2025高考物理步步高同步练习选修3第五章　原子核核裂变与核聚变含答案

2025高考物理步步高同步练习选修3第五章原子核4核裂变与核聚变[学习目标]1.知道什么是裂变、聚变和链式反应，知道链式反应和聚变的条件.2.会书写裂变和聚变方程，会利用质量亏损计算裂变和聚变产生的核能.3.了解核反应堆的工作原理，知道如何控制核反应的速度．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．铀核裂变用中子种典型的反应是eq\o\ar(235,92)U＋eq\o\ar(1,0)n→eq\o\ar(144,56)Ba＋eq\o\al(89,36)Kr＋3eq\o\al(1,0)n.3．链式反应中子轰击重核发生裂变后，裂变产生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．二、反应堆与核电站1．核电站：利用核能发电，它的核心设施是核反应堆，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．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\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)n＋17.6MeV.3．条件：使轻核的距离达到10－15m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储量丰富，而氚可以利用锂来制取，足以满足核聚变的需求；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．1．判断下列说法的正误．(1)铀块的质量大于或等于临界质量时链式反应才能不停地进行下去．(√)(2)中子的速度越快，越容易发生铀核裂变．(×)(3)核聚变反应中平均每个核子放出的能量比裂变时小一些．(×)(4)核聚变主要用在核武器上，那就是原子弹．(×)eq\o\ar(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\ar(136,54)Xe＋eq\o\al(90,38)Sr＋10eq\o\al(1,0)n9u，中子质量为1.0087u，氙136的质量为135.9072u，锶90的质量为89.9077u，则此核反应中释放的总能量是多少？(1u相当于931.5MeV的能量)答案140.4MeV解析释放的总能量为ΔE＝(235.0439＋1.0087－135.9072－89.9077－10×1.0087)×931.5MeV≈140.4MeV.一、核裂变及链式反应导学探究如图为铀核裂变示意图．(1)铀核裂变是如何发生的？试写出一种铀核裂变的核反应方程．(2)只要有中子轰击铀块就可以产生链式反应吗？答案(1)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．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，同时放出中子，这些中子又引起其他铀核裂变，这样，裂变反应一代接一代继续下去，形成链式反应．eq\o\ar(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\ar(144,56)Ba＋eq\o\al(89,36)Kr＋3eq\o\al(1,0)n(2)不是，铀块体积还须大于或等于临界体积．知识深化1．典型的裂变方程(1)eq\o\ar(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\ar(139,54)Xe＋eq\o\al(95,38)Sr＋2eq\o\al(1,0)n(2)eq\o\ar(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\ar(144,56)Ba＋eq\o\al(89,36)Kr＋3eq\o\al(1,0)n2．核能的释放由于重核的核子的平均质量大于中等质量原子核的核子的平均质量，因此，铀核裂变为中等质量的原子核时，会发生质量亏损，释放核能．3．链式反应发生的条件(1)铀块的体积大于或等于临界体积．(2)有足够浓度的铀235.(3)有足够数量的慢中子．4．裂变反应的能量大小铀核裂变为中等质量的原子核，发生质量亏损，所以放出能量．一个铀235核裂变时释放的能量如果按200MeV估算，1kg铀235全部裂变放出的能量相当于2800t标准煤完全燃烧时释放的能量，裂变时能产生几百万度的高温．命题角度1对裂变的理解例1(2021·大名县高二月考)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裂变反应来实现核能利用的．一个eq\o\ar(235,92)U原子核在中子的轰击下发生核裂变反应，其核反应方程为eq\o\ar(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(y,x)Sr＋eq\o\ar(139,54)Xe＋3eq\o\al(1,0)n，下列说法正确的是()A．核反应方程中Sr的质子数为56B．核反应方程中Sr的中子数为56C．因为核裂变释放能量，eq\o\ar(139,54)Xe原子核的比结合能应比eq\o\ar(235,92)U原子核的小D．因为核裂变释放能量，出现质量亏损，所以核裂变后的总核子数减少答案B解析根据核反应满足质量数守恒和电荷数守恒，可得x＝38；y＝94，即Sr的质子数为38，Sr的中子数为94－38＝56，故B正确，A错误；比结合能越大，原子核越稳定，eq\o\ar(235,92)U原子核裂变得到eq\o\ar(139,54)Xe原子核，说明eq\o\ar(139,54)Xe原子核比eq\o\ar(235,92)U原子核稳定，即eq\o\ar(139,54)Xe原子核的比结合能比eq\o\ar(235,92)U原子核的大，故C错误；因为核裂变释放能量，出现质量亏损，所以核裂变后总质量减少，但核子数不变，故D错误．命题角度2裂变产生核能的计算例2铀核裂变的许多核反应中的其中一个是eq\o\ar(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\ar(141,56)Ba＋eq\o\ar(92,36)Kr＋3eq\o\ar(1,0)n.eq\o\ar(235,92)U、eq\o\ar(141,56)Ba、eq\o\al(92,36)Kr、eq\o\al(1,0)n的质量分别为235.0439u、140.9139u、91.8973u、1.0087u,1u相当于931.5MeV能量)；(2)1kg铀235原子核发生上述裂变时能放出多少核能？这相当于完全燃烧多少煤释放的能量？(煤的热值为2.94×107J/kg)答案(1)200.6MeV(2)5.14×1026MeV相当于完全燃烧2797.3t煤解析(1)裂变反应的质量亏损为Δm＝(235.0439＋1.0087－140.9139－91.8973－3×1.0087)u＝0.2153u.一个铀235原子核裂变后释放的能量为ΔE＝0.2153×931.5MeV≈200.6MeV.(2)1kg铀235原子核中含原子核的个数为N＝eq\f(103,235)×6.02×1023≈2.56×1024个，1kg铀235原子核发生裂变时释放的总能量ΔEN＝N·ΔE＝2.56×1024×200.6MeV≈5.14×1026MeV.设完全燃烧的煤的质量为m，有ΔEN＝qm，所以m＝eq\f(ΔEN,q)＝eq\f(5.14×1026×106×1.6×10－19,2.94×107)kg≈2797.3t.二、核电站1．核电站的主要部件及作用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漏，对人体及其他生物体造成伤害2.核电站发电的优点(1)消耗的核燃料少．(2)作为核燃料的铀、钍等在地球上可采用储量大，所能提供的能量大．(3)对环境的污染要比火力发电小．例3如图是慢中子反应堆的示意图，下列对该反应堆的说法正确的是()A．铀235容易吸收快中子后发生裂变反应B．快中子跟慢化剂的原子核碰撞后能量减少，变成慢中子，慢中子容易被铀235俘获而引起裂变反应C．控制棒由镉做成，当反应过于激烈时，使控制棒插入浅一些，让它少吸收一些中子，链式反应的速度就会慢一些D．要使裂变反应更激烈一些，应使控制棒插入深一些，使大量快中子碰撞控制棒后变成慢中子，链式反应的速度就会快一些答案B解析快中子容易与铀235“擦肩而过”，快中子跟慢化剂的原子核碰撞后能量减少，变成慢中子，慢中子容易被铀235俘获而引起裂变反应，A错误，B正确；控制棒由镉做成，镉吸收中子的能力很强，当反应过于激烈时，使控制棒插入深一些，让它多吸收一些中子，链式反应的速度就会慢一些，C、D错误．三、核聚变导学探究为什么实现核聚变要使聚变的燃料加热到几百万开尔文的高温？答案轻核的聚变反应，是较轻的核子结合成较重的核子，要使得核子的强相互作用发挥作用，必须使核子间的距离达到10－15m以内；同时由于在此距离时原子核之间的库仑斥力巨大，因而需要核子有很大的动能，表现在宏观上就是核燃料需要达到极高的温度．知识深化－15m以内，这要克服原子核间巨大的库仑斥力作用，使轻核具有足够大的动能．要使原子核具有足够大的动能，有一种方法就是给它们加热，使物质达到几百万开尔文的高温．2．轻核聚变是放能反应：从比结合能的图线看，轻核聚变后比结合能增加，因此聚变反应是一个放能反应．3．聚变方程eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)n＋17.6MeV.4．重核裂变与轻核聚变的区别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倍命题角度1对聚变的理解例4(2021·胶州市高二期末)中国的“人造太阳”，又称东方超环，全称是全超导托卡马克核聚变实验装置，是中国新一代先进磁约束核聚变实验研究装置.2021年5月28日，中国的“人造太阳”实现了可重复的1.2亿摄氏度101秒和1.6亿摄氏度20秒等离子体运行，刷新了世界纪录．所谓“人造太阳”，就是在地球上模拟太阳内部发生的核聚变反应，为人类提供源源不断的清洁能源．其内部发生的一种核聚变反应方程为eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(2,1)H→X＋eq\o\al(1,0)n，下列说法正确的是()A．反应产物X为eq\o\al(4,2)HeB．核聚变后的产物X的比结合能小于eq\o\al(2,1)H的比结合能C．可控的人工轻核聚变与核裂变相比更为安全、清洁D．要实现核聚变，需要将轻核加热到很高的温度，使它们具有足够的动能克服核力作用而碰撞结合在一起答案C解析根据核聚变反应方程满足电荷数和质量数守恒，可知反应物X为eq\o\al(3,2)He，选项A错误；比结合能越大，物质越稳定，所以核聚变后的产物X的比结合能大于eq\o\al(2,1)H的比结合能，选项B错误；可控的人工轻核聚变产物为氦核，没有辐射和污染，所以与核裂变相比更为安全、清洁，选项C正确；要使轻核发生聚变，必须使它们的距离达到10－15m以内，核力才能起作用，由于原子核都带正电，要使它们接近这种程度，必须克服巨大的库仑力，而不是核力，选项D错误.命题角度2聚变产生核能的计算例5(2021·江苏苏州高二期中)两个氘核结合成一个氦核，已知氘核质量为2.014u，氦核质量为4.002u.(1)写出相应的核反应方程；－1，氘核的摩尔质量为2g/mol,1u相当于931.5MeV的能量(结果保留两位有效数字)．答案(1)eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(2,1)H→eq\o\al(4,2)He(2)3.6×1027MeV解析(1)核聚变反应的方程为eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(2,1)H→eq\o\al(4,2)He(2)两个氘核结合成一个氦核时释放的能量为ΔE＝(2×2.014u－4.002u)×931.5MeV≈24.22MeV1kg氘中含有的氘核数为n＝eq\f(m,mmol)×NA＝eq\f(1000,2)×6.0×1023＝3.0×10261kg氘完全结合成氦时可以释放出的能量为E＝eq\f(n,2)ΔE＝1.5×1026×24.22MeV≈3.6×1027MeV.针对训练(2022·平顶山市第一中学开学考试)已知氘核的平均结合能为1.1MeV，氦核的平均结合能为7.1MeV，则两个氘核结合成一个氦核时()A．释放出4.9MeV的能量B．吸收4.9MeV的能量C．吸收24.0MeV的能量D．释放出24.0MeV的能量答案D解析两个氘核结合成一个氦核的核反应方程为：eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(2,1)H→eq\o\al(4,2)He＋γ，2个eq\o\al(2,1)H的总结合能为E1＝1.1×4MeV＝4.4MeV反应后生成的氦核的结合能为E2＝7.1×4MeV＝28.4MeV所以反应释放的核能ΔE＝E2－E1＝28.4MeV－4.4MeV＝24.0MeV故A、B、C错误，D正确．考点一重核的裂变及链式反应1．(2021·江苏省光华高级中学测试)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．若铀235的体积小于它的临界体积，裂变的链式反应就能够发生B．为了使裂变的链式反应容易发生，最好直接利用裂变时产生的中子C．镉棒也叫控制棒，用来调节中子数目以控制反应速度D．能否发生链式反应与铀块的体积无关答案C解析要使铀核裂变产生链式反应，铀块的体积必须大于等于临界体积或铀块的质量大于等于临界质量；裂变反应中产生的中子为快中子，这些快中子不能直接引发新的裂变；镉棒吸收中子的能力很强，在核反应中用来调节中子数目以控制反应速度，所以C正确，A、B、D错误．2．关于铀核的裂变，下列叙述正确的是()A．核反应堆中铀核俘获一个中子后分裂为两个或几个中等质量的原子核，并吸收大量能量B．核反应堆中铀核自发分裂为两个或几个中等质量的原子核，同时释放大量的核能C．要使核反应堆中铀核发生链式反应，必须要有慢中子的轰击D．要使核反应堆中铀核发生链式反应，必须要有快中子的轰击答案C解析核反应堆中铀核俘获一个中子后分裂为两个或几个中等质量的原子核，并释放大量能量，A、B错误；链式反应的条件有三个，一是足够浓度的铀，二是铀的体积需要大于等于临界体积，三是需要慢中子轰击，C正确，D错误．3．2017年11月17日，“中国核潜艇之父”——黄旭华获评全国道德模范，颁奖典礼上，习总书记为他“让座”的场景感人肺腑，下列有关核反应的说法错误的是()A．目前核潜艇是利用重核裂变释放的核能提供动力B．重核裂变反应前后一定有质量亏损C.eq\o\ar(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\ar(140,54)Xe＋eq\o\al(94,38)Sr＋deq\o\al(1,0)n式中d＝2D．铀核裂变后生成的新核比铀核的比结合能小答案D解析目前核潜艇是利用重核裂变释放的核能提供动力，故A正确；根据质能方程可知，重核裂变反应前后一定有质量亏损，故B正确；根据质量数与电荷数守恒可知，eq\o\ar(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\ar(140,54)Xe＋eq\o\al(94,38)Sr＋deq\o\al(1,0)n，式中d＝2，故C正确；铀核裂变后生成的新核稳定，可知铀核的比结合能比裂变后生成的新核的比结合能小，故D错误．4．(2022·江苏南通高二开学考试)eq\o\ar(235,92)U核某种裂变方式的核反应方程为eq\o\ar(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\ar(144,56)Ba＋eq\o\al(89,36)Kr＋xeq\o\al(1,0)n，已知eq\o\ar(235,92)U、eq\o\al(1,0)n、eq\o\ar(144,56)Ba、eq\o\al(89,36)Kr的质量分别为m1、m2、m3、m4，真空中的光速为c.则()A．核反应方程式中x＝2B.eq\o\ar(235,92)U中含有56个中子C．任何体积的eq\o\ar(235,92)U都能发生链式反应D．该反应释放的核能为(m1－2m2－m3－m4)c2答案D解析根据核反应中质量数和电荷数守恒可知，核反应方程式中x＝3，选项A错误；eq\o\ar(235,92)U中含有235－92＝143个中子，选项B错误；要想发生链式反应，必须要使得eq\o\ar(235,92)U达到临界体积，选项C错误；该反应质量亏损为Δm＝m1＋m2－m3－m4－3m2＝m1－m3－m4－2m2，根据ΔE＝Δmc2，可知释放的核能为ΔE＝(m1－2m2－m3－m4)c2，选项D正确．考点二核电站5．核反应堆是实现可控制的重核裂变链式反应的一种装置，它的主要组成部分是()A．燃料、减速剂、冷却系统和控制调节系统B．燃料、减速剂、发热系统和传热系统C．燃料、调速剂、碰撞系统和热系统D．燃料、中子源、原子能聚存和输送系统答案A解析核反应堆的主要部分包括①燃料，即浓缩铀235；②减速剂，采用石墨、重水或普通水；③控制调节系统，用控制棒控制链式反应的速度；④冷却系统，水或液态金属钠等流体在反应堆内外循环流动，把反应堆的热量传输出去，用于发电，故A正确，B、C、D错误．6．(2021·山东临沂高二期中)核电站利用核能发电，它的核心设备是反应堆，下列说法正确的是()A．反应堆是用人工方法控制链式反应速度并获得核能的装置B．目前核电站都是通过聚变反应来利用核能C．控制棒的作用是使中子减速，从而控制链式反应的速度D．通入反应堆中的水起冷却作用和吸收中子的作用答案A解析核电站的反应堆是利用可控的核裂变反应释放核能的设备，故A正确．核电站主要利用核裂变的可控链式反应来发电的，故B错误．控制棒的作用是控制中子数量，从而控制链式反应的速度，故C错误．冷却剂把反应堆核反应产生的热量传递出去，同时使反应堆冷却，没有起吸收中子的作用，故D错误．考点三核聚变7．(2021·江苏苏州高二期中)在太阳内部发生的典型核反应方程是4eq\o\al(1,1)H→eq\o\al(4,2)He＋2X，下列说法正确的是()A．核电站利用此反应来获得核能B．该核反应属于聚变反应C．方程中的X为电子(eq\o\ar(0,－1)e)D．该核反应前后质量数守恒，因而反应前后总质量保持不变答案B解析核电站利用核裂变来获得核能，A错误；该核反应属于聚变反应，B正确；根据质量数和电荷数守恒，X为正电子，C错误；该核反应前后质量数守恒，释放了核能，根据爱因斯坦质能方程可知反应过程产生了质量亏损，D错误．8．氘核与氚核发生聚变反应的方程式为eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋X.已知eq\o\al(2,1)H的质量为m1，eq\o\al(3,1)H的质量为m2，eq\o\al(4,2)He的质量为m3，X的质量为m4，真空中的光速为c，下列说法正确的是()A．X为质子B．X为电子C．反应前后的质量应满足(m1＋m2)<(m3＋m4)D．反应中释放的核能为(m1＋m2－m3－m4)c2答案D解析根据核反应的质量数和电荷数守恒可知，X的质量数为1，电荷数为0，则X为中子，选项A、B错误；因反应放出核能，则反应有质量亏损，即反应前后的质量应满足(m1＋m2)>(m3＋m4)，选项C错误；该反应的质量亏损为Δm＝m1＋m2－m3－m4，反应中释放的核能为E＝Δmc2＝(m1＋m2－m3－m4)c2，选项D正确．9．(2021·湖北武汉高二期中)2021年1月21日，中广核集团在深圳召开2021年度媒体通报会，会议指出，2020年度中广核24台核电机组保持安全稳定运行，世界核运营者协会WANO指标中，72.6%的指标达到世界先进水平，平均能力因子连续三年保持92%以上，其中宁德核电2号机组全部WANO指标达到卓越值．以下关于核能的有关说法正确的是()A．宁德核电2号机组的核能是利用轻核聚变B．原子核比结合能越大，原子核越稳定C．重核裂变是重核分裂成中等大小的核，核的比结合能减小D．重核裂变反应中亏损的质量变成了能量答案B解析现在所有投入运营的核电站用的都是重核裂变，A错误；原子核比结合能越大，核子结合得越牢固，原子核越稳定，B正确；重核裂变的过程中释放能量，所以重核分裂成中等大小的核，核的比结合能增大，C错误；核裂变反应中释放核能有质量亏损，质量与能量之间存在一定的关系，但不是质量转变为能量，D错误．10．(2020·全国卷Ⅱ)氘核eq\o\al(2,1)H可通过一系列聚变反应释放能量，其总效果可用反应式6eq\o\al(2,1)H→2eq\o\al(4,2)He＋2eq\o\al(1,1)H＋2eq\o\al(1,0)n＋43.15MeV表示．海水中富含氘，已知1kg海水中含有的氘核约为1.0×1022个，若全都发生聚变反应，其释放的能量与质量为M的标准煤燃烧时释放的热量相等；已知1kg标准煤燃烧释放的热量约为2.9×107J，1MeV＝1.6×10－13J，则M约为()A．40kg B．100kgC．400kg D．1000kg答案C解析根据核反应方程式，6个氘核聚变反应可释放出43.15MeV的能量，1kg海水中的氘核反应释放的能量为E＝eq\f(1.0×1022,6)×43.15MeV≈7.19×1022MeV≈1.15×1010J，则相当于燃烧的标准煤的质量为M＝eq\f(1.15×1010,2.9×107)kg≈400kg，故选C.________MeV，则该核反应所______(填“释放”或“吸收”)的能量为______MeV.答案越大释放17.6解析比结合能越大，原子核越稳定．聚变反应前eq\o\al(2,1)H和eq\o\al(3,1)H的总结合能为E1＝(1.09×2＋2.78×3)MeV＝10.52MeV反应后生成的eq\o\al(4,2)He的结合能为E2＝7.03×4MeV＝28.12MeV故E2＞E1，核反应向比结合能增大的方向进行时，要释放能量．反应释放的核能为ΔE＝E2－E1＝(28.12－10.52)MeV＝17.6MeV.12．(2021·江苏苏州高二期末)已知氘核eq\o\al(2,1)H的质量为m1，中子eq\o\al(1,0)n的质量为m2，eq\o\al(3,2)He的质量为m3，真空中的光速为c.(1)写出两个氘核eq\o\al(2,1)H聚变为一个eq\o\al(3,2)He的核反应方程，并计算释放的能量；(2)质量为M的氘核eq\o\al(2,1)H完全聚变为eq\o\al(3,2)He，释放的能量相当于多少煤完全燃烧放出的能量？已知1kg煤完全燃烧放出的能量为q(题中所用物理量的单位均为国际单位)．答案(1)eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(2,1)H→eq\o\al(3,2)He＋eq\o\al(1,0)n(2m1－m2－m3)c2(2)eq\f(M,2m1q)(2m1－m2－m3)c2解析(1)核反应方程式为eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(2,1)H→eq\o\al(3,2)He＋eq\o\al(1,0)n两个氘核聚变前后的质量亏损为Δm＝2m1－(m2＋m3)根据质能方程，释放的能量ΔE＝Δmc2联立解得ΔE＝(2m1－m2－m3)c2(2)质量为M的氘所含氘核数N＝eq\f(M,m1)完全聚变为氦3所释放的能量E＝eq\f(M,2m1)(2m1－m2－m3)c2其释放的能量相当于完全燃烧的煤的质量为m＝eq\f(M,2m1q)(2m1－m2－m3)c2.13．(202反应是分裂成钡(eq\o\ar(141,56)Ba)和氪(eq\o\al(92,36)Kr)两部分，放出3个中子．各个核和中子的质量如下：(计算结果保留两位小数)mU＝390.3139×10－27kg，mn＝1.6749×10－27kg；mBa＝234.0016×10－27kg，mKr＝152.6047×10－27kg.(1)试写出核反应方程；(2)求出反应中释放的核能；(3)我国第一座核电站——秦山核电站总装机容量达到650万千瓦，求秦山核电站一年需要消耗多少千克的裂变原料？答案(1)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\ar(141,56)Ba＋eq\o\al(92,36)Kr＋3eq\o\al(1,0)n(2)3.22×10－11J(3)2.48×103kg解析(1)核反应方程U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\ar(141,56)Ba＋eq\o\al(92,36)Kr＋3eq\o\al(1,0)n(2)一个铀核发生反应的质量亏损Δm＝mU＋mn－mBa－mKr－3mn＝mU－mBa－mKr－2mn＝390.3139×10－27kg－234.0016×10－27kg－152.6047×10－27kg－2×1.6749×10－27kg＝3.578×10－28kg.一个铀核裂变释放的能量为ΔE＝Δmc2＝3.578×10－28×(3×108)2J≈3.22×10－11J(3)秦山核电站一年需要消耗的裂变原料的质量为m＝eq\f(650×107×365×24×3600,3.22×10－11)×390.3139×10－27kg≈2.48×103kg.5“基本”粒子[学习目标]1.了解粒子的发现史.2.知道粒子的分类及特点.3.了解夸克模型．一、“基本”粒子1．人们认为光子、电子、质子和中子是组成物质的不可再分的最基本的粒子，把它们叫作“基本粒子”．2．随着科学的发展，科学家们发现很多新粒子不能看作由质子、中子、电子组成，并发现质子、中子等本身也有自己的复杂的结构．二、发现新粒子1932年发现了正电子，1937年发现了μ子，1947年发现了K介子和π介子，后来发现了超子等．三、粒子的分类1．强子：是参与(填“参与”或“不参与”)强相互作用的粒子．质子和中子都是强子．2．轻子：不参与(填“参与”或“不参与”)强相互作用．电子、电子中微子、μ子、μ子中微子以及τ子和τ子中微子都是已发现的轻子．3．规范玻色子：是传递各种相互作用的粒子，如光子、中间玻色子(W和Z玻色子)、胶子．4．希格斯玻色子：是希格斯场的量子激发．四、夸克与粒子物理标准模型1．夸克、夸克模型：1964年，美国科学家盖尔曼等人提出了夸克模型，认为强子由更基本的成分组成，这种成分叫作夸克．2．粒子物理标准模型是一整套关于粒子的理论．其中，夸克、轻子、规范玻色子和希格斯玻色子是组成物质的几类最基本的粒子．判断下列说法的正误．(1)目前，人们认为粒子界由夸克、强子、轻子构成．(×)(2)强子是参与强相互作用的粒子，质子是最早发现的强子．(√)(3)电子、质子和中子是组成物质的不可再分的基本粒子．(×)(4)夸克的带电荷量是电子电荷量的整数倍．(×)一、新粒子的发现及分类1．新粒子的发现发现时间1932年1937年1947年20世纪50年代后新粒子反粒子μ子K介子与π介子超子基本特点质量、寿命、自旋等物理性质与对应粒子相同，而电荷等其他性质相反比质子的质量小质量介于电子与质子之间质量比质子大2.粒子的分类分类参与的相互作用发现的粒子备注强子参与强相互作用质子、中子等强子有内部结构，由“夸克”构成轻子不参与强相互作用电子、电子中微子、μ子、μ子中微子、τ子、τ子中微子未发现内部结构规范玻色子传递各种相互作用光子、中间玻色子(W和Z玻色子)、胶子等光子传递电磁相互作用，中间玻色子传递弱相互作用，胶子传递强相互作用希格斯玻色子是希格斯场的量子激发例1现在，科学家们正在设法探寻“反物质”．所谓“反物质”，是由“反粒子”构成的，“反粒子”与其对应的正粒子具有相同的质量和相等的电荷量，但电荷的符号相反，据此，若有反α粒子，它的质量数为________，电荷数为________．答案4－2解析α粒子质量数为4，电荷数为＋2，根据反物质的概念可知反α粒子的质量数为4，电荷数为－2.例2关于粒子，下列说法中正确的是()A．光子、电子、质子和中子是组成物质的不可再分的最基本粒子B．质量比核子大的粒子都参与强相互作用C．强子、轻子都由夸克组成D．许多粒子都存在反粒子答案D解析质子、中子本身有复杂结构，选项A错误；τ子的质量比核子的质量大，但它属于轻子，不参与强相互作用，选项B错误；现代实验还没有发现轻子的内部结构，选项C错误．例3关于粒子，下列说法正确的是()A．质子和中子是组成物质的不可再分的最基本的粒子B．质子、中子本身也是复合粒子，它们具有复杂的结构C．电子是带电的强子D．光子是希格斯玻色子答案B解析质子和中子是由不同的夸克组成的，它们不是最基本的粒子，故A错误，B正确；电子是轻子，故C错误；光子是规范玻色子，故D错误．二、夸克模型1．夸克的提出：1964年美国物理学家盖尔曼等人提出了夸克模型，认为强子是由夸克构成的．2．夸克的种类：上夸克(u)、下夸克(d)、奇异夸克(s)、粲夸克(c)、底夸克(b)和顶夸克(t)．3．夸克所带电荷：夸克所带的电荷是元电荷的＋eq\f(2,3)或－eq\f(1,3).例如，上夸克带的电荷量为＋eq\f(2e,3)，下夸克带的电荷量为－eq\f(e,3).4．意义：电子电荷不再是电荷的最小单元，即存在分数电荷．例4已知π＋介子、π－介子都是由一个夸克(夸克u或夸克d)和一个反夸克(反夸克eq\x\to(u)或反夸克eq\x\to(d))组成的，它们的带电荷量如表所示，表中e为元电荷.粒子π＋π－udeq\x\to(u)eq\x\to(d)带电荷量＋e－e＋eq\f(2e,3)－eq\f(e,3)－eq\f(2e,3)＋eq\f(e,3)下列说法正确的是()A．π＋由u和eq\x\to(d)组成 B．π＋由d和eq\x\to(u)组成C．π－由u和eq\x\to(d)组成 D．π－由d和eq\x\to(d)组成答案A解析因π＋介子带有＋e的电荷量，且是由一个夸克和一个反夸克组成的，则π＋介子是由夸克u和反夸克eq\x\to(d)组成的；π－介子的带电荷量为－e，故由反夸克eq\x\to(u)和夸克d组成，故选A.针对训练质子和中子属于强子，强子是由更基本的粒子——夸克组成．根据夸克模型，夸克有6种，它们是上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克、底夸克和顶夸克．它们的带电荷量分别为－eq\f(e,3)或＋eq\f(2,3)e，电荷量e为元电荷．已知一个质子由两个上夸克和一个下夸克组成，一个中子由两个下夸克和一个上夸克组成．则下列说法正确的是()A．上夸克的电荷量为＋eq\f(e,3)B．下夸克的电荷量为－eq\f(e,3)C．上夸克的电荷量为－eq\f(e,3)D．下夸克的电荷量为＋eq\f(2e,3)答案B解析根据质子带电荷量为＋e和中子不带电，设上、下夸克的电荷量分别为q1、q2，则有2q1＋q2＝＋e，q1＋2q2＝0，解得q1＝＋eq\f(2,3)e，q2＝－eq\f(e,3)，故选B.例5(2022·江苏沛县高二月考)太阳放出的大量中微子向地球飞来，但实验测定的数目只有理论的三分之一，后来科学家发现中微子在向地球传播过程中衰变成一个μ子和一个τ子．若在衰变过程中μ子的速度方向与中微子原来的方向一致，则τ子的运动方向()A．一定与μ子同方向B．一定与μ子反方向C．一定与μ子在同一直线上D．不一定与μ子在同一直线上答案C解析根据题中给出的信息，中微子在衰变过程中分裂为μ子和τ子，符合动量守恒定律，mv0＝mμvμ＋mτvτ，因此mτvτ＝mv0－mμvμ，当μ子与中微子速度方向相同时，则τ子运动方向与μ子运动方向只能是同向或反向，即在同一直线上，但由于不知道中微子和μ子的动量大小，因此具体方向无法判断，所以A、B、D错误，C正确．本章知识网络构建eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(天然放射现象：3种射线α射线、β射线、γ射线的本质和性质,探测射线的仪器：威耳逊云室,原子核的组成\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(质子\o\al(1,1)H,中子\o\al(1,0)n)),放射性元素的衰变\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(意义：原子核自发地放出某种粒子而转变为新核,衰变方程式\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(α衰变：\o\al(A,Z)X→\o\al(A－4,Z－2)Y＋\o\al(4,2)He,β衰变：\o\al(A,Z)X→\o\ar(A,Z＋1)Y＋\o\ar(0,－1)e)),规律：衰变过程遵守质量数守恒、电荷数守恒、动量守恒；释放的能量以,放出粒子和反冲核的动能及γ光子能量的形式表现出来,半衰期：大量原子核有半数发生衰变需要的时间，它由核内部自身的因素决定，,与原子所处的物理、化学状态无关)),人工转变\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(质子的发现：\o\ar(14,7)N＋\o\al(4,2)He→\o\ar(17,8)O＋\o\al(1,1)H,中子的发现：\o\al(9,4)Be＋\o\al(4,2)He→\o\ar(12,6)C＋\o\al(1,0)n,放射性同位素和正电子的发现：\o\al(27,13)Al＋\o\al(4,2)He→\o\al(30,15)P＋\o\al(1,0)n；\o\al(30,15)P→\o\al(30,14)Si＋\o\ar(0,＋1)e)),核反应与核能\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(核能\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(核力：短程力，只与邻近核子发生作用,结合能：原子核是核子凭借核力结合在一起构成的，要把它们分开所需要,的能量就是原子核的结合能,比结合能平均结合能：比结合能越大，原子核中核子结合得越牢固，,原子核越稳定,爱因斯坦质能方程：E＝mc2或ΔE＝Δmc2)),核反应\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(核裂变：\o\ar(235,92)U＋\o\al(1,0)n→\o\ar(144,56)Ba＋\o\al(89,36)Kr＋3\o\al(1,0)n,核聚变：\o\al(2,1)H＋\o\al(3,1)H→\o\al(4,2)He＋\o\al(1,0)n)))),“基本”粒子))[学习目标]1.了解四种核反应的特征，会根据质量数守恒和电荷数守恒书写核反应方程.2.学会结合动量守恒定律和能量守恒定律解决核反应相关问题．一、四种核反应1．四种核反应的理解(1)衰变：放射性元素的原子核自发放出某种粒子后变成新的原子核的变化．①α衰变：eq\o\al(A,Z)X→eq\o\al(A－4,Z－2)Y＋eq\o\al(4,2)He②β衰变：eq\o\al(A,Z)X→eq\o\ar(A,Z＋1)Y＋eq\o\ar(0,－1)e(2)原子核的人工转变：用人工的方法，使原子核在其他粒子的轰击下产生新原子核的过程．①质子的发现：eq\o\ar(14,7)N＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\ar(17,8)O＋eq\o\al(1,1)H(卢瑟福)②中子的发现：eq\o\al(9,4)Be＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\ar(12,6)C＋eq\o\al(1,0)n(查德威克)③放射性同位素和正电子的发现：eq\o\al(27,13)Al＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(30,15)P＋eq\o\al(1,0)neq\o\al(30,15)P→eq\o\al(30,14)Si＋eq\o\ar(0,＋1)e(3)核裂变：一个重核分裂成两个中等质量的核，这样的核反应叫作核裂变．eq\o\ar(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\ar(144,56)Ba＋eq\o\al(89,36)Kr＋3eq\o\al(1,0)neq\o\ar(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\ar(136,54)Xe＋eq\o\al(90,38)Sr＋10eq\o\al(1,0)n(4)核聚变：两个轻核结合成质量较大的核，这样的核反应叫作核聚变．eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)n2．解题时的注意事项(1)熟记一些粒子的符号：α粒子(eq\o\al(4,2)He)、质子(eq\o\al(1,1)H或p)、中子(eq\o\al(1,0)n)、电子(eq\o\ar(0,－1)e)、氘核(eq\o\al(2,1)H)、氚核(eq\o\al(3,1)H)．(2)在核反应方程中，质量数和电荷数是守恒的；在解有关力学综合问题时，还有动量守恒和能量守恒．例1(2021·汕头市高二期末)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，下列关于核反应方程的说法正确的是()A．衰变方程eq\o\ar(238,92)U→eq\o\ar(234,90)Th＋X中X是质子B．核裂变反应方程eq\o\ar(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\ar(144,56)Ba＋eq\o\al(89,36)Kr＋beq\o\al(1,0)n中b＝3C．核聚变反应方程eq\o\al(3,1)H＋eq\o\al(2,1)H→eq\o\al(4,2)He＋aeq\o\al(1,0)n中a＝2D．衰变方程eq\o\ar(234,90)Th→eq\o\ar(234,91)Pa＋Y中Y是中子答案B解析根据电荷数和质量数守恒可知，衰变方程eq\o\ar(238,92)U→eq\o\ar(234,90)Th＋X中X为α粒子，A错误；核裂变反应方程eq\o\ar(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\ar(144,56)Ba＋eq\o\al(89,36)Kr＋beq\o\al(1,0)n中b＝3，B正确；核聚变反应方程eq\o\al(3,1)H＋eq\o\al(2,1)H→eq\o\al(4,2)He＋aeq\o\al(1,0)n中a＝1，C错误；衰变方程eq\o\ar(234,90)Th→eq\o\ar(234,91)Pa＋Y中Y是电子，D错误．针对训练1在下列描述核反应的方程中，属于α衰变的是________，属于β衰变的是______，属于核裂变的是________，属于核聚变的是________．(填正确答案前的字母)A.eq\o\ar(14,6)C→eq\o\ar(14,7)N＋eq\o\ar(0,－1)eB.eq\o\ar(32,15)P→eq\o\al(32,16)S＋eq\o\ar(0,－1)eC.eq\o\ar(238,92)U→eq\o\ar(234,90)Th＋eq\o\al(4,2)HeD.eq\o\ar(14,7)N＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\ar(17,8)O＋eq\o\al(1,1)HE.eq\o\ar(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\ar(140,54)Xe＋eq\o\al(94,38)Sr＋2eq\o\al(1,0)nF.eq\o\al(3,1)H＋eq\o\al(2,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)n答案CABEF解析α衰变是一种放射性衰变，α粒子(eq\o\al(4,2)He)会从原子核中射出，C项符合要求；β衰变是指原子核内自发地放出一个电子(eq\o\ar(0,－1)e)，同时原子序数加1的过程，A、B两项符合要求；核裂变是指一些质量较大的原子核，如铀、钍和钚等在吸收一个中子后分裂成两个或多个质量较小的原子核，同时放出多个中子和很大能量的过程，E项符合要求；核聚变是指两个轻原子核结合成质量较大的原子核并释放大量能量的过程，F项符合要求；D项属于人工核转变的方程．例2(2021·淮安市期中)嫦娥四号探测器上安装了一块核电池，利用放射性同位素发射的高能射线照射热电元件，将热能转化为电能，符合这种核电池原理的核反应方程是()A.eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)nB.eq\o\ar(14,7)N＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\ar(17,8)O＋eq\o\al(1,1)HC.eq\o\ar(238,94)Pu→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\ar(234,92)UD.eq\o\ar(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\ar(144,56)Ba＋eq\o\al(89,36)Kr＋3eq\o\al(1,0)n答案C解析由利用放射性同位素发射的高能射线可知对应的核反应为天然放射现象中的衰变，A为轻核聚变方程，B该方程为原子核的人工转变方程，C为放射性同位素的α衰变方程，D为重核裂变方程，故选C.二、动量守恒定律和能量守恒定律在核反应中的应用动量守恒定律和能量守恒定律作为力学的两大规律，不仅适用于宏观物体的相互作用，也适用于微观粒子的相互作用．原子核的衰变、人工核转变、核聚变反应中同样遵循动量守恒和能量守恒．例3物理学家考克饶夫和沃尔顿建造了一台粒子加速器，他们获得了高速运动的质子，用来轰击静止的锂原子核(eq\o\al(7,3)Li)，形成一个不稳定的复合核后分解成两个相同的原子核．(1)写出核反应方程式；(2)已知质子的质量为m，初速度为v0，反应后产生的一个原子核速度大小为1.5v0，方向与质子运动方向相同，求反应过程中释放的核能．(设反应过程释放的核能全部转变为动能)答案(1)eq\o\al(7,3)Li＋eq\o\al(1,1)H→2eq\o\al(4,2)He(2)eq\f(57,8)mv02解析(2)核反应过程，动量守恒mv0＝4m·1.5v0＋4mv根据能量守恒定律，反应过程中释放的核能为ΔE＝eq\f(1,2)×4m×(1.5v0)2＋eq\f(1,2)×4mv2－eq\f(1,2)mv02＝eq\f(57,8)mv02.例4(2021·江苏常州市第二中学高二期中)一个静止的铀核eq\o\ar(232,92)U(原子质量为232.0372u)放出一个α粒子(原子质量为4.0026u)后衰变成钍核eq\o\ar(228,90)Th(原子质量为228.0287u)，已知1u相当于931.5MeV的能量(结果保留三位有效数字)．(1)写出铀核的衰变反应方程；(2)算出该衰变反应中释放出的核能；(3)若释放的核能全部转化为新核的动能，则α粒子的动能为多少？答案(1)eq\o\ar(232,92)U→eq\o\ar(228,90)Th＋eq\o\al(4,2)He(2)5.50MeV(3)5.41MeV解析(1)铀核的衰变反应方程是eq\o\ar(232,92)U→eq\o\ar(228,90)Th＋eq\o\al(4,2)He(2)质量亏损Δm＝mU－mα－mTh＝0.0059uΔE＝0.0059×931.5MeV≈5.50MeV(3)衰变前后系统动量守恒，钍核和α粒子的动量大小相等、方向相反，即pTh＋(－pα)＝0由动能和动量的关系得EkTh＝eq\f(pTh2,2mTh)，Ekα＝eq\f(pα2,2mα)由能量守恒得EkTh＋Ekα＝ΔE所以α粒子获得的动能Ekα＝eq\f(mTh,mα＋mTh)·ΔE≈5.41MeV计算核能的常用方法1．根据爱因斯坦质能方程ΔE＝Δmc2计算核能．2．根据1u相当于931.5MeV能量来计算．3．在无光子辐射的情况下，核反应中释放的核能全部转化为生成的新核和新粒子的动能．针对训练2(2021·菏泽市高二期末)太阳中含有大量的氘核，因氘核不断发生核反应释放大量的核能，以光和热的形式向外辐射．若已知两个氘核eq\o\al(2,1)H聚变产生一个中子eq\o\al(1,0)n和一个氦核eq\o\al(3,2)He.已知氘核质量为2.0136u，氦核质量为3.0150u，中子质量为1.0087u，1u的质量相当于931.5MeV的能量．则：(1)写出核反应方程；(2)求核反应中释放的核能(结果保留3位有效数字)；(3)在两氘核以相等的动能0.35MeV进行对心碰撞，并且核能全部转化为机械能的情况下，求反应中产生的中子和氦核的动能．答案(1)2eq\o\al(2,1)H→eq\o\al(3,2)He＋eq\o\al(1,0)n(2)3.26MeV(3)2.97MeV0.99MeV解析(1)核反应方程为2eq\o\al(2,1)H→eq\o\al(3,2)He＋eq\o\al(1,0)n.(2)两个氘核发生反应的质量亏损Δm＝2×2.0136u－1.0087u－3.0150u＝0.0035u释放的核能为ΔE＝0.0035×931.5MeV≈3.26MeV(3)设eq\o\al(1,0)n和eq\o\al(3,2)He的动量分别为p1和p2，动能分别为Ekn和EkHe，根据动量守恒定律得p1＋p2＝0可得p1和p2大小相等，方向相反．根据p＝mvEk＝eq\f(1,2)mv2联立得Ek＝eq\f(p2,2m)又mHe＝3mn故有Ekn＝3EkHe由能量守恒定律得Ekn＋EkHe＝ΔE＋2EkH代入数据解得Ekn＝2.97MeVEkHe＝0.99MeV.1．关于下列核反应方程的说法正确的是()A.eq\o\ar(15,7)N＋eq\o\al(1,1)H→eq\o\ar(12,6)C＋eq\o\al(4,2)He是α衰变方程B.eq\o\ar(238,92)U→eq\o\ar(234,90)Th＋eq\o\al(4,2)He是核裂变方程C．2eq\o\al(1,1)H＋2eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(4,2)He一定是释放核能的核反应方程D.eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(27,13)Al→eq\o\al(30,15)P＋eq\o\al(1,0)n是发现中子的核反应方程答案C解析α衰变是单个原子核放出α粒子，eq\o\ar(15,7)N＋eq\o\al(1,1)H→eq\o\ar(12,6)C＋eq\o\al(4,2)He不符合此特征，因此不是α衰变方程，选项A错误；eq\o\ar(238,92)U→eq\o\ar(234,90)Th＋eq\o\al(4,2)He是α衰变方程，选项B错误；2eq\o\al(1,1)H＋2eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(4,2)He是轻核聚变方程，该核反应释放核能，选项C正确；发现中子的核反应方程是eq\o\al(9,4)Be＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\ar(12,6)C＋eq\o\al(1,0)n，选项D错误．2．(2021·江苏无锡高二期末)作为一项新能源，人类利用核能，目前都是通过可控制的核裂变反应实现的．下列反应中属于核裂变反应的是()A.eq\o\ar(234,90)Th→eq\o\ar(230,88)Ra＋eq\o\al(4,2)HeB.eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(27,13)Al→eq\o\al(30,15)P＋eq\o\al(1,0)nC.eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)nD.eq\o\ar(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\ar(144,56)Ba＋eq\o\al(89,36)Kr＋3eq\o\al(1,0)n答案D解析反应物只有一个，生成物有氦核，属于α衰变，A不符合题意；氦核轰击铝核，生成磷的同位素，是人工核转变，B不符合题意；两个轻核生成一个中等质量的核，属于核聚变反应，C不符合题意；中子轰击铀核，生成两个中等质量的核和中子，则该核反应为核裂变反应，D符合题意．3．(2021·湖州市高二期末)放射性同位素在工业、医疗、生物技术等领域都具有广泛应用，下列四个核反应方程中属于生成人工放射性同位素的是()A.eq\o\al(27,13)Al＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(30,15)P＋eq\o\al(1,0)nB.eq\o\ar(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\ar(144,56)Ba＋eq\o\al(89,36)Kr＋3eq\o\al(1,0)nC.eq\o\ar(238,92)U→eq\o\ar(234,90)Th＋eq\o\al(4,2)HeD.eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)n答案A解析eq\o\al(30,15)P不存在于自然界中，是1934年约里奥—居里夫妇用α射线轰击铝箔时发现的放射性同位素，属于生成人工放射性同位素的核反应，故A符合题意；该反应是eq\o\ar(235,92)U核的裂变，eq\o\ar(144,56)Ba、eq\o\al(89,36)Kr是eq\o\ar(235,92)U核裂变后的自然产物，不属于生成人工放射性同位素的核反应，故B不符合题意；该反应是eq\o\ar(238,92)U核的α衰变，不属于生成人工放射性同位素的核反应，故C不符合题意；该反应是氢核的聚变，不属于生成人工放射性同位素的核反应，故D不符合题意．4．(2021·江苏吴江平望中学高二月考)核潜艇以核反应堆为动力源．关于核反应，下列说法正确的是()A．在核反应中，质量守恒、电荷数守恒B．核反应方程eq\o\ar(238,92)U→eq\o\ar(234,90)Th＋eq\o\al(4,2)He属于α衰变C．核反应方程eq\o\ar(14,7)N＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\ar(17,8)O＋eq\o\al(1,1)H属于核聚变，是核潜艇的动力原理D．核反应方程eq\o\ar(12,6)C→eq\o\ar(12,7)N＋eq\o\ar(0,－1)e属于β衰变，而β射线来自原子外层的电子答案B解析核反应前后核子数相等，核反应遵循质量数守恒而不是质量守恒，故A错误；根据核反应的特点可知，核反应方程eq\o\ar(238,92)U→eq\o\ar(234,90)Th＋eq\o\al(4,2)He属于α衰变，故B正确；核反应方程eq\o\ar(14,7)N＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\ar(17,8)O＋eq\o\al(1,1)H属于人工核反应，而重核裂变是质量数较大的核裂变为质量中等的核的过程，重核裂变才是核潜艇的动力原理，故C错误；β衰变是原子核的衰变，与核外电子无关，β衰变时释放的电子是由核内一个中子转化成一个质子的同时释放出来的，故D错误．5．一静止的铀核放出一个α粒子衰变成钍核，衰变方程为eq\o\ar(238,92)U→eq\o\ar(234,90)Th＋eq\o\al(4,2)He，下列说法正确的是()A．衰变后钍核的动能等于α粒子的动能B．衰变后钍核的动量大小等于α粒子的动量大小C．铀核的半衰期等于其放出一个α粒子所经历的时间D．衰变后α粒子与钍核的质量之和等于衰变前铀核的质量答案B解析静止的铀核在α衰变过程中，满足动量守恒的条件，根据动量守恒定律得pTh＋pα＝0，即钍核的动量和α粒子的动量大小相等，方向相反，选项B正确；根据Ek＝eq\f(p2,2m)可知，选项A错误；半衰期的定义是统计规律，对于一个原子核不适用，选项C错误；铀核在衰变过程中有一定的质量亏损，故选项D错误．知eq\o\ar(14,7)N87u，质子质量为mp＝1.00815u．(已知1u相当于931.5MeV的能量，结果保留两位有效数字)(1)这一核反应是吸收能量还是放出能量？相应的能量变化为多少？(2)若eq\o\al(4,2)He核以v0＝3×107m/s的速度沿两核中心连线方向轰击静止的N核，反应生成的O核和质子同方向运动，且eq\o\ar(17,8)O核的速度大小为1.8×106m/s.则质子的速度大小为多少？答案(1)吸收能量1.2MeV(2)8.9×107m/s解析(1)质量亏损Δm＝mN＋mHe－mO－mp＝(14.00753＋4.00387－17.00454－1.00815)u＝－0.00129uΔE＝－0.00129×931.5MeV≈－1.2MeV负值说明这一核反应吸收能量，其能量变化了1.2MeV.(2)根据动量守恒定律有mHev0＝mpvp＋mOvO代入数据解得vp＝8.9×107m/s.7．(2021·江苏省如皋中学高二月考)两个氘核以相等的动能Ek对心碰撞发生核聚变，核反应方程为eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(2,1)H→eq\o\al(3,2)He＋eq\o\al(1,0)n，其中氘核的质量为m1，氦核的质量为m2，中子的质量为m3.假设核反应释放的核能E全部转化为动能，下列说法正确的是()A．核反应后氦核与中子的动量相同B．该核反应释放的能量为E＝(m2＋m3－2m1)c2C．核反应后氦核的动能为eq\f(E＋2Ek,4)D．核反应后中子的动能为eq\f(E＋Ek,4)答案C解析两个氘核以相等的动能Ek对心碰撞，根据动量守恒定律知，反应前的总动量为零，则反应后总动量为零，即氦核和中子的动量大小相等，方向相反，故A错误；根据爱因斯坦质能方程得ΔE＝Δmc2＝(2m1－m2－m3)c2，故B错误；反应后氦核和中子的总动能来自释放的核能以及反应前氘核的总动能之和，则反应后氦核和中子的总动能为2Ek＋E，根据动量守恒知，氦核和中子的动量大小相等，方向相反，由Ek＝eq\f(p2,2m)可知，氦核和中子的动能之比为1∶3，则核反应后中子的动能Ek1＝eq\f(3,4)(2Ek＋E)＝eq\f(6Ek＋3E,4)，氦核的动能Ek2＝eq\f(2Ek＋E,4)，故C正确，D错误．8．(2021·江苏南京师大苏州实验学校高二检测)一个静止的镭核eq\o\ar(226,88)Ra发生衰变放出一个粒子变为氡核eq\o\ar(222,86)Rn，已知镭核226质量为226.0254u，氡核222质量为222.0163u，放出粒子的质量为4.0026u，1u相当于931.5MeV的能量．(计算结果保留3位有效数字)(1)写出核反应方程；(2)求镭核衰变放出的能量；(3)若衰变放出的能量均转变为氡核和放出粒子的动能，求放出粒子的动能．答案(1)eq\o\ar(226,88)Ra→eq\o\ar(222,86)Rn＋eq\o\al(4,2)He(2)6.05MeV(3)5.94MeV解析(1)由质量数与核电荷数守恒可知，该反应方程中放射出一个eq\o\al(4,2)He核，核衰变反应方程为eq\o\ar(226,88)Ra→eq\o\ar(222,86)Rn＋eq\o\al(4,2)He(2)该反应中质量亏损为Δm＝mRa－mRn－mα＝(226.0254－222.0163－4.0026)u＝0.0065u释放出的核能ΔE＝Δm×931.5MeV≈6.05MeV(3)衰变的过程中动量守恒，若衰变放出的能量均转变为氡核和放出粒子的动能，规定eq\o\al(4,2)He核运动的方向为正方向，则mαv1－mRnv2＝0eq\f(1,2)mαv12＋eq\f(1,2)mRnv22＝ΔE联立解得Ekα＝eq\f(mRnΔE,mα＋mRn)≈5.94MeV.9．(2021·江苏常州高二阶段练习)用速度大小为v的中子轰击静止的锂核(eq\o\al(6,3)Li)，发生核反应后生成氚核和α粒子，生成的氚核速度方向与中子的初速度方向相反，氚核与α粒子的速度之比为7∶8，中子的质量为m，质子的质量可近似看作m，光速为c.(1)写出核反应方程；(2)求氚核和α粒子的速度大小；(3)若核反应过程中放出的核能全部转化为α粒子和氚核的动能，求该反应的质量亏损．答案(1)eq\o\al(6,3)Li＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(3,1)H＋eq\o\al(4,2)He(2)eq\f(7,11)veq\f(8,11)v(3)eq\f(141mv2,121c2)解析(1)由题意可得，该核反应方程为eq\o\al(6,3)Li＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(3,1)H＋eq\o\al(4,2)He(2)由动量守恒定律得mv＝－3mv1＋4mv2由题意得v1∶v2＝7∶8解得v1＝eq\f(7,11)v，v2＝eq\f(8,11)v.(3)氚核和α粒子的动能之和为Ek＝eq\f(1,2)×3mv12＋eq\f(1,2)×4mv22＝eq\f(403,242)mv2根据能量守恒定律，释放的核能为ΔE＝Ek－eq\f(1,2)mv2＝eq\f(403,242)mv2－eq\f(1,2)mv2＝eq\f(141,121)mv2由爱因斯坦质能方程得，质量亏损为Δm＝eq\f(ΔE,c2)＝eq\f(141mv2,121c2).10．(2022·江苏南通市高二期末)钚的放射性同位素eq\o\ar(239,94)Pu静止时衰变为铀核激发态eq\o\ar(235,92)U*和α粒子，而铀核激发态eq\o\ar(235,92)U*立即衰变为铀核eq\o\ar(235,92)U，并放出频率为ν的光子．已知eq\o\ar(239,94)Pu的质量m1、eq\o\ar(235,92)U的质量m2和α粒子的质量m3，真空中的光速为c，普朗克常量为h.(1)写出衰变方程；(2)忽略衰变放出光子的动量，求α粒子的动能Ek.答案(1)eq\o\ar(239,94)Pu→eq\o\ar(235,92)U＋eq\o\al(4,2)He(2)eq\f(m2[m1－m2－m3c2－hν],m2＋m3)解析(1)衰变方程为eq\o\ar(239,94)Pu→eq\o\ar(235,92)U＋eq\o\al(4,2)He(2)设衰变后eq\o\ar(235,92)U和α粒子的速度大小分别为v2、v3，根据动量守恒定律有m2v2＝m3v3根据能量守恒定律有eq\f(1,2)m2v22＋eq\f(1,2)m3v32＝(m1－m2－m3)c2－hν联立以上两式解得α粒子的动能Ek＝eq\f(m2[m1－m2－m3c2－hν],m2＋m3).11．(2021·江苏启东中学高二阶段练习)一个静止的母核发生α衰变，产生的α粒子和子核的动能之和称为这个母核的α衰变能．(1)若在一次α衰变中静止的母核放出的α粒子动能为E，又知α粒子质量为m，子核Y的质量为M，求母核的α衰变能；(2)若母核释放的核能全部转化为α粒子和子核的动能，试分别判断eq\o\al(64,29)Cu和eq\o\ar(212,84)Po能否发生α衰变？若能，求出其α衰变能(1u相当于931.5MeV，结果保留三位有效数字)．一些原子核的静止质量原子核原子质量(u)eq\o\al(4,2)He4.0026eq\o\al(60,27)Co59.9338eq\o\al(64,29)Cu63.9298eq\o\ar(208,82)Pb207.9766eq\o\ar(212,84)Po211.9889答案见解析解析(1)原子核衰变过程中，动量守恒，由动量守恒定律得0＝mv1－Mv2α粒子的动能E＝eq\f(1,2)mv12子核的动能EY＝eq\f(1,2)Mv22母核的α衰变能为E′＝E＋EY＝(1＋eq\f(m,M))E(2)若eq\o\al(64,29)Cu发生α衰变，方程为eq\o\al(64,29)Cu→eq\o\al(60,27)Co＋eq\o\al(4,2)He质量亏损Δm＝63.9298u－59.9338u－4.0026u＝－0.0066u质量增加，故eq\o\al(64,29)Cu不能发生α衰变，如果eq\o\ar(212,84)Po发生α衰变，方程为eq\o\ar(212,84)Po→eq\o\ar(208,82)Pb＋eq\o\al(4,2)He质量亏损Δm′＝211.9889u－4.0026u－207.9766u＝0.0097u则eq\o\ar(212,84)Po发生α衰变，由质能方程ΔE＝Δmc2得eq\o\ar(212,84)Po发生α衰变过程中的α衰变能为ΔE＝0.0097×931.5MeV≈9.04MeV.章末检测试卷(五)(满分：100分)一、单项选择题：共12题，每题4分，共48分．每题只有一个选项最符合题意．1．(2021·江苏海门中学高二月考)氦3大量存在于月球表面月壤中，是未来的清洁能源．两个氦3聚变的核反应方程是eq\o\al(3,2)He＋eq\o\al(3,2)He→eq\o\al(4,2)He＋2X＋12.86MeV，则X为()A．电子 B．氘核C．中子 D．质子答案D解析根据核反应的质量数和电荷数守恒可知，X的质量数为1，电荷数为1，为质子．故选D.2．(2021·红塔区高二月考)核废水中含有钴(eq\o\al(60,27)Co)等63种不能过滤的放射性物质．钴60会通过衰变生成镍(eq\o\al(60,28)Ni)，同时会放出γ射线，其半衰期为5.27年，在医学上常用于癌症和肿瘤的放射治疗．下列说法不正确的是()A．衰变方程为eq\o\al(60,27)Co→eq\o\al(60,28)Ni＋eq\o\ar(0,－1)e，属于α衰变B．钴60不可以作为示踪原子研究人体对药物的吸收C．钴60对肿瘤进行放射治疗是利用其衰变