17.4核能和核反应（解析版）--2024高考一轮复习100考点100讲—高中物理

这是一份17.4核能和核反应（解析版）--2024高考一轮复习100考点100讲—高中物理，共12页。试卷主要包含了4讲 核能和核反应，5×10－15m之内；，书写核反应方程时应注意等内容，欢迎下载使用。

第17.4讲 核能和核反应
【知识点精讲】
1．核力
(1)定义：
原子核内部，核子间所特有的相互作用力。
(2)特点：
①核力是强相互作用的一种表现；
②核力是短程力，作用范围在1.5×10－15m之内；
③每个核子只跟它的相邻核子间才有核力作用。
2．结合能
核子结合为原子核时释放的能量或原子核分解为核子时吸收的能量，叫做原子核的结合能，亦称核能。
3．质能方程、质量亏损
爱因斯坦质能方程E＝mc2，原子核的质量必然比组成它的核子的质量和要小Δm，这就是质量亏损。由质量亏损可求出释放的核能ΔE＝Δmc2。
4．重核裂变
(1)定义：质量数较大的原子核受到高能粒子的轰击而分裂成几个质量数较小的原子核的过程。
(2)典型的裂变反应方程：
eq \\al(235, 92)U＋eq \\al(1,0)n→eq \\al(89,36)Kr＋eq \\al(144, 56)Ba＋3eq \\al(1,0)n。
(3)链式反应：由重核裂变产生的中子使裂变反应一代接一代继续下去的过程。
(4)临界体积和临界质量：裂变物质能够发生链式反应的最小体积及其相应的质量。
(5)裂变的应用：原子弹、核反应堆。
(6)反应堆构造：核燃料、减速剂、镉棒、防护层。
5．轻核聚变
(1)定义：两轻核结合成质量较大的核的反应过程。轻核聚变反应必须在高温下进行，因此又叫热核反应。更多课件 教案 视频 等优质滋源请 家 威杏 MXSJ663 (2)典型的聚变反应方程：
eq \\al(2,1)H＋eq \\al(3,1)H→eq \\al(4,2)He＋eq \\al(1,0)n＋17.6 MeV
6．粒子和宇宙
(1)“基本粒子”不基本
直到19世纪末，人们称光子、电子、质子和中子是基本粒子。
(2)发现新粒子
1932年发现了正电子，1937年发现了μ子，1947年发现了K介子和π介子及以后的超子等。
(3)夸克模型
上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克、底夸克、顶夸克；它们带的电荷量分别为元电荷的＋eq \f(2,3)或－eq \f(1,3)，每种夸克都有对应的反夸克。
7．核反应的四种类型
8.书写核反应方程时应注意
(1)必须遵守电荷数守恒、质量数守恒规律。
(2)核反应方程中的箭头(→)表示核反应进行的方向，不能把箭头写成等号。
【方法归纳】
一 重核裂变和轻核聚变的理解
1．重核裂变
(1)裂变：重核在一定条件下转变成两个中等质量的核的反应，叫做原子核的裂变反应。
例如：eq \\al(235, 92)U＋eq \\al(1,0)n→eq \\al(144, 56)Ba＋eq \\al(89,36)Kr＋3eq \\al(1,0)n
(2)链式反应：在裂变反应中用产生的中子，再被其他铀核俘获使反应继续下去。
链式反应的条件：临界体积，极高的温度。
(3)一个eq \\al(235, 92)U核裂变时放能约200 MeV能量。
1 kgeq \\al(235, 92)U全部裂变放出的能量相当于2 800吨煤完全燃烧放出的能量。
2．轻核聚变
(1)聚变反应：轻的原子核聚合成较重的原子核的反应，称为聚变反应。
例如eq \\al(2,1)H＋eq \\al(3,1)H→eq \\al(4,2)He＋eq \\al(1,0)n＋17.6 MeV
(2)一个氘核与一个氚核结合成一个氦核时(同时放出一个中子)，释放出17.6 MeV的能量，平均每个核子放出3 MeV以上的能量。比裂变反应中平均每个核子放出的能量大3～4倍。
(3)聚变反应的条件：几百万开尔文的高温。
二 对质能方程、质量亏损的理解
1．质能方程：一定的能量和一定的质量相联系，物体的总能量和它的质量成正比，即E＝mc2。
方程的含义是：物体具有的能量与它的质量之间存在简单的正比关系，物体的能量增大，质量也增大；物体的能量减少，质量也减少。
2．质量亏损：组成原子核的核子质量与原子核的质量之差。根据能量守恒，原子核的质量必然比组成它的核子的质量和要小Δm，这就是质量亏损，由质量亏损可求出释放的核能ΔE＝Δmc2。核子在结合成原子核时出现质量亏损Δm，其能量也要相应减少，即ΔE＝Δmc2；原子核分解成核子时要吸收一定的能量，相应的质量增加Δm，吸收的能量为ΔE＝Δmc2。
3．质能方程的三个易错点：
(1)质量亏损并不是质量消失，只是静止质量变成了运动的质量；
(2)质量亏损也不是核子个数的减少，核反应中核子个数是不变的；
(3)质量和能量这两个量并不可以相互转化，只是这两个量在数值上有联系。
二 核能的计算方法
1．根据爱因斯坦质能方程列式计算：即ΔE＝Δmc2(Δm的单位：kg)。
2．根据1原子质量单位(u)相当于931.5兆电子伏能量，则ΔE＝Δm×931.5 MeV(Δm的单位：u，1 u＝1.660 6×10－27 kg)。
3．核反应遵守动量守恒定律和能量守恒定律，因此我们可以结合动量守恒定律和能量守恒定律来计算核能。
【最新高考题精练】
1．（2023广东卷）理论认为，大质量恒星塌缩成黑洞的过程，受核反应的影响．下列说法正确的是（ ）
A．Y是粒子，射线穿透能力比射线强
B．Y是粒子，射线电离能力比射线强
C．Y是粒子，射线穿透能力比射线强
D．Y是粒子，射线电离能力比射线强
【参考答案】D
【名师解析】根据核反应方程遵循的质量数守恒和电荷数守恒可知Y是粒子，由于α粒子带两个正电荷，所以射线射线电离能力比射线强，D正确。
2. （2023天津卷）关于太阳上进行的核聚变，下列说法正确的是（ ）
A. 核聚变需要在高温下进行
B. 核聚变中电荷不守恒
C. 太阳质量不变
D. 太阳核反应方程式：
【参考答案】A
【名师解析】
因为高温时才能使得粒子的热运动剧烈，才有可能克服他们自身相互间的排斥力，使得它们间的距离缩短，才能发生聚变，故A正确；核聚变中电荷是守恒的，故B错误；
因为太阳一直在发生核聚变，需要放出大量能量，根据质能方程可知是要消耗一定的质量的，故C错误；太阳中的核聚变的方程为，题中D选项核反应为核裂变方程，故D错误。
3.（2022高考北京卷）2021年5月，中国科学院全超导托卡马克核聚变实验装置（）取得新突破，成功实现了可重复的1.2亿摄氏度101秒和1.6亿摄氏度20秒等离子体运行，创造托卡马克实验装置运行新的世界纪录，向核聚变能源应用迈出重要一步。
等离子体状态不同于固体、液体和气体的状态，被认为是物质的第四态。当物质处于气态时，如果温度进一步升高，几乎全部分子或原子由于激烈的相互碰撞而离解为电子和正离子，此时物质称为等离子体。在自然界里，火焰、闪电、极光中都会形成等离子体，太阳和所有恒星都是等离子体。下列说法不正确的是（ ）
A．核聚变释放的能量源于等离子体中离子的动能
B．可以用磁场来约束等离子体
C．尽管等离子体整体是电中性的，但它是电的良导体
D．提高托卡马克实验装置运行温度有利于克服等离子体中正离子间的库仑斥力
【参考答案】A
【命题意图】此题考查及其相关知识点。
【名师解析】核聚变释放的能量源于核反应释放的核能，不是等离子体中离子的动能，选项A不正确。
4. （2022高考辽宁物理） 2022年1月，中国锦屏深地实验室发表了首个核天体物理研究实验成果。表明我国核天体物理研究已经跻身国际先进行列。实验中所用核反应方程为，己知、、的质量分别为，真空中的光速为c，该反应中释放的能量为E。下列说法正确的是（ ）
A. X为氘核
B. X为氚核
C.
D.
【参考答案】B
【命题意图】本题考查核反应/核能及其相关知识点.
【名师解析】
根据核反应遵循的质量数守恒和电荷数守恒可知，X的质量数为3，电荷数为1，为氚核，选项A错误，B正确；因该反应为人工转变，反应前两种粒子都有动能（总动能设为Ek1），反应后的生成物也有动能Ek2，根据质能方程可知，由于质量亏损反应放出的能量为,则反应释放的能量为,选项CD错误。
【最新模拟题精练】
1． （2023南京三模）用中子轰击静止的锂核，核反应方程为。已知光子的频率为v，锂核的比结合能为，氦核的比结合能为，X核的比结合能为，普朗克常量为h，真空中光速为c、下列说法中正确的是（ ）
A. X核为核B. 光子的动量
C. 释放核能D. 质量亏损
【参考答案】C
【名师解析】
根据质量数和电荷数守恒可知X核为核，故A错误；
光子的频率为v，可知光子的动量
故B错误；
由比结合能的概念可知，该核反应释放的核能为
故C正确；
D．质量亏损为
故D错误；
2. (2023河北临考信息卷)2023年1月，“中国超环”成为世界上首个实现维持和调节超过1000秒的超长时间持续脉冲的核反应堆。其核反应方程为。已知的质量为，的质量为，的质量为，反应中释放出γ光子，下列说法正确的是
A． 该核反应在高温高压下才能发生，说明该核反应吸收能量
B．X是中子，该核反应为核聚变反应
C． γ光子来源于核外电子的能级跃迁
D． X的质量为
【参考答案】.B
【名师解析】：根据电荷数和质量数守恒可知X是中子，该核反应为核聚变反应，释放能量，A错误，B正确；γ光子来源于原子核，而不是核外电子的能级跃迁，C错误；该反应释放能量，有质量损失，则X的质量小于，D错误。
3. （2023云南师大附中模拟）中国首台“华龙一号”核电机组于2020年11月份并网发电，该核电技术安全指标和技术性能达到了国际三代核电技术的先进水平，具备国际竞争比较优势，具备完整自主知识产权，其核反应堆中的反应方程为，下列说法正确的是（ ）
A. 反应是衰变反应
B. 反应过程中吸收能量
C. 任何体积的都能发生链式反应
D. 结合能比结合能小
【参考答案】D
【名师解析】
反应是重核裂变反应，选项A错误；
反应过程中放出能量，选项B错误；
要想发生链式反应，必须要使得达到临界体积，选项C错误；
因反应放出核能，则结合能比结合能小，选项D正确。
4. （2023河北九师联盟质检）铀核裂变的产物是多样的，一种典型的铀核裂变是生成和原子核X，同时放出三个中子，核反应方程是。下列说法正确的是（ ）
A. 原子核X的中子数为87B. 原子核X的中子数为89
C. 的比结合能比X的比结合能小D. 的比结合能比X的比结合能大
【参考答案】C
【名师解析】
由核反应过程中电荷数和质量数守恒可得，原子核X的质子数为
原子核X的质量数为
则原子核X的中子数为
故AB错误；
重核裂变生成物的原子核更稳定，比结合能大，故的比结合能比X的比结合能小，故C正确，D错误。
。
5. （2023云南昆明一中六模） 2022年3月25日中国自主三代核电“华龙一号”示范工程第2台机组——中核集团福清核电6号机组正式具备商运条件，华龙一号示范工程全面建成投运，标志着中国核电技术水平和综合实力跻身世界第一方阵。“华龙一号”利用重核的裂变，一个重要的核反应方程是。至此“华龙一号”示范工程全面建成投运，两台机组每年总发电量约度。则（ ）
A. 慢中子更容易使轴核发生裂变反应
B. 核反应方程中X是质子
C. 的结合能大于的结合能
D. “华龙一号”两台机组发电一年需消耗核约为
【参考答案】A
【名师解析】
慢中子轰击铀核更容易发生裂变反应，故A正确；
反应前后质量数守恒，质子数守恒
解得X的质量数为1，质子数为0，则X为中子，故B错误；
核反应方程式中生成物比反应物稳定，所以生成物比结合能大于反应物的比结合能，即的比结合能大于的比结合能，但的核子数较大得多，的结合能小于的结合能，故C正确；
根据质能方程
产生度对应的质量亏损为0.8kg，考虑到发电效率，原子核消耗的质量应当大于0.8kg，故D错误。
。
6. （2023湖南怀化二模）中国“嫦娥五号”在月球采集的约2公斤月壤中含有地球上鲜有的，是地球上很难得到的清洁、安全和高效的核聚变发电燃料，被科学家们称为“完美能源”。有关聚变的核反应方程如下：①，②；下列说法正确的是（ ）
A. X为质子，核反应①、②又称热核反应
B. 的比结合能比的比结合能大
C. 方程①中：反应前后原子核总质量相等
D. 方程②中：核子平均释放的能量约为2.14MeV
【参考答案】D
【名师解析】
由电荷数守恒和质量数守恒可知，X的质量数为
核电荷数为
可知X为中子，核反应①、②为聚变反应，又称热核反应，A错误；
B．由核反应方程②可知，由于该核反应释放出核能，所以生成物比反应物更稳定，比结合能也更大，即比结合能比的比结合能小，B错误；
C．由质能方程可知，反应式①中有核能放出，一定有质量亏损，因此方程①中：反应前后原子核总质量不相等，C错误；
D．方程②中，每个含有三个核子，因此每个核子平均释放的能量为
即核子平均释放的能量约为2.14MeV，D正确。
7. 在新能源中，核能是重要开发能源之一，其中氘（）、氚（）核聚变反应可以释放巨大的能量，氘（）在海水中储量极为丰富，海水里提取出的氘（），在完全的聚变反应中可释放出相当于燃烧汽油的能量。若氘（）、氚（）聚变成氦（），已知氘（）的平均结合能是，氚（）的平均结合能是，氦（）的平均结合能是。关于氘（）、氚（）核聚变反应，下列说法正确的是（ ）
A.氘（）和氚（）核聚变反应的方程是
B.氘（）和氚（）核聚变反应后质量数变小，释放能量
C.氘（）和氚（）核聚变反应时释放的能量是
D.在氘（）、氚（）、氦（）三种核中，氘（）最稳定
【正确答案】 A
【名师解析】.氘（）和氚（）核聚变反应的方程是，氘（）和氚（）核聚变反应后生成物和中子的质量之和小于氘（）、氚（）质量之和，有质量亏损，释放能量，A正确B错误；.氘（）和氚（）核聚变反应时释放的能量是E=4×-（2×+3×）=17.6MeV，C错误；根据原子核的比结合能越大越稳定，可知在氘（）、氚（）、氦（）三种核中，氦（）最稳定，D错误。
8.（2023山东莱芜名校联考） 太阳的能量来自于热核反应，其中一种核反应是四个质子聚变成一个α粒子，同时放出两个正电子和两个没有静止质量的中微子。已知α粒子的质量为mα，质子的质量为mp，电子的质量为me，c为光在真空中的传播速度，N为阿伏伽德罗常数。在这种核反应中1000g的氢核聚变所放出的能量为（ ）
A 1000（4mp+mα+2me）Nc2
B. 1000（mα＋2me－4mp）Nc 2
C. 250（mα＋2me－4mp）Nc 2
D. 250（4mp－mα－2me）Nc 2
【参考答案】D
【名师解析】
4个氢核聚变的质量亏损
根据质能方程核聚变释放的能量
1000g氢核的个数为
1000g氢核聚变放出的能量，故选D。
9. (2023浙江北斗星联盟模拟). 硼中子俘获治疗技术（BNCT）是近年来国际肿瘤治疗领域新兴快速发展的精准诊疗技术，其原理是进入癌细胞内的硼原子核吸收慢中子，转变为锂原子核和粒子，并释放出γ光子。已知硼原子核的比结合能为E1，锂原子核的比结合能为E2，γ光子的能量为E3，这个核反应过程中质量亏损为Δm，普朗克常量为h，真空中的光速为c、则下面正确的是（ ）
A. 该核反应方程为
B. γ光子的波长为
C. α粒子的结合能为
D. α粒子的比结合能为
【参考答案】B
【名师解析】
根据核反应中质量数和电荷数守恒可知，核反应方程为，A错误；
根据
可求得γ光子的波长 ，B正确；
由质能方程可知，核反应中放出的能量由能量关系可得
则α粒子的结合能为
解得α粒子的比结合能为，CD错误。
10. （2023河南洛阳等4市三模）在核物理中，衰变是原子核的自发变化；用人工的方法使原子核发生变化属于人工核转变；把重核分裂成质量较小的核，释放出核能的反应，称为核裂变；把轻核结合成质量较大的核，释放出核能的反应，称为核聚变。下列核反应方程中，属于核聚变的是（ ）
A. B.
C. D.
【参考答案】B
【名师解析】
根据核裂变定义可知
此为核裂变，故A不符合题意；
根据核聚变定义可知 ，此为核聚变，故B符合题意；
此为人工转变原子核的过程，用快速粒子穿透核内部，将核转变为另一个核的过程，故C不符合题意；
根据变化过程可知，此为原子核发生衰变的过程，故D不符合题意。
故选B。
11.（2023湖南二轮复习联考）硼中子俘获疗法（BNCT）是将与癌细胞有很强亲和力的含同位素硼的化合物引入体内，迅速聚集于癌细胞内，然后用被正常组织慢化的热中子与硼-10发生核反应，生成粒子和锂核，释放光子，杀死肿瘤细胞的治疗方法.已知核反应过程中质量亏损为，一个光子的能量为，普朗克常量为，真空中光速为.若核反应产生的能量全部以光子的形式释放，则（ ）
A.光子有很强电离能力
B.硼中子俘获疗法的核反应方程为
C.射线的波长为
D.一次核反应释放光子的个数为
【参考答案】.B
【名师解析】光子的电离能力较弱，A错误；硼中子俘获疗法的核反应方程为，B正确；射线的波长为，C错误；一次核反应释放光子的个数为，D错误.类 型
可控性
核反应方程典例
衰变
α衰变
自发
eq \\al(238, 92)U―→eq \\al(234, 90)Th＋eq \\al(4,2)He
β衰变
自发
eq \\al(234, 90)Th―→eq \\al(234, 91)Pa＋eq \\al( 0,－1)e
人工转变
人工
控制
eq \\al(14, 7)N＋eq \\al(4,2)He―→eq \\al(17, 8)O＋eq \\al(1,1)H(卢瑟福发现质子)
eq \\al(4,2)He＋eq \\al(9,4)Be―→eq \\al(12, 6)C＋eq \\al(1,0)n(查德威克发现中子)
eq \\al(27,13)Al＋eq \\al(4,2)He―→eq \\al(30,15)P＋eq \\al(1,0)n
约里奥·居里夫妇发现放射性同位素，同时发现正电子
eq \\al(30,15)P―→eq \\al(30,14)Si＋eq \\al( 0,＋1)e
重核裂变
比较容易进行人工控制
eq \\al(235, 92)U＋eq \\al(1,0)n―→eq \\al(144, 56)Ba＋eq \\al(89,36)Kr＋3eq \\al(1,0)n
eq \\al(235, 92)U＋eq \\al(1,0)n―→eq \\al(136, 54)Xe＋eq \\al(90,38)Sr＋10eq \\al(1,0)n
轻核聚变
很难控制
eq \\al(2,1)H＋eq \\al(3,1)H―→eq \\al(4,2)He＋eq \\al(1,0)n