高中物理 第4章 波與粒子 第2節(jié) 核裂變學業(yè)分層測評 魯科版選修3-5

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第2節(jié) 核裂變 (建議用時：45分鐘) [學業(yè)達標] 1．當一個重核裂變時，它所產(chǎn)生的兩個核(　　) A．含有的質(zhì)子數(shù)較裂變前重核的質(zhì)子數(shù)不變 B．含有的中子數(shù)較裂變前重核的中子數(shù)不變 C．裂變時釋放的能量等于俘獲中子時得到的能量 D．可能是多種形式的兩個核的組合 E．含有的中子數(shù)較裂變前重核的中子數(shù)少 【解析】　由于在裂變反應中吸收一個中子而釋放2～3個中子，質(zhì)子數(shù)并沒有發(fā)生變化，而兩個新核的中子數(shù)減少，故選項A、E正確，B錯誤；反應后質(zhì)量發(fā)生了虧損而釋放能量，并不等于俘獲中子時得到的能量，在裂變反應中，產(chǎn)物并不是唯一的，而是多種多樣的，故選項D正確，選項C錯誤． 【答案】　ADE 2．關于重核的裂變，以下說法正確的是(　　) A．核裂變釋放的能量等于它俘獲中子時得到的能量 B．中子從鈾塊中通過時，但不一定發(fā)生鏈式反應 C．重核裂變釋放出大量能量，產(chǎn)生明顯的質(zhì)量虧損，所以核子數(shù)要減小 D．重核裂變?yōu)橹械荣|(zhì)量的核時，要發(fā)生質(zhì)量虧損，放出核能 E．重核裂變雖釋放出大量能量，產(chǎn)生明顯的質(zhì)量虧損，但仍然滿足質(zhì)量數(shù)守恒 【解析】　根據(jù)重核發(fā)生裂變的條件和裂變釋放核能的原理分析可知，裂變時因鈾核俘獲中子即發(fā)生核反應，是核能轉化為其他形式能的過程．釋放的能量遠大于其俘獲中子時吸收的能量．鏈式反應是有條件的，即鈾塊的體積必須大于其臨界體積，如果體積小，中子從鈾塊中穿過時，碰不到原子核，則鏈式反應就不會發(fā)生．在裂變反應中質(zhì)量數(shù)、電荷數(shù)均守恒；即核子數(shù)守恒，所以核子數(shù)是不會減小的，因此選項A、C錯誤，B、E正確；重核裂變?yōu)橹械荣|(zhì)量的原子核時，發(fā)生質(zhì)量虧損，從而釋放出核能，選項D正確． 【答案】　BDE 3．鈾核裂變是核電站核能的重要來源，其一種裂變反應式是U＋n→Ba＋Kr＋3n.下列說法正確的有(　　) A．上述裂變反應中伴隨著中子放出 B鈾塊體積對鏈式反應的發(fā)生無影響 C．鈾核的鏈式反應可人工控制 D．鈾核的半衰期會受到環(huán)境溫度的影響 E．鈾塊體積必須大于臨界體積，才能發(fā)生鏈式反應 【解析】　根據(jù)裂變反應的規(guī)律和影響半衰期的因素解決問題．裂變反應式中的n為中子，鈾塊體積大于臨界體積，才能發(fā)生鏈式反應，且鈾核的鏈式反應是可控的，選項A、C、E正確，選項B錯誤；放射性元素的半衰期不受外界壓強、溫度的影響，選項D錯誤． 【答案】　ACE 4．關于鈾核裂變，下列說法正確的是(　　) A．鈾核裂變的產(chǎn)物是多種多樣的，但只能裂變成兩種不同的核 B．鈾核裂變還能同時釋放2～3個中子 C．為了使裂變的鏈式反應容易進行，最好用純鈾235 D．鈾塊的體積對產(chǎn)生鏈式反應無影響 E．若能發(fā)生鏈式反應，中子數(shù)迅速增加，幾秒之內(nèi)即可釋放出巨大的核能 【解析】　鈾核裂變的產(chǎn)物是多種多樣的，具有極大的偶然性，但裂變成兩個核的情況較多，也會分裂成多個核，并放出幾個中子．鈾235被中子轟擊時，裂變的概率大，且可以俘獲各種能量的中子引起裂變，而鈾238只有俘獲能量在1 MeV以上的中子才能發(fā)生裂變，且裂變的幾率小，而要引起鏈式反應，必須使鈾塊的體積大于臨界體積．故選項B、C正確，A、D錯誤；若能發(fā)生鏈式反應，中子數(shù)迅速增加，鈾核裂變快速進行，快速釋放巨大的核能，為不可控核反應，E正確． 【答案】　BCE 5．2020年以前我國將新增投產(chǎn)2 300萬千瓦的核電站，核電站與火電站相比較，下列說法正確的是(　　) A．核燃料釋放的能量遠大于相等質(zhì)量的煤放出的能量 B．就可采儲量來說，地球上核燃料資源遠大于煤炭 C．在經(jīng)濟效益方面核電與火電不相上下 D．核電站沒有任何污染 E．核反應堆用過的核廢料具有很強的輻射性，要做特殊處理 【解析】　核燃料釋放的能量遠大于相等質(zhì)量的煤放出的能量，A項正確；就可采儲量所提供的能量來說，遠大于煤炭所能提供的能量，而不是采儲量，B項錯；在經(jīng)濟效益方面核電與火電不相上下，C項正確；核電站是有污染的，核反應堆用過的核廢料具有很強的輻射性，要做特殊處理，D項錯誤，E項正確． 【答案】　ACE 6．我國秦山核電站第三期工程中有兩組60萬千瓦的發(fā)電機組，發(fā)電站的核能來源于U的裂變，下列說法正確的是(　　) A.U原子核中有92個質(zhì)子，143個中子 B.U的一種可能裂變是變成兩個中等質(zhì)量的原子核，反應方程為U＋n―→Xe＋Sr＋2n C.U是天然放射性元素，常溫下它的半衰期約為45億年，升高溫度半衰期縮短 D．一個U裂變能放出200 MeV的能量，合3.210－11 J E．一個U裂變能放出200 MeV的能量，合3.210－17 J 【解析】　由U的質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)關系易知A正確；由核反應方程中電荷數(shù)守恒和質(zhì)量數(shù)守恒知B正確；半衰期不受外界因素干擾，故C錯誤；因為200 MeV＝2001061.610－19 J＝3.210－11 J，所以D正確，E錯誤． 【答案】　ABD 7．下面是鈾核裂變反應中的一個：U＋n―→Xe＋Sr＋10n.已知鈾235的質(zhì)量為235.043 9 u，中子的質(zhì)量為1.008 7 u，鍶90的質(zhì)量為89.907 7 u，氙136的質(zhì)量為135.907 2 u，則此核反應中質(zhì)量虧損Δm＝________u，釋放的核能ΔE＝________MeV. 【導學號：18850053】 【解析】　質(zhì)量虧損Δm＝235.0439 u＋1.0087 u－135.9072 u－89.9077 u－101.0087 u＝0.1507 u 由ΔE＝Δmc2可求得釋放的核能ΔE＝0.1507 uc2＝0.1507931.5 MeV＝140.3771 MeV. 【答案】　0.1507　140.3771 8．落在日本廣島上的原子彈，相當于2萬噸TNT炸藥放出的能量．原子彈放出的能量約8.41013 J，試問有多少個U原子核進行分裂？該原子彈中含U的質(zhì)量最小限度為多少千克？(一個U原子核分裂時所產(chǎn)生的能量約為200 MeV) 【解析】　一個U原子核分裂時所產(chǎn)生的能量約為200 MeV＝200106 eV＝2.01081.610－19 J＝3.210－11 J. 設共有n個U核發(fā)生裂變：n＝個≈2.61024個，鈾的質(zhì)量m＝23510－3kg≈1.015 kg. 【答案】　2.61024個　1.015 kg [能力提升] 9．人們發(fā)現(xiàn)，不同的原子核，其核子的平均質(zhì)量(原子核的質(zhì)量除以核子數(shù))與原子序數(shù)有如圖421所示的關系．下列關于原子結構和核反應的說法正確的是(　　) 圖421 A．由圖可知，原子核D和E聚變成原子核F時會有質(zhì)量虧損，要吸收能量 B．由圖可知，原子核A裂變成原子核B和C時會有質(zhì)量虧損，要放出核能 C．由原子核A裂變成原子核B和C時要吸收能量 D．在核反應堆的鈾棒之間插入鎘棒是為了控制核反應速度 E．在核反應堆的外面修建很厚的水泥層能防止放射線和放射性物質(zhì)的泄漏 【解析】　原子核D和E的核子平均質(zhì)量大，結合成原子核F時存在質(zhì)量虧損，要釋放能量，A錯誤；原子核A的核子平均質(zhì)量大，裂變成原子核B和C時質(zhì)量虧損，要放出核能，B正確、C錯誤；鎘棒可以吸收中子，在反應堆中能控制反應速度，D正確；在核反應堆的外面修建很厚的水泥層能防止放射線和放射性物質(zhì)的泄漏，E正確． 【答案】　BDE 10.U受中子轟擊時會發(fā)生裂變，產(chǎn)生Ba和Kr，同時放出200 MeV的能量，現(xiàn)要建設發(fā)電能力是50萬千瓦的核電站，用鈾235作為原子鍋爐的燃料，假設核裂變釋放的能量全部被用來發(fā)電，那么一天需要純鈾235的質(zhì)量為多少？(阿伏加德羅常數(shù)取6.021023 mol－1) 【解析】　每天發(fā)電的總量 E＝243.61035108 J＝4.321013 J. 要得到這么多能量需要裂變的鈾原子數(shù)目n＝＝1.351024(個)． 則對應的質(zhì)量 m＝μ＝23510－3 kg＝0.527 kg. 【答案】　0.572 kg 11．在所有能源中，核能具有能量密度大，地區(qū)適應性強的優(yōu)勢，在核電站中，核反應堆釋放的核能被轉化為電能．核反應堆的工作原理是利用中子轟擊重核發(fā)生裂變反應，釋放出大量核能． (1)核反應方程式92U＋n―→56Ba＋Kr＋aX是反應堆中發(fā)生的許多核反應中的一種，n為中子，X為待求粒子，a為X的個數(shù)，則X為________，a＝________.以mU、mBa、mKr分別表示92U、56Ba、Kr核的質(zhì)量，mn、mp分別表示中子、質(zhì)子的質(zhì)量，c為光在真空中傳播的速度，則在上述核反應過程中放出的核能ΔE是多少？ (2)有一座發(fā)電能力為P＝1.00106 kW的核電站，核能轉化為電能的效率η＝40%，假定反應堆中發(fā)生的裂變反應全是本題(1)中的核反應，已知每次核反應過程放出的核能ΔE＝2.7810－11 J，核的質(zhì)量mU＝39010－27 kg，求每年(1年＝3.15107 s)消耗的92U的質(zhì)量． 【解析】　(1)由反應方程可知：X為n，a為3，釋放的能量為 ΔE＝(mU－mBa－mKr－2mn)c2. (2)因電站發(fā)電效率為40%，故電站消耗U的功率為P′＝＝ kW＝2.5106 kW， 電站每年消耗235U的能量為W＝Pt＝2.51093.15107 J＝7.8751016 J. 每年消耗U的質(zhì)量為 M＝mU＝ kg＝1 105 kg. 【答案】　(1)n　3　(mU－mBa－mKr－2mn)c2 (2)1 105 kg