高中物理人教版 (新课标)选修3选修3-5第十九章 原子核6 核裂变练习题

第十九章　第六节

基础夯实

一、选择题(1～3题为单选题，4～6题为多选题)

1．(汕头2014～2015学年高二下学期检测)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

答案：C

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数守恒和电荷数守恒。由题意可知

　则

由此判定该核反应放出的一定是中子，且个数是10，C选项正确。

2．(南昌2014～2015学年高二下学期检测)中国承诺到2020年碳排放量下降40%～45%。为了实现负责任大国的承诺，我国将新建核电站项目。目前关于核电站获取核能的基本核反应方程可能是(　　)

A．U＋n―→Sr＋Xe＋10n

B．Na―→Mg＋e

C．N＋He―→O＋H

D．U―→Th＋He

答案：A

解析：重核的裂变是指质量数较大的原子核分裂成两个中等质量的原子核，A是裂变反应，A正确；B为β衰变，C是发现质子的反应，D是α衰变。

3．(济南市部分重点高中2014～2015学年高二下学期联考)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U＋n―→Ba＋Kr＋n

B．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：U＋n―→Ba＋Kr＋3n，选项A不正确；铀核裂变过程中产生γ射线，放出能量，发生质量亏损，释放的能量根据爱因斯坦的质能方程计算，选项B、C不正确；核反应中产生的γ射线，穿透能力极强，是能量极高的光子，选项D正确。

4．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

答案：BC

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，铀235受中子的轰击时，裂变的概率大，且可以俘获各种能量的中子而引起裂变，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，须使铀块体积超过临界体积。故上述选项B、C正确。

5．关于原子核反应堆，下列说法正确的是(　　)

A．铀棒是核燃料，裂变时释放核能

B．镉棒的作用是控制反应堆的功率

C．石墨的作用是吸收中子

D．冷却剂的作用是控制反应堆的温度和输出热能

答案：ABD

解析：铀棒是核燃料，裂变时可放出能量，A正确。镉棒吸收中子的能力很强，作用是调节中子数目以控制反应速度，即控制反应堆功率，B正确。慢中子最容易引发核裂变，所以在快中子碰到铀棒前要进行减速，石墨的作用是使中子减速，C错误。水或液态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，同时也使反应堆冷却，控制温度，D正确。

6．(重庆一中2015～2016学年高二下学期期中)下列说法正确的是(　　)

A．卢瑟福通过实验发现了质子的核反应方程为He＋N→O＋H

B．铀核裂变的核反应是U→Ba＋Kr＋2n

C．已知质子、中子、α粒子的质量分别为m1、m2、m3，那么，2个质子和2个中子结合成一个α粒子，释放的能量是(2m1＋2m2－m3)c2

D．铀(U)经过多次α、β衰变形成稳定的铅(Pb)的过程中，有4个中子转变成质子

答案：AC

解析：根据物理学史知选项A正确；铀核裂变必须吸收慢中子，B错误；根据爱因斯坦质能方程，知C正确；U→Pb＋8He＋6e，有6个中子转变或原子，故D错误。

二、非选择题

7．2015年9月3日，是我国纪念抗日战争和世界反法西斯战争胜利70周年。1945年7月，为了加速日本军国主义的灭亡，促使日本早日无条件投降，美国在日本的广岛、长崎投下了两枚原子弹。落在日本广岛的原子弹，其爆炸力相当于2×104t TNT爆炸的能量(约8.4×1013J)，由此可知该原子弹中铀235的质量是多少千克？(已知裂变的核反应方程U＋n→Ba＋Kr＋3n＋201 MeV，阿伏加德罗常数NA＝6.02×1023)

答案：1.02kg

解析：由核反应方程知，一个铀核裂变能放出201MeV的能量，1mol铀核裂变放出的能量为ΔE1＝6.02×1023×201MeV＝1.936×1013J,1 mol铀核的质量为0.235kg，则原子弹中铀核的质量为m＝×0.235kg＝×0.235kg＝1.02kg。

能力提升

一、选择题(1、2题为单选题，3、4题为多选题)

1．(枣庄2014～2015学年高二下学期检测)2020年以前我国将新增投产2300万千瓦的核电站，核电站与火电站相比较，下列说法错误的是(　　)

A．核燃料释放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大于煤炭

C．在经济效益方面核电与火电不相上下

D．核反应堆用过的核废料具有很强的辐射性，要做特殊处理

答案：B

解析：核燃料释放的能量远大于相等质量的煤放出的能量A项正确；就可采储量所提供的能量来说，远大于煤炭所能提供的能量，而不是采储量，B项错；在经济效益方面核电与火电不相上下，C项正确；核电站是有污染的，核反应堆用过的核废料具有很强的辐射性，要做特殊处理，D正确。

2．我国秦山核电站第三期工程中有两个60万千瓦的发电机组，发电站的核能来源于U的裂变，现有四种说法：

①U原子核中有92个质子，143个中子；

②U的一种可能裂变是变成两个中等质量的原子核，反应方程为U＋n→Xe＋Sr＋2n；

③U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；

④一个U裂变能放出200MeV的能量，合3.2×10－11J。

以个说法中完全正确的是(　　)

A．①②③ B．②③④

C．①③④ D．①②④

答案：D

解析：由U的质量数和电荷数关系易知①正确；由核反应方程中电荷数守恒和质量数守恒知②正确；半衰期不受外界因素干扰，故③错误；通过计算知④正确，故答案为D。

3．下面是铀核裂变反应中的一个：U＋n―→Xe＋Sr＋10n

已知铀235的质量为235.043 9u，中子质量为1.008 7u，锶90的质量为89.907 7 u，氙136的质量为135.907 2u，则此核反应中(　　)

A．质量亏损为Δm＝235.043 9u＋1.008 7u－89.907 7 u－135.907 2u

B．质量亏损为Δm＝(235.043 9＋1.008 7－89.907 7－135.907 2－10×1.0087)u

C．释放的总能量为ΔE＝(235.043 9＋1.008 7－89.907 7－135.907 2－10×1.0087)×(3×108)2J

D．释放的总能量为ΔE＝(235.043 9＋1.008 7－89.907 7－135.907 2－10×1.0087)×931.5MeV

答案：BD

解析：计算亏损质量时要用反应前的总质量减去反应后的总质量，二者之差可用“u”或“kg”作单位，故A错，B对；质量单位为“u”时，可直接用“1u的亏损放出能量931.5MeV”计算总能量，故D对，当质量单位为“kg”时直接乘以(3.0×108)2，总能量单位才是焦耳，故C错。

4．(清远市2013～2014学年高二下学期期末)2011年3月由9.0级地震引发的海啸摧毁了日本福岛第一核电站的冷却系统，导致大量I泄露在大气中，I是一种放射性物质，会发生β衰变而变成Xe元素。下列说法中正确的是(　　)

A．福岛第一核电站是利用原子核衰变时释放的核能来发电

B．I发生β衰变的方程式为I→Xe＋e

C．I原子核内有53个质子，78个中子

D．如果将碘131的温度降低到0度以下，可以延缓其衰变速度

答案：BC

解析：核电站是利用核裂变来发电，A错；根据原子核的结构和方程式书写规则可判BC正确；衰变与物质所处的物理、化学状态无关，D错。

二、非选择题

5．在各种能源中，核能具有能量密度大、地区适宜性强的优势，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。

核反应方程U＋n―→Ba＋Kr＋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＝________，a＝________，以mU、mBa、mKr分别表示U、Ba、Kr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ΔE＝________。

答案：n　3　Δmc2＝(mU－mBa－mKr－2mn)c2

解析：铀235裂变除生成Ba、Kr外，还产生适当数目的中子，即式中的X为中子，由电荷数和质量数守恒得产生的中子的个数为a＝235＋1－141－92＝3。反应过程中的质量亏损Δm＝mU＋mn－mBa－mKr－3mn＝mU－mBa－mKr－2mn，故核能ΔE＝Δmc2＝(mU－mBa－mKr－2mn)c2

6．(湖北省部分重点中学2015～2016学年高二下学期期中)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，释放出大量的核能。

(1)核反应方程U＋n→Ba＋Kr＋aX是反应堆中发生的许多核反应中的一种，则a的值为多少，X表示哪一种核？

(2)上述反应中，分别用mU、mB、mK表示U、Ba、Kr的质量，用mn和mp表示中子和质子的质量，则该反应过程中释放的核能为多少？

(3)有一座核能发电站，发电能力P＝1×106kW，核能转化为电能的效率η＝45%，设反应堆中发生的裂变反应全是(1)中的核反应，已知每次核反应过程中放出的核能ΔE＝2.78×10－11J，铀核的质量mU＝3.9×10－25kg，求每年需要消耗的铀的质量。(结果保留2位有效数字)

答案：(1)3　中子　(2)(mU－mB－mk－2mn)c2　

(3)0.98t

解析：(1)根据质量数和核电荷数守恒可得：

X的电荷数为0，质量数为1，X为中子，a＝3。

(2)反应过程中质量亏损为Δm＝mU－mB－mK－2mn，

根据质能方程：ΔE＝Δmc2，

可得该反应过程中释放的核能：

ΔE＝(mU－mB－mK－2mn)c2；

(3)该核能发电站一年发出的电能为：W1＝Pt＝1×109×365×24×3600J＝3.1536×1016J

需要核反应产生的能量为：W＝＝7.008×1016J

这么多核能需要燃烧的铀核质量为m＝

代入数据，解得：m＝980kg＝0.98t