2025人教版物理重难点-选择性必修三专题5.4 核裂变与核聚变（含答案）

2025人教版物理重难点-选择性必修三专题5.4核裂变与核聚变（含答案）专题5.4核裂变与核聚变【人教版】TOC\o"1-3"\t"正文,1"\h【题型1裂变能的计算】 【题型2核反应堆】 【题型3聚变能的计算】 【题型4可控热核反应】 【题型5原子弹、氢弹】 【题型6核反应分类】 【题型7联系实际】 【题型8综合问题】 【题型1裂变能的计算】【例1】（多选）在核电站中，核反应堆释放的核能被转化为电能。核反应堆的工作原理是利用中子轰击重核发生裂变反应，释放出大量核能。已知核反应方程式是反应堆中发生的众多反应中的一种，其中的相对原子质量是235.0439u（单位原子质量1u=1.66×10-27kg），每次该核反应释放出的核能为173.8MeV。现有一座核电站发电能力为3.6×106kW，核能转化为电能的效率为45%，假定反应堆中发生的裂变全是本题中的核反应，下列说法正确的是（）A．X是n，a=3B．为使核反应堆持续正常工作，必须由外界不断地向铀块射入高速中子流C．该裂变反应每次释放出的核能与氢原子光谱中波长最短的一个光子的能量相当D．该核电站每年（1年按3×107s计算）消耗的质量约为3.4t【变式1-1】中国物理学家钱三强与何泽慧等合作，在利用中子打击铀的实验中，观察到三分裂变和四分裂变现象，如图，其中一种裂变反应式是U＋n→Ba＋Kr＋3n。用分别表示U、Ba、Kr核的质量，表示n粒子的质量，c为真空中的光速，下列说法正确的是（）A．链式反应能否发生跟铀原料的体积无关B．裂变产物Ba的比结合能大于U的比结合能C．该核反应过程中质量有所增加D．该核反应中放出的核能为【变式1-2】2021年4月，福清核电厂5号机组正式授牌，这标志着我国核能发电装机容量突破5000万千瓦。核反应方程是反应堆中发生的许多反应中的一种，、、、分别表示、、和中子的质量，光速为c。（1）求上述反应中一个U核裂变释放的核能；（2）若核能转化为电能的效率为50%，假设反应堆中裂变全是上述核反应，已知每次核反应中放出的核能，U核的质量约为，估算目前我国核电站平均每天最多消耗的纯净铀的质量（结果保留两位有效数字）。【变式1-3】在所有能源中，核能具有能量密度大，地区适应性强的优势，在核电站中，核反应堆释放的核能被转化为电能．核反应堆的工作原理是利用中子轰击重核发生裂变反应，释放出大量核能．(1)核反应方程式eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(141,56)Ba＋eq\o\al(92,36)Kr＋aX是反应堆中发生的许多核反应中的一种，eq\o\al(1,0)n为中子，X为待求粒子，a为X的个数，则X是什么？a为多少？以mU、mBa、mKr分别表示eq\o\al(235,92)U、eq\o\al(141,56)Ba、eq\o\al(92,36)Kr核的质量，mn、mp分别表示中子、质子的质量，c为光在真空中传播的速度，则在上述核反应过程中放出的核能ΔE是多少？(2)有一座发电能力为P＝1.00×106kW的核电站，核能转化为电能的效率η＝40%，假定反应堆中发生的裂变反应全是本题(1)中的核反应，已知每次核反应过程放出的核能ΔE＝2.78×10－11J，核的质量mU＝390×10－27kg，求每年(1年＝3.15×107s)消耗的eq\o\al(235,92)U的质量．【题型2核反应堆】【例2】2021年12月6日，全球第一台“华龙一号”核电机组——中核集团福建福清核电5号机组首个燃料循环结束，开始首次换料大修。如图为普通核反应堆的结构示意图，通过铀235链式反应实现核能的可控释放。下列说法正确的是（）A．镉棒通过改变中子的数量来控制反应速度B．中子速度越快越容易使链式反应发生C．正常运行的反应堆水泥防护层外会检测到大量α粒子D．铀核裂变时释放能量的多少与产物种类无关【变式2-1】秦山核电站是我国第一座核电站，其三期工程采用重水反应堆技术，利用中子(eq\o\al(1,0)n)与静止氘核(eq\o\al(2,1)H)的多次碰撞，使中子减速。已知中子某次碰撞前的动能为E，碰撞可视为弹性正碰。经过该次碰撞后，中子损失的动能为()A.eq\f(1,9)E B.eq\f(8,9)EC.eq\f(1,3)E D.eq\f(2,3)E【变式2-2】轴核裂变是核电站获得核能的主要途径，其一种裂变反应式是。下列说法正确的是（）A．反应式可化简为B．原子核的比结合能小于原子核的比结合能C．铀块体积对链式反应的发生有影响D．在裂变过程中没有质量亏损【变式2-3】2020年1月10日，黄旭华获2019年国家最高科学技术奖。他是中国第一代核潜艇总设计师，成功研制了我国第一代核潜艇，为我国海基核力量实现从无到有的历史性跨越做出了卓越的贡献。核潜艇是以核反应堆（如图所示）为动力来源的潜艇，反应堆的核反应方程式为：，下列说法正确的是（）A．元素有56个质子，144个中子B．的比结合能（平均结合能）大于的比结合能C．根据E=mc²，裂变后释放核能，裂变过程质量发生亏损D．要能发生链式反应，铀块的体积应小于临界体积【题型3聚变能的计算】【例3】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【变式3-1】现有两动能均为E0＝0.35MeV的eq\o\al(2,1)H在一条直线上相向运动，两个eq\o\al(2,1)H发生对撞后能发生核反应，得到eq\o\al(3,2)He和新粒子，且在核反应过程中释放的能量完全转化为eq\o\al(3,2)He和新粒子的动能。已知eq\o\al(2,1)H的质量为2.0141u，eq\o\al(3,2)He的质量为3.0160u，新粒子的质量为1.0087u，核反应时质量亏损1u释放的核能约为931MeV(如果涉及计算，结果保留整数)。则下列说法正确的是()A．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(1,1)HB．核反应前后不满足能量守恒定律C．新粒子的动能约为3MeVD.eq\o\al(3,2)He的动能约为4MeV【变式3-2】(多选)太阳辐射的总功率约为4×1026W，其辐射的能量来自于聚变反应.在聚变反应中，一个质量为1876.1MeV/c2(c为真空中的光速)的氘核(eq\o\al(2,1)H)和一个质量为2809.5MeV/c2的氚核(eq\o\al(3,1)H)结合为一个质量为3728.4MeV/c2的氦核(eq\o\al(4,2)He)，并放出一个X粒子，同时释放大约17.6MeV的能量.下列说法正确的是()A.X粒子是质子B.X粒子的质量为939.6MeV/c2C.太阳每秒因为辐射损失的质量约为4.4×109kgD.太阳每秒因为辐射损失的质量约为17.6MeV/c2【变式3-3】轻核聚变的一个核反应方程为：eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋X.若已知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，则下列说法中正确的是()A.eq\o\al(2,1)H和eq\o\al(3,1)H在常温下就能够发生聚变B．X是质子C．这个反应释放的核能为ΔE＝(m1＋m2－m3－m4)c2D．我国大亚湾核电站是利用轻核的聚变释放的能量来发电的【题型4可控热核反应】【例4】2019年8月我国已经建成了新托卡马克(EAST)装置一中国环流器二号M装置(HL—2M)，为“人造太阳”创造了条件，其等离子温度有望超过2亿摄氏度，将中国的聚变堆技术提升到了新的高度。设该热核实验反应前氘核(eq\o\al(2,1)H)的质量为m1，氚核(eq\o\al(3,1)H)的质量为m2，反应后氦核(eq\o\al(4,2)He)的质量为m3，中子(eq\o\al(1,0)n)的质量为m4。关于聚变的说法正确的是()A.核裂变比核聚变更为安全、清洁B.由核反应过程质量守恒可知m1＋m2＝m3＋m4C.两个轻核结合成质量较大的核，比结合能较聚变前减少D.HL—2M中发生的核反应方程式是eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)n【变式4-1】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(HL－2M)在成都建成并首次实现利用核聚变放电。下列方程中，正确的核聚变反应方程是()A.eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(1,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)nB.eq\o\al(238,92)U→eq\o\al(234,90)Th＋eq\o\al(4,2)HeC.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)nD.eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(27,13)Al→eq\o\al(30,15)P＋2eq\o\al(1,0)n【变式4-2】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：eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(2,1)H→eq\o\al(3,2)He＋eq\o\al(1,0)n。已知12H的质量为2.0136u，23He的质量为3.0150u，eq\o\al(1,0)n的质量为1.0087u,1u＝931MeV/c2。氘核聚变反应中释放的核能约为()A．3.7MeVB．3.3MeVC．2.7MeVD．0.93MeV【变式4-3】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．eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)n B.eq\o\al(14,7)N＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(17,8)O＋eq\o\al(1,1)HC．eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(27,13)Al→eq\o\al(30,15)P＋eq\o\al(1,0)n D.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【题型5原子弹、氢弹】【例5】“两弹一星”可以说长了中国人的志气，助了中国人的威风。下列核反应方程中，属于研究“两弹”的基本核反应方程的是（）①N+HeO+H②U+nSr+Xe+③UTh+He④H+HHe+nA．①② B．③④ C．②④ D．②③【变式5-1】20世纪60年代，我国以国防为主的尖端科技取得了突破性的发展。1964年，我国第一颗原子弹试爆成功；1967年，我国第一颗氢弹试爆成功。关于原子弹和氢弹，下列说法正确的是()A．原子弹和氢弹都是根据核裂变原理研制的B．原子弹和氢弹都是根据核聚变原理研制的C．原子弹是根据核裂变原理研制的，氢弹是根据核聚变原理研制的D．原子弹是根据核聚变原理研制的，氢弹是根据核裂变原理研制的【变式5-2】常言道，万物生长靠太阳，追根溯源，地球上消耗的能量绝大部分是来自太阳内部持续不断地发生核反应释放出的核能。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，这个核反应释放出的能量为ΔE，光在真空中的传播速度为c，下列说法正确的是()A.该核反应属于裂变反应B.方程中的X为电子(eq\o\al(0,－1)e)C.该核反应前后质量数守恒，因而反应前后总质量保持不变D.该核反应过程产生的质量亏损为Δm＝eq\f(ΔE,c2)【变式5-3】下列四幅图分别对应着四种说法，其中正确的是（）A．氢原子辐射出一个光子后，电势能增大，动能减小B．根据α、β、γ射线的特点可知，射线1是α射线，射线2是β射线，射线3是γ射线C．天然放射性元素的半衰期由原子核内部自身的因素决定，跟所处的化学状态和外部条件有关D．原子弹爆炸属于重核的裂变，其反应方程为【题型6核反应分类】【例6】在下列描述核过程的方程中，属于α衰变的是________，属于β衰变的是________，属于裂变的是________，属于聚变的是________．(填正确答案标号)A.eq\o\al(14,6)C→eq\o\al(14,7)N＋eq\o\al(0,－1)eB.eq\o\al(32,15)P→eq\o\al(32,16)S＋eq\o\al(0,－1)eC.eq\o\al(238,92)U→eq\o\al(234,90)Th＋eq\o\al(4,2)HeD.eq\o\al(14,7)N＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(17,8)O＋eq\o\al(1,1)HE.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)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【变式6-1】下列说法正确的是()A.eq\o\al(238,92)U→eq\o\al(234,90)Th＋X中X为中子，核反应类型为β衰变B.eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋Y中Y为中子，核反应类型为人工转变C.eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(136,54)Xe＋eq\o\al(90,38)Sr＋K，其中K为10个中子，核反应类型为重核裂变D.eq\o\al(14,7)N＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(17,8)O＋Z，其中Z为氢核，核反应类型为轻核聚变【变式6-2】(多选)2017年1月9日，大亚湾反应堆中微子实验工程获得国家自然科学一等奖.大多数原子核发生核反应的过程中都伴随着中微子的产生，例如核裂变、核聚变、β衰变等.下列关于核反应的说法正确的是()A.eq\o\al(234,90)Th衰变为eq\o\al(222,86)Rn，经过3次α衰变，2次β衰变B.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α衰变方程，eq\o\al(234,90)Th→eq\o\al(234,91)Pa＋eq\o\al(0,－1)e是β衰变方程C.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是核裂变方程，也是氢弹的主要核反应方程D.高速运动的α粒子轰击氮核可以从氮核中打出质子，其核反应方程为eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(14,7)N→eq\o\al(17,8)O＋eq\o\al(1,1)H【变式6-3】我国科学家为解决“玉兔号”月球车长时间处于黑夜工作的需要，研制了一种小型核能电池，将核反应释放的核能转变为电能，需要的功率并不大，但要便于防护其产生的核辐射.请据此猜测“玉兔号”所用核能电池有可能采纳的核反应方程是()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\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.eq\o\al(238,94)Pu→eq\o\al(238,95)Am＋eq\o\al(0,－1)eD.eq\o\al(27,13)Al＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(30,15)P＋eq\o\al(1,0)n【题型7联系实际】【例7】1930年英国物理学家考克饶夫和瓦尔顿建造了世界上第一台粒子加速器，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)【变式7-1】（多选）近日，目前全球规模最大的核聚变反应堆——欧洲联合环状反应堆（JET）（如图所示）的科研团队宣布，取得了核聚变技术的突破性进展，该反应堆在连续5秒时间内产生了59兆焦耳的能量（1兆=106），这打破了该装置在1997年创下的22兆焦耳核聚变能量的纪录。下列说法正确的是（）A．要使轻核发生聚变，原子核必须克服核力和库仑斥力B．该反应堆连续5秒产生的能量能为一个普通中国家庭提供大约一年的用电C．现在地球上消耗的能量，追根溯源，绝大部分来自太阳聚变释放的核能D．轻核聚变与重核裂变相比，聚变更为安全、清洁，废物数量少【变式7-2】（多选）我国自主三代核电“华龙一号”的每台机组每年发电量约为，相当于减排二氧化碳816万吨，对助力实现“碳达峰、碳中和”目标具有重要意义。下列说法正确的是（）A．该机组利用的是轻核聚变释放的能量发电B．该机组每年发电使原子核亏损的质量约为0.3kgC．“华龙一号”反应堆中可能存在的核反应D．“华龙一号”反应堆需要用镉棒吸收中子控制链式反应的速度【变式7-3】近日，中央广播电视总台发布2021年度国内十大科技新闻，中国“人造太阳”创亿度百秒世界新纪录位列之首，人造太阳基于核聚变的原理，则下列说法正确的是（

）A．核聚变又叫热核反应，反应一旦发生，不再需要外界能量，靠自身产生的热就会使反应继续下去B．目前核能发电是利用核聚变C．是一种核聚变反应D．聚变反应中由于形成质量较大的核，故反应后质量增加【题型8综合问题】【例8】（多选）下列四幅图涉及到不同的物理知识，其中说法正确的是（）A．图甲：卢瑟福通过分析α粒子散射实验结果，发现了质子B．图乙：用中子轰击铀核使其发生裂变，链式反应会释放出巨大的核能C．图丙：玻尔理论指出氢原子能级是分立的，所以原子发射光子的频率也是不连续的D．图丁：汤姆孙通过电子的发现揭示了原子核内还有复杂结构【变式8-1】下列说法中错误的是()A．若氢原子从n＝6能级向n＝1能级跃迁时辐射出的光不能使某金属发生光电效应，则氢原子从n＝6能级向n＝2能级跃迁时辐射出的光也不能使该金属发生光电效应B．核泄漏事故污染物eq\o\al(137,55)Cs能够产生对人体有害的辐射，其核反应方程式为eq\o\al(137,55)Cs→eq\o\al(137,56)Ba＋X，可以判断X为电子C．原子核发生一次β衰变，该原子外层就一定失去一个电子D．质子、中子、α粒子的质量分别是m1、m2、m3，质子和中子结合成一个α粒子，释放的能量是(2m1＋2m2－m3)c2【变式8-2】下列四幅图涉及不同的物理知识，如图所示，其中说法正确的是（）A．甲图中A处能观察到大量的闪光点，B处能看到较多的闪光点，C处观察不到闪光点B．图乙中用中子轰击铀核使其发生聚变，链式反应会释放出巨大的核能C．图丙中处于n=3能级的一个氢原子向低能级跃迁，最多可以放出3种频率的光D．丁图中用弧光灯照射原来就带电的锌板时，发现验电器的张角变大，说明锌板原来一定带正电【变式8-3】随着现代科学的发展，大量的科学发现促进了人们对原子、原子核的认识，下列有关原子、原子核的叙述正确的是()A．卢瑟福α粒子散射实验说明原子核内部具有复杂的结构B．天然放射现象表明原子核内部有电子C．轻核聚变反应方程有：eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)nD．氢原子从n＝3能级跃迁到n＝1能级和从n＝2能级跃迁到n＝1能级，前者跃迁辐射出的光子波长比后者的长

参考答案【题型1裂变能的计算】【例1】（多选）在核电站中，核反应堆释放的核能被转化为电能。核反应堆的工作原理是利用中子轰击重核发生裂变反应，释放出大量核能。已知核反应方程式是反应堆中发生的众多反应中的一种，其中的相对原子质量是235.0439u（单位原子质量1u=1.66×10-27kg），每次该核反应释放出的核能为173.8MeV。现有一座核电站发电能力为3.6×106kW，核能转化为电能的效率为45%，假定反应堆中发生的裂变全是本题中的核反应，下列说法正确的是（）A．X是n，a=3B．为使核反应堆持续正常工作，必须由外界不断地向铀块射入高速中子流C．该裂变反应每次释放出的核能与氢原子光谱中波长最短的一个光子的能量相当D．该核电站每年（1年按3×107s计算）消耗的质量约为3.4t【答案】AD【解析】根据质量数守恒和电荷数守恒可判断，X是n，a=235+1-141-92=3，A正确；核反应会产生中子流，故不需要一直由外界射入高速中子流，B错误；氢原子光谱波长最短的光子能量为13.6eV，该裂变反应每次释放出的核能为173.8MeV，两者不相等，C错误；则反应堆每年提供的能量为①核发电站一年提供的电能为②另外③联立①②③可得：，D正确；故选AD。【变式1-1】中国物理学家钱三强与何泽慧等合作，在利用中子打击铀的实验中，观察到三分裂变和四分裂变现象，如图，其中一种裂变反应式是U＋n→Ba＋Kr＋3n。用分别表示U、Ba、Kr核的质量，表示n粒子的质量，c为真空中的光速，下列说法正确的是（）A．链式反应能否发生跟铀原料的体积无关B．裂变产物Ba的比结合能大于U的比结合能C．该核反应过程中质量有所增加D．该核反应中放出的核能为【答案】B【解析】链式反应能否发生跟铀原料的临界体积有关，故A错误；裂变产物Ba的比结合能大于U的比结合能，从而产生质量亏损，放出能量，故B正确；该核反应过程中质量由亏损，故C错误；该核反应中放出的核能为，故D错误。故选B。【变式1-2】2021年4月，福清核电厂5号机组正式授牌，这标志着我国核能发电装机容量突破5000万千瓦。核反应方程是反应堆中发生的许多反应中的一种，、、、分别表示、、和中子的质量，光速为c。（1）求上述反应中一个U核裂变释放的核能；（2）若核能转化为电能的效率为50%，假设反应堆中裂变全是上述核反应，已知每次核反应中放出的核能，U核的质量约为，估算目前我国核电站平均每天最多消耗的纯净铀的质量（结果保留两位有效数字）。【答案】（1）；（2）【解析】（1）质量亏损释放的核能（2）目前每天的核电能量为则每天消耗的核能为则每天的核反应的U核个数每天消耗的纯净铀质量为【变式1-3】在所有能源中，核能具有能量密度大，地区适应性强的优势，在核电站中，核反应堆释放的核能被转化为电能．核反应堆的工作原理是利用中子轰击重核发生裂变反应，释放出大量核能．(1)核反应方程式eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(141,56)Ba＋eq\o\al(92,36)Kr＋aX是反应堆中发生的许多核反应中的一种，eq\o\al(1,0)n为中子，X为待求粒子，a为X的个数，则X是什么？a为多少？以mU、mBa、mKr分别表示eq\o\al(235,92)U、eq\o\al(141,56)Ba、eq\o\al(92,36)Kr核的质量，mn、mp分别表示中子、质子的质量，c为光在真空中传播的速度，则在上述核反应过程中放出的核能ΔE是多少？(2)有一座发电能力为P＝1.00×106kW的核电站，核能转化为电能的效率η＝40%，假定反应堆中发生的裂变反应全是本题(1)中的核反应，已知每次核反应过程放出的核能ΔE＝2.78×10－11J，核的质量mU＝390×10－27kg，求每年(1年＝3.15×107s)消耗的eq\o\al(235,92)U的质量．解：(1)由反应方程可知X为eq\o\al(1,0)n，a为3，释放的能量为ΔE＝(mU－mBa－mKr－2mn)c2.(2)因电站发电效率为40%，故电站消耗eq\o\al(235,92)U的功率为P′＝eq\f(P,40%)＝eq\f(106,40%)kW＝2.5×106kW，电站每年消耗eq\o\al(235,92)U的能量为W＝Pt＝2.5×109×3.15×107J＝7.875×1016J.每年消耗eq\o\al(235,92)U的质量为M＝eq\f(W,ΔE)mU＝eq\f(7.875×1016×390×10－27,2.78×10－11)kg＝1105kg.【题型2核反应堆】【例2】2021年12月6日，全球第一台“华龙一号”核电机组——中核集团福建福清核电5号机组首个燃料循环结束，开始首次换料大修。如图为普通核反应堆的结构示意图，通过铀235链式反应实现核能的可控释放。下列说法正确的是（）A．镉棒通过改变中子的数量来控制反应速度B．中子速度越快越容易使链式反应发生C．正常运行的反应堆水泥防护层外会检测到大量α粒子D．铀核裂变时释放能量的多少与产物种类无关【答案】A【解析】镉棒通过改变中子的数量来控制反应速度，故A正确；中子速度越快越不容易使链式反应发生，故B错误；正常运行的反应堆主要的辐射有γ辐射和中子辐射，水泥防护层外不可能检测到大量α粒子，故C错误；核裂变释放的能量与反应前后质量亏损有关，铀核裂变时会因产物种类不同导致质量亏损不同，释放能量不同，故D错误。故选A。【变式2-1】秦山核电站是我国第一座核电站，其三期工程采用重水反应堆技术，利用中子(eq\o\al(1,0)n)与静止氘核(eq\o\al(2,1)H)的多次碰撞，使中子减速。已知中子某次碰撞前的动能为E，碰撞可视为弹性正碰。经过该次碰撞后，中子损失的动能为()A.eq\f(1,9)E B.eq\f(8,9)EC.eq\f(1,3)E D.eq\f(2,3)E答案B解析设中子的质量为m，氘核的质量为2m，弹性正碰的过程满足动量守恒和能量守恒mv＝mv1＋2mv2，eq\f(1,2)mv2＝eq\f(1,2)mveq\o\al(2,1)＋eq\f(1,2)×2mveq\o\al(2,2)，由以上两式解得：v1＝－eq\f(1,3)v，由已知可得：E＝eq\f(1,2)mv2，中子损失的动能：ΔE＝eq\f(1,2)mv2－eq\f(1,2)mveq\o\al(2,1)＝eq\f(1,2)mv2－eq\f(1,2)meq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(－\f(1,3)v))eq\s\up12(2)＝eq\f(8,9)×eq\f(1,2)mv2＝eq\f(8,9)E。【变式2-2】轴核裂变是核电站获得核能的主要途径，其一种裂变反应式是。下列说法正确的是（）A．反应式可化简为B．原子核的比结合能小于原子核的比结合能C．铀块体积对链式反应的发生有影响D．在裂变过程中没有质量亏损【答案】C【解析】轴核裂变反应式中中子是核反应的条件，不能省略，A错误；比结合能的大小反映原子核的稳定程度，比结合能越大原子核越稳定，U原子核发生核裂变生成了其中一个Ba原子核，并释放大量的能量，故Ba原子核比U原子核更稳定，原子核的比结合能大于原子核的比结合能，B错误；铀块体积需达到临界体积才能发生链式反应，所以铀块体积对链式反应的发生有影响，C正确；根据裂变的特点可知，裂变反应中由于质量亏损释放出能量，D错误。故选C。【变式2-3】2020年1月10日，黄旭华获2019年国家最高科学技术奖。他是中国第一代核潜艇总设计师，成功研制了我国第一代核潜艇，为我国海基核力量实现从无到有的历史性跨越做出了卓越的贡献。核潜艇是以核反应堆（如图所示）为动力来源的潜艇，反应堆的核反应方程式为：，下列说法正确的是（）A．元素有56个质子，144个中子B．的比结合能（平均结合能）大于的比结合能C．根据E=mc²，裂变后释放核能，裂变过程质量发生亏损D．要能发生链式反应，铀块的体积应小于临界体积【答案】C【解析】根据核反应的质量数和电荷数守恒可知，X元素的电荷数（质子数）为p=56，质量数q=144，则含有144-56=88个中子，选项A错误；该反应放出核能，则生成物的比结合能（平均结合能）大于的比结合能，选项B错误；根据E=mc²，裂变后释放核能，裂变过程质量发生亏损，选项C正确；要能发生链式反应，铀块的体积应大于临界体积，选项D错误。故选C。【题型3聚变能的计算】【例3】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解析结合核反应方程知，1kg海水中的氘核全部发生聚变反应放出的能量E＝eq\f(1.0×1022,6)×43.15×1.6×10－13J≈1.15×1010J，根据题意得M＝eq\f(E,E0)M0＝eq\f(1.15×1010,2.9×107)×1kg≈400kg，故A、B、D项错误，C项正确。【变式3-1】现有两动能均为E0＝0.35MeV的eq\o\al(2,1)H在一条直线上相向运动，两个eq\o\al(2,1)H发生对撞后能发生核反应，得到eq\o\al(3,2)He和新粒子，且在核反应过程中释放的能量完全转化为eq\o\al(3,2)He和新粒子的动能。已知eq\o\al(2,1)H的质量为2.0141u，eq\o\al(3,2)He的质量为3.0160u，新粒子的质量为1.0087u，核反应时质量亏损1u释放的核能约为931MeV(如果涉及计算，结果保留整数)。则下列说法正确的是()A．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(1,1)HB．核反应前后不满足能量守恒定律C．新粒子的动能约为3MeVD.eq\o\al(3,2)He的动能约为4MeV解析：选C由核反应过程中的质量数和电荷数守恒可知eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(2,1)H→eq\o\al(3,2)He＋eq\o\al(1,0)n，则新粒子为中子eq\o\al(1,0)n，所以A错误；核反应过程中质量亏损，释放能量，亏损的质量转变为能量，仍然满足能量守恒定律，B错误；由题意可知ΔE＝(2.0141u×2－3.0160u－1.0087u)×931MeV/u≈3.3MeV，根据核反应中系统的能量守恒有EkHe＋Ekn＝2E0＋ΔE，根据核反应中系统的动量守恒有pHe－pn＝0由Ek＝eq\f(p2,2m)，可知eq\f(EkHe,Ekn)＝eq\f(mn,mHe)，解得EkHe＝eq\f(mn,mn＋mHe)(2E0＋ΔE)≈1MeV，Ekn＝eq\f(mHe,mn＋mHe)(2E0＋ΔE)≈3MeV，所以C正确，D错误。【变式3-2】(多选)太阳辐射的总功率约为4×1026W，其辐射的能量来自于聚变反应.在聚变反应中，一个质量为1876.1MeV/c2(c为真空中的光速)的氘核(eq\o\al(2,1)H)和一个质量为2809.5MeV/c2的氚核(eq\o\al(3,1)H)结合为一个质量为3728.4MeV/c2的氦核(eq\o\al(4,2)He)，并放出一个X粒子，同时释放大约17.6MeV的能量.下列说法正确的是()A.X粒子是质子B.X粒子的质量为939.6MeV/c2C.太阳每秒因为辐射损失的质量约为4.4×109kgD.太阳每秒因为辐射损失的质量约为17.6MeV/c2答案BC解析该聚变反应方程为eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)n，X为中子，故A错误；该核反应中质量的减少量Δm1＝17.6MeV/c2，由质能方程知，m氘＋m氚＝m氦＋mX＋Δm1，代入数据知1876.1MeV/c2＋2809.5MeV/c2＝3728.4MeV/c2＋mX＋17.6MeV/c2，故mX＝939.6MeV/c2，故B正确；太阳每秒辐射能量ΔE＝PΔt＝4×1026J，由质能方程知Δm＝eq\f(ΔE,c2)，故太阳每秒因为辐射损失的质量Δm＝eq\f(4×1026,3×1082)kg≈4.4×109kg，故C正确；因为ΔE＝4×1026J＝eq\f(4×1026,1.6×10－19)eV＝2.5×1039MeV，则太阳每秒因为辐射损失的质量为Δm＝eq\f(ΔE,c2)＝2.5×1039MeV/c2，故D错误.【变式3-3】轻核聚变的一个核反应方程为：eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋X.若已知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，则下列说法中正确的是()A.eq\o\al(2,1)H和eq\o\al(3,1)H在常温下就能够发生聚变B．X是质子C．这个反应释放的核能为ΔE＝(m1＋m2－m3－m4)c2D．我国大亚湾核电站是利用轻核的聚变释放的能量来发电的答案C解析eq\o\al(2,1)H和eq\o\al(3,1)H在常温下不能发生聚变，只有在高温下才能发生聚变，故A错误；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，为中子，故B错误；该反应的质量亏损为Δm＝m1＋m2－m3－m4，ΔE＝Δmc2＝(m1＋m2－m3－m4)c2，故C正确；我国大亚湾核电站是利用重核的裂变释放的能量来发电的，故D错误．【题型4可控热核反应】【例4】2019年8月我国已经建成了新托卡马克(EAST)装置一中国环流器二号M装置(HL—2M)，为“人造太阳”创造了条件，其等离子温度有望超过2亿摄氏度，将中国的聚变堆技术提升到了新的高度。设该热核实验反应前氘核(eq\o\al(2,1)H)的质量为m1，氚核(eq\o\al(3,1)H)的质量为m2，反应后氦核(eq\o\al(4,2)He)的质量为m3，中子(eq\o\al(1,0)n)的质量为m4。关于聚变的说法正确的是()A.核裂变比核聚变更为安全、清洁B.由核反应过程质量守恒可知m1＋m2＝m3＋m4C.两个轻核结合成质量较大的核，比结合能较聚变前减少D.HL—2M中发生的核反应方程式是eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)n答案D解析轻核聚变比核裂变更为安全、清洁，选项A错误；核反应过程中质量数守恒，但质量不守恒，核反应过程中存在质量亏损，因此m1＋m2≠m3＋m4，选项B错误；两个轻核结合成质量较大的核，根据质量亏损与质能方程，则有聚变后比结合能将增大，选项C错误；根据质量数和核电荷数守恒知HL—2M中发生的核反应方程式是eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)n，选项D正确。【变式4-1】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(HL－2M)在成都建成并首次实现利用核聚变放电。下列方程中，正确的核聚变反应方程是()A.eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(1,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)nB.eq\o\al(238,92)U→eq\o\al(234,90)Th＋eq\o\al(4,2)HeC.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)nD.eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(27,13)Al→eq\o\al(30,15)P＋2eq\o\al(1,0)n答案A解析A项方程是核聚变，B项方程为α衰变，C项方程为重核裂变，D项方程为人工核转变。故选A。【变式4-2】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：eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(2,1)H→eq\o\al(3,2)He＋eq\o\al(1,0)n。已知12H的质量为2.0136u，23He的质量为3.0150u，eq\o\al(1,0)n的质量为1.0087u,1u＝931MeV/c2。氘核聚变反应中释放的核能约为()A．3.7MeVB．3.3MeVC．2.7MeVD．0.93MeV解析：选B氘核聚变反应的质量亏损为Δm＝2×2.0136u－(3.0150u＋1.0087u)＝0.0035u，释放的核能为ΔE＝Δmc2＝0.0035×931MeV/c2×c2≈3.3MeV，选项B正确。【变式4-3】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．eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)n B.eq\o\al(14,7)N＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(17,8)O＋eq\o\al(1,1)HC．eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(27,13)Al→eq\o\al(30,15)P＋eq\o\al(1,0)n D.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解析：选AA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。【题型5原子弹、氢弹】【例5】“两弹一星”可以说长了中国人的志气，助了中国人的威风。下列核反应方程中，属于研究“两弹”的基本核反应方程的是（）①N+HeO+H②U+nSr+Xe+③UTh+He④H+HHe+nA．①② B．③④ C．②④ D．②③【答案】C【解析】“两弹”是指原子弹和氢弹，原子弹是铀核裂变氢弹是轻核聚变，故选C。【变式5-1】20世纪60年代，我国以国防为主的尖端科技取得了突破性的发展。1964年，我国第一颗原子弹试爆成功；1967年，我国第一颗氢弹试爆成功。关于原子弹和氢弹，下列说法正确的是()A．原子弹和氢弹都是根据核裂变原理研制的B．原子弹和氢弹都是根据核聚变原理研制的C．原子弹是根据核裂变原理研制的，氢弹是根据核聚变原理研制的D．原子弹是根据核聚变原理研制的，氢弹是根据核裂变原理研制的解析：选C原子弹是根据重核裂变研制的，而氢弹是根据轻核聚变研制的，故A、B、D错误，C正确。【变式5-2】常言道，万物生长靠太阳，追根溯源，地球上消耗的能量绝大部分是来自太阳内部持续不断地发生核反应释放出的核能。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，这个核反应释放出的能量为ΔE，光在真空中的传播速度为c，下列说法正确的是()A.该核反应属于裂变反应B.方程中的X为电子(eq\o\al(0,－1)e)C.该核反应前后质量数守恒，因而反应前后总质量保持不变D.该核反应过程产生的质量亏损为Δm＝eq\f(ΔE,c2)答案D解析该核反应属于聚变反应，选项A错误；根据质量数和电荷数守恒可知，方程中的X为正电子(eq\o\al(0,1)e)，选项B错误；该核反应前后质量数守恒，但是由于反应放出能量，则反应前后有质量亏损，选项C错误；根据ΔE＝Δmc2可知，该核反应过程产生的质量亏损为Δm＝eq\f(ΔE,c2)，选项D正确。【变式5-3】下列四幅图分别对应着四种说法，其中正确的是（）A．氢原子辐射出一个光子后，电势能增大，动能减小B．根据α、β、γ射线的特点可知，射线1是α射线，射线2是β射线，射线3是γ射线C．天然放射性元素的半衰期由原子核内部自身的因素决定，跟所处的化学状态和外部条件有关D．原子弹爆炸属于重核的裂变，其反应方程为【答案】B【解析】氢原子辐射出一个光子后，原子能级降低，电子的动能增大，电势能减小，故A错误；三种射线的穿透本领不同，根据α、β、γ射线的特点可知，射线1的穿透本领最弱，是α射线，射线3的穿透本领最强，是γ射线，射线2是β射线，故B正确；天然放射性元素的半衰期由原子核内部自身的因素决定，跟所处的化学状态和外部条件无关，故C错误；重核的裂变是重核俘获一个慢中子后才能发生的，所以核反应方程为故D错误。故选B。【题型6核反应分类】【例6】在下列描述核过程的方程中，属于α衰变的是________，属于β衰变的是________，属于裂变的是________，属于聚变的是________．(填正确答案标号)A.eq\o\al(14,6)C→eq\o\al(14,7)N＋eq\o\al(0,－1)eB.eq\o\al(32,15)P→eq\o\al(32,16)S＋eq\o\al(0,－1)eC.eq\o\al(238,92)U→eq\o\al(234,90)Th＋eq\o\al(4,2)HeD.eq\o\al(14,7)N＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(17,8)O＋eq\o\al(1,1)HE.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)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衰变是指自原子核内自发地放出一个电子(eq\o\al(0,－1)e)，同时原子序数增加1的过程，A、B两项符合要求；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更多质量较小的原子核，同时放出多个中子和很大能量的过程，只有E项符合要求；聚变是指由两个轻原子核(一般是氘核和氚核)结合成较重原子核(氦核)并放出大量能量的过程，F项符合要求．【变式6-1】下列说法正确的是()A.eq\o\al(238,92)U→eq\o\al(234,90)Th＋X中X为中子，核反应类型为β衰变B.eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋Y中Y为中子，核反应类型为人工转变C.eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(136,54)Xe＋eq\o\al(90,38)Sr＋K，其中K为10个中子，核反应类型为重核裂变D.eq\o\al(14,7)N＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(17,8)O＋Z，其中Z为氢核，核反应类型为轻核聚变答案C解析根据核反应的质量数和电荷数守恒可知，A选项反应中的X质量数为4，电荷数为2，为α粒子，核反应类型为α衰变，选项A错误；B选项反应中的Y质量数为1，电荷数为0，为中子，核反应类型为轻核聚变，选项B错误；C选项反应中的K质量数总数为10，电荷数为0，则K为10个中子，核反应类型为重核裂变，选项C正确；D选项反应中的Z质量数为1，电荷数为1，为质子，核反应类型为人工转变，选项D错误.【变式6-2】(多选)2017年1月9日，大亚湾反应堆中微子实验工程获得国家自然科学一等奖.大多数原子核发生核反应的过程中都伴随着中微子的产生，例如核裂变、核聚变、β衰变等.下列关于核反应的说法正确的是()A.eq\o\al(234,90)Th衰变为eq\o\al(222,86)Rn，经过3次α衰变，2次β衰变B.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α衰变方程，eq\o\al(234,90)Th→eq\o\al(234,91)Pa＋eq\o\al(0,－1)e是β衰变方程C.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是核裂变方程，也是氢弹的主要核反应方程D.高速运动的α粒子轰击氮核可以从氮核中打出质子，其核反应方程为eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(14,7)N→eq\o\al(17,8)O＋eq\o\al(1,1)H答案AD解析eq\o\al(234,90)Th衰变为eq\o\al(222,86)Rn，经过3次α衰变，2次β衰变，故A项正确；eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)n是核聚变方程，eq\o\al(234,90)Th→eq\o\al(234,91)Pa＋eq\o\al(0,－1)e是β衰变方程，故B项错误；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是核裂变方程，不是氢弹的主要核反应方程，故C项错误；高速运动的α粒子轰击氮核可以从氮核中打出质子，其核反应方程为eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(14,7)N→eq\o\al(17,8)O＋eq\o\al(1,1)H，故D项正确.【变式6-3】我国科学家为解决“玉兔号”月球车长时间处于黑夜工作的需要，研制了一种小型核能电池，将核反应释放的核能转变为电能，需要的功率并不大，但要便于防护其产生的核辐射.请据此猜测“玉兔号”所用核能电池有可能采纳的核反应方程是()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\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.eq\o\al(238,94)Pu→eq\o\al(238,95)Am＋eq\o\al(0,－1)eD.eq\o\al(27,13)Al＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(30,15)P＋eq\o\al(1,0)n答案C解析A项中反应是轻核聚变，反应剧烈，至今可控聚变反应还处于各种实验研究阶段，故A项不合题意；B项中反应是重核裂变，虽然实现了人工控制，但因反应剧烈，防护要求高还不能小型化，故B项不合题意；C项中反应是人工放射性同位素的衰变反应，是小型核能电池主要采用的反应方式，故C项符合题意；D项中反应是人工核反应，需要高能α粒子，故D项不合题意.【题型7联系实际】【例7】1930年英国物理学家考克饶夫和瓦尔顿建造了世界上第一台粒子加速器，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)mveq\o\al(2,0)解析(1)核反应方程满足质量数守恒和电荷数守恒eq\o\al(7,3)Li＋eq\o\al(1,1)H→2eq\o\al(4,2)He(2)核反应过程，动量守恒mv0＝4m×1.5v0＋4mv根据能量守恒定律ΔE＝eq\f(1,2)(4m)×eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(1.5v0))2＋eq\f(1,2)×4mv2－eq\f(1,2)mveq\o\al(2,0)＝eq\f(57,8)mveq\o\al(2,0)【变式7-1】（多选）近日，目前全球规模最大的核聚变反应堆——欧洲联合环状反应堆（JET）（如图所示）的科研团队宣布，取得了核聚变技术的突破性进展，该反应堆在连续5秒时间内产生了59兆焦耳的能量（1兆=106），这打破了该装置在1997年创下的22兆焦耳核聚变能量的纪录。下列说法正确的是（）A．要使轻核发生聚变，原子核必须克服核力和库仑斥力B．该反应堆连续5秒产生的能量能为一个普通中国家庭提供大约一年的用电C．现在地球上消耗的能量，追根溯源，绝大部分来自太阳聚变释放的核能D．轻核聚变与重核裂变相比，聚变更为安全、清洁，废物数量少【答案】CD【解析】要使轻核发生聚变，原子核必须克服巨大的库仑斥力，使原子核的距离达到10－15m以内，从而使核力起作用，故A错误；1度电表示的电能为该反应堆连续5秒产生的能量为这些能量显然不能为一个普通中国家庭提供大约一年的用电，故B错误；现在地球上消耗的能量，追根溯源，绝大部分来自太阳聚变释放的核能，故C正确；轻核聚变与重核裂变相比，聚变更为安全、清洁，废物数量少，故D正确。故选CD。【变式7-2】（多选）我国自主三代核电“华龙一号”的每台机组每年发电量约为，相当于减排二氧化碳816万吨，对助力实现“碳达峰、碳中和”目标具有重要意义。下列说法正确的是（）A．该机组利用的是轻核聚变释放的能量发电B．该机组每年发电使原子核亏损的质量约为0.3kgC．“华龙一号”反应堆中可能存在的核反应D．“华龙一号”反应堆需要用镉棒吸收中子控制链式反应的速度【答案】CD【解析】由题知该机组利用的是重核裂变释放的能量发电，A错误；根据质能方程可知每年亏损的质量，B错误；根据质量数守恒和电荷数守恒，用中子轰击的核反应可能为，C正确；在“华龙一号”反应堆中，当反应速度过快时，用镉棒吸收过多的中子，以控制链式反应的速度，D正确。故选CD。【变式7-3】近日，中央广播电视总台发布2021年度国内十大科技新闻，中国“人造太阳”创亿度百秒世界新纪录位列之首，人造太阳基于核聚变的原理，则下列说法正确的是（

）A．核聚变又叫热核反应，反应一旦发生，不再需要外界能量，靠自身产生的热就会使反应继续下去B．目前核能发电是利用核聚变C．是一种核聚变反应D．聚变反应中由于形成质量较大的核，故反应后质量增加【答案】A【解析】核聚变又叫热核反应，反应一旦发生，不再需要外界能量，靠自身产生的热就会使反应继续下去，故A正确；目前核能发电是利用核裂变，故B错误；是原子核的人工转变，故C错误；聚变反应释放核能，存在质量亏损，即反应后质量减少，故D错误。故选A。【题型8综合问题】【例8】（多选）下列四幅图涉及到不同的物理知识，其中说法正确的是（）A．图甲：卢瑟福通过分析α粒子散射实验结果，发现了质子B．图乙：用中子轰击铀核使其发生裂变，链式反应会释放出巨大的核能C．图丙：玻尔理论指出氢原子能级是分立的，所以原子发射光子的频率也是不连续的D．图丁：汤姆孙通过电子的发现揭示了原子核内还有复杂结构【答案】BC【解析】卢瑟福通过分析α粒子散射实验结果，得出原子的核式结构模型，没有发现质子，A错误；用中子轰击铀核使其发生裂变，裂变反应会释放出巨大的核能，B正确；玻尔理论指出氢原子能级是分立的，所以原子发射光子的频率也是不连续的，C正确；汤姆孙通过电子的发现揭示了原子有一定结构，天然放射现象的发现揭示了原子核内还有复杂结构，D错误。故选BC。【变式8-1】下列说法中错误的是()A．若氢原子从n＝6能级向n＝1能级跃迁时辐射出的光不能使某金属发生光电效应，则氢原子从n＝6能级向n＝2能级跃迁时辐射出的光也不能使该金属发生光电效应B．核泄漏事故污染物eq\o\al(137,55)Cs能够产生对人体有害的辐射，其核反应方程式为eq\o\al(137,55)Cs→eq\o\al(137,56)Ba＋X，可以判断X为电子C．原子核发生一次β衰变，该原子外层就一定失去一个电子D．质子、中子、α粒子的质量分别是m1、m2、m3，质子和中子结合成一个α粒子，释放的能量是(2m1＋2m2－m3)c2答案C解析根据玻尔理论可知，氢原子从n＝6能级向n＝1能级跃迁时辐射出的光子的能量大于氢原子从n＝6能级向n＝2能级跃迁时辐射出的光子的能量，结合光电效应发生的条件可知，若氢原子从n＝6能级向n＝1能级跃迁时辐射出的光不能使某金属发生光电效应，则氢原子从n＝6能级向n＝2能级跃迁时辐射出的光也不能使该金属发生光电效应，故A正确；根据质量数守恒与电荷数守恒可知，核反应方程式eq\o\al(137,55)Cs→eq\o\al(137,56)Ba＋X中，X的质量数为0，电荷数为：Z＝55－56＝－1，所以X为电子，故B正确；β衰变的实质是原子核中的一个中子转变为一个质子和一个电子，电子释放出来，不是来自核外电子，故C错误；根据爱因斯坦质能方程知，质子和中子结合成α粒子，核反应方程为2eq\o\al(1,1)H＋2eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(4,2)He，释放的能量是ΔE＝Δmc2＝(2m1＋2m2－m3)c2，故D正确．【变式8-2】下列四幅图涉及不同的物理知识，如图所示，其中说法正确的是（）A．甲图中A处能观察到大量的闪光点，B处能看到较多的闪光点，C处观察不到闪光点B．图乙中用中子轰击铀核使其发生聚变，链式反应会释放出巨大的核能C．图丙中处于n=3能级的一个氢原子向低能级跃迁，最多可以放出3种频率的光D．丁图中用弧光灯照射原来就带电的锌板时，发现验电器的张角变大，说明锌板原来一定带正电【答案】D【解析】甲图是卢瑟福α粒子散射实验，α粒子与金箔撞击后，绝大多数粒子不发生偏转，少数粒子发生明显偏转，极少数粒子发生较大程度的偏转，甚至是反向，所以在C处也能看到少量的闪光点，故A错误；B．图乙是中子轰击原子核发生裂变反应，不是聚变反应，故B错误；一个处于n=3能级的氢原子发生跃迁时，可以从能级3跃迁到能级2，释放出一种光子，接着再从能级2跃迁到能级1，再释放出另一种光子，所以一个处于n=3能级的氢原子跃迁时最多只能放出2种不同频率的光子，故C错误；发生光电效应时，电子从锌板表面逸出，会使锌板会带上正电。如果用弧光灯照射原本就带电的锌板，发现验电器张角变大时，说明锌板所带电荷量增加，因此说明锌板原来一定带正电，故D正确。故选D。【变式8-3】随着现代科学的发展，大量的科学发现促进了人们对原子、原子核的认识，下列有关原子、原子核的叙述正确的是()A．卢瑟福α粒子散射实验说明原子核内部具有复杂的结构B．天然放射现象表明原子核内部有电子C．轻核聚变反应方程有：eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)nD．氢原子从n＝3能级跃迁到n＝1能级和从n＝2能级跃迁到n＝1能级，前者跃迁辐射出的光子波长比后者的长答案C解析卢瑟福的α粒子散射实验说明原子具有核式结构模型，没有涉及原子核内部结构，A错误；天然放射现象只说明原子核内部有复杂结构，原子核内部没有电子，衰变产生的电子，是原子核内部的中子转变为质子和电子，电子释放出来，B错误；轻核聚变方程电荷数守恒、质量数守恒，C正确；氢原子从n＝3能级跃迁到n＝1能级和从n＝2能级跃迁到n＝1能级，前者辐射的光子能量大，即光子的频率大，则前者辐射的光子波长比后者短，D错误．专题5.4核裂变与核聚变【人教版】TOC\o"1-3"\t"正文,1"\h【题型1裂变能的计算】 【题型2核反应堆】 【题型3聚变能的计算】 【题型4可控热核反应】 【题型5原子弹、氢弹】 【题型6核反应分类】 【题型7联系实际】 【题型8综合问题】 【题型1裂变能的计算】【例1】（多选）在核电站中，核反应堆释放的核能被转化为电能。核反应堆的工作原理是利用中子轰击重核发生裂变反应，释放出大量核能。已知核反应方程式是反应堆中发生的众多反应中的一种，其中的相对原子质量是235.0439u（单位原子质量1u=1.66×10-27kg），每次该核反应释放出的核能为173.8MeV。现有一座核电站发电能力为3.6×106kW，核能转化为电能的效率为45%，假定反应堆中发生的裂变全是本题中的核反应，下列说法正确的是（）A．X是n，a=3B．为使核反应堆持续正常工作，必须由外界不断地向铀块射入高速中子流C．该裂变反应每次释放出的核能与氢原子光谱中波长最短的一个光子的能量相当D．该核电站每年（1年按3×107s计算）消耗的质量约为3.4t【答案】AD【解析】根据质量数守恒和电荷数守恒可判断，X是n，a=235+1-141-92=3，A正确；核反应会产生中子流，故不需要一直由外界射入高速中子流，B错误；氢原子光谱波长最短的光子能量为13.6eV，该裂变反应每次释放出的核能为173.8MeV，两者不相等，C错误；则反应堆每年提供的能量为①核发电站一年提供的电能为②另外③联立①②③可得：，D正确；故选AD。【变式1-1】中国物理学家钱三强与何泽慧等合作，在利用中子打击铀的实验中，观察到三分裂变和四分裂变现象，如图，其中一种裂变反应式是U＋n→Ba＋Kr＋3n。用分别表示U、Ba、Kr核的质量，表示n粒子的质量，c为真空中的光速，下列说法正确的是（）A．链式反应能否发生跟铀原料的体积无关B．裂变产物Ba的比结合能大于U的比结合能C．该核反应过程中质量有所增加D．该核反应中放出的核能为【答案】B【解析】链式反应能否发生跟铀原料的临界体积有关，故A错误；裂变产物Ba的比结合能大于U的比结合能，从而产生质量亏损，放出能量，故B正确；该核反应过程中质量由亏损，故C错误；该核反应中放出的核能为，故D错误。故选B。【变式1-2】2021年4月，福清核电厂5号机组正式授牌，这标志着我国核能发电装机容量突破5000万千瓦。核反应方程是反应堆中发生的许多反应中的一种，、、、分别表示、、和中子的质量，光速为c。（1）求上述反应中一个U核裂变释放的核能；（2）若核能转化为电能的效率为50%，假设反应堆中裂变全是上述核反应，已知每次核反应中放出的核能，U核的质量约为，估算目前我国核电站平均每天最多消耗的纯净铀的质量（结果保留两位有效数字）。【答案】（1）；（2）【解析】（1）质量亏损释放的核能（2）目前每天的核电能量为则每天消耗的核能为则每天的核反应的U核个数每天消耗的纯净铀质量为【变式1-3】在所有能源中，核能具有能量密度大，地区适应性强的优势，在核电站中，核反应堆释放的核能被转化为电能．核反应堆的工作原理是利用中子轰击重核发生裂变反应，释放出大量核能．(1)核反应方程式eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(141,56)Ba＋eq\o\al(92,36)Kr＋aX是反应堆中发生的许多核反应中的一种，eq\o\al(1,0)n为中子，X为待求粒子，a为X的个数，则X是什么？a为多少？以mU、mBa、mKr分别表示eq\o\al(235,92)U、eq\o\al(141,56)Ba、eq\o\al(92,36)Kr核的质量，mn、mp分别表示中子、质子的质量，c为光在真空中传播的速度，则在上述核反应过程中放出的核能ΔE是多少？(2)有一座发电能力为P＝1.00×106kW的核电站，核能转化为电能的效率η＝40%，假定反应堆中发生的裂变反应全是本题(1)中的核反应，已知每次核反应过程放出的核能ΔE＝2.78×10－11J，核的质量mU＝390×10－27kg，求每年(1年＝3.15×107s)消耗的eq\o\al(235,92)U的质量．解：(1)由反应方程可知X为eq\o\al(1,0)n，a为3，释放的能量为ΔE＝(mU－mBa－mKr－2mn)c2.(2)因电站发电效率为40%，故电站消耗eq\o\al(235,92)U的功率为P′＝eq\f(P,40%)＝eq\f(106,40%)kW＝2.5×106kW，电站每年消耗eq\o\al(235,92)U的能量为W＝Pt＝2.5×109×3.15×107J＝7.875×1016J.每年消耗eq\o\al(235,92)U的质量为M＝eq\f(W,ΔE)mU＝eq\f(7.875×1016×390×10－27,2.78×10－11)kg＝1105kg.【题型2核反应堆】【例2】2021年12月6日，全球第一台“华龙一号”核电机组——中核集团福建福清核电5号机组首个燃料循环结束，开始首次换料大修。如图为普通核反应堆的结构示意图，通过铀235链式反应实现核能的可控释放。下列说法正确的是（）A．镉棒通过改变中子的数量来控制反应速度B．中子速度越快越容易使链式反应发生C．正常运行的反应堆水泥防护层外会检测到大量α粒子D．铀核裂变时释放能量的多少与产物种类无关【答案】A【解析】镉棒通过改变中子的数量来控制反应速度，故A正确；中子速度越快越不容易使链式反应发生，故B错误；正常运行的反应堆主要的辐射有γ辐射和中子辐射，水泥防护层外不可能检测到大量α粒子，故C错误；核裂变释放的能量与反应前后质量亏损有关，铀核裂变时会因产物种类不同导致质量亏损不同，释放能量不同，故D错误。故选A。【变式2-1】秦山核电站