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2020-2021学年高中物理 第4章 核能 2 核裂变课时练习鲁科版选修3-5

2020-2021学年高中物理 第4章 核能 2 核裂变课时练习鲁科版选修3-5

年级：
姓名：

- 7 -

核裂变
(15分钟·30分)
一、选择题(本题共4小题,每小题5分,共20分)
1.(多选)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,不一定发生链式反应
C.重核裂变释放出大量能量,产生明显的质量亏损,所以核子数要减小
D.重核裂变为中等质量的核时,要发生质量亏损,放出核能
【解析】选B、D。根据重核发生裂变的条件和裂变释放核能的原理分析可知,裂变时因铀核俘获中子即发生核反应,是核能转化为其他形式能的过程。释放的能量远大于其俘获中子时吸收的能量。链式反应是有条件的,即铀块的体积必须大于其临界体积,如果体积小,中子从铀块中穿过时,碰不到原子核,则链式反应就不会发生。在裂变反应中质量数、电荷数均守恒,即核子数守恒,所以核子数是不会减小的,因此选项A、C错误,B正确;重核裂变为中等质量的原子核时,发生质量亏损,从而释放出核能,选项D正确。
【加固训练】
　　1.利用重核裂变释放核能时选用铀235,主要因为 (　　)
A.它比较容易发生链式反应
B.能自动裂变,与体积无关
C.铀核比较容易分裂成为三部分或四部分,因而放出更多的核能
D.铀235价格比较便宜,而且它裂变时放出的核能比其他重核裂变时放出的核能要多
【解析】选A。铀235容易俘获慢中子发生裂变,而铀238只有俘获能量在1 MeV以上的中子才能发生裂变;铀核在发生链式反应时,铀块体积必须超过其临界体积;一般情况下,铀核分裂为两部分,很少分裂为三部分或四部分;使用铀235,是因为其易发生裂变反应,故A正确,B、C、D错误。
2.(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】选B、D。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。
2.(2020·漳州高二检测)中国承诺到2020年碳排放量下降40%～45%。为了实现负责任大国的承诺,我国将新建核电站项目。目前关于核电站获取核能的基本核反应方程可能是 (　　)
A.UnSrXe+1n
BNaMge
CNHeOH
DUThHe
【解析】选A。重核的裂变是指质量数较大的原子核分裂成两个中等质量的原子核,A是裂变反应,A正确;B为β衰变,C是发现质子的反应,D是α衰变。
3.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.若铀235的体积超过它的临界体积,裂变的链式反应就能够发生
D.能否发生链式反应与铀块的质量无关
【解析】选C。要使铀核裂变发生链式反应,铀块的体积必须等于或大于临界体积,如果组成铀块的体积小于临界体积,则不会发生链式反应。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。如果铀块的质量大,则其体积大,若超过临界体积则发生链式反应,由此知A、B、D错误,C正确。
4.(多选)我国秦山核电站第三期工程中有两组60万千瓦的发电机组,发电站的核能来源于的裂变,下列说法正确的是 (　　)
A. 原子核中有92个质子,143个中子
B.的一种可能裂变是变成两个中等质量的原子核,反应方程为n
XeSr+n
C. 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.一个裂变能放出200 MeV的能量,合3.2×10-11 J
【解析】选A、B、D。由的质量数和电荷数关系易知A正确;由核反应方程中电荷数守恒和质量数守恒知B正确;半衰期不受外界因素干扰,故C错误;因为200 MeV=200×106×1.6×10-19 J=3.2×10-11 J,所以D正确。
【加固训练】
一种典型的铀核裂变是生成钡和氪,同时放出3个中子,核反应方程U+X
BaKr+n,已知部分原子核的比结合能与核子数的关系如图所示,下列说法正确的是 (　　)

A.核反应方程中,X粒子是α粒子
B.核反应方程中,X粒子是质子
CUBa和Kr相比Ba核的比结合能最大,它最稳定
DUBa和Kr相比U核的核子数最多,它的结合能最大
【解析】选D。根据U235核裂变的特点可知,U235需要吸收一个中子后才会发生裂变,所以X一定是中子,故A、B错误;根据比结合能的曲线可知,在Fe56附近原子核的比结合能最大,然后随核子数的增大,比结合能减小,所以UBa和Kr相比,Kr核的比结合能最大,它最稳定,故C错误;由于在核反应UnBaKr+n的过程中释放核能,可知U 、Ba和Kr相比U核的核子数最多,它的结合能最大,故D正确。故选D。
二、非选择题(10分)
5.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,释放出大量的核能。
(1)核反应方程UnBaKr+aX是反应堆中发生的许多核反应中的一种,则a的值为多少,X表示哪一种核?
(2)有一座核能发电站,发电能力P=1×106 kW,核能转化为电能的效率η=45%,设反应堆中发生的裂变反应全是(1)中的核反应,已知每次核反应过程中放出的核能ΔE=2.78×10-11 J,铀核的质量mU=3.9×10-25 kg,求每年需要消耗的铀的质量。(结果保留2位有效数字)
【解析】(1)根据质量数和核电荷数守恒可得:
X的电荷数为0,质量数为1,X为中子,a=3。
(2)该核能发电站一年发出的电能为:W1=Pt=1×109×365×24×3 600 J=3.153 6×1016 J
需要核反应产生的能量为:W==7.008×1016 J
这么多核能需要燃烧的铀核质量为m=
代入数据,解得:m≈983 kg≈0.98 t
答案:(1)3　中子　(2)0.98 t
(10分钟·20分)
6.(6分)(多选)根据《中国核电中长期发展规划》,2020年,全国核电规划装机容量达到5 800万千瓦。关于核反应和核能下列说法正确的是 (　　)
A.所有的核反应过程都会出现质量亏损,因此都会向外释放能量
B.核反应UThHe属于α衰变
C.钚的半衰期为24 100年,8个钚原子经过24 100年后一定还剩余4个
D.裂变反应堆中,镉棒的作用是吸收中子,控制反应速度
【解析】选B、D。不是所有的核反应都有质量亏损,例如弹性散射就没有质量亏损,而常见的核反应例如天然放射现象、核裂变、核聚变等只要存在能量的释放,那么就意味着体系发生了质量亏损,A错误;α衰变是指衰变产生α粒子,B正确;经过一个半衰期未发生衰变的质量为原来的一半,遵循统计规律,不是原子数目减为原来的一半,C错误;裂变反应堆中,镉棒的作用是吸收中子,控制反应速度,D正确。
7.(14分)利用反应堆工作时释放出的热能使水汽化以推动汽轮发电机发电,这就是核电站。核电站消耗的“燃料”很少,但功率却很大。目前,核能发电技术已经成熟,我国已具备了发展核电的基本条件。
(1)核反应堆中的“燃料”是U,完成下面的核反应方程式UnSrXe+1n。
(2)一座100万千瓦的核电站,每年需要多少吨浓缩铀?已知铀核的质量为235.043 9 u,中子质量为1.008 7 u,锶(Sr)核的质量为89.907 7 u,氙(Xe)核的质量为135.907 2 u,1 u=1.66×10-27kg,浓缩铀中铀235的含量占2%。
(3)同样功率(100万千瓦)的火力发电站,每年要消耗多少吨标准煤?(已知标准煤的热值为2.93×104 kJ/kg)
【解析】(1)根据电荷数守恒和质量数守恒可得:Xe的质量数为136,Sr的质子数为38。
(2)该反应的质量亏损是Δm=235.043 9 u+1.008 7 u-89.907 7 u-
135.907 2 u-10×1.008 7 u=0.150 7 u
根据爱因斯坦质能方程ΔE=Δmc2
=0.150 7×931.5 MeV=140.4 MeV
设需用铀的质量为m,则有:109×365×24×3 600=×6.02×1023×1.4×108×1.6×10-19m=2.7×104 kg=27 t
(3)根据煤的热值计算可得:消耗煤的质量为
t=1.1×106 t。
答案:(1)38　136　(2)27 t　(3)1.1×106 t
【总结提升】裂变问题的分析方法
(1)对于裂变问题,要知道是什么原子核发生了裂变,写出原子核的裂变方程,应该注意裂变方程的质量数和电荷数守恒。
(2)原子核的裂变方程必须是能够实际发生的,不能随意编造,并不是所有满足质量数和电荷数守恒的方程都能发生。
(3)根据质能方程ΔE=Δm·c2,由反应前后原子核的质量亏损,可以计算出一个原子核裂变时释放的能量。
(4)计算出总的原子核个数N,则释放的总能量为E总=NΔE。