高中物理 第4章 波與粒子 第2節(jié) 核裂變學(xué)業(yè)分層測(cè)評(píng) 魯科版選修3-5

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第2節(jié) 核裂變 (建議用時(shí)：45分鐘) [學(xué)業(yè)達(dá)標(biāo)] 1．當(dāng)一個(gè)重核裂變時(shí)，它所產(chǎn)生的兩個(gè)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(shí)釋放的能量等于俘獲中子時(shí)得到的能量 D．可能是多種形式的兩個(gè)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(yīng)中吸收一個(gè)中子而釋放2～3個(gè)中子，質(zhì)子數(shù)并沒有發(fā)生變化，而兩個(gè)新核的中子數(shù)減少，故選項(xiàng)A、E正確，B錯(cuò)誤；反應(yīng)后質(zhì)量發(fā)生了虧損而釋放能量，并不等于俘獲中子時(shí)得到的能量，在裂變反應(yīng)中，產(chǎn)物并不是唯一的，而是多種多樣的，故選項(xiàng)D正確，選項(xiàng)C錯(cuò)誤． 【答案】　ADE 2．關(guān)于重核的裂變，以下說(shuō)法正確的是(　　) A．核裂變釋放的能量等于它俘獲中子時(shí)得到的能量 B．中子從鈾塊中通過(guò)時(shí)，但不一定發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng) 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(shí)，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(shí)因鈾核俘獲中子即發(fā)生核反應(yīng)，是核能轉(zhuǎn)化為其他形式能的過(guò)程．釋放的能量遠(yuǎn)大于其俘獲中子時(shí)吸收的能量．鏈?zhǔn)椒磻?yīng)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(guò)時(shí)，碰不到原子核，則鏈?zhǔn)椒磻?yīng)就不會(huì)發(fā)生．在裂變反應(yīng)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(huì)減小的，因此選項(xiàng)A、C錯(cuò)誤，B、E正確；重核裂變?yōu)橹械荣|(zhì)量的原子核時(shí)，發(fā)生質(zhì)量虧損，從而釋放出核能，選項(xiàng)D正確． 【答案】　BDE 3．鈾核裂變是核電站核能的重要來(lái)源，其一種裂變反應(yīng)式是U＋n→Ba＋Kr＋3n.下列說(shuō)法正確的有(　　) A．上述裂變反應(yīng)中伴隨著中子放出 B鈾塊體積對(duì)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的發(fā)生無(wú)影響 C．鈾核的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)可人工控制 D．鈾核的半衰期會(huì)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?zhǔn)椒磻?yīng) 【解析】　根據(jù)裂變反應(yīng)的規(guī)律和影響半衰期的因素解決問(wèn)題．裂變反應(yīng)式中的n為中子，鈾塊體積大于臨界體積，才能發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，且鈾核的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)是可控的，選項(xiàng)A、C、E正確，選項(xiàng)B錯(cuò)誤；放射性元素的半衰期不受外界壓強(qiáng)、溫度的影響，選項(xiàng)D錯(cuò)誤． 【答案】　ACE 4．關(guān)于鈾核裂變，下列說(shuō)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(shí)釋放2～3個(gè)中子 C．為了使裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)容易進(jìn)行，最好用純鈾235 D．鈾塊的體積對(duì)產(chǎn)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)無(wú)影響 E．若能發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，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(gè)核的情況較多，也會(huì)分裂成多個(gè)核，并放出幾個(gè)中子．鈾235被中子轟擊時(shí)，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?zhǔn)椒磻?yīng)，必須使鈾塊的體積大于臨界體積．故選項(xiàng)B、C正確，A、D錯(cuò)誤；若能發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，中子數(shù)迅速增加，鈾核裂變快速進(jìn)行，快速釋放巨大的核能，為不可控核反應(yīng)，E正確． 【答案】　BCE 5．2020年以前我國(guó)將新增投產(chǎn)2 300萬(wàn)千瓦的核電站，核電站與火電站相比較，下列說(shuō)法正確的是(　　) A．核燃料釋放的能量遠(yuǎn)大于相等質(zhì)量的煤放出的能量 B．就可采儲(chǔ)量來(lái)說(shuō)，地球上核燃料資源遠(yuǎn)大于煤炭 C．在經(jīng)濟(jì)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(yīng)堆用過(guò)的核廢料具有很強(qiáng)的輻射性，要做特殊處理 【解析】　核燃料釋放的能量遠(yuǎn)大于相等質(zhì)量的煤放出的能量，A項(xiàng)正確；就可采儲(chǔ)量所提供的能量來(lái)說(shuō)，遠(yuǎn)大于煤炭所能提供的能量，而不是采儲(chǔ)量，B項(xiàng)錯(cuò)；在經(jīng)濟(jì)效益方面核電與火電不相上下，C項(xiàng)正確；核電站是有污染的，核反應(yīng)堆用過(guò)的核廢料具有很強(qiáng)的輻射性，要做特殊處理，D項(xiàng)錯(cuò)誤，E項(xiàng)正確． 【答案】　ACE 6．我國(guó)秦山核電站第三期工程中有兩組60萬(wàn)千瓦的發(fā)電機(jī)組，發(fā)電站的核能來(lái)源于U的裂變，下列說(shuō)法正確的是(　　) A.U原子核中有92個(gè)質(zhì)子，143個(gè)中子 B.U的一種可能裂變是變成兩個(gè)中等質(zhì)量的原子核，反應(yīng)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(gè)U裂變能放出200 MeV的能量，合3.210－11 J E．一個(gè)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(guān)系易知A正確；由核反應(yīng)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(cuò)誤；因?yàn)?00 MeV＝2001061.610－19 J＝3.210－11 J，所以D正確，E錯(cuò)誤． 【答案】　ABD 7．下面是鈾核裂變反應(yīng)中的一個(gè)：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(yīng)中質(zhì)量虧損Δm＝________u，釋放的核能ΔE＝________MeV. 【導(dǎo)學(xué)號(hào)：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(dāng)于2萬(wàn)噸TNT炸藥放出的能量．原子彈放出的能量約8.41013 J，試問(wèn)有多少個(gè)U原子核進(jìn)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(gè)U原子核分裂時(shí)所產(chǎn)生的能量約為200 MeV) 【解析】　一個(gè)U原子核分裂時(shí)所產(chǎn)生的能量約為200 MeV＝200106 eV＝2.01081.610－19 J＝3.210－11 J. 設(shè)共有n個(gè)U核發(fā)生裂變：n＝個(gè)≈2.61024個(gè)，鈾的質(zhì)量m＝23510－3kg≈1.015 kg. 【答案】　2.61024個(gè)　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(guān)系．下列關(guān)于原子結(jié)構(gòu)和核反應(yīng)的說(shuō)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(shí)會(huì)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(shí)會(huì)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(shí)要吸收能量 D．在核反應(yīng)堆的鈾棒之間插入鎘棒是為了控制核反應(yīng)速度 E．在核反應(yīng)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(jié)合成原子核F時(shí)存在質(zhì)量虧損，要釋放能量，A錯(cuò)誤；原子核A的核子平均質(zhì)量大，裂變成原子核B和C時(shí)質(zhì)量虧損，要放出核能，B正確、C錯(cuò)誤；鎘棒可以吸收中子，在反應(yīng)堆中能控制反應(yīng)速度，D正確；在核反應(yīng)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(shí)會(huì)發(fā)生裂變，產(chǎn)生Ba和Kr，同時(shí)放出200 MeV的能量，現(xiàn)要建設(shè)發(fā)電能力是50萬(wàn)千瓦的核電站，用鈾235作為原子鍋爐的燃料，假設(shè)核裂變釋放的能量全部被用來(lái)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(gè))． 則對(duì)應(yīng)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(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，在核電站中，核反應(yīng)堆釋放的核能被轉(zhuǎn)化為電能．核反應(yīng)堆的工作原理是利用中子轟擊重核發(fā)生裂變反應(yīng)，釋放出大量核能． (1)核反應(yīng)方程式92U＋n―→56Ba＋Kr＋aX是反應(yīng)堆中發(fā)生的許多核反應(yīng)中的一種，n為中子，X為待求粒子，a為X的個(gè)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(yīng)過(guò)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(zhuǎn)化為電能的效率η＝40%，假定反應(yīng)堆中發(fā)生的裂變反應(yīng)全是本題(1)中的核反應(yīng)，已知每次核反應(yīng)過(guò)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(yīng)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