高中物理人教版 (2019)选择性必修 第三册4 核裂变与核聚变精品同步测试题

课时分层作业(十九)　核裂变与核聚变　“基本”粒子

(建议用时：25分钟)

◎考点一　对核裂变和链式反应的理解

1．(多选)当一个重核裂变时，它能产生的两个核(　　)

A．一定是稳定的

B．含有的中子数较裂变前重核的中子数少

C．裂变时释放的能量等于俘获中子时得到的能量

D．可以是多种形式的两个核的组合

BD　[重核裂变为两个中等质量的核时平均要放出2个或3个中子，裂变释放的能量比俘获中子的能量大，故C错误；质子数不变，中子数会减少，故B正确；重核裂变的产物是多种多样的，故A错误，D正确。]

2．(多选)用中子(n)轰击铀核(U)发生裂变反应，会产生钡核(Ba)和氪(Kr)并释放出中子(n)，当达到某些条件时可发生链式反应，一个铀核(U)裂变时，释放的能量约为200 MeV(1 eV＝1.6×10－19J)。以下说法正确的是(　　)

A．U的裂变方程为U→Ba＋Kr＋n

B．U的裂变方程为U＋n→Ba＋Kr＋3n

C．U发生链式反应的条件与铀块的体积有关

D．一个U裂变时，质量亏损约为3.6×10－28 kg

BCD　[U的裂变方程为U＋n→Ba＋Kr＋3n，故A错误，B正确；当铀块体积大于临界体积时链式反应才会发生，故C正确；1 u＝1.66×10－27 kg，又1 u相当于931.56 MeV，则200 MeV相当于0.214 7 u，故质量亏损约为3.6×10－28 kg，故D正确。]

◎考点二　核电站与核反应堆

3．(多选)关于核反应堆，下列说法正确的是(　　)

A．铀棒是核燃料，裂变时释放核能

B．镉棒的作用是控制反应堆的功率

C．铀棒的作用是控制反应堆的功率

D．石墨的作用是吸收中子

AB　[铀棒是核燃料，裂变时可放出能量，故A正确；镉棒吸收中子的能力很强，作用是调节中子数目以控制反应速度，即控制反应堆功率，故B正确，C错误；慢中子最容易引发铀核裂变，所以在快中子碰到铀棒前要进行减速，石墨的作用是使中子减速，故D错误。]

4．关于核反应堆中用镉棒控制反应速度的原理，下列说法正确的是(　　)

A．镉棒能释放中子，依靠释放的多少控制反应速度

B．用镉棒插入的多少控制快中子变为慢中子的数量

C．利用镉棒对中子吸收能力强的特点，依靠插入的多少控制中子数量

D．镉棒对铀核裂变有一种阻碍作用，利用其与铀的接触面积的大小控制反应速度

C　[镉棒不是粒子源不会释放中子，A错误；也不是减速剂，不能使快中子变为慢中子，也不阻碍铀的裂变，B、D错误；镉棒对中子有吸收作用，通过中子强度检测器检测，当反应太强时，控制棒能自动插入，多吸收中子，反之，自动抽出，少吸收中子，C正确。]

◎考点三　对核聚变的理解

5．关于轻核聚变释放核能，下列说法正确的是(　　)

A．一次聚变反应一定比一次裂变反应释放的能量多

B．聚变反应比裂变反应每个核子释放的平均能量一定大

C．聚变反应中粒子的比结合能变小

D．聚变反应中由于形成质量较大的核，故反应后质量变大

B　[聚变反应的比结合能大于裂变反应的比结合能，但参与的核子数目裂变大于聚变，故聚变反应释放的总能量不一定多，故A、C错误，B正确；由于聚变反应释放能量，发生质量亏损，故聚变后核的质量减少，故D错误。]

6．(多选)我国最新一代核聚变装置“EAST”在安徽合肥首次放电，显示了“EAST”装置具有良好的整体性能，使等离子体约束时间达1 000 s，温度超过1亿摄氏度，这标志着我国磁约束核聚变研究进入国际先进水平。合肥也成为世界上第一个建成此类全超导非圆截面核聚变实验装置并能实际运行的地方。核聚变的主要原料是氘，在海水中含量极其丰富。已知氘核的质量为m1，中子的质量为m2，He的质量为m3，质子的质量为m4，则下列说法中正确的是(　　)

A．两个氘核聚变成一个He所产生的另一个粒子是质子   

B．两个氘核聚变成一个He所产生的另一个粒子是中子

C．两个氘核聚变成一个He所释放的核能为(2m1－m3－m4)c2

D．两个氘核聚变成一个He所释放的核能为(2m1－m3－m2)c2

BD　[由核反应方程2H→He＋X知X应为中子，释放的核能应为ΔE＝(2m1－m3－m2)c2，故A、C错误，B、D正确。]

7．(多选)核聚变能是一种具有经济性能优越、安全可靠、无环境污染等优势的新能源。近年来，受控核聚变的科学可行性已得到验证，目前正在突破关键技术，最终将建成商用核聚变电站。一种常见的核聚变反应是由氢的同位素氘(又叫重氢)和氚(又叫超重氢)聚合成氦，并释放一个中子。若已知氘原子的质量为2.014 1 u，氚原子的质量为3.016 0 u，氦原子的质量为4.002 6 u，中子的质量为1.008 7 u，1 u＝1.66×10－27 kg。则这个核反应释放出来的能量为(光速c＝3.00×108 m/s，1 u相当于931.5 MeV)(　　)

A．2.8×10－10 J　　　 B．2.8×10－12 J

C．1.75 MeV D．17.5 MeV

BD　[核反应释放出来的能量：ΔE＝Δmc2，Δm＝(m氘＋m氚)－(mHe＋mn)＝0.018 8 u，由计算得：ΔE＝2.8×10－12 J＝17.5 MeV，故B、D正确。]

◎考点四　“基本”粒子

8．(多选)下列所述正确的是(　　)

A．强子是参与强相互作用的粒子

B．轻子是不参与强相互作用的粒子

C．目前发现的轻子只有8种

D．夸克有6种，它们带的电荷量分别为元电荷的＋或－

ABD　[由三类粒子的特性可知A、B正确；而目前发现的轻子只有6种，C错误；夸克模型经过几十年的发展，已知夸克有6种，它们带的电荷分别为元电荷的＋或－，D正确。]

9．已知氘核质量为2.013 6 u，中子质量为1.008 7 u，He核的质量为3.015 0 u。两个速率相等的氘核对心碰撞聚变成He并放出一个中子，释放的核能全部转化为机械能。(质量亏损为1 u时，释放的能量为931.5 MeV。除了计算质量亏损外，He的质量可以认为是中子的3倍)

(1)写出该核反应的反应方程式。

(2)该核反应释放的核能是多少？

(3)若测得反应后生成中子的动能是3.12 MeV，则反应前每个氘核的动能是多少MeV?

[解析]　(1)核反应方程为：H＋H→He＋n

(2)质量亏损为：Δm＝2.013 6×2 u－(3.015 0 u＋1.008 7 u)＝0.003 5 u，释放的核能为：

ΔE＝Δmc2＝0.003 5×931.5 MeV＝3.26 MeV

(3)设中子和He核的质量分别为m1、m2，速度分别为v1、v2。反应前每个氘核的动能是E0，反应后中子和He核动能分别为E1、E2，根据动量守恒定律，得m1v1－m2v2＝0，＝∶＝＝3，E2＝＝1.04 MeV

由能量的转化和守恒定律，得

E1＋E2＝2E0＋ΔE，E0＝0.45 MeV。

[答案]　(1)H＋H→He＋n

(2)3.26 MeV　(3)0.45 MeV

(建议用时：15分钟)

10．(多选)在某些恒星内，3个α粒子结合成一个C，C原子的质量是12.000 0 u，He原子的质量是4.002 6 u，已知1 u＝1.66×10－27 kg，1 u相当于931.5 MeV，则(　　)

A．反应过程中的质量亏损是Δm＝0.007 8 u

B．反应过程中的质量亏损是Δm＝1.294 8×10－29 kg

C．反应过程中放出的能量约为7.266 MeV

D．反应过程中放出的能量约为1.16×10－19 J

ABC　[其反应方程是3He→C。其质量亏损为Δm＝(3×4.002 6－12.000 0)u＝0.007 8 u，A正确；Δm＝0.007 8×1.66×10－27 kg＝1.294 8×10－29 kg，B正确；ΔE＝0.007 8×931.5 MeV≈7.266 MeV，C正确；ΔE≈7.266×106×1.6×10－19 J≈1.16×10－12 J，D错误。]

11．(多选)我国秦山核电站第三期工程中有两组60万千瓦的发电机组，发电站的核能来源于U的裂变，下列说法正确的是(　　)

A．U原子核中有92个质子，143个中子

B．U的一种可能裂变是变成两个中等质量的原子核，反应方程为U＋n→Xe＋Sr＋2n

C．U是天然放射性元素，常温下它的半衰期约为45亿年，升高温度半衰期缩短

D．一个U裂变能放出200 MeV的能量，合3.2×10－11 J

ABD　[由U的质量数和电荷数关系易知A正确；由核反应方程中电荷数守恒和质量数守恒知B正确；半衰期不受外界因素干扰，只与核本身有关，C错误；因为200 MeV＝200×106×1.6×10－19 J＝3.2×10－11 J，D正确。]

12．一个静止的钚核Pu自发衰变成为一个铀核U和另一个原子核X，并释放出一定的能量，其核衰变方程为：Pu→U＋X。

(1)方程中的“X”是什么？

(2)钚核的质量为239.052 2 u，铀核的质量为235.043 9 u，X核的质量为4.002 6 u，已知1 u相当于931 MeV，则：

①该衰变过程放出的能量是多少MeV?

②假设钚核衰变释放出的能量全部转变为铀核和X核的动能，则X核的动能约为多少MeV?

[解析]　(1)根据质量数和电荷数守恒可知，X的质量数为4，电荷数为2，为He。

(2)①该衰变过程放出的能量ΔE＝[m1－(m2＋m3)]c2＝[239.0522－(235.0439＋4.0026)]×931 MeV≈5.31 MeV。②由Ek＝可得，Ek铀：EkX＝mX∶m铀＝4∶235，则EkX＝5.31× MeV≈5.22 MeV。

[答案]　见解析

13．用中子轰击铀核(U)，其中一个可能的反应是分裂成钡(Ba)和氪(Kr)两部分，放出3个中子。各个核和中子的质量如下：

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，

试写出核反应方程，算出反应中释放的核能。

[解析]　此铀核裂变方程为

n＋U→Ba＋Kr＋3n，

则核反应前后的质量亏损为

Δm＝mU＋mn－mBa－mKr－3mn＝0.357 8×10－27 kg，

由爱因斯坦的质能方程可得释放的核能为

ΔE＝Δmc2＝0.357 8×10－27×(2.997 9×108)2 J＝3.215 7×10－11 J。

[答案]　n＋U→Ba＋Kr＋3n

3.215 7×10－11 J