人教版高中物理选修3-5同步练习：19.6-核裂变

课时6核裂变对应学生用书P59一、选择题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块的质量无关答案C解析要使铀核裂变产生链式反应，铀块的体积必须大于临界体积或铀块的质量大于临界质量，只要组成铀块的体积小于临界体积，或质量小于临界质量就不会产生链式反应，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，若超过临界体积则发生链式反应，由此知A、B、D错误，C正确。2．在核反应中，控制铀235核裂变反应速度的方法是()A．使用浓缩铀B．改变铀块的临界体积C．通过自动控制装置，改变镉棒插入的深度，以改变中子数目D．利用石墨与中子的碰撞来改变中子的速度答案C解析控制核反应的速度是靠调节中子数目来实现，即用镉棒吸收中子改变中子数目。故选C。3．一个铀235吸收一个中子后发生的反应是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，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)c2B．(M＋m－m1－m2)c2C．(M－m1－m2－9m)c2D．(m1＋m2＋9m－M)c2答案C解析铀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：E＝Δmc2＝(M－m1－m2－9m)c2，C正确。4．一静止的铀核放出一个α粒子衰变成钍核，衰变方程为eq\o\al(238,92)U→eq\o\al(234,90)Th＋eq\o\al(4,2)He，下列说法正确的是()A．衰变后钍核的动能等于α粒子的动能B．衰变后钍核的动量大小等于α粒子的动量大小C．铀核的半衰期等于其放出一个α粒子所经历的时间D．衰变后α粒子与钍核的质量之和等于衰变前铀核的质量答案B解析根据动量守恒可知，生成的钍核的动量与α粒子的动量等大反向，B正确；根据Ek＝eq\f(p2,2m)可知，衰变后钍核的动能小于α粒子的动能，A错误；铀核的半衰期等于一半数量的铀核衰变需要的时间，而放出一个α粒子所经历的时间是一个原子核衰变的时间，故两者不相等，C错误；由于该反应放出能量，由质能方程可知，衰变后α粒子与钍核的质量之和小于衰变前铀核的质量，D错误。故选B。5．(多选)2015年8月16日，辽宁红沿河核电站3号机组结束168小时试运行试验，具备商业运营主要条件。核电站与火电站相比较，其优势有()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．就可采储量所能提供的能量来说，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答案ABC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所能提供的能量远多于煤炭，只要措施得当，核电站造成的污染远小于相等发电能力的火电站，A、B、C正确；核电站的建造难度较大，D错误。6．如图是核反应堆的示意图，对于核反应堆的认识，下列说法正确的是()A．铀棒是核燃料，核心物质是铀238B．石墨起到吸收中子的作用C．镉棒起到使中子减速的作用D．水泥防护层的作用是为了阻隔射线，避免放射性危害答案D解析核反应堆采用的核燃料为铀235，故A错误；石墨的作用是使中子减速，故B错误；镉棒的作用是吸收中子，故C错误；水泥防护层的作用是为了阻隔射线，避免放射性危害，故D正确。7．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答案C解析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，而是利用其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。8．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．重核裂变时释放出大量的能量，产生明显的质量亏损，所以核子数减少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，所以重核裂变成中等质量的核时，要产生质量亏损，放出核能答案D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，裂变时因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。因而其释放的能量是远大于其俘获中子时吸收的能量的。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少的，因此A、B、C错误。重核裂变为中等质量的原子核时，由于核子平均质量减小，会发生质量亏损，从而释放出核能。综上所述，D正确。9．1个铀235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×196MeVB．235NA×196MeVC．235×196MeVD.eq\f(NA,235)×196MeV答案D解析由于1mol的铀核质量为235g,1g铀235的物质的量为eq\f(1,235)mol，因此1g铀235释放的能量E＝eq\f(NA,235)×196MeV，故D正确。10．(多选)下列关于铀裂变和核电站的说法中正确的是()A．铀235只要俘获中子就能进行链式反应B．铀235裂变后的生成物是多种多样的，但这些裂变都要发生质量亏损C．核电站中镉棒是起减速剂的作用D．核电站使用后的核废料必须装入特制容器，深埋地下答案BD解析铀235发生链式反应的条件为①要有足够浓度的铀235，②要有足够数量的慢中子，③铀块的体积要大于临界体积，A错误。由于铀裂变会释放巨大能量，所以一定会发生质量亏损，B正确。镉棒的作用是控制链式反应速度，C错误。核废料具有很强的放射性，因此要装入特制容器深埋地下，D正确。二、非选择题11．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。各个核和中子的质量如下：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解析根据反应前后质量数守恒、电荷数守恒就可以写出核反应方程。根据核反应前后的质量亏损，用爱因斯坦质能方程就可求出释放的核能。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。12．现有的核电站比较广泛采用的核反应之一是：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)核反应方程中的eq\x\to(ν)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235.0493u，中子质量为1.0087u，钕(Nd)核质量为142.9098u，锆核质量为89.9047u，电子质量为0.00055u；又知1u＝1.6605×10－27kg，试计算1kg铀235完全裂变大约能产生的能量是多少？答案(1)40'90'(2)8.16×1013J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eq\o\al(90,40)Zr表示。(2)1kg铀235的铀核数为n＝eq\f(1000,235)×6.02×1023≈2.56×1024(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Δm＝0.2130u≈0.354×10－27kg。1kg铀235完全裂变产生的能量约为E＝nΔmc2≈8.16×1013J。13．某核电站发电能力为5×105kW，用eq\o\al(235,92)U作为核燃料，已知eq\o\al(235,92)U核裂变主要是按如下方程进行的：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，已知mU＝235.0439u，mn＝1.0087u，mBa＝140.9139u，mKr＝91.8973u，且1u质量对应的能量为931.5MeV。设释放的核能全部转化为电能，则该电站每天消耗多少eq\o\al(235,92)U?答案524g解析裂变前：m0＝(235.0439＋1.0087)u＝236．0526u裂变后：m′＝(140.9139＋91.8973＋3×1.0087)u＝235.8373u。则质量亏损为：Δm＝m0－m′＝0.2153u；释放能量为：ΔE＝0.2153×931.5MeV≈201MeV设需要eq\o\al(235,92)U的质量为m，则由能量守恒可得：eq\f(m,235)×NA×ΔE＝Pt得：m＝eq\f(235×Pt,NAΔE)＝eq\f(235×5×108×24×3600,6.02×1023×201×106×1.6×10－19)g≈524g。14．在所有能源中，核能具有能量密度大、区域适应性强的优势，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)核反应方程式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是反应堆中发生的许多核反应中的一种，eq\o\al(1,0)n为中子，X为待求粒子，a为待求粒子的个数，则X为________，a＝________。以mU、mBa、mKr分别表示eq\o\al(235,92)U、eq\o\al(141,56)Ba、eq\o\al(92,36)Kr的质量，mn、mp分别表示中子、质子的质量，c为光在真空中传播的速度，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全是本题(1)中的核反应，每次核反应过程中放出的核能ΔE＝3.22×10－11J，铀核的质量mU＝390×10－27kg，求每年(1年＝3.15×107s)消耗eq\a\vs4\al(\o\al(235,92)U)的质量。答案(1)eq\o\al(1,0)n'3(mU－mBa－mKr－2mn)c2(2)955.5kg解析(1)由裂变方程可知，aX的质量数为3，电荷数为0，故X为eq\o\al(1,0)n，a为3，释放的能量为ΔE＝(mU－mBa－mKr－2mn)c2。(2)因核电站发电效率为40%，故eq\