5.4 核裂变和核聚变 同步练习 -2025-2026学年高二下学期物理鲁科版选择性必修第三册

第4节 核裂变和核聚变 同步练习 一、选择题: 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．(多选)关于重核的裂变，以下说法正确的是(　　) A．核裂变释放的能量远大于它俘获中子时得到的能量 B．铀核裂变在自然界中会自发地产生 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 3．(多选)1938年哈恩用中子轰击铀核，发现产物中有原子核钡(Ba)、氪(Kr)、中子和一些γ射线．下列关于这个实验的说法中正确的是(　　) A．这个实验的核反应方程是U＋n→Ba＋Kr＋3n B．这是一个核裂变过程，反应后粒子质量之和大于反应前粒子质量之和 C．实验中产生的γ射线穿透能力极强 D．这个反应中释放出的能量可以用爱因斯坦的质能方程来计算 4．(多选)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 5．(多选)我国在极其困难的情况下，完成了“两弹一星”，长了中国人的志气，打破了西方的讹诈，下列核反应方程中，属于研究两弹的基本核反应方程的是(　　) A．N＋He→O＋H B．U＋n→Sr＋Xe＋10n C．U→Th＋He D．H＋H→He＋n 6．(多选)关于原子核反应堆，下面哪种说法是正确的(　　) A．镉棒是核燃料，裂变时释放核能 B．镉棒的作用是控制反应堆的功率 C．石墨的作用是吸收中子 D．冷却剂的作用是控制反应堆的温度和输出热量 7．(多选)以下说法正确的是(　　) A．聚变是裂变的逆反应 B．如果裂变释放能量，则聚变反应必定吸收能量 C．聚变须将反应物加热至数百万度以上高温，所以聚变反应又叫热核反应 D．裂变反应速度可以实现人工控制，但却不容易控制轻核聚变反应速度 8.(多选)我国核聚变反应研究大科学装置“人造太阳”(如图)获得重大突破，等离子体中心电子温度首次达到1亿摄氏度，为人类开发利用核聚变能源奠定了重要的技术基础．下列关于聚变的说法正确的是(　　) A．核聚变比核裂变更为安全、清洁 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核，总质量较聚变前增加 D．两个轻核结合成质量较大的核，核子的比结合能增加 二、计算题： 9．落在日本广岛上的原子弹，相当于2万吨TNT炸药放出的能量．原子弹放出的能量约8.4×1013 J，试问有多少个U原子核进行分裂？该原子弹中含U的质量最小限度为多少千克？(一个U原子核分裂时所产生的能量约为200 MeV) 10.在所有能源中，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U＋n→Ba＋Kr＋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＝________．以mU、mBa、mKr分别表示U、Ba、Kr核的质量，mn、mp分别表示中子、质子的质量，c为光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是多少？ (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放出的核能ΔE＝2.78×10－11 J，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． 11.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． (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？ (mp＝1.007 3 u，mHe＝4.002 6 u，me＝0.000 55 u) 12.现有的核电站比较广泛采用的核反应之一是： U＋n→Nd＋Zr＋3n＋8e＋ν． (1)核反应方程中的ν是中微子，它不带电，质量数为零．试确定生成物锆(Zr)的电荷数与质量数． (2)已知铀(U)核的质量为235.043 9 u，中子质量为1.008 7 u，钕(Nd)核质量为142.909 8 u，锆核质量为89.904 7 u．又知1 u＝1.660 6×10－27 kg，试计算，1 kg铀235大约能产生的能量是多少？ 参考答案： 1.D　[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，如果体积小，中子从铀块中穿过，碰不到原子核，则链式反应不会发生，在裂变反应中核子数是不会减少的，故选D. 2.AD　[根据重核发生裂变的条件和裂变释放能量的原理分析可知，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，因而释放的能量远大于其俘获中子时吸收的能量；重核裂变只能发生在人为核反应中；在裂变反应中核子数是不会减少的，因此A正确，B、C错误；重核裂变为中等质量的原子核时，由于平均质量减小，必然发生质量亏损，从而释放出核能，所以D正确．] 3.ACD　[根据质量数守恒、电荷数守恒，铀核裂变的核反应方程应为：U＋n→Ba＋Kr＋3n，选项A正确；铀核裂变过程中产生γ射线，放出能量，发生质量亏损，释放的能量根据爱因斯坦的质能方程计算，选项B错误，D正确；核反应中产生的γ射线，穿透能力极强，是能量极高的光子，选项C正确．] 4.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．] 5.BD　[“两弹”指原子弹和氢弹，原子弹的核反应方程属于铀核裂变，B选项正确；氢弹的核反应方程属于轻核聚变，D选项正确．] 6.BD　[核燃料即为用浓缩铀制成的铀棒，铀棒裂变时释放核能；镉棒具有很强的吸收慢中子的能力，通过控制镉棒插入的深度来控制链式反应的速度，即可控制反应堆的功率；石墨的作用是使裂变产生的快中子减速成为慢中子；冷却剂的作用是控制反应堆的温度和输出热量．则B、D正确，A、C错误．] 7.CD　[聚变是轻核聚合成次轻核，裂变是重核分裂成中等质量的核，二者无直接关系，故A错误；聚变和裂变在能量流向上也无直接关系，故B错误；核聚变反应是热核反应，需数百万度的高温，但聚变反应一旦开始所释放的能量就远大于所吸收的能量，因此聚变反应还是释放能量的，故C正确；现在已经能实现裂变反应速度的人工控制，但除氢弹外，还不能实现轻核聚变的人工控制，故D正确．] 8.AD　[与核裂变相比轻核聚变更为安全、清洁，A正确；自然界中最容易发现的聚变反应是氢的同位素氘与氚的聚变，不是任意两个原子核都能发生核聚变，B错误；两个轻核发生聚变结合成质量较大的核时，放出巨大的能量，根据E＝mc2可知，聚变反应中存在质量亏损，则总质量较聚变前减少，C错误；两个轻核结合成质量较大的核的过程中要释放能量，核子的平均质量减少，核子的比结合能增加，D正确． 9.[解析]　一个U原子核分裂时所产生的能量约为 200 MeV＝200×106 eV＝2.0×108×1.6×10－19 J＝3.2×10－11 J． 设共有n个U核发生裂变：n＝个≈2.6×1024个， 铀的质量m＝235×10－3×kg≈1.015 kg． [答案]　2.6×1024 个　1.015 kg 10.[解析]　(1)由反应方程可知：X为n，a为3，释放的能量为ΔE＝(mU－mBa－mKr－2mn)c2． (2)因电站发电效率为40%，故电站消耗U的功率为 P′＝＝ kW＝2.5×106 kW， 电站每年消耗U的能量为 W＝P′t＝2.5×109×3.15×107 J＝7.875×1016 J． 每年消耗U的质量为 M＝ mU＝ kg＝1 105 kg． [答案]　(1)n　3　(mU－mBa－mKr－2mn)c2 (2)1 105 kg 11.[解析]　(1)核反应方程4H→He＋nX，而nX是2个正电子． 因此核反应方程应为4H→He＋2e． (2)反应前的质量m1＝4mp＝4×1.007 3 u＝4.029 2 u． 反应后的质量m2＝mHe＋2me＝4.002 6 u＋2×0.000 55 u＝4.003 7 u． 质量亏损Δm＝m1－m2＝0.025 5 u． 由质能方程得，释放能量 ΔE＝0.025 5×931.5 MeV＝23.753 3 MeV． (3)由质能方程ΔE＝Δmc2得每秒减少的质量 Δm＝＝ kg≈4.2×109 kg． [答案]　(1)4H→He＋2e (2)23.753 3 MeV　(3)4.2×109 kg 12.[解析]　(1)根据电荷数和质量数守恒，可得 Zr的电荷数Z＝92－60＋8＝40， 质量数A＝236－143－3×1＝90． (2)方法一：质量亏损Δm＝(mU＋mn)－(mNd＋mZr＋3mn)＝0.212 u， 一个铀核裂变释放能量 ΔE＝Δm×931.5 MeV＝0.212×931.5 MeV≈197.5 MeV 1 kg铀核含有的原子核数为n＝×6.02×1023个≈2.562×1024个， 1 kg铀核产生的能量 E总＝n·ΔE＝2.562×197.5×1024 MeV， ≈5.06×1026MeV＝5.06×1026×106×1.6×10－19 J ≈8.1×1013 J． 方法二：Δm＝(mU＋mn)－(mNd＋mZr＋3mn) ＝0.212 u＝0.212×1.660 6×10－27 kg ≈3.5×10－28 kg， ΔE＝Δmc2＝3.5×10－28×(3×108)2 J＝3.15×10－11 J， n＝×6.02×1023个≈2.562×1024个， E总＝nΔE＝2.562×1024×3.15×10－11 J≈8.1×1013 J． [答案]　(1)40　90　(2)8.1×1013 J 学科网（北京）股份有限公司 $