学业分层测评(十七)
(建议用时：45分钟)
[学业达标]
1．(多选)当一个重核裂变时，它所产生的两个核( )
A．含有的质子数较裂变前重核的质子数不变
B．含有的中子数较裂变前重核的中子数不变
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
【解析】由于在裂变反应中吸收一个中子而释放2～3个中子，质子数并没有发生变化，而两个新核的中子数减少，故选项A正确，B错误；反应后质量发生了亏损而释放能量，并不等于俘获中子时得到的能量，在裂变反应中，产物并不是唯一的，而是多种多样的，故选项D正确，选项C错误．
【答案】AD
2．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．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释放核能的原理分析可知，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．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．在裂变反应中质量数、电荷数均守恒；即核子数守恒，所以核子数是不会减小的，因此选项A、B、C错误；重核裂变为中等质量的原子核时，发生质量亏损，从而释放出核能，选项D正确．
【答案】D
3．下列核反应中，表示核裂变的是( )
A.U→Th＋He
B.C→N＋e
C.U＋n→Ba＋Kr＋3n
D.Be＋He→6C＋n
【解析】U→Th＋He是α衰变，C→N＋e是β衰变，Be＋He→6C＋n是人工转变，只有C选项是重核裂变．故选C.
【答案】C
4．(多选)关于铀核裂变，下列说法正确的是( )
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】铀核裂变的产物是多种多样的，具有极大的偶然性，但裂变成两个核的情况较多，也会分裂成多个核，并放出几个中子．铀235被中子轰击时，裂变的概率大，且可以俘获各种能量的中子引起裂变，而铀238只有俘获能量在1 MeV以上的中子才能发生裂变，且裂变的几率小，而要引起链式反应，必须使铀块的体积大于临界体积．故选项B、C正确，A、D错误．
【答案】BC
5．(多选)2020年以前我国将新增投产2 300万千瓦的核电站，核电站与火电站相比较，下列说法正确的是( )
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．核电站没有任何污染
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
【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，核燃料提供的能量远大于煤炭所能提供的能量，而不是采储量，B项错误；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，C项错误，D项正确．
【答案】AD
6．(多选)我国秦山核电站第三期工程中有两组60万千瓦的发电机组，发电站的核能来源于U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
B.U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
C.U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．一个U裂变能放出200 MeV的能量，合3.2×10－11 J
【解析】由U的质量数和电荷数关系易知A正确；由核反应方程中电荷数守恒和质量数守恒知B正确；半衰期不受外界因素干扰，故C错误；因为200 MeV＝200×106×1.6×10－19 J＝3.2×10－11 J，所以D正确．
【答案】ABD
7．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 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，则此核反应中质量亏损Δm＝________u，释放的核能ΔE＝________MeV.
【解析】质量亏损Δm＝235.0439 u＋1.0087 u－135.9072 u－89.9077 u－10×1.0087 u＝0.1507 u
由ΔE＝Δmc2可求得释放的核能ΔE＝0.1507 uc2＝0.1507×931.5 MeV＝140.3771 MeV.
【答案】0.1507140.3771
8．落在日本广岛上的原子弹，相当于2万吨TNT炸药放出的能量．原子弹放出的能量约8.4×1013 J，试问有多少个U原子核进行分裂？该原子弹中含U的质量最小限度为多少千克？(一个U原子核分裂时所产生的能量约为200 MeV)
【解析】一个U原子核分裂时所产生的能量约为200 MeV＝200×106 eV＝2.0×108×1.6×10－19 J＝3.2×10－11 J.
设共有n个U核发生裂变：n＝个≈2.6×1024个，铀的质量m＝235×10－3×kg≈1.015 kg.
【答案】2.6×1024个1.015 kg
[能力提升]
9．人们发现，不同的原子核，其核子的平均质量(原子核的质量除以核子数)与原子序数有如图5-2-1所示的关系．下列关于原子结构和核反应的说法正确的是( )
图5-2-1
A．由图可知，原子核D和E聚变成原子核F时会有质量亏损，要吸收能量
B．由图可知，原子核A裂变成原子核B和C时会有质量亏损，要放出核能
C．已知原子核A裂变成原子核B和C时放出的γ射线能使某金属板逸出光电子，若增加γ射线强度，则逸出光电子的最大初动能增大
D．慢化剂的作用是使快中子减速成慢中子，不便于U-235吸收
【解析】原子核D和E的核子平均质量大，结合成原子核F时存在质量亏损，要释放能量，A错误；原子核A的核子平均质量大，裂变成原子核B和C时质量亏损，要放出核能，B正确；入射光使某金属发生光电效应，光电子的最大初动能由入射光的频率决定，与其强度无关，C错误；在核反应堆中，慢化剂的作用就是使快中子减速变为慢中子，便于U-235吸收，故D错误．
【答案】B
10．1个铀235吸收1个中子发生核反应时，大约放出196 MeV的能量，则1 g纯铀235完全发生核反应放出的能量为(NA为阿伏伽德罗常数)( )
A．NA×196 MeV B．235NA×196 MeV
C．235×196 MeV D.×196 MeV
【解析】由于1 mol的铀核质量为235 g,1 g铀235的摩尔数为，因此1 g铀235释放的能量E＝×196 MeV，故选项D正确．
【答案】D
11.U受中子轰击时会发生裂变，产生Ba和Kr，同时放出200 MeV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的质量为多少？(阿伏加德罗常数取6.02×1023 mol－1)
【解析】每天发电的总量
E＝24×3.6×103×5×108 J＝4.32×1013 J.
要得到这么多能量需要裂变的铀原子数目n＝＝1.35×1024(个)．
则对应的质量
m＝·μ＝×235×10－3 kg＝0.527 kg.
【答案】0.527 kg
12．在所有能源中，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)核反应方程式92U＋n―→56Ba＋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为________，a＝________.以mU、mBa、mKr分别表示92U、56Ba、Kr核的质量，mn、mp分别表示中子、质子的质量，c为光在真空中传播的速度，则在上述核反应过程中放出的核能ΔE是多少？
(2)有一座发电能力为P＝1.00×106 kW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，已知每次核反应过程放出的核能ΔE＝2.78×10－11 J，核的质量mU＝390×10－27 kg，求每年(1年＝3.15×107 s)消耗的92U的质量．
【解析】(1)由反应方程可知：X为n，a为3，释放的能量为
ΔE＝(mU－mBa－mKr－2mn)c2.
(2)因电站发电效率为40%，故电站消耗U的功率为P′＝＝ kW＝2.5×106 kW，
电站每年消耗235U的能量为W＝Pt＝2.5×109×3.15×107 J＝7.875×1016 J.
每年消耗U的质量为
M＝mU＝ kg＝1 105 kg.
【答案】(1)n3(mU－mBa－mKr－2mn)c2
(2)1 105 kg
5.2裂变及其应用
学 习 目 标
知 识 脉 络
1.知道核裂变的概念，知道重核裂变中能释放出巨大的能量．(重点)
2.知道什么是链式反应．(重点)
3.会计算重核裂变过程中释放出的能量．(重点)
4.知道什么是核反应堆．了解常用裂变反应堆的类型．(难点)
铀核的裂变链式反应
1．铀核的裂变
(1)发现
重核裂变是在20世纪30年代末期用中子轰击铀核时发现的．
(2)原理
中子打进铀－235核，使该核变成处于激发状态的复核，并分裂成质量差不多的两部分，同时放出几个中子．
(3)产物
铀核裂变的产物是多种多样的，一般分裂为中等质量的两部分，但也有三分裂、四分裂现象．产物不同，释放的能量和中子数也不尽相同．
(4)裂变能
核裂变释放的能量，也称核能或原子能．
2．链式反应
(1)定义：当一个中子引起一个铀核的裂变后，放出中子，放出的中子再引起其他铀核裂变，且能不断的继续下去，称为链式反应．
(2)临界体积：能够发生链式反应的铀块的最小体积．
1．原子核释放粒子的过程也是核裂变的过程．(×)
2．用中子轰击重核使之分裂实现核裂变．(√)
3．利用不可控的快中子轰击超过临界体积的铀块产生链式反应制成原子弹．(√)
重核裂变反应是否满足电荷数守恒？是否满足质量数守恒？
【提示】重核裂变反应属于核反应，满足电荷数守恒，质量数守恒．
1．铀核的裂变和裂变方程
(1)核子受激发：当中子进入铀235后，便形成了处于激发状态的复核，复核中由于核子的激烈运动，使核变成不规则的形状．
(2)核子分裂：核子间的距离增大，因而核力迅速减弱，使得原子核由于质子间的斥力作用而分裂成几块，同时放出2或3个中子，这些中子又引起其他铀核裂变，这样，裂变就会不断地进行下去，释放出越来越多的核能．
(3)常见的裂变方程：
①u＋n―→Xe＋Sr＋2n.
②u＋n―→Ba＋Kr＋3n.
2．链式反应的条件
(1)有足够数量的慢中子轰击．
(2)铀块的体积大于临界体积，或铀块的质量大于临界质量．
以上两个条件满足一个，则另一个条件自动满足．
3．裂变反应的能量：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200 MeV估算，1 kg铀235全部裂变放出的能量相当于2 800 t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．
4．铀的同位素中铀235比铀238更易发生链式反应
在天然铀中，主要有两种同位素，99.3%的是铀238，0.7%的是铀235，中子能引起这两种铀核发生裂变，但它们和中子发生作用的情况不同．
(1)铀235：俘获各种能量的中子都会发生裂变，且俘获低能量的中子发生裂变的概率大．
(2)铀238：只有俘获能量大于1 MeV的中子才能发生裂变，且裂变的几率小．能量低于1 MeV的中子只与铀核发生弹性碰撞，不引起裂变．因此，为了使链式反应容易发生，最好利用纯铀235.
1．关于重核的裂变，以下说法正确的是( )
A．铀核裂变在自然界中会自发地产生
B．重核裂变释放出大量能量，产生明显的质量亏损，所以核子数要减少
C．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
D．美国扔在广岛的第一颗原子弹‘小男孩’是用铀238制成的，之所以用铀238，是因其容易发生链式反应
【解析】根据重核发生裂变的条件和裂变释放能量的原理分析可知，裂变时因铀核俘获中子发生核反应，是核能转化为其他形式能的过程，因而释放的能量远大于其俘获中子时吸收的能量；重核裂变只能发生在人为核反应中；在裂变反应中核子数是不会减少的，因此A、B错误．重核裂变为中等质量的原子核时，由于平均质量减小，必然发生质量亏损，从而释放出核能，所以C正确．铀235比铀238易于发生链式反应，可以短时间内放出巨大的核能，因此用铀235制作原子弹而不用铀238，故D错误．
【答案】C
2．(多选)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＋3n
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可以用爱因斯坦的光电效应方程来计算
D．实验中产生的γ射线穿透能力极强
【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错误；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．
【答案】AD
3．铀是常用的一种核燃料，若它的原子核发生了如下的裂变反应：U＋n→Xe＋Sr＋2n，则A＝_____________________________，Z＝________.
【解析】根据核反应中的质量数、电荷数守恒可知，A＝94，Z＝38.
【答案】9438
对重核裂变的两点理解
(1)重核裂变是中子轰击质量数较大的原子核，使之分裂成中等质量的原子核，同时释放大量的能量，放出更多的中子的过程．
(2)重核的裂变是放能核反应，原因是核反应前后质量有亏损，根本原因是重核的比结合能相比中等质量的核的比结合能要小．所以在重核分解为两个中等质量核的过程中要释放能量，而且释放的能量远大于它俘获中子时得到的能量．
裂 变 反 应 堆
1．基本结构
(1)裂变材料：一般用浓缩铀(铀－235占3%－4%)，通常做成棒状，置于反应堆的中心部分．
(2)慢化剂(减速剂)：通常用石墨、重水或普通水，使快中子减速成慢中子，便于铀－235吸收．
(3)控制棒：用镉或硼钢制成，用来吸收减速后的中子，控制反应强度．
(4)反射层：一般用石墨做材料，安放在反应堆周围，阻止中子逃逸．
(5)热交换器：利用水循环，产生高温高压的蒸汽，从而推动蒸汽轮机，带动发电机发电．
(6)防护层：防止射线对人体及其他生物体的侵害，由金属套、防止中子外逸的水层以及1～2_m厚 的钢筋混凝土构成．
2．裂变反应堆的常见类型
(1)重水堆：采用重水做慢化剂的反应堆．优点是中子利用率高，可用天然铀做反应堆燃料．缺点是重水昂贵，设备要求高，投资增加．
(2)高温气冷堆：采用石墨为慢化剂，氦为冷却剂．技术上还不成熟，它具有高效率、高安全性，对环境污染小等优点，有着综合利用的广阔前景．
(3)快中子增殖反应堆：又叫快堆，它是以铀－235为主要裂变材料，其最大特点是可以合理利用有限的铀资源，使核燃料越“烧”越多，能够将天然铀资源的利用率由1%～2%提高到60%～70%.
1．控制棒是通过吸收中子多少来控制链式反应速度的．(√)
2．核裂变释放的大量核能是通过在反应堆外循环流动的液体传输出去的．(√)
3．链式反应一旦形成无法进行人工控制．(×)
1．核反应堆中的控制棒是由什么制成的？控制棒起什么作用？
【提示】控制棒由镉或硼钢制成，镉吸收中子的能力很强，在铀棒之间插进一些镉或硼钢棒，可以控制链式反应的速度．
2．慢化剂的作用是什么？是为了减慢裂变速度吗？
【提示】慢化剂的作用是使快中子减速，以便于中子与铀核作用发生链式反应，不是为了减慢裂变速度，而是为了提高中子的利用率．
1．核反应堆的组成
核反应堆由堆芯、中子反射层、控制系统和防护层等部分组成．其中控制棒用能吸收慢中子的镉或硼钢制成，以控制链式反应的速度．之所以把它叫做“堆”，是因为世界上第一个核反应堆是用石墨块(用以控制反应速度)和金属铀块(反应燃料)一层一层交替地“堆”起来而构成的．
2．核反应堆与原子弹爆炸的比较
原子弹爆炸时链式反应的速度是无法控制的，为了用人工方法控制链式反应的速度，使核能比较平缓地释放出来，人们制成了核反应堆(核电站的核心设施)．核反应堆是人工控制链式反应的装置．
3．核电站发电的主要原理
核燃料裂变释放的能量使反应区温度升高．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．反应堆放出的热使水变成水蒸气，这些高温高压的蒸汽推动汽轮发电机发电．这一部分的工作原理和火力发电相同．
4．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
【解析】镉棒不是离子源不会释放中子，A错误，也不是减速剂，不能使快中子变为慢中子，B、D错误，镉棒对中子有吸收作用，通过中子强度检测器检测，当反应太强，镉棒能自动插入，多吸收中子，反之，自动抽出，少吸收中子，故镉棒也叫控制棒，C正确．
【答案】C
5．(多选)关于原子核反应堆，下面哪种说法是正确的( )
A．镉棒是核燃料，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量
【解析】核燃料即为用浓缩铀制成的铀棒，铀棒裂变时释放核能；镉棒具有很强的吸收慢中子的能力，通过控制镉棒插入的深度来控制链式反应的速度，即可控制反应堆的功率；石墨的作用是使裂变产生的快中子减速成为慢中子；冷却剂的作用是控制反应堆的温度和输出热量．则B、D正确，A、C错误．
【答案】BD
6．现有的核电站比较广泛采用的核反应之一是：U＋n→Nd＋Zr＋3n＋8e＋ν
(1)核反应方程中的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235.049 3 u，中子质量为1.008 7 u，钕(Nd)核质量为142.909 8 u，锆核质量为89.904 7 u．又知1 u＝1.660 6×10－27 kg，试计算，1 kg铀235大约能产生的能量是多少？
【解析】(1)根据电荷数和质量数守恒，可得
Zr的电荷数Z＝92－60＋8＝40
质量数A＝236－143－3×1＝90.
(2)方法一：质量亏损
Δm＝(mU＋mn)－(mNd＋mZr＋3mn)＝0.217 4 u.
一个铀核裂变释放能量
ΔE＝Δm×931.5 MeV
＝0.217 4×931.5 MeV≈202.5 MeV
1 kg铀核含有的原子核数为
n＝×6.02×1023个≈2.562×1024个
1 kg铀核产生的能量
E总＝n·ΔE＝2.562×202.5×1024MeV
≈5.2×1026MeV＝5.2×1026×106×1.6×10－19 J
≈8.3×1013 J.
方法二：Δm＝(mU＋mn)－(mNd＋mZr＋3mn)
＝0.217 4 u＝0.217 4×1.660 6×10－27 kg
≈3.6×10－28 kg
ΔE＝Δmc2＝3.6×10－28×(3×108)2 J＝3.24×10－11 J
n＝×6.02×1023个≈2.562×1024个
E总＝nΔE＝2.562×1024×3.24×10－11 J≈8.3×1013 J.
【答案】(1)4090(2)8.3×1013 J
重核裂变核能计算的方法
解答这类问题，一般是先根据核反应方程求出一个重核裂变时发生的质量亏损，由质能方程计算出释放的能量，然后用阿伏加德罗常数把核能与重核质量联系起来；另外，在计算过程中要注意单位的统一．
