高中物理 第3章 原子核 5 核裂變學(xué)業(yè)分層測(cè)評(píng) 教科版選修3-5

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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(méi)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．(2016長(zhǎng)沙一中檢測(cè))下列關(guān)于核裂變和核輻射的方程中正確的是(　　) A.U＋n―→Ba＋Kr＋10n B.Pu―→U＋He C.Cs―→Ba＋e D.I―→Xe＋e E.P→Si＋e 【解析】　選項(xiàng)A中，質(zhì)量數(shù)不守恒，選項(xiàng)E中，電荷數(shù)不守恒，故A、E錯(cuò)誤；核輻射是放出α、β、γ三種射線(xiàn)，選項(xiàng)B為α衰變，放出α射線(xiàn)，選項(xiàng)C、D為β衰變，放出β射線(xiàn)，故B、C、D正確． 【答案】　BCD 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(　　) 【導(dǎo)學(xué)號(hào)：11010050】 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(méi)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)，核燃量提供的能量遠(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)，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，現(xiàn)有五種說(shuō)法，其中正確的是(　　) 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)：11010051】 【解析】　質(zhì)量虧損Δm＝235.043 9 u＋1.008 7 u－135.907 2 u－89.907 7 u－101.008 7 u＝0.150 7 u， 由ΔE＝Δmc2可求得釋放的核能ΔE＝0.150 7 uc2＝0.150 7931.5 MeV＝140.377 1 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352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352 A．由圖可知，原子核D和E結(jié)合成原子核F時(shí)會(huì)有質(zhì)量虧損 B．由圖可知，原子核D和E結(jié)合成原子核F時(shí)會(huì)有質(zhì)量虧損，要放出核能 C．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 D．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，要吸收能量 E．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 【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，B正確；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，C正確，D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，E正確． 【答案】　BCE 10．核能是一種高效的能源． (1)在核電站中，為了防止放射性物質(zhì)泄漏，核反應(yīng)堆有三道防護(hù)屏障：燃料包殼、壓力殼和安全殼． 圖353 結(jié)合圖353甲可知，安全殼應(yīng)當(dāng)選用的材料是________． (2)圖乙是用來(lái)監(jiān)測(cè)工作人員受到輻射情況的胸章，通過(guò)照相底片被射線(xiàn)感光的區(qū)域，可以判斷工作人員受到何種輻射．當(dāng)胸章上1 mm鋁片和3 mm鋁片下的照相底片被感光，而鉛片下的照相底片未被感光時(shí)，結(jié)合圖甲分析可知工作人員一定受到了________射線(xiàn)的輻射；當(dāng)所有照相底片被感光時(shí)，工作人員一定受到了________射線(xiàn)的輻射． 【解析】　(1)核反應(yīng)堆最外層是厚厚的水泥防護(hù)層，以防止射線(xiàn)外泄，所以安全殼應(yīng)選用的材料是混凝土． (2)β射線(xiàn)可穿透幾毫米厚的鋁片，而γ射線(xiàn)可穿透幾厘米厚的鉛板． 【答案】　(1)混凝土　(2)β　γ 11.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？(阿伏伽德羅常數(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】　0.527 kg 12．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. 【導(dǎo)學(xué)號(hào)：11010052】 (1)核反應(yīng)方程式U＋n―→Ba＋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_(kāi)_______，a＝________.以mU、mBa、mKr分別表示U、Ba、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U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＝P′t＝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