高中物理人教版 (2019)选择性必修 第三册第五章 原子核4 核裂变与核聚变精品达标测试

这是一份高中物理人教版 (2019)选择性必修 第三册第五章 原子核4 核裂变与核聚变精品达标测试，共13页。试卷主要包含了核裂变的发现，反应堆与核电站，核聚变等内容，欢迎下载使用。
知识点一、核裂变的发现
1．核裂变：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．
2．铀核裂变
用中子轰击铀核时，铀核发生裂变，其产物是多种多样的，其中一种典型的反应是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.
3．链式反应
中子轰击重核发生裂变后，裂变释放的中子继续与其他重核发生反应，引起新的核裂变，使核裂变反应一代接一代继续下去，这样的过程叫作核裂变的链式反应．
4．临界体积和临界质量：核裂变物质能够发生链式反应的最小体积叫作它的临界体积，相应的质量叫作临界质量．
知识点二、反应堆与核电站
1．核电站：利用核能发电，它的核心设施是反应堆，它主要由以下几部分组成：
(1)燃料：铀棒．
(2)慢化剂：石墨、重水和普通水(也叫轻水)．
(3)控制棒：为了调节中子数目以控制反应速度，还需要在铀棒之间插进一些镉棒，它吸收中子的能力很强，当反应过于激烈时，将镉棒插入深一些，让它多吸收一些中子，链式反应的速度就会慢一些，这种镉棒叫作控制棒．
2．工作原理
核燃料发生核裂变释放的能量使反应区温度升高，水或液态的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．
3．核污染的处理
在反应堆的外面需要修建很厚的水泥层，用来屏蔽裂变产物放出的各种射线．核废料具有很强的放射性，需要装入特制的容器，深埋地下．
核电站的主要部件及作用
知识点三、核聚变
1．定义：两个轻核结合成质量较大的核，这样的核反应叫作核聚变．
2．核反应方程：eq \\al(2,1)H＋eq \\al(3,1)H→eq \\al(4,2)He＋eq \\al(1,0)n＋17.6 MeV.
3．条件：使轻核的距离达到10－15 m以内．
方法：加热到很高的温度．
4．宇宙中的核聚变：太阳能是太阳内部的氢核聚变成氦核释放的核能．
5．人工热核反应：氢弹．首先由化学炸药引爆原子弹，再由原子弹爆炸产生的高温高压引发热核爆炸．
6．核聚变与核裂变的比较
(1)优点：①轻核聚变产能效率高；②地球上核聚变燃料氘和氚的储量丰富；③轻核聚变更为安全、清洁．
(2)缺点：核聚变需要的温度太高，地球上没有任何容器能够经受如此高的温度．
解决方案：磁约束和惯性约束．
重核裂变与轻核聚变的区别
关于链式反应，下列说法正确的是（ ）
A．只要有中子打入铀块，一定能发生链式反应
B．只要是纯铀235，一定能发生链式反应
C．只要时间足够长，就可以发生链式发应
D．铀块体积超过临界体积时，一旦中子进入就可以引发铀核的链式反应
【解答】解：发生链式反应的条件：（1）发生裂变时物质的体积大于等于临界体积，链式反应的发生条件需满足铀块的大小足够大，只有当铀块足够大时，裂变产生的中子才有足够的概率打中某个铀核，使链式反应进行下去，即需使铀块体积超过临界体积，才能发生链式反应，（2）有足够浓度的铀235，（3）有足够数量的慢中子，故D正确，ABC错误。
故选：D。
原子核反应有广泛的应用，如用于核电站等，在下列反应中，属于核裂变反应的是（ ）
A．Bn→LiHe
B．U→ThHe
C．NHe→OH
D．Un→BaKrn
【解答】解：A、Bn→LiHe为原子核的人工核转变；故A错误
B、U→ThHe为α衰变；故B错误；
C、NHe→OH为原子核的人工核转变；故C错误；
D、Un→BaKrn属于核裂变反应；故D正确；
故选：D。
关于核电站的核反应堆，下列说法正确的是（ ）
A．利用热中子是因为热中子的速度快，增加反应速度
B．在铀棒的周围放重水或普通水的目的是冷却反应堆
C．控制棒通过减速中子达到控制反应速度的目的
D．若核反应剧烈，可将控制棒插入深一些，减慢反应速度
【解答】解：ABC、因为核裂变产生的是速度很大的快中子，中子速度不能太快，否则会和铀核擦肩而过，铀核不能“捉”住它，不能发生核裂变，所以必须控制好中子的速度，为了使快中子减速，在铀棒的周围放重水或者普通水，目的就是起到使中子冷却达到减速的目的，故ABC错误；
D、根据核反应堆，控制棒的作用可知，控制棒插入深一些，让它吸收多中子，中子数减少，反应速率会慢一些，故D正确；
故选：D。
如图所示的链式反应中，重核裂变时放出的可以使裂变不断进行下去的粒子是（ ）
A．中子B．质子C．α粒子D．β粒子
【解答】解：链式反应中，重核裂变时放出的可以使裂变不断进行下去的粒子是中子，并且一次裂变可以放出多个中子，从而发生链式反应，故A正确，BCD错误。
故选：A。
（2023春•河南期末）核电站就是利用一座或若干座动力反应堆所产生的热能来发电或发电兼供热的动力设施。反应堆是核电站的关键设备，链式裂变反应就在其中进行。以下反应属于核裂变的是（ ）
A．
B．
C．
D．
【解答】解：A、β衰变是指一个原子核释放出一个电子，此反应释放出电子，所以是β衰变，故A错误；
B、α衰变是指一个原子核释放出一个α粒子，即核，此反应释放出α粒子，所以是α衰变，故B错误；
C、核裂变是由重的原子核，主要是指铀核或钚核，分裂成两个或多个质量较小的原子核的一种核反应形式，此反应是核裂变，故C正确；
D、此反应是α粒子轰击铝核生成同位素磷，是原子核的人工转变，故D错误。
故选：C。
大科学工程“人造太阳”主要是将氘核聚变反应释放的能量用来发电，氘核聚变反应方程是：HH→Hen，已知H的质量为2.0136u，He的质量为3.0150u，n的质量为1.0087u，1u＝931MeV/c氘核聚变反应中释放的核能约为（ ）
A．3.7MeVB．3.3MeVC．2.7MeVD．0.93MeV
【解答】解：因氘核聚变的核反应方程为：HH→Hen；
核反应过程中的质量亏损为Δm＝2mH﹣（mHe+mn）＝0.0035u
释放的核能为ΔE＝Δmc2＝0.0035uc2＝3.3MeV，故B正确，ACD错误；
故选：B。
我国自主研发的世界首座具有第四代核电特征的核电站——华能石岛湾高温气冷堆核电站，位于山东省威海市荣成石岛湾．第四代核电站强化了防止核扩散等方面的要求，目前处在原型堆技术研发阶段．核电站使用的核燃料有一种典型的铀核裂变方程是Un→BaKr+3n，已知U质量为m1，n质量为m2，Ba质量为m3，Kr质量为m4，光速为c。下列说法正确的是（ ）
A．反应方程中x＝36，y＝87
B．该铀核裂变方程可简化为U→BaKr+2n
C．一次该核反应释放的能量为（m1﹣2m2﹣m3﹣m4）c2
D．只有当铀块的体积足够小时才能发生链式反应
【解答】解：A、根据核反应遵循的质量数守恒和电荷数守恒可得x＝（92+0﹣56）＝36，y＝235+1﹣144﹣1×3＝89，故A错误；
B、该铀核裂变反应需要中子与铀核发生反应才能进行，故裂变方程中的中子不能抵消，故B错误；
C、发生一次该核反应亏损的质量为Δm＝m1﹣2m2﹣m3﹣m4，释放的能量为ΔE＝Δmc2＝（m1﹣2m2﹣m3﹣m4）c2，故C正确；
D、铀核裂变，只有当铀块的体积大于等于其临界体积时，才能发生链式反应，故D错误．
故选：C。
（多选）关于重核的裂变，以下说法正确的是（ ）
A．核裂变释放的能量等于它俘获中子时得到的能量
B．中子从铀块中通过时，一定发生链式反应
C．重核裂变释放出大量能量，产生明显的质量亏损，但核子数不变
D．重核裂变为中等质量的核时有质量亏损，放出核能
【解答】解：A、由于裂变的过程中有质量亏损，会释放能量，所以裂变时释放的能量大于俘获中子时得到的能量，故A错误；
B、根据链式反应的条件可知，铀块体积必须达到临界体积，有慢中子通过时才能发生链式反应，故B错误；
C、重核裂变释放出大量的能量，产生明显的质量亏损，但核子数不变，故C正确；
D、根据对原子核的分析可知，重核的比结合能小于中等质量核的比结合能，所以重核裂变成中等质量核时，要放出核能，有质量亏损，故D正确。
故选：CD。
（多选）用中子轰击U原子核，发生一种可能的裂变反应，其裂变方程为n→XSr+2n，则以下说法中正确的是（ ）
A．X原子核中含有84个中子
B．反应生成物的总结合能比原子核的结合能小
C．X原子核中核子的平均质量比U原子核中核子的平均质量小
D．X原子核中核子的比结合能比原子核中核子的比结合能大
【解答】解：A、由核反应方程的质量数守恒和电荷数守恒可知：X原子核中含有92﹣38＝54个质子，235+1﹣94﹣2﹣54＝86个中子，故A错误；
B、裂变反应中，质量亏损，释放核能，说明生成的原子核更加稳定，即往比结合能大的方向反应，所以反应生成物的总结合能比原子核的结合能大，故B错误；
C、裂变反应中，质量亏损，释放核能，说明生成的原子核更加稳定，即X原子核中核子的平均质量比U原子核中核子的平均质量小，故C正确；
D、裂变的过程中释放能量，则的比结合能小于X原子核的比结合能，即X原子核中核子的比结合能比原子核中核子的比结合能大，故D正确；
故选：CD。
核聚变能是一种具有经济性能好、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2.0141u，氚原子的质量为3.0160u，氦原子的质量为4.0026u，中子的质量为1.0087u，1u＝1.66×10﹣27kg．
（1）写出氘和氚聚合的反应方程．
（2）试计算这个核反应释放出来的能量．
（3）若有1kg的氘核全部聚变，则释放出多少MeV的能量？
【解答】解：（1）核反应过程质量数与核电荷数守恒，
核反应方程式为：HH→Hen；
（2）核反应过程的质量亏损：
Δm＝[（2.0141 u+3.0160 u）﹣（4.0026 u+1.0087 u）]
＝0.0188u＝3.12×10﹣29kg，
核反应产生的核能：ΔE＝Δmc2＝2.8×10﹣12J；
（3）1kg氘核有原子核数：N＝1000/2×6.02×1023＝3.01×1026个
全部聚变释放出能量：E＝N×ΔE＝5.27×1026 MeV；
以下说法正确的是（ ）
A．聚变是裂变的逆反应
B．如果裂变释放能量，则聚变反应必定吸收能量
C．聚变必须将反应物加热至数百万开尔文以上的高温，显然是吸收能量
D．裂变与聚变均可释放巨大的能量
【解答】解：A、聚变和裂变的反应物和生成物完全不同，两者无直接关系，并非互为逆反应，故A错误；
BCD、实现聚变反应必须使参加反应的轻核充分接近，需要数百万开尔文的高温，但聚变反应一旦实现，所释放的能量远大于所吸收的能量，所以聚变反应还是释放能量，裂变与聚变均可释放巨大的能量，故BC错误，D正确；
故选：D。
（2022•武功县一模）一个U原子核在中子的轰击下发生一种可能的裂变反应，其裂变方程为Un→XSr+2n，则下列叙述正确的是（ ）
A．X原子核中含有86个中子
B．X原子核中含有141个核子
C．因为裂变时释放能量，根据E＝mc2，所以裂变后的总质量数增加
D．因为裂变时释放能量，出现质量亏损，所以生成物的总质量数减少
【解答】解：AB、根据电荷数守恒、质量数守恒知，X的质量数为140，电荷数为54，则中子数为86，核子数为140，故A正确，B错误。
CD、在裂变的过程中，有能量释放，根据爱因斯坦质能方程知，裂变后的总质量小于反应前的质量，但是质量数守恒，故C、D错误。
故选：A。
（2023春•和平区期末）在下列描述核反应的方程中，属于α衰变的是 ③ ；属于裂变的是 ④ （填写序号）。
①HHHen
②HeNOH
③UThHe
④nUXeSrn
【解答】解：α衰变是指原子核释放出一个α粒子，即氦核，所以属于α衰变的是③
裂变是由较重的原子核，主要是铀核或钚核，分裂成较轻的原子核的一种核反应，所以属于裂变的是④
答：③；④。
（多选）铀核裂变时，对于产生链式反应的重要因素，下列说法中正确的是（ ）
A．铀块的质量是重要因素，与体积无关
B．裂变的链式反应是直接利用裂变时产生的中子
C．若铀235的体积超过它的临界体积，裂变的链式反应就能够发生
D．以上说法都不对
【解答】解：铀235发生裂变的条件是有中子轰击，重核裂变时用中子轰击重核，产生多个中子，中子又会撞击重核，产生更多的中子，即铀235发生裂变的链式反应是直接用裂变时产生的快中子，产生链式反应的条件是中子再生率大于1，因此超过它的临界体积，裂变的链式反应就能够发生，故AD错误，BC正确。
故选：BC。
（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
E．冷却剂的作用是控制反应堆的温度和输出内能
【解答】解：A、在核反应堆中，铀棒是核燃料，裂变时放出能量，故A正确；
BC、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，即控制反应堆的功率，故B正确，C错误；
D、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；
E、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，故E正确。
故选：ABE。
（多选）（2023•浙江模拟）核能的利用可以减少碳排放，实现可持续发展和气候变化目标。近日，美国能源部称，其核聚变“国家点燃实验设施”向目标输入了2.05兆焦的能量，产生了3.15兆焦的聚变能量输出。下列说法正确的是（ ）
A．该核反应的方程可能是UnBaKrn
B．该核反应需要极高的温度
C．我国的大亚湾核电站利用了核聚变产生的能量
D．产生3.15兆焦的能量需要3.5×10﹣11kg的质量亏损
【解答】解：A．是核裂变方程而非聚变方程，故A错误；
B．核聚变需要极高的温度，才能使原子核接近到核力作用的范围，故B正确；
C．我国的大亚湾核电站利用了核裂变产生的能量而非核聚变产生的能量，故C错误；
D．根据质能方程
ΔE＝Δmc2
可得

故D正确。
故选：BD。
（2023•福州模拟）2022年，中国新一代“人造太阳”科学研究取得突破性进展，HL﹣2M等离子体电流突破100万安培，创造了我国可控核聚变装置运行新纪录。其中，氢核聚变的核反应方程为HH→He+X，则X为 中子 ，已知：H质量为m1，H质量为m2，He质量为m3，X的质量为m4，光速c，则该核反应释放的核能大小为 （m1+m2−m3−m4）c2 （请用m1、m2、m3、m4、c表示）
【解答】解：粒子X的质量数：m＝2+3﹣4＝1
核电荷数：z＝1+1﹣2＝0，所以X是中子
根据爱因斯坦质能方程可得核反应所释放核能的表达式为：（m1+m2−m3−m4）c2
故答案为：中子；（m1+m2−m3−m4）c2。
现在的核电站比较广泛采用的核反应之一是：Un→Nd+Zr+3n+8e
（1）核反应方程中的是反中微子，它不带电，质量数为零，试确定生成物锆（Zr）的电荷数与质量数。
（2）已知铀（U）核的质量为235.0439u，中子质量为1.0087u，钕（Nd）核质量为142.9098u，锆核质量为89.9047u；又知1u＝1.6606×10﹣27kg．试计算1kg铀235大约能产生的能量是多少？
【解答】解：（1）核反应过程中质量数和电荷守恒，则可知锆的电荷数Z＝92﹣60+8＝40，质量数A＝236﹣（143+3）＝90，核反应方程中应用符号表示。
（2）1kg铀235的核数为个＝2.56×1024个
不考虑核反应中生成的电子质量，一个铀核反应发生的质量亏损为Δm＝0.212u
1kg铀235完全裂变放出的能量约为
E＝nΔmc2＝2.56×1024×0.212×1.6606×10﹣27×（3.0×108）2＝8.12×1013J。
一个中子轰击铀核（U）可裂变生成钡（Ba）和氪（Kr）．已知U、Ba Kr和中子的质量分别是235.0439u、140.9139u、91.8973u和1.0087u，已知1u的质量对应931.5MeV的能量。
（1）写出铀裂变反应方程；
（2）算出该核反应过程中释放的核能；
（3）计算235g的235U裂变时放出的能量．（NA＝6.02×1023ml﹣1）
【解答】解：（1）核反应方程为：Un；
（2）根据爱因斯坦质能方程ΔE＝Δmc2可以求出释放能量为：
ΔE＝Δmc2＝0.2153×930MeV＝2×102MeV；
（3）235g铀235的摩尔数为：nml＝1ml；
235g铀235个数为N＝nNA＝1×6.02×1023个＝6.02×1023个；
因此235g铀235完全裂变时释放的能量E＝6.02×1023×2.153×102 MeV≈1.3×1026MeV。组成部分
材料
作用
裂变材料(核燃料)
浓缩铀
提供核燃料
减速剂(慢化剂)
石墨、重水或普通水(也叫轻水)
使裂变产生的快中子减速
控制棒
镉棒
吸收中子，控制反应速度
热交换器
水或液态的金属钠
传输热量
防护层
厚水泥层
防止放射线泄露，对人体及其他生物体造成伤害
重核裂变
轻核聚变
放能原理
重核分裂成两个或多个中等质量的原子核，放出核能
两个轻核结合成质量较大的原子核，放出核能
放能多少
聚变反应比裂变反应平均每个核子放出的能量要大3～4倍