人教版 (2019)选择性必修 第三册5 “基本”粒子综合训练题

4  核裂变与核聚变

5  “基本”粒子

【基础巩固】

1.下列说法正确的是 (　　)

A.最早发现的轻子是电子,最早发现的强子是中子

B.质子、中子、介子和超子都属于强子

C.强子、轻子都有内部结构

D.τ子质量比核子质量大,τ子不属于轻子

解析:最早发现的强子是质子,最早发现的轻子是电子,选项A错误.强子有内部结构,强子由夸克组成,还没有发现轻子的内部结构,选项C错误.质子、中子、介子、超子都属于强子,τ子质量比核子质量大,但仍属于轻子,选项B正确,选项D错误.

答案:B

2.1938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正确的是              (　　)

A.这个实验的核反应方程是UnBa+Krn

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.这个反应中释放出的能量不可以用E=mc2来计算

D.实验中产生的γ射线穿透能力极强

解析:根据质量数守恒、电荷数守恒,铀核裂变的核反应方程应为UnBaKr+n,选项A错误.铀核裂变过程中产生γ射线,放出能量,发生质量亏损,释放的能量可根据E=mc2计算,选项B、C错误.核反应中产生的γ射线,穿透能力极强,选项D正确.

答案:D

3.科学家发现月球上含有丰富的He(氦3),它是一种高效、清洁、安全的核聚变燃料,其参与的一种核聚变反应的方程式为HeHHe,关于He核聚变,下列表述正确的是              (　　)

A.核聚变反应不会释放能量

B.核聚变反应产生了新的原子核

C.核聚变反应没有质量亏损

D.目前核电站都采用He核聚变反应发电

解析:核聚变反应中产生了新的原子核,同时由于发生了质量亏损,会有核能的释放,选项B正确,选项A、C错误.目前核电站采用重核裂变的方法来利用核能发电,选项D错误.

答案:B

4.(多选)关于核反应堆,下列说法正确的是 (　　)

A.铀棒是核燃料,铀核裂变时释放核能

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能

解析:铀棒是核燃料,铀核裂变时可放出能量,选项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,选项B正确.热中子最容易引发核裂变,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,选项C错误.水或液态金属钠等流体在反应堆内外循环流动,把反应堆内的热量传输出去,用于发电,同时也使反应堆冷却,控制温度,选项D正确.

答案:ABD

5.发电站的核能来源于U的核裂变,下列说法正确的是 (　　)

A.反应堆中核反应速度通常是采用调节U的体积来控制的

BU的一种可能裂变是UnXeSr+n

CU是天然放射性元素,升高温度后它的半衰期会缩短

D.虽然核电站能提供很大的能量,但它对环境的污染比火电站严重

解析:反应堆中核反应速度由控制棒(镉棒)吸收中子的多少来控制,选项A错误.U核裂变有多种可能性,这是其中常见的一种,选项B正确.放射性元素的半衰期由原子核本身决定,与温度、压强等外界条件无关,选项C错误.核电站对环境的污染比火电站小,选项D错误.

答案:B

6.我国自行研制了可控热核反应实验装置“超导托卡马克”(英文名称:EAST,俗称“人造太阳”).设热核实验反应前氘核H)的质量为m1,氚核H)的质量为m2,反应后氦核He)的质量为m3,中子n)的质量为m4,光速为c.下列说法正确的是              (　　)

A.这种装置中发生的核反应方程是HHHen

B.由核反应过程质量守恒可知m1+m2=m3+m4

C.核反应放出的能量等于(m1-m2-m3-m4)c2

D.这种装置与我国核电站所使用装置的核反应原理相同

解析:核反应方程为HHHen,选项A正确.反应过程中向外释放能量,质量有亏损,且释放的能量ΔE=Δmc2=(m1+m2-m3-m4)c2,选项B、C错误.热核反应为核聚变,核电站所用装置核反应原理为核裂变,选项D错误.

答案:A

7.(多选)铀核裂变反应中的一个核反应方程为nXeSr+1n,已知U核的质量为235.043 9 u,中子的质量为1.008 7 uSr核的质量为89.907 7 uXe核的质量为135.907 2 u,则此核反应中              (　　)

A.质量亏损为Δm=(235.043 9+1.008 7-89.907 7-135.907 2)u

B.质量亏损为Δm=(235.043 9+1.008 7-89.907 7-135.907 2-10×1.008 7)u

C.释放的总能量为ΔE=(235.043 9+1.008 7-89.907 7-135.907 2-10×1.008 7)×

(3×108)2 J

D.释放的总能量为ΔE=(235.043 9+1.008 7-89.907 7-135.907 2-10×1.008 7)×

931.5 MeV

解析:计算质量亏损时要用反应前的总质量减去反应后的总质量,二者之差可用u或kg作为单位,选项A错误,选项B正确.质量单位为u时,可直接用“1 u相当于931.5 MeV的能量”计算总能量,选项D正确.当质量单位为kg时,直接乘c2,能量单位才是J,选项C错误.

答案:BD

8.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能.已知质子质量为mH=1.007 3 u,氦核质量为mHe=4.001 5 u,电子质量为me=0.000 55 u,1 u相当于931.5 MeV的能量,光在真空中的速度c=3×108 m/s.

(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千克?

解析:(1)由题意可得核反应方程为

HHe+e.

(2)反应前的质量m1=4mH=4×1.007 3 u=4.029 2 u,

反应后的质量m2=mHe+2me=4.001 5 u+2×0.000 55 u=4.002 6 u,

Δm=m1-m2=0.026 6 u,

由ΔE=Δmc2得,释放的能量

ΔE=0.026 6×931.5 MeV=24.78 MeV.

(3)由ΔE=Δmc2得太阳每秒减少的质量

Δm'== kg=4.22×109 kg.

答案:(1)HHe+e　(2)24.78 MeV   (3)4.22×109 kg

【拓展提高】

9.(多选)已知π+介子、π-介子都是由一个夸克(夸克u或夸克d)和一个反夸克(反夸克或反夸克)组成的,它们的电荷量如下表所示,表中e为元电荷.

下列说法正确的是 (　　)

A.π+由u和组成

B.π+由d和组成

C.π-由u和组成

D.π-由d和组成

解析:π+介子的电荷量为+e,且是由一个夸克和一个反夸克组成的.由题知夸克u的电荷量为+e,反夸克的电荷量为+e,e+e=e,那么π+介子就是由夸克u和反夸克组成的;同理,π-介子由夸克d和反夸克组成.所以选项A、D正确.

答案:AD

10.(多选)一种典型的铀核裂变是生成钡和氪,同时放出3个中子,核反应方程是U+XBa+Kr+n,已知部分原子核的比结合能与核子数的关系如图所示,下列说法正确的是(　　)

A.核反应方程中,X粒子是中子

B.核反应方程中,X粒子是质子

CUBaKr相比Ba核的比结合能最大,它最稳定

DUBaKr相比U核的核子数最多,它的结合能最大

解析:根据质量数和电荷数守恒可知,X一定是中子,选项A正确,选项B错误.分析比结合能随核子数变化的曲线可知,在铁原子核附近的原子核比结合能最大,然后随核子数的增大,比结合能减小,所以UBaKr相比，

Kr核的比结合能最大,最稳定,选项C错误.原子核中核子数越多的结合能越大UBaKr相比U核的核子数最多,它的结合能最大,选项D正确.

答案:AD

11.某科学家提出年轻热星体中核聚变的一种理论,其中的两个核反应方程为HCN+Q1HNC+X+Q2 ,方程中Q1、Q2表示释放的能量,相关的原子核质量见下表:

以下推断正确的是 (　　)

A.X是He,Q2>Q1

B.X是He,Q2>Q1

C.X是He,Q2<Q1

D.X是He,Q2<Q1

解析:根据核反应中质量数与电荷数守恒容易求得新核X的质量数为4、电荷数为2,即X是He;根据表中提供的数据,可以求得第2个核反应的质量亏损大,根据ΔE=Δmc2必然有Q1<Q2,选项B正确.

答案:B

12.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:

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,求出反应中释放的核能.光在真空中的速度c=3×108 m/s.

解析:根据反应前后质量数守恒、电荷数守恒,

铀核裂变方程为nUBaKr+n,

核反应前后的质量亏损为

Δm=mU+mn-mBa-mKr-3mn=3.578×10-28 kg,

由ΔE=Δmc2可得释放的核能为

ΔE=Δmc2=3.220 2×10-11 J.

答案nUBaKr+n　3.220 2×10-11 J

13.两个氘核聚变产生一个中子和一个氦核,已知氘核质量mD=2.013 6 u,氦核质量mHe=3.015 0 u,中子质量mn=1.008 7 u.1 u相当于931.5 MeV的能量.

(1)计算释放出的核能.

(2)若反应前两氘核的动能均为=0.35 MeV,它们正撞发生核聚变,且反应后释放的核能全部转化为动能,则反应产生的氦核和中子的动能各为多大?

解析:(1)核反应方程为 HHen,

反应前后质量亏损Δm=2mD-mHe-mn=0.003 5 u,

由1 u相当于931.5 MeV的能量得释放出的核能

ΔE=0.003 5×931.5 MeV=3.26 MeV.

(2)将两氘核作为一个系统,

由动量守恒有0=mHevHe+mnvn,

EkHe=mHe,Ekn=mn,

由能量守恒有mHe+mn=ΔE+2Ek0,

代入数据可得EkHe=0.99 MeV,

Ekn=2.97 MeV.

答案:(1)3.26 MeV　(2)0.99 MeV　2.97 MeV

【挑战创新】

14.太阳中所发生的“氢聚变”实际上是借助碳、氮、氧的原子核的“催化作用”进行的,其具体反应过程为如图所示的六步循环,这个循环被称为“碳循环”,太阳能主要就是由这个“碳循环”产生的.根据以上信息,下列说法正确的是 (　　)

A.X粒子是电子

B.Y粒子是中子

C.①处所发生的核反应方程为NHO

D.一个“碳循环”的总核反应方程为H+Hee

解析:由质量数守恒、电荷数守恒,可知两个包含了X的核反应方程为ONeNCe,包含了Y的核反应方程为NHCHe,可知X为e,Y为He,选项A、B错误.①处所发生的核反应方程为NHO,选项C正确.经过一个“碳循环”,碳、氮、氧的原子核都复原,有4个H被吸纳,释放出了1个He和2个e,全过程的总核反应方程为HHe

+e,选项D错误.

答案:C