（精品讲义）原子核5word版含答案2

08/909/9/5核裂变[学习目标]1.知道什么是核裂变.2.知道链式反应及链式反应的条件，并能计算裂变释放的核能.3.了解裂变反应堆的工作原理，知道如何控制核反应的速度以及如何防止核污染．一、核裂变1．核裂变重核被中子轰击后分裂成两个(或几个)中等质量原子核，并放出核能的过程．2．铀核裂变用中子轰击铀核时，铀核发生裂变，其产物是多种多样的，其中一种典型的反应是eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(144,56)Ba＋eq\o\al(89,36)Kr＋3eq\o\al(1,0)n.3．链式反应当一个中子引起一个重核裂变后，裂变释放的中子再引起其他重核裂变，且能不断继续下去，这种反应称为链式反应．4．链式反应的条件(1)铀块的体积大于等于临界体积．(2)有足够数量的慢中子．二、核电站1．核反应堆：利用核能发电的核心设施是核反应堆．它主要由以下几部分组成：(1)燃料：铀棒．(2)减速剂：铀235容易捕获慢中子发生反应，可采用石墨、重水、普通水作减速剂．(3)控制棒：为控制能量释放的速度，需控制中子的数目，采用镉棒作为控制棒来控制链式反应的速度．2．工作原理：核燃料裂变释放的能量，使反应区温度升高．3．能量输出：利用水或液态的金属钠等流体在反应堆内外循环流动，把反应堆内的热量传输出去，用于发电．4．核污染的处理：在反应堆的外面需要修建很厚的水泥层，用来屏蔽裂变反应放出的各种射线，核废料具有很强的放射性，需要装入特制的容器，深埋地下或海底．[即学即用]1．判断下列说法的正误．(1)铀核的裂变是一种天然放射现象．(×)(2)铀块的体积大于或等于临界体积时链式反应才能不停地进行下去．(√)(3)中子的速度越快，越容易发生铀核裂变．(×)(4)铀核裂变的产物是钡和氪，且固定不变．(×)(5)核反应堆是通过调节中子数目以控制反应速度．(√)(6)核反应堆用过的核废料无毒无害．(×)2．当eq\o\al(235,92)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：eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(139,54)Xe＋eq\o\al(94,38)Sr＋3eq\o\al(1,0)n.已知eq\o\al(235,92)U的原子质量为235.0439u，eq\o\al(1,0)n的原子质量为1.0087u，eq\o\al(139,54)Xe的原子质量为138.9178u，eq\o\al(94,38)Sr的原子质量为93.9154u，且1u的质量对应的能量为9.3×102MeV，此裂变反应释放出的能量是________MeV.答案1.8×102解析ΔE＝Δm·c2＝(235.0439＋1.0087－138.9178－93.9154－3×1.0087)×9.3×102MeV≈1.8×102MeV.一、核裂变及链式反应[导学探究]如图1为铀核裂变示意图．图1(1)什么是裂变？写出上述铀核裂变的核反应方程．(2)只要有中子轰击铀块就可以产生链式反应吗？答案(1)重核分裂成几个中等质量原子核的现象称为核裂变．上面这个过程可以用下面的方程式来表示eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(144,56)Ba＋eq\o\al(89,36)Kr＋3eq\o\al(1,0)n(2)铀块体积应大于或等于临界体积、要有足够数量的慢中子才能发生链式反应．[知识深化]1．常见的裂变方程(1)eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(139,54)Xe＋eq\o\al(95,38)Sr＋2eq\o\al(1,0)n(2)eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(144,56)Ba＋eq\o\al(89,36)Kr＋3eq\o\al(1,0)n

2．链式反应发生的条件(1)铀块的体积大于或等于临界体积．体积超过临界体积时，保证中子能够碰到铀核．(2)有足够浓度的铀235.(3)有足够数量的慢中子．3．铀的同位素中铀235比铀238更容易发生链式反应．4．核裂变时发生质量亏损，放出能量．例1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．铀块的质量是重要因素，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的质量无关答案C解析要使铀核裂变产生链式反应，铀块的体积必须大于或等于临界体积或铀块的质量大于或等于临界质量，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，若超过临界体积时则发生链式反应，由此知A、B、D错误，C正确．二、重核裂变释放的核能的计算[导学探究]下面是铀核裂变反应中的一个核反应方程：eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(136,54)Xe＋eq\o\al(90,38)Sr＋10eq\o\al(1,0)n.已知铀235的质量为235.0439u，中子的质量为1.0087u，锶90的质量为89.9077u，氙136的质量为135.9072u，则此核反应中质量亏损是多少？释放的总能量是多少？(已知1u相当于931.5MeV的能量)答案质量亏损是反应前的总质量减去反应后的总质量：Δm＝(235.0439＋1.0087－89.9077－135.9072－10×1.0087)u＝0.1507u释放的总能量为ΔE＝931.5×0.1507MeV＝140.37705MeV.[知识深化]1．铀核裂变为中等质量的原子核，发生质量亏损，所以放出能量．一个铀235核裂变时释放的能量如果按200MeV估算，1kg铀235全部裂变放出的能量相当于2800t标准煤完全燃烧时释放的能量，裂变时能产生几百万度的高温．2．计算释放的核能：质量单位为“u”时，可直接用“1u的质量亏损放出能量931.5MeV”计算总能量；当质量单位为“kg”时，直接乘以(3.0×108)2，总能量单位为焦耳．例2用中子轰击铀核(eq\o\al(235,92)U)，其中的一个可能反应是分裂成钡(eq\o\al(141,56)Ba)和氪(eq\o\al(92,36)Kr)两部分，放出3个中子．它们的质量如下：mU＝390.3139×10－27kg，mn＝1.6749×10－27kg；mBa＝234.0016×10－27kg，mKr＝152.6047×10－27kg.试写出核反应方程，求出反应中释放的核能．答案eq\o\al(1,0)n＋eq\o\al(235,92)U→eq\o\al(141,56)Ba＋eq\o\al(92,36)Kr＋3eq\o\al(1,0)n3.2202×10－11J解析铀核裂变方程为eq\o\al(1,0)n＋eq\o\al(235,92)U→eq\o\al(141,56)Ba＋eq\o\al(92,36)Kr＋3eq\o\al(1,0)n，则核反应前后的质量亏损为Δm＝mU＋mn－mBa－mKr－3mn＝3.578×10－28kg，由爱因斯坦质能方程可得释放的核能为ΔE＝Δmc2＝3.578×10－28×(3×108)2J＝3.2202×10－11J.三、核电站1．核电站的主要组成：核电站的核心设施是核反应堆，反应堆用的核燃料是铀235，它的主要部件列表如下：部件名称项目减速剂控制棒热循环介质保护层采用的材料石墨、重水或普通水(也叫轻水)镉水或液态的金属钠很厚的水泥外壳作用降低中子速度，便于铀235吸收吸收中子，控制反应速度把反应堆内的热量传输出去屏蔽射线，防止放射性污染2.核电站发电的优点(1)消耗的核燃料少．(2)作为核燃料的铀、钍等在地球上可采储量大，所能提供的能量大．(3)对环境的污染要比火力发电小．例3如图2所示是慢中子反应堆的示意图，对该反应堆的下列说法中正确的是()图2A．铀235容易吸收快中子后发生裂变反应B．快中子跟减速剂的原子核碰撞后能量减少，变成慢中子，慢中子容易被铀235俘获而引起裂变反应C．控制棒由镉做成，当反应过于激烈时，使控制棒插入浅一些，让它少吸收一些中子，链式反应的速度就会慢一些D．要使裂变反应更激烈一些，应使控制棒插入深一些，使大量快中子碰撞控制棒后变成慢中子，链式反应的速度就会快一些答案B解析快中子容易与铀235“擦肩而过”，快中子跟减速剂的原子核碰撞后能量减少，变成慢中子，慢中子容易被铀235俘获而引起裂变反应，选项B正确，A错误；控制棒由镉做成，镉吸收中子的能力很强，当反应过于激烈时，使控制棒插入深一些，让它多吸收一些中子，链式反应的速度就会慢一些，要使反应更激烈，应使控制棒插入浅一些，选项C、D都错误．1．(对核裂变的理解)(多选)铀核裂变是核电站核能的重要来源，其一种裂变反应为eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(144,56)Ba＋eq\o\al(89,36)Kr＋3eq\o\al(1,0)n，下列说法正确的有()A．上述裂变反应中伴随着中子放出B．铀块体积对链式反应的发生无影响C．铀核的链式反应可人工控制D．铀核的半衰期会受到环境温度的影响答案AC解析从裂变反应方程式可以看出裂变反应中伴随着中子放出，A对；铀块体积对链式反应的发生有影响，B错；铀核的链式反应可人工控制，C对；铀核的半衰期不会受到环境温度的影响，D错．2．(核反应堆的认识)如图3所示，镉棒在核反应中的作用是()图3A．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答案D解析在核反应堆中石墨使快中子变为慢中子，镉棒吸收中子，控制反应速度，调节反应速度的快慢．3．(对裂变方程的理解)在众多的裂变反应中，有一种反应方程为eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(141,56)Ba＋eq\o\al(92,36)Kr＋aX，其中X为某种粒子，a为X的个数，则()A．X为中子，a＝2 B．X为中子，a＝3C．X为质子，a＝2 D．X为质子，a＝3答案B解析根据核电荷数守恒可知，X的电荷数为0，X必为中子eq\o\al(1,0)n，由质量数守恒可知a＝3，选项B正确．4．(裂变释放核能的计算)铀核(eq\o\al(235,92)U)裂变成钡(eq\o\al(141,56)Ba)和氪(eq\o\al(92,36)Kr)．已知eq\o\al(235,92)U、eq\o\al(141,56)Ba、eq\o\al(92,36)Kr以及中子的质量分别是235.0439u、140.9139u、91.8973u和1.0087u．(已知1u相当于931.5MeV的能量)(1)试写出铀核裂变反应方程，并计算1个235U核裂变时放出的核能；(2)我国秦山核电站的装机容量为3.0×105kW，假如全部235U都能够发生这样的裂变，释放核能的1.2%可转化为电能，试由此估算电站1年要消耗多少eq\o\al(235,92)U?答案(1)eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(141,56)Ba＋eq\o\al(92,36)Kr＋3eq\o\al(1,0)n200.6MeV(2)9.6×103kg解析(1)核反应方程为eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(141,56)Ba＋eq\o\al(92,36)Kr＋3eq\o\al(1,0)n，核反应中的质量亏损为Δm＝235.0439u－140.9139u－91.8973u－2×1.0087u＝0.2153u则一个235U核裂变所释放的能量为ΔE＝0.2153×931.5Mev＝200.6Mev.(2)核电站1年所产生的电能为E＝Pt，t＝365×24×3600s.每摩尔235U全部裂变所释放的能量为NA·ΔE，NA为阿伏伽德罗常量，而235U的摩尔质量为MU＝0.235kg/mol，所以电站1年要消耗的eq\o\al(235,92)U的质量m＝eq\f(Pt,ηNAΔE)MU，其中ΔE＝200.6MeV＝3.2×10－11J代入数据得m＝9.6×103kg.一、选择题考点一重核的裂变及裂变过程1．当一个重核裂变时，它所产生的两个核()A．含有的总质子数比裂变前重核的质子数少B．含有的总中子数比裂变前重核的中子数多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答案D解析一个重核裂变时，在产生两个核的同时，也放出中子，所以新产生的两个核的总中子数比裂变前重核的中子数要少，两个核的总质子数与裂变前重核的质子数相等，选项A、B错误；裂变时放出的能量主要是反应前后质量亏损而产生的能量，要远大于俘获中子时得到的能量，C项错误；重核裂变的产物是多种多样的，D项正确．2．1938年哈恩用中子轰击铀核，发现产物中有原子核钡(Ba)、氪(Kr)、中子和一些γ射线．下列关于这个实验的说法中正确的是()A．这个实验的核反应方程是eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(144,56)Ba＋eq\o\al(89,36)Kr＋eq\o\al(1,0)nB．这是一个核裂变过程，反应后粒子质量之和大于反应前粒子质量之和C．这个反应中释放出的能量不可以用爱因斯坦的质能方程来计算D实验中产生的γ射线穿透能力极强答案D解析根据质量数守恒、电荷数守恒，铀核裂变的核反应方程应为：eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(144,56)Ba＋eq\o\al(89,36)Kr＋3eq\o\al(1,0)n，选项A错误；铀核裂变过程中产生γ射线，放出能量，发生质量亏损，释放的能量可根据爱因斯坦的质能方程计算，选项B、C错误；核反应中产生的γ射线，穿透能力极强，选项D正确．3．原子核反应有广泛的应用，如用于核电站等，在下列核反应中，属于核裂变反应的是()A.eq\o\al(10,5)B＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(7,3)Li＋eq\o\al(4,2)HeB.eq\o\al(238,92)U→eq\o\al(234,90)Th＋eq\o\al(4,2)HeC.eq\o\al(14,7)N＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(17,8)O＋eq\o\al(1,1)HD.eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(141,56)Ba＋eq\o\al(92,36)Kr＋3eq\o\al(1,0)n答案D4．一个eq\o\al(235,92)U原子核在中子的轰击下发生一种可能的裂变反应的裂变方程为eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→X＋eq\o\al(94,38)Sr＋2eq\o\al(1,0)n，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数减少答案A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错误．考点二核电站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，它的主要组成部分是()A．原子燃料、减速剂、冷却系统和控制调节系统B．原子燃料、减速剂、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答案A解析核反应堆的主要部分包括①燃料，即浓缩铀235；②减速剂，采用石墨、重水或普通水；③控制调节系统，用控制棒控制链式反应的速度；④冷却系统，水或液态金属钠等流体在反应堆内外循环流动，把反应堆的热量传输出去，用于发电，故A正确，B、C、D错误．6．(多选)为使链式反应平稳进行，可采用下列办法中的()A．铀块可制成任何体积B．铀核裂变释放的中子可直接去轰击另外的铀核C．通过慢化剂使产生的中子减速D．用镉棒作为控制棒，控制反应的剧烈程度，使反应平稳进行答案CD解析铀块小于临界体积将不会发生裂变反应，A错；中子的速度不能太快，否则会与铀核“擦肩而过”，铀核不能“捉”住它，不能发生核裂变，B错；镉棒吸收中子，控制反应剧烈程度，使反应平稳进行，D对；通过慢化剂使中子减速，目的是使中子更容易被铀核俘获，发生链式反应，C对．考点三核裂变释放核能的计算7．(多选)核电站的核能来源于eq\o\al(235,92)U核的裂变，下列说法中正确的是()A．反应后的核废料已不具有放射性，不需要进一步处理B.eq\o\al(235,92)U的一种可能的裂变是变成两个中等质量的原子核，如eq\o\al(139,54)Xe和eq\o\al(95,38)Sr，反应方程式为eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(139,54)Xe＋eq\o\al(95,38)Sr＋2eq\o\al(1,0)nC.eq\o\al(235,92)U原子核中有92个质子、143个中子D．一个eq\o\al(235,92)U核裂变的质量亏损为Δm＝0.2155u，则释放的核能约201MeV答案BCD解析反应后的核废料仍然具有放射性，需要进一步处理，故A错误；发生核反应的过程满足电荷数守恒和质量数守恒，可判断B正确；92为U元素的质子数，中子数为235－92＝143，故C正确；根据质能方程与质量亏损可知，裂变时释放的能量是ΔE＝0.2155×931.5MeV≈201MeV，故D正确．8．一个铀235吸收一个中子发生核反应时大约放出196MeV的能量，则1g纯eq\o\al(235,)92U完全发生核反应时放出的能量为(NA为阿伏伽德罗常量)()A．NA×196MeV B．235NA×196MeVC．235×196MeV D.eq\f(NA,235)×196MeV答案D解析由于1mol的铀核质量为235g,1g铀235为eq\f(1,235)mol，因此1g纯eq\o\al(235,92)U完全发生核反应时释放的能量ΔE＝eq\f(NA,235)×196MeV，故D正确．二、非选择题9．(裂变释放核能的计算)现有的核电站常用的核反应之一是：eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(143,60)Nd＋Zr＋3eq\o\al(1,0)n＋8eq\o\al(0,－1)e＋eq\x\to(ν)(1)核反应