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2015-2016学年高中物理 19.6核裂变课后习题 新人教版选修3-5


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核裂变
)

A组 1.(2014·上海单科)链式反应中,重核裂变时放出的可以使裂变不断进行下去的粒子是(

A.质子 B.中子 C.β 粒子 D.α 粒子 解析:重核裂变时放出中子,中子再轰击其他重核发生新的重核裂变,形成链式反应,B 项正确。 答案:B 2.裂变反应中释放出的能量来自于( ) A.核子

消失转化为能量 B.原子中电子与原子核的电势能减小 C.入射的中子消失转化为能量 D.原子核的比结合能变大,释放出能量 解析:发生裂变反应过程中,核子数保持守恒,中子未消失,故 A、C 错误;能量来自于原子核内部,由 于重核在分裂为中等质量的原子核时,比结合能增加而释放出能量,B 错误,D 正确。 答案:D 3.核反应堆是实现可控制的重核裂变链式反应的一种装置,它的主要组成部分是( ) A.原子燃料、慢化剂、冷却系统和控制调节系统 B.原子燃料、慢化剂、发热系统和传热系统 C.原子燃料、调速剂、碰撞系统和热系统 D.原子燃料、中子源、原子能聚存和输送系统 解析: 核反应堆的主要部分包括①燃料,即浓缩铀 235;②慢化剂,采用石墨、重水或普通水;③控制 棒,控制链式反应的速度;④冷却系统,水或液态钠等流体在反应堆外循环流动,把反应堆的热量传 输出去用于发电,故 A 正确,B、C、D 错误。 答案:A 4.核反应堆不锈钢外壳内除核燃料棒和控制棒以外还通入水,这些水除了起冷却作用外还起了 ( ) A.使中子减速的作用 B.使中子加速的作用 C.吸收放射性物质的作用 D.吸收反应发出的射线的作用 解析:铀 235 的特点是更容易吸收慢中子而发生裂变,在反应堆中减速剂的作用就是减小快中子能 量从而更易让铀 235 吸收裂变,核反应堆中一般采用石墨、重水或普通水作减速剂(慢化剂)。 答案:A 5.U 吸收一个慢中子后,分裂成 Xe 和 Sr,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:设放出的粒子的质量数为 x,电荷数为 y,核反应过程满足质量守恒和电荷数守恒。由题意可 得 解得 由此判断该核反应放出 的一定是中子,且个数是 10。 答案:C 6.一个 U 在中子的轰击下发生一种可能的裂变反应,其裂变方程为 U+n→X+Sr+n,则下列说法正确的 是( ) A.X 的原子核中含有 86 个中子

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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.U 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:由核反应规律可知,X 是 Xe,X 中有 140 个核子、86 个中子,A 项正确,B 项错误;裂变过程质量 亏损,总质量数守恒,C 项错误;半衰期由核本身的因素决定,与外界条件无关,D 项错误。 答案:A 7.(1)在核电站中,为了防止放射性物质泄漏 ,核反应堆有三道防护屏障:燃料包壳、压力壳和安全 壳(如图甲)。结合图乙可知,安全壳应当选用的材料是 。





丙 (2)核反应堆中的核废料具有很强的放射性,目前常用的处理方法是将其装入特制的容器中,然后 ( ) A.沉入海底 B.放至沙漠 C.运到月球 D.深埋地下 (3)图丙是用来监测工作人员受到辐射情况的胸章,通过照相底片被射线感光的区域,可以判断工作 人 员受到何种辐射。当胸章上 1 mm 铝片和 3 mm 铝片下的照相底片被感光,而铅片下的照相底片未 被感光时,结合图乙分析工作人员受到了 射线的辐射;当所有照相底片被感光时,工作人员 受到了 射线的辐射。 解析:根据核电站的相关知识可知安全壳为混凝土建筑,处理核废料的方法是深埋;三种射线穿透能 力不同,如题中图乙所示。射线穿透防护层到达底片时,才能使底片感光 。 答案:(1)混凝土 (2)D (3)β γ (或 β 和 γ ) 8.已知铀 235 核裂变时的核反应方程为 Ba+Kr+n,一个铀 235 核裂变时,能释放 200 MeV 的能量,则 7 1 kg 铀完全裂变能释放多少能量?相当于多少吨燃烧值为 2.94×10 J/kg 的煤所放出的能量? 解析:首先求出 1 kg 铀 235 中含有的原子核数,然后即可根据已知求解。1 kg 铀 235 中含有的原子 23 24 核数为×6.02×10 个=2.562×10 个。每个铀核裂变能放出 200 MeV 的能量,则 1 kg 铀核裂变能

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释放 Δ E=2.562×10 ×200 MeV=5.124×10 MeV=5.124×10 ×1.6×10 J=8.2×10 J,设与 1 6 kg 铀 235 相当的优质煤的质量为 m,则有 m= kg=2.789×10 kg=2 789 t。 13 答案:8.2×10 J 2 789 t B组 1.核电站的核能来源于 U 核的裂变,下列说法中正确的是( ) A.U 原子核中有 92 个质子、143 个中子 BU 的一种可能的裂变是变成两个中等质量的原子核,如 Xe 和 Sr,反应方程式为 Xe+Sr+n CU 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.反应后的核废料已不具有放射性,不需要进一步处理 解析:根据核反应的质量数守恒和电荷数守恒可知 A、B 正确,特别注意的是,由于重核裂变的可能 性很多,只要满足这两个条件,即发生了分裂,都是可能反应中的一种;半衰期不会因为温度变化而 变 化,C 错误;核裂变的核废料有强烈的放射性,必须深埋处理,D 错误。 答案:AB 2.下面是铀核裂变反应中的一个为 U+n→Xe+Sr+1n,已知铀 235 的质量为 235.043 9 u,中子的质量 为 1.008 7 u,锶 90 的质量为 89.907 7 u,氙 136 的质量为 135.907 2 u,则此核反应中( ) A.质量亏损为 Δ m=(235.043 9+1.008 7-89.907 7-135.907 2) u B.质量亏损为 Δ m=(235.043 9+1.008 7-89.907 7-135.907 2-10×1.008 7) u 8 2 C.释放总能量为 Δ E=(235.043 9+1.008 7-89.907 7-135.907 2-10×1.008 7)×(3×10 ) J D.释放总能量为 Δ E=(235.043 9+1 .008 7-89.907 7-135.907 2-10×1 .008 7)×931.5 MeV 解析:质量亏损是反应物与生成物之差,差值可用“u”或“kg”作单位,前者直接用 1 u 的亏损放 出 931.5 MeV 的能量计算,后者核能的单位是 J。 答案:BD 3.裂变反应是目前核能利用中常用的反应。以原子核 U 为燃料的反应堆中,当 U 俘获一个慢中子后 发生的裂变反应可以有多种方式,其中一种可表示为 U +n →Xe +Sr +n 235.043 9 1.008 7 138.917 8 93.915 4 反应方程下方的数字是中子及有关原子的静止质量(以原子质量单位 u 为单位)。已知 1 u 的质量 对应的能量为 931.5 MeV,求此裂变反应过程中, (1)亏损质量为原子质量单位的多少倍? (2)释放出的能量是多少? 解析:(1U 裂变成 Xe 和 Sr,同时放出中子 n,裂变前后质量变化 Δ m=m 前-m 后=(235.043 9+1.008 7138.917 8-93.915 4-3×1.008 7) u=0.193 3 u,亏损质量为原子质量单位的 0.193 3。 (2)由爱因斯坦质能方程,得 2 Δ E=Δ mc =0.193 3×931.5 MeV=180 MeV。 答案:(1)0.193 3 (2)180 Me V 4.某型导弹核潜艇水下最大航速为 45 节(1 节=1.852 km/h)。核反应堆最大输出功率为 4.5 万千瓦, 最大续航里程为 20 万海里(1 海里=1.852 km)。假设 1 个 U 核裂变放出的能量是 200 MeV,铀矿石 含铀 235 的浓度是 4%,求: (1)当核反应堆达到最大输出功率时,每秒有多少个铀 235 原子核发生裂变。 (2)核潜艇一次至少要装入铀矿石多少千克。 18 解析:(1)当核反应堆达到最大输出功率 时,每秒发生裂变的铀 235 原子核数 N=个≈1.4×10 个。 7 (2)最大续航时间 tm= h=1.6×10 s,铀 235 的摩尔质量 M=235 g/mol,设需装铀矿石的质量为 m, 由 Pmtm=NΔ E=NAΔ E,得需装入铀矿石的质量 m= = g

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≈2.2×10 g=220 kg。 18 答案:(1)1.4×10 个 (2)220 kg 5.现有的核电站比较广泛采用的核反应之一是 U+Nd+Zr+n+e+ (1)核反应方程中的是中微子,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(U)核的质量为 235.049 3 u,中子的质量为 1.008 7 u,钕(Nd)核质量为 142.909 8 u,锆 -27 核质量为 89.904 7 u;又知 1 u=1.660 6×10 kg ,试计算 1 kg 铀 235 大约能产生多少能量。 解析:(1)锆的电荷数 Z=92-60+8=40,质量数 A=236-146=90;核反应方程中应用符号 Zr 表示。 23 24 (2)1 kg 铀 235 的铀核个数为 N=×6.02×10 =2.56×10 (个)。 不考虑核反应中生成的电子质量,一个铀核反应发生的质量亏损为 Δ m=0.217 4 u。 1 kg 铀 235 完全裂变产生的能量约为 13 Δ E=8.32×10 J。 13 答案:(1)40 90 (2)8.32×10 J 6.在其他能源中,核能具有能量密度大、地区适应性强的优势,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 BaKr+aX 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 为 ,a= 。以 mU、mBa、mKr 分别表示 BaKr 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 Δ E= 。 6 (2)有 一座发电能力为 P=1.00×10 kW 的核电站,核能转化为电能的效率 η =40%,假定反应堆中发 -11 生的裂变反应全是本题(1)中的核反应,已知每次核反应过程放出的核能 Δ E=2.78×10 JU 核质量 mU=390×10-27 kg,求每年(1 年=3.15×107 s)消耗的 U 的质量。 解析:根据质量数守恒和电荷数守恒书写核反应方程。计算质量亏损,再用质能方程计算核反应过 程中放出的核能。 2 (1n,3,(mU-mBa-mKr-2mn)c 。 (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 U 的质量,得 M∶mU=E 总∶Δ E 3 解得 M=,代入数据得 M=1.10×10 kg。 2 3 答案:(1n 3 (mU-mBa-mKr-2mn) c (2)1.10×10 kg

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