2025高考物理步步高同步练习选修3第五章原子核第3节　核力与结合能含答案

2025高考物理步步高同步练习选修3第五章原子核第3节核力与结合能[学习目标要求]1.了解四种基本相互作用，知道核力的特点。2.了解结合能和比结合能。3.知道质量亏损和质能方程。4.会用质能方程计算核能。一、核力与四种基本相互作用1.17世纪下半叶，牛顿发现了万有引力，引力是自然界的一种基本相互作用。2.19世纪后，人们认识到电荷间的相互作用、磁体间的相互作用，从本质上说是同一种相互作用的不同表现，这种相互作用称为电磁相互作用。3.核力(1)定义：原子核内核子之间的相互作用力。(2)核力的特点①核力是强相互作用的一种表现，在原子核的尺度内，核力比库仑力大得多。②核力是短程力，作用范围约10－15__m。4.四种基本相互作用二、结合能和质量亏损1.结合能和比结合能(1)结合能：原子核是核子凭借核力结合在一起构成的，要把它们分开也需要能量，这就是原子核的结合能。(2)比结合能(平均结合能)：原子核的结合能与核子数之比称为比结合能。比结合能越大，原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定，中等大小的核的比结合能最大、最稳定。2.质量亏损(1)爱因斯坦质能方程E＝mc2。(2)质量亏损：原子核的质量小于组成它的核子的质量之和的现象。(3)核子在结合成原子核时出现的质量亏损Δm，与它们在互相结合过程中放出的能量ΔE的关系是ΔE＝Δmc2。3.比结合能应用前景(1)中等大小的核的比结合能最大，这些核最稳定。(2)使较重的核分裂成中等大小的核，或者把较小的核合并成中等大小的核，都将释放新的结合能。【判一判】(1)组成原子核的核子越多，它的结合能就越大。(√)(2)结合能越大，核子结合得越牢固，原子核越稳定。(×)(3)质量亏损表明，的确存在着原子核的结合能。(√)探究1核力与四种基本相互作用1.核力原子核里的核子间有一种相互作用，把核子紧紧地束缚在核内，形成稳定的原子核，即核力。2.四种基本相互作用在不同尺度上发挥作用(1)引力相互作用：引力主要在宏观和宇观尺度上“独领风骚”，引力使行星绕着恒星转，并且联系着星系网，决定着宇宙的现状。万有引力是长程力。(2)电磁相互作用：电磁力在原子核外，电磁力使电子不脱离原子核而形成原子，使原子结合成分子，使分子结合成液体和固体。(3)强力：即强相互作用，在原子核内，强力将核子束缚在一起，强力是短程力。(4)弱相互作用：弱相互作用是引起原子核β衰变的原因，即引起中子—质子转变的原因。弱相互作用也是短程力。其力程比强力更短，为10－18m，作用强度则比电磁力小。【例1】对于核力，以下说法正确的是()A．核力是弱相互作用，作用力很小B．核力是强相互作用的表现，是强力C．核子之间的距离小于0.8×10－15m时，核力表现为引力D．人们对核力的了解很清楚，特别是在小于0.8×10－15m时核力的变化规律更清楚答案B解析核力是强相互作用的一种表现，它的作用范围在1.5×10－15m之内，核力比库仑力大得多，选项B正确，A错误；核力在大于0.8×10－15m时表现为吸引力。且随距离增大而减小；在距离小于0.8×10－15m时，核力表现为斥力，因此核子不会融合在一起，选项C错误；人们对核力的了解还不是很清楚，这是科学家们奋力攻克的堡垒，选项D错误。探究2结合能与原子核的稳定性1.中等质量原子核的比结合能最大，轻核和重核的比结合能都比中等质量原子核的比结合能要小。2.比结合能曲线：不同原子核的比结合能随质量数变化图线如图所示。3.比结合能与原子核稳定的关系(1)比结合能的大小能够反映原子核的稳定程度，比结合能越大，原子核就越难拆开，表示该原子核就越稳定。(2)核子数较小的轻核与核子数较大的重核，比结合能都比较小，表示原子核不太稳定；中等核子数的原子核，比结合能较大，表示原子核较稳定。(3)当比结合能较小的原子核转化成比结合能较大的原子核时，就能释放核能。例如，一个核子数较大的重核分裂成两个核子数小一些的核，或者两个核子数很小的轻核结合成一个核子数大一些的核，都能释放出巨大的核能。【例2】(2021·湖北荆州市月考)原子核的比结合能如图所示。下列说法正确的是()A.eq\o\al(6,3)Li核比eq\o\al(4,2)He核更稳定B.eq\o\al(144,56)Ba核比eq\o\al(89,36)Kr核核子数多，比结合能大C.eq\o\al(235,92)U核比eq\o\al(144,56)Ba核结合能大，比结合能小D.两个eq\o\al(2,1)H核结合成eq\o\al(4,2)He核，需要吸收能量答案C解析比结合能越大，原子核越稳定，eq\o\al(4,2)He核比eq\o\al(6,3)Li核更稳定，故选项A错误；eq\o\al(144,56)Ba核比eq\o\al(89,36)Kr核核子数多，平均结合能小，故选项B错误；eq\o\al(235,92)U核比eq\o\al(144,56)Ba核核子数多，结合能大，比结核能小，故选项C正确；两个eq\o\al(2,1)H核结合成eq\o\al(4,2)He核，由比结合能小的反应生成比结合能大的，会释放大量能量，故选项D错误。【针对训练】关于原子核的结合能，下列说法正确的是()A.原子核的比结合能等于将其完全分解成自由核子所需能量的最小值B.原子核衰变成α粒子和另一原子核，并释放出能量，衰变产物的结合能之和一定小于原来原子核的结合能C.铯原子核(eq\o\al(133,55)Cs)的结合能小于铅原子核(eq\o\al(208,82)Pb)的结合能D.比结合能越大，原子核越不稳定答案C解析原子核的结合能等于使其完全分解成自由核子所需的最小能量，故A错误；原子核衰变成α粒子和另一原子核，要释放能量，衰变产物的结合能之和一定大于原来原子核的结合能，故B错误；铯原子核的比结合能与铅原子核的比结合能差不多，而铯原子核的核子数小于铅原子核的核子数，故铯原子核的结合能小于铅原子核的结合能，故C正确；比结合能越大，原子核越稳定，故D错误。探究3质量亏损和核能的计算1.质量亏损：所谓质量亏损，并不是质量消失，而是减少的质量在核子结合成核的过程中以能量的形式辐射出去了。反过来，把原子核分裂成核子，总质量要增加，总能量也要增加，增加的能量要由外部提供。2.质能方程E＝mc2(1)质能方程说明一定的质量总是跟一定的能量相联系。具体地说，一定质量的物体所具有的总能量是一定的，E＝mc2，不是单指物体的动能、核能或其他哪一种能量，而是物体所具有的各种能量的总和。(2)根据质能方程，物体的总能量与其质量成正比。物体质量增加，则总能量随之增加；物体质量减少，总能量也随之减少，故质能方程也写成ΔE＝Δmc2。3.判断核反应过程是释放能量还是吸收能量的方法(1)根据反应前后质量的变化情况进行判断，若质量减少即发生了质量亏损，则释放能量；若质量增加，则吸收能量。(2)根据动能变化判断，若不吸收光子而动能增加则放出能量。【例3】(2021·吉林长春市高二期末)关于质能方程，下列说法正确的是()A.有质量亏损的核反应一定是吸能反应B.核反应中发现的“质量亏损”是消失的质量转变成了能量C.E＝mc2中的E是物体以光速c运动的动能D.由ΔE＝Δmc2，在核反应中，Δm为反应前后原子的静质量之差答案D解析根据质能方程ΔE＝Δmc2可知，有质量亏损，就是放能反应，故A错误；核反应过程中质量没有消失，只是以能量的形式体现，故B错误；爱因斯坦的质能方程E＝mc2，只是说明物体具有的能量与它的质量之间存在着简单的正比关系，E并不是物体以光速c运动的动能，故C错误；根据质能方程ΔE＝Δmc2可知，在核反应中，Δm为反应前后原子的静质量之差，故D正确。【例4】一个静止的铀核eq\o\al(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Th(原子质量为228.0287u)。u为原子质量单位，1u相当于931.5MeV的能量。(1)写出核衰变反应方程式；(2)该反应中的质量亏损；(3)释放的核能。答案(1)eq\o\al(232,92)U→eq\o\al(228,90)Th＋eq\o\al(4,2)He(2)0.0059u(3)5.5MeV解析(1)根据质量数守恒和电荷数守恒可知核反应方程式为eq\o\al(232,92)U→eq\o\al(228,90)Th＋eq\o\al(4,2)He(2)质量亏损为Δm＝mU－mTh－mα＝(232.0372－228.0287－4.0026)u＝0.0059u(3)由质能方程可知释放的核能为ΔE＝Δmc2＝0.0059×931.5MeV＝5.5MeV1.(核力与四种基本相互作用)关于核力的说法正确的是()A.核力同万有引力没有区别，都是物体间的作用B.核力就是电磁力C.核力是短程力，作用范围在1.5×10－15m之内D.核力与电荷有关答案C解析核力存在于核子之间，核力与万有引力、电磁力不同，故选项A、B错误；核力是短程力，超过1.5×10－15m，核力急剧下降几乎消失，故选项C正确；核力存在于核子之间，与电荷无关，故选项D错误。2．(结合能与质能方程)如图是各种元素的原子核中核子的平均质量与原子序数Z的关系图像，由此可知()A．若原子核D和E结合成原子核F，结合过程一定会释放能量B．若原子核D和E结合成原子核F，结合过程一定要吸收能量C．若原子核A分裂成原子核B和C，分裂过程一定会吸收能量D．若原子核A分裂成原子核B和C，分裂过程一定要吸收能量答案A解析D和E结合成F，核子平均质量减少，有质量亏损，根据爱因斯坦质能方程可知，有能量释放，故A正确，B错误；若A分裂成B和C，核子平均质量减少，也有质量亏损，根据爱因斯坦质能方程可知，有能量释放，故C、D错误。3.(质量亏损和核能)某核反应方程为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2.0136u，eq\o\al(3,1)H的质量为3.0180u，eq\o\al(4,2)He的质量为4.0026u，X的质量为1.0087u。则下列说法正确的是()A.X是质子，该反应释放能量B.X是中子，该反应释放能量C.X是质子，该反应吸收能量D.X是中子，该反应吸收能量答案B解析根据核反应过程质量数、电荷数守恒，可得eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)X，X为中子，在该反应发生前反应物的总质量m1＝2.0136u＋3.0180u＝5.0316u，反应后产物总质量m2＝4.0026u＋1.0087u＝5.0113u。总质量减少，出现了质量亏损，故该反应释放能量。课时定时训练(限时35分钟)题组一核力和四种基本相互作用1.氦原子核由两个质子与两个中子组成，这两个质子之间存在着万有引力、库仑力和核力，则3种力从大到小的排列顺序是()A.核力、万有引力、库仑力 B.万有引力、库仑力、核力C.库仑力、核力、万有引力 D.核力、库仑力、万有引力答案D解析核子间的核力最大，万有引力最小，D项正确。2.下列对核力的认识正确的是()A.任何物体之间均存在核力B.核力广泛存在于自然界中的核子之间C.核力只存在于质子之间D.核力只发生在相距1.5×10－15m内的核子之间，大于0.8×10－15m为吸引力，而小于0.8×10－15m为斥力答案D解析由核力的特点知道，只有相距1.5×10－15m内的核子之间才存在核力，核力发生在质子与质子、质子与中子及中子与中子之间，由此知选项D正确，A、B、C错误。题组二结合能与原子核的稳定性3.下列关于结合能和比结合能的说法正确的是()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.比结合能越大的原子核越稳定，因此它的结合能也一定越大C.重核与中等质量的原子核相比较，重核的结合能和比结合能都大D.中等质量原子核的结合能和比结合能均比轻核的要大答案D解析核子结合成原子核是放出能量，原子核拆解成核子是吸收能量，选项A错误；比结合能越大的原子核越稳定，但比结合能越大的原子核，其结合能不一定大，例如中等质量原子核的比结合能比重核大，但由于核子数比重核少，其结合能比重核小，选项B、C错误；中等质量原子核的比结合能比轻核的大，它的核子数又比轻核多，因此它的结合能也比轻核大，选项D正确。4．对结合能、比结合能的认识，下列正确的是()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．比结合能越小的原子核越稳定答案A解析由自由核子结合成原子核的过程中，核力做正功，释放出能量，反之，将原子核分开变为自由核子它需要赋予相应的能量，该能量即为结合能，故选项A正确，B错误；对核子较多的原子核的结合能越大，但它的比结合能不一定大，比结合能的大小反映了原子核的稳定性，故选项C、D错误。题组三质量亏损和核能的计算5．下列说法中正确的是()A．爱因斯坦质能方程反映了物体的质量就是能量，它们之间可以相互转化B．由E＝mc2可知，能量与质量之间存在着正比关系，可以用物体的质量作为它所蕴藏的能量的量度C．核反应中发现的“质量亏损”是质量转变成了能量D．因为在核反应中产生能量，有质量的转化，所以系统只有质量数守恒，系统的总能量和总质量并不守恒答案B解析E＝mc2说明能量和质量之间存在着联系，即能量与质量之间存在着正比关系，但并不能说明能量和质量之间存在相互转化的关系，故A错误，B正确；核反应中的“质量亏损”并不是质量消失，实际上是由静止的质量变成运动的质量，并不是质量转变成能量，故C错误；在核反应中，质量守恒，能量也守恒，在核反应前后只是能量的存在方式不同，总能量不变，在核反应前后只是物质由静质量变成动质量，故D错误。6．为纪念爱因斯坦对物理学的巨大贡献，联合国将2005年定为“国际物理年”。对于爱因斯坦提出的质能方程E＝mc2，下列说法错误的是()A．E＝mc2定量地指出了物体具有的能量与其质量之间的关系B．根据ΔE＝Δmc2可以计算核反应中释放的核能C．一个中子和一个质子结合成氘核时，释放出核能，表明此过程中出现了质量亏损D．E＝mc2中的E是发生核反应中释放的核能答案D解析爱因斯坦质能方程E＝mc2定量地指出了物体具有的能量与其质量之间的关系，故A正确；由质能方程知，当物体的质量减少时，物体的能量减少，向外释放了能量；反之，若物体的质量增加了，则物体的能量增加，表明它从外界吸收了能量，所以由物体的质量变化能算出物体的能量变化，故B、C正确，D错误。7．一个质子和一个中子结合成氘核，同时放出γ光子，核反应方程是eq\o\al(1,1)H＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(2,1)H＋γ，以下说法中正确的是()A．反应后氘核的质量一定大于反应前质子和中子的质量之和B．反应前后的质量数不变，因而质量不变C．反应前后质量数不变，没有质量亏损D．γ光子的能量为Δmc2，Δm为反应中的质量亏损，c为光在真空中的速度答案D解析核反应中质量数、电荷数及能量均守恒，由于反应中要释放核能，会出现质量亏损，由爱因斯坦质能方程ΔE＝Δmc2可知，反应中氘核的质量一定小于反应前质子和中子的质量之和，但质量数不变，且能量守恒，能量会以光子的形式向外释放，根据质能方程可知，γ光子的能量为Δmc2，故D正确，A、B、C错误。8.原子质量单位为u，1u相当于931.5MeV的能量，真空中光速为c，当质量分别为m1和m2的原子核结合为质量为M的原子核时释放出的能量是()A.(M－m1－m2)u·c2B.(m1＋m2－M)u×931.5JC.(m1＋m2－M)cD.(m1＋m2－M)×931.5MeV答案D解析核反应过程中，反应前后原子核的质量亏损为Δm＝(m1＋m2－M)u1u相当于931.5MeV的能量，故释放出的能量为ΔE＝Δm×931.5MeV＝(m1＋m2－M)×931.5MeV。9.在下列判断中，正确的是()A.组成eq\o\al(238,92)U核的核子中任何两个核子之间都存在不可忽略的核力作用B.组成eq\o\al(238,92)U核的中子中任何两个中子之间都存在不可忽略的核力作用C.组成eq\o\al(238,92)U核的质子中任何两个质子之间都存在不可忽略的库仑斥力作用D.组成eq\o\al(238,92)U核的质子中任何两个质子之间都存在不可忽略的核力作用答案C解析核力属于短程力，由于组成eq\o\al(238,92)U核的核子较多，两核子之间的距离可能超过核力的作用范围，所以某些核子之间的作用力可能比较小，故A、B、D错误；原子核中任何两质子之间都存在库仑斥力的作用，故C正确。10.(2021·济南市历城二中月考)在研究原子核的衰变过程中，发现U238发生衰变产生新核Th234，其衰变方程为eq\o\al(238,92)U→eq\o\al(234,90)Th＋eq\o\al(n,m)X，下列判断正确的是()A.该衰变类型为β衰变B.衰变方程满足质量数守恒，所以没有质量亏损C.eq\o\al(238,92)U核的结合能大于eq\o\al(234,90)Th核的结合能D.eq\o\al(238,92)U核的比结合能大于eq\o\al(234,90)Th核的比结合能答案C解析根据质量数守恒和电荷数守恒得衰变方程为eq\o\al(238,92)U→eq\o\al(234,90)Th＋eq\o\al(4,2)He，该衰变为α衰变，A错误；衰变方程满足质量数守恒，但是该反应为放能反应，有质量亏损，B错误；eq\o\al(238,92)U核的核子数大于eq\o\al(234,90)Th核的核子数，所以eq\o\al(238,92)U核的结合能大于eq\o\al(234,90)Th核的结合能，C正确；衰变方程，是不稳定的核向稳定的核转变，而比结合能越大的原子核越稳定，所以eq\o\al(238,92)U核的比结合能小于eq\o\al(234,90)Th核的比结合能，D错误。11.(2021·河南驻马店市期末)1932年查德威克用α粒子(eq\o\al(4,2)He)轰击铍9(eq\o\al(9,4)Be)产生了一个新核X，并发现了中子，释放出γ光子。若α粒子、铍9(eq\o\al(9,4)Be)、新核X、中子的质量分别为m1、m2、m3、m4，光在真空中的传播速度大小为c，则下列说法正确的是()A.新核X的电荷数比铍9的电荷数多3B.新核X的中子数比铍9的中子数多3C.新核X的比结合能比铍9的比结合能大D.放出的γ光子的能量为(m4＋m3－m1－m2)c2答案C解析查德威克发现中子的核反应方程为eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(9,4)Be→eq\o\al(12,6)C＋eq\o\al(1,0)n，新核X为eq\o\al(12,6)C，eq\o\al(12,6)C的电荷数比eq\o\al(9,4)Be的电荷数多2，A错误；eq\o\al(12,6)C的中子数为12－6＝6，eq\o\al(9,4)Be的中子数为9－4＝5，eq\o\al(12,6)C的中子数比eq\o\al(9,4)Be的中子数多6－5＝1，B错误；核反应后的产物比反应前的物质更稳定，比结合能更大，C正确；该核反应释放岀γ光子，说明核反应过程中发生质量亏损，γ光子的能量为ΔE＝Δmc2＝(m1＋m2－m3－m4)c2，D错误。12.(2021·江苏常州市开学考)关于核反应方程eq\o\al(238,92)U→eq\o\al(234,90)Th＋X，下列说法正确的是()A.此核反应一定会释放能量B.通过降低温度的方法，一定能缩短U的半衰期C.此核反应方程中的X代表的粒子为氢原子核D.铀核的比结合能大于钍核的比结合能答案A解析此核反应是α衰变方程，一定会释放能量，A正确；外部条件不能改变U的半衰期，B错误；此核反应方程中的X质量数为4，电荷数为2，则X代表的粒子为氦原子核，C错误；因反应释放能量，则铀核的比结合能小于钍核的比结合能，D错误。13.(2021·广东深圳市一模)核电池又称“放射性同位素电池”，利用衰变放出的射线能量转变为电能而制成。科学家利用eq\o\al(147,61)Pm→eq\o\al(147,62)Sm＋x反应制成核电池，已知eq\o\al(147,61)Pm的半衰期约为2.6年，eq\o\al(147,61)Pm、eq\o\al(147,62)Sm原子核及x粒子的质量分别为m1、m2、m，真空中的光速为c，则()A.射线粒子x的符号是eq\o\al(0,1)eB.5.2年后所有eq\o\al(147,61)Pm原子核均已衰变C.每个eq\o\al(147,61)Pm原子核衰变放出的能量为(m1－m2－m)c2D.单位时间内该电池因衰变而放出的核能一直保持不变答案C解析根据核反应过程电荷数、质量数守恒可知射线粒子x的符号是eq\o\al(0,－1)e，所以A错误；5.2年后经过了2个半衰期，由半衰期公式m′＝m(eq\f(1,2))eq\f(t,τ)可知有eq\f(3,4)的eq\o\al(147,61)Pm原子核已衰变，所以B错误；由爱因斯坦的质能方程ΔE＝Δmc2可得，每个eq\o\al(147,61)Pm原子核衰变放出的能量为(m1－m2－m)c2，所以C正确；由能量守恒定律可知核电池衰变后，单位时间内该电池因衰变而放出的核能会逐渐减小，所以D错误。14.用中子轰击锂核(eq\o\al(6,3)Li)发生核反应，产生氚和α粒子并放出4.8MeV的能量。(1)写出核反应方程式；(2)求上述反应中的质量亏损为多少(保留2位有效数字)。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＋4.8MeV(2)8.5×10－30kg解析(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＋4.8MeV(2)根据质能方程ΔE＝Δmc2，可得反应中的质量亏损Δm＝eq\f(ΔE,c2)＝eq\f(4.8×106×1.6×10－19,（3×108）2)kg＝8.5×10－30kg。第4节核裂变与核聚变[学习目标要求]1.知道什么是核裂变。2.知道链式反应及链式反应的条件，并能计算裂变释放的核能。3.了解裂变反应堆的工作原理，知道如何控制核反应的速度以及核电站的工作模式。4.知道什么是聚变反应，会计算核聚变中释放的核能。5.了解可控热核反应及其研究和发展。一、核裂变的发现1.核裂变：铀核被中子轰击后分裂成两块质量差不多的碎块的核反应。2.铀核裂变：用中子轰击铀核时，铀核发生裂变，其产物是多样的，其中一种典型的铀核裂变是eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(144,56)Ba＋eq\o\al(89,36)Kr＋3eq\o\al(1,0)n。3.链式反应：由重核裂变产生的中子使核裂变反应一代接一代继续下去的过程叫核裂变的链式反应。4.临界体积和临界质量：把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。5.核裂变的能量：1kg铀235全部发生核裂变放出的能量相当于2__800__t标准煤完全燃烧时释放的化学能。【判一判】(1)铀核裂变的产物是固定的，就是生成钡和氪，同时放出3个中子。(×)(2)裂变中放出的中子数目是固定的3个中子。(×)(3)只有铀块的体积大于临界体积时，才能够发生链式反应。(√)二、反应堆与核电站1.核反应堆：控制链式反应的核心设施是核反应堆，它主要由以下几部分组成：(1)核燃料：铀棒。(2)慢化剂：铀235容易捕获慢中子发生反应，采用石墨、重水或普通水做慢化剂。(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。镉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，链式反应的速度会慢一些，这种镉棒叫作控制棒。2.核电站——利用核能发电的装置(1)工作原理：核燃料裂变释放的能量，使反应区温度升高。(2)能量输出：利用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：为避免射线对人体的伤害和放射性物质对水源、空气和工作场所造成的放射性污染，在反应堆的外面需要修建很厚的水泥层，用来屏蔽核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.核聚变(1)定义：两个轻核结合成质量较大的核，并释放出能量的反应。(2)举例：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：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，要使它们接近到这种程度，必须克服巨大的库仑斥力，这就要求原子核具有足够的动能，有一种方法就是把它们加热到很高的温度，温度高达几百万开尔文，因此核聚变又叫热核反应。(4)应用：目前，热核反应主要用在核武器上，那就是氢弹，需要用原子弹爆炸产生的高温高压引发热核爆炸。(5)太阳能：太阳的主要成分是氢，太阳中心温度可达1.6×107K，在此高温下，氢核聚变成氦核的反应不停地进行着，太阳能就来自于太阳内部核聚变释放的核能。2.受控热核反应(1)核聚变的优点：第一：轻核聚变产能效率高。第二：地球上核聚变燃料的储量丰富。第三：轻核聚变更为安全、清洁，控制温度，可控制反应，而且生成的废物数量少、易处理。(2)核聚变的难点：地球上没有任何容器能够经受热核反应的高温。(3)控制方法①磁约束：利用磁场约束参加反应的物质，目前最好的一种磁约束装置是环流器。②惯性约束：聚变物质因自身的惯性，在极短时间内来不及扩散就完成了核反应，在惯性约束下，用高能量密度的激光或X射线从各个方向照射反应物，使它们“挤”在一起发生反应。【判一判】(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。(√)(3)热核反应主要用在核武器上，那就是原子弹。(×)(4)轻核聚变比裂变更安全、清洁。(√)(5)实现核聚变的难点是地球上没有任何容器能够经受如此高的温度。(√)(6)现在聚变只要达到临界质量就可以发生。(×)探究1重核裂变及链式反应1.铀核的裂变(1)铀核受激发：当中子进入铀235后，使核处于激发状态，由于核子的激烈运动，使核变成不规则的形状。(2)铀核分裂：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。(3)核能的释放：裂变中比结合能变大，因而释放核能。(4)常见的裂变方程①eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(139,54)Xe＋eq\o\al(95,38)Sr＋2eq\o\al(1,0)n②eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(144,56)Ba＋eq\o\al(89,36)Kr＋3eq\o\al(1,0)n2.链式反应的条件(1)有慢中子轰击。(2)铀块的体积大于临界体积，或铀块的质量大于临界质量。3.铀核裂变释放核能的计算(1)首先算出裂变反应中发生的质量亏损Δm。(2)根据ΔE＝Δmc2计算释放的核能。计算时注意Δm与ΔE单位的对应关系，若Δm用kg做单位，ΔE用J做单位；Δm用u做单位，ΔE用MeV做单位，1u相当于931.5MeV的能量。(3)若计算一定质量的铀块完全裂变时放出的核能，应先算出铀块中有多少个铀核(设为n)，则铀块裂变释放的核能E＝nΔE。【例1】关于重核裂变的说法正确的是()A.重核裂变为两个中等质量的核时，重核的中子数要比裂变后的两个中等质量核的中子数少B.只要用中子轰击铀块，就一定能发生链式反应C.为了使裂变的链式反应容易发生，不能利用裂变时产生的中子D.裂变过程中释放能量，质量亏损答案D解析重核裂变为两个中等质量的核时，会产生两到三个中子，因此分裂后的中等质量核的中子数减小，故A错误；链式反应的发生是有条件的，铀块的体积必须大于其发生链式反应的临界体积，链式反应一旦发生，中子轰击铀核裂变产生的中子再次引起其他铀核的裂变，且能不断继续下去，故B、C错误；重核裂变时质量发生亏损，总能量减小，减小的能量对外释放，选项D正确。【例2】现有的核电站比较广泛采用的核反应之一是：eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(143,60)Nd＋Zr＋3eq\o\al(1,0)n＋8eq\o\al(0,－1)e＋ν(1)核反应方程中的ν是中微子，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相当于931.5MeV的能量，试计算1kg铀235大约能产生的能量是多少？答案(1)4090(2)5.06×1026MeV解析(1)由电荷数、质量数守恒可得锆的电荷数Z＝92－60＋8＝40，质量数A＝236－146＝90；核反应方程中应用符号eq\o\al(90,40)Zr表示。(2)1kg铀235的铀核数为n＝eq\f(1000,235)×6.02×1023＝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＝mU＋mn－mNd－mZr－3mn＝0.212u因此1kg铀235完全裂变产生的能量约为E＝n·Δm×931.5MeV＝2.56×1024×0.212×931.5MeV＝5.06×1026MeV。探究2核电站1.核电站的主要部件及作用如下表部件名称项目慢化剂控制棒热循环介质保护层采用的材料石墨、重水或普通水(也叫轻水)镉水或液态的金属钠很厚的水泥外壳作用降低中子速度，便于铀235吸收吸收中子，控制反应速度把反应堆内的热量传输出去屏蔽射线，防止放射性污染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，对该反应堆的下列说法正确的是()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的能量减少，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，故选项B正确，A错误；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，故选项C、D错误。【针对训练1】关于核反应堆，下列说法错误的是()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．石墨的作用是吸收中子D．冷却剂的作用是控制反应堆的温度和输出热能答案C解析铀棒是核燃料，裂变时可放出能量，故选项A正确；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，即控制反应堆功率，故选项B正确；慢中子最容易引发核裂变，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，故选项C错误；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，故选项D正确。探究3核聚变反应及核能的计算1.聚变发生的条件要使轻核聚变，必须使轻核接近核力发生作用的距离10－15m，这要克服电荷间强大的斥力作用，要求使轻核具有足够大的动能。要使原子核具有足够大的动能，就要给它们加热，使物质达到几百万开尔文的高温。2.核聚变的特点(1)在消耗相同质量的核燃料时，轻核聚变比重核裂变释放更多的能量。(2)热核反应一旦发生，就不再需要外界给它能量，靠自身产生的热就可以使反应进行下去。(3)普遍性：热核反应在宇宙中时时刻刻地进行着，太阳就是一个巨大的热核反应堆。3.核聚变的应用(1)核武器——氢弹：一种不需要人工控制的轻核聚变反应装置。它利用弹体内的原子弹爆炸产生的高温高压引发热核聚变爆炸。(2)可控热核反应：目前处于探索阶段。【例4】太阳内部持续不断地发生着四个质子聚变为一个氦核同时放出两个正电子的热核反应，这个核反应释放出的大量能量就是太阳的能源。已知质子质量为mH＝1.0073u，氦核质量为mHe＝4.0015u，电子质量为me＝0.00055u，1u相当于931.5MeV的能量，真空中的光速c＝3×108m/s。(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？答案(1)4eq\o\al(1,1)H→eq\o\al(4,2)He＋2eq\o\al(0,＋1)e(2)24.78MeV(3)4.22×109kg解析(1)由题意可得核反应方程应为4eq\o\al(1,1)H→eq\o\al(4,2)He＋2eq\o\al(0,＋1)e。(2)反应前的质量m1＝4mH＝4×1.0073u＝4.0292u，反应后的质量m2＝mHe＋2me＝4.0015u＋2×0.00055u＝4.0026u，Δm＝m1－m2＝0.0266u，由质能方程得，释放能量ΔE＝0.0266×931.5MeV＝24.78MeV。(3)由质能方程ΔE＝Δmc2得太阳每秒减少的质量Δm′＝eq\f(ΔE′,c2)＝eq\f(3.8×1026,（3×108）2)kg＝4.22×109kg。【针对训练2】(2021·山西晋中市高二月考)中国科学院成都研究所的“人工太阳”这一科技成果令世界刮目相看。人工太阳是利用氘核核聚变实现的，反应方程是eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(2,1)H→eq\o\al(3,2)He＋eq\o\al(1,0)n，下列说法正确的是()A.该反应过程中不满足电荷数守恒和质量数守恒B.重核裂变比轻核聚变更为安全、清洁C.聚变反应相比裂变反应中平均每个核子释放的能量多D.目前核反应堆产生的能量主要来自轻核聚变答案C解析核反应过程中满足电荷数守恒和质量数守恒，故A错误；轻核聚变相比重核裂变更为安全、清洁，故B错误；聚变反应相比裂变反应中平均每个核子释放的能量多，C正确；目前核反应堆产生的能量主要来自重核裂变，D错误。1.(重核裂变和链式反应)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，核子的平均结合能增加，可以释放出核能答案D解析中等大小的原子核的平均结合能最大，这些核最稳定，如果使较重的核分裂成中等大小的核，核子的平均结合能增加，可以释放出能量，故A错误，D正确；当一个中子引起一个铀核的裂变后，放出中子，放出的中子如果能引起其他铀核裂变，链式反应才能进行，B错误；核反应满足电荷数守恒和质量数守恒，C错误。2.(重核的裂变和链式反应)铀核裂变时，对于产生链式反应的重要因素，下列说法正确的是()A.铀块的质量是重要因素，与体积无关B.为了使铀235裂变的链式反应容易发生，最好直接利用裂变时产生的快中子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.裂变能否发生链式反应与铀块的质量无关答案C解析要发生链式反应必须使铀块体积(或质量)大于临界体积或临界质量，故选项A、D错误，C正确；铀235俘获慢中子发生裂变的几率大，快中子使铀235发生裂变的几率小，故选项B错误。3.(轻核的聚变和核能计算)某同学通过上网了解到利用氦3eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(eq\o\al(3,2)He))和氘核进行的核聚变安全无污染，容易控制。月球上有大量的氦3，因此获取氦3是开发月球的重要目标之一，“嫦娥五号”是我国首个实施无人月面取样返回的月球探测器。已知一个氘核eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(eq\o\al(2,1)H))和一个氦3聚变的生成物是氦4和一个未知粒子，eq\o\al(2,1)H的质量为m1，eq\o\al(3,2)He的质量为m2，eq\o\al(4,2)He的质量为m3，未知粒子的质量为m4，则()A.未知粒子是质子B.该核反应属于原子核的人工转变C.反应物和生成物的质量关系是m1＋m2＝m3＋m4D.氦4的结合能一定小于氦3的结合能答案A解析氘核eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(eq\o\al(2,1)H))和氦3聚变的核反应方程是eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,2)He→eq\o\al(4,2)He＋X，根据核反应方程的质量数守恒和电荷数守恒可知X的质量数为1，电荷数为1，所以X是质子，A正确；该核反应是原子核的聚变反应，B错误；核反应中会释放核能，释放的核能来源于核反应中的质量亏损，而亏损的质量为Δm＝m1＋m2－m3－m4，因为Δm≠0，故m1＋m2≠m3＋m4，C错误；组成原子核的核子越多，结合能越大，氦4比氦3多一个核子，故氦4的结合能要大些，D错误。课时定时训练(限时35分钟)题组一重核的裂变和链式反应1．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，其次加快发展风能和再生能源的政策，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4000万千瓦的水平，请根据所学物理知识，判断下列说法正确的是()A．核能发电对环境没有污染B．核能发电对环境的污染比火力发电要大C．现有核电站都只利用重核裂变释放大量的原子能D．现有核电站既可以利用重核裂变，又可以利用轻核聚变释放大量的原子能答案C解析目前，核电站都用核裂变，其原料是铀，且核能发电对环境的污染比火力发电要小，故选项C正确。2.(2021·广东广州市一模)广东大亚湾核电站是我国首座利用核裂变发电的大型商用核电站，核裂变反应方程eq\a\vs4\al(eq\o\al(235,92)U)＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(144,56)Ba＋eq\o\al(89,36)Kr＋aX中()A.X为电子，a＝1 B.X为质子，a＝3C.X为质子，a＝2 D.X为中子，a＝3答案D解析根据电荷数守恒知X的电荷数为92－36－56＝0，即质子数为0，所以X为中子，根据质量数守恒知X的质量数为235＋1－144－89＝a，可得a＝3，故选项D正确。3.铀原子核既可发生衰变，也可发生裂变。其衰变方程为eq\o\al(238,92)U→eq\o\al(234,90)Th＋X，裂变方程为eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→Y＋eq\o\al(89,36)Kr＋3eq\o\al(1,0)n，其中eq\o\al(235,92)U、eq\o\al(1,0)n、Y、eq\o\al(89,36)Kr的质量分别为m1、m2、m3、m4，光在真空中的传播速度为c。下列叙述正确的是()A.eq\o\al(238,92)U发生的是β衰变B.Y原子核中含有56个中子C.若提高温度，eq\o\al(238,92)U的半衰期将会变小D.eq\o\al(235,92)U裂变时释放的能量为(m1－2m2－m3－m4)c2答案D解析根据核反应过程中质量数守恒、电荷数守恒，知X为氦原子核，eq\o\al(238,92)U发生的是α衰变，A错误；Y的质量数A＝235＋1－89－3＝144，电荷数Z＝92－36＝56，由原子核的组成特点可知，Y原子核中含有56个质子，中子数为144－56＝88，B错误；半衰期与温度、压强等外界因素无关，C错误；由于核裂变的过程中释放能量，根据爱因斯坦质能方程得ΔE＝Δmc2＝(m1－2m2－m3－m4)c2，D正确。题组二轻核的聚变和核能的计算4.以下说法正确的是()A.聚变是裂变的逆反应B.如果裂变反应释放能量，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答案D解析裂变与聚变的反应物和生成物完全不同，裂变是重核分裂成中等核，而聚变则是轻核聚合成为较重核，无直接关联，并非互为逆反应，选项A错误；裂变与聚变都释放能量，选项B错误，D正确；要实现聚变反应，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。因此，总的来说，聚变反应还是释放能量，选项C错误。5.当两个中子和两个质子结合成一个α粒子时，放出28.30MeV的能量，当三个α粒子结合成一个碳(C)核时，放出7.26MeV的能量，则当6个中子和6个质子结合成一个碳(C)核时，释放的能量约为()A.21.04MeV B.35.56MeVC.77.64MeV D.92.16MeV答案D解析6个中子和6个质子可结合成3个α粒子，放出能量3×28.30MeV＝84.9MeV，3个α粒子再结合成一个碳核，放出7.26MeV能量，故6个中子和6个质子结合成一个碳核时，释放能量为84.9MeV＋7.26MeV＝92.16MeV。6.查德威克在用α粒子轰击铍核的实验中发现了中子，解决了物理学家在原子研究中遇到的难题，使原子物理研究取得了一项突破性进展。下列核反应方程中，产生的未知粒子(X1、X2、X3、X4)不是α粒子的是()A.eq\o\al(238,92)U→eq\o\al(234,90)Th＋X1 B.eq\o\al(234,90)Th→eq\o\al(234,91)Pa＋X2C.eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→X3＋eq\o\al(1,0)n D.2eq\o\al(2,1)H→X4答案B解析根据核反应遵循电荷数守恒和质量数守恒判断出X1、X3、X4是α粒子，X2是eq\o\al(0,－1)e，不是α粒子，选项B正确。7.(2021·江西南昌市月考)2020年12月4日，中国规模最大、参数最高的“人造太阳”，在成都正式建成并成功放电。这颗“人造太阳”其实就是中国新一代可控核聚变装置“中国环流器二号M”(HL－2M)，它的建成与开始放电，意味着中国“进一步加快人类探索未来能源的步伐”。在“中国环流器二号M”中，主要发生如下两种核反应：eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋X，X＋Y→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(3,1)H，则X与Y分别是()A.eq\o\al(1,0)n与eq\o\al(6,3)Li B.eq\o\al(1,0)n与eq\o\al(7,3)LiC.eq\o\al(1,1)H与eq\o\al(6,3)Li D.eq\o\al(1,1)H与eq\o\al(7,3)Li答案A解析根据质量数守恒和电荷数守恒得X是eq\o\al(1,0)n，Y是eq\o\al(6,3)Li。故选项A正确。8．下列说法不正确的是()A.eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)n是聚变B.eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(140,54)Xe＋eq\o\al(94,38)Sr＋2eq\o\al(1,0)n是裂变C.eq\o\al(226,88)Ra→eq\o\al(222,86)Rn＋eq\o\al(4,2)He是α衰变D.eq\o\al(24,11)Na→eq\o\al(24,12)Mg＋eq\o\al(0,－1)e是裂变答案D解析A选项中两个质量较轻的核结合成了一个质量较重的核，是聚变反应，故选项A正确；B选项中的核反应是铀核捕获中子裂变为两个(或更多)中等质量的核，并放出几个中子，是裂变反应，故选项B正确；在C选项的核反应中没有中子的轰击自发地放出了α粒子，是α衰变，选项C正确；而D选项应是β衰变，选项D错误。9.(2021·江苏星海实验中学高二期中)关于核衰变和核反应的类型，下列表述正确的有()A.eq\o\al(238,92)U→eq\o\al(234,90)Th＋eq\o\al(4,2)He是α衰变B.eq\o\al(14,7)N＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(17,8)O＋eq\o\al(1,1)H是轻核聚变C.eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)n是β衰变D.eq\o\al(82,34)Se→eq\o\al(82,36)Kr＋2eq\o\al(0,－1)e是重核裂变答案A解析核反应eq\o\al(238,92)U→eq\o\al(234,90)Th＋eq\o\al(4,2)He，这是原子核放出α粒子变成新的原子核，属于α衰变，A正确；核反应eq\o\al(14,7)N＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(17,8)O＋eq\o\al(1,1)H是用人工的方法产生新的原子核，因此属于原子核的人工转变，B错误；核反应eq\o\al(2,1)H＋eq\o\