2020学年高中物理 19.6核裂变

2020学年高中物理 19.6核裂变

‎19.6核裂变 ‎ ‎【小题达标练】‎ 一、选择题 ‎1.(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。‎ ‎【总结提升】重核裂变的实质 ‎(1)重核裂变是中子轰击质量数较大的原子核,使之分裂成中等质量的原子核,同时释放大量的能量,放出更多的中子的过程。‎ ‎(2)重核的裂变是放能核反应,原因是核反应前后质量有亏损,根本原因是重核的比结合能相比中等质量的核的比结合能要小。所以在重核分解为两个中等质量核的过程中要释放能量,而且释放的能量远大于它俘获中子时得到的能量。‎ ‎2.(2020·汕头高二检测U吸收一个慢中子后分裂成Kr和Ba,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】选B。根据质量数守恒、电荷数守恒可得还放出3个中子,B项正确。‎ ‎3.(2020·南昌高二检测)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(　　)‎ AUnSrXe+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。‎ ‎4.一个铀235吸收一个中子后的核反应方程是UnXeSr+n,放出的能量为E,铀235核的质量为M,中子的质量为m,氙136核的质量为m1,锶90核的质量为m2,真空中光速为c,则释放的能量E等于　(　　)‎ A.(M-m1-m2‎-10m)c2 B.(M+m-m1-m2)c2‎ C.(M-m1-m2‎-9m)c2 D.(m1+m2+‎9m-M)c2‎ ‎【解析】选C。铀235裂变时的质量亏损:Δm=M+m-m1-m2‎-10m=M-m1-m2‎-9m。由质能方程可得ΔE=Δmc2=(M-m1-m2‎-9m)c2。‎ ‎【易错提醒】解答本题的两个易错点:(1)在计算质量亏损时,忘记了箭头前的中子,错选答案A。(2)在计算质量亏损时,错误地用反应后质量减去反应前的质量,错选答案D。‎ ‎【补偿训练】1个铀235核吸收1个中子发生核反应时,大约放出196MeV的能量,则‎1g纯铀235完全发生核反应放出的能量为(NA为阿伏加德罗常数)　(　　)‎ A.NA×196 MeV B.235NA×196 MeV C.235×196MeV D.×196 MeV ‎【解析】选D。‎1g纯铀235有×NA个铀235核。因此‎1 g纯铀235吸收中子完全发生核反应可以释放出×196MeV能量。‎ ‎5.(2020·清远高二检测)铀核裂变是在反应堆中进行的,核反应堆主要由铀棒、镉棒、慢化剂、冷却系统和水泥防护层组成,镉棒在反应堆中起的作用主要 是　(　　)‎ A.使快中子变成慢中子 B.使慢中子变成快中子 C.使反应速度加快 D.控制反应速度,调节反应速度的快慢 ‎【解析】选D。镉棒可以吸收中子,控制镉棒插入反应堆的深度可以控制参与反应的中子数目,从而控制反应堆的反应速度,不一定是加快反应速度,也可能是减慢反应速度,A、B、C错误,D正确。‎ ‎【互动探究】慢化剂在反应堆中起的作用主要是　(　　)‎ ‎【解析】选A。慢化剂在反应堆中与快中子碰撞,中子能量减小,变为慢中子,故正确答案为A。‎ ‎6.(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 ‎【解析】选B、C。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;核反应堆释放核能的速度是稳定的,链式反应的速度可以控制,因此答案为B、C。‎ ‎7.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U的裂变,现有四种说法:‎ U原子核中有92个质子,143个中子;‎ U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UnXeSr+n;‎ U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;‎ ‎④一个U裂变能放出200MeV的能量,合3.2×10-11J。‎ 以上说法中完全正确的是　(　　)‎ A.①②③ B.②③④ C.①③④ D.①②④‎ ‎【解题指南】解答本题应明确以下四点:‎ ‎(1)质量数=质子数+中子数。‎ ‎(2)放射性元素的半衰期与温度等外界因素无关。‎ ‎(3)明确裂变方程的书写方法。‎ ‎(4)了解1个U裂变大约放出200MeV的能量,并掌握MeV与J的换算。‎ ‎【解析】选D。由U的质量数和电荷数关系易知①正确;由核反应方程中电荷数守恒和质量数守恒知②正确;半衰期不受外界因素干扰,故③错误;因为200MeV=200×106×1.6×10-19J=3.2×10-11J,所以④正确,故答案为D。‎ 二、非选择题 ‎8.落在日本广岛上的原子弹,相当于2万吨TNT炸药放出的能量。原子弹放出的能量约8.4×1013J,试问有多少个U原子核进行分裂?该原子弹中含U的质量最小限度为多少千克?(一个U原子核分裂时所产生的能量约为200MeV)‎ ‎【解析】一个U原子核分裂时所产生的能量约为 ‎200MeV=200×106eV=2.0×108×1.6×10-19J=3.2×10-11J。‎ 设共有n个U核发生裂变:n=个≈2.6×1024个,铀的质量m=235×10-3×kg≈‎1.015kg。‎ 答案:2.6×1024个　‎‎1.015kg ‎【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;更应该注意的是,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。‎ ‎(2)根据质能方程ΔE=Δmc2,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。‎ ‎(3)根据1原子质量单位(u)相当于931.5兆电子伏(MeV)能量计算,用核子结合成原子核时质量亏损的原子质量单位乘以931.5MeV,即ΔE=Δm×931.5MeV。‎ ‎(4)由每个铀核反应释放的核能乘以铀核个数求得E=ΔE每个×NA×‎ ‎9.(2015·福建师大附中高二检测)受中子轰击时会发生裂变,产生和Kr,同时放出200MeV的能量,现要建设发电能力是50万千瓦的核电站,用铀235作为原子锅炉的燃料,假设核裂变释放的能量全部被用来发电,那么一天需要纯铀235的质量为多少?(阿伏加德罗常数取6.02×1023mol-1)‎ ‎【解析】每天发电的总量 E=24×3.6×103×5×108J=4.32×1013J。‎ 要得到这么多能量需要裂变的铀原子数目 n==1.35×1024(个)。‎ 则对应的质量 m=·μ=×235×10‎-3kg=‎0.527kg。‎ 答案:‎‎0.572kg ‎【大题提升练】‎ ‎1.(1)关于核反应堆中用镉棒控制反应速度的原理,下列说法正确的是　(　　)‎ A.镉棒能释放中子,依靠释放中子的多少控制反应速度 B.用镉棒插入的多少控制快中子变为慢中子的数量 C.利用镉棒对中子吸收能力强的特点,依靠插入的多少控制中子数量 D.镉棒对铀核裂变有一种阻碍作用,利用其与铀的接触面积的大小控制反应速度 ‎(2)现有的核电站常用的核反应之一是:‎ UnNd+Zr+n+e+‎ ‎①核反应方程中的是反中微子,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已知铀核的质量为235.0439u,中子的质量为1.0087u,钕(Nd)核的质量为142.9098u,锆核的质量为89.9047u,1u=1.6606×10-‎27kg。‎ 试计算‎1kg铀235裂变释放的能量为多少?‎ ‎【解析】(1)选C。镉棒并不能释放中子,也不能使中子减速,对铀核裂变也没有阻碍作用,而是利用对中子吸收能力强的特点,控制中子数量的多少而控制核反应速度,故C正确。‎ ‎(2)①锆的电荷数Z=92-60+8=40,质量数A=236-146=90,核反应方程中用符号Zr表示。‎ ‎②‎1kg铀235中铀核的个数为 N==2.56×1024(个)。‎ 不考虑核反应中生成的电子质量,1个铀235核裂变产生的质量亏损为 Δm=0.212u,释放的能量为ΔE=0.212×931.5MeV=197.5MeV,则‎1kg铀235完全裂变释放的能量为E=nΔE=2.56×1024×197.5MeV=8.1×1013J。‎ 答案:(1)C　(2)①40　90　②8.1×1013J ‎2.(1)(多选)2020年以前我国将新增投产2300万千瓦的核电站,核电站与火电站相比较,其优势在于　(　　)‎ A.核燃料释放的能量远大于相等质量的煤放出的能量 B.就可采储量来说,地球上核燃料资源远大于煤炭 C.在经济效益方面核电与火电不相上下 D.核电站没有任何污染 E.核反应堆用过的核废料具有很强的辐射性,要做特殊处理 ‎(2)在各种能源中,核能具有能量密度大、地区适宜性强的优势,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=　　　　　　,a=　　　　　　,以mU、mBa、mKr分别表示核的质量,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=1.00×106kW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为①中的核反应,已知每次核反应过程放出的核能ΔE=2.78×10-11J,核的质量mU=390×10‎-27kg,求每年(1年=3.15×107s)消耗的的质量。‎ ‎【解析】(1)选A、C、E。核燃料释放的能量远大于相等质量的煤放出的能量A项正确;就可采储量所提供的能量来说,远大于煤炭所能提供的能量,而不是采储量,B项错;在经济效益方面核电与火电不相上下,C项正确;核电站是有污染的,核反应堆用过的核废料具有很强的辐射性,要做特殊处理,D错,E正确。‎ ‎(2)①铀235裂变除生成外,还产生适当数目的中子,即式中的X为中子,由电荷数和质量数守恒得产生的中子的个数为a=235+1-141-92=3。‎ 反应过程中的质量亏损 Δm=mU+mn-mBa-mKr-3mn=mU-mBa-mKr-2mn 故核能ΔE=Δmc2=(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表示每年消耗的的质量,‎ 得M∶mU=E总∶ΔE,‎ 解得M=,‎ 代入数据得M=1.10×‎103kg。‎ 答案:(1)A、C、E　(2)n　3　Δmc2=(mU-mBa-mKr-2mn)c2　②1.10×‎‎103kg ‎【补偿训练】(2020·唐山高二检测)一个原子核在中子的轰击下发生一种可能的裂变反应,其裂变方程为nXSr+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.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】选A。X原子核中的核子数为235+1-94-2=140,选项B错误;质子数为92-38=54,中子数为140-54=86,选项A正确;裂变时释放能量,出现质量亏损,但总质量数不变,选项C错误;半衰期不随外界环境变化而变化,选项D错误。‎