2024-2025学年新教材高中物理课时作业17核裂变和核聚变核能的利用与环境保护含解析鲁科版选择性必修3

PAGE5-课时分层作业(十七)核裂变和核聚变核能的利用与环境爱护(建议用时：25分钟)◎考点一铀核裂变及链式反应1．下列核反应中，表示核裂变的是()A．eq\o\al(238,92)U→eq\o\al(234,90)Th＋eq\o\al(4,2)HeB．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)nC．eq\o\al(14,6)C→eq\o\al(14,7)N＋eq\o\al(0,－1)eD．eq\o\al(9,4)Be＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(12,6)C＋eq\o\al(1,0)nB[题目选项中，eq\o\al(238,92)U→eq\o\al(234,90)Th＋eq\o\al(4,2)He是α衰变，eq\o\al(14,6)C→eq\o\al(14,7)N＋eq\o\al(0,－1)e是β衰变，eq\o\al(9,4)Be＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(12,6)C＋eq\o\al(1,0)n是人工核转变，只有B选项是重核裂变，故B正确．]2．(多选)关于铀核裂变，下列说法正确的是()A．铀核裂变的产物是多种多样的，但只能裂变成两种不同的核B．铀核裂变可能同时释放2～3个中子C．为了使裂变的链式反应简单进行，最好用浓度较高的铀235D．铀块的体积对产生链式反应无影响BC[铀核裂变的产物是多种多样的，具有极大的偶然性，但裂变成两个核的状况较多，也会分裂成多个核，并放出几个中子．铀235被中子轰击时，裂变的概率大，且可以俘获各种能量的中子引起裂变，而铀238只有俘获能量在1MeV以上的中子才能发生裂变，且裂变的概率小，而要引起链式反应，必需使铀块的体积大于临界体积，为了使裂变的链式反应简单进行，最好用浓度较高的铀235．故选项B、C正确．]◎考点二重核裂变的应用3．关于核反应堆中用镉棒限制反应速度的原理，下列说法正确的是()A．镉棒能释放中子，依靠释放的多少限制反应速度B．用镉棒插入的多少限制快中子变为慢中子的数量C．利用镉棒对中子汲取实力强的特点，依靠插入的多少限制中子数量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限制反应速度C[镉棒不会释放中子，A错误；镉棒不是减速剂，不能使快中子变为慢中子，B、D错误；镉棒对中子有汲取作用，通过中子强度检测器检测，当反应太强，镉棒能自动插入，多汲取中子，反之，自动抽出，少汲取中子，故镉棒也叫限制棒，C正确．]4．裂变反应是目前核能利用中常用的反应，以原子核eq\o\al(235,92)U为燃料的反应堆中，eq\o\al(235,92)U俘获一个慢中子后发生裂变反应可以有多种方式，其中一种方式可表示为：eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(139,54)Xe＋eq\o\al(94,38)Sr＋3eq\o\al(1,0)n235.04391.0087138.917893.9154反应方程下方的数字是中子及有关原子核静止时的质量(以原子质量单位u为单位)，已知1u的质量对应的能量为931.5MeV，求：(1)该反应中放出的能量是多少MeV?(2)1kg铀235大约产生多少能量？(保留2位有效数字)[解析](1)裂变前后的质量亏损为Δm＝mU＋mn－mXe－mSr－3mn，由质能方程ΔE＝Δm×931.5MeV，得ΔE＝(235.0439－138.9178－93.9154－2×1.0087)×931.5MeV≈1.8×102MeV．(2)1kg铀235的铀核数为n＝eq\f(1000,235)×6.02×1023个≈2.56×1024个．故1kg铀235完全裂变产生的能量约为E＝n·ΔE＝2.56×1024×1.8×102MeV≈4.6×1026MeV．[答案](1)1.8×102MeV(2)4.6×1026MeV◎考点三重核裂变与轻核聚变的区分5．太阳每秒辐射出来的能量约为3.8×1026J，这些能量是()①重核的裂变反应中产生的②轻核的聚变反应中产生的③原子核的衰变反应中产生的④热核反应中产生的A．①② B．②③C．③④ D．②④D[由于太阳的主要成分是氢，它释放出的巨大能量来源于氢核的聚变反应．这一反应又叫热核反应，故D正确．]6．(多选)核聚变的主要原料是氘，在海水中含量极其丰富．已知氘核的质量为m1，中子的质量为m2，eq\o\al(3,2)He的质量为m3，质子的质量为m4，则下列说法中正确的是()A．两个氘核聚变成一个eq\o\al(3,2)He所产生的另一个粒子是质子B．两个氘核聚变成一个eq\o\al(3,2)He所产生的另一个粒子是中子C．两个氘核聚变成一个eq\o\al(3,2)He所释放的核能为(2m1－m3－m4)c2D．与受控核聚变比较，现行的核反应堆产生的废物具有放射性BD[由核反应方程2eq\o\al(2,1)H→eq\o\al(3,2)He＋eq\o\al(1,0)X知，X应为中子，释放的核能应为ΔE＝(2m1－m3－m2)c2，聚变反应的污染特别小，而现行的裂变反应的废料具有很强的放射性，故A、C错误，B、D正确．]7．我国自行设计并研制的“人造太阳”——托卡马克试验装置运行获得重大进展，这标记着我国已经迈入可控热核反应领域先进国家行列．该反应所进行的聚变过程是eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)n，反应原料氘(eq\o\al(2,1)H)富存于海水中，而氚(eq\o\al(3,1)H)是放射性元素，自然界中不存在，但可以通过中子轰击锂核(eq\o\al(6,3)Li)的人工核转变得到．(1)请把下列用中子轰击锂核(eq\o\al(6,3)Li)产生一个氚核(eq\o\al(3,1)H)和一个新核的人工核转变方程填写完整：________＋eq\o\al(1,0)n→________＋eq\o\al(3,1)H．(2)在(1)中，每产生1g氚的同时有多少个eq\o\al(6,3)Li核实现了核转变？(阿伏伽德罗常数NA取6.0×1023mol－1)(3)一个氘核和一个氚核发生核聚变时，平均每个核子释放的能量为5.6×10－13J，求该核聚变过程中的质量亏损．[解析](1)核反应方程为：eq\o\al(6,3)Li＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(3,1)H．(2)因为1g氚为eq\f(1,3)mol，依据核反应方程，实现核转变的eq\o\al(6,3)Li也为eq\f(1,3)mol，所以有2.0×1023个eq\o\al(6,3)Li实现了核转变．(3)依据爱因斯坦质能方程ΔE＝Δmc2，核聚变反应中有5个核子参与了反应，5个核子释放总能量ΔE＝5×5.6×10－13J＝2.8×10－12J，所以质量亏损为Δm＝eq\f(ΔE,c2)＝eq\f(2.8×10－12,3×1082)kg＝3.1×10－29kg．[答案](1)eq\o\al(6,3)Lieq\o\al(4,2)He(2)2.0×1023个(3)3.1×10－29kg◎考点四核能的利用与环境爱护8．(多选)2024年以前我国将新增投产2300万千瓦的核电站，核电站与火电站相比较，下列说法正确的是()A．核燃料释放的能量远大于相等质量的煤放出的能量B．就可采储量来说，地球上核燃料资源远大于煤炭C．在经济效益方面核电与火电不前不后D．核电站没有任何污染AC[核燃料释放的能量远大于相等质量的煤放出的能量，A项正确；就可采储量所供应的能量来说，远大于煤炭所能供应的能量，而不是采储量，B项错误；在经济效益方面核电与火电不前不后，C项正确；核电站是有污染的，核反应堆用过的核废料具有很强的辐射性，要做特别处理，D项错误．]9．(多选)如图所示，托卡马克(tokamak)是探讨受控核聚变的一种装置，这个词是toroidal(环形的)、kamera(真空室)、magnet(磁)的头两个字母以及kotushka(线圈)的第一个字母组成的缩写词．依据以上信息，下列推断中可能正确的是()A．这种装置的核反应原理是轻核的聚变，同时释放出大量的能量，和太阳发光的原理类似B．线圈的作用是通电产生磁场使带电粒子在磁场中旋转而不溢出C．这种装置同我国秦山、大亚湾核电站所运用核装置的核反应原理相同D．这种装置是科学家设想的其中一种方案ABD[聚变反应原料在装置中发生聚变，放出能量，故A对；线圈通电时产生磁场，带电粒子在磁场中受洛伦兹力作用旋转而不溢出，故B对；核电站的原理是裂变，托卡马克的原理是聚变，故C错；该装置是科学家设想的其中一种方案，故D对．](建议用时：15分钟)10．(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试验装置(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eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)nB．“人造太阳”的核反应方程是eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(141,56)Ba＋eq\o\al(92,36)Kr＋3eq\o\al(1,0)nC．依据公式E＝mc2可知，核燃料的质量相同时，聚变反应释放的能量与裂变反应相同D．核燃烧的质量相同时，聚变反应过程的质量亏损比裂变反应过程的质量亏损大得多AD[eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)n是氢核聚变方程，A正确；依据氢核聚变特点，相同质量的核燃料，氢核聚变释放的能量比裂变反应大得多，氢核聚变反应过程的质量亏损比裂变反应过程的质量亏损大得多，D正确．]11．利用氦3(eq\o\al(3,2)He)和氘进行的聚变反应平安无污染，简单限制．月球上有大量的氦3，每个航天大国都将获得氦3作为开发月球的重要目标之一．“嫦娥一号”探月卫星执行的一项重要任务就是评估月壤中氦3的分布和储量．已知两个氘核聚变生成一个氦3和一个中子的核反应方程是：2eq\o\al(2,1)H→eq\o\al(3,2)He＋eq\o\al(1,0)n＋3.26MeV，若有2g氘全部发生聚变，则释放的能量是(NA为阿伏伽德罗常数)()A．0.5×3.26MeV B．3.26MeVC．0.5NA×3.26MeV D．NA×3.26MeVC[2g氘核的摩尔数n＝eq\f(2,2)mol＝1mol，因为2个氘核聚变可放出3.26MeV的能量，所以2g氘核全部发生聚变时释放的能量为0.5NA×3.26MeV，故C正确，其他选项错误．]12．两个氘核聚变产生一个中子和一个氦核(氦的同位素)．已知氘核质量mD＝2.0136u，氦核质量mHe＝3.0150u，中子质量mn＝1.0087u．(1)写出聚变方程并算出释放的核能；(已知质量亏损1u释放的核能为931.5MeV)(2)若反应前两氘核的动能均为EkD＝0.35MeV．它们正面对撞发生聚变，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？[解析](1)核反应方程为eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(2,1)H→eq\o\al(1,0)n＋eq\o\al(3,2)He，该反应质量亏损Δm＝2mD－mHe－mn＝0.0035u，由质能方程得释放核能ΔE＝Δm×931.5MeV＝0.0035×931.5MeV≈3.26MeV．(2)将两个氘核作为一个系统，由系统动量守恒有0＝mHevHe－mnvn，由于eq\f(mHe,mn)＝eq\f(3,1)，则vHe＝eq\f(1,3)vn，又由能量守恒有eq\f(1,2)mHeveq\o\al(2,He)＋eq\f(1,2)mnveq\o\al(2,n)＝ΔE＋2EkD，代入数据可得EkHe＝0.99MeV，Ekn＝2.97MeV．[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)n3.26MeV(2)0.99MeV2.97MeV13．核聚变能是一种具有经济性能优越、平安牢靠、无环境污染等优势的新能源．近几年来，受控核聚变的科学可行性已得到验证，目前正在突破关键技术，最终将建成商用核聚变电站．一种常见的核聚变反应是由氢的同位素氘(又叫重氢)和氚(又叫超重氢)聚合成氦，并释放一个中子．若已知氘原子的质量为2.0141u，氚原子的质量为3.0160u，氦原子的质量为4.0026u