2020高中物理第十九章原子核第6节核裂变课时训练含解析 人教版选修3-5

2020高中物理第十九章原子核第6节核裂变课时训练含解析 人教版选修3-5

第6节　核裂变 ‎1．知道什么是核裂变。‎ ‎2．知道链式反应及链式反应的条件。‎ ‎3．会利用质量亏损计算核裂变产生的核能。‎ ‎4．了解核反应的工作原理，知道如何控制核反应的速度。‎ ‎5．了解如何防止核污染。‎ 一、重核的裂变 ‎1．核裂变：重核分裂成两个质量差不多的较轻原子核，并放出核能的过程。‎ ‎2．铀核裂变：用中子轰击铀核时，铀核发生裂变，其产物是多种多样的，其中一种典型的反应是U＋n→Ba＋Kr＋3n。‎ ‎3．链式反应：这种由重核裂变产生的中子使裂变反应一代接一代继续下去的过程，叫做核裂变的链式反应。‎ ‎4．链式反应的条件：发生裂变物质的体积大于或等于临界体积或裂变物质的质量大于或等于临界质量。‎ 二、核电站 ‎1．核电站：利用核能发电，它的核心设施是核反应堆，它主要由以下几部分组成：‎ ‎(1)燃料：铀棒；‎ ‎(2)慢化剂：铀235容易捕获慢中子发生反应，采用石墨、重水和普通水(也叫轻水)作慢化剂；‎ ‎(3)控制棒：利用镉吸收中子能力很强的特性，在反应堆中采用插入镉棒的方法控制链式反应的速度；‎ ‎(4)热交换器：利用水或液态的金属钠等流体在反应堆内外循环流动，把反应堆中的热量传输出去。‎ ‎2．核辐射的屏蔽：在反应堆的外面需要修建很厚的水泥层；核废料需装入特制的容器，深埋地下。‎ 判一判 ‎(1)只要铀块体积大于临界体积就可以发生链式反应。(　　)‎ ‎(2)核电站应用的是重核裂变获得能量。(　　)‎ ‎(3)铀核裂变的产物是唯一的。(　　)‎ 8‎ ‎(4)在利用重核裂变制成的原子弹中，也需要用镉制成的控制棒。(　　)‎ 提示：(1)√　(2)√　(3)×　(4)×‎ 想一想 ‎(1)铀核裂变是天然放射现象吗？‎ 提示：天然放射现象是指元素自发地放出射线的现象，而裂变是重核在其他粒子轰击下发生的核反应。‎ ‎(2)中子的速度越快越容易发生铀核裂变吗？‎ 提示：不是。中子速度不能太快，否则就会与铀核“擦肩而过”，铀核不能俘获中子，也就不能发生裂变了。‎ ‎(3)控制棒如何起到控制核反应速度的作用？‎ 提示：控制棒一般由镉制成，镉吸收中子能力很强，当反应过于激烈时，将镉棒插入深一些，让它多吸收一些中子，从而达到减慢核反应速度的目的。相反，如果核反应速度过慢，将镉棒抽出一些。‎ 课堂任务　重核的裂变 ‎1．铀核的裂变和裂变方程 ‎(1)原子核受激发：当中子进入铀235原子核后，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)原子核分裂：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)常见的裂变方程 ‎①U＋n→Xe＋Sr＋10n ‎②U＋n→Ba＋Kr＋3n ‎2．链式反应的条件 ‎(1)铀块的体积大于或等于临界体积。‎ ‎(2)铀块的质量大于或等于临界质量。‎ 以上两个条件满足一个即可。‎ 例1　(多选)关于铀核裂变，下列说法正确的是(　　)‎ A．铀核裂变的产物是多种多样的，但只能裂变成两种不同的核 B．铀核裂变时还能同时释放2～3个中子 C．为了使裂变的链式反应容易进行，最好提纯铀235‎ D．铀块的体积对产生链式反应无影响 ‎(1)链式反应的条件是什么？‎ 8‎ 提示：裂变物质的体积大于或等于临界体积，或质量大于或等于临界质量。‎ ‎(2)裂变遵循的规律是什么？‎ 提示：遵循质量数守恒，电荷数守恒。‎ ‎[规范解答]　铀核受到中子的轰击，会引起裂变，裂变的产物是多种多样的，具有极大的偶然性，但裂变成两块的情况多，也有的分裂成多块，并放出几个中子，A错误，B正确；较纯铀235受中子的轰击时，裂变的概率大，C正确；而要引起链式反应，必须使铀块体积达到或超过临界体积，D错误。‎ ‎[完美答案]　BC 解决裂变问题应注意的几点 ‎(1)重核发生裂变的条件：①要俘获慢中子；②铀块的体积要大于或等于临界体积。‎ ‎(2)重核裂变放能的原因是：重核核子的比结合能小于中等核核子的比结合能。‎ ‎(3)裂变遵循质量数守恒、电荷数守恒的规律。‎ 　一个U原子核在中子的轰击下发生一种可能的裂变反应，其裂变方程式为U＋n→X＋Sr＋2n，则下列叙述正确的是(　　)‎ A．X原子核中含有86个中子 B．X原子核中含有141个核子 C．因为裂变时释放能量，根据E＝mc2，所以裂变后的总质量数增加 D．因为裂变时释放能量，出现质量亏损，所以生成物的总质量数减少 答案　A 解析　X原子核中的核子数为(235＋1)－(94＋2)＝140个，B错误；中子数为140－(92－38)＝86个，A正确；裂变时释放能量，出现质量亏损，但是其总质量数是不变的，C、D错误。‎ 课堂任务　核电站 ‎1．核心：核电站的核心是核反应堆，其简化示意图如下：‎ 各部分的作用如下：‎ ‎(1)铀棒：由天然铀或浓缩铀(铀235的含量占2%～4%)制成，它是核反应堆的燃料。‎ 8‎ ‎(2)石墨(或重水)：石墨(或重水)作为减速剂，附着在铀棒周围，使反应生成的快速中子变为慢中子，便于铀235吸收，发生裂变。‎ ‎(3)镉棒：主要作用是吸收中子，控制反应速度，所以叫做控制棒。‎ ‎(4)混凝土防护层：屏蔽射线防止放射性污染。‎ ‎2．核电站发电的优点 ‎(1)消耗的核燃料少：一座百万千瓦级的核电站，一年只消耗浓缩铀30 吨左右，而同样功率的火电站每年要消耗煤250万吨。‎ ‎(2)污染小：核电对环境的污染比火电小。‎ 例2　秦山核电站第三期工程的两个6×105 kW发电机组已实现并网发电。发电站的核能来源于U的裂变，下列说法正确的是(　　)‎ A．反应堆中核反应速度通常是采用调节U的体积来控制的 B.U的一种可能的裂变是U＋n→Xe＋Sr＋2n C.U是天然放射性元素，升高温度后它的半衰期会缩短 D．虽然核电站能提供很大的能量，但它对环境的污染比火电站严重 ‎(1)反应堆中核反应速度是如何控制的？‎ 提示：由控制棒吸收中子的多少进行控制。‎ ‎(2)核电站发电的优点是什么？‎ 提示：①消耗的核燃料少。②核燃料在地球上可采，储量大。③对环境污染比火力发电站小。‎ ‎[规范解答]　反应堆中核反应速度由控制棒(镉棒)吸收中子的多少来控制，A错误；U裂变有多种可能性，这是其中常见的一种，B正确；放射性元素的半衰期由原子核本身决定，与温度压强等外界条件无关，C错误；核电站的核能是清洁能源，污染少，D错误。‎ ‎[完美答案]　B 关于核电站需要记住的几个要点 ‎(1)核反应堆的工作原理和组成。‎ ‎(2)核能的来源。‎ ‎(3)核电站的优缺点。‎ 　核反应堆是实现可控制的重核裂变的一种装置，它主要由四部分组成(　　)‎ A．核燃料、减速剂、碰撞系统、传热系统 B．核燃料、减速剂、发热系统、传热系统 C．核燃料、减速剂、冷却系统、控制调节系统 D．核燃料、中子源、原子能储存系统、输送系统 答案　C 解析　‎ 8‎ 核反应堆里用的核燃料是浓缩铀(铀235占2%～4%)制成的铀棒；铀235易俘获慢中子，不易俘获快中子，必须使用减速剂(如石墨、重水、普通水)，让快中子跟减速剂的原子核碰撞后能量减少，变成慢中子；控制调节系统是用于调节中子的数目以控制反应速度，它是由镉做成的放置在铀棒之间的一些控制棒及计算机调节系统组成；冷却系统靠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，同时使反应堆冷却，保证安全，所以C正确，A、B、D错误。‎ A组：合格性水平训练 ‎1．(核裂变)(多选)下列说法正确的是(　　)‎ A．裂变与衰变相同，也能自发进行 B．核反应堆中链式反应速度可人工控制 C．核电站用的核燃料必须是纯铀棒 D．核武器——原子弹，应用的是重核裂变 答案　BD 解析　裂变不能自发进行，A错误；核电站用的核燃料是铀棒，其成分是天然铀或浓缩铀(铀235的含量占2%～4%)，不是纯铀棒，C错误；镉棒控制核反应堆中链式反应速度，B正确；原子弹应用的是重核裂变，D正确。‎ ‎2．(重核裂变)(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 答案　BD 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，并不等于俘获中子时得到的能量，在裂变反应中，产物并不是唯一的，故C错误，D正确。‎ ‎3．(重核裂变)(多选)关于重核的裂变，以下说法中正确的是(　　)‎ A．一种重核只能存在一种裂变方式 B．一种重核可以有多种裂变方式 C．重核核子的平均质量比中等质量核的核子的平均质量大，因而裂变时，存在质量亏损，释放大量核能 D．中等质量核的核子平均质量比重核的核子平均质量大，因而裂变时存在质量亏损，释放大量核能 答案　BC 解析　一种重核可以有多种裂变方式，A错误，B正确；重核核子的平均质量比中等质量核的核子的平均质量大，C正确，D错误。‎ ‎4．(综合)下列方程中，表示核裂变的是(　　)‎ A.U→Th＋He B.U＋n→Ba＋Kr＋3n C.6C→7N＋　0－1e 8‎ D.Be＋He→6C＋n 答案　B 解析　裂变是重核分裂成中等质量的原子核的核反应，选项B正确。选项A为α衰变，选项C为β衰变，选项D为发现中子的人工核转变，A、C、D错误。‎ ‎5．(核能的利用)(多选)人类通过链式反应来利用核能的方式有下列哪两类(　　)‎ A．利用可控制的快中子链式反应，制成原子弹 B．利用不可控制的快中子链式反应，制成原子弹 C．利用可控制的慢中子链式反应，建成核反应堆 D．利用不可控制的慢中子链式反应，建成核反应堆 答案　BC 解析　原子弹爆炸时，铀块的体积大于临界体积，快中子直接被铀核吸收，发生裂变反应，放出核能，链式反应速度不可控制，极短的时间内释放出大量的核能，A错误，B正确；核反应堆释放核能的速度是稳定的，利用可控制的慢中子链式反应建成，C正确，D错误。因此答案选B、C。‎ ‎6．(核电站)(多选)下列说法中正确的是(　　)‎ A．核能发电对环境的污染比火力发电要小 B．核能发电对环境的污染比火力发电要大 C．目前所有核电站都只利用重核裂变释放大量的核能 D．核能是非常清洁的能源，无任何污染 答案　AC 解析　目前核电站都用核裂变，核能是比较清洁的能源，但也有一定的污染，故A、C正确，B、D错误。‎ ‎7．(核反应堆)镉棒在核反应堆中的作用是(　　)‎ A．使快中子变慢中子 B．使慢中子变快中子 C．使反应速度加快 D．控制反应速度，调节反应速度的快慢 答案　D 解析　在核反应堆中石墨起变快中子为慢中子的作用，A、B错误；镉棒起吸收中子、控制反应速度、调节功率大小的作用，C错误，D正确。‎ B组：等级性水平训练 ‎8．(综合)(多选)下列说法中正确的是(　　)‎ A．铀核裂变的核反应是U→Ba＋Kr＋2n B．已知质子、中子、α粒子的质量分别为m1、m2、m3，那么，质子和中子结合成一个α粒子，释放的能量是(2m1＋2m2－m3)c2‎ C．铀(U)经过多次α、β衰变形成稳定的铅(Pb)的过程中，有6个中子转变成质子 D．一个处于n＝5能级态的氢原子，自发向低能级跃迁的过程中能够辐射10种不同频率的电磁波 答案　BC 8‎ 解析　铀核裂变有多种裂变的方式，但是每一种都要有慢中子的参与，即反应方程的前面也要有中子。故核反应方程：U＋n→Ba＋Kr＋3n。故A错误；质子、中子、α粒子的质量分别为m1、m2、m3，两个质子和两个中子结合成一个α粒子，减小的质量是(2m1＋2m2－m3)，根据质能方程得：释放的能量是(2m1＋2m2－m3)c2。故B正确；根据质量数和电荷数守恒知：238－206＝4×8，发生8次α衰变；92＝82＋2×8－6，发生6次β衰变，β衰变的实质即为中子转化为质子同时释放电子，所以有6个中子转变成质子。故C正确；一个处于n＝5能级态的氢原子，自发向低能级跃迁的过程中最多能够辐射4种不同频率的电磁波。故D错误。‎ ‎9．(综合)2011年，日本发生9级地震，福岛第一核电站严重受损，大量放射性铯Cs和碘I进入大气和海水，造成对空气和海水的放射性污染。下列说法正确的是(　　)‎ A．核反应堆中的核废料不再具有放射性，对环境不会造成影响 B．铀核裂变的一种可能核反应是U→Cs＋Rb＋2n C．放射性碘I发生β衰变的方程为I→Xe＋e D.U裂变形式有多种，每种裂变产物不同，质量亏损不同，但释放的核能相同 答案　C 解析　核反应堆中的核废料具有很强的放射性，需要装入特制的容器，深埋地下，故A错误；铀核裂变U 需俘获中子才能进行，故B错误；U裂变形式有多种，质量亏损不同，则利用ΔE＝Δmc2知释放的核能不同，故D错误。C正确。‎ ‎10．(核裂变、质能关系)已知U(质量为235.0439 u)裂变后生成Ba(质量为140.9139 u)和Kr(质量为91.8973 u)，同时放出3个中子(每个中子质量为1.0087 u)，则1 kg铀235全部裂变所放出的能量相当于多少优质煤完全燃烧时放出的能量？(1 kg优质煤完全燃烧时能产生3.36×107 J的热量)‎ 答案　2.45×106 kg 解析　本题考查裂变过程中释放核能问题。核反应方程为：U＋n→Ba＋Kr＋3n。‎ 质量亏损为：‎ Δm＝(mU＋mn)－(mBa＋mKr＋3mn)‎ ‎＝(235.0439＋1.0087) u－(140.9139＋91.8973＋3×1.0087) u ‎＝0.2153 u。‎ 释放的核能为：‎ ΔE0＝0.2153×931.5 MeV≈201 MeV，‎ 已知235 g铀235有6.02×1023个铀235核，那么1 kg铀235内大约有×6.02×1023≈2.56×1024个铀235核，由此可知1 kg铀235全部裂变放出能量为 ΔE＝2.56×1024×201 MeV＝5.15×1026 MeV＝5.15×1032 eV＝8.24×1013 J，‎ 则相当于优质煤的质量为：‎ M＝kg≈2.45×106 kg。‎ ‎11．(综合)一个钚的同位素Pu静止在匀强磁场中，垂直于磁场方向释放一个α粒子，变成铀的同位素，同时辐射能量为E的光子(动量不计)。钚核质量为M0，α粒子质量为m 8‎ ‎，反冲铀核质量为M，真空中的光速为c。‎ ‎(1)写出核衰变方程；‎ ‎(2)α粒子和铀核的动能各是多少？‎ 答案　(1)Pu→He＋U ‎(2)　 解析　(1)衰变方程为：Pu→He＋U。‎ ‎(2)由能量守恒定律及ΔE＝Δmc2得，α粒子和反冲核的总动能为Eα＋EU＝(M0－m－M)c2，不计光子动量，根据动量守恒，α粒子和反冲核动量大小相等，方向相反，而动能Ek＝，所以＝，则α粒子动能Eα＝(Eα＋EU)＝，铀核动能EU＝(Eα＋EU)＝。‎ 8‎