物理鲁科选修35同步测控：第四章第3节核聚变 含解析

12/10/2021
第十一页，共三十五页。
2.我国自主研发制造的国际热核聚变核心部件在国际上率 先通过权威机构认证，这是我国对国际热核聚变项目的重 大贡献．下列核反应方程中属于聚变反应的是( )
12/10/2021
第十二页，共三十五页。
A.21H＋31H→42He＋10n B.147N＋42He→178O＋11H C.42He＋2173Al→3105P＋10n D.23952U＋10n→15464Ba＋3869Kr＋310n 解析：选 A.A 项是氢元素的两种同位素氘和氚聚变成氦元 素的核反应方程，B 项是用 α 粒子轰击氮原子核发现质子 的核反应方程，C 项属于原子核的人工转变，D 项属于重核 的裂变，因此只有 A 项符合要求．
12/10/2021
第二十一页，共三十五页。
解析：选 D.由质量数守恒及核电荷数守恒知，X 为正电子， A、B 错；质量亏损 Δm＝4m1－m2－2m3，释放的核能ΔE ＝Δmc2＝(4m1－m2－2m3)c2，C 错，D 对．
12/10/2021
第二十二页，共三十五页。
8．关于聚变，以下说法中正确的是( ) A．两个轻核聚变为中等质量的原子核时放出能量 B．同样质量的物质发生聚变时放出的能量比同样质量的物 质裂变时释放的能量小 C．聚变反应的条件是聚变物质的体积达到临界体积 D．发生聚变反应时的原子核必须有足够大的动能
12/10/2021
第十三页，共三十五页。
3．一个氘核(21H)与一个氚核(31H)发生聚变，产生一个中子 和一个新核，并出现质量亏损．聚变过程中( ) A．吸收能量，生成的新核是42He B．放出能量，生成的新核是42He C．吸收能量，生成的新核是32He D．放出能量，生成的新核是32He 解析：选 B.聚变出现质量亏损，一定放出能量，由质量数 守恒和电荷数守恒可知，生成的新核是42He，选项 B 正确．

第3节核聚变第4节核能的利用与环境保护1.了解聚变反应的特点及其条件．(重点)2.了解可控热核反应及其研究和发展．3．了解核电站的构造和基本原理，了解核武器的种类． 4.了解核能利用的优势、危害及其防护措施．[学生用书P59]一、轻核聚变1.轻核的平均结合能小于中等质量的核的平均结合能．2.采用轻核聚合成较重核引起结合能变化的方式可获得核能．这样的核反应称为轻核聚变．(1)太阳和其他恒星能够发光并辐射出巨大的能量，是它们内部核聚变的结果．(2)氢核聚变的核反应方程为21H＋31H→42He＋10n．同时释放17.51 MeV的能量，平均每个核子释放3.5 MeV的能量，比裂变中平均每个核子释放的能量大得多．3.聚变反应不仅能释放巨大的能量，而且所用的燃料容易获得．氘可从海水中提取，天然的氚不存在，但可通过核反应10n＋63Li→42He＋31H得到．(1)核聚变时吸收能量．( )(2)核聚变平均每个核子放出的能量，比裂变反应中平均每个核子放出的能量大．( )提示：(1)×(2)√二、可控热核聚变反应1.要使核子发生聚变，必须使核子接近核力能发生作用的范围．两个氘核发生聚变，它们的距离必须接近10－15米以内，核力才能起作用．2.轻核聚变温度到达108K，在这样的高温下，原子完全电离形成等离子态，才能实现聚变．3.为了实现核聚变，目前靠3种方法对等离子体进行约束，一是靠引力，二是用磁场，三是靠惯性．环流器是目前性能最好的一种磁约束装置．1．为什么温度达到几百万摄氏度核聚变才能发生？提示：参与反应的原子核必须接近到原子核大小的尺寸范围，即10－15 m，要使原子核接近到这种程度，必须使它们具有很大的动能以克服原子核之间巨大的库仑斥力．要使原子核具有如此大的动能，就要把它加热到几百万摄氏度的高温．三、核能的利用与环境保护1.核电站(1)核电站就是将反应堆释放的核能转化为电能的发电厂． (2)目前核电站的反应堆以235 92U 为燃料，发电成本低于煤电．(3)采用增殖反应堆可以使资源得到充分利用．2.核武器(1)原子弹是一种没有减速剂、不加控制的爆炸性链式反应装置．(2)氢弹是一种靠惯性约束、不需人工控制而实现聚变的反应装置．3.核能的优势与危害(1)核能作为一种新能源，有很多优势．①核能发电比燃煤发电的成本低．②核电站对环境污染比燃煤发电小得多．(2)核能的利用也存在一些危害．核燃料使用后，存留一定量的具有高放射性的核废料．2．为什么只有具备制造原子弹能力的国家才能制造氢弹？提示：氢弹是热核反应，需达到几百万摄氏度以上高温才能进行核反应，只有用原子弹爆炸的高温高压，才可以使氢弹中的聚变材料达到热核反应的条件，故只有具备制造原子弹能力的国家才能制造氢弹．对轻核聚变的理解[学生用书P60]1.聚变发生的条件：要使轻核聚变，必须使参与反应的原子核接近到原子核大小的尺寸范围，这就要求它们具有很大的动能以克服原子核之间巨大的库仑斥力做功，必须把它们加热到几百万摄氏度的高温．在高温下原子处于电离态，要让聚变持续发生，首先应对等离子体进行约束．目前，可控的热核聚变反应还处于探索阶段，实验室内通过磁约束实现了对等离子体的约束．2.聚变比裂变反应放出更多能量的原因(1)平均每个核子释放能量较多，是裂变反应的2～3倍．例如，一个氚核和一个氘核结合成一个氦核时放出能量17.6 MeV ，平均每个核子放出能量约3.5 MeV ；而235 92U 裂变时，平均每个核子放出能量为1 MeV.(2)同样质量的情况下，聚变比裂变反应放出更多的能量，如氘和氚聚变为1 kg 氦时放出的能量为ΔE 1，则ΔE 1＝1 0004×6.02×1023×17.6 MeV ≈2.65×1033eV假设一个铀核裂变时平均放出的能量为200 MeV ，则1 kg 铀核全部裂变时放出能量为ΔE 2，即ΔE 2＝1 000235×6.02×1023×200 MeV ≈5×1032eV ΔE 1ΔE 2＝5.3. 轻核必须在很高的温度下相遇才能发生聚变反应放出更大的能量．由于发生聚变的温度极高，聚变又叫热核反应．(多选)下列说法正确的是( )A ．聚变反应中有质量亏损，所以必向外界放出能量B ．要使核发生聚变反应，必须使核之间的距离接近到1×10－15 m ，也就是接近到核力能够发生作用的范围内C ．要使核发生聚变反应，必须克服核力做功D ．热核反应只有在人工控制下才能发生[解析] 由质能方程可知，选项A 正确；轻核结合成质量较大的核，必须使轻核间的距离达到核力能发生作用的范围，才能使它们紧密地结合起来，选项B 正确、C 错误；热核反应必须在很高的温度下才能发生，不一定要人工控制，选项D 错误．[答案] AB核能的利用与环境保护[学生用书P61]1.核原料提供的能量巨大，1 kg 铀全部释放的能量大约相当于2 700 t 标准煤燃烧放出的能量．地球上的一般常规能源都无法跟核能相比．除铀外，钍也是一种裂变材料，它比铀更丰富，如果能把钍利用起来，核电的发展前景将更为广阔．热核反应所需的氘更是储量丰富．核原料的运输和储存方便，如：一座100万千瓦核电站一年所需原料铀，只需6辆卡车就可全部运到现场．核电站不排放二氧化碳、氮氧化合物等造成温室效应或酸雨的气体及烟尘，有利于环境保护．2.核电站为防止放射性物质的泄漏，一般有4道安全屏障：二氧化铀陶瓷体燃料芯块滞留裂变产物，外面密封锆合金包壳，第三道是压力边界，第四道是安全壳．这些措施大大提高了核能利用的安全性．对核废料进行回收利用，剩下的废料就很少了，将其中低放射性废料进行沥青固化或水泥固化后，储存在地下浅层废料库，对高放射性的废料采用玻璃固化后，埋藏在深层废料库．加之实时监测等措施都降低了对环境污染的可能性．关于核电站以下说法正确的是( )A ．核电站中的核反应是无法控制的B ．目前核电站主要原料是铀，能量主要来源于核聚变C ．采用增殖反应堆可以使核原料充分利用D ．核电站使用过的核燃料还可以在火力发电厂中二次利用[思路点拨] 根据核电站的原理解答．[解析] 目前核电站主要原料是铀，能量主要来源于核裂变，其反应是可以通过控制棒控制反应速度的，A 、B 均错；采用增殖反应堆可以充分利用铀235之外的原料从而放出更多能量，C 对；核废料具有放射性，不能再通过燃烧的方式二次发电，D 错．[答案] C有关核聚变能量的计算[学生用书P61]太阳内部持续不断地发生着四个质子聚变为一个氦核的热核反应，这个核反应释放出的大量能量就是太阳的能量来源．(1)写出这个核反应方程．(2)这一核反应能释放多少能量？(3)已知太阳每秒释放的能量为3.8×1026J ，则太阳每秒减少的质量为多少千克？ (m p ＝1.007 3 u ，m He ＝4.002 6 u ，m e ＝0.000 55 u)[思路点拨] 核反应中由于质量数、电荷数保持守恒，由此可写出核反应方程；根据爱因斯坦的质能关系方程，由质量亏损(或能量)可计算释放的能量(或质量亏损)．[解析] (1)核反应方程是411H ―→42He ＋02X ，而02X 只能是2个正电子．因此核反应方程应为411H ―→42He ＋201e.(2)反应前的质量m 1＝4m p ＝4×1.007 3 u ＝4.029 2 u反应后m 2＝m He ＋2m e ＝4.002 6 u ＋2×0.000 55 u ＝4.003 7 uΔm ＝m 1－m 2＝0.025 5 u ，由质能方程得，释放能量ΔE ＝Δmc 2＝0.025 5×931.5MeV ≈23.75 MeV.(3)由质能方程，ΔE ＝Δmc 2得每秒减少的质量Δm ＝ΔE c 2＝3.8×1026（3×108）2 kg ≈4.2×109 kg. [答案] (1)411H ―→42He ＋201e (2)23.75 MeV(3)4.2×109 kg对于轻核聚变时核能的计算与前面重核裂变时核能的计算方法完全一样，利用爱因斯坦质能方程进行计算即可．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：21H ＋21H →32He ＋10n.已知 21H 的质量为2.013 6 u, 32He 的质量为3.0150 u，10n的质量为1.008 7 u，1 u＝931 MeV/c2.氘核聚变反应中释放的核能约为( )A．3.7 MeV B．3.3 MeVC．2.7 MeV D．0.93 MeV解析：选B.氘核聚变反应的质量亏损为Δm＝2×2.013 6 u－(3.015 0 u＋1.008 7 u)＝0.003 5 u，释放的核能为ΔE＝Δmc2＝0.003 5×931 MeV/c2×c2≈3.3 MeV，选项B正确．[随堂检测] [学生用书P62]1.科学家发现在月球上含有丰富的32He(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32He＋32He→211H＋42He，关于32He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32He聚变反应发电解析：选B.该聚变反应释放了能量，是因为发生了质量亏损，A、C错；该聚变反应产生了新原子核11H，B对；目前核电站都是用重核裂变发电的而不是用轻核聚变，D错．故正确答案为B.2.下列说法中正确的是( )A．重核裂变时放出能量，轻核聚变时吸收能量B．聚变反应中平均每个核子放出的能量比裂变反应中平均每个核子放出的能量多C．裂变时产生放射性物质处理起来比热核反应时产生放射性物质简单得多D．太阳辐射出的能量是由太阳内部的裂变反应产生的解析：选B.重核裂变和轻核聚变均有质量亏损，均释放出核能，A错；聚变时每个核子平均释放出的核能是裂变时平均每个核子释放出的核能的3～4倍，B对；裂变反应时产生的放射性物质对生物及环境有污染，需慎重处理；热核反应时产生的核废料污染小，处理简单，C错；太阳辐射出的能量是由太阳内部的核聚变反应释放的，D错．3.(多选)关于热核反应下列说法正确的是( )A．就每一个核子平均来说，比重核裂变时释放的能量多B．对环境的放射性污染较裂变轻，且较容易处理C．热核反应的原料在地球上储量丰富D．热核反应的速度容易控制解析：选ABC.聚变反应平均每个核子比裂变反应中平均每个核子放出的能量要大3～4倍，且其原料均为氢的同位素，在地球上储量极为丰富，其放射性污染也较裂变轻．但是，目前只是能够让轻核聚变发生，还不能控制聚变反应、和平利用聚变时释放的核能．故正确选项为A 、B 、C ，错误选项为D.4．(多选)下列关于聚变的说法中正确的是( )A ．要使聚变产生，必须克服库仑斥力做功B ．轻核聚变需要几百万摄氏度的高温，因此聚变又叫做热核反应C ．原子弹爆炸能产生几百万摄氏度的高温，所以氢弹利用原子弹引发热核反应D ．自然界中不存在天然的热核反应解析：选ABC.轻核聚变时，必须使轻核之间距离达到10－15m ，所以必须克服库仑斥力做功，A 正确；原子核必须有足够的动能，才能使它们接近到核力能发生作用的范围，实验证实，原子核必须处在几百万摄氏度下才有这样的能量，这样高的温度通常利用原子弹爆炸获得，故B 、C 正确；在太阳内部或其他恒星内部都进行着热核反应，D 错误．5．氘核和氚核可发生热核聚变而释放出巨大的能量，该反应方程为：21H ＋31H →42He ＋X ，式中X 是某种粒子．已知：21H 、31H 、42He 和粒子X 的质量分别为2.014 1 u 、3.016 1 u 、4.0026 u 和1.0087 u ；1 u ＝931.5c 2 MeV ，c 是真空中的光速．由上述反应方程和数据可知，粒子X 是______，该反应释放出的能量为________ MeV(结果保留3位有效数字)．解析：根据质量数和电荷数守恒可得X 是10n(中子)．核反应中的质量亏损为Δm ＝2.014 1 u ＋3.016 1 u －4.002 6 u －1.008 7 u ＝0.018 9 u所以该反应释放出的能量为ΔE ＝Δm ·c 2≈17.6 MeV.答案：10n(或中子) 17.6[课时作业] [学生用书P103(独立成册)]一、单项选择题1.原子弹和氢弹的制造原理分别是( )A ．都是根据重核的裂变B ．都是根据轻核的聚变C ．原子弹是根据轻核聚变，氢弹是根据重核裂变D ．原子弹是根据重核裂变，氢弹是根据轻核聚变解析：选D.原子弹是根据重核裂变原理制造的，氢弹是根据轻核聚变原理制造的． 2.我国自主研发制造的国际热核聚变核心部件在国际上率先通过权威机构认证，这是我国对国际热核聚变项目的重大贡献．下列核反应方程中属于聚变反应的是( )A.21H＋31H→42He＋10nB.147N＋42He→178O＋11HC.42He＋2713Al→3015P＋10nD.235 92U＋10n→144 56Ba＋8936Kr＋310n解析：选A.A项是氢元素的两种同位素氘和氚聚变成氦元素的核反应方程，B项是用α粒子轰击氮原子核发现质子的核反应方程，C项属于原子核的人工转变，D项属于重核的裂变，因此只有A项符合要求．3．一个氘核(21H)与一个氚核(31H)发生聚变，产生一个中子和一个新核，并出现质量亏损．聚变过程中( )A．吸收能量，生成的新核是42HeB．放出能量，生成的新核是42HeC．吸收能量，生成的新核是32HeD．放出能量，生成的新核是32He解析：选 B.聚变出现质量亏损，一定放出能量，由质量数守恒和电荷数守恒可知，生成的新核是42He，选项B正确．4.原子核聚变可望给人类未来提供丰富的洁净能源．当氘等离子体被加热到适当高温时，氘核参与的几种聚变反应可能发生，放出热量．这几种反应的总效果可以表示为621H―→k42He＋d11H＋210n＋43.15 MeV，由平衡条件可知( )A．k＝1，d＝4 B．k＝2，d＝2C．k＝1，d＝6 D．k＝2，d＝3解析：选B.根据核反应过程中质量数守恒和电荷数守恒得6×2＝4k＋d＋2，6×1＝2k ＋d，解得k＝2，d＝2.故正确答案为B.5.已知一个氢原子的质量为1.673 6×10－27 kg，一个锂原子的质量为11.650 5×10－27 kg，一个氦原子的质量为6.646 7×10－27kg.一个锂核受到一个质子轰击变为2个α粒子，核反应方程为11H＋73Li→242He.根据以上信息，以下判断正确的是( )A．题中所给的核反应属于α衰变B．题中所给的核反应属于轻核聚变C．根据题中信息，可以计算核反应释放的核能D．因为题中给出的是三种原子的质量，没有给出核的质量，故无法计算核反应释放的核能解析：选C.一个锂核受到一个质子轰击变为2个α粒子，核反应类型是人工核转变，A 、B 两项均错误；反应前一个氢原子和一个锂原子共有4个核外电子，反应后两个氦原子也是共有4个核外电子，因此只要将一个氢原子和一个锂原子的总质量减去两个氦原子的质量，得到的恰好是反应前后核的质量亏损，电子质量自然消掉．由质能方程ΔE ＝Δmc 2可以计算释放的核能，选项C 正确、D 错误．6.月球土壤里大量存在着一种叫做“氦3(32He)”的化学元素，是热核聚变的重要原料．科学家初步估计月球上至少有100万吨氦3，如果相关技术开发成功，将为地球带来取之不尽的能源．关于“氦3(32He)”与氘核聚变，下列说法中正确的是( )A ．核反应方程为32He ＋21H →42He ＋11HB ．核反应生成物的质量将大于参加反应物质的质量C ．氦3(32He)一个核子的结合能大于氦4(42He)一个核子的结合能D ．氦3(32He)的原子核与一个氘核发生聚变将吸收能量解析：选A.“氦3(32He)”与氘核聚变的核反应符合质量数与电荷数守恒，且聚变是放能反应．质量亏损，新核的结合能大．故选A.7.太阳内部持续不断地发生着热核反应，质量减少．核反应方程是411H →42He ＋2X ，这个核反应释放出大量核能．已知质子、氦核、X 的质量分别为m 1、m 2、m 3，真空中的光速为c ，下列说法中正确的是( )A ．方程中的X 表示中子(10n)B ．方程中的X 表示电子( 0－1e)C ．这个核反应中质量亏损Δm ＝4m 1－m 2D ．这个核反应中释放的核能ΔE ＝(4m 1－m 2－2m 3)c 2解析：选D.由质量数守恒及核电荷数守恒知，X 为正电子，A 、B 错；质量亏损Δm ＝4m 1－m 2－2m 3，释放的核能ΔE ＝Δmc 2＝(4m 1－m 2－2m 3)c 2，C 错，D 对．8．关于聚变，以下说法中正确的是( )A ．两个轻核聚变为中等质量的原子核时放出能量B ．同样质量的物质发生聚变时放出的能量比同样质量的物质裂变时释放的能量小C ．聚变反应的条件是聚变物质的体积达到临界体积D ．发生聚变反应时的原子核必须有足够大的动能解析：选 D.两个轻核聚变为较大质量的原子核就可释放能量，但不一定是中等质量的核，故A 项错误．聚变反应放出的能量比同样质量的物质裂变时释放的能量大得多，这点由聚变反应的特点我们就可以知道，故B 项错误．裂变反应的条件是裂变物质的体积达到临界体积，而聚变反应的条件是原子核间距达到10－15 m ，故要求有足够大的动能才能克服原子核间的斥力做功，故C 错，D 正确．二、多项选择题9．下列核反应方程中属研究两弹的基本的核反应方程式的是( )A.14 7N ＋42He →17 8O ＋11HB.235 92U ＋10n →9038Sr ＋136 54Xe ＋1010nC.238 92U →234 90Th ＋42HeD.21H ＋31H →42He ＋10n解析：选BD.原子弹爆炸是靠重核裂变放出能量，B 式是其反应方程式．氢弹爆炸是靠轻核聚变放出能量，D 式是其反应方程式．A 式是人工转变方程，C 式是铀核的α衰变方程．故B 、D 正确．10.在某些恒星内，3个α粒子结合成1个126C 核，12 6C 原子的质量是12.000 0 u ，42He 原子的质量是4.002 6 u ．已知1u ＝1.66×10－27 kg ，则下列各选项正确的是( )A ．反应过程中的质量亏损是Δm ＝0.007 8 uB ．反应过程中的质量亏损是Δm ＝1.29×10－29 kg C ．反应过程中释放的能量是7.26 MeVD ．反应过程中释放的能量是1.16×10－19 J解析：选ABC.由题目可得此核反应的方程为342He ―→12 6C ＋ΔE ，则反应后的质量亏损为Δm ＝(3×4.002 6－12.000 0) u ＝0.007 8×1.66×10－27 kg ＝1.29×10－29 kg ，由质能方程ΔE ＝Δm ·c 2＝1.29×10－29×(3.0×108)2 J ＝1.161×10－12 J ＝7.26 MeV.故A 、B 、C 项正确，D 错误．三、非选择题11.试求在氢弹中合成1 kg 的氦时所释放出的能量．(氘核21H 的质量为2.014 1 u ，氚核31H 的质量为3.016 0 u ，氦核42He 的质量为4.002 6 u ，中子的质量为1.008 7 u)解析：设氢弹壳内装的是氘核和氚核，它们在高温下聚变生成氦核，核聚变方程为21H ＋31H ―→42He ＋10n.一个氘核21H 与一个氚核31H 发生反应放出的能量：ΔE ＝Δmc 2＝(2.014 1＋3.016 0－4.002 6－1.008 7)×931.56 MeV ≈17.51 MeV ，1 kg 氦中所含的原子数目N ＝nN A ＝1 0004×6.02×1023个＝1.505×1026个 这样合成1 kg 氦时所放出的总能量E ＝N ΔE ＝1.505×1026×17.51 MeV≈2.64×1027MeV.答案：2.64×1027 MeV12．已知氘核质量为2.013 6 u ，中子质量为1.008 7 u ，32He 核的质量为3.015 0 u ．两个速率相等的氘核对心碰撞聚变成32He 并放出一个中子，释放的核能也全部转化为机械能．(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，32He 的质量可以认为是中子的3倍)(1)写出该核反应的反应方程式；(2)该核反应释放的核能是多少？(3)若测得反应后生成中子的动能是3.12 MeV ，则反应前每个氘核的动能是多少MeV? 解析：(1)核反应方程为221H →32He ＋10n.(2)质量亏损为Δm ＝2.013 6 u ×2－3.015 0 u －1.008 7 u ＝0.003 5 u ．则释放的核能为ΔE ＝Δmc 2＝0.003 5×931.5 MeV ≈3.26 MeV.(3)设中子和32He 核的质量分别为m 1、m 2，速度分别为v 1、v 2，反应前每个氘核的动能为E 0，反应后中子和32He 核的动能分别为E 1、E 2.根据动量守恒得：m 1v 1－m 2v 2＝0所以v 1v 2＝m 2m 1＝31根据E ＝12mv 2得E 2E 1＝12m 2v 2212m 1v 21＝31×⎝ ⎛⎭⎪⎫132＝13 即E 2＝E 13＝13×3.12 MeV ＝1.04 MeV 由能量转化和守恒定律得E 1＋E 2＝2E 0＋ΔE代入数据得E 0＝0.45 MeV.答案：(1)见解析 (2)3.26 MeV (3)0.45 MeV。

第四章核能第1节核力与核能一、核力与核的稳定性(1)核力把原子核中的核子维系在一起的力．(2)核力特点①核力是短程力，作用范围在2_fm(1 fm＝10－15 m)左右，它不能延伸到3_fm 以外．②当两核子间距离减小时，核力也迅速减小，至一定值时，核力表现为斥力．③核力是一种强相互作用，若两质子之间的距离为1 fm，库仑力是200_N左右，核力必须非常强才能抵消所有质子库仑力的作用．(3)核素具有一定数目质子和一定数目中子的一种原子．(4)核素图用横坐标表示质子数，纵坐标表示中子数，每一种核素用一小方块表示，所得到的图象．(5)核的稳定性①核素的稳定区：几乎全落在一条曲线上，或紧靠曲线的两侧区域．②稳定核素的中子数与质子数的关系：随着Z的增加，稳定核素的中子数越来越大于质子数．二、结合能与质量亏损(1)结合能核子结合成原子核所释放的能量．(2)平均结合能①定义：平均每个核子的结合能．②意义：平均结合能越大，原子核越难分离成单个核子．(3)质量亏损①质量亏损：任何一个原子核的质量总是小于组成它的所有核子的质量之和，这一差值称为质量亏损．②能量计算：质量亏损说明核子组成原子核放出能量，其大小为ΔE＝Δmc2. 1．下列关于结合能和平均结合能的说法中，正确的是()A．核子结合成原子核吸收的能量或原子核拆解成核子放出的能量称为结合能B．平均结合能越大的原子核越稳定，因此它的结合能也越大C．重核与中等质量原子核相比较，重核的结合能和平均结合能都大D．中等质量的原子核的结合能和平均结合能均比轻核的要大2．下列关于平均结合能的说法正确的是()A．核子数越多，平均结合能越大 B．核子数越多，平均结合能越小C．结合能越大，平均结合能越大D．平均结合能越大，原子核越稳定3．关于原子核的结合能与平均结合能，下列说法中不正确的是()A．原子核的结合能等于核子与核子之间结合成原子核时核力做的功B．原子核的结合能等于核子从原子核中分离，外力克服核力做的功C．平均结合能是核子与核子结合成原子核时平均每个核子放出的能量D．不同原子核的平均结合能不同，重核的平均结合能比轻核的平均结合能大4．下列说法中正确的是()A．质子与中子的质量不等，但质量数相等B．两个质子之间，不管距离如何，核力总是大于库仑力C．同一种元素的原子核有相同的质量数，但中子数可以不同D．除万有引力外，两个中子之间不存在其他相互作用力5．核子结合成原子核或原子核分解为核子时，都伴随着巨大的能量变化，这是因为 ()A．原子核带正电，电子带负电，电荷间存在很大的库仑力B．核子具有质量且相距很近，存在很大的万有引力C．核子间存在着强大的核力D．核子间存在着复杂的磁力6．对结合能、平均结合能的认识，下列说法正确的是()A．一切原子核均具有结合能B．自由核子结合为原子核时，可能吸收能量C．结合能越大的原子核越稳定D．平均结合能越大的原子核越稳定7．已知氮核质量m N＝14.007 53 u，氧核质量m O＝17.004 54 u，氦核质量m He ＝4.003 87 u，质子质量m H＝1.008 15 u，试判断核反应147N＋42He→178O＋11H是吸能反应，还是放能反应？能量变化多少？【答案】吸能反应 1.2 MeV8．一个锂核(73Li)受到一个质子的轰击，变成两个α粒子．已知质子的质量是1.673 6×10－27 kg，锂核的质量是11.650 5×10－27 kg，氦核的质量是6.6466×10－27 kg.(1)写出上述核反应的方程；(2)计算上述核反应释放出的能量．(保留3位有效数字)【答案】(1)73Li＋11H→242He(2)2.78×10－12 J9．2个质子和1个中子结合可以生成氦3，反应方程式：211H＋10n―→32He，已知每个质子的质量为1.007 277 u，中子的质量为1.008 665 u，氦32He的质量为3.002 315 u．试求氦3的结合能．【答案】 3.124×10－12 J或19.47 MeV第2节核裂变一、重核的裂变(1)定义：重核分裂为质量较小的核，释放出能量的反应．(2)条件：中子轰击铀核，一般分裂为质量差不多的两块．(3)裂变能：核裂变释放的能量，也称核能或原子能．(4)链式反应：当一个中子引起一个铀核的裂变后，放出中子，放出的中子再引起其他铀核裂变，且能不断的继续下去，称为链式反应．(5)反应产物：235 92U裂变的产物多种多样，其中有代表性的有1n＋235 92U→9538Sr＋139 54Xe＋210n1n＋235 92U→141 56Ba＋9236Kr＋310n.(6)临界体积：能够发生链式反应的铀块的最小体积．二、裂变反应堆(1)核反应堆：能维持和控制核裂变的装置．(2)核反应堆的构成：堆芯、中子反射层、控制系统和防护层等部分．①堆芯：由燃料棒、减速剂和冷却剂组成．②中子反射层：反射核裂变中产生的中子，使其进一步参加链式反应．③控制棒：用能吸收慢中子的镉或硼钢制成，以控制链式反应的速度．(3)核反应堆与原子弹爆炸的比较原子弹爆炸时链式反应的速度是无法控制的，为了用人工方法控制链式反应的速度，使核能比较平缓地释放出来，人们制成了核反应堆(核电站的核心设施)．核反应堆是人工控制链式反应的装置．(4)核电站发电的主要原理核燃料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．反应堆放出的热使水变成水蒸气，这些高温高压的蒸汽推动汽轮发电机发电．这一部分的工作原理和火力发电相同．三、铀核的裂变及链式反应1．铀核的裂变(1)两种典型的裂变反应：235U＋10n→141 56Ba＋9236Kr＋310n92235U＋10n→9538Sr＋139 54Xe＋210n92(2)235 92U核裂变释放的能量是巨大的，平均结合能是7.5 MeV.而中等质量的核的平均结合能是8.5 MeV，裂变反应中每个核子释放的能量约1 MeV.2．裂变的解释(1)核子受激发：当中子进入铀235后，便形成了处于激发状态的复核，复核中由于核子的激烈运动，使核变成不规则的形状．(2)核子分裂：核子间的距离增大，因而核力迅速减弱，使得原子核由于质子间的斥力作用而分裂成几块，同时放出2～3个中子，这些中子又引起其他铀核裂变，这样，裂变就会不断地进行下去，释放出越来越多的核能．3．链式反应的条件铀块的体积等于或大于临界体积(铀块的质量等于或大于临界质量)．1．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，所以核子数要减小D．重核裂变为中等质量的核时，要发生质量亏损，放出核能2．关于重核裂变，下列说法正确的是()A．重核裂变成中等核要吸收能量B．中子进入铀块中时，一定能发生链式反应C．重核裂变过程中质量数减少D．较重的核分裂成中等大小的核，核子的平均结合能会增加，可以释放出核能3．（多选）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．反应过程中质量减少4．铀是常用的一种核燃料，若它的原子核发生了如下的裂变反应：235U＋10n→a＋b＋210n 则a＋b可能是()92A.140 54Xe＋9336KrB.141 56Ba＋9236KrC.141 56Ba＋9338SrD.140 54Xe＋9438Sr5．关于核反应堆中用镉棒控制反应速度的原理，下列说法正确的是() A．镉棒能释放中子，依靠释放的多少控制反应速度B．用镉棒插入的多少控制快中子变为慢中子的数量C．利用镉棒对中子吸收能力强的特点，依靠插入的多少控制中子数量D．镉棒对铀核裂变有一种阻碍作用，利用其与铀的接触面积的大小控制反应速度6．在核反应中，控制铀235核裂变反应速度的方法是()A．使用浓缩铀B．改变铀块的临界体积C．通过自动控制装置，改变镉棒插入的深度，以控制反应速度D．利用石墨与中子的碰撞来改变中子的速度7．现已建成的核电站的能量来自于( )A．天然放射性元素衰变放出的能量 B．人工放射性同位素放出的能量C．重核裂变放出的能量 D．化学反应放出的能量8．下列核反应中，表示核裂变的是()A.23892U―→23490Th＋42HeB.23592U＋10n―→14156Ba＋9236Kr＋310nC.3015P―→3014Si＋01eD.94Be＋42He―→126C＋10n9．利用重核裂变释放核能时选用铀235，主要因为()A．它比较容易发生链式反应B．能自动裂变，与体积无关C．铀核比较容易分裂成为三部分或四部分，因而放出更多的核能D．铀235价格比较便宜，而且它裂变时放出的核能比其他重核裂变时放出的核能要多10．铀核裂变是核电站核能的重要来源，其一种裂变反应()A．上述裂变反应中伴随着中子放出 B铀块体积对链式反应的发生无影响C．铀核的链式反应可人工控制 D．铀核的半衰期会受到环境温度的影响第3节核聚变第4节核能的利用与环境保护一、轻核聚变及可控热核聚变反应(1)轻核聚变采用轻核聚合成较重核引起结合能变化的方式可获得核能．这样的核反应称为轻核聚变．(2)太阳内部核聚变的反应方程21H＋31H→42He＋10n.(3)核子聚变的条件要使核子发生聚变，必须使核子接近核力能发生作用的范围．(4)物质第四态——等离子态高温等离子体的密度及维持时间达到一定值时才能实现聚变．(5)约束等离子体的三种方式：引力约束、磁约束、惯性约束．二、核能的利用及环境保护(1)核电站：将反应堆释放的核能转化为电能的发电厂．工作流程：将反应堆释放的核能转化为蒸汽的内能，再利用蒸汽驱动汽轮机发电转化为电能．燃料：反应堆以23592U为燃料．(2)核武器：原子弹和氢弹是众所周知的两种核武器．(3)核能的优势①核能发电比燃煤发电的成本低．②核电站对环境污染比燃煤发电小得多．(4)核能利用存在的危害①核废料的高辐射性．②放射性物质泄漏，产生核污染．③核武器威力巨大，不仅能摧毁生命，而且会使生态环境受到严重破坏．(5)环境保护：核电站为防止放射性物质的泄漏，一般有4道安全屏障：二氧化铀陶瓷体燃料芯块滞留裂变产物，外面密封锆合金包壳，第三道是压力边界，第四道是安全壳．这些措施大大提高了核能利用的安全性．(6)废料处理：对核废料先回收利用，剩下的废料就很少了，将其中低放射性废料进行沥青固化或水泥固化后，储存在地下浅层废料库，对高放射性的废料采用玻璃固化后，埋藏在深层废料库．加之实时监测等措施都降低了对环境污染的可能性．1．（多选）据新华社报道，由我国自行设计、研制的世界第一套全超导核聚变实验装置(又称“人造太阳”)已完成了首次工程调试．下列关于“人造太阳”的说法正确的是()A．“人造太阳”的核反应方程是21H＋31H―→42He＋10nB．“人造太阳”的核反应方程是235 92U＋10n―→141 56Ba＋9236Kr＋310nC．“人造太阳”释放的能量大小的计算公式是ΔE＝Δmc2D．“人造太阳”核能大小的计算公式是E＝12mc22．关于核能的利用，下列说法正确的是()A．现在的核电站既有裂变反应堆也有聚变反应堆B．在地球上，人类还无法实现聚变反应C．当人类实现了受控核聚变，稳定输出核能时，世界就会克服“能源危机”D．世界现有核电站能够进行聚变反应而输出核能3．为应对能源危机和优化能源结构，提高清洁能源的比重，我国制定了优先选择核能，其次加快发展风电和再生能源的政策，在《核电中长期发展规划》中要求2020年核电运行装机总容量达到4 000万千瓦的水平，请根据所学物理知识，判断下列说法中正确的是()A．核能发电对环境的污染比火力发电要小B．核能发电对环境的污染比火力发电要大C．所有核电站都只利用重核裂变释放大量的原子能D．所有核电站既有重核裂变，又有轻核聚变释放大量的原子能4．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．聚变须将反应物加热至数百万度以上高温，显然是吸收能量D．裂变与聚变均可释放巨大能量5．关于核能的利用，下列说法不正确的是()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．核电站对环境的污染比燃煤发电大D．核燃料的危害主要是其具有放射性6．科学家发现在月球上含有丰富的32He(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32He＋32He―→211H＋42He.关于32 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32He聚变反应发电7．北京成功地举办了一届“绿色奥运”，场馆周围80%～90%的路灯将利用太阳能发电技术，奥运会90%的洗浴热水采用了全玻璃真空太阳能集热技术．太阳能是由太阳内部热核聚变反应形成的，其核反应主要是() A．411H―→42He＋201eB.14 7N＋42He―→17 8O＋11HC.235 92U＋10n―→136 54Xe＋9038Sr＋1010nD.238 92U―→234 90Th＋42He8．一个质子和两个中子聚变为一个氚核，已知质子质量m H＝1.007 3 u，中子质量m n＝1.008 7 u，氚核质量m＝3.018 0 u.(1)写出聚变方程；(2)求释放出的核能多大？(3)求平均每个核子释放的能量是多大？【答案】(1)11H＋210n―→31H (2)6.24 MeV (3)2.08 MeV9．核电站与原子弹都是利用核裂变释放的能量．(1)核电站的工作原理是利用反应堆释放的________产生蒸汽，蒸汽再驱动汽轮发电机产生________；(2)广岛原子弹“小男孩”释放的能量为2万吨TNT，如果1 g铀235完全裂变产生的能量为8.2×1010 J，并假定能量全部释放出来，那么“小男孩”要消耗多少铀235？(1 kgTNT＝4.2×106 J)【答案】(1)核能电能 (2)1.0 kg。

鲁科版（2019）高中物理（选择）必修第三册 5.4核裂变和聚变同步练习一、多选题1．下列说法中正确的是（）A．原子核内的所有质子间都存在核力和库仑力B．自由核子结合成原子核时，一定遵循质量数和电荷数守恒C．比结合能越大，原子核中的核子结合的越牢，原子核越稳定D．放射线能杀伤癌细胞或阻止癌细胞分裂，对人体的正常细胞不会有伤害作用E．放射性元素在高温高压下形成化合物后，其半衰期不会发生改变二、单选题2．静止在匀强磁场中的原子核X发生α衰变后变成新原子核Y。

已知核X的质量数为A，电荷数为Z，核X、核Y和α粒子的质量分别为m X、m Y和mα，α粒子在磁场中运动的半径为R。

则下列表述错误的是()A．衰变方程可表示为AZ X→A-4Z-2Y＋42HeB．衰变过程中释放的能量为(m X－m Y－mα)c2C．核Y在磁场中运动的半径为22 R Z-D．核Y的动能为E kY＝()2 Y X YY am m m m cm mα--+3．已知氘核的平均结合能为1.1 MeV，氦核的平均结合能为7.1 MeV，则两个氘核结合成一个氦核时（）A．释放出4.9 MeV的能量B．吸收4.9 MeV的能量C．吸收24.0 MeV的能量D．释放出24.0 MeV的能量4．下列说法正确的是（）A．光电效应说明光具有波动性B．原子核结合能越大，原子核越稳定C．原子核衰变时电荷数和质量数都守恒D．根据玻尔原子理论，氢原子在辐射光子的同时，电子的轨道半径连续地减小5．下列说法不正确的是（）A．太阳辐射的能量主要来自于太阳内部的热核反应B．波尔根据氢原子光谱分立的特性提出电子轨道和原子能量是量子化的C．核力是强相互作用的一种表现，在原子核内核力比库仑大得多D ．光电效应和α粒子散射实验都证明了原子核式结构模型6．下列说法正确的是（ ）A ．所有的核反应都释放核能B ．在光电效应现象中，入射光的光强变大，光电子的最大初动能将变大C ．放射性元素发生衰变时放出的γ射线是由核外电子受激发后产生的D ．明线光谱可用于对物质成分进行分析7．我国自主研发制造的国际热核聚变核心部件在国际上率先通过权威机构认证，这是我国对国际热核聚变项目的重大贡献．下列核反应方程中属于聚变反应的是A ．23411120H H He n +→+B ．1441717281N He O H +→+C ．427301213150He Al P n +→+D ．235114489192056360U n Ba Kr 3n +→++8．2020年12月4日，新一代“人造太阳”装置——中国环流器二号M 装置（HL2M ）在成都建成并实现首次放电，该装置是中国目前规模最大、参数最高的先进托卡马克装置，是中国新一代先进磁约束核聚变实验研究装置。