人教版 (2019)选择性必修 第三册第五章 原子核4 核裂变与核聚变同步测试题

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1．科学家发现在月球上含有丰富的eq \\al(3,2)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 eq \\al(3,2)He＋ eq \\al(3,2)He→2 eq \\al(1,1)H＋ eq \\al(4,2)He．关于 eq \\al(3,2)He聚变，下列表述正确的是( )
A．聚变反应不会释放能量
B．聚变反应产生了新的原子核
C．聚变反应没有质量亏损
D．目前核电站都采用 eq \\al(3,2)He聚变反应发电
【答案】B
【解析】聚变反应时将质量较小的轻核聚变成质量较大的核，聚变过程会有质量亏损，要放出大量的能量．但目前核电站都采用铀核的裂变反应，可控的轻核聚变尚在实验阶段．
2．(2023年焦作期末)下列四幅图涉及不同的物理知识，其中说法正确的是( )
甲 乙 丙 丁
A．图甲是电子衍射实验，电子的衍射说明了电子具有粒子性，说明物质波理论是正确的
B．图乙是α粒子散射实验示意图，由α粒子散射实验可估算出原子核半径的数量级
C．图丙是康普顿效应示意图，康普顿效应表明，散射后有些光子的波长变短了
D．图丁是原子核裂变示意图，原子核裂变是一种热核反应
【答案】B
【解析】电子衍射图样说明了电子具有波动性，A错误；根据α粒子散射实验，卢瑟福估算出原子核半径的数量级，B正确；在康普顿效应中，入射光子与晶体中的电子碰撞，把一部分动量转移给电子，光子动量变小，由λ＝ eq \f(h,p)，可知光子散射后的波长变长，C错误；原子核裂变示意图，原子核裂变是一种链式反应，核聚变是热核反应，D错误．
3．(多选)日本福岛第一核电站在地震后，数秒内就将控制棒插入核反应堆芯，终止了铀的裂变链式反应．但海啸摧毁了机组的冷却系统，因裂变遗留的产物铯、钡等继续衰变不断释放能量，核燃料棒温度不断上升，对周边环境产生了巨大的危害．则下列说法正确的是( )
A．控制棒通过吸收中子来实现对核反应的控制
B．日本后来向反应堆灌注海水，可以降温，但大量被污染的海水外泄，对周边环境产生了巨大的危害
C．核裂变遗留物铯、钡等原子的质量可能比铀原子质量大
D．核泄漏中放射性物质对人类是有害的
【答案】ABD
【解析】控制棒通过吸收中子来实现对核反应速度的控制，A符合题意；日本后来向反应堆灌注海水，大量被污染的海水外泄，泄漏的放射性物质对周边环境产生了巨大的危害，B、D符合题意；因为核反应有能量释放，可知铯、钡等原子的质量比铀原子质量小，故C不符合题意．
4．(2023年永州适应性考试)华能石岛湾高温气冷堆核电站是我国自主研发的世界首座具有第四代核电特征的核电站．核反应堆是核电站的心脏，它是通过可控链式核裂变反应来实现核能利用的．一个 eq \\al(235, 92)U原子核在中子的轰击下发生裂变反应，其裂变方程为 eq \\al(235, 92)U＋ eq \\al(1,0)n→yxSr＋ eq \\al(139, 54)Xe＋3 eq \\al(1,0)n，下列说法正确的是( )
A．核反应方程中Sr的中子数为56
B．核反应方程中Sr的质量数为92
C．因为裂变释放能量，出现质量亏损，所以裂变后的总质量数减少
D．因为裂变释放能量，Xe原子核的比结合能应比U原子核的小
【答案】A
【解析】根据质量数守恒和电荷数守恒可得235＋1＝y＋139＋3，92＝x＋54，解得y＝94，x＝38，所以核反应方程中Sr的中子数为z＝y－x＝56，A正确、B错误；核裂变释放能量，会出现质量亏损，但是总质量数不变，C错误；比结合能越大，原子核越稳定，eq \\al(235, 92)U原子核裂变得到Xe原子核，说明Xe原子核比 eq \\al(235, 92)U原子核稳定，即Xe原子核的比结合能应比 eq \\al(235, 92)U原子核的大，D错误．
5．(2023年惠州模拟)能源是社会发展的基础，发展核能是解决能源问题的途径之一、下列释放核能的反应方程中，表述正确的是( )
A． eq \\al(3,1)H＋ eq \\al(1,1)H→ eq \\al(4,2)He＋γ是核裂变反应
B． eq \\al(4,2)He＋ eq \\al(27,13)Al→ eq \\al(30,15)P＋ eq \\al(1,0)n 是原子核的人工转变
C． eq \\al(19, 9)F＋ eq \\al(1,1) H→ eq \\al(16, 8)O＋ eq \\al(4,2) He 是α衰变
D． eq \\al(235, 92)U＋ eq \\al(1,0)n→ eq \\al(90,38)Sr＋ eq \\al(136, 54)Xe＋10 eq \\al(1,0)n是聚变反应
【答案】B
【解析】 eq \\al(3,1)H＋ eq \\al(1,1)H→ eq \\al(4,2)He＋γ是核聚变反应，A错误； eq \\al(3,2)He＋ eq \\al(27,13)Al→ eq \\al(30,15)P＋ eq \\al(1,0)n 和 eq \\al(19, 9)F＋ eq \\al(1,1)H→ eq \\al(16, 8)O＋ eq \\al(4,2)He 是人工核反应，B正确，C错误； eq \\al(235, 92)U＋ eq \\al(1,0)n→ eq \\al(90,38)Sr＋ eq \\al(136, 54)Xe＋10 eq \\al(1,0)n是裂变反应，D错误．
6．(2023年河南联考)钚－239( eq \\al(239, 94)Pu)裂变释放出的快中子，被铀－238( eq \\al(238, 92)U)吸收，铀－238就转变为铀－239，铀－239再经过衰变转变为易裂变的钚－239，这就是核燃料的“增殖”过程．下列说法正确的是( )
A．钚－239裂变产生的新核核子平均质量比钚－239核子平均质量大
B．铀－238吸收中子转变为铀－239的核反应方程为 eq \\al(238, 92)U＋ eq \\al(1,0)n→ eq \\al(239, 92)U
C．铀－239衰变转变为钚－239，同时释放一个α粒子
D．轴－239衰变转变为钚－239，同时释放一个β 粒子
【答案】B
【解析】钚－239裂变过程释放能量，有质量亏损，因此钚－239裂变产生的新核核子平均质量比钚－239核子平均质量小，A错误；根据质量数与电荷数守恒可知，铀－238吸收中子转变为成铀－239的核反应方程为 eq \\al(238, 92)U＋ eq \\al(1,0)n→ eq \\al(239, 92)U，B正确；根据质量数、电荷数守恒可知，铀－239衰变转变为钚－239的过程有239－239＝0，92－94＝－2可知，该过程释放两个β粒子，C、D错误．
7．(2023年海口检测) eq \\al(235, 92)U 的一种核反应方程为 eq \\al(235, 92)U＋ eq \\al(1,0)n→ eq \\al(144, 56)Ba＋ eq \\al(89,36)Kr＋3 eq \\al(1,0)n，生成的 eq \\al(144, 56)Ba还会发生β衰变．下列说法正确的是( )
A．铀发生的这种核反应又叫热核反应，需要很高的温度
B．铀发生的这种核反应产生慢中子，对中子加速后可发生链式反应
C． eq \\al(144, 56)Ba 发生β衰变时产生的β射线是钡原子核外的电子跃迁形成的
D． eq \\al(144, 56)Ba 发生β衰变的速度不能通过调节压强和温度来控制
【答案】D
【解析】铀发生的这种核反应属于核裂变反应，不属于核聚变反应，不需要很高的温度，A错误；铀发生的这种核反应产生快中子，用慢化剂对其减速后可发生链式反应，B错误； eq \\al(144, 56)Ba发生β衰变时产生的β射线是原子核内中子转化为质子时产生的，C错误； eq \\al(144, 56)Ba 衰变的快慢是由核内部自身的因素决定的，与外界因素无关，D正确．
8．一个氘核和一个氚核经过核反应后生成氦核和中子，同时放出一个γ光子．已知氘核、氚核、中子、氦核的质量分别为m1、m2、m3、m4，普朗克常量为h，真空中的光速为c．下列说法正确的是( )
A．这个核反应是裂变反应
B．这个反应的核反应方程是 eq \\al(2,1)H＋ eq \\al(3,1)H→ eq \\al(4,2)He＋2 eq \\al(1,0)n＋γ
C．辐射出的γ光子的能量E＝(m3＋m4－m1－m2)c2
D．辐射出的γ光子在真空中的波长λ＝ eq \f(h,(m1＋m2－m3－m4)c)
【答案】D
【解析】该核反应方程为 eq \\al(2,1)H＋ eq \\al(3,1)H→ eq \\al(4,2)He＋ eq \\al(1,0)n＋γ，该反应为聚变反应，A、B错误；根据爱因斯坦质能方程知，辐射的光子能量E＝Δmc2＝(m1＋m2－m3－m4)c2，C错误；光子能量为E＝hν＝h eq \f(c,λ)，则有λ＝ eq \f(h,(m1＋m2－m3－m4)c)，D正确．
9．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
eq \\al(1,1)H＋ eq \\al(12, 6)C―→ eq \\al(13, 7)N＋Q1 ①，
eq \\al(1,1)H＋ eq \\al(15, 7)N―→ eq \\al(12, 6)C＋X＋Q2 ②，
方程中Q1、Q2表示释放的能量，相关的原子核质量如表：
则可以推断X是________，方程中Q1和Q2的大小关系是Q1________Q2．
【答案】 eq \\al(4,2)He ＜
【解析】由质量数守恒和电荷数守恒，可判断X为 eq \\al(4,2)He，①式质量亏损为Δm1＝1.007 8 u＋12.000 0 u－13.005 7 u＝0.002 1 u．②式的质量亏损为Δm2＝1.007 8 u＋15.000 1 u－12.000 0 u－4.002 6 u＝0.005 3 u，所以Δm2＞Δm1根据质能方程ΔE＝Δmc2可求解Q2＞Q1．
B组·能力提升
10．(1)核电站利用原子核链式反应放出的巨大能量进行发电， eq \\al(235, 92)U是核电站常用的核燃料． eq \\al(235, 92)U受一个中子轰击后裂变成eq \\al(144, 56)Ba和 eq \\al(89,36)Kr两部分，并产生______个中子．要使链式反应发生，裂变物质的体积要______(填“大于”或“小于”)它的临界体积．
(2)取质子的质量mp＝1.672 6×10－27 kg，中子的质量mn＝1.674 9×10－27 kg，α粒子的质量mα＝6.646 7×10－27 kg，光速c＝3.0×108 m/s．则α粒子的结合能为________．(计算结果保留两位有效数字)．
【答案】(1)3 大于 (2)4.3×10－12 J
【解析】(1)由 eq \\al(235, 92)U＋ eq \\al(1,0)n→ eq \\al(144, 56)Ba＋ eq \\al(89,36)Kr＋3 eq \\al(1,0)n可知，会产生3个中子，要使裂变持续进行(链式反应)，物质的体积需要大于它的临界体积．
(2)组成α粒子的核子与α粒子的质量差为Δm＝2mp＋2mn－mα，
结合能ΔE＝Δmc2，代入数据得ΔE＝4.3×10－12 J．
11．有一种聚变反应是四个氢核聚变成一个氦核，同时放出两个正电子．求：
(1)该聚变反应释放多少能量？
(2)若1 g氢完全聚变，能释放多少能量？
(3)1 g氢完全聚变，释放的能量相当于多少煤完全燃烧放出的热能？(已知煤的热值q＝3.36×107 J/kg，氢核质量为1.008 142 u，氦核质量为4.001 509 u，电子的质量为0.000 549 u)
解：(1)核反应方程为4 eq \\al(1,1)H―→ eq \\al(4,2)He＋2 eq \\al(0,1)e，所以
Δm＝4mH－mHe－2me＝4×1.008 142 u－4.001 509 u－2×0.000 549 u＝0.029 961 u，
ΔE＝0.029 961×931.5 MeV＝27.91 MeV＝4.47×10－12 J．
(2)1 g氢完全聚变释放的能量为
E＝ eq \f(1,4)×6.02×1023×4.47×10－12 J＝6.73×1011 J．
(3)相当于煤完全燃烧的质量为
m＝ eq \f(6.73×1011,3.36×107) kg＝2.00×104 kg．
原子核
eq \\al(1,1)H
eq \\al(3,1)H
eq \\al(4,2)He
eq \\al(12, 6)C
eq \\al(13, 7)N
eq \\al(15, 7)N
质量/u
1.007 8
3.016 6
4.002 6
12.000 0
13.005 7
15.000 1