【導(dǎo)學(xué)練】高中物理魯科版(2019)選擇性必修3：5.4-5 課后素養(yǎng)落實(shí)14 核裂變和核聚變 核能的利用與環(huán)境保護(hù)習(xí)題

課后素養(yǎng)落實(shí)(十四)(建議用時(shí)：40分鐘)題組一對核裂變和鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的理解1．(多選)當(dāng)一個重核裂變時(shí)，它能產(chǎn)生的兩個核()A．一定是穩(wěn)定的B．含有的中子數(shù)較裂變前重核的中子數(shù)少C．裂變時(shí)釋放的能量等于俘獲中子時(shí)得到的能量D．可以是多種形式的兩個核的組合BD[重核裂變?yōu)閮蓚€中等質(zhì)量的核時(shí)平均要放出2個或3個中子，裂變釋放的能量比俘獲中子時(shí)得到的能量大，故C錯誤；質(zhì)子數(shù)不變，中子數(shù)會減少，故B正確；重核裂變的產(chǎn)物是多種多樣的，故A錯誤，D正確。]2．(多選)用中子(eq\o\al(\s\up11(1),\s\do4(0))n)轟擊鈾核(eq\o\al(\s\up11(235),\s\do4(92))U)發(fā)生裂變反應(yīng)，會產(chǎn)生鋇核(eq\o\al(\s\up11(141),\s\do4(56))Ba)和氪(eq\o\al(\s\up11(92),\s\do4(36))Kr)并釋放出中子(eq\o\al(\s\up11(1),\s\do4(0))n)，當(dāng)達(dá)到某些條件時(shí)可發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，一個鈾核(eq\o\al(\s\up11(235),\s\do4(92))U)裂變時(shí)，釋放的能量約為200MeV(1eV＝1.6×10－19J)。以下說法正確的是()A．eq\o\al(\s\up11(235),\s\do4(92))U的裂變方程為eq\o\al(\s\up11(235),\s\do4(92))U→eq\o\al(\s\up11(141),\s\do4(56))Ba＋eq\o\al(\s\up11(92),\s\do4(36))Kr＋eq\o\al(\s\up11(1),\s\do4(0))nB．eq\o\al(\s\up11(235),\s\do4(92))U的裂變方程為eq\o\al(\s\up11(235),\s\do4(92))U＋eq\o\al(\s\up11(1),\s\do4(0))n→eq\o\al(\s\up11(141),\s\do4(56))Ba＋eq\o\al(\s\up11(92),\s\do4(36))Kr＋3eq\o\al(\s\up11(1),\s\do4(0))nC．eq\o\al(\s\up11(235),\s\do4(92))U發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的條件與鈾塊的體積有關(guān)D．一個eq\o\al(\s\up11(235),\s\do4(92))U裂變時(shí)，質(zhì)量虧損約為3.6×10－28kgBCD[eq\o\al(\s\up11(235),\s\do4(92))U的裂變方程為eq\o\al(\s\up11(235),\s\do4(92))U＋eq\o\al(\s\up11(1),\s\do4(0))n→eq\o\al(\s\up11(141),\s\do4(56))Ba＋eq\o\al(\s\up11(92),\s\do4(36))Kr＋3eq\o\al(\s\up11(1),\s\do4(0))n，故A錯誤，B正確；當(dāng)鈾塊體積大于臨界體積時(shí)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)才會發(fā)生，故C正確；ΔE＝200MeV＝2×108×1.6×10－19J＝3.2×10－11J，根據(jù)ΔE＝Δmc2，可知Δm＝eq\f(ΔE,c2)＝eq\f(3.2×10－11,（3×108）2)kg＝3.6×10－28kg，故D正確。]3．(多選)2020年11月8日，我國核潛艇第一任總設(shè)計(jì)師、中國工程院院士彭士祿榮獲第十三屆光華工程科技成就獎。核潛艇是以核反應(yīng)堆為動力來源的潛艇，其中一種核反應(yīng)方程為eq\o\al(\s\up11(235),\s\do4(92))U＋eq\o\al(\s\up11(1),\s\do4(0))n→X＋eq\o\al(\s\up11(94),\s\do4(38))Sr＋10eq\o\al(\s\up11(1),\s\do4(0))n，下列說法正確的是()A．X有54個質(zhì)子，78個中子B．X的比結(jié)合能比鈾核的小C．釋放的核能與質(zhì)量虧損成正比D．該核反應(yīng)屬于鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，每次生成的eq\o\al(\s\up11(1),\s\do4(0))n會使新鈾核連續(xù)不斷地發(fā)生裂變ACD[根據(jù)核反應(yīng)遵循質(zhì)量數(shù)和核電荷數(shù)守恒，可知X為eq\o\al(\s\up11(132),\s\do4(54))X，得其質(zhì)子數(shù)為54個，中子數(shù)為132－54＝78個，故A正確；X是中等質(zhì)量的核，比結(jié)合能大且穩(wěn)定，故B錯誤；根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程ΔE＝Δmc2，可知釋放的核能與質(zhì)量虧損成正比，故C正確；該核反應(yīng)屬于鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，每次生成的eq\o\al(\s\up11(1),\s\do4(0))n會使新鈾核連續(xù)不斷地發(fā)生裂變，故D正確。故選ACD。]題組二對核聚變的理解4．關(guān)于輕核聚變釋放核能，下列說法正確的是()A．一次聚變反應(yīng)一定比一次裂變反應(yīng)釋放的能量多B．聚變反應(yīng)比裂變反應(yīng)每個核子釋放的平均能量一定大C．聚變反應(yīng)中粒子的比結(jié)合能變小D．聚變反應(yīng)中由于形成質(zhì)量較大的核，故反應(yīng)后質(zhì)量變大B[聚變反應(yīng)的比結(jié)合能大于裂變反應(yīng)的比結(jié)合能，但參與的核子數(shù)目裂變大于聚變，故聚變反應(yīng)釋放的總能量不一定多，故A、C錯誤，B正確；由于聚變反應(yīng)釋放能量，發(fā)生質(zhì)量虧損，故聚變后核的質(zhì)量減少，故D錯誤。]5．(多選)我國最新一代核聚變裝置“EAST”在安徽合肥首次放電，顯示了“EAST”裝置具有良好的整體性能，使等離子體約束時(shí)間達(dá)1000s，溫度超過1億攝氏度，這標(biāo)志著我國磁約束核聚變研究進(jìn)入國際先進(jìn)水平。合肥也成為世界上第一個建成此類全超導(dǎo)非圓截面核聚變實(shí)驗(yàn)裝置并能實(shí)際運(yùn)行的地方。核聚變的主要原料是氘，在海水中含量極其豐富。已知氘核的質(zhì)量為m1，中子的質(zhì)量為m2，eq\o\al(\s\up11(3),\s\do4(2))He的質(zhì)量為m3，質(zhì)子的質(zhì)量為m4，則下列說法中正確的是()A．兩個氘核聚變成一個eq\o\al(\s\up11(3),\s\do4(2))He所產(chǎn)生的另一個粒子是質(zhì)子B．兩個氘核聚變成一個eq\o\al(\s\up11(3),\s\do4(2))He所產(chǎn)生的另一個粒子是中子C．兩個氘核聚變成一個eq\o\al(\s\up11(3),\s\do4(2))He所釋放的核能為(2m1－m3－m4)c2D．兩個氘核聚變成一個eq\o\al(\s\up11(3),\s\do4(2))He所釋放的核能為(2m1－m3－m2)c2BD[由核反應(yīng)方程2eq\o\al(\s\up11(2),\s\do4(1))H→eq\o\al(\s\up11(3),\s\do4(2))He＋eq\o\al(\s\up11(1),\s\do4(0))X知X應(yīng)為中子，釋放的核能應(yīng)為ΔE＝(2m1－m3－m2)c2，故A、C錯誤，B、D正確。]6．(2021·湖南省長沙市模擬)2020年12月4日，新一代“人造太陽”裝置——中國環(huán)流器二號M裝置(HL－2M)在成都建成并首次實(shí)現(xiàn)利用核聚變放電。下列方程中，正確的核聚變反應(yīng)方程是()A．eq\o\al(\s\up11(2),\s\do4(1))H＋eq\o\al(\s\up11(3),\s\do4(1))H→eq\o\al(\s\up11(4),\s\do4(2))He＋eq\o\al(\s\up11(1),\s\do4(0))nB．eq\o\al(\s\up11(238),\s\do4(92))U→eq\o\al(\s\up11(234),\s\do4(90))Th＋eq\o\al(\s\up11(4),\s\do4(2))HeC．eq\o\al(\s\up11(235),\s\do4(92))U＋eq\o\al(\s\up11(1),\s\do4(0))n→eq\o\al(\s\up11(144),\s\do4(56))Ba＋eq\o\al(\s\up11(89),\s\do4(36))Kr＋3eq\o\al(\s\up11(1),\s\do4(0))nD．eq\o\al(\s\up11(4),\s\do4(2))He＋eq\o\al(\s\up11(27),\s\do4(13))Al→eq\o\al(\s\up11(30),\s\do4(15))P＋2eq\o\al(\s\up11(1),\s\do4(0))nA[核聚變反應(yīng)是兩輕核反應(yīng)變成中等質(zhì)量的核。eq\o\al(\s\up11(2),\s\do4(1))H＋eq\o\al(\s\up11(3),\s\do4(1))H→eq\o\al(\s\up11(4),\s\do4(2))He＋eq\o\al(\s\up11(1),\s\do4(0))n，是輕核聚變，故A正確；eq\o\al(\s\up11(238),\s\do4(92))U→eq\o\al(\s\up11(234),\s\do4(90))Th＋eq\o\al(\s\up11(4),\s\do4(2))He，此核反應(yīng)反應(yīng)物只有一個原子核且生成物有氦核，屬于α衰變，故B錯誤；eq\o\al(\s\up11(235),\s\do4(92))U＋eq\o\al(\s\up11(1),\s\do4(0))n→eq\o\al(\s\up11(144),\s\do4(56))Ba＋eq\o\al(\s\up11(89),\s\do4(36))Kr＋3eq\o\al(\s\up11(1),\s\do4(0))n，此反應(yīng)反應(yīng)物和生成物都有中子，構(gòu)成鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，且生成物至少有兩個中等質(zhì)量的核，故屬于重核裂變，故C錯誤；eq\o\al(\s\up11(4),\s\do4(2))He＋eq\o\al(\s\up11(27),\s\do4(13))Al→eq\o\al(\s\up11(30),\s\do4(15))P＋eq\o\al(\s\up11(1),\s\do4(0))n，此反應(yīng)是用α粒子轟擊鋁生成了同位素磷，是人工核轉(zhuǎn)變，故D錯誤；故選A。]題組三核電站與核反應(yīng)堆7．中國是核電大國，到2020年1月，已經(jīng)建成19座核電站，核電站是利用原子核發(fā)生裂變反應(yīng)時(shí)所產(chǎn)生的核能來進(jìn)行發(fā)電的。關(guān)于原子核與核能，以下說法正確的是()A．組成原子核的核子之間只存在引力B．核反應(yīng)中由于核子數(shù)減少而導(dǎo)致質(zhì)量虧損C．比結(jié)合能越大的原子核越穩(wěn)定，核子平均質(zhì)量越小D．核電站利用中等質(zhì)量的原子核分裂成質(zhì)量較小的原子核來獲取核能C[組成原子核的核子之間存在核力的作用，核力有時(shí)表現(xiàn)為斥力，有時(shí)表現(xiàn)為引力，選項(xiàng)A錯誤；核反應(yīng)中核子數(shù)并沒有減少，由于核子的平均質(zhì)量減少而導(dǎo)致質(zhì)量虧損，選項(xiàng)B錯誤；比結(jié)合能越大的原子核越穩(wěn)定，核子平均質(zhì)量越小，選項(xiàng)C正確；核電站利用質(zhì)量較大的原子核分裂成兩個或兩個以上中等質(zhì)量核來獲取核能，選項(xiàng)D錯誤。故選C。]8．(多選)關(guān)于慢中子核反應(yīng)堆，下列說法正確的是()A．鈾235容易吸收快中子發(fā)生裂變反應(yīng)B．快中子跟減速劑的原子核碰撞后能量減少，變成慢中子，慢中子容易被鈾235俘獲而引起裂變反應(yīng)C．當(dāng)反應(yīng)過于激烈時(shí)，使控制棒插入深一些，讓它多吸收一些中子，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度就會慢一些D．若要使裂變反應(yīng)更激烈一些，應(yīng)使控制棒插入深一些，使大量快中子碰撞控制棒后變成慢中子，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度就會快一些BC[鈾235更容易吸收慢中子而發(fā)生裂變，A錯誤；在反應(yīng)堆中減速劑的作用就是減少快中子能量，從而更易讓鈾235吸收引起裂變反應(yīng)，B正確；鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的劇烈程度取決于裂變釋放出的中子總數(shù)，控制棒可以吸收中子，因而可以控制核反應(yīng)的快慢，即插入得深，吸收的中子多，反應(yīng)將變慢，反之將加快，C正確，D錯誤。]9．已知氘核質(zhì)量為2.0136u，中子質(zhì)量為1.0087u，eq\o\al(\s\up11(3),\s\do4(2))He核的質(zhì)量為3.0150u。兩個速率相等的氘核對心碰撞聚變成eq\o\al(\s\up11(3),\s\do4(2))He并放出一個中子，釋放的核能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能(質(zhì)量虧損為1u時(shí)，釋放的能量為931.5MeV。除了計(jì)算質(zhì)量虧損外，eq\o\al(\s\up11(3),\s\do4(2))He的質(zhì)量可以認(rèn)為是中子的3倍)。(1)寫出該核反應(yīng)的反應(yīng)方程式。(2)該核反應(yīng)釋放的核能是多少？(3)若測得反應(yīng)后生成中子的動能是3.12MeV，則反應(yīng)前每個氘核的動能是多少M(fèi)eV?[解析](1)核反應(yīng)方程為：eq\o\al(\s\up11(2),\s\do4(1))H＋eq\o\al(\s\up11(2),\s\do4(1))H→eq\o\al(\s\up11(3),\s\do4(2))He＋eq\o\al(\s\up11(1),\s\do4(0))n。(2)質(zhì)量虧損為：Δm＝2×2.0136u－(3.0150u＋1.0087u)＝0.0035u，釋放的核能為：ΔE＝Δmc2＝0.0035×931.5MeV≈3.26MeV。(3)設(shè)中子和eq\o\al(\s\up11(3),\s\do4(2))He核的質(zhì)量分別為m1、m2，速度分別為v1、v2。反應(yīng)前每個氘核的動能是E0，反應(yīng)后中子和eq\o\al(\s\up11(3),\s\do4(2))He核動能分別為E1、E2，根據(jù)動量守恒定律得m1v1－m2v2＝0，eq\f(E1,E2)＝eq\f(p2,2m1)∶eq\f(p2,2m2)＝eq\f(m2,m1)＝3，則E2＝eq\f(E1,3)＝1.04MeV由能量的轉(zhuǎn)化和守恒定律，得E1＋E2＝2E0＋ΔE，解得E0＝0.45MeV。[答案](1)eq\o\al(\s\up11(2),\s\do4(1))H＋eq\o\al(\s\up11(2),\s\do4(1))H→eq\o\al(\s\up11(3),\s\do4(2))He＋eq\o\al(\s\up11(1),\s\do4(0))n(2)3.26MeV(3)0.45MeV10．(多選)在某些恒星內(nèi)，3個α粒子結(jié)合成一個C，C原子的質(zhì)量是12.0000u，He原子的質(zhì)量是4.0026u，已知1u＝1.66×10－27kg，1u相當(dāng)于931.5MeV，則()A．反應(yīng)過程中的質(zhì)量虧損是Δm＝0.0078uB．反應(yīng)過程中的質(zhì)量虧損是Δm＝1.2948×10－29kgC．反應(yīng)過程中放出的能量約為7.266MeVD．反應(yīng)過程中放出的能量約為1.16×10－19JABC[其反應(yīng)方程是3eq\o\al(\s\up11(4),\s\do4(2))He→eq\o\al(\s\up11(12),\s\do4(6))C。其質(zhì)量虧損為Δm＝(3×4.0026－12.0000)u＝0.0078u，A正確；Δm＝0.0078×1.66×10－27kg＝1.2948×10－29kg，B正確；ΔE＝0.0078×931.5MeV≈7.266MeV，C正確；ΔE≈7.266×106×1.6×10－19J≈1.16×10－12J，D錯誤。]11．(多選)我國秦山核電站第三期工程中有兩組60萬千瓦的發(fā)電機(jī)組，發(fā)電站的核能來源于eq\o\al(\s\up11(235),\s\do4(92))U的裂變，下列說法正確的是()A．eq\o\al(\s\up11(235),\s\do4(92))U原子核中有92個質(zhì)子，143個中子B．eq\o\al(\s\up11(235),\s\do4(92))U的一種可能裂變是變成兩個中等質(zhì)量的原子核，反應(yīng)方程為eq\o\al(\s\up11(235),\s\do4(92))U＋eq\o\al(\s\up11(1),\s\do4(0))n→eq\o\al(\s\up11(139),\s\do4(54))Xe＋eq\o\al(\s\up11(95),\s\do4(38))Sr＋2eq\o\al(\s\up11(1),\s\do4(0))nC．eq\o\al(\s\up11(235),\s\do4(92))U是天然放射性元素，常溫下它的半衰期約為45億年，升高溫度半衰期縮短D．一個eq\o\al(\s\up11(235),\s\do4(92))U裂變能放出200MeV的能量，合3.2×10－11JABD[由eq\o\al(\s\up11(235),\s\do4(92))U的質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)關(guān)系易知A正確；由核反應(yīng)方程中核電荷數(shù)守恒和質(zhì)量數(shù)守恒知B正確；半衰期不受外界因素干擾，只與核本身有關(guān)，C錯誤；因?yàn)?00MeV＝200×106×1.6×10－19J＝3.2×10－11J，D正確。]12．用中子轟擊鈾核(eq\o\al(\s\up11(235),\s\do4(92))U)，其中一個可能的反應(yīng)是分裂成鋇(eq\o\al(\s\up11(141),\s\do4(56))Ba)和氪(eq\o\al(\s\up11(92),\s\do4(36))Kr)兩部分，放出3個中子。各個核和中子的質(zhì)量如下：mU＝390.3139×10－27kg，mn＝1.6749×10－27kg，mBa＝234.0016×10－27kg，mKr＝152.6047×10－27kg，試寫出核反應(yīng)方程，并算出反應(yīng)中釋放的核能。[解析]此鈾核裂變方程為eq\o\al(\s\up11(1),\s\do4(0))n＋eq\o\al(\s\up11(235),\s\do4(92))U→eq\o\al(\s\up11(141),\s\do4(56))Ba＋eq\o\al(\s\up11(92),\s\do4(36))Kr＋3eq\o\al(\s\up11(1),\s\do4(0))n，則核反應(yīng)前后的質(zhì)量虧損為Δm＝mU＋mn－mBa－mKr－3mn＝0.3578×10－27kg，由愛因斯坦的質(zhì)能方程可得釋放的核能為ΔE＝Δmc2＝0.3578×10－27×(2.9979×108)2J≈3.2157×10－11J。[答案]eq\o\al(\s\up11(1),\s\do4(0))n＋eq\o\al(\s\up11(235),\s\do4(92))U→eq\o\al(\s\up11(141),\s\do4(56))Ba＋eq\o\al(\s\up11(92),\s\do4(36))Kr＋3eq\o\al(\s\up11(1),\s\do4(0))n3．2157×10－11J13．(2020·山東省高二期末)太陽大約在幾十億年后，進(jìn)入紅巨星時(shí)期，其核心溫度會逐漸升高。當(dāng)溫度升至某一溫度時(shí)，太陽內(nèi)部會發(fā)生氦閃：三個eq\o\al(\s\up11(4),\s\do4(2))He生成一個eq\o\al(\s\up11(12),\s\d