山东省章丘中学2019-2020学年高中物理鲁科版选修3-5：4.2核裂变 课时作业（含解析）

4.2核裂变
1．典型的铀核裂变时生成钡和氮，同时放出x个中子：，铀235质量为m1，中子质量为m2，钡144质量为m3，氪89的质量为m4，下列说法正确的是（ ）
A．该核反应类型属于人工转变
B．该反应放出能量（m1－2m2－m3－m4）c2
C．x的值是2
D．该核反应比聚变反应对环境的污染少
2．当两个中子和两个质子结合成一个粒子时，放出的能量，当三个粒子结合成一个碳核时，放出的能量，则当6个中子和6个质子结合成一个碳核时，释放的能量为（ ）
A． B．
C． D．
3．一种典型的铀核裂变是生成钡和氪，同时放出3个中子，核反应方程是可表示为，已知部分原子核的比结合能与核子数的关系如图所示，下列说法正确的是（　　）
A．核反应方程中，X粒子是正电子
B．核反应方程中，X粒子是质子
C．、和相比，核的比结合能最大，它最稳定
D．、和相比，核的核子数最多，它的结合能最大
4．一个铀235吸收一个中子后的核反应方程是，放出的能量为，铀235核的质量为，中子的质量为，氙136核的质量为，锶90核的质量为，真空中光速为，则释放的能量等于（ ）
A．
B．
C．
D．
5．关于重核裂变，下列说法正确的是（ ）
A．重核裂变成中等核要吸收能量
B．中子进入铀块中时，一定能发生链式反应
C．重核裂变过程中质量数减少
D．较重的核分裂成中等大小的核，核子的平均结合能会增加，可以释放出核能
6．下列说法中正确的是（ ）
A．爱因斯坦质能方程反映了物体的质量就是能量，它们之间可以相互转化
B．由可知物体的能量与其质量之间的关系
C．核反应中发现的“质量亏损”是消失的质量转变成了能量
D．因为核反应中能产生能量，且有质量的转化，所以系统只有质量数守恒，系统的总能量和总质量并不守恒
7．根据《中国核电中长期发展规划》，到2020年，全国在运核电规划装机容量达到5800万千瓦。关于核反应和核能下列说法正确的是
A．所有的核反应过程都会出现质量亏损，因此都会向外释放能量
B．核反应属于α衰变
C．钚的半衰期为24100年，8个钚原子经过24100年后还一定剩余4个
D．裂变反应堆中，镉棒的作用是吸收中子，控制反应速度
8．对公式的正确理解是（ ）
A．如果物体的能量减少了，它的质量也一定相应减少
B．如果物体的质量增加了，它的能量也一定相应增加
C．是某原子核在衰变过程中增加的质量
D．在把核子结合成原子核时，若放出的能量是，则这些核子与组成的原子核的质量之差就是
9．日本福岛第一核电站在地震后，数秒内就将控制棒插入核反应堆芯，终止了铀的裂变链式反应。但海啸摧毁了机组的冷却系统，因裂变遗留的产物铯、钡等继续衰变不断释放能量，核燃料棒温度不断上升，对周边环境产生了巨大的危害。则下列说法正确的是（ ）
A．控制棒通过吸收中子来实现对核反应的控制
B．日本后来向反应堆灌注海水，可以降温，但大量被污染的海水外泄，对周边环境产生了巨大的危害
C．核裂变遗留物铯、钡等原子的质量可能比铀原子质量大
D．核泄漏中放射性物质对人类是有害的
10．一个质子和一个中子结合成氘核，同时放出光子，核反应方程是，以下说法中正确的是（ ）
A．反应后氘核的质量一定小于反应前质子和中子的质量之和
B．反应前后的质量数不变，因而质量不变
C．光子的能量为，为反应中的质量亏损，为光在真空中的速度
D．因存在质量亏损，所以“物质不灭”的说法不正确
11．一个速率为v的正电子与一相等速率的电子相向正碰， 产生两个光子，此过程中电子的动能和质量亏损对应的能量全部转化为光子的能量。已知电子质量为m，光速为c，则产生光了的波长为_____动量为_____。
12．我国科学家因中微子项目研究获2016基础物理学突破奖．中微子是一种静止质量很小的不带电粒子，科学家在1953年找到了中微子存在的直接证据：把含氢物质置于预计有很强反中微子流（反中微子用表示）的反应堆内，将会发生如下反应 ，实验找到了与此反应相符的中子和正电子．若反中微子能量是E0，则反中微子质量=______________，该物质波的频率v =______________．（普朗克常量为h，真空中光速为c）
13．1930年，科学家们在真空条件下用射线轰击（）时，会产生一种看不见、贯穿能力很强且不知名的射线和另一种粒子.经过研究发现，这种不知名的射线具有如下的特点：①在任意方向的磁场中均不发生偏转；②这种射线的速度小于光速的十分之一.（其中粒子质量为m1、铍核质量为m2、不知名射线粒子质量为m3、另一种粒子质量为m4）
（1）试写出射线轰击铍核的核反应方程；
（2）试计算上述核反应过程中所释放的能量.
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成电能，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）核反应方程是反应堆中发生的许多核反应中的一种，则的值为多大，X表示哪一种核？
（2）上述反应中，分别用mU、mB、mK表示、、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，设反应堆中发生的裂变全是（1）中的核反应，已知每次核反应中放出的核能E1=2.78×10-11J，铀核的质量mU=3.9×10-25kg，求每年（365天）需要消耗的铀的质量.（结果保留两位有效数字）
参考答案
1．B
【解析】
A.该核反应是核裂变，可以自发进行，不是人工控制的，故A不符合题意；
B.根据质量数守恒，有：235＋1=144＋89＋x。解得x=3，根据爱因斯坦质能方程，该反应放出能量为
ΔE=Δmc2=（m1＋m2－m3－m4－3m2）c2=（m1－m3－m4－2m2）c2
B符合题意，C不符合题意；
D.该核反应生成两种放射性元素，核污染较大，D不符合题意.
2．C
【解析】
设中子的质量为，质子的质量为，α粒子的质量为，碳原子核的质量为，根据质能方程
由各式解得
A. 当6个中子和6个质子结合成一个碳核时，释放的能量为，与计算结果不一致，故选项A不合题意；
B. 当6个中子和6个质子结合成一个碳核时，释放的能量为，与计算结果不一致，故选项B不合题意；
C. 当6个中子和6个质子结合成一个碳核时，释放的能量为，与计算结果一致，故选项C符合题意；
D. 当6个中子和6个质子结合成一个碳核时，释放的能量为，与计算结果不一致，故选项D不合题意；
3．D
【解析】
A、B．根据电荷数守恒、质量数守恒可知，X的电荷数为0，质量数为1，X为中子，A、B错误；
C．由图可知，在附近原子核的比结合能最大，然后随核子数的增大，比结合能减小，、和相比，核的比结合能最大、最稳定，C错误；
D．、和相比，核的核子数最多，它的结合能最大，D正确；
故选D。
4．C
【解析】
铀235裂变时的质量亏损：。由质能方程可得。
A. ，与结论不相符，选项A不符合题意；
B. ，与结论不相符，选项B不符合题意；
C. ，与结论相符，选项C符合题意；
D. ，与结论不相符，选项D不符合题意；
5．D
【解析】
AD.中等大小的原子核的平均结合能最大，这些核最稳定。如果使较重的核分裂成中等大小的核，核子的平均结合能会增加，可以释放出能量，由此知A不符合题意，D符合题意。
B.当一个中子引起一个铀核的裂变后，放出中子，放出的中子如果能引起其他铀核裂变，链式反应才能进行，B不符合题意。
C.核反应满足电荷数守恒和质量数守恒，C不符合题意。
6．B
【解析】
AB.质能方程说明了能量和质量间存在正比的关系，并不是说明了质量和能量存在相互转化的关系，A错误，B正确
C.核反应过程中质量没有消失，只是由静止的质量变成运动的质量， C错误
D.在核反应中，系统的总能量和总质量也是守恒的，只是在核反应前后能量存在的形式不同，总能量不变，在核反应前后物质由静质量变为了动质量，D错误
7．BD
【解析】
A．不是的所有的核反应都有质量亏损，例如弹性散射就没有质量亏损，而常见的核反应例如天然放射现象、核裂变、核聚变等只要存在能量的释放，那么就意味着体系发生了质量亏损。A错误
B．α衰变是指衰变产生α粒子，B正确
C．经过一个半衰期未发生衰变的质量为原来的一半，遵循统计规律，不是原子数目减为原来的一半，C错误
D．裂变反应堆中，镉棒的作用是吸收中子，控制反应速度，D正确
8．ABD
【解析】
A.一定的质量对应一定的能量，物体的能量减少了，它的质量也一定相应减少，即发生质量亏损为，故选项A符合题意；
B.如果物体的质量增加了，它的能量也一定相应增加，故选项B符合题意；
C.某原子核在衰变过程中时，一定发生质量亏损，故选项C不合题意；
D. 在把核子结合成原子核时，若放出的能量是，则这些核子与组成的原子核的质量之差就是，即发生质量亏损为，故选项D符合题意。
9．ABD
【解析】
A.控制棒通过吸收中子来实现对核反应速度的控制，选项A符合题意；
BD.日本后来向反应堆灌注海水，大量被污染的海水外泄，泄漏的放射性物质对周边环境产生了巨大的危害，选项B、D符合题意；
C.因为核反应有能量释放，可知铯、钡等原子的质量比铀原子质量小，故C不符合题意；
10．AC
【解析】
AB.核反应中质量数与电荷数及能量均守恒，由于反应中要释放核能，会出现质量亏损，反应中氘核的质量一定小于反应前质子和中子的质量之和，所以质量不守恒，但质量数不变，故A正确，B错误；
C.能量守恒，释放的能量会以光子的形式向外释放，根据爱因斯坦质能方程可知，光子的能量为，为反应中的质量亏损，为光在真空中的速度，故C正确；
D. 尽管存在质量亏损，但核反应中的“质量亏损”并不是质量消失，所以“物质不灭”的说法仍是正确的，故D错误。
11．
【解析】
反应后生成的一对光子的总能量为： ，则
由可得
12．
【解析】
反中微子能量是，根据爱因斯坦质能方程，有：；
解得：；
根据普朗克能量子方程，有，解得；
13．（1） （2）[(m1+m2)－(m3+m4)]c2
【解析】
（1）由题意知，射线在磁场中不偏转说明粒子不带电，速度小于光速的十分之一说明粒子不是射线，因此射线为中子，核反应方程为.
（2）该核反应质量亏损为Δm=(m1+m2)－(m3+m4)，所释放的能量为ΔE=Δmc2=[(m1+m2)－(m3+m4)]c2
14．（1）3中子 （2）(mU－mB－mK－2mn)c2 （3）9.8×102kg
【解析】
(1)根据质量数和电荷数守恒可得aX的电荷数为0，质量数为3，知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E=Δmc2，
可得该反应过程中释放的核能E=(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，
这么多核能需要消耗的铀核质量为，
代入数据，解得m=9.8×102kg.