人教版高中物理(选修3-5)重核的裂变同步练习题(含答案)

课时作业18 重核的裂变

1．下列核反应中，表示核裂变的是( )

A.238 92U→234 90Th＋42He

B.235 92U＋10n→144 56Ba＋8936Kr＋310n

C.3015P→3014Si＋01e

D.94Be＋42He→12 6C＋10n

解析：重核的裂变是指重核在中子的轰击下分裂成中等质量原子核的核反应，故B正确。

答案：B

2．关于铀核裂变，下述说法正确的是( )

A．铀核裂变的产物是多种多样的，但只能裂变成两种不同的核

B．铀核裂变时还能同时释放2—3个中子

C．为了使裂变的链式反应容易进行，最好用纯铀235

D．铀块的体积对产生链式反应无影响

解析：铀核受到中子的轰击，会引起裂变，裂变的产物是各种各样的，具有极大的偶然性，但裂变成两块的情况多，也有的分裂成多块，并放出几个中子的情况。铀235受慢中子的轰击时，裂变的概率大，而铀238只有俘获能量在1MeV以上的中子才能引起裂变，且裂变的几率小。而要引起链式反应，需使铀块体积超过临界体积，故上述选项B、C正确。

答案：B、C

3．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，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．由于重核的核子平均质量大于中等质量核的核子平均质量，所以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：根据重核发生裂变的条件和裂变放能的原理分析可知，裂变时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。因其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。在裂变反应中核子数是不会减小的，如235 92U裂变为9038Sr和136 54 Xe的核反应，其核反应方程为

235

92U＋1

0n→

90

38Sr＋

136

54Xe＋10

1

0n，

其中各粒子质量分别为

m U＝235.0439u，m n＝1.00867u，

m Sr＝89.9077u，m Xe＝135.9072u。

质量亏损为

Δm＝(m U＋m n)－(m Sr＋m Xe＋10m n)

＝0.1510u

可见铀核裂变的质量亏损是远小于一个核子的质量的，核子数是不会减少的，因此选项A、B、C均错。重核裂变为中等质量

的原子核时，由于平均质量减小，还会再发生质量亏损，从而释放出核能。综上所述，选项D正确。

答案：D

4．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：铀235容易俘获慢中子发生裂变，而铀238只有俘获能量在1MeV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，故仅A选项正确。

答案：A

5．原子反应堆是实现可控制的重核裂变链式反应的一种装置，它主要有哪四部分组成( )

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、慢化剂、碰撞系统和传热系统

D．原子燃料、中子源、原子能聚存系统和输送系统

答案：A

6．2009年9月，山东荣成石岛湾核电站开工，计划总装机规模400万千瓦。核电站与火电站相比较，其优势在于( )

A．核燃料释放出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多于煤炭

C．核电站造成的污染远小于相等发电能力的火电站

D．核电站比火电站更容易建造

解析：核电站与火电站相比，相等质量的核燃料放出的能量比煤放出的能量要大很多，地球上可开采核矿石储量所能提供的能量约为煤、石油的15倍，只要措施得当，核电站造成的污染很小，核能属于清洁能源，A、B、C均正确；核电站的建造难度较大，D错误。

答案：A、B、C

7．在核反应方程式235 92U＋10n→9038Sr＋136 54Xe＋k X中( )

A．X是中子，k＝9 B．X是中子，k＝10

C．X是质子，k＝9 D．X是质子，k＝10

解析：核反应方程应遵循电荷数守恒和质量数守恒，在题目所给核反应中，设X的质子数为x，则核反应方程的左边质子数为92＋0＝92，右边质子数为38＋54＋x＝92，x＝0，X的质子数为0，所以X为中子，左边质量数为235＋1＝236，右边质量数为90＋136＋k×1＝236，k＝10，所以k的数值为10。

答案：B

8．一个235 92U原子核在中子的轰击下发生一种可能的裂变反应，其裂变方程式为235 92U＋10n―→X＋9438Sr＋210n，则下列叙述正确的是( )

A．X原子核中含有86个中子

B．X原子核中含有141个核子

C．因为裂变时释放能量，根据E＝mc2，所以裂变后的总质量数增加

D．因为裂变时释放能量，出现质量亏损，所以生成物的总质量减少

解析：X原子核中的核子数为(235＋1)－(94＋2)＝140个，B错误；中子数为140－(92－38)＝86个，A正确；裂变时释放能量，出现质量亏损，但是其总质量数是不变的，C、D错。

答案：A

9．人类认识原子结构和开发利用原子能经历了十分曲折的过程。请按要求回答下列问题。

(1)卢瑟福、玻尔、查德威克等科学家在原子结构或原子核的研究方面做出了卓越的贡献。请选择其中的两位，指出他们的主要成绩。

①_________________________________________________ ______________________。

②_________________________________________________ ______________________。

在贝克勒尔发现天然放射现象后，人们对放射线的性质进行了深入研究，图18－1为三种射线在同一磁场中的运动轨迹，请从三种射线中任选一种，写出它的名称和一种用途。

___________________________________________________ _____________________。

图18－1

(2)在可控核反应堆中需要给快中子减速，轻水、重水和石墨等常用作慢化剂。中子在重水中可与21H核碰撞减速，在石墨中与12 6C核碰撞减速。上述碰撞可简化为弹性碰撞模型。某反应堆中快中子与静止的靶核发生对心正碰，通过计算说明，仅从一次碰撞考虑，用重水和石墨作慢化剂，哪种减速效果更好？

解析：(1)卢瑟福提出了原子的核式结构模型(或其他成就) 查德威克发现了中子(或其他成就)

射线2为γ射线，穿透力强，可用于金属探伤(或其他答案合理即可)

(2)设中子质量为m n，靶核质量为m，由动量守恒定律：

m n v0＝m n v1＋mv2

由能量守恒：1

2

m n v20＝

1

2

m n v21＋

1

2

mv22

解得：v1＝m n－m m n＋m

v0

在重水中靶核质量：m H＝2m n，

v1H＝m n－m H

m n＋m H v0＝－

1

3

v0

在石墨中靶核质量：m C＝12m n，

v1C＝m n－m C

m n＋m C v0＝－

11

13

v0

与重水靶核碰后中子速度较小，故重水减速效果更好。

答案：(1)卢瑟福提出原子的核式结构模型玻尔把量子理论引入原子模型查德威克发现中子玻尔把量子理论引入原子模型，并成功解释了氢光谱(或其他成就)

(2)重水

10．裂变反应是目前核能利用中常用的反应，以原子核235 92U 为燃料的反应堆中，235 92U俘获一个慢中子后发生裂变反应可以有多种方式，其中一种方式可表示为：

235

92U ＋1

0n ―→

139

54Xe ＋

94

38Sr ＋3

1

0n

235．0439 1.0087138.917893.9154

反应方程下方的数字是中子及有关原子核静止时的质量(以原子核质量u为单位)，已知1u的质量对应的能量为931MeV，则该反应放出多少MeV的能量？

解析：裂变前后的质量亏损是

Δm＝(235.0439＋ 1.0087－138.9178－93.9154－3×1.0087)u＝0.1933u，放出的能量ΔE＝Δm×931MeV≈1.8×102MeV。

答案：1.8×102

11.235 92U受中子轰击时会发生裂变，产生144 56Ba和8936Kr，同时放出200兆电子伏特的能量。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的质量为多大？(阿伏加德罗常数取6.02×1023个/摩尔)

解析：核电站每一天的发电量为：

E＝Pt＝50×104×103×24×3600J＝4.32×1013J。

据题意知，核电站一天的发电量就等于发电站在一天时间内铀235裂变所释放的总能量，故核电站每天所消耗的铀235核的个数为：

n＝

E

200×106×1.6×10－19

＝

4.32×1013

3.2×10－11

个＝1.35×1024个。

故发电站每一天需要的纯铀235的质量为：

m＝n

N A

·M＝

1.35×1024

6.02×1023

×235×10－3kg＝0.527kg。

答案：0.527kg

12．在原子反应堆中，用石墨(碳)作慢化剂使快中子减速。已知碳核的质量是中子的12倍，假设中子与碳核的碰撞是弹性的(即碰撞中不损失动能)，而且碰撞前碳核是静止的。试求：

(1)设碰撞前中子的动能为E0，问经过一次碰撞后，中子的动能损失多少？

(2)至少经过多少次碰撞，中子的动能才能少于10－6E0？(lg13＝1.114，lg11＝1.0411)

解析：(1)设中子的质量为m，速度为v0，碳核的质量为M，碰撞后中子、碳核的速度分别为v1、v，则

mv0＝mv1＋Mv①

12mv 20＝12mv 21＋12

Mv 2② 由①②解得：v 1＝－1113

v 0 碰撞一次，中子损失的动能为

ΔE ＝12mv 20－12mv 21＝12mv 20?????

???1－? ?????11132＝48169E 0 (2)中子与碳核第一次碰撞后剩余的动能

E 1＝12mv 21＝12m ? ?????－1113v 02＝? ??

???11132E 0 同理，经第二次碰撞后，中子剩余的动能

E 2＝12mv 22＝12m ? ?????1113v 12＝? ??

???11132×2E 0 第n 次碰撞后，中子剩余的动能

E n ＝12mv 20＝12m ? ?????1113v n －12＝? ??

???11132n E 0＝10－6E 0 有? ??

???11132n E 0＝10－6E 0 即? ??

???11132n ＝10－6 两边取对数得：2n (lg11－lg13)＝－6 即：2n (1.0411－1.114)＝－6

得n ＝41.2次

故至少要碰撞42次，中子的动能才能少于10－6E 0。

答案：(1)48

169

E0(2)42次

13．某核反应堆每小时消耗浓缩铀(铀235的含量占5%)200g，假定每个铀核裂变时释放的能量是200MeV，核反应堆的效率为90%，求该核反应堆的输出功率。

解析：200g浓缩铀中铀235的含量为m＝200g×5%＝10g，

则10g铀235中含有的原子数为n＝m

M

N A＝

10

235

×6.02×1023≈2.56×1022。这些铀在1h内释放的能量为Q＝nΔE ＝2.56×1022×200×106×1.6×10－19J≈8.19×1011J，则此核反应

堆的输出功率为P＝Q×90%

t

＝

8.19×1011×0.9

3 600

W≈2.0×108W。

答案：2.0×108W

14．利用反应堆工作时释放出的热能使汽化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，我国已具备了大力发展核电的基本条件。

(2)核电站每年放出的热能为Q＝Pt＝1.0×109×3.6×103×24×365J＝3.2×1016J。

一个铀235裂变放出的能量为E＝Δmc2＝2.3×10－11J。

需要浓缩铀为

m＝

QM U

E·N A×0.02

＝

3.2×1016×0.235

2.3×10－11×6.02×1023×0.02

kg

＝2.7×104kg＝27t。

(3)需要标准煤为

M＝Q

q

＝

3.2×1016

2.93×107

kg＝1.1×109kg＝1.1×106t。

(4)核反应堆外面需修建很厚的水泥防护层，用来屏蔽射线；对放射性废料，要装入特制的容器，埋入地层深处进行处理。

答案：(1)38 136 (2)27t (3)1.1×106t (4)在核反应堆外面修建足够厚的水泥混凝土防护层；将核废料装入特制密闭容器并深埋地下。

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