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4.核裂变　核聚变 5.粒子物理学发展概况
题组一　核裂变和链式反应
1.1999年9月，日本发生严重的核泄漏，这是将核原料（六氟化钠）提炼成核反应材料（二氟化铀）时操作失误造成的，工作人员在一个加工炉中投入16 kg的核原料，大大超过了规定标准，从而造成了核泄漏，这个标准是（　　）
A.临界体积
B.临界压强
C.临界温度
D.由一定的温度、体积和压强共同确定
2.我国自主第三代核电“华龙一号”全球第4台机组于2022年3月在巴基斯坦并网发电。中国核电推动我国“双碳”目标实现的同时，也为全球核电安全树立了标杆。关于核能，以下说法正确的是（　　）
A.核能是来自化学变化释放的能量
B.核能是原子核结构发生变化时释放的能量
C.核能还不是安全、干净的能源
D.我国核电站利用了核聚变反应释放的能量
3.我国研制的全球首座20万千瓦高温气冷堆核电站于2021年4月装料完毕，年底正式发电。该核反应堆用铀235作核燃料，用石墨作减速剂，用氦气作冷却剂。则（　　）
A.铀235的核裂变是它自发分裂成两个中等核，同时放出中子
B.裂变产生中等核的比结合能大于铀235核的比结合能
C.石墨在反应堆中的作用是吸收中子，控制反应的速度
D.可用铀238替代铀235作为核燃料
题组二　核聚变
4.（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）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
5.096型核潜艇是我国海军第三代弹道导弹核潜艇，主要动力是两座一体化压水式核子反应器。关于核潜艇中的核反应，下列说法正确的是（　　）
A.核燃料可能是H和H
B.该核反应可能是α衰变
C.核潜艇主要动力来源于重核发生裂变释放的能量
D.该核反应需要极高的温度才能发生
6.中国“嫦娥六号”在月球采集的约2公斤月壤中含有地球上鲜有的HeHe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He聚变的核反应方程如下：
HHHe＋X＋3.3 MeV，
HeHeHe＋2Y＋12.86 MeV；
下列说法正确的是（　　）
A.X为质子，Y为中子
BHe的比结合能比He的比结合能大
C.方程①中：质量亏损约为5.9×10－31 kg
D.方程②中：核子平均释放的能量约为 2.14 MeV
题组三　对粒子的认识
7.根据宇宙大爆炸的理论，在宇宙形成之初是“粒子家族”尽显风采的时期，那么在大爆炸之后最早产生的粒子是（　　）
A.夸克、轻子、胶子等粒子
B.质子和中子等强子
C.光子、中微子和电子等轻子
D.氢核、氘核、氦核等轻核
8.（多选）下列关于夸克模型的说法正确的是（　　）
A.强子是由更基本的夸克组成的
B.夸克的电荷量分别为元电荷的＋或－
C.每种夸克都有对应的反夸克
D.夸克能以自由的状态单个出现
9.（多选）2021年12月15日秦山核电站迎来了安全发电30周年，核电站累计发电约6.9×1011 kW·h，相当于减排二氧化碳六亿多吨。为了提高能源利用率，核电站还将利用冷却水给周围居民供热。下列说法正确的是（　　）
A.秦山核电站利用的是核聚变释放的能量
B.秦山核电站发电使原子核亏损的质量约为27.6 kg
C.核电站反应堆中需要用镉棒控制链式反应的速度
D.反应堆中存在UnBaKr＋n的核反应
10.太阳向外辐射的能量来自其内部发生的各种热核反应，当太阳内部达到一定温度时，会发生“核燃烧”，其“核燃烧”的核反应方程为He＋Be＋γ，方程中X表示某种粒子Be是不稳定的粒子，其半衰期为T，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.若使Be的温度降低，其半衰期会减小
B.方程中的X为电子e）
C.该核反应过程产生的质量亏损为Δm＝
D.“核燃烧”的核反应是裂变反应
11.“人造太阳”内部发生的一种核反应方程为HHe＋X，已知H的比结合能为E1H的比结合能为E2He的比结合能为E3，光在真空中的传播速度为c。下列说法正确的是（　　）
A.核反应方程中X为电子
BHe的比结合能小于H的比结合能
C.核反应吸收的能量为E3－
D.核反应中的质量亏损为
12.氘核H可以通过一系列聚变反应释放能量，其总效果可用反应式为H→He＋H＋2　　　　＋43.15 MeV表示。海水中富含氘，已知1 kg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1 kg标准煤燃烧释放的热量约为2.9×107 J，1 MeV＝1.6×10－13 J。
（1）完善反应方程式；
（2）M约为多少kg？（结果保留到整数位）
4.核裂变　核聚变
5.粒子物理学发展概况
1.A　原子核非常小，原子的内部空隙较大，如果铀块的体积不够大，中子从铀块中通过时，可能还没有碰到铀核就跑到铀块外面去了，核反应不会产生，当铀块足够大时，就会产生核反应，能够产生核反应的铀块的最小体积叫作它的临界体积，相应的质量叫作临界质量。临界体积是核反应技术中的重要参数。如果核原料（六氟化钠）投入太多，提炼成核反应材料（二氟化铀），就会超过临界体积，则可产生持续的铀核反应，从而造成了核泄漏，A正确；当铀块达不到其临界体积时，一般情况下，即便压强和温度达到一定值时，也不会产生核反应，不会产生核泄漏，B、C、D错误。
2.B　核能是原子核结构发生变化时释放的能量，化学变化不会涉及原子核层面，故A错误，B正确；目前核电技术已经成熟，相较于火力发电，核电对环境的污染较小，在一般情况下发生安全事故的可能性较低，属于安全、干净的能源，故C错误；目前世界上核电站都是利用核裂变反应释放的能量，故D错误。
3.B　铀235的核裂变必须要有中子轰击才能分裂成两个中等核，同时放出多个中子，选项A错误；裂变因为放出核能，有质量亏损，则产生中等核的比结合能大于铀235核的比结合能，选项B正确；慢中子最容易引发铀核裂变，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，选项C错误；反应堆以铀235作为裂变燃料，而在天然铀中占99％的铀238不能被利用，则不可用铀238替代铀235作为核燃料，选项D错误。
4.CD　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10－15 m以内，从而使核力起作用，故A错误；1度电表示的电能为E0＝1 kW·h＝3.6×106 J，该反应堆连续5秒产生的能量为E＝59×106 J≈16.4 kW·h，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。
5.C　核潜艇中的核反应堆发生的是核裂变反应，核潜艇主要动力来源于重核裂变释放的能量，故A、B错误，C正确；核裂变不需要极高的温度，故D错误。
6.D　由电荷数守恒和质量数守恒可知，X为中子，Y为质子，A错误；聚变的核反应过程放出热量，则He比He更稳定，所以He的比结合能比He的比结合能小，B错误；由爱因斯坦质能方程可得E＝Δmc2，则解得质量亏损为Δm＝，代入数据，解得Δm≈5.9×10－30 kg，C错误；核子平均释放的能量约为＝＝ MeV≈2.14 MeV，D正确。
7.A　宇宙形成之初产生了夸克、轻子和胶子等粒子，之后又经历了质子和中子等强子时代，再之后是自由的光子、中微子、电子大量存在的轻子时代，再之后是中子和质子结合成氘核，并形成氦核的核时代，之后电子和质子复合成氢原子，最后形成恒星和星系，故A正确。
8.ABC　强子是由更基本的夸克组成的，夸克的电荷量分别为元电荷的＋或－，每种夸克都有对应的反夸克，夸克不能以自由的状态单个出现，D错误，A、B、C正确。
9.CD　秦山核电站利用的重核裂变，选项A错误；如果不考虑核能与电能转化效率，则根据爱因斯坦质能方程E＝mc2可以推算，原子核亏损的质量约为27.6 kg，但核能不可能100％转化为电能，所以质量亏损应该超过27.6 kg，选项B错误；核电站反应堆中需要用镉棒控制链式反应的速度，选项C正确；反应堆中存在UnBaKr＋n的核反应，选项D正确。
10.C　半衰期与外界因素无关，故温度改变，半衰期不变，故A错误；根据质量数守恒和电荷数守恒判断X为He，故B错误；根据爱因斯坦质能方程ΔE＝Δm·c2，解得该核反应过程产生的质量亏损为Δm＝，故C正确；“核燃烧”的核反应是聚变反应，故D错误。
11.D　根据质量数守恒与电荷数守恒可知X为n，故A错误；核反应方程式中，生成物比反应物稳定，则He的比结合能大于H的比结合能，故B错误；核反应放出的能量为ΔE＝4E3－，由能量守恒定律可得4E3－＝Δmc2，解得Δm＝，故C错误，D正确。
12.（1）见解析　（2）397 kg
解析：（1）反应过程中其电荷数以及质量数是守恒的，所以空出的粒子的电荷数为
z＝＝0
粒子的质量数为
A＝＝1
所以该粒子为中子，即n，所以反应方程式为
H→He＋H＋n＋43.15 MeV。
（2）平均每个氘核聚变释放的能量为
ε＝＝
1 kg海水中含有的氘核约为1.0×1022个，其放出的能量约为E0＝Nε
要释放相同的热量，需要燃烧标准媒的质量为
M＝ kg≈397 kg。
2 / 34.核裂变　核聚变 5.粒子物理学发展概况
核心素养目标 物理观念 1.知道核裂变、链式反应、临界体积的概念。 2.了解核反应堆的工作原理；知道核电站的工作流程。 3.知道核聚变的概念、条件及受控热核反应的控制方案。 4.了解新粒子的发现和粒子的分类
科学思维 1.会判断和书写核裂变、核聚变反应的方程。 2.能计算核裂变、核聚变释放的能量
知识点一　核裂变　链式反应
1.核裂变
把重核分裂成几个　　　　　　原子核的核反应现象称为核裂变。
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 UnBa＋Kr＋　　　　。
3.链式反应
如果一个反应过程的　　　　能够再次引发这种反应，从而使反应一旦开始后就能自动延续下去，这样的反应称为链式反应。
4.临界体积
能够发生链式反应的裂变物质的最小体积叫作临界体积。
5.核反应的能量
1 g铀235完全裂变释放的能量相当于燃烧约　　　　煤放出的化学能，而且这么多能量是在短短不到1 s的时间之内释放出来的。
知识点二　核反应堆　核电站
1.核反应堆
（1）是一种　　　　　　的核裂变链式反应装置。核反应堆按引起裂变的中子能量可分为　　　　反应堆和快中子反应堆。
（2）慢化剂：铀235具有能俘获慢中子，而不易俘获快中子的特点。在铀棒周围放置慢化剂，快中子跟慢化剂的原子核碰撞后能量损失，变成慢中子。常用作慢化剂的物质有普通水（也叫轻水）、　　　　和石墨。
（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入一些控制棒。制造控制棒的材料是镉或硼等能强烈吸收中子的物质，当反应过于剧烈时，就把控制棒插入得深一些，让它多吸收一些中子，链式反应的速度就会慢一些。反之则把控制棒向外拔出一些。
2.核电站
（1）核能发电指利用核反应堆中　　　　所释放出的核能进行发电。
（2）这些核能先转变成水的　　　　，使水变成高温高压的蒸汽，推动汽轮发电机发电。
知识点三　核聚变　受控热核反应
1.核聚变
（1）定义：把轻原子核聚合成　　　　　　　的反应称为聚变反应，简称核聚变。
（2）条件：在聚变反应中，要使两个带正电的轻核聚合成一个质量较大的核，必须使它们具有足够的　　　去克服库仑斥力，进入到核力作用范围（10－15 m）内，然后通过　　　的作用结合发生聚变。核聚变反应一旦发生，就不再需要外界继续提供能量，靠自身产生的能量就可以使反应继续进行下去。
（3）举例HH　　　　　　　　。
（4）热核反应：要启动上述核聚变反应，必须要上亿摄氏度的温度，使H核和H核具有足够的动能克服库仑斥力进入到核力作用范围之内。因此，核聚变反应也称热核反应。
（5）核聚变反应和核裂变反应相比，具有很多优越性。①在消耗相同质量的核燃料时，核聚变反应比核裂变反应能释放更多的能量。②核裂变反应时产生放射性废料，处理起来比较困难，而核聚变反应没有放射性废料产生。③核聚变反应所用的燃料氘，在地球上的储量非常丰富。
2.受控热核反应
（1）实现可控核聚变反应的难点：把高达上亿摄氏度的反应体放在何处。
（2）控制方法
①磁约束：利用　　　　约束参加反应的物质。
②激光惯性约束：由于聚变反应的时间非常短，聚变物质因自身的惯性还来不及扩散就完成了核反应。所以，在惯性约束下，可以用激光从各个方向照射参加反应的物质，使它们“挤”在一起发生反应。
知识点四　粒子物理学发展概况
1.“基本”粒子
（1）人们认为光子、电子、　　　　和中子是组成物质的不可再分的最基本的粒子，把它们叫作“基本粒子”。
（2）随着科学的发展，科学家们发现很多新粒子不能看作由质子、中子、电子组成，并发现质子、　　　　等本身也有自己的复杂的结构。
2.粒子“全家福”
粒子的分类：大体可分为　　　、　　　　、规范玻色子等几种类型。
3.夸克模型
1964年美国科学家盖尔曼和茨威格各自独立提出了强子结构的夸克模型。他们认为强子是由3种更基本的粒子组成的，并称这些粒子为　　　　。
【情景思辨】
　如图所示，图甲为核裂变，图乙为核聚变。请对以下说法作出判断：
（1）每个铀核裂变的产物是固定的，放出的核能也是固定的。（　　）
（2）要发生链式反应，铀块的体积必须达到临界体积。（　　）
（3）轻核发生聚变时，轻核间距必须达到10－15 m 以内。（　　）
（4）轻核聚变时平均每个核子释放的能量比裂变反应中平均每个核子释放的能量大。（　　）
要点一　核裂变和链式反应
【探究】
　1964年10月16日，我国第一颗原子弹爆炸成功。
（1）原子弹爆炸属于哪种核反应？
（2）写出一个属于原子弹爆炸类型的核反应方程。
【归纳】
1.铀核的裂变和裂变方程
（1）核子受激发：当中子进入铀235后，便形成了处于激发状态的复核，复核中由于核子的激烈运动，使核变成不规则的形状。
（2）核子分裂：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或3个中子，这些中子又引起其他铀核裂变，这样，裂变就会不断地进行下去，释放出越来越多的核能。
（3）两个典型的裂变方程
UnXeSr＋n
UnBaKr＋n
2.裂变反应的能量大小：铀核裂变为中等质量的原子核，发生质量亏损，所以放出能量；一个铀235核裂变时释放的能量如果按200 MeV估算，1 kg铀235全部裂变放出的能量相当于2 800 t标准煤完全燃烧时释放的能量，裂变时能产生几百万度的高温。
3.核电站的主要部件及作用
　　部件名称 项目 慢化剂 控制棒 冷却剂 安全壳
采用的材料 石墨、重水或普通水（也叫轻水） 镉（或硼等） 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
4.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。
【典例1】　现有的核电站比较广泛采用的核反应之一是UnNd＋Zr＋n＋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235.043 9 u，中子的质量为1.008 7 u，钕（Nd）核的质量为 142.909 8 u，锆核的质量为89.904 7 u；又知 1 u 相当于931.5 MeV的能量，试计算1 kg铀235大约能产生的能量是多少？
尝试解答
1.（多选）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多
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
　　
2.（多选）核电站工作流程图如图所示，关于核能，下列说法正确的是（　　）
A.核反应堆可以把核能直接转化为电能
B.核反应堆利用的是原子核衰变过程产生的能量
C.核反应生成物的比结合能大于反应物的比结合能
D.水泥防护层的作用是屏蔽裂变产物放出的各种射线
要点二　核聚变
　　
1.聚变发生的条件：要使轻核发生聚变，必须使轻核间的距离达到核力发生作用的距离 10－15 m 以内，这要克服原子核间巨大的库仑斥力作用，使轻核具有足够大的动能。要使原子核具有足够大的动能，有一种方法就是给它们加热，使物质达到几百万开尔文的高温。
2.轻核聚变是放能反应：从比结合能的图线看，轻核聚变后比结合能增加，因此聚变反应是一个放能反应。
3.重核裂变与轻核聚变的区别
重核裂变 轻核聚变
放能原理 重核分裂成两个或多个中等质量的原子核，放出核能 两个轻核结合成质量较大的原子核，放出核能
放能多少 聚变反应比裂变反应平均每个核子放出的能量要大3～4倍
【典例2】　新一代“人造太阳”中国环流二号M装置（HL-2M）正式建成并实现首次放电，放电温度达太阳内部温度的10倍。“人造太阳”实验中的可控热核反应的方程是H＋Hen，海水中富含反应原料氘H），氚核H）可以用中子轰击锂核Li）得到。下列说法正确的是（　　）
A.上述核反应前后核子数相等，生成物的质量等于反应物的质量
B.中子轰击锂核Li）反应方程为n＋HHe
C.中子轰击锂核Li）发生了α衰变
D.氘核H）和氚核H）的比结合能均比氦核He）的比结合能大
尝试解答　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
1.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HHHen。已知H的质量为2.013 6 uHe的质量为3.015 0 u，n的 质量为1.008 7 u，1 u＝931 MeV/c2。氘核聚变反应中释放的核能约为（　　）
A.3.7 MeV B.3.3 MeV
C.2.7 MeV D.0.93 MeV
2.（多选）下列关于聚变的说法中，正确的是（　　）
A.要使聚变发生，必须克服库仑斥力做功
B.轻核聚变需要几百万开尔文的高温，因此轻核聚变又叫作热核反应
C.原子弹爆炸能产生几百万开尔文的高温，所以氢弹利用原子弹引发热核反应
D.太阳和许多恒星内部都在激烈地进行着热核反应，在地球内部也可以自发地进行
要点三　对粒子的认识
　　
1.新粒子的发现及特点
发现时间 1932年 1937年 1947年 20世纪60年代后
新粒子 正电子 μ子 K介子与π介子 超子
基本 特点 质量与相对应的粒子相同而电荷及其他一些物理性质相反 比质子 的质量小 质量介于电子 与质子之间 质量比 质子大
2.粒子的分类
分类 参与的相互作用 发现的粒子 备注
强子 参与强相互作用 质子、中子等 强子有内部结构，由“夸克”构成
轻子 不参与强相互作用 电子、电子中微子、μ子、μ子中微子，τ子、τ子中微子 还没有发现内部结构
规范玻色子 传递各种相互作用 光子、中间玻色子、胶子等 光子传递电磁相互作用，中间玻色子传递弱相互作用，胶子传递强相互作用
3.夸克模型
（1）夸克的提出：1964年美国物理学家盖尔曼提出了强子的夸克模型，认为强子是由夸克构成的。
（2）夸克的种类：上夸克（u）、下夸克（d）、奇异夸克（s）、粲夸克（c）、底夸克（b）和顶夸克（t）。
（3）夸克所带电荷：夸克所带的电荷量是元电荷的 ＋ 或－。例如，上夸克带的电荷量为＋，下夸克带的电荷量为－。
（4）意义：电子电荷不再是电荷的最小单位，即存在分数电荷。
【典例3】　（多选）已知π＋介子、π－介子都是由一个夸克（夸克u或夸克d）和一个反夸克（反夸克或反夸克）组成的，它们的带电荷量如表所示，表中e为元电荷。
粒子 π＋ π－ u d
带电荷量 ＋e －e ＋ － － ＋
下列说法正确的是（　　）
A.π＋由u和组成 B.π＋由d和组成
C.π－由u和组成 D.π－由d和组成
尝试解答　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
1.（多选）关于粒子，下列说法正确的是（　　）
A.质子和中子是组成物质的不可再分的最基本的粒子
B.质子、中子本身也是复合粒子，它们具有复杂的结构
C.质子是带电的强子
D.质子是轻子
2.推理是研究和学习物理的一种重要方法，正电子、负质子、反中子都是反粒子，它们跟通常所说的电子、质子、中子相比较，质量相等，电荷量相等、电性相反（中子和反中子都不带电）。科学家已经发现反氦原子（已知氦原子核中有两个质子和两个中子）。你推测反氦原子的结构可能是（　　）
A.由两个带负电的质子和两个带正电的电子构成
B.由两个带负电的质子、两个电子和两个中子构成
C.由两个质子、两个电子和两个中子构成
D.由两个带负电的质子、两个带正电的电子和两个不带电的中子构成
1.关于粒子，下列说法正确的是（　　）
A.电子、质子和中子是组成物质的不可再分的基本粒子
B.强子都是带电粒子
C.夸克模型是探究三大类粒子结构的理论
D.夸克模型说明电子电荷不再是电荷的最小单位
2.慢中子反应堆的示意图如图所示，下列对该反应堆的说法正确的是（　　）
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
3.重核裂变的一个核反应方程为Un→Sr＋xZ。则下列说法正确的是（　　）
A.该核反应方程中x＝10
B.2U的中子数为92
C.Xe的中子数等于Sr的中子数
D.Z为电子
4.核能发电被视为人类解决能源问题的终极方案，目前我国在核能发电应用和研究方面都处于国际一流水平，以下关于轻核聚变和重核裂变的说法正确的是（　　）
A.经轻核聚变过程后核子的平均质量增大
B.经重核裂变过程后原子核的比结合能减小
C.经轻核聚变过程后原子核的比结合能增大
D.目前我国核电站主要利用轻核聚变释放的能量来发电
5.利用反应堆工作时释放出的热能使水汽化以推动汽轮发电机发电，这就是核电站的工作原理。核电站消耗的“燃料”很少，但功率却很大。
（1）核反应堆中的“燃料”是U，补全下面的核反应方程式UnXeSr＋1n。
（2）一座100万千瓦的核电站，每年（365天）需要多少浓缩铀？已知铀核的质量为235.043 9 u，氙核质量为135.907 2 u，锶核的质量为89.907 7 u。1 u＝1.66×10－27 kg，中子的质量为1.008 7 u，浓缩铀中铀235的含量占2％。（结果保留两位有效数字，NA＝6.02×1023 mol－1）
4.核裂变　核聚变
5.粒子物理学发展概况
【基础知识·准落实】
知识点一
1.中等质量　2.n　3.产物　5.3 t
知识点二
1.（1）人为可控　慢中子　（2）重水　2.（1）核裂变　（2）内能
知识点三
1.（1）较重原子核　（2）动能　核力　（3Hen
2.（2）①磁场
知识点四
1.（1）质子　（2）中子　2.强子　轻子　3.夸克
情景思辨
（1）×　（2）√　（3）√　（4）√
【核心要点·快突破】
要点一
知识精研
【探究】　提示：（1）核裂变。
（2）UnBa＋Kr＋n。
【典例1】　（1）40　90　（2）5.06×1026 MeV
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Zr表示。
（2）1 kg铀235的铀核数为
n＝×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＝0.212 u
因此1 kg铀235完全裂变产生的能量约为
E＝n·Δm×931.5 MeV
＝2.56×1024×0.212×931.5 MeV
＝5.06×1026 MeV。
素养训练
1.AD　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正确；链式反应的发生是有条件的，铀块的体积必须达到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，故D正确。
2.CD　核反应堆把核能转化为内能，再转化为电能，故A错误；核反应堆利用的是核裂变过程产生的能量，故B错误；核反应堆中发生核反应要放出能量，则核反应生成物的比结合能大于反应物的比结合能，故C正确；水泥防护层的作用是屏蔽裂变产物放出的各种射线，故D正确。
要点二
【典例2】　B　上述核反应前后核子数相等，反应过程释放能量，有质量亏损，所以生成物的质量小于反应物的质量，故A错误；由质量数守恒和电荷数守恒可得中子轰击锂核Li）反应方程为nLiHHe，故B正确；α衰变是自然状态下发生的，中子轰击锂核Li）为原子核的人工转变，故C错误；核反应方程式HHHen中生成物氦核He）的比结合能比反应物氘核H）和氚核H）的比结合能都大，故D错误。
素养训练
1.B　氘核聚变反应的质量亏损为Δm＝2×2.013 6 u－（3.015 0 u＋1.008 7 u）＝0.003 5 u，释放的核能为ΔE＝Δmc2＝0.003 5×931 MeV/c2×c2≈3.3 MeV，选项B正确。
2.ABC　轻核聚变时，要使轻核之间距离达到10－15 m，所以必须克服库仑斥力做功，故A正确；原子核必须有足够的动能，才能使它们接近到核力能发生作用的范围，实验证实，原子核必须处在几百万开尔文的高温下才有这样的能量，这样高的温度能够通过原子弹爆炸获得，故B、C正确；在太阳和其他恒星内部都存在着热核反应，但在地球内部不会自发地进行，故D错误。
要点三
【典例3】　AD　因π＋介子带有＋e的电荷量，且是由一个夸克和一个反夸克组成的，则夸克u带＋e和反夸克带＋e合成电荷量为＋e，那么π＋介子是由夸克u和反夸克组成的；同理，π－介子由夸克d和反夸克组成，所以A、D正确。
素养训练
1.BC　质子和中子是由不同的夸克组成的，它们不是最基本的粒子，故A错误，B正确；不同的夸克组成的强子，有的带电，有的不带电，质子是带正电的强子，故C正确，D错误。
2.D　组成反氦原子的粒子与组成氦原子的粒子应具有相同的质量，相等的电荷量，相反的电性，据此分析可知反氦原子可能由两个带负电的质子（反质子）、两个带正电的电子（正电子）和两个不带电的中子构成，选项D正确。
【教学效果·勤检测】
1.D　由于中子、质子是由不同的夸克组成的，它们不再是基本粒子，夸克模型是探究强子结构的理论，不同夸克构成强子，有的强子带电，有的不带电，不同夸克带电不同，可能为＋e或－e，说明电子电荷不再是电荷的最小单位，选项D正确。
2.B　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，A错误，B正确；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，C、D错误。
3.A　反应前U内的电荷数为92，生成物中Xe和Sr的电荷数之和也为92，所以Z的电荷数为0，Z为中子，根据质量数守恒可知，x＝235＋1－136－90＝10，故A正确，D错误U的质子数为92，中子数为n＝235－92＝143，故B错误Xe的中子数为n1＝136－54＝82Sr的中子数为n2＝90－38＝52Xe的中子数大于Sr的中子数，故C错误。
4.C　轻核聚变和重核裂变时，核子的平均质量都将减小，故A错误；轻核聚变和重核裂变都是从比结合能小的原子核向比结合能大的原子核方向反应，有质量亏损，释放核能，故B错误，C正确；目前我国核电站主要利用重核裂变释放的能量来发电，故D错误。
5.（1UnXeSr＋1n
（2）2.7×104 kg
解析：（1）根据核反应的质量数守恒和电荷数守恒可知核反应方程式为UnXeSr＋1n。
（2）核电站每年放出的热量
Q＝Pt＝1.0×109×3.6×103×24×365 J≈3.15×1016 J。
一个U裂变放出的热量
ΔE＝Δmc2＝（235.043 9－89.907 7－135.907 2－9×1.008 7）×1.66×10－27×（3×108）2 J≈2.25×10－11 J。
需要浓缩铀的质量m＝mU＝×0.235 kg≈2.7×104 kg。
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4.核裂变　核聚变 5.粒子物理学发展概况
核
心
素
养
目
标 物理 观念 1.知道核裂变、链式反应、临界体积的概念。
2.了解核反应堆的工作原理；知道核电站的工作流程。
3.知道核聚变的概念、条件及受控热核反应的控制方案。
4.了解新粒子的发现和粒子的分类
科学 思维 1.会判断和书写核裂变、核聚变反应的方程。
2.能计算核裂变、核聚变释放的能量
目 录
01.
基础知识·准落实
02.
核心要点·快突破
03.
教学效果·勤检测
04.
课时训练·提素能
基础知识·准落实
梳理归纳 自主学习
01
知识点一　核裂变　链式反应
1. 核裂变
把重核分裂成几个 原子核的核反应现象称为核裂变。
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UnBa＋Kr＋ 。
中等质量　
n　
3. 链式反应
如果一个反应过程的 能够再次引发这种反应，从而使反应
一旦开始后就能自动延续下去，这样的反应称为链式反应。
4. 临界体积
能够发生链式反应的裂变物质的最小体积叫作临界体积。
5. 核反应的能量
1 g铀235完全裂变释放的能量相当于燃烧约 煤放出的化学
能，而且这么多能量是在短短不到1 s的时间之内释放出来的。
产物　
3 t　
知识点二　核反应堆　核电站
1. 核反应堆
（1）是一种 的核裂变链式反应装置。核反应堆按
引起裂变的中子能量可分为 反应堆和快中子反
应堆。
人为可控　
慢中子　
（2）慢化剂：铀235具有能俘获慢中子，而不易俘获快中子的特
点。在铀棒周围放置慢化剂，快中子跟慢化剂的原子核碰撞
后能量损失，变成慢中子。常用作慢化剂的物质有普通水
（也叫轻水）、 和石墨。
重水　
（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
之间插入一些控制棒。制造控制棒的材料是镉或硼等能强烈
吸收中子的物质，当反应过于剧烈时，就把控制棒插入得深
一些，让它多吸收一些中子，链式反应的速度就会慢一些。
反之则把控制棒向外拔出一些。
2. 核电站
（1）核能发电指利用核反应堆中 所释放出的核能进行
发电。
（2）这些核能先转变成水的 ，使水变成高温高压的蒸
汽，推动汽轮发电机发电。
核裂变　
内能　
知识点三　核聚变　受控热核反应
1. 核聚变
（1）定义：把轻原子核聚合成 的反应称为聚变反
应，简称核聚变。
较重原子核　
（2）条件：在聚变反应中，要使两个带正电的轻核聚合成一个质
量较大的核，必须使它们具有足够的 去克服库仑斥
力，进入到核力作用范围（10－15 m）内，然后通过
的作用结合发生聚变。核聚变反应一旦发生，就不再需要外
界继续提供能量，靠自身产生的能量就可以使反应继续进行
下去。
（3）举例HH 。
动能　
核力　
Hen　
（4）热核反应：要启动上述核聚变反应，必须要上亿摄氏度的温
度，使H核和H核具有足够的动能克服库仑斥力进入到核
力作用范围之内。因此，核聚变反应也称热核反应。
（5）核聚变反应和核裂变反应相比，具有很多优越性。①在消耗
相同质量的核燃料时，核聚变反应比核裂变反应能释放更多
的能量。②核裂变反应时产生放射性废料，处理起来比较困
难，而核聚变反应没有放射性废料产生。③核聚变反应所用
的燃料氘，在地球上的储量非常丰富。
2. 受控热核反应
（1）实现可控核聚变反应的难点：把高达上亿摄氏度的反应体放
在何处。
（2）控制方法
①磁约束：利用 约束参加反应的物质。
②激光惯性约束：由于聚变反应的时间非常短，聚变物质因
自身的惯性还来不及扩散就完成了核反应。所以，在惯性约
束下，可以用激光从各个方向照射参加反应的物质，使它们
“挤”在一起发生反应。
磁场　
知识点四　粒子物理学发展概况
1. “基本”粒子
（1）人们认为光子、电子、 和中子是组成物质的不可再
分的最基本的粒子，把它们叫作“基本粒子”。
（2）随着科学的发展，科学家们发现很多新粒子不能看作由质
子、中子、电子组成，并发现质子、 等本身也有自
己的复杂的结构。
2. 粒子“全家福”
粒子的分类：大体可分为 、 、规范玻色子等几种
类型。
质子　
中子　
强子　
轻子　
3. 夸克模型
1964年美国科学家盖尔曼和茨威格各自独立提出了强子结构的夸克
模型。他们认为强子是由3种更基本的粒子组成的，并称这些粒子
为 。
夸克　
【情景思辨】
　如图所示，图甲为核裂变，图乙为核聚变。请对以下说法作出
判断：
（1）每个铀核裂变的产物是固定的，放出的核能也是固定的。
（　×　）
（2）要发生链式反应，铀块的体积必须达到临界体积。 （　√　）
（3）轻核发生聚变时，轻核间距必须达到10－15 m 以内。
（　√　）
（4）轻核聚变时平均每个核子释放的能量比裂变反应中平均每个核
子释放的能量大。 （　√　）
×
√
√
√
核心要点·快突破
互动探究 深化认知
02
要点一　核裂变和链式反应
【探究】
　1964年10月16日，我国第一颗原子弹爆炸成功。
（1）原子弹爆炸属于哪种核反应？
提示：核裂变。
（2）写出一个属于原子弹爆炸类型的核反应方程。
提示：UnBaKr＋n。
【归纳】
1. 铀核的裂变和裂变方程
（1）核子受激发：当中子进入铀235后，便形成了处于激发状
态的复核，复核中由于核子的激烈运动，使核变成不规则
的形状。
（2）核子分裂：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或3个
中子，这些中子又引起其他铀核裂变，这样，裂变就会不断
地进行下去，释放出越来越多的核能。
（3）两个典型的裂变方程
UnXeSr＋n
UnBaKr＋n
2. 裂变反应的能量大小：铀核裂变为中等质量的原子核，发生质量亏
损，所以放出能量；一个铀235核裂变时释放的能量如果按200
MeV估算，1 kg铀235全部裂变放出的能量相当于2 800 t标准煤完
全燃烧时释放的能量，裂变时能产生几百万度的高温。
部件名称 项目　　 慢化剂 控制棒 冷却剂 安全壳
采用的材料 石墨、重水
或普通水（也叫轻水） 镉（或硼
等） 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
3. 核电站的主要部件及作用
4. 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。
【典例1】　现有的核电站比较广泛采用的核反应之一是U
nNd＋Zr＋n＋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；
答案：40　90　
解析：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Zr表示。
（2）已知铀（U）核的质量为235.043 9 u，中子的质量为1.008 7 u，
钕（Nd）核的质量为142.909 8 u，锆核的质量为89.904 7 u；又
知1 u相当于 931.5 MeV 的能量，试计算1 kg铀235大约能产生的
能量是多少？
答案：5.06×1026 MeV
解析： 1 kg铀235的铀核数为
n＝×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＝0.212 u
因此1 kg铀235完全裂变产生的能量约为
E＝n·Δm×931.5 MeV
＝2.56×1024×0.212×931.5 MeV
＝5.06×1026 MeV。
1. （多选）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多
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
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正确；链式反应
的发生是有条件的，铀块的体积必须达到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，故D正确。
2. （多选）核电站工作流程图如图所示，关于核能，下列说法正确的
是（　　）
A. 核反应堆可以把核能直接转化为电能
B. 核反应堆利用的是原子核衰变过程产生的能量
C. 核反应生成物的比结合能大于反应物的比结合能
D. 水泥防护层的作用是屏蔽裂变产物放出的各种射线
解析：　核反应堆把核能转化为内能，再转化为电能，故A错误；核反应堆利用的是核裂变过程产生的能量，故B错误；核反应
堆中发生核反应要放出能量，则核反应生成物的比结合能大于反应物的比结合能，故C正确；水泥防护层的作用是屏蔽裂变产物放出的各种射线，故D正确。
要点二　核聚变
1. 聚变发生的条件：要使轻核发生聚变，必须使轻核间的距离达
到核力发生作用的距离10－15 m以内，这要克服原子核间巨大的
库仑斥力作用，使轻核具有足够大的动能。要使原子核具有足
够大的动能，有一种方法就是给它们加热，使物质达到几百万
开尔文的高温。
2. 轻核聚变是放能反应：从比结合能的图线看，轻核聚变后比结合能
增加，因此聚变反应是一个放能反应。
3. 重核裂变与轻核聚变的区别
重核裂变 轻核聚变
放能原理 重核分裂成两个或多个中等质量
的原子核，放出核能 两个轻核结合成质量
较大的原子核，放出
核能
放能多少 聚变反应比裂变反应平均每个核子放出的能量要大3～4
倍 【典例2】　新一代“人造太阳”中国环流二号M装置（HL-2M）正
式建成并实现首次放电，放电温度达太阳内部温度的10倍。“人造太
阳”实验中的可控热核反应的方程是HHHen，海水中
富含反应原料氘H），氚核H）可以用中子轰击锂核Li）
得到。下列说法正确的是（　　）
A. 上述核反应前后核子数相等，生成物的质量等于反应物的质量
解析：上述核反应前后核子数相等，反应过程释放能量，有质量亏
损，所以生成物的质量小于反应物的质量，故A错误；由质量数守恒
和电荷数守恒可得中子轰击锂核Li）反应方程为n
LiHHe，故B正确；α衰变是自然状态下发生的，中子轰击
锂核Li）为原子核的人工转变，故C错误；核反应方程式H
HHen中生成物氦核He）的比结合能比反应物氘核
H）和氚核H）的比结合能都大，故D错误。
1. 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HHHen。已知H的质量
为2.013 6 uHe的质量为3.015 0 u，n的 质量为1.008 7 u，1 u
＝931 MeV/c2。氘核聚变反应中释放的核能约为（　　）
A. 3.7 MeV B. 3.3 MeV
C. 2.7 MeV D. 0.93 MeV
解析：　氘核聚变反应的质量亏损为Δm＝2×2.013 6 u－（3.015
0 u＋1.008 7 u）＝0.003 5 u，释放的核能为ΔE＝Δmc2＝0.003
5×931 MeV/c2×c2≈3.3 MeV，选项B正确。
2. （多选）下列关于聚变的说法中，正确的是（　　）
A. 要使聚变发生，必须克服库仑斥力做功
B. 轻核聚变需要几百万开尔文的高温，因此轻核聚变又叫作热核反
应
C. 原子弹爆炸能产生几百万开尔文的高温，所以氢弹利用原子弹引
发热核反应
D. 太阳和许多恒星内部都在激烈地进行着热核反应，在地球内部也
可以自发地进行
解析：　轻核聚变时，要使轻核之间距离达到10－15 m，所以必须克服库仑斥力做功，故A正确；原子核必须有足够的动能，才能使它们接近到核力能发生作用的范围，实验证实，原子核必须处在几百万开尔文的高温下才有这样的能量，这样高的温度能够通过原子弹爆炸获得，故B、C正确；在太阳和其他恒星内部都存在着热核反应，但在地球内部不会自发地进行，故D错误。
要点三　对粒子的认识
1. 新粒子的发现及特点
发现时
间 1932年 1937年 1947年 20世纪60年
代后
新粒子 正电子 μ子 K介子与π介
子 超子
基本特
点 质量与相对应的
粒子相同而电荷
及其他一些物理
性质相反 比质子的质
量小 质量介于电
子与质子之
间 质量比质子
大
2. 粒子的分类
分类 参与的相互作用 发现的粒子 备注
强子 参与强相互作用 质子、中子等 强子有内部结构，由
“夸克”构成
轻子 不参与强相互作用 电子、电子中微子、μ子、μ子中微子，τ子、τ子中微子 还没有发现内部结构
规范玻色
子 传递各种相互
作用 光子、中间玻色
子、胶子等 光子传递电磁相互作
用，中间玻色子传递
弱相互作用，胶子传
递强相互作用
3. 夸克模型
（1）夸克的提出：1964年美国物理学家盖尔曼提出了强子的夸克
模型，认为强子是由夸克构成的。
（2）夸克的种类：上夸克（u）、下夸克（d）、奇异夸克（s）、
粲夸克（c）、底夸克（b）和顶夸克（t）。
（3）夸克所带电荷：夸克所带的电荷量是元电荷的 ＋ 或－。例
如，上夸克带的电荷量为＋，下夸克带的电荷量为－。
（4）意义：电子电荷不再是电荷的最小单位，即存在分数电荷。
【典例3】　（多选）已知π＋介子、π－介子都是由一个夸克（夸克u或夸克d）和一个反夸克（反夸克或反夸克）组成的，它们的带电荷量如表所示，表中e为元电荷。
粒子 π＋ π－ u d
带电荷量 ＋e －e
下列说法正确的是（　　）
解析：因π＋介子带有＋e的电荷量，且是由一个夸克和一个反夸克组成的，则夸克u带＋e和反夸克带＋e合成电荷量为＋e，那么π＋介子是由夸克u和反夸克组成的；同理，π－介子由夸克d和反夸克组成，所以A、D正确。
1. （多选）关于粒子，下列说法正确的是（　　）
A. 质子和中子是组成物质的不可再分的最基本的粒子
B. 质子、中子本身也是复合粒子，它们具有复杂的结构
C. 质子是带电的强子
D. 质子是轻子
解析：　质子和中子是由不同的夸克组成的，它们不是最基本
的粒子，故A错误，B正确；不同的夸克组成的强子，有的带电，
有的不带电，质子是带正电的强子，故C正确，D错误。
2. 推理是研究和学习物理的一种重要方法，正电子、负质子、反中子
都是反粒子，它们跟通常所说的电子、质子、中子相比较，质量相
等，电荷量相等、电性相反（中子和反中子都不带电）。科学家已经发现反氦原子（已知氦原子核中有两个质子和两个中子）。你推测反氦原子的结构可能是（　　）
A. 由两个带负电的质子和两个带正电的电子构成
B. 由两个带负电的质子、两个电子和两个中子构成
C. 由两个质子、两个电子和两个中子构成
D. 由两个带负电的质子、两个带正电的电子和两个不带电的中子构成
解析：　组成反氦原子的粒子与组成氦原子的粒子应具有相同的
质量，相等的电荷量，相反的电性，据此分析可知反氦原子可能由
两个带负电的质子（反质子）、两个带正电的电子（正电子）和两
个不带电的中子构成，选项D正确。
03
教学效果·勤检测
强化技能 查缺补漏
1. 关于粒子，下列说法正确的是（　　）
A. 电子、质子和中子是组成物质的不可再分的基本粒子
B. 强子都是带电粒子
C. 夸克模型是探究三大类粒子结构的理论
D. 夸克模型说明电子电荷不再是电荷的最小单位
解析：　由于中子、质子是由不同的夸克组成的，它们不再是基
本粒子，夸克模型是探究强子结构的理论，不同夸克构成强子，有
的强子带电，有的不带电，不同夸克带电不同，可能为＋e或－
e，说明电子电荷不再是电荷的最小单位，选项D正确。
2. 慢中子反应堆的示意图如图所示，下列对该反应堆的说法正确的是
（　　）
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
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，A错误，B正确；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，C、D错误。
3. 重核裂变的一个核反应方程为Un→Sr＋xZ。则下
列说法正确的是（　　）
A. 该核反应方程中x＝10
D. Z为电子
解析：　反应前U内的电荷数为92，生成物中Xe和Sr的
电荷数之和也为92，所以Z的电荷数为0，Z为中子，根据质量数守
恒可知，x＝235＋1－136－90＝10，故A正确，D错误U的质
子数为92，中子数为n＝235－92＝143，故B错误Xe的中子数
为n1＝136－54＝82Sr的中子数为n2＝90－38＝52Xe的中
子数大于Sr的中子数，故C错误。
4. 核能发电被视为人类解决能源问题的终极方案，目前我国在核能发
电应用和研究方面都处于国际一流水平，以下关于轻核聚变和重核
裂变的说法正确的是（　　）
A. 经轻核聚变过程后核子的平均质量增大
B. 经重核裂变过程后原子核的比结合能减小
C. 经轻核聚变过程后原子核的比结合能增大
D. 目前我国核电站主要利用轻核聚变释放的能量来发电
解析：　轻核聚变和重核裂变时，核子的平均质量都将减
小，故A错误；轻核聚变和重核裂变都是从比结合能小的原子
核向比结合能大的原子核方向反应，有质量亏损，释放核能，
故B错误，C正确；目前我国核电站主要利用重核裂变释放的能
量来发电，故D错误。
5. 利用反应堆工作时释放出的热能使水汽化以推动汽轮发电机发电，
这就是核电站的工作原理。核电站消耗的“燃料”很少，但功率却
很大。
（1）核反应堆中的“燃料”是U，补全下面的核反应方程式
UnXeSr＋1n。
答案：UnXeSr＋1n
解析：根据核反应的质量数守恒和电荷数守恒可知核反
应方程式为UnXeSr＋1n。
（2）一座100万千瓦的核电站，每年（365天）需要多少浓缩铀？
已知铀核的质量为235.043 9 u，氙核质量为135.907 2 u，锶
核的质量为89.907 7 u。1 u＝1.66×10－27 kg，中子的质量为
1.008 7 u，浓缩铀中铀235的含量占2％。（结果保留两位有
效数字，NA＝6.02×1023 mol－1）
答案： 2.7×104 kg
解析：核电站每年放出的热量
Q＝Pt＝1.0×109×3.6×103×24×365 J≈3.15×1016 J。
一个U裂变放出的热量
ΔE＝Δmc2＝（235.043 9－89.907 7－135.907 2－9×1.008 7）×1.66×10－27×（3×108）2 J≈2.25×10－11 J。
需要浓缩铀的质量m＝mU＝
×0.235 kg≈2.7×104 kg。
04
课时训练·提素能
分层达标 素养提升
题组一　核裂变和链式反应
1. 1999年9月，日本发生严重的核泄漏，这是将核原料（六氟化钠）
提炼成核反应材料（二氟化铀）时操作失误造成的，工作人员在一
个加工炉中投入16 kg的核原料，大大超过了规定标准，从而造成
了核泄漏，这个标准是（　　）
A. 临界体积
B. 临界压强
C. 临界温度
D. 由一定的温度、体积和压强共同确定
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解析：　原子核非常小，原子的内部空隙较大，如果铀块的
体积不够大，中子从铀块中通过时，可能还没有碰到铀核就跑
到铀块外面去了，核反应不会产生，当铀块足够大时，就会产
生核反应，能够产生核反应的铀块的最小体积叫作它的临界体
积，相应的质量叫作临界质量。临界体积是核反应技术中的重
要参数。如果核原料（六氟化钠）投入太多，提炼成核反应材
料（二氟化铀），就会超过临界体积，则可产生持续的铀核反
应，从而造成了核泄漏，A正确；当铀块达不到其临界体积
时，一般情况下，即便压强和温度达到一定值时，也不会产生
核反应，不会产生核泄漏，B、C、D错误。
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2. 我国自主第三代核电“华龙一号”全球第4台机组于2022年3月在巴
基斯坦并网发电。中国核电推动我国“双碳”目标实现的同时，也
为全球核电安全树立了标杆。关于核能，以下说法正确的是（　　）
A. 核能是来自化学变化释放的能量
B. 核能是原子核结构发生变化时释放的能量
C. 核能还不是安全、干净的能源
D. 我国核电站利用了核聚变反应释放的能量
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解析：　核能是原子核结构发生变化时释放的能量，化学变化不
会涉及原子核层面，故A错误，B正确；目前核电技术已经成熟，
相较于火力发电，核电对环境的污染较小，在一般情况下发生安全
事故的可能性较低，属于安全、干净的能源，故C错误；目前世界
上核电站都是利用核裂变反应释放的能量，故D错误。
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3. 我国研制的全球首座20万千瓦高温气冷堆核电站于2021年4月装料
完毕，年底正式发电。该核反应堆用铀235作核燃料，用石墨作减
速剂，用氦气作冷却剂。则（　　）
A. 铀235的核裂变是它自发分裂成两个中等核，同时放出中子
B. 裂变产生中等核的比结合能大于铀235核的比结合能
C. 石墨在反应堆中的作用是吸收中子，控制反应的速度
D. 可用铀238替代铀235作为核燃料
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解析：　铀235的核裂变必须要有中子轰击才能分裂成两个中等
核，同时放出多个中子，选项A错误；裂变因为放出核能，有质量
亏损，则产生中等核的比结合能大于铀235核的比结合能，选项B
正确；慢中子最容易引发铀核裂变，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，选项C错误；反应堆以铀235
作为裂变燃料，而在天然铀中占99％的铀238不能被利用，则不可
用铀238替代铀235作为核燃料，选项D错误。
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题组二　核聚变
4. （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）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
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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10－15 m以内，从而使核力起作用，故A错误；1度电表示的电能为E0＝1 kW·h＝3.6×106 J，该反应堆连续5秒产生的能量为E＝59×106 J≈16.4 kW·h，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。
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5. 096型核潜艇是我国海军第三代弹道导弹核潜艇，主要动力是两座
一体化压水式核子反应器。关于核潜艇中的核反应，下列说法正确
的是（　　）
B. 该核反应可能是α衰变
C. 核潜艇主要动力来源于重核发生裂变释放的能量
D. 该核反应需要极高的温度才能发生
解析：　核潜艇中的核反应堆发生的是核裂变反应，核潜艇主要
动力来源于重核裂变释放的能量，故A、B错误，C正确；核裂变不
需要极高的温度，故D错误。
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6. 中国“嫦娥六号”在月球采集的约2公斤月壤中含有地球上鲜
有的HeHe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He聚变的
核反应方程如下：
HHHe＋X＋3.3 MeV，
HeHeHe＋2Y＋12.86 MeV；
下列说法正确的是（　　）
A. X为质子，Y为中子
C. 方程①中：质量亏损约为5.9×10－31 kg
D. 方程②中：核子平均释放的能量约为2.14 MeV
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解析：　由电荷数守恒和质量数守恒可知，X为中子，Y为质
子，A错误；聚变的核反应过程放出热量，则He比He更稳定，
所以He的比结合能比He的比结合能小，B错误；由爱因斯坦质
能方程可得 E＝Δmc2，则解得质量亏损为Δm＝，代入数据，解
得Δm≈5.9×10－30 kg，C错误；核子平均释放的能量约为＝＝
MeV≈2.14 MeV，D正确。
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题组三　对粒子的认识
7. 根据宇宙大爆炸的理论，在宇宙形成之初是“粒子家族”尽显风采
的时期，那么在大爆炸之后最早产生的粒子是（　　）
A. 夸克、轻子、胶子等粒子
B. 质子和中子等强子
C. 光子、中微子和电子等轻子
D. 氢核、氘核、氦核等轻核
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解析：　宇宙形成之初产生了夸克、轻子和胶子等粒子，之后又
经历了质子和中子等强子时代，再之后是自由的光子、中微子、电
子大量存在的轻子时代，再之后是中子和质子结合成氘核，并形成
氦核的核时代，之后电子和质子复合成氢原子，最后形成恒星和星
系，故A正确。
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8. （多选）下列关于夸克模型的说法正确的是（　　）
A. 强子是由更基本的夸克组成的
C. 每种夸克都有对应的反夸克
D. 夸克能以自由的状态单个出现
解析：　强子是由更基本的夸克组成的，夸克的电荷量分别为元电荷的＋或－，每种夸克都有对应的反夸克，夸克不能以自由的状态单个出现，D错误，A、B、C正确。
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9. （多选）2021年12月15日秦山核电站迎来了安全发电30周年，核电
站累计发电约6.9×1011 kW·h，相当于减排二氧
化碳六亿多吨。为了提高能源利用率，核电站还
将利用冷却水给周围居民供热。下列说法正确的
是（　　）
A. 秦山核电站利用的是核聚变释放的能量
B. 秦山核电站发电使原子核亏损的质量约为27.6 kg
C. 核电站反应堆中需要用镉棒控制链式反应的速度
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解析：　秦山核电站利用的重核裂变，选项A错误；如果不考
虑核能与电能转化效率，则根据爱因斯坦质能方程E＝mc2可以推
算，原子核亏损的质量约为27.6 kg，但核能不可能100％转化为电
能，所以质量亏损应该超过27.6 kg，选项B错误；核电站反应堆中
需要用镉棒控制链式反应的速度，选项C正确；反应堆中存在
UnBaKr＋n的核反应，选项D正确。
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10. 太阳向外辐射的能量来自其内部发生的各种热核反应，当太阳内
部达到一定温度时，会发生“核燃烧”，其“核燃烧”的核反应
方程为He＋XBe＋γ，方程中X表示某种粒子Be是不
稳定的粒子，其半衰期为T，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（　　）
D. “核燃烧”的核反应是裂变反应
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解析：　半衰期与外界因素无关，故温度改变，半衰期不变，
故A错误；根据质量数守恒和电荷数守恒判断X为He，故B错
误；根据爱因斯坦质能方程ΔE＝Δm·c2，解得该核反应过程产生
的质量亏损为Δm＝，故C正确；“核燃烧”的核反应是聚变反
应，故D错误。
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11. “人造太阳”内部发生的一种核反应方程为HHe＋X，
已知H的比结合能为E1H的比结合能为E2He的比结合能
为E3，光在真空中的传播速度为c。下列说法正确的是（　　）
A. 核反应方程中X为电子
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解析：　根据质量数守恒与电荷数守恒可知X为n，故A错误；
核反应方程式中，生成物比反应物稳定，则He的比结合能大于
H的比结合能，故B错误；核反应放出的能量为ΔE＝4E3－
，由能量守恒定律可得4E3－＝Δmc2，解
得Δm＝，故C错误，D正确。
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12. 氘核H可以通过一系列聚变反应释放能量，其总效果可用反应式
为H→He＋H＋2 　　＋43.15 MeV表示。海水中富含氘，
已知1 kg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1 kg标准煤燃烧释放的热量约为2.9×107 J，1 MeV＝1.6×10
－13 J。
（1）完善反应方程式；
答案：见解析　
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解析：反应过程中其电荷数以及质量数是守恒的，所
以空出的粒子的电荷数为
z＝＝0
粒子的质量数为
A＝＝1
所以该粒子为中子，即n，所以反应方程式为
H→He＋H＋n＋43.15 MeV。
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解析： 平均每个氘核聚变释放的能量为
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1 kg海水中含有的氘核约为1.0×1022个，其放出的能量约为
E0＝Nε
要释放相同的热量，需要燃烧标准媒的质量为
M＝ kg≈397 kg。
（2）M约为多少kg？（结果保留到整数位）
答案：397 kg
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