物理选择性必修 第三册4 核裂变与核聚变随堂练习题

4.核裂变与核聚变

A级 必备知识基础练

1.(2022北京密云一模)重核裂变和轻核聚变是人类获得核能的两种主要途径,关于裂变和聚变,下列说法正确的是(　　)

A.裂变释放能量,聚变吸收能量

B.裂变过程有质量亏损,聚变过程无质量亏损

C.裂变和聚变都可以释放出巨大的能量

D.太阳能来源于太阳内部发生的核裂变

2.如图所示为原子核裂变并发生链式反应的示意图,铀核裂变的产物是多样的,一种典型的铀核裂变对应的核反应方程是nX+Y+n,其中n为中子,对于产物X的原子序数a和产物Y的质量数b,以下判断正确的是(　　)

A.a=53,b=93

B.a=54,b=94

C.a=53,b=94

D.a=54,b=93

3.(2022北京通州一模)嫦娥五号返回器将月球土壤成功带回地球。经研究发现月球土壤里富含的氦-3He)是理想的热核反应原料,即利用一个氘核H)和一个氦-3发生核反应产生一个质子和一个新核X,并释放能量。关于氦-3与氘核的反应,下列说法正确的是(　　)

A.新核X是He

B.是核裂变反应

C.生成物的总质量不变

D.生成物的总质量数减少

4.关于核反应和核能,下列说法正确的是(　　)

A.原子弹和氢弹都能瞬间放出巨大的能量,但原理不同。前者是利用了核聚变,后者是利用核裂变

B.核动力航空母舰的动力装置是核反应堆,常用核反应堆是用镉棒来控制核裂变的反应速度

C.目前核电站是采用核裂变的链式反应,当铀块的体积小于临界体积时就会发生链式反应放出巨大能量

D.原子核在超高温下才能发生聚变,说明核聚变过程需要吸收能量

5.(多选)(2022云南昆明高二期末)如图所示是核电站工作流程图,关于核能,下列说法正确的是(　　)

A.核反应堆可以把核能直接转化为电能

B.核反应堆利用的是原子核衰变过程产生的能量

C.核反应生成物的比结合能大于反应物的比结合能

D.水泥防护层的作用是屏蔽裂变产物放出的各种射线

6.(2022山东聊城二模)2021年5月,中国的“人造太阳”在1.2亿摄氏度下,成功“燃烧”101秒。这标志着我国核聚变研究又获得重大突破,核反应方程是HHe+X,为人类获得可控核聚变能源奠定了商用的物理和工程基础。下列说法正确的是(　　)

A.核聚变可以在常温下发生

B.方程中的X表示中子n,中子是查德威克发现的

C.该核反应前后质量守恒

DH的比结合能比He的比结合能大

7.(2022广东湛江模拟预测)核电站中核反应堆的核反应方程式nBa+Kr+n+201 MeV(201 MeV为本核式反应释放的核能),以下说法正确的是              (　　)

A.这个反应属于轻核聚变

B.反应条件是铀块要达到临界体积

C.由这个反应可知比结合能为201 MeV

D.这个方程式可写为UBa+Kr+n

8.一个质子和两个中子聚变为一个氚核,已知质子质量mH=1.007 3 u,中子质量mn=1.008 7 u,氚核质量mT=3.018 0 u。(1 u相当于931.5 MeV的能量)

(1)写出聚变方程;

(2)释放出的核能为多大?

(3)平均每个核子释放的能量是多大?

B级 关键能力提升练

9.(2022辽宁铁岭高三期末)太阳内部的核聚变可以释放出大量的能量,这些能以电磁辐射的形式向四面八方辐射出去,其总功率达到P0=3.8×1026 W。设太阳上的热核反应是4个质子聚合成1个氦核同时放出2个中微子(质量远小于电子质量,穿透能力极强的中性粒子,可用υ表示)和另一种带电粒子(用e表示),且知每一次这样的核反应质量亏损为5.0×10-29 kg,已知真空中的光速c=3×108 m/s,电子的电荷量e=1.6×10-19 C。则每秒钟太阳产生中微子的个数为(　　)

A.8×1037 B.8×1038

C.2×1037 D.2×1038

10.(多选)(2022陕西渭南一模)1932年,考克饶夫和瓦尔顿用质子加速器进行人工核蜕变实验,验证了质能关系的正确性。在实验中,锂原子核俘获一个质子后成为不稳定的铍原子核,随后又蜕变为两个原子核,核反应方程为LiHBe2X。已知Li、X的质量分别为m1=1.007 28 u、m2=7.016 01 u、m3=4.001 51 u,其中u为原子质量单位,1 u相当于931.5 MeV的能量,则在该核反应中(　　)

A.铍原子核内的中子数是4

B.X表示的是氚原子核

C.质量亏损Δm=4.021 78 u

D.释放的核能ΔE=18.88 MeV

11.核裂变的产物是多种多样的,其中一种典型的核裂变反应方程为nXe+1U裂变为更稳定的Xe,则下列说法正确的是(　　)

AU的比结合能大于Sr的比结合能

BSr的结合能大于Xe的结合能

C.A=136,Z=54

D.目前的核电站是利用HHe+

n放出的核能

12.(多选)(2022浙江舟山中学高三阶段练习)如图所示是不同原子核的比结合能与其质量数的关系图。已知太阳中主要发生的核聚变反应方程为Hn+17.6 MeV。下列说法正确的是(　　)

A.该核反应发生时,必须克服两原子核之间的核力

B.太阳每进行一次核聚变反应亏损质量17.6 MeV/c2

C.利用图中数据可以估算出H的比结合能约为2.8 MeV

D.利用图中规律可知核Ba比核Kr更稳定

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)计算释放出的结合能;

(2)若反应前两氘核的动能均为Ek0=0.35 MeV,它们正撞发生聚变,且反应后释放的核能全部转变为动能,则反应产生的氦核和中子的动能各为多大?

4.核裂变与核聚变

1.C　裂变和聚变过程中都释放能量,故A错误;裂变和聚变过程中都释放能量,根据质能方程可知裂变过程和聚变过程都有质量亏损,故B错误;裂变和聚变都可以释放出巨大的能量,故C正确;太阳能来源于太阳内部发生的核聚变,故D错误。

2.B　核反应质子数守恒92=a+38

核反应质量数守恒235+1=140+b+2

联立得a=54,b=94。故B正确,A、C、D错误。

3.A　核反应方程为HeHHeH,则新核X是He,该反应是核聚变反应,选项A正确,B错误; 根据核反应的质量数和电荷数守恒可知,生成物的总质量数不变,但是反应放出核能,则有质量亏损,选项C、D错误。

4.B　原子弹和氢弹都能瞬间放出巨大的能量,但原理不同,前者是利用了核裂变,后者是利用核聚变,故A错误;核动力航空母舰的动力装置是核反应堆,常用核反应堆是通过调节镉棒的深度控制核裂变的反应速度,故B正确;目前核电站是采用核裂变的链式反应,当铀块的体积大于临界体积时就会发生链式反应放出巨大能量,故C错误;原子核在超高温下才能发生聚变,但是核聚变有质量亏损,是释放能量,故D错误。

5.CD　核反应堆把核能转化为内能,再转化为电能,故A错误;核反应堆利用的是核裂变过程产生的能量,故B错误;核反应堆中发生核反应要放出热量,则核反应生成物的比结合能大于反应物的比结合能,故C正确;水泥防护层的作用是屏蔽裂变产物放出的各种射线,故D正确。

6.B　核聚变反应属于热核反应,必须在高温下进行,故A错误;根据质量数守恒和电荷数守恒可知X的质量数为1,电荷数为0,X为中子,中子是查德威克发现的,故B正确;该核反应放出能量,根据爱因斯坦质能方程可知,反应后有质量亏损,故C错误;核反应方程式中生成物比反应物稳定,生成物的比结合能大,所以H的比结合能比He的比结合能小,故D错误。

7.B　这个反应属于重核裂变,故A错误;中子由于速度大,如果铀块太小中子穿过不留在里面,故反应条件是铀块要达到临界体积,故B正确;201 MeV是该反应所释放的能量,而比结合能是把原子核拆分成单个核子需要吸收的能量或核子结合成原子核所释放的能量,两者意义不同,故C错误;BaKr+n的写法是错误的,因为箭头左侧的U是不会自发发生核反应的,也不符合重核裂变的物理含义,故D错误。

8.答案 (1H+nH　(2)6.24 MeV

(3)2.08 MeV

解析 (1)聚变方程H+nH。

(2)质量亏损Δm=mH+2mn-m=(1.007 3+2×1.008 7-3.018 0)u=0.006 7 u

释放的核能ΔE=Δmc2=0.006 7×931.5 MeV=6.24 MeV。

(3)平均每个核子放出的能量为 MeV=2.08 MeV。

9.D　根据爱因斯坦质能方程,得E0=Δmc2=5.0×10-29×(3×108)2 J,每秒太阳发生的核反应的次数n==8.4×1037,每秒钟太阳产生中微子个数为N=2n=2×1038,故D正确,A、B、C错误。

10.AD　根据核反应方程满足质量数守恒和电荷数守恒,可知方程为LiHBeHe,则Z=4,A=8,铍原子核内的中子数是4,X表示的是氦核,故A正确,B错误;核反应质量亏损为Δm=m1+m2-2m3=0.020 27 u,则释放的核能为ΔE=(0.020 27×931.5) MeV,解得ΔE=18.88 MeV,故C错误,D正确。

11.C　比结合能越大,原子核越难分离成单个核子,即原子核中核子结合得越牢固,原子核越稳定,由于Sr比U稳定,则U的比结合能小于Sr的比结合能,故A错误;根据质量数守恒和电荷数守恒有235+1=90+A+10,92=38+Z,解得A=136,Z=54,故C正确;组成原子核的核子数越多,它的结合能越大,由于Sr的核子数为90,小于Xe的核子数136Sr的结合能小于Xe的结合能,故B错误;目前投入使用的核电站采用的都是可控核裂变释放的核能H+Hen是轻核聚变,故D错误。

12.BC　轻核聚变反应,必须克服两原子核之间的库仑斥力,故A错误;根据质能方程ΔE=Δm·c2,故B正确;图中给了H与He的比结合能,设H的比结合能为E,聚变反应前氘核和氚核的总结合能E1=(1×2+E×3) MeV,反应后生成的氦核的结合能E2=7×4 MeV=28 MeV,由于单个核子无结合能,所以聚变过程释放出的能量为ΔE=E2-E1=17.6 MeV,解得E=2.8 MeV,故C正确;由图可得,中等大小的核的比结合能最大,也越稳定,故D错误。

13.答案 (1)3.26 MeV　(2)0.99 MeV　2.97 MeV

解析 (1)核反应方程为HHen

反应质量亏损Δm=2mD-mHe-mn=0.003 5 u

由质能方程得释放核能ΔE=Δm×931.5 MeV=0.003 5×931.5 MeV=3.26 MeV。

(2)将两氘核作为一个系统

由动量守恒定律有0=mHevHe+mnvn①

由能量守恒定律有mHemn=ΔE+2Ek0②

由①②代入数据可得EkHe=0.99 MeV

Ekn=2.97 MeV。