2019-2020学年高中物理第十九章原子核6重核的裂变课后检测含解析新人教版选修3-5

2019-2020学年高中物理第十九章原子核6重核的裂变课后检测含解析新人教版选修3-5

‎　重核的裂变 记一记 重核的裂变知识体系 ‎1个反应——链式反应 ‎1个条件——临界体积 ‎1个原理——核电站工作原理 ‎ 辨一辨 ‎1.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．(×)‎ ‎2．裂变中放出的中子数目是固定的3个中子．(×)‎ ‎3．只有铀块的体积大于临界体积时，才能够发生链式反应．(√)‎ ‎4．在核反应中，中子的速度越大越容易击中铀核．(×)‎ ‎5．核反应堆是通过调节中子数目以控制反应速度．(√)‎ ‎6．核反应堆用过的核废料无毒无害．(×)‎ 想一想 ‎1.重核裂变是一种天然现象吗？‎ 提示：重核裂变不是天然现象，是中子轰击才能发生的核反应．‎ ‎2．只要有中子轰击铀块就可以产生链式反应？‎ 提示：有中子轰击铀块，铀块的体积大于临界体积，这样就可以产生链式反应．‎ ‎3．核电站的核心设施是什么？‎ 提示：核反应堆．‎ ‎4．核电站是把什么能转化为什么能？‎ 提示：是把核能转化为内能．‎ 思考感悟：　‎ ‎　‎ ‎　‎ ‎　‎ 练一练 ‎1.[2019·新疆检测](多选)当一个重核裂变时，它所产生的两个核(　　)‎ A．含有的质子数比裂变前重核的质子数少 B．含有的中子数比裂变前重核的中子数少 C．裂变时释放的能量等于俘获中子时得到的能量 D．可能是多种形式的两个核的组合 解析：由于在裂变反应中吸收一个中子而释放出几个中子，质子数没有发生变化，而两个新核的中子数减少，A错误，B正确；反应前后质量发生了亏损而释放出能量，并不等于俘获中子的能量，在裂变反应中，产物并不是唯一的，故C错误，D正确．‎ 答案：BD ‎2．裂变反应中释放出的能量来自于(　　)‎ A．核子消失转化为能量 - 7 -‎ B．原子中电子与原子核的电势能减小 C．入射的中子消失转化为能量 D．原子核的比结合能变大，释放出能量 解析：发生裂变反应过程中，核子数保持守恒，中子未消失，故A、C错误；能量来自于原子核内部，由于重核在分裂为中等质量的原子核时，比结合能增加而释放出能量，B错误，D正确．‎ 答案：D ‎3．一个U在中子的轰击下发生一种可能的裂变反应，其裂变方程为U＋n→X＋Sr＋2n，则下列说法正确的是(　　)‎ A．X的原子核中含有86个中子 B．X的原子核中含有141个核子 C．因为裂变释放能量，出现质量亏损，所以裂变后的总质量数减少 D.U是天然放射性元素，它的半衰期约为7亿年，随着地球环境的不断变化，半衰期可能变短也可能变长 解析：由核反应规律可知，X是Xe，X中有140个核子、86个中子，A项正确，B项错误；裂变过程质量亏损，总质量数守恒，C项错误；半衰期由核本身的因素决定，与外界条件无关，D项错误．‎ 答案：A ‎4.U受中子轰击时会发生裂变，产生Ba和Kr，同时放出200 MeV的能量，现要建设发电能力是50万千瓦的核电站，用铀235作为原子锅炉的燃料，假设核裂变释放的能量全部被用来发电，那么一天需要纯铀235的质量为多少？(阿伏加德罗常数取6.02×1023 mol－1)‎ 解析：每天发电的总量 E＝24×3.6×103×5×108 J＝4.32×1013 J.‎ 要得到这么多能量需要裂变的铀原子数目 n＝＝1.35×1024.‎ 则对应的质量 m＝·μ＝×235×10－‎3 kg≈‎0.527 kg.‎ 答案：‎‎0.527 kg 要点一 重核裂变与链式反应 ‎1.[2019·西宁测试]1938年哈恩用中子轰击铀核，发现产物中有原子核钡(Ba)、氪(Kr)、中子和一些γ射线。下列关于这个实验的说法中正确的是(　　)‎ A．这个实验的核反应方程是U＋n―→Ba＋Kr＋n B．这是一个核裂变过程，反应后粒子质量之和大于反应前粒子质量之和 C．这个反应中释放出的能量不可以用爱因斯坦的质能方程来计算 D．实验中产生的γ射线穿透能力极强 解析：根据质量数守恒、电荷数守恒，铀核裂变的核反应方程应为：U＋n―→Ba＋Kr＋3n，选项A不正确；铀核裂变过程中产生γ射线，放出能量，发生质量亏损，释放的能量根据爱因斯坦的质能方程计算，选项B、C不正确；核反应中产生的γ射线，穿透能力极强，是能量极高的光子，选项D正确．‎ 答案：D ‎2．关于重核的裂变，以下说法正确的是 (　　)‎ A．核裂变释放的能量等于它俘获中子时得到的能量 B．中子从铀块中通过时，一定发生链式反应 C．重核裂变释放出大量能量，产生明显的质量亏损，所以核子数要减少 D．重核裂变为中等质量的核时，要发生质量亏损，放出核能 - 7 -‎ 解析：核裂变释放的能量来源于裂变过程的质量亏损，是核能转化为其他形式能的过程，其能量远大于俘获中子时吸收的能量，A错误，D正确．发生链式反应是有条件的，铀块的体积必须大于其临界体积，否则中子从铀块中穿过时，可能碰不到原子核，则不会发生链式反应，B错误．重核裂变时，核子数守恒，C错误．‎ 答案：D ‎3．下列核反应中，表示核裂变的是(　　)‎ A.U―→Th＋He B.C―→N＋e C.U＋n―→Ba＋Kr＋3n D.Be＋He―→C＋n 解析：U―→Th＋He是α衰变，C―→N＋e是β衰变，Be＋He―→C＋n是人工转变，只有C选项是重核裂变．‎ 答案：C ‎4．核电站利用原子核链式反应放出的巨大能量进行发电，U是核电站常用的核燃料.U受一个中子轰击后裂变成Ba和Kr两部分，并产生________个中子．要使链式反应发生，裂变物质的体积要________(选填“大于”或“小于”)它的临界体积．‎ 解析：由质量数、电荷数守恒可知：U＋n―→Ba＋Kr＋3n，可见产生了3个中子，链式反应的一个条件是铀燃料的体积必须大于或等于临界体积．‎ 答案：3　大于 要点二 核电站的结构及工作原理 ‎5.(多选)铀核裂变是核电站核能的重要来源，其一种裂变反应式是U＋n→Ba＋Kr＋3n.下列说法正确的有(　　)‎ A．上述裂变反应中伴随着中子放出 B．铀块体积对链式反应的发生无影响 C．铀核的链式反应可人工控制 D．铀核的半衰期会受到环境温度的影响 解析：核裂变反应是重核被中子轰击后分裂成两个中等质量的原子核并放出若干个中子的反应，A选项正确；铀块要发生链式反应需达到一定的体积，B选项错误；链式反应可人工控制用以建立核电站，C选项正确；原子核的半衰期由原子核本身的性质决定，与其所处的环境或状态无关，D选项错误．‎ 答案：AC ‎6．[2019·大庆检测]如图是慢中子反应堆的示意图，对该反应堆的下列说法中正确的是(　　)‎ A．铀235容易吸收快中子后发生裂变反应 B．快中子跟减速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，快中子跟减速剂(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，选项B正确，A错误；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，选项C、D都错误．‎ - 7 -‎ 答案：B ‎7．核反应堆是实现可控制的重核裂变链式反应的一种装置，它的主要组成部分是(　　)‎ A．原子燃料、慢化剂、冷却系统和控制调节系统 B．原子燃料、慢化剂、发热系统和传热系统 C．原子燃料、调速剂、碰撞系统和热系统 D．原子燃料、中子源、原子能聚存和输送系统 解析：核反应堆的主要部分包括：①燃料，即浓缩铀235；②慢化剂，采用石墨、重水或普通水；③控制链式反应的速度；④冷却系统，水或液态钠等流体在反应堆内外循环流动，把反应堆的热量传输出去用于发电，故A正确，B、C、D错．‎ 答案：A ‎8．现已建成的核电站发电的能量来自于(　　)‎ A．天然放射性元素衰变放出的能量 B．人工放射性同位素放出的能量 C．重核裂变放出的能量 D．化学反应放出的能量 解析：现在核电站所用原料主要是铀，利用铀裂变放出的核能发电，故C项正确．‎ 答案：C ‎9．用中子轰击铀核(U)，其中的一个可能反应是分裂成钡(Ba)和氪(Kr)两部分，放出3个中子．各个核和中子的质量如下：‎ mU＝390.313 9×10－‎27 kg，‎ mn＝1.674 9×10－‎‎27 kg mBa＝234.001 6×10－‎27 kg，‎ mKr＝152.604 7×10－‎‎27 kg 试写出核反应方程，算出反应中释放的核能．‎ 解析：根据反应前后核的质量数守恒、核电荷数守恒和反应中的能量守恒，可以写出核反应方程为 n＋U―→Ba＋Kr＋3n 核反应前后的质量亏损的 Δm＝mU＋mn－mBa－mKr－3mn＝0.357 8×10－‎‎27 kg 则爱因斯坦质能方程可得释放的核能为 ΔE＝Δmc2＝0.357 8×10－27×(3×108)2 J ‎＝3.220 2×10－11 J.‎ 答案：n＋U―→Ba＋Kr＋3n ‎3．220 2×10－11 J 基础达标 ‎1.[2019·汕头检测]U吸收一个慢中子后分裂成Kr和Ba，还放出(　　)‎ A．1个α粒子　　　　B．3个中子 C．10个中子 D．10个质子 解析：根据质量数守恒、电荷数守恒可得还放出3个中子，B项正确．‎ 答案：B ‎2．在众多的裂变反应中，有一种反应方程为U＋n→Ba＋Kr＋aX，其中X为某种粒子，a为X的个数，则(　　)‎ A．X为中子，a＝2 B．X为中子，a＝3‎ C．X为质子，a＝2 D．X为质子，a＝3‎ 解析：由质量数、核电荷数守恒得U＋n→Ba＋Kr＋3n，所以X为中子，a＝3，故B正确．‎ 答案：B ‎3．(多选)关于核反应堆，下列说法正确的是(　　)‎ - 7 -‎ A．铀棒是核燃料，裂变时释放核能 B．镉棒的作用是控制反应堆的功率 C．石墨的作用是吸收中子 D．冷却剂的作用是控制反应堆的温度和输出热能 解析：铀棒是核燃料，裂变时可放出能量，故A正确；镉棒吸收中子的能力很强，作用是调节中子数目以控制反应速度，即控制反应堆功率，故B正确；慢中子最容易引发核裂变，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，故C错误；水或液态金属钠等流体在反应堆内外循环流动，把反应堆内的热量传输出去，用于发电，同时也使反应堆冷却，控制温度，故D正确．‎ 答案：ABD ‎4．1938年哈恩用中子轰击铀核(U)，发现产物中有原子核钡(Ba)、氪(Kr)、中子和一些γ射线．下列关于这个实验的说法中正确的是(　　)‎ A．这个实验的核反应方程是U＋n→Ba＋Kr＋n B．这是一个核裂变过程，反应后粒子质量之和大于反应前粒子质量之和 C．这个反应中释放出的能量不可以用爱因斯坦的质能方程来计算 D．实验中产生的γ射线穿透能力极强 ‎ 解析：根据质量数守恒、电荷数守恒，铀核裂变的核反应方程应为U＋n→Ba＋Kr＋3n，选项A不正确；铀核裂变过程中产生γ射线，放出能量，发生质量亏损，释放的能量根据爱因斯坦的质能方程计算，选项B、C不正确；核反应中产生的γ射线，穿透能力极强，是能量极高的光子，选项D正确．‎ 答案：D ‎5．[2019·安徽江南十校联考]铀核(U)经过m次α衰变和n次β衰变变成铅核(Pb)，关于该过程，下列说法中正确的是(　　)‎ A．m＝5，n＝4‎ B．铀核(U)的比结合能比铅核(Pb)的比结合能小 C．衰变产物的结合能之和小于铀核(U)的结合能 D．铀核(U)衰变过程的半衰期与温度和压强有关 解析：衰变方程为U→Pb＋mα＋nβ，则235＝207＋‎4m，解得m＝7，又92＝82＋7×2－n，得n＝4，故选项A错误；衰变后的产物相对于衰变前的物质要稳定，所以铀核衰变成另一原子核，衰变产物的结合能之和一定大于铀核的结合能，铅核(Pb)的比结合能大于铀核(U)的比结合能，故B正确，C错误；原子核的半衰期与环境的温度、压强等无关，故D错误．‎ 答案：B ‎6．[2019·山东烟台期中]铀核可以发生衰变和裂变，铀核的(　　)‎ A．衰变和裂变都能自发发生 B．衰变和裂变都不能自发发生 C．衰变能自发发生而裂变不能自发发生 D．衰变不能自发发生而裂变能自发发生 解析：铀是天然放射性元素，所以铀核的衰变能自发发生，而铀核的裂变是人工实现的，是用中子轰击铀核实现的，所以铀核的裂变不能自发发生，故A、B、D错误，C正确．‎ 答案：C ‎7．[2019·江苏南通期末]下列核反应方程及其表述中错误的是(　　)‎ A.He＋H→He＋H是原子核的α衰变 B.He＋Al→P＋n是原子核的人工转变 C.Na→Mg＋e原子核的β衰变 D.U＋n→Kr＋Ba＋3n是重核的裂变反应 解析：He＋H→He＋H不是原子核的α衰变；He＋Al→P＋n是原子核的人工转变；Na→Mg＋e，生成电子，是原子核的β衰变；U＋n→Kr＋Ba＋3n是铀核的裂变反应．综上可知，选项A错误．‎ 答案：A - 7 -‎ ‎8．[2019·广东佛山质检](多选)下列说法正确的是(　　)‎ A．比结合能(即平均结合能)越大，原子中核子结合得越牢固，原子核越稳定 B．在核反应堆中使用重水，其主要作用是做核燃料 C．放射性元素的半衰期与原子所处的化学状态和外部条件无关 D．大量处于n＝4激发态的氢原子向低能级跃迁时，最多可产生4种频率的光子 解析：比结合能(即平均结合能)越大，原子中核子结合得越牢固，原子核越稳定，选项A正确；在核反应堆中使用重水，其主要作用是做减速剂，选项B错误；放射性元素的半衰期与原子所处的化学状态和外部条件无关，选项C正确；大量处于n＝4激发态的氢原子向低能级跃迁时，最多可产生C＝6种频率的光子，选项D错误．‎ 答案：AC ‎9．[2019·济南期末]用中子(n)轰击铀核(U)发生裂变反应，会产生钡核(Ba)和氪核(Kr)，并释放中子(n)，当达到某些条件时可发生链式反应，一个铀核(U)裂变时，质量亏损为Δm，已知光在真空中的传播速度为c，以下说法正确的是(　　)‎ A.U的裂变方程为U→Ba＋Kr＋2n B.U发生链式反应的条件与铀块的温度有关 C.U发生链式反应的条件与铀块的体积有关 D．一个铀核(U)裂变时，放出的能量为ΔE＝Δmc2‎ 解析：U的裂变方程为U＋n→Ba＋Kr＋3n，故A错误；当铀块体积达到临界体积时才能使链式反应不断进行下去，与铀块的温度无关，B错误，C正确；根据爱因斯坦质能方程可知一个U裂变时，放出的能量为ΔE＝Δmc2，D错误．‎ 答案：C ‎10．为使链式反应平稳进行，下列办法可行的是(　　)‎ A．铀块可制成任何的体积 B．铀核裂变释放的中子可直接去轰击另外的铀核 C．通过慢化剂将产生的中子减速 D．用镉棒作为慢化剂使中子减速 解析：由于使铀块发生链式反应的体积应大于或等于临界体积，故A不可行；铀核裂变释放出的为快中子，不能直接用来轰击铀核，必须用慢化剂减速，而镉棒是用于控制中子数量的，故C可行，B、D不可行．‎ 答案：C ‎11．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．反应堆中铀的质量是重要因素，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．铀235的体积达到它的临界体积，裂变的链式反应才能够发生 D．能否发生链式反应与铀块的质量无关 解析：使铀核裂变产生链式反应，铀块的体积(或质量)必须大于或等于它的临界体积(或临界质量)；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。由此知A、B、D错误，C正确．‎ 答案：C 能力达标 ‎12.在所有能源中，核能具有能量大、地区适应性强的优势．在核电站中，核反应堆释放的核能转化为电能．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．‎ 核反应方程式U＋n→Ba＋Kr＋3n是反应堆中发生的许多核反应中的一种，有一座发电能力为P＝1.00×106 kW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是上述核反应，已知每次核反应过程放出的核能ΔE＝2.78×10－11 J，U核的质量MU ＝390×10－‎27 kg.求每年(1年＝3.15×107 s)消耗的的质量．‎ 解析：设一年消耗的U的质量为x千克，‎ - 7 -‎ 则消耗的核能为E核＝·ΔE，‎ 一年中产生的电能为E电，则E电＝Pt(t为一年时间)‎ 由题意知E电＝E核·η，则E核＝ 故·ΔE＝，‎ 所以x＝＝1.10×‎103 kg.‎ 答案：1.10×‎‎103 kg ‎13．[2019·黑龙江哈尔滨期末]铀核裂变有多种形式，其中一种的核反应方程是U＋n→Ba＋Kr＋3n.‎ ‎(1)试计算一个铀235原子核裂变后释放的能量．(U、Ba、Kr、n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 MeV)‎ ‎(2)‎1 kg铀235原子核发生上述裂变时能放出多少核能？它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)‎ 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 3u 一个铀235原子核裂变后释放的能量为 ΔE＝0.215 3×931 MeV≈200.4 MeV ‎(2)‎1 kg铀235中含原子核的个数为 N＝NA＝×6.02×1023≈2.56×1024‎ 则‎1 kg铀235原子核发生裂变时释放的总能量 ΔEN＝N·ΔE＝2.56×1024×200.4 MeV≈5.13×1026 MeV 设q为煤的热值，m′为煤的质量，有ΔEN＝qm′，所以 m′＝＝ kg≈2 791.8 t.‎ 答案：(1)200.4 MeV　(2)5.13×1026 MeV　2 791.8 t - 7 -‎