鲁科版（2019）高中物理选择性必修第三册 5.4~5.5《核裂变和核聚变》《核能的利用与环境保护》练习

2024鲁科版高中物理选择性必修第三册同步第4节　核裂变和核聚变第5节　核能的利用与环境保护基础过关练题组一　核裂变　　　　　　　　　　　　　　　1.下列关于重核裂变的说法中正确的是 (　　)A.裂变过程中释放能量B.裂变过程中吸收能量C.反应过程中质量增加D.反应过程中质量不变2.一个 92235U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 92235U+01n→baX+ 3894Sr+201n,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,可知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3.(2023山东济宁二模)核潜艇以核反应堆作动力源,其中一种核反应方程是 92235U+01n→X+ 3894Sr+1001n,生成物X、3894Sr的比结合能分别为8.7 MeV、8.4 MeV,下列说法正确的是 (　　)A.该反应是核聚变反应B.X比 3894Sr更稳定C.X的质子数与中子数相等D.X的结合能比 92235U的结合能大4.(2022福建漳州二模)2020年11月27日,我国具有完全知识产权的三代百万千瓦级核电站“华龙一号”全球首堆并网成功。“华龙一号”发电机利用的是铀核 92235U裂变释放的核能,则下列叙述正确的是　 (　　)A.铀核 92235U的中子数为92B.核裂变遗留物对环境没有污染C.该核裂变反应生成物的质量小于反应物的质量D.该核裂变可能的一种核反应方程式是 92235U→56144Ba+3689Kr+201n题组二　核聚变5.(2022广东东莞期末)2021年5月,安徽合肥科研机构自主研发的“人造太阳”打破纪录,成功实现可重复的1.2亿摄氏度101秒等离子体运行。人造太阳内的核反应是轻核聚变,下列核反应属于轻核聚变的是 (　　)A.92238U→90234Th+24HeB.714N+24He→817O+11HC.12H+13H→24He+01nD.3482Se→3682Kr+2−10e6.(2023安徽安庆示范高中联考)聚变能是一种清洁、安全的新能源,核聚变反应的主要原料是氘核(12H)与氚核(13H),已知氘核(12H)的比结合能是1.09 MeV,氚核(13H)的比结合能是2.78 MeV,氦核(24He)的比结合能是7.03 MeV。关于氘(12H)、氚(13H)的核聚变反应,下列说法不正确的是 (　　)A.氚(13H)的质量小于组成它的核子的质量之和B.两个氘核(12H)结合成氦核(24He)要释放能量C.氘(12H)和氚(13H)核聚变反应后质量数变小,释放能量D.氘(12H)和氚(13H)核聚变反应的方程为 12H+13H→24He+01n7.(2022河南周口陈州高级中学月考)当两个中子和两个质子结合成一个α粒子时,放出28.30 MeV的能量,当三个α粒子结合成一个碳(C)核时,放出7.26 MeV的能量,则当6个中子和6个质子结合成一个碳核时,释放的能量约为 (　　)A.21.04 MeV　　　　B.35.56 MeVC.77.64 MeV　　　　D.92.16 MeV8.四个氢核聚变成一个氦核,同时放出两个正电子,释放出2.8×106 eV的能量,写出核反应方程,并计算1 g氢核完成这个反应后释放出多少的能量?(氢核的摩尔质量为1 g/mol,阿伏伽德罗常数NA=6.0×1023 mol-1)题组三　核能的利用与环境保护9.关于核能的利用,下列说法正确的是 (　　)A.核电站的反应堆将释放的核能转化为蒸汽的内能,再转化为电能B.采用“内爆法”促使链式反应,做成的原子弹设计难度大,但材料利用率高C.核燃料的危害主要是其具有放射性D.太阳发光主要来自太阳内部重核裂变产生的核能10.(2022浙江模拟预测)下列说法中正确的是 (　　)A.铀核裂变生成钡和氪,其核反应方程是 92235U→56144Ba+3689Kr+201nB.结合能并不是由于核子结合成原子核而具有的能量,而是把核子分开所需要的能量C.核电站在铀棒周围要放慢化剂,常用的慢化剂有石墨、重水D.秦山核电站是利用核聚变原理运行的11.在其他能源中,核能具有能量密度大,地区适应性强的优势。在核电站中,核反应堆释放的核能被转化为电能。核反应堆的工作原理是利用中子轰击重核发生裂变反应,释放出大量核能。(1)核反应方程式 92235U+01n→56141Ba+3692Kr+aX是反应堆中发生的许多核反应中的一种,n为中子,X为待求粒子,a为X的个数,则X为　　　　,a=　　　　,mU、mBa、mKr分别表示 92235U核、56141Ba核、3692Kr核的质量,mn、mp分别表示中子、质子的质量,c为光子在真空中传播的速度,则在上述核反应过程中放出的核能ΔE=　　　　　　　　　　。 (2)有一座发电能力为P=1.00×106 kW的核电站,核能转化为电能的效率η=40%。假定反应堆中发生的裂变反应全是本题(1)中的核反应,已知每次核反应过程中放出的核能ΔE=2.78×10-11 J,92235U核的质量mU=390×10-27 kg。求每年(1年=3.15×107 s)消耗的 92235U的质量。能力提升练题组一　核裂变的分析与计算　　　　　　　　　　　　　　　1.(2022福建福州三模)2020年1月10日,黄旭华获2019年国家最高科学技术奖。他是中国第一代核潜艇总设计师,成功研制了我国第一代核潜艇,为我国海基核力量实现从无到有的历史性跨越做出了卓越的贡献。核潜艇是以核反应堆(如图所示)为动力来源的潜艇,反应堆的核反应方程式为: 92235U+01n→pqX+ 3689Kr+301n,下列说法正确的是 (　　)A.pqX元素有56个质子,144个中子B.92235U的平均结合能大于 3689Kr的平均结合能C.根据E=mc2,裂变后释放核能,裂变过程发生质量亏损D.要能发生链式反应,铀块的体积应小于临界体积2.(2021天津南开中学月考)中国核学会发布消息称,截至2019年6月底,中国大陆在运核电机组47台,装机容量4 873万千瓦,位居全球第三。铀核(92235U)是获得核能的主要原料之一,其中一种核反应方程为 92235U+01n→X+3894Sr+201n,并释放核能,下列说法正确的是 (　　)A.该核反应是重核裂变,产物的结合能之和大于铀核(92235U)的结合能B.该核反应在中子的轰击下发生,核反应为人工转变C.X原子核中的核子数为140个,中子数为84个D.因为裂变时释放能量,根据E=mc2,所以裂变后的总质量数减少3.(2023辽宁大连二模)核电站获取核能的一种裂变反应是用一个中子轰击一个铀核(92235U),产生一个氙核(54136Xe)、一个锶核(3890Sr)和若干个新的中子。已知铀核、中子、锶核和氙核的质量分别为mU、mn、mSr和mXe,真空中的光速为c。(1)写出该反应的核反应方程,并求出一次核反应所释放的核能ΔE;(2)2022年,我国核电机组累计发电量为E(焦耳),核电能量转化的效率为η1,核电使用的铀中实际发生裂变的铀235的占比为η2,求2022年我国消耗的铀的质量M。题组二　核聚变的分析与计算4.(2021天津三模)2020年12月,我国自主研制的新一代“人造太阳”——“中国环流器二号M”装置首次成功放电,标志着我国核物理发展取得重大突破。“人造太阳”中的核反应方程为:12H+13H→24He+X。下列说法正确的是 (　　)A.该核反应是核聚变反应,聚变反应能释放巨大的能量B.该核反应是核裂变反应,核反应方程式中的X是中子C.人造太阳释放的能量大小的计算公式是ΔE=Δmc2D.核反应表明,原子核越重,比结合能越大5.(2023天津五校期中)日本福岛核电站泄漏事故再升级,日本政府准备将大量受污染的核废水直接排入大海,遭到了来自日本国内乃至全世界人民的反对。核废水中含有大量无法中和的放射性氚,氚能通过β衰变放射出β射线,半衰期大约为12.5年,氚同时也是轻核聚变的重要原料,一个氘核与一个氚核结合成一个氦核时(同时放出一个粒子),辐射出一个γ光子。下列说法正确的是 (　　)A.12H+13H→24He+x01n+γ,此方程中 x=1,且此反应属于α衰变B.聚变后核子平均质量会减小,24He的结合能大于 12H和 13H的结合能之和C.20个氚核发生β衰变时,经过25年,大约还有5个氚核未发生衰变D.氚发生β衰变时,β射线来自原子核外的电子电离6.(2021福建师大二附中期末)太阳能辐射出巨大的能量是因为其内部发生核聚变。氘、氚的核聚变反应方程为:12H+13H→ 24He+X,聚变反应过程中质量亏损约为0.018 9 u,已知氘核、氦核的比结合能分别是:1.09 MeV、7.03 MeV,质量亏损1 u将释放931 MeV的核能,下列说法正确的是(　　)A.X为正电子B.聚变反应中释放的核能约为17.6 MeVC.氚核的结合能为43.54 MeVD.氚核的比结合能为2.78 MeV7.(2023江苏八市二模)太阳大约在几十亿年后,会逐渐进入红巨星时期,核心温度逐渐升高,当升至某一温度时,太阳内部的氦元素开始转变为碳,即氦闪。三个 24He生成一个 612C(称为3α反应),核反应方程为324He→612C,瞬间释放大量的核能。如果太阳发生氦闪,对太阳系内的生命都是毁灭性的,电影《流浪地球》讲述的就是发生在这样的背景之下的故事。下列说法中不正确的是(已知 612C的质量是mC=12.000 0u,24He的质量是mHe=4.002 6 u,1 u的质量对应的能量是931.5 MeV) (　　)A.氦闪发生的是人工转变B.一次3α反应释放的核能为7.265 7 MeVC.一次3α反应亏损的质量为Δm=0.007 8 uD.612C的比结合能比 24He的比结合能大,更稳定8.(2022山东日照期末)2021年12月30日,我国科学家利用东方超环实现了7 000万摄氏度下长脉冲高参数等离子体持续运行1 056秒,这是人类首次实现人造太阳持续脉冲过千秒,对世界的可控核聚变发展来说都具有里程碑的意义。已知两个氘核聚变生成一个氦3和一个中子,氘核质量为2.013 6 u,中子质量为1.008 7 u,23He核的质量为3.015 0 u(质量亏损为1 u时,释放的能量为931.5 MeV)。除了计算质量亏损外,23He的质量可以认为是中子的3倍。(计算结果单位为MeV,保留两位有效数字)(1)写出该反应的核反应方程。(2)若两个速率相等的氘核对心碰撞聚变成 23He并放出一个中子,释放的核能也全部转化为 23He核与中子的动能。反应前每个氘核的动能为0.37 MeV,则反应后氦3和中子的动能分别为多少?第4节　核裂变和核聚变第5节　核能的利用与环境保护基础过关练1.A　重核裂变成中等质量的原子核,质量减少,释放出能量,A正确,B、C、D错误。2.A　由质量数守恒和核电荷数守恒知:235+1=a+94+2×1,92=b+38,解得a=140,b=54,其中a为X的质量数,b为X的核电荷数,X核中的中子数为:a-b=140-54=86,由此可知A对,B错;裂变释放能量,由质能关系可知,其总质量减少,但质量数守恒,故C、D均错。3.B　根据质量数守恒和电荷数守恒,可知该核反应方程为 92235U+01n→54132X+3894Sr+1001n,该反应属于核裂变,A错误;因为生成物X比 3894Sr的比结合能大,所以X比 3894Sr更稳定,B正确;X的质子数为54,中子数为132-54=78,所以中子数和质子数不相等,C错误;X的核子数比 92235U少,两者的比结合能接近,因此X的结合能比 92235U的结合能小,D错误。4.C　铀核 92235U的中子数为235-92=143,A错误;核裂变遗留物对环境仍有污染,B错误;该核裂变反应中放出能量,由质能方程可知,有质量亏损,生成物的质量小于反应物的质量,C正确;该核裂变可能的一种核反应方程式是 92235U+01n→56144Ba+3689Kr+301n,D错误。5.C　A是α衰变方程,B是原子核的人工转变方程,C是轻核聚变方程,D是β衰变方程。故选C。6.C　核子组成原子核需要释放能量,故核子的质量之和大于原子核的质量,A正确;由氘核和氦核的比结合能可知,两个氘核结合成氦核要释放能量,B正确;氘和氚反应后质量数不变,C错误;氘(12H)和氚(13H)核聚变反应的方程为 12H+13H→24He+01n,D正确。本题选不正确的,故选C。7.D　6个中子和6个质子可结合成3个α粒子,放出能量为3×28.30 MeV=84.9 MeV,3个α粒子再结合成一个碳核,放出7.26 MeV的能量,故6个中子和6个质子结合成一个碳核时,释放的能量为84.9 MeV+7.26 MeV=92.16 MeV,故D对。8.答案　4.2×109 eV解析　该核反应的方程为411H→24He+210e。由此可知,平均每个氢核反应释放出的能量为E0=2.8×1064 eV=7×105 eV1 g氢核(即1 mol)所包含的氢核的个数为6.0×1023(个)故1 g氢核完成此反应释放出的总能量为E=7×105×6.0×1023 eV=4.2×1029 eV。9.ABC　核电站的能量转化过程为核能到内能再到电能,A正确;“内爆法”难度大,但材料利用率高,B正确;放射性对人体和环境都有危害,C正确;太阳发光主要来自太阳内部轻核聚变反应释放的能量,D错误。10.BC　92235U在吸收一个慢中子后才能发生裂变,裂变后又产生新的中子,但在核反应方程中,等号两侧的中子不能减掉,故A错误;结合能并不是由于核子结合成原子核而具有的能量,而是把核子分开所需要的能量,故B正确;核电站在铀棒周围要放慢化剂,常用的慢化剂有石墨、重水,故C正确;秦山核电站是利用核裂变原理运行的,故D错误。故选B、C。11.答案　(1)01n　3　[mU-(mBa+mKr+2mn)]·c2　(2)1 105 kg解析　(1)依据核电荷数守恒和质量数守恒可判断X为中子 01n,且a=3,根据爱因斯坦质能方程ΔE=Δmc2,可得ΔE=[mU-(mBa+mKr+2mn)]·c2。(2)因核电站的核能转化效率为40%,故核电站消耗 92235U的功率为P'=P40%=1.00×10640% kW=2.5×106 kW则核电站每年消耗 92235U所释放的能量为E=P't=2.5×106×103×3.15×107 J=7.875×1016 J故每年消耗 92235U的质量为m=EΔE·mU=7.875×10162.78×10−11×390×10-27 kg≈1 105 kg。能力提升练1.C　根据核反应的质量数和核电荷数守恒可知,X元素的核电荷数(质子数)为p=56,质量数q=144,则含有144-56=88个中子,选项A错误;该反应放出核能,则生成物 3689Kr的平均结合能大于 92235U的平均结合能,选项B错误;根据E=mc2,裂变后释放核能,裂变过程发生质量亏损,选项C正确;要能发生链式反应,铀块的体积应大于临界体积,选项D错误。2.A　结合质量数守恒与核电荷数守恒可知,铀核裂变的产物为氙核和锶核,并会释放能量,则裂变产物的结合能之和一定大于铀核的结合能,故A正确;该核反应为重核裂变,不是人工转变,故B错误;X原子核中的核子数为(235+1)-(94+2)=140个,中子数为140-(92-38)=86个,故C错误;裂变时释放能量,出现质量亏损,但是总质量数不变,故D错误。3.答案　(1)92235U+01n→3890Sr+54136Xe+1001n　(mU-mSr-mXe-9mn)c2　(2)EmUη1η2c2(mU−mSr−mXe−9mn)解析　(1)根据质量数守恒和电荷数守恒可得,核反应方程为 92235U+01n→3890Sr+54136Xe+1001n一次核反应亏损的质量Δm=(mU+mn)-(mSr+mXe+10mn)则一次核反应释放核能ΔE=Δmc2=(mU-mSr-mXe-9mn)c2。(2)累计发电量E对应N次核反应,则有E=η1NΔE消耗铀的质量M=NmUη2联立解得M=EmUη1η2c2(mU−mSr−mXe−9mn)。4.AC　由质量数守恒和核电荷数守恒可得 12H+13H→ 24He+01n,即X为中子;该反应为核聚变反应,反应过程中会释放巨大的能量,故A正确、B错误。核聚变释放的能量可用质能方程ΔE=Δmc2进行计算,故C正确;核聚变中轻核聚变生成较重的核,要向外释放能量,生成的重核比结合能更大,原子核更稳定;但是当原子核达到一定大小时,比结合能开始变小,故D错误。故选C。5.B　由核电荷数及质量数守恒知,12H+13H→24He+x01n+γ中x=1,该反应属于轻核聚变,A错误;该反应释放能量,所以聚变后核子平均质量会减小,24He的结合能大于 12H和 13H的结合能之和,B正确;半衰期是个统计概念,对象是大量的原子核,对于个别原子核是无法确定其衰变的,C错误;氚发生β衰变时,β射线是中子变成质子时产生的,D错误。故选B。6.BD　聚变反应前后遵循质量数守恒和核电荷数守恒,可知X的质量数为1,核电荷数为0,即X为中子,故A错误;根据质能方程,核反应中释放的核能为ΔE=Δmc2=0.018 9×931 MeV≈17.6 MeV,故B正确;由能量守恒定律可得,氚核的结合能为ΔE1=(4×7.03-17.6-2×1.09)MeV=8.34 MeV,则氚核的比结合能为ΔE1'=8.343 MeV=2.78 MeV,故C错误,D正确。故选B、D。7.A　根据题述氦闪的过程可知,符合核聚变,即轻的原子核(例如氘和氚)结合成较重的原子核(例如氦)时放出巨大能量,所以氦闪发生的是核聚变反应,故A错误;由核反应方程324He→612C可知,亏损的质量Δm=3×mHe-mC=3×4.002 6 u-12.000 0 u=0.007 8 u,释放的能量为E=Δmc2=0.007 8×931.5 MeV=7.265 7 MeV,故B、C正确;比结合能越大,原子核越稳定,24He通过核聚变生成 612C释放巨大能量,说明 612C的比结合能更大,故D正确。本题选不正确的,故选A。8.答案　(1)12H+12H→23He+01n(2)1.0 MeV　3.0 MeV解析　(1)两个氘核聚变生成一个氦3和一个中子,则该反应的核反应方程为 12H+12H→23He+01n。(2)碰撞和反应过程动量守恒,则碰后氦3和中子总动量为零,即3mv1=mv2核反应释放的能量ΔE=Δmc2=(2×2.013 6-3.015 0-1.008 7)×931.5 MeV=3.26 MeV根据能量守恒有12×3mv12+12mv22=ΔE+2E0,其中E0=0.37 MeV解得氦3的动能E1=12×3mv12=1.0 MeV,中子的动能E2=3.0 MeV1.A2.A3.B4.C5.C6.C7.D9.ABC10.BC1.C2.A4.AC5.B6.BD7.A