（精品講義）原子核5word版含答案2

08/909/9/5核裂變[學習目標]1.知道什么是核裂變.2.知道鏈式反應(yīng)及鏈式反應(yīng)的條件，并能計算裂變釋放的核能.3.了解裂變反應(yīng)堆的工作原理，知道如何控制核反應(yīng)的速度以及如何防止核污染．一、核裂變1．核裂變重核被中子轟擊后分裂成兩個(或幾個)中等質(zhì)量原子核，并放出核能的過程．2．鈾核裂變用中子轟擊鈾核時，鈾核發(fā)生裂變，其產(chǎn)物是多種多樣的，其中一種典型的反應(yīng)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．鏈式反應(yīng)當一個中子引起一個重核裂變后，裂變釋放的中子再引起其他重核裂變，且能不斷繼續(xù)下去，這種反應(yīng)稱為鏈式反應(yīng)．4．鏈式反應(yīng)的條件(1)鈾塊的體積大于等于臨界體積．(2)有足夠數(shù)量的慢中子．二、核電站1．核反應(yīng)堆：利用核能發(fā)電的核心設(shè)施是核反應(yīng)堆．它主要由以下幾部分組成：(1)燃料：鈾棒．(2)減速劑：鈾235容易捕獲慢中子發(fā)生反應(yīng)，可采用石墨、重水、普通水作減速劑．(3)控制棒：為控制能量釋放的速度，需控制中子的數(shù)目，采用鎘棒作為控制棒來控制鏈式反應(yīng)的速度．2．工作原理：核燃料裂變釋放的能量，使反應(yīng)區(qū)溫度升高．3．能量輸出：利用水或液態(tài)的金屬鈉等流體在反應(yīng)堆內(nèi)外循環(huán)流動，把反應(yīng)堆內(nèi)的熱量傳輸出去，用于發(fā)電．4．核污染的處理：在反應(yīng)堆的外面需要修建很厚的水泥層，用來屏蔽裂變反應(yīng)放出的各種射線，核廢料具有很強的放射性，需要裝入特制的容器，深埋地下或海底．[即學即用]1．判斷下列說法的正誤．(1)鈾核的裂變是一種天然放射現(xiàn)象．(×)(2)鈾塊的體積大于或等于臨界體積時鏈式反應(yīng)才能不停地進行下去．(√)(3)中子的速度越快，越容易發(fā)生鈾核裂變．(×)(4)鈾核裂變的產(chǎn)物是鋇和氪，且固定不變．(×)(5)核反應(yīng)堆是通過調(diào)節(jié)中子數(shù)目以控制反應(yīng)速度．(√)(6)核反應(yīng)堆用過的核廢料無毒無害．(×)2．當eq\o\al(235,92)U俘獲一個慢中子后發(fā)生的裂變反應(yīng)可以有多種方式，其中一種可表示為：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的原子質(zhì)量為235.0439u，eq\o\al(1,0)n的原子質(zhì)量為1.0087u，eq\o\al(139,54)Xe的原子質(zhì)量為138.9178u，eq\o\al(94,38)Sr的原子質(zhì)量為93.9154u，且1u的質(zhì)量對應(yīng)的能量為9.3×102MeV，此裂變反應(yīng)釋放出的能量是________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、核裂變及鏈式反應(yīng)[導(dǎo)學探究]如圖1為鈾核裂變示意圖．圖1(1)什么是裂變？寫出上述鈾核裂變的核反應(yīng)方程．(2)只要有中子轟擊鈾塊就可以產(chǎn)生鏈式反應(yīng)嗎？答案(1)重核分裂成幾個中等質(zhì)量原子核的現(xiàn)象稱為核裂變．上面這個過程可以用下面的方程式來表示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)鈾塊體積應(yīng)大于或等于臨界體積、要有足夠數(shù)量的慢中子才能發(fā)生鏈式反應(yīng)．[知識深化]1．常見的裂變方程(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．鏈式反應(yīng)發(fā)生的條件(1)鈾塊的體積大于或等于臨界體積．體積超過臨界體積時，保證中子能夠碰到鈾核．(2)有足夠濃度的鈾235.(3)有足夠數(shù)量的慢中子．3．鈾的同位素中鈾235比鈾238更容易發(fā)生鏈式反應(yīng)．4．核裂變時發(fā)生質(zhì)量虧損，放出能量．例1鈾核裂變時，對于產(chǎn)生鏈式反應(yīng)的重要因素，下列說法中正確的是()A．鈾塊的質(zhì)量是重要因素，與體積無關(guān)B．為了使裂變的鏈式反應(yīng)容易發(fā)生，最好直接利用裂變時產(chǎn)生的中子C．若鈾235的體積超過它的臨界體積，裂變的鏈式反應(yīng)就能夠發(fā)生D．能否發(fā)生鏈式反應(yīng)與鈾的質(zhì)量無關(guān)答案C解析要使鈾核裂變產(chǎn)生鏈式反應(yīng)，鈾塊的體積必須大于或等于臨界體積或鈾塊的質(zhì)量大于或等于臨界質(zhì)量，裂變反應(yīng)中產(chǎn)生的中子為快中子，這些快中子不能直接引發(fā)新的裂變，如果鈾塊的質(zhì)量大，則其體積大，若超過臨界體積時則發(fā)生鏈式反應(yīng)，由此知A、B、D錯誤，C正確．二、重核裂變釋放的核能的計算[導(dǎo)學探究]下面是鈾核裂變反應(yīng)中的一個核反應(yīng)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.已知鈾235的質(zhì)量為235.0439u，中子的質(zhì)量為1.0087u，鍶90的質(zhì)量為89.9077u，氙136的質(zhì)量為135.9072u，則此核反應(yīng)中質(zhì)量虧損是多少？釋放的總能量是多少？(已知1u相當于931.5MeV的能量)答案質(zhì)量虧損是反應(yīng)前的總質(zhì)量減去反應(yīng)后的總質(zhì)量：Δm＝(235.0439＋1.0087－89.9077－135.9072－10×1.0087)u＝0.1507u釋放的總能量為ΔE＝931.5×0.1507MeV＝140.37705MeV.[知識深化]1．鈾核裂變?yōu)橹械荣|(zhì)量的原子核，發(fā)生質(zhì)量虧損，所以放出能量．一個鈾235核裂變時釋放的能量如果按200MeV估算，1kg鈾235全部裂變放出的能量相當于2800t標準煤完全燃燒時釋放的能量，裂變時能產(chǎn)生幾百萬度的高溫．2．計算釋放的核能：質(zhì)量單位為“u”時，可直接用“1u的質(zhì)量虧損放出能量931.5MeV”計算總能量；當質(zhì)量單位為“kg”時，直接乘以(3.0×108)2，總能量單位為焦耳．例2用中子轟擊鈾核(eq\o\al(235,92)U)，其中的一個可能反應(yīng)是分裂成鋇(eq\o\al(141,56)Ba)和氪(eq\o\al(92,36)Kr)兩部分，放出3個中子．它們的質(zhì)量如下：mU＝390.3139×10－27kg，mn＝1.6749×10－27kg；mBa＝234.0016×10－27kg，mKr＝152.6047×10－27kg.試寫出核反應(yīng)方程，求出反應(yīng)中釋放的核能．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解析鈾核裂變方程為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，則核反應(yīng)前后的質(zhì)量虧損為Δm＝mU＋mn－mBa－mKr－3mn＝3.578×10－28kg，由愛因斯坦質(zhì)能方程可得釋放的核能為ΔE＝Δmc2＝3.578×10－28×(3×108)2J＝3.2202×10－11J.三、核電站1．核電站的主要組成：核電站的核心設(shè)施是核反應(yīng)堆，反應(yīng)堆用的核燃料是鈾235，它的主要部件列表如下：部件名稱項目減速劑控制棒熱循環(huán)介質(zhì)保護層采用的材料石墨、重水或普通水(也叫輕水)鎘水或液態(tài)的金屬鈉很厚的水泥外殼作用降低中子速度，便于鈾235吸收吸收中子，控制反應(yīng)速度把反應(yīng)堆內(nèi)的熱量傳輸出去屏蔽射線，防止放射性污染2.核電站發(fā)電的優(yōu)點(1)消耗的核燃料少．(2)作為核燃料的鈾、釷等在地球上可采儲量大，所能提供的能量大．(3)對環(huán)境的污染要比火力發(fā)電?。?如圖2所示是慢中子反應(yīng)堆的示意圖，對該反應(yīng)堆的下列說法中正確的是()圖2A．鈾235容易吸收快中子后發(fā)生裂變反應(yīng)B．快中子跟減速劑的原子核碰撞后能量減少，變成慢中子，慢中子容易被鈾235俘獲而引起裂變反應(yīng)C．控制棒由鎘做成，當反應(yīng)過于激烈時，使控制棒插入淺一些，讓它少吸收一些中子，鏈式反應(yīng)的速度就會慢一些D．要使裂變反應(yīng)更激烈一些，應(yīng)使控制棒插入深一些，使大量快中子碰撞控制棒后變成慢中子，鏈式反應(yīng)的速度就會快一些答案B解析快中子容易與鈾235“擦肩而過”，快中子跟減速劑的原子核碰撞后能量減少，變成慢中子，慢中子容易被鈾235俘獲而引起裂變反應(yīng)，選項B正確，A錯誤；控制棒由鎘做成，鎘吸收中子的能力很強，當反應(yīng)過于激烈時，使控制棒插入深一些，讓它多吸收一些中子，鏈式反應(yīng)的速度就會慢一些，要使反應(yīng)更激烈，應(yīng)使控制棒插入淺一些，選項C、D都錯誤．1．(對核裂變的理解)(多選)鈾核裂變是核電站核能的重要來源，其一種裂變反應(yīng)為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，下列說法正確的有()A．上述裂變反應(yīng)中伴隨著中子放出B．鈾塊體積對鏈式反應(yīng)的發(fā)生無影響C．鈾核的鏈式反應(yīng)可人工控制D．鈾核的半衰期會受到環(huán)境溫度的影響答案AC解析從裂變反應(yīng)方程式可以看出裂變反應(yīng)中伴隨著中子放出，A對；鈾塊體積對鏈式反應(yīng)的發(fā)生有影響，B錯；鈾核的鏈式反應(yīng)可人工控制，C對；鈾核的半衰期不會受到環(huán)境溫度的影響，D錯．2．(核反應(yīng)堆的認識)如圖3所示，鎘棒在核反應(yīng)中的作用是()圖3A．使快中子變成慢中子B．使慢中子變成快中子C．使反應(yīng)速度加快D．控制反應(yīng)速度，調(diào)節(jié)反應(yīng)速度的快慢答案D解析在核反應(yīng)堆中石墨使快中子變?yōu)槁凶樱k棒吸收中子，控制反應(yīng)速度，調(diào)節(jié)反應(yīng)速度的快慢．3．(對裂變方程的理解)在眾多的裂變反應(yīng)中，有一種反應(yīng)方程為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為某種粒子，a為X的個數(shù)，則()A．X為中子，a＝2 B．X為中子，a＝3C．X為質(zhì)子，a＝2 D．X為質(zhì)子，a＝3答案B解析根據(jù)核電荷數(shù)守恒可知，X的電荷數(shù)為0，X必為中子eq\o\al(1,0)n，由質(zhì)量數(shù)守恒可知a＝3，選項B正確．4．(裂變釋放核能的計算)鈾核(eq\o\al(235,92)U)裂變成鋇(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以及中子的質(zhì)量分別是235.0439u、140.9139u、91.8973u和1.0087u．(已知1u相當于931.5MeV的能量)(1)試寫出鈾核裂變反應(yīng)方程，并計算1個235U核裂變時放出的核能；(2)我國秦山核電站的裝機容量為3.0×105kW，假如全部235U都能夠發(fā)生這樣的裂變，釋放核能的1.2%可轉(zhuǎn)化為電能，試由此估算電站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)核反應(yīng)方程為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，核反應(yīng)中的質(zhì)量虧損為Δm＝235.0439u－140.9139u－91.8973u－2×1.0087u＝0.2153u則一個235U核裂變所釋放的能量為ΔE＝0.2153×931.5Mev＝200.6Mev.(2)核電站1年所產(chǎn)生的電能為E＝Pt，t＝365×24×3600s.每摩爾235U全部裂變所釋放的能量為NA·ΔE，NA為阿伏伽德羅常量，而235U的摩爾質(zhì)量為MU＝0.235kg/mol，所以電站1年要消耗的eq\o\al(235,92)U的質(zhì)量m＝eq\f(Pt,ηNAΔE)MU，其中ΔE＝200.6MeV＝3.2×10－11J代入數(shù)據(jù)得m＝9.6×103kg.一、選擇題考點一重核的裂變及裂變過程1．當一個重核裂變時，它所產(chǎn)生的兩個核()A．含有的總質(zhì)子數(shù)比裂變前重核的質(zhì)子數(shù)少B．含有的總中子數(shù)比裂變前重核的中子數(shù)多C．裂變時釋放的能量等于俘獲中子時得到的能量D．可能是多種形式的兩個核的組合答案D解析一個重核裂變時，在產(chǎn)生兩個核的同時，也放出中子，所以新產(chǎn)生的兩個核的總中子數(shù)比裂變前重核的中子數(shù)要少，兩個核的總質(zhì)子數(shù)與裂變前重核的質(zhì)子數(shù)相等，選項A、B錯誤；裂變時放出的能量主要是反應(yīng)前后質(zhì)量虧損而產(chǎn)生的能量，要遠大于俘獲中子時得到的能量，C項錯誤；重核裂變的產(chǎn)物是多種多樣的，D項正確．2．1938年哈恩用中子轟擊鈾核，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)物中有原子核鋇(Ba)、氪(Kr)、中子和一些γ射線．下列關(guān)于這個實驗的說法中正確的是()A．這個實驗的核反應(yīng)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．這是一個核裂變過程，反應(yīng)后粒子質(zhì)量之和大于反應(yīng)前粒子質(zhì)量之和C．這個反應(yīng)中釋放出的能量不可以用愛因斯坦的質(zhì)能方程來計算D實驗中產(chǎn)生的γ射線穿透能力極強答案D解析根據(jù)質(zhì)量數(shù)守恒、電荷數(shù)守恒，鈾核裂變的核反應(yīng)方程應(yīng)為：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，選項A錯誤；鈾核裂變過程中產(chǎn)生γ射線，放出能量，發(fā)生質(zhì)量虧損，釋放的能量可根據(jù)愛因斯坦的質(zhì)能方程計算，選項B、C錯誤；核反應(yīng)中產(chǎn)生的γ射線，穿透能力極強，選項D正確．3．原子核反應(yīng)有廣泛的應(yīng)用，如用于核電站等，在下列核反應(yīng)中，屬于核裂變反應(yīng)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D4．一個eq\o\al(235,92)U原子核在中子的轟擊下發(fā)生一種可能的裂變反應(yīng)的裂變方程為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，則下列敘述正確的是()A．X原子核中含有86個中子B．X原子核中含有141個核子C．因為裂變時釋放能量，根據(jù)E＝mc2，所以裂變后的總質(zhì)量數(shù)增加D．因為裂變時釋放能量，出現(xiàn)質(zhì)量虧損，所以生成物的總質(zhì)量數(shù)減少答案A解析X原子核中的核子數(shù)為(235＋1)－(94＋2)＝140個，B錯誤；中子數(shù)為140－(92－38)＝86個，A正確；裂變時釋放能量，出現(xiàn)質(zhì)量虧損，但是其總質(zhì)量數(shù)是不變的，C、D錯誤．考點二核電站5．原子反應(yīng)堆是實現(xiàn)可控制的重核裂變鏈式反應(yīng)的一種裝置，它的主要組成部分是()A．原子燃料、減速劑、冷卻系統(tǒng)和控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)B．原子燃料、減速劑、發(fā)熱系統(tǒng)和傳熱系統(tǒng)C．原子燃料、調(diào)速劑、碰撞系統(tǒng)和熱系統(tǒng)D．原子燃料、中子源、原子能聚存和輸送系統(tǒng)答案A解析核反應(yīng)堆的主要部分包括①燃料，即濃縮鈾235；②減速劑，采用石墨、重水或普通水；③控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)，用控制棒控制鏈式反應(yīng)的速度；④冷卻系統(tǒng)，水或液態(tài)金屬鈉等流體在反應(yīng)堆內(nèi)外循環(huán)流動，把反應(yīng)堆的熱量傳輸出去，用于發(fā)電，故A正確，B、C、D錯誤．6．(多選)為使鏈式反應(yīng)平穩(wěn)進行，可采用下列辦法中的()A．鈾塊可制成任何體積B．鈾核裂變釋放的中子可直接去轟擊另外的鈾核C．通過慢化劑使產(chǎn)生的中子減速D．用鎘棒作為控制棒，控制反應(yīng)的劇烈程度，使反應(yīng)平穩(wěn)進行答案CD解析鈾塊小于臨界體積將不會發(fā)生裂變反應(yīng)，A錯；中子的速度不能太快，否則會與鈾核“擦肩而過”，鈾核不能“捉”住它，不能發(fā)生核裂變，B錯；鎘棒吸收中子，控制反應(yīng)劇烈程度，使反應(yīng)平穩(wěn)進行，D對；通過慢化劑使中子減速，目的是使中子更容易被鈾核俘獲，發(fā)生鏈式反應(yīng)，C對．考點三核裂變釋放核能的計算7．(多選)核電站的核能來源于eq\o\al(235,92)U核的裂變，下列說法中正確的是()A．反應(yīng)后的核廢料已不具有放射性，不需要進一步處理B.eq\o\al(235,92)U的一種可能的裂變是變成兩個中等質(zhì)量的原子核，如eq\o\al(139,54)Xe和eq\o\al(95,38)Sr，反應(yīng)方程式為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個質(zhì)子、143個中子D．一個eq\o\al(235,92)U核裂變的質(zhì)量虧損為Δm＝0.2155u，則釋放的核能約201MeV答案BCD解析反應(yīng)后的核廢料仍然具有放射性，需要進一步處理，故A錯誤；發(fā)生核反應(yīng)的過程滿足電荷數(shù)守恒和質(zhì)量數(shù)守恒，可判斷B正確；92為U元素的質(zhì)子數(shù)，中子數(shù)為235－92＝143，故C正確；根據(jù)質(zhì)能方程與質(zhì)量虧損可知，裂變時釋放的能量是ΔE＝0.2155×931.5MeV≈201MeV，故D正確．8．一個鈾235吸收一個中子發(fā)生核反應(yīng)時大約放出196MeV的能量，則1g純eq\o\al(235,)92U完全發(fā)生核反應(yīng)時放出的能量為(NA為阿伏伽德羅常量)()A．NA×196MeV B．235NA×196MeVC．235×196MeV D.eq\f(NA,235)×196MeV答案D解析由于1mol的鈾核質(zhì)量為235g,1g鈾235為eq\f(1,235)mol，因此1g純eq\o\al(235,92)U完全發(fā)生核反應(yīng)時釋放的能量ΔE＝eq\f(NA,235)×196MeV，故D正確．二、非選擇題9．(裂變釋放核能的計算)現(xiàn)有的核電站常用的核反應(yīng)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)核反應(yīng)