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4.核裂变与核聚变 5.“基本”粒子
题组一　核裂变及链式反应
1.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.U的中子数为92
C. Xe的中子数等于Sr的中子数
D.Z为电子
2.如图是核反应堆的示意图，对于核反应堆的认识，下列说法正确的是（　　）
A.铀棒是核燃料，核心物质是铀238
B.石墨起到吸收中子的作用
C.镉棒起到使中子减速的作用
D.水泥防护层的作用是阻隔各种射线，避免放射性危害
3.（多选）用中子n）轰击铀核U）发生裂变反应，会产生钡核Ba）和氪Kr）并释放出中子n），当达到某些条件时可发生链式反应，一个铀核（U）裂变时，释放的能量约为200 MeV（1 eV＝1.6×10－19 J）。以下说法正确的是（　　）
A.U的裂变方程为UBaKrn
BU的裂变方程为UnBaKr＋n
CU发生链式反应的条件与铀块的体积有关
D.一个U裂变时，质量亏损约为3.6×10－28 kg
题组二　核聚变
4.关于核聚变，以下说法正确的是（　　）
A.与裂变相比轻核聚变辐射极少，更为安全、清洁
B.世界上已经有利用核聚变能量来发电的核电站
C.要使轻核发生聚变，必须使它们的距离达到10－10 m以内，核力才能起作用
D.核聚变比核裂变更易控制
5.2023年12月，新一代人造太阳“中国环流三号”面向全球开放。“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
6.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.（多选）在粒子的分类中的规范玻色子包括有（　　）
A.轻子　　B.光子　　C.胶子　　D.中微子
8.20世纪30年代以来，人们在对宇宙射线的研究中，陆续发现了一些新的粒子，K介子和π介子就是科学家在1947年发现的。K－介子的衰变方程为K－→π0＋π－，其中K－介子和π－介子带负电，电荷量等于元电荷，π0介子不带电。如图所示，一个K－介子沿垂直于磁场的方向射入匀强磁场中，其轨迹为图中的圆弧虚线，K－介子衰变后，π0介子和π－介子的轨迹可能是（　　）
9.（2024·河北唐山高二期末）下面是我们学过的核反应方程，它们的类型分别是衰变、核裂变、核聚变和人工核转变。期中核反应方程式的书写正确的是（　　）
APSie
BUnXeSr＋n
CFHeNeH
DHHHen
10.某科学家提出年轻热星体中核聚变的一种理论，其中的两个核反应方程为 HCN＋Q1HNC＋X＋Q2，方程式中Q1，Q2表示释放的能量，相关的原子核质量见下表：
原子核 质量/u
H 1.007 8
He 3.016 0
He 4.002 6
C 12.000 0
N 13.005 7
N 15.000 1
以下推断正确的是（　　）
A.X是He，Q2＞Q1 B.X是He，Q2＞Q1
C.X是He，Q2＜Q1 D.X是He，Q2＜Q1
11.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（　　）
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
12.（2024·陕西宝鸡高二期末）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）
13.设有钚的同位素离子Pu静止在匀强磁场中，该离子沿与磁场垂直的方向放出α粒子以后，变成铀的一个同位素离子，同时放出一个能量为E＝0.09 MeV的光子（已知1 MeV＝1.60×10－13 J，光速c＝3.0×108 m/s，普朗克常量h＝6.63×10－34 J·s）。
（1）试写出这一过程的衰变方程；
（2）光子的波长为多少？（保留三位有效数字）
（3）若不计光子的动量，则α粒子与铀核在该磁场中的回转半径之比Rα∶RU为多少？
（4）若不计光子的动量，则α粒子的动能为多少？（钚核质量m1＝238.999 65 u，铀核质量m2＝234.993 470 u，α粒子的质量为m3＝4.001 509 u，1 u相当于931.5 MeV的能量，计算结果保留三位小数）
4.核裂变与核聚变5.“基本”粒子
1.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。
2.D　核反应堆采用的核燃料为铀棒，核心物质是铀235，A错误；石墨的作用是使快中子减速，B错误；镉棒的作用是吸收中子，C错误；水泥防护层的作用是阻隔各种射线，避免放射性危害，D正确。
3.BCDU的裂变方程为UnBaKr＋n，故A错误，B正确；当铀块体积大于临界体积时链式反应才会发生，故C正确；ΔE＝200 MeV＝2×108×1.6×10－19 J＝3.2×10－11 J，根据ΔE＝Δmc2，可知Δm＝＝ kg≈3.6×10－28 kg，故D正确。
4.A　与裂变相比，轻核聚变有下面的几个优势：安全、清洁、辐射少；核燃料储量多；核废料易处理。但轻核聚变不易控制，利用其发电还没有投入实际运行。要使轻核发生聚变，必须使它们的距离达到10－15 m以内，核力才能起作用。所以正确的只有选项A。
5.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。
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能量，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，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.BC　规范玻色子是传递各种相互作用的粒子，如光子、中间玻色子（W和Z玻色子）、胶子；轻子是指不参与强相互作用的费米子，轻子包括电子、μ子、τ粒子和与之相应的中微子。故轻子和中微子不属于规范玻色子。光子和胶子属于规范玻色子。故选B、C。
8.A　π0介子不带电，在磁场中不偏转。K－介子、π－介子带负电，在磁场中洛伦兹力的作用下做匀速圆周运动，根据左手定则及动量守恒定律可知A正确。
9.B　根据电荷数守恒和质量数守恒可知SieUnXeSr＋n，HeNeHHH→Hen，故选B。
10.B　由核反应方程遵循质量数守恒和电荷数守恒知X是He，A、C错误；前一核反应过程的质量亏损Δm1＝（1.007 8＋12.000 0－13.005 7）u＝0.002 1 u，而后一核反应的质量亏损Δm2＝（1.007 8＋15.000 1－12.000 0－4.002 6）u＝0.005 3 u，Δm2＞Δm1，故Q2＞Q1，D错误，B正确。
11.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，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＝Δmc2，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。
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。
13.（1PuUHe　（2）1.38×10－11 m
（3）　（4）4.190 MeV
解析：（1）核反应中遵循质量数守恒和电荷数守恒，故衰变方程为PuUHe。
（2）由波长和能量的关系式E＝，
变形代入数据可得λ＝≈1.38×10－11 m。
（3）设衰变后，铀核速度大小为v2，α粒子的速度大小为v3，根据动量守恒有m2v2－m3v3＝0，
在磁场中洛伦兹力提供向心力，即qvB＝m，
则＝·＝。
（4）由能量守恒定律知，铀核与α粒子的总动能
Ek＝EkU＋Ekα＝931.5×（m1－m2－m3）MeV－E＝4.261 MeV，
由动量守恒定律可得m2v2＝m3v3，Ekα＝m3，EkU＝m2，则Ekα＝Ek≈4.190 MeV。
3 / 34.核裂变与核聚变 5.“基本”粒子
课标要求 素养目标
1.了解裂变反应和聚变反应的工作原理。 2.知道如何控制核反应速度及如何防止核污染 1.知道核裂变与核聚变、链式反应及粒子的基本概念，了解原子弹、核反应堆、聚变反应条件、新粒子的过程。（物理观念） 2.掌握链式反应及核聚变释放能量的计算，理解核电站的工作原理，掌握轻核聚变的条件，提高分析、解决问题的能力。（科学思维）
知识点一　核裂变
1.核裂变的发现
（1）发现：1938年底，德国物理学家　　　　和他的助手斯特拉斯曼在用中子轰击铀核的实验中发现了铀核的裂变。
（2）定义：铀核在被中子轰击后分裂成两块质量差不多的碎片。弗里施借用细胞分裂的生物学名词，把这类核反应定名为　　　　　。
（3）铀核裂变：用　　　　轰击铀核时，铀核发生裂变，其产物是多样的，其中一种典型的反应是
U＋　　BaKr＋　　。
UnXeSr＋n。
（4）链式反应：由重核裂变产生的　　　　　使核裂变反应一代接一代继续下去的过程，叫作核裂变的链式反应。
（5）临界体积和临界质量：核裂变物质能够发生　　　　反应的　　　　体积叫作它的临界体积，相应的质量叫作临界质量。
2.反应堆与核电站
（1）核反应堆组成
①燃料：　　　　。
②慢化剂：铀235容易捕获慢中子发生反应，常用的慢化剂有　　　　、重水和普通水。
③控制棒：由吸收　　　　能力很强的镉制成，用以控制链式反应的速度。
（2）核电站工作原理
核燃料　　　　释放的能量使反应区温度升高，水或液态的金属钠等流体在反应堆内外　　　　　　，把反应堆内的热量传输出去，用于发电，用时也使反应堆冷却。
（3）核污染的处理
为避免射线对人体的伤害和　　　　　物质对水源、空气和工作场所造成放射性污染。在反应堆外面要修建很厚的　　　　　，用来屏蔽裂变产物放出的各种射线。核废料具有很强的　　　　　　，需要放入特制容器，深埋地下。
【情景思辨】
如图所示为核裂变示意图，判断下列说法正误。
（1）重核裂变是一种天然现象。（　　）
（2）铀核裂变的产物是固定的，就是生成钡和氪，同时放出3个中子。（　　）
（3）裂变中放出的中子数目是固定的3个中子。（　　）
（4）只有铀块的体积大于临界体积时，才能够发生链式反应。（　　）
知识点二　核聚变
1.定义：两个　　　　结合成质量较大的核，这样的核反应叫作核聚变。
2.核反应方程HHHen＋17.6 MeV。
3.条件：使轻核的距离达到　　　　　　 m以内。
4.方法：把轻核加热到很高的　　　　。因此核聚变又叫　　　　　　。
5.宇宙中的核聚变：太阳能是太阳内部的氢核　　　　成氦核释放的核能。
6.人工热核反应：　　　弹。首先由化学炸药引爆　　　　弹，再由原子弹爆炸产生的高温高压引发热核爆炸。
7.核聚变的优、缺点
（1）优点：①轻核聚变产能　　　　　；②地球上核聚变燃料氘的储量　　　　，而氚可以利用锂来制取，足以满足核聚变的需要；③轻核聚变更为安全、清洁。
（2）缺点：核聚变需要的温度太　　　　，地球上没有任何容器能够经受如此高的温度。
8.控制方案：　　　约束和　　　　约束。
知识点三　“基本”粒子
1.“基本”粒子
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”。然而，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、　　　　、电子组成，并发现　　　　、中子等本身也有自己的复杂的结构。从20世纪后半期，就将“基本”二字去掉，统称为粒子。
2.发现新粒子
1932年发现了　　　　　，1937年发现了μ子，1947年发现了K介子和π介子，后来发现了超子等。
3.粒子的分类
（1）强子：是　　　　　强相互作用的粒子。　　　　和　　　　都是强子。
（2）轻子：　　　　强相互作用。　　　　、电子中微子、μ子、μ子中微子以及τ子和τ子中微子都是已发现的轻子。
（3）规范玻色子：是　　　　各种相互作用的粒子，如　　　　，中间玻色子（W和Z玻色子）、胶子。
（4）希格斯玻色子：是希格斯场的量子激发。
4.夸克与粒子物理标准模型
（1）夸克、夸克模型：1964年，美国科学家盖尔曼等人提出了夸克模型，认为强子由更基本的成分组成，这种成分叫作　　　　。夸克模型指出电子电荷不再是电荷的最小单位，即存在　　　　　　。
（2）粒子物理标准模型是一整套关于　　　的理论。其中，　　　　、　　　　、　　　　　　　　和　　　　　　　　是组成物质的几类最基本的粒子。
【情景思辨】
如图所示为核聚变示意图，判断下列说法正误。
（1）核聚变时吸收能量。（　　）
（2）核聚变平均每个核子放出的能量，比裂变反应中平均每个核子放出的能量大。（　　）
（3）热核反应主要用在核武器上，那就是原子弹。（　　）
（4）轻核聚变比重核裂变更安全、清洁。（　　）
要点一　核裂变及链式反应
【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的核反应方程。
【归纳】
1.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。
2.核电站的主要部件及作用
组成部分 材料 作用
裂变材料 （核燃料） 浓缩铀 提供核燃料
减速剂 （慢化剂） 石墨、重水或普通水（也叫轻水） 使裂变产生的快中子减速
组成部分 材料 作用
控制棒 镉棒 吸收中子，控制反应速度
热交换器 水或液态的金属钠 传输热量
防护层 厚水泥层 防止放射线泄漏，对人体及其他生物体造成伤害
3.核电站发电的优点
（1）消耗的核燃料少；
（2）作为核燃料的铀、钍等在地球上可采用储量大，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】　原子弹和核反应堆都利用了原子核裂变产生的能量。前者可以给人类带来灾难，后者却能用来发电为人类造福。用一个中子轰击U，可发生裂变反应生成Ba和Kr，并释放出几个中子，已知每个中子的质量m1＝1.008 uU的质量m2＝235.043 uBa的质量m3＝140.913 u，Kr的质量m4＝91.897 u，质量亏损1 u相当于释放931 MeV的能量，光速c＝3×108 m/s。
（1）请写出上述裂变中的核反应方程；
（2）求一个U在裂变反应中释放的核能的表达式（用m1、m2、m3、m4、c表示）；
（3）若某原子弹装料为60 kg的U，其中大约有1.2％发生裂变，真实的裂变情况有很多种，假设发生的都是上述裂变反应，已知阿伏加德罗常数NA＝6×1023 mol－1，求这颗原子弹释放的能量约为多少MeV？（结果保留两位有效数字）
尝试解答
1.铀核裂变时，对于产生链式反应的重要因素，下列说法中正确的是（　　）
A.铀块的质量是重要因素，与体积无关
B.为了使裂变的链式反应容易发生，最好直接利用裂变时产生的中子
C.若铀235的体积超过它的临界体积，裂变的链式反应就能够发生
D.能否发生链式反应与铀块的质量无关
2.如图为普遍使用的“慢中子”核反应堆的示意图，铀棒是核燃料，一种典型的铀核裂变方程为Un→BaKr＋n，用重水作为慢化剂可使快中子减速，假设中子与重水中的氘核H）每次碰撞均为弹性正碰，而且认为碰撞前氘核是静止的，氘核的质量是中子质量的两倍，则下列说法不正确的是（　　）
A.钡核的比结合能比铀核的大
B.若碰撞前中子的动能为E0，经过一次弹性碰撞后中子动能变成E0
C.镉棒插入深一些可增大链式反应的速度
D.水泥防护层可用来屏蔽裂变产物放出的射线
3.核泄漏事故污染物Cs能够产生对人体有害的辐射，其核反应方程为CsBa＋X，则（　　）
A.核反应方程中的X是质子
B.核反应方程中的X是中子
C.核反应类型为核裂变
D.核反应类型为β衰变
要点二　核聚变
1.核聚变的特点
（1）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。
（2）在消耗相同质量的核燃料时，轻核聚变比重核裂变释放出的能量多。
（3）热核反应一旦发生，就不再需要外界给它提供能量，靠自身产生的热就可以使反应进行下去。
（4）普遍性：热核反应在宇宙中时时刻刻地进行着，太阳就是一个巨大的热核反应堆。
2.核聚变的应用
（1）核武器——氢弹：一种不需要人工控制的轻核聚变反应装置。它利用化学炸药引爆原子弹，再由原子弹爆炸产生的高温高压引发热核爆炸。
（2）可控热核反应：目前处于探索阶段。
3.重核裂变与轻核聚变的比较
项目 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大3～4倍
核废料 处理难度 聚变反应的核废料处理要比裂变反应的简单得多
原料的 蕴藏量 核裂变燃料铀在地球上储量有限，尤其是用于核裂变的铀235在天然铀中只占0.7％ 氘在地球上的储量非常丰富，而氚可以利用锂来制取
可控性 比较容易进行人工控制，现在的核电站都是用核裂变反应释放核能 目前，人们还不能控制它
【典例2】　“东方超环”又被称为“人造太阳”，是利用海水中的氘，与氚原子在高温高密度条件下，像太阳一样发生核聚变。氘核H）和氚核H）结合成氦核He）时，要放出某种质量m＝1.008 7 u的粒子，同时释放出能量。已知氘核质量m氘＝2.014 1 u，氚核质量m氚＝3.016 0 u，氦核质量m氦＝4.002 6 u，根据爱因斯坦的质能方程可知1 u相当于931.5 MeV≈1.49×10－10 J，阿伏加德罗常数NA＝6.0×1023 mol－1，氘核的摩尔质量M氘＝2 g·mol－1。
（1）写出该核聚变反应的核反应方程式，并计算一次核聚变反应中释放的核能；（结果保留两位有效数字）
（2）未来建设一座应用此反应的热核发电站，若该发电站的功率P＝5×105 kW，计算理论上该发电站一年（约3.15×107 s）大约需要多少千克的氘？
尝试解答
1.（多选）下列关于聚变的说法中正确的是（　　）
A.要使聚变产生，必须克服库仑斥力做功
B.轻核聚变需要几百万摄氏度的高温，因此聚变又叫作热核反应
C.原子弹爆炸能产生几百万摄氏度的高温，所以氢弹利用原子弹引发热核反应
D.自然界中不存在天然的热核反应
2.新能源是指刚开始开发利用或正在积极研究、有待推广的能源，如太阳能、风能和核聚变能等，下列关于太阳能、核聚变的说法正确的是（　　）
A.太阳能是来自太阳内部进行的热核反应，它属于重核的裂变
B.轻核聚变过程中质量增大且放出巨大能量
C.核聚变方程HHHe＋X中的X粒子是中子
D.核电站是利用轻核聚变的链式反应产生的能量来发电的
3.（多选）中国的核聚变研究已进入世界前列，主要利用2个氘核聚变成3He，已知氘核的质量为2.013 6 u，中子质量为1.008 7 u，3He的质量为3.015 0 u，质子的质量为1.007 8 u，α粒子的质量为4.002 6 u，1 u＝931.5 MeV/c2，则（　　）
A.该核反应中产生的新粒子为中子
B.该核反应中产生的新粒子为质子
C.该核反应中释放出的核能约为3.26 MeV
D.该核反应中释放出的核能约为4.10 MeV
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
希格斯玻 色子 — — 希格斯玻色子是希格斯场的量子激发，基本粒子因与希格斯场耦合而获得质量
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）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
2.关于粒子，下列说法正确的是（　　）
A.质子的反粒子的电荷量与质子相同，但带的是负电荷
B.强子都是带电的粒子
C.目前发现的轻子只有8种
D.光子属于轻子
1.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
2.（2024·广西桂林高二期末）2023年4月12日，中国“人造太阳”实现稳态运行403 s的纪录，位列世界之首。“人造太阳”其核反应方程为H＋He＋X，则下列说法正确的是（　　）
A.核反应方程中的X是电子 B.核反应方程中的X是中子
C.核反应方程中的X是质子 D.该核反应为裂变核反应
3.（多选）关于在地球上实现受控热核反应的说法正确的是（　　）
A.由于能源短缺日益严峻，人类需要造出自己的“太阳”，利用核聚变缓解能源危机
B.地球上河流、湖泊、海洋中含有大量核聚变所需要的氘，相对于核裂变材料更丰富
C.由于在地球上很难找到核聚变所需要的氘，所以实现受控热核反应，既困难又没有必要
D.实现受控热核反应的困难是热核反应的温度非常高，地球上没有任何容器能够经受如此高温
4.一个氘核和一个氚核发生聚变反应会产生氦核，核反应方程是HHHe＋X，关于该反应，下列说法中正确的是（　　）
A.该反应为α衰变
B.该方程中的X表示质子H
CH的比结合能比He的比结合能大
D.该反应后核子的平均质量将减小
5.铀核裂变的许多核反应中的其中一个是UnBaKr＋n。
（1）试计算一个铀235原子核裂变后释放的能量UBaKrn的质量分别为235.043 9 u、140.913 9 u、91.897 3 u、1.008 7 u，1 u相当于931.5 MeV能量）；
（2）1 kg铀235原子核发生上述裂变时能放出多少核能？这相当于完全燃烧多少煤释放的能量？（煤的热值为2.94×107 J/kg）
4.核裂变与核聚变5.“基本”粒子
【基础知识·准落实】
知识点一
1.（1）哈恩　（2）核裂变　（3）中子　n　n　（4）中子　（5）链式　最小　2.（1）①铀棒　②石墨　③中子
（2）裂变　循环流动　（3）放射性　水泥层　放射性
情景思辨
　（1）×　（2）×　（3）×　（4）√
知识点二
1.轻核　3.10－15　4.温度　热核反应　5.聚变　6.氢　原子
7.（1）①效率高　②丰富　（2）高　8.磁　惯性
知识点三
1.质子　中子　质子　2.正电子　3.（1）参与　质子　中子
（2）不参与　电子　（3）传递　光子　4.（1）夸克　分数电荷
（2）粒子　夸克　轻子　规范玻色子　希格斯玻色子
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＋89 36Kr＋n。
【典例1】　（1UnBaKr＋n
（2）ΔE＝c2　（3）3.7×1026 MeV
解析：（1）由质量数守恒和电荷数守恒可得该核反应方程为UnBaKr＋n。
（2）反应前后质量亏损为Δm＝（m1＋m2－m3－m4－3m1）＝
根据爱因斯坦质能方程ΔE＝Δmc2
得ΔE＝c2。
（3）一个U在裂变反应中Δm＝（235.043＋1.008－140.913－91.897－3×1.008）u＝0.217 u
根据爱因斯坦质能方程ΔE＝Δmc2
可以求出释放能量为ΔE＝Δmc2＝202 MeV
这颗原子弹中发生裂变的铀235的质量约为m＝60 kg×1.2％＝0.72 kg＝720 g
铀235的摩尔质量M约为235 g/mol，所以E总＝NAΔE
代入数据得E总＝3.7×1026 MeV。
素养训练
1.C　要使铀核裂变产生链式反应，铀块的体积必须大于临界体积，裂变反应中产生的中子为快中子，这些快中子不能直接引发新的裂变，如果铀块的质量大，则其体积大，若超过临界体积则发生链式反应，A、B、D错误，C正确。
2.C　该核反应的过程中释放大量的能量，钡核的比结合能比铀核的比结合能大，故A正确；取碰撞前中子的速度方向为正方向，根据动量守恒定律有mv0＝mv1＋2mv2，依据能量守恒定律有m＝m＋×2m，解得v1＝－v0，故碰撞后中子的动能为Ek1＝m＝E0，故B正确；要使裂变反应更剧烈一些，应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快一些，故C错误；水泥防护层的作用是屏蔽裂变产物放出的射线，故D正确。
3.D　根据质量数守恒和电荷数守恒可知Cs衰变后的产物X的质量数为0，电荷数为－1，是电子，所以衰变方程为CsBae，为β衰变，故D正确。
要点二
知识精研
【典例2】　（1HHHen　2.8×10－12 J
（2）18.75 kg
解析：（1）该核反应方程式为
HHHen，
反应中的质量亏损为
Δm＝m氘＋m氚－（m氦＋m）＝0.018 8 u，
根据质能方程ΔE＝Δmc2，
代入数据得ΔE≈2.8×10－12 J。
（2）该发电站一年产生的电能E＝Pt，
代入数据求得E＝1.575×1016 J，
理论上该发电站一年需要的氘的质量
mH＝×10－3，
代入数据解得mH＝18.75 kg。
素养训练
1.ABC　轻核聚变时，必须使轻核之间的距离达到10－15 m以内，所以必须克服库仑斥力做功，选项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摄氏度下才有这样的能量，这样高的温度可利用原子弹爆炸获得，故选项B、C正确；在太阳内部进行着天然的热核反应，选项D错误。
2.C　在太阳内部，氢原子核在超高温下发生聚变，释放出巨大的核能，因此太阳内部进行着大规模的核反应是核聚变，A项错误；轻核聚变释放出巨大能量，伴随着质量亏损，B项错误；根据质量数守恒与电荷数守恒，可知X为中子，C项正确；核电站是利用原子核裂变的链式反应产生的能量来发电的，D项错误。
3.AC　根据质量数守恒和电荷数守恒知，核反应方程为HHHen，则该核反应中产生的新粒子为中子，故A正确，B错误；核反应过程中的质量亏损为Δm＝2mD－（mHe＋mn）＝0.003 5 u，则释放的核能为ΔE＝Δmc2≈3.26 MeV，故C正确，D错误。
要点三
知识精研
【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.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。
2.A　许多粒子都有自己的反粒子，反粒子与其对应的正粒子具有相同的质量和相同的电荷量，但电荷的符号相反，则质子的反粒子的电荷量与质子相同，但带的是负电荷，故A正确；有的强子带电，有的强子不带电，故B错误；目前发现的轻子只有6种，故C错误；质子和中子属于强子，光子属于规范玻色子，故D错误。
【教学效果·勤检测】
1.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。
2.B　根据电荷数守恒和质量数守恒可知，X的质量数为1，电荷数为0，所以X为中子，A、C错误，B正确；该反应为核聚变反应，D错误。
3.ABD　由于化石能源和核裂变材料储量有限，地球上河流、湖泊、海洋中含有大量核聚变所需要的氘，实现受控热核反应，既有丰富原材料又能缓解能源危机。只是热核反应的温度非常高，地球上没有任何容器能够经受如此高温。所以A、B、D正确，C错误。
4.D　该核反应为核聚变反应，不是衰变，A错误；根据质量数和电荷数守恒，可知方程中的X表示中子n，B错误；聚变反应是放出能量的反应，会发生质量亏损，反应后核子的平均质量将减小H的比结合能比He的比结合能小，C错误，D正确。
5.（1）200.6 MeV　（2）5.14×1026 MeV　相当于完全燃烧2 797.3 t煤
解析：（1）裂变反应的质量亏损为
Δm＝（235.043 9＋1.008 7－140.913 9－91.897 3－3×1.008 7）u＝0.215 3 u。
一个铀235原子核裂变后释放的能量为
ΔE＝0.215 3×931.5 MeV≈200.6 MeV。
（2）1 kg铀235原子核中含原子核的个数为
N＝×6.02×1023≈2.56×1024，
1 kg铀235原子核发生裂变时释放的总能量
ΔEN＝N·ΔE＝2.56×1024×200.6 MeV≈5.14×1026 MeV。
设完全燃烧的煤的质量为m，有ΔEN＝qm，
所以m＝＝ kg≈2 797.3 t。
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4.核裂变与核聚变 5.“基本”粒子
课标要求 素养目标
1.了解裂变反应
和聚变反应的工
作原理。 2.知道如何控制
核反应速度及如
何防止核污染 1.知道核裂变与核聚变、链式反应及粒子的基本概
念，了解原子弹、核反应堆、聚变反应条件、新粒
子的过程。（物理观念）
2.掌握链式反应及核聚变释放能量的计算，理解核
电站的工作原理，掌握轻核聚变的条件，提高分
析、解决问题的能力。（科学思维）
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
1. 核裂变的发现
（1）发现：1938年底，德国物理学家 和他的助手斯特拉
斯曼在用中子轰击铀核的实验中发现了铀核的裂变。
（2）定义：铀核在被中子轰击后分裂成两块质量差不多的碎片。
弗里施借用细胞分裂的生物学名词，把这类核反应定名
为 。
哈恩　
核裂变　
（3）铀核裂变：用 轰击铀核时，铀核发生裂变，其产物
是多样的，其中一种典型的反应是
U＋ BaKr＋ 。
UnXeSr＋n。
中子　
n　
n　
（4）链式反应：由重核裂变产生的 使核裂变反应一代接
一代继续下去的过程，叫作核裂变的链式反应。
（5）临界体积和临界质量：核裂变物质能够发生 反应
的 体积叫作它的临界体积，相应的质量叫作临界
质量。
中子　
链式　
最小　
2. 反应堆与核电站
（1）核反应堆组成
①燃料： 。
②慢化剂：铀235容易捕获慢中子发生反应，常用的慢化剂
有 、重水和普通水。
③控制棒：由吸收 能力很强的镉制成，用以控制链
式反应的速度。
铀棒　
石墨　
中子　
（2）核电站工作原理
核燃料 释放的能量使反应区温度升高，水或液态的
金属钠等流体在反应堆内外 ，把反应堆内的热
量传输出去，用于发电，用时也使反应堆冷却。
（3）核污染的处理
为避免射线对人体的伤害和 物质对水源、空气和
工作场所造成放射性污染。在反应堆外面要修建很厚的
，用来屏蔽裂变产物放出的各种射线。核废料具有很
强的 ，需要放入特制容器，深埋地下。
裂变　
循环流动　
放射性　
水
泥层　
放射性　
【情景思辨】
如图所示为核裂变示意图，判断下列说法正误。
（1）重核裂变是一种天然现象。 （　×　）
×
（2）铀核裂变的产物是固定的，就是生成钡和氪，同时放出3个中
子。 （　×　）
×
（4）只有铀块的体积大于临界体积时，才能够发生链式反应。
（　√　）
（3）裂变中放出的中子数目是固定的3个中子。 （　×　）
×
√
知识点二　核聚变
1. 定义：两个 结合成质量较大的核，这样的核反应叫作
核聚变。
2. 核反应方程HHHen＋17.6 MeV。
3. 条件：使轻核的距离达到 m以内。
4. 方法：把轻核加热到很高的 。因此核聚变又叫
。
5. 宇宙中的核聚变：太阳能是太阳内部的氢核 成氦核释放的
核能。
轻核　
10－15　
温度　
热核反
应　
聚变　
6. 人工热核反应： 弹。首先由化学炸药引爆 弹，再由
原子弹爆炸产生的高温高压引发热核爆炸。
7. 核聚变的优、缺点
（1）优点：①轻核聚变产能 ；②地球上核聚变燃料氘
的储量 ，而氚可以利用锂来制取，足以满足核聚变
的需要；③轻核聚变更为安全、清洁。
（2）缺点：核聚变需要的温度太 ，地球上没有任何容器能
够经受如此高的温度。
氢　
原子　
效率高　
丰富　
高　
8. 控制方案： 约束和 约束。
磁　
惯性　
知识点三　“基本”粒子
1. “基本”粒子
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”。然而，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、 、电子组成，
并发现 、中子等本身也有自己的复杂的结构。从20世纪后
半期，就将“基本”二字去掉，统称为粒子。
质子　
中子　
质子　
2. 发现新粒子
1932年发现了 ，1937年发现了μ子，1947年发现了K介
子和π介子，后来发现了超子等。
正电子　
3. 粒子的分类
（1）强子：是 强相互作用的粒子。 和
都是强子。
（2）轻子： 强相互作用。 、电子中微子、μ
子、μ子中微子以及τ子和τ子中微子都是已发现的轻子。
（3）规范玻色子：是 各种相互作用的粒子，如
，中间玻色子（W和Z玻色子）、胶子。
（4）希格斯玻色子：是希格斯场的量子激发。
参与　
质子　
中子　
不参与　
电子　
传递　
光
子　
4. 夸克与粒子物理标准模型
（1）夸克、夸克模型：1964年，美国科学家盖尔曼等人提出了夸
克模型，认为强子由更基本的成分组成，这种成分叫作
。夸克模型指出电子电荷不再是电荷的最小单位，即存
在 。
（2）粒子物理标准模型是一整套关于 的理论。其
中， 、 、 和
是组成物质的几类最基本的粒子。
夸
克　
分数电荷　
粒子　
夸克　
轻子　
规范玻色子　
希格斯玻色
子　
【情景思辨】
如图所示为核聚变示意图，判断下列说法正误。
（1）核聚变时吸收能量。 （　×　）
（2）核聚变平均每个核子放出的能量，比裂变反应中平均每个核子
放出的能量大。 （　√　）
（3）热核反应主要用在核武器上，那就是原子弹。 （　×　）
（4）轻核聚变比重核裂变更安全、清洁。 （　√　）
×
√
×
√
核心要点·快突破
互动探究 深化认知
02
要点一　核裂变及链式反应
【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的核反应方程。
提示：UnBa＋Kr＋n。
【归纳】
1. 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。
组成部分 材料 作用
裂变材料（核燃料） 浓缩铀 提供核燃料
减速剂（慢化
剂） 石墨、重水或普通水（也叫轻水） 使裂变产生的快中子减速
控制棒 镉棒 吸收中子，控制反应速度
热交换器 水或液态的金属钠 传输热量
防护层 厚水泥层 防止放射线泄漏，对人体及其他生物体造成伤害
2. 核电站的主要部件及作用
3. 核电站发电的优点
（1）消耗的核燃料少；
（2）作为核燃料的铀、钍等在地球上可采用储量大，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】　原子弹和核反应堆都利用了原子核裂变产生的能量。前
者可以给人类带来灾难，后者却能用来发电为人类造福。用一个中子
轰击U，可发生裂变反应生成Ba和Kr，并释放出几个中
子，已知每个中子的质量m1＝1.008 uU的质量m2＝235.043
uBa的质量m3＝140.913 u，Kr的质量m4＝91.897 u，质量亏
损1 u相当于释放931 MeV的能量，光速c＝3×108 m/s。
（1）请写出上述裂变中的核反应方程；
答案：UnBaKr＋n
解析：由质量数守恒和电荷数守恒可得该核反应方程为
UnBaKr＋n。
（2）求一个U在裂变反应中释放的核能的表达式（用m1、m2、
m3、m4、c表示）；
答案：ΔE＝c2
解析：反应前后质量亏损为Δm＝（m1＋m2－m3－m4－3m1）＝
根据爱因斯坦质能方程ΔE＝Δmc2
得ΔE＝c2。
（3）若某原子弹装料为60 kg的U，其中大约有1.2％发生裂变，
真实的裂变情况有很多种，假设发生的都是上述裂变反应，已
知阿伏加德罗常数NA＝6×1023 mol－1，求这颗原子弹释放的能
量约为多少MeV？（结果保留两位有效数字）
答案：3.7×1026 MeV
解析：一个U在裂变反应中Δm＝（235.043＋1.008－
140.913－91.897－3×1.008）u＝0.217 u
根据爱因斯坦质能方程ΔE＝Δmc2
可以求出释放能量为ΔE＝Δmc2＝202 MeV
这颗原子弹中发生裂变的铀235的质量约为m＝60 kg×1.2％＝
0.72 kg＝720 g
铀235的摩尔质量M约为235 g/mol，所以E总＝NAΔE
代入数据得E总＝3.7×1026 MeV。
1. 铀核裂变时，对于产生链式反应的重要因素，下列说法中正确的是
（　　）
A. 铀块的质量是重要因素，与体积无关
B. 为了使裂变的链式反应容易发生，最好直接利用裂变时产生的中
子
C. 若铀235的体积超过它的临界体积，裂变的链式反应就能够发生
D. 能否发生链式反应与铀块的质量无关
解析：　要使铀核裂变产生链式反应，铀块的体积必须大于临界
体积，裂变反应中产生的中子为快中子，这些快中子不能直接引发
新的裂变，如果铀块的质量大，则其体积大，若超过临界体积则发
生链式反应，A、B、D错误，C正确。
2. 如图为普遍使用的“慢中子”核反应堆的示意图，铀棒是核燃料，
一种典型的铀核裂变方程为Un→BaKr＋n，用重
水作为慢化剂可使快中子减速，假设中子与重水中的氘核H）
每次碰撞均为弹性正碰，而且认为碰撞前氘核是静止的，氘核的质
量是中子质量的两倍，则下列说法不正确的是（　　）
A. 钡核的比结合能比铀核的大
B. 若碰撞前中子的动能为E0，经过一次弹性碰撞后中子动能变成E0
C. 镉棒插入深一些可增大链式反应的速度
D. 水泥防护层可用来屏蔽裂变产物放出的射线
解析：　该核反应的过程中释放大量的能量，钡核的比结合能比
铀核的比结合能大，故A正确；取碰撞前中子的速度方向为正方
向，根据动量守恒定律有mv0＝mv1＋2mv2，依据能量守恒定律有
m＝m＋×2m，解得v1＝－v0，故碰撞后中子的动能
为Ek1＝m＝E0，故B正确；要使裂变反应更剧烈一些，应使控
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快一
些，故C错误；水泥防护层的作用是屏蔽裂变产物放出的射线，故
D正确。
3. 核泄漏事故污染物Cs能够产生对人体有害的辐射，其核反应方
程为CsBa＋X，则（　　）
A. 核反应方程中的X是质子
B. 核反应方程中的X是中子
C. 核反应类型为核裂变
D. 核反应类型为β衰变
解析：　根据质量数守恒和电荷数守恒可知Cs衰变后的产
物X的质量数为0，电荷数为－1，是电子，所以衰变方程为
CsBae，为β衰变，故D正确。
要点二　核聚变
1. 核聚变的特点
（1）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。
（2）在消耗相同质量的核燃料时，轻核聚变比重核裂变释放出的
能量多。
（3）热核反应一旦发生，就不再需要外界给它提供能量，靠自身
产生的热就可以使反应进行下去。
（4）普遍性：热核反应在宇宙中时时刻刻地进行着，太阳就是一
个巨大的热核反应堆。
2. 核聚变的应用
（1）核武器——氢弹：一种不需要人工控制的轻核聚变反应装
置。它利用化学炸药引爆原子弹，再由原子弹爆炸产生的高
温高压引发热核爆炸。
（2）可控热核反应：目前处于探索阶段。
3. 重核裂变与轻核聚变的比较
项目 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大3～4倍
核废料处理难度 聚变反应的核废料处理要比裂变反应的简单得多
项目 重核裂变 轻核聚变
原料的蕴藏量 核裂变燃料铀在地球上储量有
限，尤其是用于核裂变的铀235
在天然铀中只占0.7％ 氘在地球上的储量
非常丰富，而氚可
以利用锂来制取
可控性 比较容易进行人工控制，现在
的核电站都是用核裂变反应释
放核能 目前，人们还不能
控制它
【典例2】　“东方超环”又被称为“人造太阳”，是利用海水中的
氘，与氚原子在高温高密度条件下，像太阳一样发生核聚变。氘核
H）和氚核H）结合成氦核He）时，要放出某种质量m＝
1.008 7 u的粒子，同时释放出能量。已知氘核质量m氘＝2.014 1 u，
氚核质量m氚＝3.016 0 u，氦核质量m氦＝4.002 6 u，根据爱因斯坦的
质能方程可知1 u相当于931.5 MeV≈1.49×10－10 J，阿伏加德罗常数
NA＝6.0×1023 mol－1，氘核的摩尔质量M氘＝2 g·mol－1。
（1）写出该核聚变反应的核反应方程式，并计算一次核聚变反应中
释放的核能；（结果保留两位有效数字）
答案：HHHen　2.8×10－12 J
解析：该核反应方程式为
HHHen，
反应中的质量亏损为
Δm＝m氘＋m氚－（m氦＋m）＝0.018 8 u，
根据质能方程ΔE＝Δmc2，
代入数据得ΔE≈2.8×10－12 J。
（2）未来建设一座应用此反应的热核发电站，若该发电站的功率P＝
5×105 kW，计算理论上该发电站一年（约3.15×107 s）大约需
要多少千克的氘？
答案：18.75 kg
解析：该发电站一年产生的电能E＝Pt，
代入数据求得E＝1.575×1016 J，
理论上该发电站一年需要的氘的质量
mH＝×10－3，
代入数据解得mH＝18.75 kg。
1. （多选）下列关于聚变的说法中正确的是（　　）
A. 要使聚变产生，必须克服库仑斥力做功
B. 轻核聚变需要几百万摄氏度的高温，因此聚变又叫作热核反应
C. 原子弹爆炸能产生几百万摄氏度的高温，所以氢弹利用原子弹引
发热核反应
D. 自然界中不存在天然的热核反应
解析：　轻核聚变时，必须使轻核之间的距离达到10－15 m以内，所以必须克服库仑斥力做功，选项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摄氏度下才有这样的能量，这样高的温度可利
用原子弹爆炸获得，故选项B、C正确；在太阳内部进行着天然的
热核反应，选项D错误。
2. 新能源是指刚开始开发利用或正在积极研究、有待推广的能源，如
太阳能、风能和核聚变能等，下列关于太阳能、核聚变的说法正确
的是（　　）
A. 太阳能是来自太阳内部进行的热核反应，它属于
重核的裂变
B. 轻核聚变过程中质量增大且放出巨大能量
C. 核聚变方程HHHe＋X中的X粒子是中子
D. 核电站是利用轻核聚变的链式反应产生的能量来
发电的
解析：　在太阳内部，氢原子核在超高温下发生聚变，释放出巨
大的核能，因此太阳内部进行着大规模的核反应是核聚变，A项错
误；轻核聚变释放出巨大能量，伴随着质量亏损，B项错误；根据
质量数守恒与电荷数守恒，可知X为中子，C项正确；核电站是利
用原子核裂变的链式反应产生的能量来发电的，D项错误。
3. （多选）中国的核聚变研究已进入世界前列，主要利用2个氘核聚
变成3He，已知氘核的质量为2.013 6 u，中子质量为1.008 7 u，3He
的质量为3.015 0 u，质子的质量为1.007 8 u，α粒子的质量为4.002
6 u，1 u＝931.5 MeV/c2，则（　　）
A. 该核反应中产生的新粒子为中子
B. 该核反应中产生的新粒子为质子
C. 该核反应中释放出的核能约为3.26 MeV
D. 该核反应中释放出的核能约为4.10 MeV
解析：　根据质量数守恒和电荷数守恒知，核反应方程为HHHen，则该核反应中产生的新粒子为中子，故A正
确，B错误；核反应过程中的质量亏损为Δm＝2mD－（mHe＋mn）
＝0.003 5 u，则释放的核能为ΔE＝Δmc2≈3.26 MeV，故C正确，
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
分类 参与的相互作
用 发现的粒子 备注
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
希格斯玻
色子 — — 希格斯玻色子是希格斯场的量子激发，基本粒子因与希格斯场耦合而获得质量
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
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）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
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。
2. 关于粒子，下列说法正确的是（　　）
A. 质子的反粒子的电荷量与质子相同，但带的是负电荷
B. 强子都是带电的粒子
C. 目前发现的轻子只有8种
D. 光子属于轻子
解析：　许多粒子都有自己的反粒子，反粒子与其对应的正粒子
具有相同的质量和相同的电荷量，但电荷的符号相反，则质子的反
粒子的电荷量与质子相同，但带的是负电荷，故A正确；有的强子
带电，有的强子不带电，故B错误；目前发现的轻子只有6种，故C
错误；质子和中子属于强子，光子属于规范玻色子，故D错误。
教学效果·勤检测
强化技能 查缺补漏
03
1. 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
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。
2. （2024·广西桂林高二期末）2023年4月12日，中国“人造太阳”实
现稳态运行403 s的纪录，位列世界之首。“人造太阳”其核反应
方程为H＋He＋X，则下列说法正确的是（　　）
A. 核反应方程中的X是电子
B. 核反应方程中的X是中子
C. 核反应方程中的X是质子
D. 该核反应为裂变核反应
解析：　根据电荷数守恒和质量数守恒可知，X的质量数为1，电
荷数为0，所以X为中子，A、C错误，B正确；该反应为核聚变反
应，D错误。
3. （多选）关于在地球上实现受控热核反应的说法正确的是（　　）
A. 由于能源短缺日益严峻，人类需要造出自己的“太阳”，利用核
聚变缓解能源危机
B. 地球上河流、湖泊、海洋中含有大量核聚变所需要的氘，相对于
核裂变材料更丰富
C. 由于在地球上很难找到核聚变所需要的氘，所以实现受控热核反
应，既困难又没有必要
D. 实现受控热核反应的困难是热核反应的温度非常高，地球上没有
任何容器能够经受如此高温
解析：　由于化石能源和核裂变材料储量有限，地球上河流、湖泊、海洋中含有大量核聚变所需要的氘，实现受控热核反应，既有丰富原材料又能缓解能源危机。只是热核反应的温度非常高，地球上没有任何容器能够经受如此高温。所以A、B、D正确，C错误。
4. 一个氘核和一个氚核发生聚变反应会产生氦核，核反应方程是
HHHe＋X，关于该反应，下列说法中正确的是（　　）
A. 该反应为α衰变
B. 该方程中的X表示质子H
CH的比结合能比He的比结合能大
D. 该反应后核子的平均质量将减小
解析：　该核反应为核聚变反应，不是衰变，A错误；根据质量
数和电荷数守恒，可知方程中的X表示中子n，B错误；聚变反应
是放出能量的反应，会发生质量亏损，反应后核子的平均质量将减
小H的比结合能比He的比结合能小，C错误，D正确。
5. 铀核裂变的许多核反应中的其中一个是U＋BaKr＋
n。
（1）试计算一个铀235原子核裂变后释放的能量
UBaKrn的质量分别为235.043 9 u、
140.913 9 u、91.897 3 u、1.008 7 u，1 u相当于931.5 MeV
能量）；
答案：200.6 MeV　
解析：裂变反应的质量亏损为
Δm＝（235.043 9＋1.008 7－140.913 9－91.897 3－
3×1.008 7）u＝0.215 3 u。
一个铀235原子核裂变后释放的能量为
ΔE＝0.215 3×931.5 MeV≈200.6 MeV。
（2）1 kg铀235原子核发生上述裂变时能放出多少核能？这相当于
完全燃烧多少煤释放的能量？（煤的热值为2.94×107 J/kg）
答案：5.14×1026 MeV　相当于完全燃烧2 797.3 t煤
解析： 1 kg铀235原子核中含原子核的个数为
N＝×6.02×1023≈2.56×1024，
1 kg铀235原子核发生裂变时释放的总能量
ΔEN＝N·ΔE＝2.56×1024×200.6 MeV≈5.14×1026 MeV。
设完全燃烧的煤的质量为m，有ΔEN＝qm，
所以m＝＝ kg≈2 797.3 t。
04
课时训练·提素能
分层达标 素养提升
题组一　核裂变及链式反应
1. 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. U的中子数为92
C. Xe的中子数等于Sr的中子数
D. Z为电子
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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。
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2. 如图是核反应堆的示意图，对于核反应堆的认识，下列说法正确的
是（　　）
A. 铀棒是核燃料，核心物质是铀238
B. 石墨起到吸收中子的作用
C. 镉棒起到使中子减速的作用
D. 水泥防护层的作用是阻隔各种射线，避免放射性危害
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解析：　核反应堆采用的核燃料为铀棒，核心物质是铀235，A错
误；石墨的作用是使快中子减速，B错误；镉棒的作用是吸收中
子，C错误；水泥防护层的作用是阻隔各种射线，避免放射性危
害，D正确。
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3. （多选）用中子n）轰击铀核U）发生裂变反应，会产生钡
核Ba）和氪Kr）并释放出中子n），当达到某些条件
时可发生链式反应，一个铀核（U）裂变时，释放的能量约为
200 MeV（1 eV＝1.6×10－19 J）。以下说法正确的是（　　）
A. U的裂变方程为UBaKrn
BU的裂变方程为UnBaKr＋n
CU发生链式反应的条件与铀块的体积有关
D. 一个U裂变时，质量亏损约为3.6×10－28 kg
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解析：U的裂变方程为UnBaKr＋n，故
A错误，B正确；当铀块体积大于临界体积时链式反应才会发生，
故C正确；ΔE＝200 MeV＝2×108×1.6×10－19 J＝3.2×10－11 J，
根据ΔE＝Δmc2，可知Δm＝＝ kg≈3.6×10－28 kg，故
D正确。
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题组二　核聚变
4. 关于核聚变，以下说法正确的是（　　）
A. 与裂变相比轻核聚变辐射极少，更为安全、清洁
B. 世界上已经有利用核聚变能量来发电的核电站
C. 要使轻核发生聚变，必须使它们的距离达到10－10 m以内，核力才
能起作用
D. 核聚变比核裂变更易控制
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解析：　与裂变相比，轻核聚变有下面的几个优势：安全、清洁、辐射少；核燃料储量多；核废料易处理。但轻核聚变不易控制，利用其发电还没有投入实际运行。要使轻核发生聚变，必须使它们的距离达到10－15 m以内，核力才能起作用。所以正确的只有选项A。
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5. 2023年12月，新一代人造太阳“中国环流三号”面向全球开放。
“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
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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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6. 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。
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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
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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能量，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，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. （多选）在粒子的分类中的规范玻色子包括有（　　）
A. 轻子 B. 光子
C. 胶子 D. 中微子
解析：　规范玻色子是传递各种相互作用的粒子，如光子、中
间玻色子（W和Z玻色子）、胶子；轻子是指不参与强相互作用的
费米子，轻子包括电子、μ子、τ粒子和与之相应的中微子。故轻子
和中微子不属于规范玻色子。光子和胶子属于规范玻色子。故选
B、C。
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8.20世纪30年代以来，人们在对宇宙射线的研究中，陆续发现了一些
新的粒子，K介子和π介子就是科学家在1947年发现的。K－介子的
衰变方程为K－→π0＋π－，其中K－介子和π－介子带负电，电荷量等
于元电荷，π0介子不带电。如图所示，一个K－介子沿垂直于磁场的
方向射入匀强磁场中，其轨迹为图中的圆弧虚线，K－介子衰变
后，π0介子和π－介子的轨迹可能是（　　）
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解析：　π0介子不带电，在磁场中不偏转。K－介子、π－介子带负
电，在磁场中洛伦兹力的作用下做匀速圆周运动，根据左手定则及
动量守恒定律可知A正确。
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9. （2024·河北唐山高二期末）下面是我们学过的核反应方程，它们
的类型分别是衰变、核裂变、核聚变和人工核转变。期中核反应方
程式的书写正确的是（　　）
APSie
BUnXeSr＋n
CFHeNeH
DHHHen
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解析：　根据电荷数守恒和质量数守恒可知
SieUnXeSr＋n，
HeNeHHHHen，故选B。
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10. 某科学家提出年轻热星体中核聚变的一种理论，其中的两个核反
应方程为 HCN＋Q1，NC＋X＋Q2，方
程式中Q1，Q2表示释放的能量，相关的原子核质量见下表：
原子核 质量/u
H 1.007 8
He 3.016 0
He 4.002 6
C 12.000 0
N 13.005 7
N 15.000 1
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A. X是He，Q2＞Q1
B. X是He，Q2＞Q1
C. X是He，Q2＜Q1
D. X是He，Q2＜Q1
以下推断正确的是（　　）
解析：　由核反应方程遵循质量数守恒和电荷数守恒知X是
He，A、C错误；前一核反应过程的质量亏损Δm1＝（1.007 8＋
12.000 0－13.005 7）u＝0.002 1 u，而后一核反应的质量亏损
Δm2＝（1.007 8＋15.000 1－12.000 0－4.002 6）u＝0.005 3 u，
Δm2＞Δm1，故Q2＞Q1，D错误，B正确。
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11. 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（　　）
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
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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，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＝Δmc2，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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12. （2024·陕西宝鸡高二期末）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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（2）M约为多少kg？（结果保留到整数位）
答案：397 kg
解析： 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。
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13. 设有钚的同位素离子Pu静止在匀强磁场中，该离子沿与磁场
垂直的方向放出α粒子以后，变成铀的一个同位素离子，同时放出
一个能量为E＝0.09 MeV的光子（已知1 MeV＝1.60×10－13 J，
光速c＝3.0×108 m/s，普朗克常量h＝6.63×10－34 J·s）。
（1）试写出这一过程的衰变方程；
答案：PuUHe　
解析：核反应中遵循质量数守恒和电荷数守恒，故衰
变方程为PuUHe。
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（2）光子的波长为多少？（保留三位有效数字）
答案：1.38×10－11 m
解析：由波长和能量的关系式E＝，
变形代入数据可得λ＝≈1.38×10－11 m。
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（3）若不计光子的动量，则α粒子与铀核在该磁场中的回转半径
之比Rα∶RU为多少？
答案：　
解析： 设衰变后，铀核速度大小为v2，α粒子的速度大小为
v3，根据动量守恒有m2v2－m3v3＝0，
在磁场中洛伦兹力提供向心力，即qvB＝m，
则＝·＝。
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（4）若不计光子的动量，则α粒子的动能为多少？（钚核质量m1
＝238.999 65 u，铀核质量m2＝234.993 470 u，α粒子的质
量为m3＝4.001 509 u，1 u相当于931.5 MeV的能量，计算
结果保留三位小数）
答案：4.190 MeV
解析：由能量守恒定律知，铀核与α粒子的总动能
Ek＝EkU＋Ekα＝931.5×（m1－m2－m3）MeV－E＝4.261 MeV，
由动量守恒定律可得m2v2＝m3v3，Ekα＝m3，EkU＝
m2，则Ekα＝Ek≈4.190 MeV。
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