人教版 (2019)选择性必修 第三册4 核裂变与核聚变课时练习

4　核裂变与核聚变

课后·训练提升

基础巩固

一、选择题Ⅰ(每小题列出的四个备选项中只有一个是符合题目要求的)

1.目前核电站利用的核反应是(　　)

A.裂变,核燃料为铀

B.聚变,核燃料为铀

C.裂变,核燃料为氘

D.聚变,核燃料为氘

答案:A

解析:目前的核电站利用的核反应为铀235的核裂变反应,故选项A正确。

2.核电站利用核反应堆工作时释放出的热能使水汽化以推动汽轮发电机发电。反应堆中的核反应方程为U+SrXe+1n,已知铀核的质量mU,中子的质量mn,锶(Sr)核的质量mSr,氙(Xe)核的质量mXe,光在真空中的传播速度为c。则(　　)

A.Z=38,A=136

B.Z=48,A=146

C.一个U裂变时的质量亏损Δm=mU-mSr-mXe-10mn

D.一个U裂变时释放的能量为(mU-mSr-mXe-10mn)c2

答案:A

解析:由质量数与电荷数守恒得 235+1=90+A+10,92=Z+54,解得Z=38,A=136,故选项A正确,B错误;一个U裂变时的质量亏损Δm=mU-mSr-mXe-9mn,根据爱因斯坦质能方程可知,一个U裂变时释放的能量为ΔE=(mU-mSr-mXe-9mn)c2,故选项C、D错误。

3.在某恒星内发生着剧烈的核反应,其中一个核反应是三个α粒子He)结合成一个碳核C),参照比结合能—质量数图像,下列说法正确的是(　　)

A.该反应是原子弹爆炸的基本原理

B.按照质量守恒定律,三个氦核He)的质量之和等于一个碳核C)的质量

C.三个氦核He)的结合能之和大于一个碳核C)的结合能

D.碳核C)比氦核He)更稳定

答案:D

解析:原子弹爆炸是裂变反应,选项A错误;结合题图可知氦核He)的比结合能比碳核C)的小,所以三个氦核He)的结合能之和小于一个碳核C)的结合能,在该反应过程中存在质量亏损,放出能量,选项B、C错误;比结合能越大的原子核越稳定,所以碳核C)比氦核He)更稳定,选项D正确。

二、选择题Ⅱ(每小题列出的四个备选项中至少有一个是符合题目要求的)

4.“两弹一星”精神彰显了中华民族自强不息的伟大精神。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.HeOH

BUThHe

CHHen

DnSrXe+1n

答案:CD

解析:HeOH是卢瑟福利用α粒子轰击氦核打出了质子实验的核反应方程,故选项A错误;ThHe是α衰变,故选项B错误H+HHe+n是氢弹爆炸聚变反应方程,故选项C正确;nSrXe+1n是原子弹爆炸裂变反应方程,故选项D正确。

5.黄旭华,中国核潜艇之父,开拓了中国核潜艇的研制领域,为中国核潜艇事业的发展做出了重要贡献,2020年1月10日,获国家最高科学技术奖。核潜艇是利用重核裂变作为动力,关于核反应方程U+XBaKr+n,下列说法正确的是(　　)

A.Ba中有88个中子

BU的比结合能比Kr小

C.方程中X是α粒子,具有很强的电离本领

D.假设U质量为m1,X质量为m2,

Ba质量为m3Kr质量为m4,光速为c,则核反应中释放的能量为(m1-2m2-m3-m4)c2

答案:ABD

解析:Ba中有144-56=88个中子,选项A正确;由于反应放出核能,生成更加稳定的原子核,而比结合能越大原子核越稳定,可知U的比结合能比Kr小,选项B正确;方程中X是中子,选项C错误;假设U质量为m1,X质量为m2Ba质量为m3Kr质量为m4,光速为c,则核反应中质量亏损Δm=(m1+m2)-(m3+m4+3m2)=m1-2m2-m3-m4,释放的能量为ΔE=Δmc2=(m1-2m2-m3-m4)c2,选项D正确。

6.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。1947年中国科学家钱三强、何泽慧在实验中观察到铀核也可能分裂为三部分或四部分,其概率大约是分裂为两部分的概率的千分之三。关于铀核的裂变,下列说法正确的是(　　)

A.裂变的产物不是唯一的

B.裂变的同时能放出2~3个或更多个中子

C.裂变能够释放巨大能量,每个核子平均释放的能量在裂变反应中比在聚变反应中的大

D.裂变物质达到一定体积(即临界体积)时,链式反应才可以持续下去

答案:ABD

解析:因铀核也可能分裂为三部分或四部分,则裂变的产物不是唯一的,选项A正确;因裂变是链式反应,则裂变的同时能放出2~3个或更多个中子,再重新轰击铀核发生裂变,选项B正确;一次聚变反应释放的能量不一定比裂变反应多,但平均每个核子在聚变中释放的能量一定大,选项C错误;裂变物质达到一定体积(即临界体积)时,链式反应才可以持续下去,选项D正确。

三、非选择题

7.用中子轰击铀核U),其中的一个可能反应是分裂成钡Ba)和氪Kr)两部分,放出3个中子。各个核和中子的质量如下(计算结果保留2位小数):mU=390.313 9×10-27 kg,mn=1.674 9×10-27 kg,mBa=234.001 6×10-27 kg,mKr=152.604 7×10-27 kg。

(1)写出核反应方程。

(2)求出反应中释放的核能。

(3)我国第一座核电站——秦山核电站总装机容量达到650万千瓦,求秦山核电站一年需要消耗多少千克的裂变原料。

答案:(1) nBaKr+n

(2)3.22×10-11 J

(3)2.48×103 kg

解析:(1)核反应方程nBaKr+n。

(2)一个铀核发生反应的质量亏损

Δm=mU+mn-mBa-mKr-3mn=mU-mBa-mKr-2mn=0.3578×10-27kg

一个铀核裂变释放能量为ΔE=Δmc2=0.3578×10-27×(3×108)2J=3.22×10-11J。

(3)秦山核电站一年需要消耗的裂变原料的质量

m=×390.3139×10-27kg=2.48×103kg。

能力提升

一、选择题Ⅰ(每小题列出的四个备选项中只有一个是符合题目要求的)

1.下列关于核反应的说法,正确的是(　　)

A.ThPae是β衰变方程,

UThHe是核裂变方程

BnBaKr+n是核裂变方程,也是氢弹的核反应方程

CTh衰变为Rn,经过3次α衰变、2次β衰变

D.铝核Al被α粒子击中后产生的反应生成物是磷P,同时放出一个质子

答案:C

解析:核反应方程ThPae放射出电子,是β衰变方程UThHe是α衰变方程,故选项A错误。核反应方程nBaKr+n是核裂变方程,不是氢弹的核反应方程,是原子弹的核反应方程,故选项B错误。在α衰变的过程中,电荷数少2,质量数少4;在β衰变的过程中,电荷数多1,质量数不变。设经过了m次α衰变,则有4m=234-222=12,解得m=3;设经过了n次β衰变,则有2m-n=90-86=4,解得n=2,故选项C正确。铝核Al被α粒子击中后产生的反应生成物是磷P,同时放出一种粒子,根据质量数和电荷数守恒可知,放出的粒子质量数为1,电荷数为0,该粒子为中子,故选项D错误。

2.太阳就是一个巨大的热核反应堆,氢核聚变成氦核的反应不停地进行着,不断地放出能量。太阳的总输出功率约为3.8×1026 W,太阳在“核燃烧”的过程中“体重”不断减轻。已知光速为3×108 m/s,估算太阳每秒失去质量的数量级为(　　)

A.106 kg 

B.109 kg

C.1012 kg 

D.1015 kg

答案:B

解析:由爱因斯坦质能方程ΔE=Δmc2变形得Δm=kg=4.2×109kg,选项A、C、D错误,B正确。

3.“人造太阳”实验中的可控热核反应的聚变方程是H+HHen,反应原料氘H)富存于海水中,氚H)可以用中子轰击锂核Li)得到,则关于中子轰击锂核Li)产生一个氚核H)和一个新核,下列说法正确的是(　　)

A.该核反应方程为LinHeH

B.核反应生成物中的α粒子具有很强的电离本领,但穿透能力较弱

C.在中子轰击锂核Li)的核反应生成物中有α粒子,故该核反应属于α衰变

D.核聚变的条件是要达到高温高压的热核反应状态,故核聚变过程不能释放出核能

答案:B

解析:根据题意可知该反应的核反应方程为Li+HeH,故选项A错误;核反应生成物中的α粒子具有很强的电离本领,但穿透能力较弱,故选项B正确;在中子轰击锂核Li)的核反应生成物中有α粒子,故该核反应属于人工核转变,故选项C错误;核聚变的条件是要达到高温高压的热核反应状态,但是核聚变过程能释放出核能,故选项D错误。

二、选择题Ⅱ(每小题列出的四个备选项中至少有一个是符合题目要求的)

4.原子核聚变有望给人类未来提供丰富的洁净能源。当氘等离子体被加热到适当高温时,氘核参与的几种聚变反应可能发生,放出能量。这几种反应的总效果可以表示为HHe+H+n+E,已知H的质量为2.013 6 uH的质量为1.007 8 uHe的质量为4.002 6 un的质量为1.008 7 u,1 u=931 MeV/c2,则有(　　)

A.k=1,d=4 

B.k=2,d=2

C.E=40.4 MeV 

D.E=404 MeV

答案:BC

解析:核反应的过程由质量数守恒可得6×2=4k+d+2×1,由核电荷数守恒可得6×1=2k+d,联立可得k=2,d=2,故选项A错误,B正确;质量亏损Δm=(6×2.0136-2×4.0026-2×1.0078-2×1.0087)u=0.0434u,根据爱因斯坦质能方程得ΔE=Δmc2=0.0434×931MeV=40.4MeV,故选项C正确,D错误。

5.已知“人造太阳”核聚变的反应方程为HX+17.6 MeV,关于此核聚变,以下说法正确的是(　　)

A.要使轻核发生聚变,就要利用粒子加速器,使轻核拥有很大的动能

B.Z=0,M=1

C.1 mol氘核和1 mol氚核发生核聚变,可以放出17.6 MeV的能量

D.聚变比裂变更安全、清洁

答案:BD

解析:“人造太阳”是以超导磁场约束,通过波加热,让等离子气体达到上亿度的高温而发生轻核聚变,故选项A错误;根据质量数和核电荷数守恒,可以求出X为中子n,即Z=0,M=1,故选项B正确;1个氘核和1个氚核发生核聚变,可以放出17.6MeV的能量,故选项C错误;轻核聚变产生物为氦核,没有辐射和污染,所以聚变比裂变更安全、清洁,故选项D正确。

6.一个质子和一个中子聚变结合成一个氘核,同时辐射一个γ光子。已知质子、中子、氘核的质量分别为m1、m2、m3,普朗克常量为h,真空中的光速为c。下列说法正确的是(　　)

A.核反应方程是nH+γ

B.聚变反应中的质量亏损Δm=m1+m2-m3

C.辐射出的γ光子的能量E=(m3-m1-m2)c2

D.γ光子的波长λ=

答案:BD

解析:该核反应方程质量数不守恒,故选项A错误;聚变反应中的质量亏损为Δm=(m1+m2)-m3,故选项B正确;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)c2,故选项C错误;根据E=可得光子的波长为λ=,故选项D正确。

三、非选择题

7.在用铀235U)做燃料的核反应堆中,铀235核吸收一个中子后,可发生裂变反应生成钡Ba)、氪Kr)和x个中子,并放出能量,其核反应方程为nBaKr+n。

(1)其中x等于多少?

(2)已知中子的质量为mU核的质量为m1Ba核的质量为m2Kr核的质量为m3,真空中光速为c,一个铀235核发生上述裂变反应释放的核能为多少?

答案:(1)3

(2)(m1-m2-m3-2m)c2

解析:(1)根据质量数守恒有235+1=144+89+x

解得x=3。

(2)核反应的质量亏损Δm=m1-m2-m3-2m

根据爱因斯坦质能方程可得ΔE=Δmc2=(m1-m2-m3-2m)c2。