恒可得235＋1＝144＋89＋x，解得x＝3，C错误；一个铀核发生上述核反应，释放的能量为ΔE＝Δmc2＝(m1－m2－m3－2m4)c2，D正确。 8、铀核裂变时，对于产生链式反应的重要因素，下列说法中正确的是(　C　) A.铀块的质量是重要因素，与体积无关 B.为了使裂变的链式反应容易发生，最好直接利用裂变时产生的中子 C.若铀235的体积超过它的临界体积，裂变的链式反应就能够发生 D.能否发生链式反应与铀块的质量无关 要使铀核裂变产生链式反应，铀块的体积必须大于临界体积。裂变反应中产生的中子为快中子，这些快中子不能直接引发新的裂变。如果铀块的质量大，则其体积大，若超过临界体积则发生链式反应。A、B、D错误，C正确。 9、据悉我国第四代反应堆核能系统—钍基熔盐堆核能系统研究已获重要突破。该系统是以钍作为核燃料，钍核Th俘获一个中子后经过两次β衰变可得到核燃料铀233。铀核U的一种典型裂变产物是氪Kr和钡Ba，同时释放出巨大能量。下列说法正确的是(　D　) A.钍核Th有90个中子，142个质子 B.钍核俘获一个中子的核反应方程是Th＋n→U C.产生U的核反应方程是Th→U＋2e D.铀核裂变反应方程是U＋n→Kr＋Ba＋3n 解析　钍核Th有90个质子，232－90＝142个中子，A错误；钍核俘获一个中子后经过两次β衰变的核反应方程是Th＋n→U＋2e，B、C错误；根据质量数守恒与电荷数守恒可知，铀核裂变的核反应方程为U＋n→Kr＋Ba＋3n，D正确。 10、铀核裂变的产物是多样的，一种典型的情形是生成钡和氪，同时放出3个中子，核反应方程是U＋n→Ba＋Kr＋3n以下说法正确的是(　D　) A.该反应质量数守恒，没有质量亏损 B.U的中子数比Ba的多91个 C.U的比结合能比Ba的大 D.Ba的结合能比Kr的大 解析　核反应中质量数守恒，但此反应释放核能有质量亏损，故A错误；的中子数为143，中子数为88，中子数相差55，故B错误；重核裂变生成物的原子核更稳定，比结合能变大，故C错误；核子数越多，结合能越大，故D正确。 11、关于核衰变和核反应的类型，下列表述正确的有(　A　) A.U→Th＋He是α衰变 B.N＋He→O＋H是轻核聚变 C.H＋H→He＋n是β衰变 D.Se→Kr＋2e是重核裂变 解析　核反应U→Th＋He，这是原子核放出α粒子变成新的原子核，属于α衰变，A正确；核反应N＋He→O＋H是用人工的方法产生新的原子核，因此属于原子核的人工转变，B错误；核反应H＋H→He＋n，是把小的原子核变成大的原子核，放出能量，因此属于轻核的聚变，C错误；核反应Se→Kr＋2e，原子核放出电子变成新的原子核，属于β衰变，D错误。 12、传染病的传播过程十分复杂，但是可以构建最简单的传播模型来描述，这个最简模型可称为链式模型，类似于核裂变链式反应模型，铀核裂变的核反应方程为U＋n―→Ba＋Kr＋Rn，裂变后产生的中子能继续发生反应的次数称为链式反应的“传染系数”，下列说法正确的是(　B　) A．从铀核裂变的核反应方程看，“传染系数”为2 B．核反应堆中通过镉棒吸收中子降低“传染系数” C．链式反应的临界值对应的实际“传染系数”为3 D．核反应堆中的实际“传染系数”与铀浓度无关 解析　核反应遵循电荷数守恒及质量数守恒，可得R＝3，即从铀核裂变的核反应方程看“传染系数”为3，选项A错误；核反应堆中通过镉棒吸收中子，减少轰击铀核的中子数，最终起到降低实际“传染系数”的作用，选项B正确；在链式反应中，当实际“传染系数”R≥1时，反应才能持续下去，当实际“传染系数”R<1时，反应将趋于停滞，即R＝1是链式反应持续下去的临界值，选项C错误；核反应堆中可以通过调整铀浓度来控制实际“传染系数”，选项D错误。 1.2、裂变产生核能的计算 1、若U俘获一个中子裂变成Sr及Xe两种新核，且三种原子核的质量分别为235.043 9 u、89.907 7 u和135.907 2 u，中子质量为1.008 7 u。(1 u＝1.660 6×10－27 kg，1 u相当于931.5 MeV的能量) (1)写出铀核裂变的核反应方程； (2)求一个U俘获一个中子发生上述裂变所释放的能量。(结果保留2位有效数字) 答案　(1)U＋n→Sr＋Xe＋10n (2)1.4×102 MeV 解析　(1)根据核反应的质量数守恒与电荷数守恒有U＋n→Sr＋Xe＋10n。 (2)一个铀核裂变的质量亏损为 Δm＝(235.043 9＋1.008 7) u－(89.907 7＋135.907 2＋10×1.008 7) u＝0.150 7 u； 释放的能量为ΔE＝Δm×931.5 MeV＝1.4×102 MeV。 2、U受中子轰击时会发生裂变，产生Ba和Kr，同时放出200兆电子伏特的能量。现要建设发电能力为10万千瓦的核电站，用铀235作为燃料。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)求一天需要纯铀235的质量。(阿伏加德罗常数NA＝6.02×1023 mol－1) 答案　(1)U ＋n→Ba＋Kr ＋3n　(2)0.21 kg 解析　(1)核反应方程为U ＋n→Ba＋Kr ＋3n (2)每一天的发电量为E＝Pt＝10×104×103×24×3 600 J＝8.64×1012 J 消耗的铀235核的个数为 n＝＝个＝5.4×1023个 一天需要的纯铀235的质量为 m＝M＝×235×10－3 kg≈0.21 kg。 3、核电站利用核反应堆工作，铀核U裂变生成钡核Ba和氪核Kr。在一个反应堆中用石墨做慢化剂使快中子减速。碳核的质量是中子的12倍，假设中子与碳核的每次碰撞都是弹性正碰，而且认为碰撞前碳核都是静止的。 (1)试完成铀核裂变反应方程： U＋n→Ba＋Kr＋3n (2)已知U、Ba、Kr核以及中子的质量分别是235.043 9 u,140.913 9 u,91.897 3 u和1.008 7 u，计算一个铀核裂变放出的核能。1 u＝1.66×10－27 kg，c＝3.0×108 m/s；(结果保留两位有效数字) (3)设碰撞前中子的动能是E0，经过一次碰撞，中子失去的动能是多少。 答案　(1)U＋n→Ba＋Kr＋3n (2)3.2×10－11 J　(3)E0 解析　(1)根据电荷数和质量数守恒可得： 核反应方程为U＋n→Ba＋Kr＋3n (2)核反应过程中的质量亏损为 Δm＝(235.043 9＋1.008 7－140.913 9－91.897 3－3×1.008 7) u＝0.215 3 u 由爱因斯坦质能方程得一个铀核裂变放出的能量为 ΔE＝Δmc2＝0.215 3×1.66×10－27×(3×108)2 J≈3.2×10－11 J (3)设中子和碳核的质量分别为m和M，碰撞前中子的速度为v0，碰撞后中子和碳核的速度分别为v和v′， 根据动量守恒定律，可得mv0＝mv＋Mv′ 根据弹性碰撞中能量守恒， 可得E0＝mv02＝mv2＋Mv′2 解得v＝v0 已知M＝12m， 可得v＝－v0 则在碰撞过程中中子损失的能量为 ΔE＝mv02－mv2＝E0 知识点2、反应堆与核电站 1、核反应堆：控制链式反应的核心设施是核反应堆，它主要由以下几部分组成： 1.1、核燃料：铀棒。 1.2、慢化剂：铀235容易捕获慢中子发生反应，采用石墨、重水或普通水做慢化剂。 1.3、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。镉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，链式反应的速度会慢一些，这种镉棒叫作控制棒。 组成部分 材料 作用 裂变材料(核燃料) 铀棒(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 防止放射线泄漏，对人体及其他生物体造成伤害 2、核电站——利用核能发电的装置 2.1、工作原理：核燃料裂变释放的能量，使反应区温度升高。 2.2、能量输出：利用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。 2.3、核污染的处理：为避免射线对人体的伤害和放射性物质对水源、空气和工作场所造成的放射性污染，在反应堆的外面需要修建很厚的水泥层，用来屏蔽核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。 3、核电站的主要部件及作用如下表 部件名称 项目 慢化剂 控制棒 热循环介质 保护层 采用的 材料 石墨、重水或普通水(也叫轻水) 镉 水或液态的金属钠 很厚的水泥外壳 作用 降低中子速度，便于铀235吸收 吸收中子，控制反应速度 把反应堆内的热量传输出去 屏蔽射线，防止放射性污染 4、核电站发电的优点 4.1、消耗的核燃料少。 4.2、作为核燃料的铀、钍等地球上可采储量大，所能提供的能量大。 4.3、对环境的污染比火力发电小。 专题讲练2 1、如图是核反应堆的示意图，对于核反应堆的认识，下列说法正确的是(　D　) A.铀棒是核燃料，核心物质是铀238 B.石墨起到吸收中子的作用 C.镉棒起到使中子减速的作用 D.水泥防护层的作用是阻隔各种射线，避免放射性危害 解析　核反应堆采用的核燃料为铀235，故A错误；石墨的作用是使中子减速，故B错误；镉棒的作用是吸收中子，故C错误；水泥防护层的作用是阻隔各种射线，避免放射性危害，故D正确。 2、 如图是慢中子反应堆的示意图，对该反应堆的下列说法正确的是(　B　) A.铀235容易吸收快中子后发生裂变反应 B.快中子跟慢化剂的原子核碰撞后的能量减少，变成慢中子，慢中子容易被铀235俘获而引起裂变反应 C.控制棒由镉做成，当反应过于激烈时，使控制棒插入浅一些，让它少吸收一些中子，链式反应的速度就会慢一些 D.要使裂变反应更激烈一些，应使控制棒插入深一些，使大量快中子碰撞控制棒后变成慢中子，链式反应的速度就会快一些 解析　快中子容易与铀235擦肩而过，快中子跟慢化剂的原子核碰撞后能量减少，变成慢中子，慢中子容易被铀235俘获而引起裂变反应，故选项B正确，A错误；控制棒由镉做成，镉吸收中子的能力很强，当反应过于激烈时，使控制棒插入深一些，让它多吸收一些中子，链式反应的速度就会慢一些，故选项C、D错误。 3、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。下列关于核反应堆工作中的说法正确的是(　C　) 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 解析　正常运行的核反应堆主要的辐射有γ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。 4、核反应堆是实现可控制的重核裂变的一种装置，它主要由四部分组成(　A　) A.核燃料、减速剂、冷却系统、控制调节系统 B.核燃料、减速剂、发热系统、传热系统 C.核燃料、减速剂、碰撞系统、传热系统 D.核燃料、中子源、核能储存系统、输送系统 解析　核反应堆里用的核燃料是用浓缩铀(铀235的含量占2%～4%)制成的铀棒；铀235易俘获慢中子，不易俘获快中子，必须使用减速剂(如石墨、重水、普通水)，让快中子跟减速剂的原子核碰撞后能量减少，变成慢中子；控制调节系统是用于调节中子的数目以控制反应速度，它是由镉做成的置放在铀棒之间的一些控制棒及计算机调节系统组成；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A项正确。 5、核反应堆不锈钢外壳内除核燃料棒和控制棒以外还通入水，这些水除了起冷却作用外还起了(　A　) A．使中子减速的作用 B．使中子加速的作用 C．吸收放射性物质的作用 D．吸收反应发出的射线的作用 6、(多选)如图所示，核反应堆通过可控的链式反应实现核能的释放。核燃料是铀棒，在铀棒周围放慢化剂，快中子和慢化剂中的碳原子核碰撞后，中子能量减少变为慢中子。下列说法正确的是(　BCD　) A．慢化剂使快中子变为慢中子，慢中子更难被铀核捕获 B．裂变后的新核氪的平均结合能大于铀核的平均结合能 C．链式反应是指由重核裂变产生的中子使裂变反应一代接一代继续下去的过程 D．一个U裂变释放的能量是200 MeV，则该核反应中质量亏损约为3.6×10－28 kg 解析　中子的速度不能太快，否则无法被铀核捕获，裂变反应不能进行下去，A错误；重核裂变会有质量亏损，会释放核能，平均结合能大的原子核更稳定，故新核氪的平均结合能大于铀核的平均结合能，B正确；链式反应是指由重核裂变产生的中子使裂变反应一代接一代继续下去的过程，C正确；根据爱因斯坦质能方程可知，一个U裂变释放的能量是200 MeV，此过程中的质量亏损为Δm＝≈3.6×10－28 kg，D正确。 7、(多选)为应对能源危机和优化能源结构，提高清洁能源的比重，我国制定了优先选择核能，其次加快发展风能和再生能源的政策，请根据所学物理知识，判断下列说法正确的是(　AC　) A.核能发电对环境的污染比火力发电要小 B.核能发电对环境的污染比火力发电要大 C.现有核电站都只利用重核裂变释放大量的原子能 D.现有核电站既可以利用重核裂变，又可以利用轻核聚变释放大量的原子能 8、核电站是利用反应堆释放出的能量将水变成高温高压的水蒸气来推动汽轮发电机发电的。反应堆的核反应方程式为U＋n→Xe＋X＋10n，其中U、n、Xe、X的质量分别为m1、m2、m3、m4，真空中光速为c，以下说法正确的是(　A　) A.X原子核中含有中子数为52 B.该反应质量亏损Δm＝m1－m3－m4 C.该反应释放的能量为(m1－10m2－m3－m4)c2 D.U的比结合能大于Xe的比结合能 解析　根据电荷数守恒和质量数守恒可得：X的质量数为A＝235＋1－136－10＝90，电荷数为Z＝92－54＝38，所以X的中子数为90－38＝52，故A正确；质量亏损Δm＝m1－9m2－m3－m4，根据质能方程可得释放的核能为(m1－9m2－m3－m4)c2，故B、C错误；比结合能越大原子核越稳固，由于核反应的过程中释放热量，生成物比反应物更稳固，U的比结合能小于Xe的比结合能，故D错误。 9、下列核反应方程中，属于重核裂变的是(　D　) A.卢瑟福发现的核反应方程：N＋He→O＋H B.贝克勒尔发现天然放射现象，其中的一种核反应方程：Th→Pa＋e C.太阳中发生的热核反应，一种典型的核反应方程：H＋H→He＋n D.核电站可控的链式反应中，一种典型的核反应方程：U＋n→Ba＋Kr＋3n 解析　A选项中的方程是人工转变核反应方程，故A错误；B选项中的方程是β衰变方程，故B错误；C选项中的方程是轻核聚变方程，故C错误；裂变是质量较大的核分裂成较轻的核，可知D选项中的方程为重核裂变方程，故D正确。 知识点3、核聚变 1、核聚变定义：两个轻核结合成质量较大的核，并释放出能量的反应，这样的核反应叫作核聚变。 2、核聚变核反应方程(举例)：H＋H→He＋n＋17.6 MeV。 3、核聚变发生条件：要使轻核发生聚变，必须使它们的距离达到10－15m 以内，核力才能起作用。 4、核聚变方法：需要加热到很高的温度，因此核聚变又叫热核反应。 由于原子核都带正电，要使它们接近到这种程度，必须克服巨大的库仑斥力，这就要求原子核具有足够的动能，有一种方法就是把它们加热到很高的温度，温度高达几百万开尔文，因此核聚变又叫热核反应。 5、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。 太阳的主要成分是氢，太阳中心温度可达1.6×107 K，在此高温下，氢核聚变成氦核的反应不停地进行着，太阳能就来自于太阳内部核聚变释放的核能。 6、核聚变的特点 6.1、在消耗相同质量的核燃料时，轻核聚变比重核裂变释放更多的能量。 6.2、热核反应一旦发生，就不再需要外界给它能量，靠自身产生的热就可以使反应进行下去。 6.3、普遍性：热核反应在宇宙中时时刻刻地进行着，太阳就是一个巨大的热核反应堆。 7、核聚变的应用 7.1、核武器——氢弹：一种不需要人工控制的轻核聚变反应装置。 原理：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。 7.2、可控热核反应：目前处于探索阶段 8、受控热核反应 8.1、核聚变的优点：第一：轻核聚变产能效率高。 第二：地球上核聚变燃料的储量丰富，而氚可利用锂来制取，足以满足核聚变的需要。 第三：轻核聚变更为安全、清洁。 8.2、核聚变的难点：地球上没有任何容器能够经受热核反应的高温。。 8.3、控制方法 ①磁约束：利用磁场约束参加反应的物质，目前最好的一种磁约束装置是环流器。 ②惯性约束：聚变物质因自身的惯性，在极短时间内来不及扩散就完成了核反应，在惯性约束下，用高能量密度的激光或X射线从各个方向照射反应物，使它们“挤”在一起发生反应。 思考：发生核聚变需要什么条件？ 提示　需要足够大的能量使轻核间的距离达到10－15 m。 专题讲练3 3.1、对聚变的理解 1、 (多选)下列关于聚变的说法中，正确的是(　ABC　) A.要使聚变发生，必须克服库仑斥力做功 B.轻核聚变需要几百万开尔文的高温，因此轻核聚变又叫作热核反应 C.原子弹爆炸能产生几百万开尔文的高温，所以氢弹利用原子弹引发热核反应 D.太阳和许多恒星内部都在激烈地进行着热核反应，在地球内部也可以自发地进行 解析　轻核聚变时，要使轻核之间距离达到10－15 m，所以必须克服库仑斥力做功，故A正确；原子核必须有足够的动能，才能使它们接近到核力能发生作用的范围，实验证实，原子核必须处在几百万开尔文的高温下才有这样的能量，这样高的温度能够通过原子弹爆炸获得，故B、C正确；在太阳和其他恒星内部都存在着热核反应，但在地球内部不会自发地进行。故D错误。 2、2021年5月28日，在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，成功实现可重复的1.2亿摄氏度101秒和1.6亿摄氏度20秒等离子体运行，向核聚变能源应用迈出重要一步。下列关于聚变的说法正确的是(　B　) A．任何两个原子核都可以发生聚变 B．两个轻核结合成质量较大的核，总质量较聚变前减小 C．两个轻核结合成质量较大的核，核子的平均结合能减小 D．核聚变比核裂变更为安全、清洁，是目前利用核能的主要方式 解析　只有两个质量较小的原子核才可以聚变成一个中等质量的原子核，并不是任何两个原子核都可以发生聚变，A错误；核聚变反应会放出大量的能量，根据质能方程可知反应会发生质量亏损，两个轻核结合成质量较大的核，总质量较聚变前减小，平均结合能增大，B正确，C错误；核聚变的最终产物是氦，无污染，而核裂变产生的固体核废料具有放射性，因此核聚变更加清洁和安全，但是还不是目前利用核能的主要方式，D错误。 3、关于核聚变反应，下列说法正确的是(　B　) A.核聚变反应原理简单，比裂变反应容易实现 B.两个轻核结合成质量较大的核，核子的比结合能增加 C.太阳目前正在进行的核反应既有聚变反应，也有裂变反应 D.核聚变反应的核反应方程可能是H＋H→He＋2n 解析　核聚变反应原理简单，但需要极高的温度，所以比裂变反应更难实现，选项A错误；两个轻核结合成质量较大的核的过程中要释放能量，核子的平均质量减小，所以核子的比结合能增加，选项B正确；太阳目前正在进行的核反应是聚变反应，选项C错误；根据核反应中质量数守恒和电荷数守恒可知，D项中的核反应方程不正确，正确的应为H＋H→He＋n。 4、2020年12月4日，我国自主设计建造的新一代“人造太阳”——中国环流器二号M装置(HL－2M)在成都建成并实现首次放电，标志着中国核聚变发展获得重大突破。关于核聚变和核能，下列说法正确的是(　A　) A．核聚变通常需要几百万开尔文以上的超高温，又称热核反应 B．太阳辐射的能量来源于核聚变，核聚变又称链式反应 C．一个氘核和一个氚核聚变的方程为：H＋H→He＋e D．核子平均质量越大，原子核越稳定 解析　当物质的温度达到几百万开尔文时，剧烈的热运动使得一部分原子核具有足够的动能，可以克服库仑斥力，碰撞时接近到10－15 m而发生核聚变，因此，核聚变又叫热核反应，故A正确；太阳辐射的能量来源于核聚变，而链式反应发生在核裂变中，故B错误；该方程不符合质量数守恒和电荷数守恒，故C错误；原子核中核子平均质量越小，比结合能越大，原子核越稳定，故D错误。 5、(多选)月球储藏大量可控核聚变理想燃料氦－3(He)，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H＋H→He＋X或H＋He→He＋Y。下列说法正确的是(　AC　) 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.He比He的原子核更稳定 解析　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1，电荷数为0，则X为中子；Y的质量数为1，电荷数为1，则Y为质子，A正确，B错误；核聚变过程发生质量亏损，释放核能，C正确；因反应放出核能，则He比He的原子核更稳定，D错误。 6、一个氘核和一个氚核经过核反应后生成一个氦核和一个中子，同时放出一个γ光子。已知氘核、氚核、中子、氦核的质量分别为m1、m2、m3、m4，普朗克常量为h，真空中的光速为c。下列说法中正确的是(　A　) A.这个反应的核反应方程是H＋H→He＋n＋γ B.这个核反应既不是聚变反应也不是裂变反应 C.辐射出的γ光子的能量E＝(m3＋m4－m1－m2)c2 D.辐射出的γ光子的波长λ＝ 解析　核反应方程满足质量数和电荷数守恒，故A正确；该反应为聚变反应，故B错误；聚变反应中亏损的质量转化为能量，以光子的形式放出，故光子能量为E＝(m1＋m2－m3－m4)c2，故C错误；根据E＝ 得光子的波长为λ＝，故D错误。 7、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　) 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 解析　氘核和氦3聚变的核反应方程是H＋He→He＋X，根据核反应方程的质量数守恒和电荷数守恒可知X的质量数为1，电荷数为1，所以X是质子，A正确；该核反应是原子核的聚变反应，B错误；核反应中会释放核能，释放的核能来源于核反应中的质量亏损，而亏损的质量为Δm＝m1＋m2－m3－m4，因为Δm≠0，故m1＋m2≠m3＋m4，C错误；组成原子核的核子越多，结合能越大，氦4比氦3多一个核子，故氦4的结合能要大些，D错误。 8、(多选)核聚变能释放大量的核能，一种核聚变的反应方程为H＋H→X＋n＋E，关于该方程，下列说法正确的是(　AD　) A.X射线的电离本领比γ射线强 B.X核的比结合能小于氘核的比结合能 C.X核子与中子的质量之和大于氘、氚两核子的质量之和 D.该核反应需要巨大的能量克服氘、氚核子问的库仑斥力 解析　由核反应方程的质量数守恒、电荷数守恒，可知X是α粒子，其射线是α射线，电离本领比γ射线强，选项A正确；比结合能越大，原子核越稳定，X的比结合能大于氘核的比结合能，选项B错误；由于核聚变时释放能量，质量亏损，所以X核子与中子的质量之和小于氘、氚两核子的质量之和，选项C错误；要使该核反应发生，需要巨大的能量以克服氚核和氘核之间的库仑斥力，通常需要把它们加热到很高的温度，选项D正确。 9、“嫦娥五号”在月球采集的约2千克月壤中含有地球上鲜有的He，He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的聚变反应方程如下： ①H＋H→He＋X＋3.3 MeV； ②He＋He→He＋2Y＋12.86 MeV。 下列说法正确的是(　D　) A.X为质子，Y为中子 B.He的比结合能比He的比结合能大 C.方程①中，质量亏损约为5.9×10－31 kg D.方程②中，每个核子平均释放的能量约为2.14 MeV 解析　根据质量数守恒和电荷数守恒可得，X为中子(n)，Y为质子(H)，A错误；由方程②可知，由于该核反应释放出核能，所以生成物比反应物更稳定，比结合能大，故He的比结合能比He的比结合能大，B错误；每个He含有三个核子，所以平均每个核子释放的能量约为E＝ MeV＝2.14 MeV，D正确；根据质能方程ΔE＝Δmc2可得，方程①中质量亏损Δm＝＝ kg＝5.9×10－30 kg，C错误。 10、(多选)太阳的能量来源是轻核的聚变，太阳中存在的主要元素是氢，核聚变反应可以看作是4个氢核(H)结合成1个氦核同时放出2个正电子。下表中列出了部分粒子的质量(取1 u＝×10－26 kg，c＝3.0×108 m/s)，以下说法正确的是(　ACD　) 粒子名称 质子(p) α粒子 正电子(e) 质量/u 1.007 3 4.001 5 0.000 55 A.核反应方程为4H―→He＋2e B．4个氢核结合成1个氦核时的质量亏损约为0.026 6 kg C．4个氢核结合成1个氦核时的质量亏损约为4.43×10－29 kg D．聚变反应过程中释放的能量约为4.0×10－12 J 解析　由核反应的质量数守恒及电荷数守恒得4H―→He＋2e，故A正确；核反应中的质量亏损为Δm＝4mp－mα－2me＝(4×1.007 3－4.001 5－2×0.000 55) u＝0.026 6 u≈4.43×10－29 kg，故C正确，B错误；由质能方程得ΔE＝Δmc2＝4.43×10－29×(3.0×108)2 J≈4.0×10－12 J，故D正确。 3.2、聚变产生核能的计算 1、氘核H可通过一系列聚变反应释放能量，其总效果可用反应式6H→2He＋2H＋2n＋43.15 MeV表示。海水中富含氘，已知1 kg海水中含有的氘核约为1.0×1022个，若全都发生聚变反应，其释放的能量与质量为M的标准煤燃烧时释放的热量相等；已知1 kg标准煤燃烧释放的热量约为2.9×107 J，1 MeV＝1.6×10－13 J，则M约为(　C　) A.40 kg B.100 kg C.400 kg D.1 000 kg 解析　结合核反应方程知，1 kg海水中的氘核全部发生聚变反应放出的能量E＝×43.15×1.6×10－13 J≈1.15×1010 J，根据题意得M＝M0＝×1 kg≈400 kg，故A、B、D项错误，C项正确。 2、太阳的能量来自于热核反应，其中一种核反应是四个质子聚变成一个α粒子，同时放出两个正电子和两个没有静止质量的中微子。已知α粒子的质量为mα，质子的质量为mp，电子的质量为me，c为光在真空中的传播速度，N为阿伏加德罗常数。在这种核反应中1 000 g的氢核聚变所放出的能量为(　D　) A.1 000(4mp＋mα＋2me)Nc2 B.1 000(mα＋2me－4mp)Nc2 C.250(mα＋2me－4mp)Nc2 D.250(4mp－mα－2me)Nc2 解析　4个氢核聚变的质量亏损 Δm＝(4mp－mα－2me) 根据质能方程，核聚变释放的能量 ΔE＝Δmc2＝(4mp－mα－2me)c2 1 000 g氢核的个数为n＝N＝1 000N 1 000 g氢核聚变放出的能量E＝ΔE＝250(4mp－mα－2me)Nc2，故D正确。 3、大科学工程“人造太阳”主要是将氘核聚变反应释放的能量用来发电。氘核聚变反应方程是H＋H―→He＋n。已知H的质量为2.013 6 u，He的质量为3.015 0 u，n的质量为1.008 7 u, 1 u相当于931 MeV的能量。氘核聚变反应中释放的核能约为(　B　) A．3.7 MeV B．3.3 MeV C．2.7 MeV D．0.93 MeV 解析　在核反应中，反应前物质的质量 m1＝2×2.013 6 u＝4.027 2 u 反应后物质的质量m2＝3.015 0 u＋1.008 7 u＝4.023 7 u 质量亏损Δm＝m1－m2＝0.003 5 u， 则氘核聚变释放的核能为 E＝931×0.003 5 MeV≈3.3 MeV，故选B。 4、两个氘核结合成一个氦核，已知氘核质量为2.014 u，氦核质量为4.002 u。 (1)写出相应的核反应方程； (2)求出1 kg氘完全结合成氦时可以释放出的能量。已知：阿伏加德罗常数NA为6.0×1023 mol－1，氘核的摩尔质量为2 g/mol,1 u相当于931.5 MeV的能量(结果保留两位有效数字)。 答案　(1)H＋H→He　(2)3.6×1027 MeV 解析　(1)核聚变反应的方程为H＋H→He (2)两个氘核结合成一个氦核时释放的能量为 ΔE＝(2×2.014 u－4.002 u)×931.5 MeV ≈24.22 MeV 1 kg氘中含有的氘核数为 n＝×NA＝×6.0×1023个＝3.0×1026个 1 kg氘完全结合成氦时可以释放出的能量为 E＝ΔE＝1.5×1026×24.22 MeV ≈3.6×1027 MeV。 5、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＝4.001 5 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)4H→He＋2e　 (2)24.78 MeV　(3)4.22×109 kg 解析　(1)由题意可得核反应方程应为 4H→He＋2e。 (2)反应前的质量m1＝4mH＝4×1.007 3 u＝4.029 2 u，反应后的质量m2＝mHe＋2me＝4.001 5 u＋2×0.000 55 u＝4.002 6 u，Δm＝m1－m2＝0.026 6 u，由质能方程得，释放能量ΔE＝0.026 6×931.5 MeV＝24.78 MeV。 (3)由质能方程ΔE＝Δmc2得太阳每秒减少的质量 Δm′＝＝ kg＝4.22×109 kg。 7、已知氘核质量为2.0136u，中子质量为1.0087u，氦核的质量为3.0150u． （1）写出两个氘核聚变成氦核的核反应方程； （2）计算上述核反应中释放的核能； （3）若两氘核以相等的动能E做对心碰撞即可发生上述核反应，且释放的核能（设为△Ε）全部转化为机械能，中子的质量设为m． 求：反应中生成的氦核和中子的动能各是多少？（用本小题中的物理符号表示结果） 解：（1）核反应方程：H→Hen （2）由题给条件可求出质量亏损为：△m＝2.0136u×2﹣（3.0150+1.0087）u＝0.0035u 所以释放的核能为△E＝△mc2＝931.5×0.0035MeV＝3.26 MeV （3）由动量守恒及能的转化和守恒定律， 得0＝0＝3mvα﹣mvH 2E+△E＝EKα+EKH 得，EKH 联立方程解得组，可得：Ekα EKH＝ 答：1）两个氘核聚变成氦核的核反应方程为：H→Hen （2）核反应中释放的核能为3.26 MeV； （3）中生成的氦核和中子的动能各是， 知识点4、四类核反应 1、四类核反应方程的比较 名称 核反应方程 其他 衰变 α衰变 U→Th＋He 贝克勒尔 β衰变 Th→Pa＋e 裂变 U＋n→Ba＋Kr＋3n 原子弹原理 聚变 H＋H→He＋n＋17.6 MeV 氢弹原理 人工 转变 发现人工放射性同位素 Al＋He→P＋n 约里奥－居里夫妇 发现质子 N＋He→O＋H 卢瑟福 发现中子 Be＋He→C＋n 查德威克 2、四种核反应的理解 2.1衰变：放射性元素的原子核自发放出某种粒子后变成新的原子核的变化． ①α衰变：X→Y＋He ②β衰变：X→Y＋e 2.2原子核的人工转变：用人工的方法，使原子核在其他粒子的轰击下产生新原子核的过程． ①质子的发现：N＋He→O＋H(卢瑟福) ②中子的发现：Be＋He→C＋n(查德威克) ③放射性同位素和正电子的发现： Al＋He→P＋n P→Si＋e 2.3核裂变：一个重核分裂成两个中等质量的核，这样的核反应叫作核裂变． U＋n→Ba＋Kr＋3n U＋n→Xe＋Sr＋10n 2.4核聚变：两个轻核结合成质量较大的核，这样的核反应叫作核聚变． H＋H→He＋n 3、核反应类型的判断 核反应方程的常见类型有：衰变、人工转变、裂变和聚变。判断核反应方程是哪种类型的核反应时，应紧抓该类型核反应的定义。 3.1重核俘获一个中子后分裂为个中等质量核的反应过程，称为裂变。 裂变方程的重要特征是“”前有一个中子和一个重核，“”后有两个或两个以上的中等质量的核。 3.2把轻核结合成质量较大的核，释放出核能的反应，称为聚变，又称为热核反应。 聚变方程的特征是“”前有两个或两个以上的质量很小的核，“”后是一个质量稍大些的核，有的聚变中可能还会放出一个质子或一个中子、正电子等。 3.3人工转变通常是指某原子核在粒子（或其他粒子）的轰击下，转变为一个新核的核反应。 人工转变方程的特征是“”前有一个粒子（或其他粒子）和一个原子核，“”后一个新核，通常还伴随一个质子或中子。 3.4放射性元素的原子核放出一个粒子或粒子而转变成新核的过程称为衰变。 衰变方程的重要特征是“”前只有一个原子核，“”后粒子或粒子与一个新核。 专题讲练4 4.1、四种核反应 1、下列说法正确的是（ BD ）（多选） A．是衰变 B．是核聚变反应 C．是核裂变反应 D．是原子核的人工转变 2、在下列四个核反应方程中，表示质子的是（ C ） A． B． C． D． 3、在下列四个核反应方程中，、、和各代表某种粒子。 以下判断中正确的是（ AC ） （是氙，是锶，是钍） A．是中子 B．是质子 C．是粒子 D．是氘核 4、在下列四个核反应方程中，x表示质子的是 （ B ） A． B． C． D． 5、某原子核内有核子N个，其中有n个中子，当该核俘获一个中子后，放出一个α粒子和一个β粒子，它自身转成一个新的原子核，可知这个新的原子核 （ B ） A．有中子（n－1）个 B．有中子（n－2）个 C．核子数是（n－3） D．原子序数是（N－n－2） 6、现有三个核反应：①、②、③下列说法中正确的是 （ C ） A．①是裂变，②是β衰变，③是聚变 B．①是聚变，②是裂变，③是β衰变 C．①是β衰变，②是裂变，③是聚变 D．①是β衰变，②是聚变，③是裂变 7、下列表述正确的是（　ACE　）（多选） A．HeH→HeH是聚变反应 B．U→ThHe是人工核转变 C．Na→Mge是衰变反应 D．元素的半衰期会受到其所处环境的影响 E．Un→KrBa+3n是裂变反应 8、下列说法正确的是（　C　） A．U→Th+X中X为中子，核反应类型为衰变 B．HH→He+Y中Y为中子，核反应类型为人工核转变 C．Un→XeSr+K，其中K为10个中子，核反应类型为重核裂变 D．NHe→O+Z，其中Z为氢核核反应类型为轻核聚变 9、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(　B　) A．衰变方程U→Th＋X中X是质子 B．核裂变反应方程U＋n→Ba＋Kr＋bn中b＝3 C．核聚变反应方程H＋H→He＋an中a＝2 D．衰变方程Th→Pa＋Y中Y是中子 解析　根据电荷数和质量数守恒可知，衰变方程U→Th＋X中X为α粒子，A错误；核裂变反应方程U＋n→Ba＋Kr＋bn中b＝3，B正确；核聚变反应方程H＋H→He＋an中a＝1，C错误；衰变方程Th→Pa＋Y中Y是电子，D错误． 10、在下列描述核反应的方程中，属于α衰变的是________，属于β衰变的是______，属于核裂变的是________，属于核聚变的是________．(填正确答案前的字母) A.C→N＋e B.P→S＋e C.U→Th＋He D.N＋He→O＋H E.U＋n→Xe＋Sr＋2n F.H＋H→He＋n 答案　C　AB　E　F α衰变是一种放射性衰变，α粒子(He)会从原子核中射出，C项符合要求；β衰变是指原子核内自发地放出一个电子(e)，同时原子序数加1的过程，A、B两项符合要求；核裂变是指一些质量较大的原子核，如铀、钍和钚等在吸收一个中子后分裂成两个或多个质量较小的原子核，同时放出多个中子和很大能量的过程，E项符合要求；核聚变是指两个轻原子核结合成质量较大的原子核并释放大量能量的过程，F项符合要求；D项属于人工核转变的方程． 11、嫦娥四号探测器上安装了一块核电池，利用放射性同位素发射的高能射线照射热电元件，将热能转化为电能，符合这种核电池原理的核反应方程是(　C　) A.H＋H→He＋n B.N＋He→O＋H C.Pu→He＋U D.U＋n→Ba＋Kr＋3n 解析　由利用放射性同位素发射的高能射线可知对应的核反应为天然放射现象中的衰变，A为轻核聚变方程，B该方程为原子核的人工转变方程，C为放射性同位素的α衰变方程，D为重核裂变方程，故选C. 12、关于下列核反应方程的说法正确的是(　C　) A.N＋H→C＋He是α衰变方程 B.U→Th＋He是核裂变方程 C．2H＋2n→He一定是释放核能的核反应方程 D.He＋Al→P＋n是发现中子的核反应方程 解析　α衰变是单个原子核放出α粒子，N＋H→C＋He不符合此特征，因此不是α衰变方程，选项A错误；U→Th＋He是α衰变方程，选项B错误；2H＋2n→He是轻核聚变方程，该核反应释放核能，选项C正确；发现中子的核反应方程是Be＋He→C＋n，选项D错误． 13作为一项新能源，人类利用核能，目前都是通过可控制的核裂变反应实现的．下列反应中属于核裂变反应的是(D ) A.Th→Ra＋He B.He＋Al→P＋n C.H＋H→He＋n D.U＋n→Ba＋Kr＋3n 解析　反应物只有一个，生成物有氦核，属于α衰变，A不符合题意；氦核轰击铝核，生成磷的同位素，是人工核转变，B不符合题意；两个轻核生成一个中等质量的核，属于核聚变反应，C不符合题意；中子轰击铀核，生成两个中等质量的核和中子，则该核反应为核裂变反应，D符合题意． 14、放射性同位素在工业、医疗、生物技术等领域都具有广泛应用，下列四个核反应方程中属于生成人工放射性同位素的是(　A　) A.Al＋He→P＋n B.U＋n→Ba＋Kr＋3n C.U→Th＋He D.H＋H→He＋n 解析　P不存在于自然界中，是1934年约里奥—居里夫妇用α射线轰击铝箔时发现的放射性同位素，属于生成人工放射性同位素的核反应，故A符合题意；该反应是U核的裂变，Ba、Kr是U核裂变后的自然产物，不属于生成人工放射性同位素的核反应，故B不符合题意；该反应是U核的α衰变，不属于生成人工放射性同位素的核反应，故C不符合题意；该反应是氢核的聚变，不属于生成人工放射性同位素的核反应，故D不符合题意． 15、核潜艇以核反应堆为动力源．关于核反应，下列说法正确的是(　B　) A．在核反应中，质量守恒、电荷数守恒 B．核反应方程U→Th＋He属于α衰变 C．核反应方程N＋He→O＋H属于核聚变，是核潜艇的动力原理 D．核反应方程C→N＋e属于β衰变，而β射线来自原子外层的电子 解析　核反应前后核子数相等，核反应遵循质量数守恒而不是质量守恒，故A错误；根据核反应的特点可知，核反应方程U→Th＋He属于α衰变，故B正确；核反应方程N＋　He→O＋H属于人工核反应，而重核裂变是质量数较大的核裂变为质量中等的核的过程，重核裂变才是核潜艇的动力原理，故C错误；β衰变是原子核的衰变， 16、 质子一质子循环发生的核反应被认为是恒星能量的一种可能来源，具体的一个循环过程是这样的：两个质子（H）发生聚变，生成一个氘核（H），生成的氘核（H）再与一个质子（H）聚变生成一个氦核（He），接下来两个氦核（He）发生聚变，生成氦的同位素（He）同时再产生两个质子（H），这两个质子（H）再度发生聚变…进入下一个循环反应，成为恒星不竭之能量源泉。对于这种质子一质子循环发生的核反应，则下列说法正确的是（　A　） A．两个质子（H）发生聚变，可表示为：HH→He B．两个质子（H）发生聚变：可表示为：HH→2H C．一个完整的质子﹣质子循环核反应可表示为：3H→Hee D．一个完整的质子﹣质子循环核反应可表示为：6H→He+2e 17、发展核能是解决能源问题的途径之一。下列释放核能的反应方程中，表述正确的是（ AD ）（多选） A．HeAl→Pn是原子核的人工转变 B．HH→He+γ是原子核的人工转变 C．FH→OHe是α衰变 D．Un→SrXe+10n是裂变反应 18、太阳内部持续不断地发生着4个质子聚变为1个氦核的热核反应，这个核反应释放出的大量能量就是太阳的能源（　AD　）（多选） A．核反应方程式为4H→He+2e B．由方程式可知，这个反应属于衰变反应 C．由方程式可知，这个反应属于裂变反应 D．由此可知，太阳的质量在不断减小 19、有下列4个核反应方程，核反应类型依次属于(　A　) ①Na→Mg＋e ②U＋n→Ba＋Kr＋3n ③F＋He→Ne＋H ④He＋H→He＋H A.衰变、裂变、人工转变、聚变 B.裂变、裂变、聚变、聚变 C.衰变、衰变、聚变、聚变 D.衰变、人工转变、人工转变、聚变 解析　①方程Na→Mg＋e中，原子核的质量数不变，电荷数加1，同时有一个电子产生，所以是β衰变；②U＋n→Ba＋Kr＋3n是U235吸收一个中子后裂变为两个中等质量的原子核，所以是重核的裂变；③核反应F＋He→Ne＋H中是用α粒子轰击F，属于人工核反应方程；④He＋H→He＋H，属于轻核的聚变。所以四个核反应类型依次属于衰变、裂变、人工转变、聚变。故B、C、D错误，A正确。 20、 (多选)关于下列核反应方程的说法正确的是(　ABD　) ①He＋Al→P＋n ②H＋H→He＋γ ③F＋H→O＋He ④U＋n→Sr＋Xe＋10n＋γ A.①是原子核的人工转变核反应方程 B.②是轻核聚变的核反应方程 C.③是α衰变的核反应方程 D.④是重核裂变的核反应方程 解析　根据各种核反应定义可知：①是人工转变的反应方程式，②是聚变的核反应方程式，③不是α衰变，而是人工转变，衰变是自发进行的，不需要外界因素的影响，④是裂变的核反应方程式，故A、B、D正确。 4、贝可勒尔在120年前首先发现了天然放射现象，如今原子核的放射性在众多领域中有着广泛应用。下列属于核聚变的是（　A　） A．HH→Hen B．HeAl→Pn C．C→Ne D．Un→IY+2n 1 物理学习的核心在于思维 最基本的知识、方法才是最重要的； 30%兴趣+30%信心+30%方法+10%勤奋+l%天赋>100%成功初三物理暑假课程 学科网（北京）股份有限公司 $