高二物理 核裂变

7.“朝核危机”引起全球瞩目，其焦点就是朝鲜核电站
采用的是轻水堆还是重水堆，重水堆核电站在发电的同
时还可以生产出可供研制核武器的
239 94
Pu，可由
239 92
U
经过
n次β 衰变产生，则n的大小为( )
A.2
B.239
C.145
D.92
【解析】选A.
239 94
Pu
比
U 239
92
电荷增加2，说明经过2次β
减少的,因此C错误；重核裂变为中等质量的原子核时,由 于平均质量减小,发生质量亏损,从而释放出核能.故D正 确.
【典例2】在可控核反应堆中需要给快中子减速，轻水、
重水和石墨等常用作减速剂.中子在重水中可与21H核碰撞
减速，在石墨中与
12 6
C
核碰撞减速.上述碰撞可简化为弹
性碰撞模型.某反应堆中快中子与静止的靶核发生对心正
v0
在重水中靶核质量MH=2Mn
v1H=
Mn - MH Mn MH
v0

-
1 3
v0
在石墨中
靶核质量MC=12Mn
v1C=
Mn Mn
- MC MC
v0

-11 13
v0
与重水靶核碰后中子速度较小，故重水减速效果更好.
1.重核的裂变就是( ) A.重核分裂成核子的核反应 B.重核分裂成许多质量很小的轻核的核反应 C.重核分裂成两个或两个以上中等质量的核的核反应 D.中等质量的核分裂成质量很小的轻核的核反应 【解析】选C.重核裂变时分裂成两个或两个以上质量相 近的核，故C正确.
故电功率P= 0.25 E 0.251.81013 W
t
243 600
≈5.2×107 W.
一、选择题（本大题共7小题，每小题4分，共28分，每 小题至少一个选项符合题意） 1.在核反应堆中，控制23592U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，以改变反 应堆中的中子数目 D.利用石墨与中子的碰撞来改变中子的速度
7.875×1016 J
每年消耗
235 92
U
的质量
M

W E
mU

7.8751016 39010-27 2.7810-11
kg
1105 kg.
答案:（1）1 0
n
3
(mU-mBa-mKr-2mn)c2
（2）1 105 kg
1.在核反应堆外修建很厚的水泥墙是为了防止( )
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A.核爆炸
度，则在上述核反应过程中放出的核能Δ E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μ =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Δ E=2.78×10-11 J，核的质量mU=390×10-27 kg，
求每年（1年≈3.15×107
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
235 92
U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
【解析】选C.使铀核裂变产生链式反应,铀块的体积必须 大于临界体积,但铀核的质量无论怎样,只要组成铀块的 体积小于临界体积,则不会产生链式反应,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.
碰，通过计算说明，仅从一次碰撞考虑，用重水和石墨
做减速剂，哪种减速效果更好.
【思路点拨】解答本题时可按以下思路分析:
【标准解答】设中子质量为Mn,靶核质量为M,由动量守恒 定律
Mnv0=Mnv1+Mv2 由能量守恒
1 Mnv02= 1 Mnv12+ 1 Mv22
2
2
2
解得v1=
Mn -M Mn M
6.下面是铀核裂变反应中的一个：
U 235
92
10
n
136 54
Xe
90 38
Sr
1010 n, 已知
U 235
92
的质量为
235.043 9 u，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 2 u，则此核反应
中（ ）
A.质量亏损为Δ m=（235.043 9+1.008 7-89.907 7-
B.放射线外泄
C.核燃料外泄
D.慢中子外泄
【解析】选B.核反应堆的核燃料一般是
235 92
U，它具有很
强的放射性，其衰变时放出的射线能对人体造成极大的
伤害，在其外修建很厚的水泥墙就是为了防止放射线外
泄，故B正确.
2.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.反应堆中铀的质量是重要因素与体积无关
135.907 2）u
B.质量亏损为Δ m=(235.043 9+1.008 7-89.907 7-
135.907 2-10×1.008 7) u
C.释放的总能量为Δ E=(235.043 9+1.008 7-89.907 7135.907 2-10×1.008 7)×(3×108)2 J D.释放的总能量为Δ E=（235.043 9+1.008 7-89.907 7135.907 2-10×1.008 7）×931.5 MeV 【解析】选B、D.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做单位，故A错， B对；质量单位为u时，可直接用“1u的亏损放出能量 931.5 MeV”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J，故C错.
2.利用重核裂变释放核能时选用
235 92
U
核，主要原因
是（ ）
A.它裂变放出核能比其他重核裂变多
B.它可能分裂成三部分或四部分
C.它能自动裂变，与体积无关
D.它比较容易发生链式反应
【解析】选D.
235 92
U
俘获任何能量的中子都会发生裂变反
应，吸收低能量的中子裂变的概率更大，D项正确.
3.原子反应堆是实现可控制的重核裂变链式反应的一种 装置，它主要由哪四部分组成( ) A.堆芯、中子反射层、防护系统和控制系统 B.堆芯、中子反射层、发热系统和传热系统 C.堆芯、调速剂、碰撞系统和传热系统 D.堆芯、中子源、原子能聚存系统和输送系统 【解析】选A.依据原子反应堆的装置，它主要包括堆芯、 中子反射层、防护系统和控制系统，故A正确.
U
D.前者是利用核聚变释放核能，后者利用核裂变释放能
【解析】选B、C.核电站是利用核裂变释放核能，核聚变
的利用仅处于试验阶段，故A、D错误，B正确；核裂变的
燃料是纯
235 92
U，故C正确，故选B、C.
5.一个
235 92
U 吸收一个中子后发生的反应式是
235 92
U
10
n

136 54
Xe
90 38
衰变，n=2，故选A.
二、计算题（本大题共2小题，共22分）
8.（10分）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
235 92
U
原子核进行分裂?该原子弹中含
U 235
92
的质量
最小限度为多少千克?(一个
235 92
U
原子核分裂时所产生的
Sr

1010n,
放出的能量为E，235 92
U
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)c2 B.(M+m-m1-m2)c2 C.(M-m1-m2-9m)c2 D.（m1+m2+9m-M)c2
【解析】选C.核反应中质量亏损为M+m-m1-m2-10m=M-m1m2-9m,故释放的能量E为(M-m1-m2-9m)c2，故选C.
s）消耗的
235 92
U
的质量.
【解析】（1）由反应方程可知：X为
1 0
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
235 92
U
的功率为
P′= P 106 2.5×106 kW， 40% 40%
电站每年消耗
235 92
U
的能量W=P′t=2.5×109×3.15×107J=
【思路点拨】解答本题时应把握以下关键点：
【自主解答】选D.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，而并非中子的能量,故 A错误；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,中子进入铀块时,裂变中产生的 中子散失到外界,没有足够的中子,则链式反应就不会发 生,故B错误；在裂变反应中质量数守恒，核子数是不会
4.235 92
U吸收一个慢中子后，分解成
139 54
Xe
和
94 38
Sr，并放出
()
A.1个α 粒子
B.1个氘核
C.3个中子
D.2个中子
【解析】选C.根据核反应中质量数守恒，核电荷数守恒
其反应方程为
U 235
92
10
n
139 54
Xe
94 38
Sr
310 n.
故C正确.
5.某核电站每昼夜需消耗220
2.61024 6.021023
kg
≈1.015
kg
答案：2.6×1024个
1.015 kg
9.（12分）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
g
295 92
U，
如果平均每个铀核
裂变时平均放出200 MeV的能量，且核电站核电转化效率
为25%，则该核电站的电功率为多大？
【解析】一昼夜裂变的铀核数
N= 220 ×6.02×1023=5.64×1023 235
共释放核能
E=NΔE
=5.64×1023×200×106×1.6×10-19 J =1.8×1013 J
【解析】选C.控制核反应堆中核反应的速度是靠调节中 子数来实现的，故只有C正确.
2.以下核反应方程中，属于原子核裂变的是（ ）
A.
U 238
92
234 90
Th

4 2
He
B.
4 2
He
94
Be
162
C 10
n
C.
U 234
92
10
n
144 56
Ba
49 36
Kr
310 n
D.
U 235
92
10
n
141 56
Ba
92 36
Kr

aX
是反应
堆中发生的许多核反应中的一种，1 0
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
235 92
U、15461Ba、9326Kr
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
【典例1】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.中子进入铀块中时,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 核子数量减小 D.由于重核的核子平均质量大于中等质量的核的核子平 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
能量约为 200 MeV）
【解析】一个
235 92
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
235 92
U
核发生裂变
n＝ 8.41013 ≈2.6×1024（个）
3.210-11
铀的质量m＝235×10-3×
4.据报道，未来10年，我国将建设几十座核电站，核电
项目建设将有效促进低碳发展、清洁发展，为国家实现
2020年单位GDP碳排放下降目标发挥重要促进作用.关于
现在使用的和将要建设的核电站，下列说法正确的
是( )
A.它们都是利用核聚变释放核能
B.它们都是利用核裂变释放核能
C.两者的核燃料都是纯
235 92
2 1
H
13
H
42
He
10
n
【解析】选C.A选项是α衰变，B选项是人工转变，D选项
是核聚变，C选项是重核裂变.
3.一个
235 92
U原子核在中子的轰击下发生一种可能的裂变
反应，其裂变方程式为
235 92
U
10
n

X
94 38
Sr

210
n，则下列
叙述正确的是（ ）
A.X原子核中含有86个中子
B.X原子核中含有141个核子
C因为裂变时释放能量，根据E=mc2，所以裂变后的总质
量
数增加
D.因为裂变时释放能量，出现质量亏损，所以生成物的
总质量数减少
【解析】选A.X原子核中的核子数为（235+1）-（94+2） =140个，故B错；中子数为140-（92-38）=86个，A正确； 裂变时释放能量，出现质量亏损，但其质量数不变，C、 D错.
3.在核反应堆里，用石墨做减速剂，使铀核裂变所产生 的快中子通过与碳核不断地碰撞而被减速.假设中子与碳 核发生的是弹性正碰，且碰撞前碳核是静止的.已知碳核 的质量近似为中子质量的12倍，中子原来的动能为E0,试 求： （1）经过一次碰撞后中子的能量变为多少. （2）若E0=1.75 MeV，则经过多少次后，中子的能量才 可减小到0.025 eV.