2024-2025學(xué)年新教材高中物理第五章原子核4-5核裂變與核聚變基本粒子課時(shí)練習(xí)含解析新人教版選擇性必修3

PAGE7-核裂變與核聚變“基本”粒子(25分鐘·60分)一、選擇題(本題共6小題,每題6分,共36分)1.核潛艇是以核反應(yīng)堆為動(dòng)力來源的潛艇,有一種核裂變方程為n→XSr+1n。關(guān)于裂變反應(yīng)及上述裂變反應(yīng)產(chǎn)物,下列說法正確的是 ()A.裂變反應(yīng)中虧損的質(zhì)量變成了能量B.裂變反應(yīng)出現(xiàn)質(zhì)量虧損導(dǎo)致質(zhì)量數(shù)不守恒C.X原子核中有54個(gè)中子D.X原子核比鈾核的比結(jié)合能大【解析】選D。在裂變反應(yīng)中虧損的質(zhì)量以能量的形式釋放出來,不是虧損的質(zhì)量變成了能量,故A錯(cuò)誤;裂變反應(yīng)中,電荷數(shù)守恒、質(zhì)量數(shù)守恒,故B錯(cuò)誤;依據(jù)電荷數(shù)守恒知X的電荷數(shù)為92-38=54,即質(zhì)子數(shù)為54,依據(jù)質(zhì)量數(shù)守恒X的質(zhì)量數(shù)為235+1-94-10×1=132,故其中子數(shù)為132-54=78,故C錯(cuò)誤;中等核的比結(jié)合能較大,知X原子核比鈾核的平均結(jié)合能大,故D正確。2.在眾多的裂變反應(yīng)中,有一種反應(yīng)方程為UnBa+Kr+aX,其中X為某種粒子,a為X的個(gè)數(shù),則 ()A.X為中子,a=2B.X為中子,a=3C.X為質(zhì)子,a=2 D.X為質(zhì)子,a=3【解析】選B。由質(zhì)量數(shù)、核電荷數(shù)守恒得UnBa+Kr+n,所以X為中子,a=3,故B正確。3.(2024·全國(guó)Ⅱ卷)氘核H可通過一系列聚變反應(yīng)釋放能量,其總效果可用反應(yīng)式HHe+H+n+43.15MeV表示。海水中富含氘,已知1kg海水中含有的氘核約為1.0×1022個(gè),若全都發(fā)生聚變反應(yīng),其釋放的能量與質(zhì)量為M的標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒時(shí)釋放的熱量相等;已知1kg標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒釋放的熱量約為2.9×107J,1MeV=1.6×10-13J,則M約為 ()A.40kg B.100kgC.400kg D.1000kg【解析】選C。6個(gè)氘核聚變可釋放43.15MeV能量,故1kg海水中的氘核全部發(fā)生聚變釋放的能量為Q1=43.15×1.6×10-13×J,質(zhì)量為M的標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒釋放的熱量為Q2=M×2.9×107J,因Q1=Q2,解得M≈400kg,C正確,A、B、D錯(cuò)誤。4.鈾核裂變是核電站核能的重要來源,其一種裂變反應(yīng)是,下列說法正確的有 ()A.上述裂變反應(yīng)中伴隨著α粒子放出B.鈾塊體積對(duì)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的發(fā)生無影響C.鈾核的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)可人工限制D.鈾核的半衰期會(huì)受到環(huán)境溫度的影響【解析】選C。由鈾核反應(yīng)方程知,沒有α粒子產(chǎn)生,故A錯(cuò)誤;鈾塊的體積必需達(dá)到臨界體積才能發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng),故B錯(cuò)誤;核反應(yīng)堆的鈾核鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度可人工限制,故C正確;放射性元素的半衰期由核本身的因素確定,與環(huán)境溫度無關(guān),故D錯(cuò)誤。5.依據(jù)宇宙大爆炸的理論,在宇宙形成之初是“粒子家族”盡顯風(fēng)采的時(shí)期,那么在大爆炸之后最早產(chǎn)生的粒子是 ()A.夸克、輕子、膠子等粒子B.質(zhì)子和中子等強(qiáng)子C.光子、中微子和電子等輕子D.氫核、氘核、氦核等輕核【解析】選A。宇宙形成之初產(chǎn)生了夸克、輕子和膠子等粒子,之后又經(jīng)驗(yàn)了質(zhì)子和中子等強(qiáng)子時(shí)代,再之后是自由光子、中微子、電子大量存在的輕子時(shí)代,再之后是中子和質(zhì)子組合成氘核,并形成氦核的核合成時(shí)代,之后電子和質(zhì)子復(fù)合成氫原子,最終形成恒星和星系,因此A正確,B、C、D錯(cuò)誤。6.中國(guó)科學(xué)家吳宜燦獲得2024年歐洲聚變核能創(chuàng)新獎(jiǎng),獲獎(jiǎng)理由:開發(fā)了一種新的基于CAD的粒子傳輸軟件,用于核設(shè)計(jì)和輻射平安計(jì)算。下列關(guān)于聚變的說法中,正確的是 ()A.同樣質(zhì)量的物質(zhì)裂變時(shí)釋放的能量比同樣質(zhì)量的物質(zhì)聚變時(shí)釋放的能量大許多B.裂變過程有質(zhì)量虧損,聚變過程質(zhì)量有所增加C.核反應(yīng)堆產(chǎn)生的能量來自輕核聚變D.聚變反應(yīng)每個(gè)核子釋放的平均能量肯定比裂變反應(yīng)大【解析】選D。依據(jù)聚變與裂變的特點(diǎn)可知,同樣質(zhì)量的物質(zhì)聚變時(shí)釋放的能量比同樣質(zhì)量的物質(zhì)裂變時(shí)釋放的能量大許多,故A錯(cuò)誤;裂變過程有質(zhì)量虧損,聚變過程質(zhì)量也虧損,故B錯(cuò)誤;核反應(yīng)堆產(chǎn)生的能量來自重核裂變,故C錯(cuò)誤;在一次聚變反應(yīng)中釋放的能量不肯定比裂變反應(yīng)多,但平均每個(gè)核子釋放的能量肯定大,故D正確。二、非選擇題(本題共2小題,共24分。要有必要的文字說明和解題步驟,有數(shù)值計(jì)算的要標(biāo)明單位)7.(12分)裂變反應(yīng)是目前核能利用中常用的反應(yīng),以原子核U為燃料的反應(yīng)堆中,當(dāng)U俘獲一個(gè)慢中子后發(fā)生的裂變反應(yīng)可以有多種方式,其中一種可表示為U+n→Xe+Sr+n235.04391.0087138.917893.9154反應(yīng)方程下方的數(shù)字是中子及有關(guān)原子的靜止質(zhì)量(以原子質(zhì)量單位u為單位),已知1u的質(zhì)量對(duì)應(yīng)的能量為9.3×102MeV,此裂變反應(yīng)釋放出的能量是多少M(fèi)eV?【解析】此裂變反應(yīng)的質(zhì)量虧損為:(235.0439+1.0087)u-(138.9178+93.9154+3×1.0087)u=0.1933u由1u的質(zhì)量對(duì)應(yīng)的能量為9.3×102MeVΔE=9.3×102×0.1933MeV≈1.80×102MeV。答案:1.80×102MeV【總結(jié)提升】裂變問題的分析方法(1)對(duì)于裂變問題,要知道是什么原子核發(fā)生了裂變,寫出原子核的裂變方程,應(yīng)當(dāng)留意裂變方程的質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒;更應(yīng)當(dāng)留意的是,原子核的裂變方程必需是能夠?qū)嶋H發(fā)生的,不能隨意編造,并不是全部滿意質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒的方程都能發(fā)生。(2)依據(jù)質(zhì)能方程ΔE=Δmc2,由反應(yīng)前后原子核的質(zhì)量虧損,可以計(jì)算出一個(gè)原子核裂變時(shí)釋放的能量。(3)依據(jù)1原子質(zhì)量單位(u)相當(dāng)于931.5兆電子伏(MeV)能量計(jì)算,用核子結(jié)合成原子核時(shí)質(zhì)量虧損的原子質(zhì)量單位乘以931.5MeV,即ΔE=Δm×931.5MeV。(4)由每個(gè)鈾核反應(yīng)釋放的核能乘以鈾核個(gè)數(shù)求得E=ΔE每個(gè)×NA×。8.(12分)科學(xué)家初步估計(jì)月球土壤中至少有100萬噸“氦3”(即He),它是熱核聚變的重要原料。假如月球開發(fā)勝利,將為地球帶來取之不盡的能源。已知氦3核與氘核發(fā)生聚變反應(yīng)有質(zhì)子流產(chǎn)生。(1)寫出核反應(yīng)方程。(2)若該反應(yīng)中質(zhì)量虧損為9.0×10-30kg【解析】(1)核反應(yīng)方程式為:HeHHHe。(2)核反應(yīng)過程中質(zhì)量虧損為Δm,依據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程ΔE=Δmc2,可得釋放的能量ΔE=9.0×10-30×(3×108)2J=8.1×10-13J。答案:(1HeHHHe(2)8.1×10-13J(15分鐘·40分)9.(7分)(多選)日本福島第一核電站在地震后,數(shù)秒內(nèi)就將限制棒插入核反應(yīng)堆芯,終止了鈾的裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。但海嘯摧毀了機(jī)組的冷卻系統(tǒng),因裂變遺留的產(chǎn)物銫、鋇等接著衰變不斷釋放能量,核燃料棒溫度不斷上升,對(duì)周邊環(huán)境產(chǎn)生了巨大的危害。則下列說法正確的是 ()A.限制棒通過汲取中子來實(shí)現(xiàn)對(duì)核反應(yīng)的限制B.日本后來向反應(yīng)堆灌注海水,可以降溫,但大量被污染的海水外泄,對(duì)周邊環(huán)境產(chǎn)生了巨大的危害C.核裂變遺留物銫、鋇等原子的質(zhì)量可能比鈾原子質(zhì)量大D.核泄漏中放射性物質(zhì)對(duì)人類是有害的【解析】選A、B、D。限制棒通過汲取中子來實(shí)現(xiàn)對(duì)核反應(yīng)速度的限制,選項(xiàng)A正確;日本后來向反應(yīng)堆灌注海水,大量被污染的海水外泄,泄漏的放射性物質(zhì)對(duì)周邊環(huán)境產(chǎn)生了巨大的危害,選項(xiàng)B、D正確;因?yàn)楹朔磻?yīng)有能量釋放,可知銫、鋇等原子的質(zhì)量比鈾原子質(zhì)量小,故C錯(cuò)誤?！狙a(bǔ)償訓(xùn)練】關(guān)于核反應(yīng)堆中用鎘棒限制反應(yīng)速度的原理,下列說法正確的是 ()A.鎘棒能釋放中子,依靠釋放中子的多少限制反應(yīng)速度B.用鎘棒插入的多少限制快中子變?yōu)槁凶拥臄?shù)量C.利用鎘棒對(duì)中子汲取實(shí)力強(qiáng)的特點(diǎn),依靠插入的多少限制中子數(shù)量D.鎘棒對(duì)鈾核裂變有一種阻礙作用,利用其與鈾的接觸面積的大小限制反應(yīng)速度【解析】選C。鎘棒并不能釋放中子,也不能使中子減速,對(duì)鈾核裂變也沒有阻礙作用,而是利用其對(duì)中子汲取實(shí)力強(qiáng)的特點(diǎn),通過限制中子數(shù)量的多少而限制核反應(yīng)速度,故C正確。10.(7分)(多選)在某核反應(yīng)堆中,在鈾棒()四周放置重水作為“慢化劑”,已知重水的原子核質(zhì)量是中子的20倍,中子與重水原子核每次碰撞都可看成是彈性碰撞,且每次碰撞前重水原子核都可以認(rèn)為是靜止的。則下列說法正確的是 ()A.鈾棒四周放置“慢化劑”的目的是使中子減速B.裂變產(chǎn)生2～3個(gè)中子,這些中子再與其他發(fā)生核反應(yīng),會(huì)形成鏈?zhǔn)椒磻?yīng)C.中子與重水的原子核碰撞一次后速率為原來的D.中子與重水的原子核碰撞10次后速率為原來的()10【解析】選A、B、D。鈾235發(fā)生裂變的條件是有慢中子轟擊,而核反應(yīng)結(jié)束后的中子的速度都比較快,所以鈾棒四周放置“慢化劑”的目的是使中子減速,故A正確;依據(jù)產(chǎn)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的條件,結(jié)合U裂變的特點(diǎn)可知,裂變產(chǎn)生2～3個(gè)中子,這些中子再與其他發(fā)生核反應(yīng),會(huì)形成鏈?zhǔn)椒磻?yīng),故B正確;中子與重水原子核每次碰撞都可看成是彈性碰撞,選取中子運(yùn)動(dòng)的初速度v0的方向?yàn)檎较?設(shè)中子的質(zhì)量為m,則由動(dòng)量守恒定律得:mv0=mv1+msvs由動(dòng)能守恒得:m=m+ms由于ms=20m聯(lián)立可得:v1=v0,故C錯(cuò)誤;結(jié)合C選項(xiàng)的分析可知,每一次碰撞后,中子的速度都變成碰撞前的,所以中子與重水的原子核碰撞10次后速率為原來的()10,故D正確。11.(7分)(多選)下列敘述正確的是 ()A.強(qiáng)子是參加強(qiáng)相互作用的粒子B.輕子是不參加強(qiáng)相互作用的粒子C.目前發(fā)覺的輕子只有8種D.夸克有6種,它們帶的電荷量分別為元電荷的+或-【解析】選A、B、D。由三類粒子的特性可知A、B正確;而目前發(fā)覺的輕子只有6種,C錯(cuò)誤;夸克模型經(jīng)過幾十年的發(fā)展,已知夸克有6種,它們帶的電荷分別為元電荷的+或-,D正確。12.(19分)核聚變能是一種具有經(jīng)濟(jì)性能優(yōu)越、平安牢靠、無環(huán)境污染等優(yōu)勢(shì)的新能源。受控核聚變的科學(xué)可行性已得到驗(yàn)證,目前正在突破關(guān)鍵技術(shù),最終將建成商用核聚變電站。一種常見的核聚變反應(yīng)是由氫的同位素氘(又叫重氫)和氚(又叫超重氫)聚合成氦,并釋放一個(gè)中子。若已知氘原子的質(zhì)量為2.0141u,氚原子的質(zhì)量為3.0162u,氦原子的質(zhì)量為4.0026u,中子的質(zhì)量為1.0087u,1u=1.66×10-27kg(1)寫出氘和氚聚變的反應(yīng)方程。(2)試計(jì)算這個(gè)核反應(yīng)釋放出來的能量。(3)若建一座功率為3.0×105kW的核聚變電站,假設(shè)聚變所產(chǎn)生的能量有一半轉(zhuǎn)化成了電能,求每年要消耗的氘的質(zhì)量。(一年按3.2×107s計(jì)算