2020学年高中物理 核裂变

2020学年高中物理 核裂变

‎6　核裂变 ‎ A组 ‎1.(2020·上海单科)链式反应中,重核裂变时放出的可以使裂变不断进行下去的粒子是(　　)‎ ‎　　　　　　　　　　　　　　　　‎ A.质子 B.中子 C.β粒子 D.α粒子 解析:重核裂变时放出中子,中子再轰击其他重核发生新的重核裂变,形成链式反应,B项正确。‎ 答案:B ‎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 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.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控制棒,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错误。‎ 答案:A ‎4.核反应堆不锈钢外壳内除核燃料棒和控制棒以外还通入水,这些水除了起冷却作用外还起了(　　)‎ A.使中子减速的作用 B.使中子加速的作用 C.吸收放射性物质的作用 D.吸收反应发出的射线的作用 解析:铀235的特点是更容易吸收慢中子而发生裂变,在反应堆中减速剂的作用就是减小快中子能量从而更易让铀235吸收裂变,核反应堆中一般采用石墨、重水或普通水作减速剂(慢化剂)。‎ 答案:A ‎5.U吸收一个慢中子后,分裂成Xe和Sr,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:设放出的粒子的质量数为x,电荷数为y,核反应过程满足质量守恒和电荷数守恒。由题意可得 解得 由此判断该核反应放出的一定是中子,且个数是10。‎ 答案:C ‎6.一个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+n,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 ‎7.(1)在核电站中,为了防止放射性物质泄漏,核反应堆有三道防护屏障:燃料包壳、压力壳和安全壳(如图甲)。结合图乙可知,安全壳应当选用的材料是　　　　。‎ 甲 乙 丙 ‎(2)核反应堆中的核废料具有很强的放射性,目前常用的处理方法是将其装入特制的容器中,然后(　　)‎ A.沉入海底 B.放至沙漠 C.运到月球 D.深埋地下 ‎(3)图丙是用来监测工作人员受到辐射情况的胸章,通过照相底片被射线感光的区域,可以判断工作人员受到何种辐射。当胸章上‎1 mm铝片和‎3 mm 铝片下的照相底片被感光,而铅片下的照相底片未被感光时,结合图乙分析工作人员受到了　　　　射线的辐射;当所有照相底片被感光时,工作人员受到了　　　　射线的辐射。‎ 解析:根据核电站的相关知识可知安全壳为混凝土建筑,处理核废料的方法是深埋;三种射线穿透能力不同,如题中图乙所示。射线穿透防护层到达底片时,才能使底片感光。‎ 答案:(1)混凝土　(2)D　(3)β　γ(或β和γ)‎ ‎8.已知铀235核裂变时的核反应方程为Ba+Kr+n,一个铀235核裂变时,能释放200 MeV的能量,则‎1 kg铀完全裂变能释放多少能量?相当于多少吨燃烧值为2.94×107 J/kg的煤所放出的能量?‎ 解析:首先求出1 kg铀235中含有的原子核数,然后即可根据已知求解。1 kg铀235中含有的原子核数为×6.02×1023个=2.562×1024个。每个铀核裂变能放出200 MeV的能量,则1 kg铀核裂变能释放ΔE=2.562×1024×200 MeV=5.124×1026 MeV=5.124×1032×1.6×10-19 J=8.2×1013 J,设与1 kg铀235相当的优质煤的质量为m,则有m= kg=2.789×106 kg=2 789 t。‎ 答案:8.2×1013 J　2 789 t B组 ‎1.核电站的核能来源于U核的裂变,下列说法中正确的是(　　)‎ A.U原子核中有92个质子、143个中子 BU的一种可能的裂变是变成两个中等质量的原子核,如Xe和 Sr,反应方程式为Xe+Sr+n CU是天然放射性元素,常温下它的半衰期约为45亿年,升高温度半衰期缩短 D.反应后的核废料已不具有放射性,不需要进一步处理 解析:根据核反应的质量数守恒和电荷数守恒可知A、B正确,特别注意的是,由于重核裂变的可能性很多,只要满足这两个条件,即发生了分裂,都是可能反应中的一种;半衰期不会因为温度变化而变化,C错误;核裂变的核废料有强烈的放射性,必须深埋处理,D错误。‎ 答案:AB ‎2.下面是铀核裂变反应中的一个为U+n→Xe+Sr+1n,已知铀235的质量为235.043 9 u,中子的质量为1.008 7 u,锶90的质量为89.907 7 u,氙136的质量为135.907 2 u,则此核反应中(　　)‎ A.质量亏损为Δm=(235.043 9+1.008 7-89.907 7-135.907 2) u B.质量亏损为Δm=(235.043 9+1.008 7-89.907 7-135.907 2-10×1.008 7) u C.释放总能量为ΔE=(235.043 9+1.008 7-89.907 7-135.907 2-10×1.008 7)×(3×108)2 J D.释放总能量为ΔE=(235.043 9+1.008 7-89.907 7-135.907 2-10×1.008 7)×931.5 MeV 解析:质量亏损是反应物与生成物之差,差值可用“u”或“kg”作单位,前者直接用1 u的亏损放出931.5 MeV的能量计算,后者核能的单位是J。‎ 答案:BD ‎3.裂变反应是目前核能利用中常用的反应。以原子核U为燃料的反应堆中,当U俘获一个慢中子后发生的裂变反应可以有多种方式,其中一种可表示为 U　　+n　→Xe　+Sr　+n ‎235.043 9　1.008 7　138.917 8　93.915 4‎ 反应方程下方的数字是中子及有关原子的静止质量(以原子质量单位u为单位)。已知1 u的质量对应的能量为931.5 MeV,求此裂变反应过程中,‎ ‎(1)亏损质量为原子质量单位的多少倍?‎ ‎(2)释放出的能量是多少?‎ 解析:(1U裂变成Xe和Sr,同时放出中子n,裂变前后质量变化Δm=m前-m后=(235.043 9+1.008 7-138.917 8-93.915 4-3×1.008 7) u=0.193 3 u,亏损质量为原子质量单位的0.193 3。‎ ‎(2)由爱因斯坦质能方程,得 ΔE=Δmc2=0.193 3×931.5 MeV=180 MeV。‎ 答案:(1)0.193 3　(2)180 MeV ‎4.某型导弹核潜艇水下最大航速为45节(1节=‎1.852 km/h)。核反应堆最大输出功率为4.5万千瓦,最大续航里程为20万海里(1海里=‎1.852 km)。假设1个U核裂变放出的能量是200 MeV,铀矿石含铀235的浓度是4%,求:‎ ‎(1)当核反应堆达到最大输出功率时,每秒有多少个铀235原子核发生裂变。‎ ‎(2)核潜艇一次至少要装入铀矿石多少千克。‎ 解析:(1)当核反应堆达到最大输出功率时,每秒发生裂变的铀235原子核数N=个≈1.4×1018个。‎ ‎(2)最大续航时间tm= h=1.6×107 s,铀235的摩尔质量M=‎235 g/mol,设需装铀矿石的质量为m,由Pmtm=NΔE=NAΔE,得需装入铀矿石的质量m=‎ ‎= g ‎≈2.2×‎105 g=‎220 kg。‎ 答案:(1)1.4×1018个　(2)220 kg ‎5.现有的核电站比较广泛采用的核反应之一是U+Nd+Zr+n+e+‎ ‎(1)核反应方程中的是中微子,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235.049 3 u,中子的质量为1.008 7 u,钕(Nd)核质量为142.909 8 u,锆核质量为89.904 7 u;又知1 u=1.660 6×10‎-27 kg,试计算‎1 kg铀235大约能产生多少能量。‎ 解析:(1)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的铀核个数为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=0.217 4 u。‎ ‎1 kg铀235完全裂变产生的能量约为 ΔE=8.32×1013 J。‎ 答案:(1)40　90　(2)8.32×1013 J ‎6.在其他能源中,核能具有能量密度大、地区适应性强的优势,在核电站中,核反应堆释放的核能被转化为电能。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。‎ ‎(1)核反应方程BaKr+aX是反应堆中发生的许多核反应中的一种,n为中子,X为待求粒子,a为X的个数,则X为　　　　,a=　　　　。以mU、mBa、mKr分别表示BaKr核的质量,mn、mp分别表示中子、质子的质量,c为光在真空中的传播速度,则在上述核反应过程中放出的核能ΔE=　　　　。‎ ‎(2)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全是本题(1)中的核反应,已知每次核反应过程放出的核能ΔE=2.78×10-11 JU核质量mU=390×10‎-27 kg,求每年(1年=3.15×107 s)消耗的U的质量。‎ 解析:根据质量数守恒和电荷数守恒书写核反应方程。计算质量亏损,再用质能方程计算核反应过程中放出的核能。‎ ‎(1n,3,(mU-mBa-mKr-2mn)c2。‎ ‎(2)反应堆每年提供的核能E总=‎ 其中t表示1年的时间 以M表示每年消耗的U的质量,得M∶mU=E总∶ΔE 解得M=,代入数据得M=1.10×103 kg。‎ 答案:(1n　3　(mU-mBa-mKr-2mn)c2　(2)1.10×103 kg ‎