174核能和核反应（原卷版）-2024高考一轮复习100考点100讲

2024年高考一轮复习100考点100讲第17章原子物理第17.4讲核能和核反应【知识点精讲】1．核力(1)定义：原子核内部，核子间所特有的相互作用力。(2)特点：①核力是强相互作用的一种表现；②核力是短程力，作用范围在1.5×10－15m之内；③每个核子只跟它的相邻核子间才有核力作用。2．结合能核子结合为原子核时释放的能量或原子核分解为核子时吸收的能量，叫做原子核的结合能，亦称核能。3．质能方程、质量亏损爱因斯坦质能方程E＝mc2，原子核的质量必然比组成它的核子的质量和要小Δm，这就是质量亏损。由质量亏损可求出释放的核能ΔE＝Δmc2。4．重核裂变(1)定义：质量数较大的原子核受到高能粒子的轰击而分裂成几个质量数较小的原子核的过程。(2)典型的裂变反应方程：eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(89,36)Kr＋eq\o\al(144,56)Ba＋3eq\o\al(1,0)n。(3)链式反应：由重核裂变产生的中子使裂变反应一代接一代继续下去的过程。(4)临界体积和临界质量：裂变物质能够发生链式反应的最小体积及其相应的质量。(5)裂变的应用：原子弹、核反应堆。(6)反应堆构造：核燃料、减速剂、镉棒、防护层。5．轻核聚变(1)定义：两轻核结合成质量较大的核的反应过程。轻核聚变反应必须在高温下进行，因此又叫热核反应。(2)典型的聚变反应方程：eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)n＋17.6MeV6．粒子和宇宙(1)“基本粒子”不基本直到19世纪末，人们称光子、电子、质子和中子是基本粒子。(2)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介子及以后的超子等。(3)夸克模型上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克、底夸克、顶夸克；它们带的电荷量分别为元电荷的＋eq\f(2,3)或－eq\f(1,3)，每种夸克都有对应的反夸克。7．核反应的四种类型类型可控性核反应方程典例衰变α衰变自发eq\o\al(238,92)U→eq\o\al(234,90)Th＋eq\o\al(4,2)Heβ衰变自发eq\o\al(234,90)Th→eq\o\al(234,91)Pa＋eq\o\al(0,－1)e人工转变人工控制eq\o\al(14,7)N＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(17,8)O＋eq\o\al(1,1)H(卢瑟福发现质子)eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(9,4)Be→eq\o\al(12,6)C＋eq\o\al(1,0)n(查德威克发现中子)eq\o\al(27,13)Al＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(30,15)P＋eq\o\al(1,0)n约里奥·居里夫妇发现放射性同位素，同时发现正电子eq\o\al(30,15)P→eq\o\al(30,14)Si＋eq\o\al(0,＋1)e重核裂变比较容易进行人工控制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)neq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(136,54)Xe＋eq\o\al(90,38)Sr＋10eq\o\al(1,0)n轻核聚变很难控制eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)n8.书写核反应方程时应注意(1)必须遵守电荷数守恒、质量数守恒规律。(2)核反应方程中的箭头(→)表示核反应进行的方向，不能把箭头写成等号。【方法归纳】一重核裂变和轻核聚变的理解1．重核裂变(1)裂变：重核在一定条件下转变成两个中等质量的核的反应，叫做原子核的裂变反应。例如：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(2)链式反应：在裂变反应中用产生的中子，再被其他铀核俘获使反应继续下去。链式反应的条件：临界体积，极高的温度。(3)一个eq\o\al(235,92)U核裂变时放能约200MeV能量。1kgeq\o\al(235,92)U全部裂变放出的能量相当于2800吨煤完全燃烧放出的能量。2．轻核聚变(1)聚变反应：轻的原子核聚合成较重的原子核的反应，称为聚变反应。例如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(2)一个氘核与一个氚核结合成一个氦核时(同时放出一个中子)，释放出17.6MeV的能量，平均每个核子放出3MeV以上的能量。比裂变反应中平均每个核子放出的能量大3～4倍。【来源：21·世纪·教育·网】(3)聚变反应的条件：几百万开尔文的高温。二对质能方程、质量亏损的理解1．质能方程：一定的能量和一定的质量相联系，物体的总能量和它的质量成正比，即E＝mc2。方程的含义是：物体具有的能量与它的质量之间存在简单的正比关系，物体的能量增大，质量也增大；物体的能量减少，质量也减少。2．质量亏损：组成原子核的核子质量与原子核的质量之差。根据能量守恒，原子核的质量必然比组成它的核子的质量和要小Δm，这就是质量亏损，由质量亏损可求出释放的核能ΔE＝Δmc2。核子在结合成原子核时出现质量亏损Δm，其能量也要相应减少，即ΔE＝Δmc2；原子核分解成核子时要吸收一定的能量，相应的质量增加Δm，吸收的能量为ΔE＝Δmc2。3．质能方程的三个易错点：(1)质量亏损并不是质量消失，只是静止质量变成了运动的质量；(2)质量亏损也不是核子个数的减少，核反应中核子个数是不变的；(3)质量和能量这两个量并不可以相互转化，只是这两个量在数值上有联系。二核能的计算方法1．根据爱因斯坦质能方程列式计算：即ΔE＝Δmc2(Δm的单位：kg)。2．根据1原子质量单位(u)相当于931.5兆电子伏能量，则ΔE＝Δm×931.5MeV(Δm的单位：u，1u＝1.6606×10－27kg)。3．核反应遵守动量守恒定律和能量守恒定律，因此我们可以结合动量守恒定律和能量守恒定律来计算核能。【最新高考题精练】1．（2023广东卷）理论认为，大质量恒星塌缩成黑洞的过程，受核反应的影响．下列说法正确的是（）A．Y是粒子，射线穿透能力比射线强B．Y是粒子，射线电离能力比射线强C．Y是粒子，射线穿透能力比射线强D．Y是粒子，射线电离能力比射线强2.（2023天津卷）关于太阳上进行的核聚变，下列说法正确的是（）A.核聚变需要在高温下进行 B.核聚变中电荷不守恒C.太阳质量不变 D.太阳核反应方程式：3.（2022高考北京卷）2021年5月，中国科学院全超导托卡马克核聚变实验装置（）取得新突破，成功实现了可重复的1.2亿摄氏度101秒和1.6亿摄氏度20秒等离子体运行，创造托卡马克实验装置运行新的世界纪录，向核聚变能源应用迈出重要一步。等离子体状态不同于固体、液体和气体的状态，被认为是物质的第四态。当物质处于气态时，如果温度进一步升高，几乎全部分子或原子由于激烈的相互碰撞而离解为电子和正离子，此时物质称为等离子体。在自然界里，火焰、闪电、极光中都会形成等离子体，太阳和所有恒星都是等离子体。下列说法不正确的是（）A．核聚变释放的能量源于等离子体中离子的动能B．可以用磁场来约束等离子体C．尽管等离子体整体是电中性的，但它是电的良导体D．提高托卡马克实验装置运行温度有利于克服等离子体中正离子间的库仑斥力4.（2022高考辽宁物理）2022年1月，中国锦屏深地实验室发表了首个核天体物理研究实验成果。表明我国核天体物理研究已经跻身国际先进行列。实验中所用核反应方程为，己知、、的质量分别为，真空中的光速为c，该反应中释放的能量为E。下列说法正确的是（）A.X为氘核 B.X为氚核C. D.【最新模拟题精练】1．（2023南京三模）用中子轰击静止的锂核，核反应方程为。已知光子的频率为v，锂核的比结合能为，氦核的比结合能为，X核的比结合能为，普朗克常量为h，真空中光速为c、下列说法中正确的是（）A.X核为核 B.光子的动量C.释放核能 D.质量亏损2.(2023河北临考信息卷)2023年1月，“中国超环”成为世界上首个实现维持和调节超过1000秒的超长时间持续脉冲的核反应堆。其核反应方程为。已知的质量为，的质量为，的质量为，反应中释放出γ光子，下列说法正确的是A．该核反应在高温高压下才能发生，说明该核反应吸收能量B．X是中子，该核反应为核聚变反应C．γ光子来源于核外电子的能级跃迁D．X的质量为3.（2023云南师大附中模拟）中国首台“华龙一号”核电机组于2020年11月份并网发电，该核电技术安全指标和技术性能达到了国际三代核电技术的先进水平，具备国际竞争比较优势，具备完整自主知识产权，其核反应堆中的反应方程为，下列说法正确的是（）A.反应是衰变反应B.反应过程中吸收能量C.任何体积的都能发生链式反应D.结合能比结合能小4.（2023河北九师联盟质检）铀核裂变的产物是多样的，一种典型的铀核裂变是生成和原子核X，同时放出三个中子，核反应方程是。下列说法正确的是（）A.原子核X的中子数为87 B.原子核X的中子数为89C.的比结合能比X的比结合能小 D.的比结合能比X的比结合能大。5.（2023云南昆明一中六模）2022年3月25日中国自主三代核电“华龙一号”示范工程第2台机组——中核集团福清核电6号机组正式具备商运条件，华龙一号示范工程全面建成投运，标志着中国核电技术水平和综合实力跻身世界第一方阵。“华龙一号”利用重核的裂变，一个重要的核反应方程是。至此“华龙一号”示范工程全面建成投运，两台机组每年总发电量约度。则（）A.慢中子更容易使轴核发生裂变反应B.核反应方程中X是质子C.的结合能大于的结合能D.“华龙一号”两台机组发电一年需消耗核约为。6.（2023湖南怀化二模）中国“嫦娥五号”在月球采集的约2公斤月壤中含有地球上鲜有的，是地球上很难得到的清洁、安全和高效的核聚变发电燃料，被科学家们称为“完美能源”。有关聚变的核反应方程如下：①，②；下列说法正确的是（）A.X为质子，核反应①、②又称热核反应B.的比结合能比的比结合能大C.方程①中：反应前后原子核总质量相等D.方程②中：核子平均释放的能量约为2.14MeV7.在新能源中，核能是重要开发能源之一，其中氘（）、氚（）核聚变反应可以释放巨大的能量，氘（）在海水中储量极为丰富，海水里提取出的氘（），在完全的聚变反应中可释放出相当于燃烧汽油的能量。若氘（）、氚（）聚变成氦（），已知氘（）的平均结合能是，氚（）的平均结合能是，氦（）的平均结合能是。关于氘（）、氚（）核聚变反应，下列说法正确的是（）A.氘（）和氚（）核聚变反应的方程是B.氘（）和氚（）核聚变反应后质量数变小，释放能量C.氘（）和氚（）核聚变反应时释放的能量是D.在氘（）、氚（）、氦（）三种核中，氘（）最稳定8.（2023山东莱芜名校联考）太阳的能量来自于热核反应，其中一种核反应是四个质子聚变成一个α粒子，同时放出两个正电子和两个没有静止质量的中微子。已知α粒子的质量为mα，质子的质量为mp，电子的质量为me，c为光在真空中的传播速度，N为阿伏伽德罗常数。在这种核反应中1000g的氢核聚变所放出的能量为（）A1000（4mp+mα+2me）Nc2B.1000（mα＋2me－4mp）Nc2C.250（mα＋2me－4mp）Nc2D.250（4mp－mα－2me）Nc29.(2023浙江北斗星联盟模拟).硼中子俘获治疗技术（BNCT）是近年来国际肿瘤治疗领域新兴快速发展的精准诊疗技术，其原理是进入癌细胞内的硼原子核吸收慢中子，转变为锂原子核和粒子，并释放出γ光子。已知硼原子核的比结合能为E1，锂原子核的比结合能为E2，γ光子的能量为E3，这个核反应过程中质量亏损为Δm，普朗克常量为h，真空中的光速为c、则下面正确的是（）A.该核反应方程为B.γ光子的波长为C.α粒子的结合能为D.α粒子的比结合能为10.（2023河南洛阳等4市三模）在核物理中，衰变是原子核的自发变化；用人工的方法使原子核发生变化属于人工核转变；把重核分裂成质量较小的核，释放出核能的反应，称为核裂变；把轻核结合成质量较大的核