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課時跟蹤檢測（十八） 裂變和聚變
1．鏈式反應中，重核裂變時放出的可以使裂變不斷進行下去的粒子是(　　)
A．質子　　　　　　　　 B．中子
C．β粒子 D．α粒子
解析：選B　重核裂變鏈式反應發生依靠中子不斷地轟擊鈾原子核使得裂變不斷進行下去，故選項B正確。
2．(多選)下列關于核聚變的說法中正確的是(　　)
A．要使聚變發生，必須克服庫侖斥力做功
B．輕核聚變需要幾百萬開爾文的高溫，因此核聚變又叫作熱核反應
C．原子彈爆炸能產生幾百萬開爾文的高溫，所以氫彈利用原子彈引發熱核反應
D．太陽和許多恒星內部都在激烈地進行著熱核反應，在地球內部也可以自發地進行
解析：選ABC　輕核聚變時，要使輕核之間距離達到10－15 m以內，所以必須克服庫侖斥力做功，A正確；原子核必須有足夠的動能，才能使它們接近到核力能發生作用的范圍，實驗證實，原子核必須處在幾百萬開爾文的高溫下才有這樣的能量，這樣高的溫度可通過原子彈爆炸獲得，B、C正確；在太陽和其他恒星內部都存在著熱核反應，但在地球內部不會自發地進行，D錯誤。
3．太陽發生氦閃之前進行的是氫聚變，關于核反應的類型，下列表述正確的是(　　)
A.U―→Th＋He是α衰變
B.N＋He―→O＋H是β衰變
C.He＋Al―→P＋n是核聚變
D.Se―→Kr＋2e是核裂變
解析：選A　A選項是α衰變，B選項是人工轉變，C選項是人工轉變，D選項是β衰變，故選A。
4．1938年哈恩用中子轟擊鈾核，發現產物中有原子核鋇(Ba)、氪(Kr)、中子和一些γ射線。下列關于這個實驗的說法中正確的是(　　)
A．這個實驗的核反應方程是U＋n―→Ba＋Kr＋n
B．這是一個核裂變過程，反應后粒子質量之和大于反應前粒子質量之和
C．這個反應中釋放出的能量不可以用愛因斯坦的質能方程來計算
D．實驗中產生的γ射線穿透能力極強
解析：選D　根據質量數守恒、電荷數守恒，鈾核裂變的核反應方程應為：U＋n―→Ba＋Kr＋3n，選項A錯誤；鈾核裂變過程中產生γ射線，放出能量，發生質量虧損，釋放的能量根據愛因斯坦的質能方程計算，選項B、C錯誤；核反應中產生的γ射線，穿透能力極強，是能量極高的光子，選項D正確。
5．1個鈾235吸收1個中子發生核反應時，大約放出196 MeV的能量，則1 g純鈾235完全發生核反應放出的能量為(NA為阿伏加德羅常數)(　　)
A．NA×196 MeV B．235NA×196 MeV
C．235×196 MeV D.×196 MeV
解析：選D　由于1 mol的鈾核質量為235 g,1 g鈾235的物質的量為 mol，因此1 g鈾235釋放的能量E＝×196 MeV，故D正確。
6．重核裂變和輕核聚變是人類獲得核能的兩種主要途徑，關于裂變和聚變，下列敘述正確的是(　　)
A．裂變過程有質量虧損，聚變過程無質量虧損
B．核聚變反應方程H＋H―→He＋n中n表示質子
C．裂變和聚變都可以釋放出巨大的能量
D．氫彈的核反應屬于裂變，原子彈的核反應屬于聚變
解析：選C　裂變和聚變都可以釋放出巨大的能量，都伴隨著質量的虧損，A錯誤，C正確；聚變反應方程H＋H―→He＋n中n表示中子，B錯誤；原子彈的核反應屬于裂變，氫彈的核反應屬于聚變，D錯誤。
7．一個U在中子的轟擊下發生一種可能的裂變反應，其裂變方程為U＋n―→X＋Sr＋2n，則下列說法正確的是(　　)
A．X的原子核中含有86個中子
B．X的原子核中含有141個核子
C．因為裂變釋放能量，出現質量虧損，所以裂變后的總質量數減少
D.U是天然放射性元素，它的半衰期約為7億年，隨著地球環境的不斷變化，半衰期可能變短也可能變長
解析：選A　由核反應規律可知，X是Xe，X中有140個核子、86個中子，A項正確，B項錯誤；裂變過程質量虧損，總質量數守恒，C項錯誤；半衰期由核本身的因素決定，與外界條件無關，D項錯誤。
8．(多選)一種典型的鈾核裂變是生成鋇和氪，同時放出3個中子，核反應方程是U＋X―→Ba＋Kr＋3n。已知部分原子核的比結合能與核子數的關系如圖所示，下列說法正確的是(　　)
A．核反應方程中，X粒子是中子
B．核反應方程中，X粒子是質子
C.U、Ba和Kr相比，Ba核的比結合能最大，它最穩定
D.U、Ba和Kr相比，U核的核子數最多，它的結合能最大
解析：選AD　根據核反應質量數守恒和電荷數守恒可知題中的核反應方程中X粒子是中子，選項A正確，B錯誤；根據題圖，核子數為80左右的原子核的比結合能最大，最穩定，所以U、Ba和Kr相比，Kr核的比結合能最大，最穩定，選項C錯誤；U、Ba和Kr相比，U的核子數最多，它的結合能最大，選項D正確。
9．假設有一種放射線是由鈾核U衰變成Th，并釋放一種粒子產生的。
(1)寫出U衰變為Th的方程式；
(2)已知鈾核質量為3.853 131×10－25 kg，釷核的質量為3.786 567×10－25 kg，α粒子的質量為6.646 72×10－27 kg，求衰變釋放的能量。
解析：(1)反應方程式為U→Th＋He。
(2)核反應中質量虧損Δm＝mU－mTh－mα，
由質能方程得，釋放的能量ΔE＝Δmc2＝(mU－mTh－mα)c2，
代入數據得ΔE＝8.7×10－13 J。
答案：(1)U→Th＋ He　(2)8.7×10－13 J
B組—重應用·體現創新
10．(多選)氘核H可通過一系列聚變反應釋放能量，其總效果可用反應式6H―→2He＋2H＋2n＋43.15 MeV表示。海水中富含氘，已知1 kg海水中含有的氘核約為1.0×1022個，若全都發生聚變反應，其釋放的能量與質量為M的標準煤燃燒時釋放的熱量相等；已知1 kg標準煤燃燒釋放的熱量約為2.9×107 J，1 MeV＝1.6×10－13 J，則M約為(　　)
A．40 kg B．100 kg
C．400 kg D．1 000 kg
解析：選C　結合核反應方程知，1 kg海水中的氘核全部發生聚變反應放出的能量E＝×43.15×1.6×10－13 J≈1.15×1010 J，根據題意得M＝M0＝×1 kg≈400 kg，故A、B、D項錯誤，C項正確。
11．關于核知識的敘述，下列說法正確的是(　　)
A．太陽中的能量主要來源于氫核的聚變，發生聚變后產生的新核的比結合能增大
B．核電站的能量來源于重核裂變，發生裂變后產生的新核的比結合能減小
C．核聚變與核裂變相比平均每個核子放出的能量更多，現在應用也更廣泛
D．原子核的結合能是指組成原子核的所有核子所具有的能量之和
解析：選A　太陽中的能量主要來源于氫核的聚變，聚變發生的過程中釋放巨大的能量，可知產生的新核的比結合能比反應前原子核的比結合能大，選項A正確；核電站的能量來源于重核裂變，重核裂變過程中釋放巨大的能量，可知發生裂變后產生的新核的比結合能增大，選項B錯誤；核聚變與核裂變相比平均每個核子放出的能量更多，但不容易控制，目前還沒有廣泛應用，選項C錯誤；原子核的結合能是組成原子核的所有核子結合成原子核時釋放出來的能量，選項D錯誤。
12．(多選)月球土壤里大量存在著一種叫作“氦3(He)”的化學元素，這是熱核聚變的重要原料。關于“氦3(He)”與氘核的聚變，下列說法正確的是(　　)
A．核反應方程為He＋H―→He＋H
B．核反應生成物的質量將大于反應物的質量
C．“氦3(He)”一個核子的結合能與氘(H)一個核子的結合能之和小于氦4(He)一個核子的結合能
D．“氦3(He)”的原子核與一個氘核發生聚變將放出能量
解析：選AD　A選項中的核反應方程就是He和H發生核聚變的方程，在生成He和H的同時釋放大量的能量，A正確；由于核反應的過程中釋放大量的能量，根據愛因斯坦質能方程ΔE＝Δmc2，可知生成物的質量小于反應物的質量，B錯誤；反應物的結合能之和大于生成物結合能之和，質量中等的核的比結合能最大，故使重核裂變為兩個質量中等的核或使輕核聚變，都可使核更為穩定并放出能量，由此可知C錯誤，D正確。
13．某科學家提出年輕熱星體中核聚變的一種理論，其中的兩個核反應方程為
H＋C―→N＋Q1，　①
H＋N―→C＋X＋Q2，　②
方程中Q1、Q2表示釋放的能量，相關的原子核質量如表：
原子核 H H He C N N
質量/u 1.007 8 3.016 6 4.002 6 12.000 0 13.005 7 15.000 1
以下推斷正確的是(　　)
A．X是He，Q2>Q1 B．X是He，Q2>Q1
C．X是He，Q2解析：選B　由質量數守恒和電荷數守恒，可判斷X為He，①式的質量虧損為Δm1＝1.007 8 u＋12.000 0 u－13.005 7 u＝0.002 1 u。②式的質量虧損為Δm2＝1.007 8 u＋15.000 1 u－12.000 0 u－4.002 6 u＝0.005 3 u，所以Δm2>Δm1。根據質能方程ΔE＝Δmc2可知Q2>Q1，故選B。
14．核潛艇是以核反應堆為動力來源的潛艇，假設某核潛艇的水下最大航速為45節(1節＝1.852 km/h)，核反應堆最大輸出功率為4.5萬千瓦，最大續航里程為20萬海里(1海里＝1.852 km)。已知1個U核裂變放出的能量是200 MeV，鈾礦石含鈾235的濃度是4%。
(1)當核反應堆達到最大輸出功率時，每秒至少有多少個鈾235原子核發生裂變？
(2)若核潛艇一直以水下最大航速行駛，則核潛艇一次至少要裝入鈾礦石的質量為多少？
解析：(1)當核反應堆達到最大輸出功率時，每秒發生裂變的鈾235原子核個數
N＝＝個＝1.4×1018個。
(2)最大續航時間tm＝＝ h＝1.6×107 s
鈾235的摩爾質量M＝235 g/mol
設需裝鈾礦石的質量為m，有Pmtm＝NΔE＝NAΔE
解得m＝＝ g
≈2.2×105 g＝220 kg。
答案：(1)1.4×1018個　(2)220 kg
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第五節　裂變和聚變
核心素養點擊
物理觀念 1.了解核裂變反應及鏈式反應的條件。
2.了解核聚變反應的條件。
3.知道核電站的工作模式。
科學思維 通過熱核反應的條件，認識熱核反應可能的控制方法。
科學探究 探究核電站的組成，知道其工作原理。
科學態度與責任 1.了解兩類核能應用的利弊，關注技術應用對人類生活和社會發展的影響。
2.感悟人類對物質結構的認識是不斷深入的，形成相對完整、科學的物質觀念。
一、核裂變與鏈式反應
1．填一填
(1)重核裂變
中子
質量相近
釋放
中子
中子
中子
裂變反應
最小
2．判一判
(1)鈾核裂變的產物是固定的，就是生成鋇和氪，同時放出3個中子。 ( )
(2)裂變中放出的中子數目是固定的3個中子。 ( )
(3)只有鈾塊的體積大于臨界體積時，才能夠發生鏈式反應。 ( )
×
×
√
3．想一想
(1)重核裂變是一種天然現象嗎？
提示：重核裂變不是天然現象，是中子轟擊才能發生的核反應。
(2)只要有中子轟擊鈾塊就可以產生鏈式反應？
提示：有中子轟擊鈾塊，且鈾塊的體積大于臨界體積，這樣就可以產生鏈式反應。
質量較大
能量
10－15
靜電斥力
熱核反應
2．判一判
(1)太陽中發生的是可控熱核聚變反應。 ( )
(2)輕核發生聚變反應不需要條件。 ( )
(3)輕核發生聚變反應核子必須達到核力發生作用的范圍。 ( )
×
×
√
解析：該核反應是聚變反應，放出能量，質量虧損。
答案：C　
反應堆
低
小
2．判一判
(1)核電站將核反應堆釋放的核能轉化為電能。 ( )
(2)目前，可控熱核聚變已經被廣泛應用于核電站發電。 ( )
(3)核能是一種新能源，不會造成環境污染。 ( )
3．選一選
現已建成的核電站發電的能量來自于 (　　)
A．天然放射性元素衰變放出的能量
B．人工放射性同位素放出的能量
C．重核裂變放出的能量
D．化學反應放出的能量
解析：現在核電站所用原料主要是鈾，利用鈾裂變放出的核能發電，故C項正確。
答案：C
√
×
×
探究(一)　　重核裂變與核能計算
[問題驅動]
如圖為核裂變示意圖。
(1)試寫出一種鈾核裂變的核反應方程。
(2)只要有中子轟擊鈾塊就可以產生鏈式反應嗎？
提示：有慢中子轟擊鈾塊，鈾塊的體積大于臨界體積，這樣就可以產生鏈式反應。
2．鏈式反應的條件
(1)有慢中子轟擊。
(2)鈾塊的體積大于臨界體積，或鈾塊的質量大于臨界質量。
3．裂變反應的能量
鈾核裂變為中等質量的原子核，發生質量虧損，所以放出能量。一個鈾235核裂變時釋放的能量如果按200 MeV估算，1 kg鈾235全部裂變時放出的能量相當于2 800 t標準煤完全燃燒時釋放的化學能，裂變時能產生幾百萬攝氏度的高溫。
4．鈾235比鈾238更易發生鏈式反應
在天然鈾中，主要有兩種同位素，99.3%的是鈾238，0.7%的是鈾235，中子能引起這兩種鈾核發生裂變，但它們和中子發生作用的情況不同。
(1)鈾235：俘獲各種能量的中子都會發生裂變，且俘獲低能量的中子發生裂變的概率大。
(2)鈾238：只有俘獲能量大于1 MeV的中子才能發生裂變，且裂變的概率小。能量低于1 MeV的中子只與鈾核發生彈性碰撞，不引起裂變。因此，為了使鏈式反應容易發生，最好利用純鈾235。
[答案]　(1)40　90　(2)8.32×1013 J
重核裂變釋放的核能的計算方法
(1)根據愛因斯坦質能方程，用裂變反應中質量虧損(Δm)的千克數乘以真空中的光速(c＝3×108 m/s)的平方，即ΔE＝Δmc2。
(2)根據1個原子質量單位(u)相當于931.5兆電子伏(MeV)能量計算，用裂變反應中質量虧損的原子質量單位數乘以931.5 MeV，即ΔE＝Δm(u)×931.5 MeV。
(3)由核能的轉化量計算。
答案：C
2. 關于鈾核的裂變，下列敘述正確的是 （ ）
A.?核反應堆中鈾核俘獲一個中子后分裂為兩個或幾個中等質量的原子核，并吸收大量能量 ?
B.?核反應堆中鈾核自發分裂為兩個或幾個中等質量的原子核，同時釋放大量的核能
C.?要使核反應堆中鈾核發生鏈式反應，必須要有慢中子的轟擊
D.?要使核反應堆中鈾核發生鏈式反應，必須要有快中子的轟擊
解析：核反應堆中鈾核俘獲一個中子后分裂為兩個或幾個中等質量的原子核，同時釋放大量的核能，故?A、B錯誤；要使核反應堆中鈾核發生鏈式反應，必須要有慢中子的轟擊，快中子不易捕獲，故C正確，D錯誤。
答案：C　
答案：BC
探究(二)　　核電站的主要組成及工作原理
[問題驅動]
如圖所示為核電站工作流程示意圖：
核電站的核心設施是什么？
提示：核反應堆。　　　　
[重難釋解]
1．核電站的主要組成
核電站的核心設施是核反應堆，反應堆用的核燃料是鈾235，它的主要組成如表格：
部份 慢化劑 控制棒 熱循環介質 保護層
采用的
材料 石墨、重水或普通水(也叫輕水) 鎘 水或液態的金屬鈉 很厚的水泥防護層
作用 降低中子速度，便于鈾235吸收 吸收中子，控制反應速度 把反應堆內的熱量傳輸出去 屏蔽射線，防止放射性污染
2．反應堆工作原理
(1) 熱源：在核電站中，核反應堆是熱源，如圖為簡化的核反應
堆示意圖。鈾棒是燃料，由天然鈾或者濃縮鈾(鈾235的含量
占2%～4%)制成，常用石墨、重水和普通水(也叫輕水)為慢
化劑，使反應生成的快中子變為慢中子，便于鈾235的吸收，
發生裂變，慢化劑附在鈾棒周圍。
(2)控制棒：鎘棒的作用是吸收中子，控制反應速度，所以也叫控制棒。控制棒插入深一些，吸收中子多，反應速度變慢，插入淺一些，吸收中子少，反應速度加快，采用電子儀器自動調節控制棒插入深度，就能控制核反應的劇烈程度。
(3)冷卻劑：核反應釋放的能量大部分轉化為內能，這時通過水、液態的金屬鈉等作冷卻劑，在反應堆內外循環流動，把內能傳輸出去 ，用于推動汽輪發電機發電。發生裂變反應時，會產生一些有危險的放射性物質，很厚的水泥防護層可以防止射線輻射到外面。
3．核電站發電的優點
(1)消耗的核燃料少。
(2)作為核燃料的鈾、釷等在地球上可采儲量大，所能提供的能量大。
(3)對環境的污染要比火力發電小。
[解析]　快中子容易與鈾235擦肩而過，快中子跟慢化劑的原子核碰撞后能量減少，變成慢中子，慢中子容易被鈾235俘獲而引起裂變反應，選項B正確，A錯誤；控制棒由鎘做成，鎘吸收中子的能力很強，當反應過于激烈時，使控制棒插入深一些，讓它多吸收一些中子，鏈式反應的速度就會慢一些，選項C、D錯誤。
[答案]　B
[素養訓練]
1．核反應堆是實現可控制的重核裂變鏈式反應的一種裝置，它主要由四部分組成 (　　)
A．原子燃料、慢化劑、冷卻系統和控制調節系統
B．原子燃料、慢化劑、發熱系統和熱傳遞系統
C．原子燃料、慢化劑、碰撞系統和熱傳遞系統
D．原子燃料、中子源、原子能儲存系統和輸送系統
解析：核反應堆里用的核燃料是用濃縮鈾(鈾235占2%～4%)制成的鈾棒；鈾235易俘獲慢中子，不易俘獲快中子，必須使用慢化劑(如石墨、重水、普通水)，讓快中子跟慢化劑的原子核碰撞后能量減少，變成慢中子；控制調節系統是用于調節中子的數目以控制反應速度，它是由鎘做成的置放在鈾棒之間的一些控制棒及計算機調節系統組成；冷卻系統靠水或液態金屬鈉等流體在反應堆內外循環流動，把反應堆內的熱量傳輸出去，用于發電，同時使反應堆冷卻，保證安全。
答案：A　
2．(2024·云浮高二月考)如圖所示是當前核電站普遍使用的核反應堆的示意圖，關于該反應堆中進行的核反應，下列說法中正確的是(　　)
A．圖示裝置中進行的核反應類型是核聚變
B．要使核反應速度減慢，可以將鈾棒插入得更深
C．裂變反應的燃料是鈾，反應過程質量不守恒
D．石墨起到降低反應溫度的作用
A．圖示裝置中進行的核反應類型是核聚變
B．要使核反應速度減慢，可以將鈾棒插入得更深
C．裂變反應的燃料是鈾，反應過程質量不守恒
D．石墨起到降低反應溫度的作用
解析：題圖示裝置中進行的核反應類型是核裂變，故A錯誤；將鈾棒插入得更深，中子接觸的鈾原子核更多，反應加劇，故B錯誤；裂變反應的燃料是鈾，反應過程發生質量虧損，質量不守恒，故C正確；石墨主要是將快中子變為慢中子，故D錯誤。
答案：C　
為什么實現核聚變要使聚變的燃料加熱到幾百萬開爾文的高溫？
提示：參與反應的原子核必須接近到核力的作用范圍內，約為10－15 m這種程度，因而必須使它們具有很大的動能以克服原子核之間巨大的庫侖斥力做功，使原子核的動能轉化為原子核的電勢能，使核子之間的核力發生作用，輕核才能聚變成質量較大的核。　　　　
[重難釋解]
1．核聚變發生的條件
要使輕核聚變，必須使輕核間距達到核力發生作用的距離10－15 m以內，這要克服電荷間強大的斥力作用，要求使輕核具有足夠大的動能。要使原子核具有足夠大的動能，就要給它們加熱，使物質達到幾百萬開爾文的高溫。
2．輕核聚變是放能反應
從比結合能的圖線看，輕核聚變后比結合能增加，因此聚變反應是一個放能反應。
3．核聚變的特點
(1)在消耗相同質量的核燃料時，輕核聚變比重核裂變釋放更多的能量。
(2)熱核反應一旦發生，就不再需要外界給它能量，靠自身產生的熱就可以使反應進行下去。
(3)普遍性：熱核反應在宇宙中時時刻刻地進行著，太陽就是一個巨大的熱核反應堆。
4．核聚變的作用
(1)核武器——氫彈：一種不需要人工控制的輕核聚變反應裝置。它利用彈體內的原子彈爆炸產生的高溫高壓引發熱核聚變爆炸。
(2)可控熱核反應：目前處于探索階段。
5．重核裂變與輕核聚變的區別
反應類型 重核裂變 輕核聚變
放能原理 重核分裂成兩個或多個中等質量的原子核，放出核能 兩個輕核結合成質量較大的原子核，放出核能
放能多少 聚變反應比裂變反應平均每個核子放出的能量要大3～4倍
核廢料處理難度 聚變反應的核廢料處理要比裂變反應簡單得多
原料的蘊藏量 核裂變燃料鈾在地球上儲量有限，尤其用于核裂變的鈾235在鈾礦石中只占0.7% 主要原料是氘，氘在地球上的儲量非常豐富，1 L海水中大約有0.03 g氘，如果用來進行熱核反應，放出的能量約與燃燒300 L汽油相當
可控性 速度比較容易進行人工控制，現在的核電站都是用核裂變反應釋放核能 目前，除氫彈以外，人們還不能控制它
(1)核聚變反應和一般的核反應一樣，也遵循電荷數和質量數守恒，這是書寫核反應方程式的重要依據。
(2)核能的計算關鍵是要求出核反應過程中的質量虧損，然后代入ΔE＝Δmc2進行計算。
二、注重學以致用和思維建模
1．(2024·湖南高二聯考)新能源是指剛開始開發利用或正在積極研究、有待推廣的能源，如太陽能、風能和核聚變能等。下列關于太陽能、核聚變的說法正確的是(　　)
解析：在太陽內部，氫原子核在超高溫下發生聚變，釋放出巨大的核能，因此太陽內部進行著的核反應是核聚變，A錯誤；輕核聚變釋放出巨大能量，伴隨著質量虧損，B錯誤；根據質量數與電荷數守恒可知，X為中子，C正確；核電站是利用原子核裂變的鏈式反應產生的能量來發電的，D錯誤。
答案：C　
解析：質量虧損Δm＝m1＋m2－m3－m4，所以釋放的能量E＝(m1＋m2－m3－m4)c2，A正確；γ光子來源于原子核受激產生的能量，B錯誤；由于核聚變釋放能量，則反應前的總結合能小于反應后的總結合能，C正確；根據質量數和電荷數守恒可知A＝4，D錯誤。
答案：AC
答案：A

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