夜雨聆风【题目】分离铀238和铀235常采用离心分离技术，将含有铀238和铀235两种同位素的气态六氟化铀和在高速转动的气体离心机中进行分离，如图所示。则( )
A. 图中a为分子
B. 图中a为分子
C. 铀238和铀235的中子数相同
D. 铀238和铀235的质子数相同
【答案】BD
【解析】离心机高速转动时，所有分子转动的角速度相同，分子做圆周运动所需向心力。的分子质量大于，质量更大的分子需要的向心力更大，更容易发生离心运动，向半径更大的外侧（筒壁附近）聚集。因此，外侧的a处聚集质量更大的，内侧b处聚集质量更小的 ，选项A错误，B正确。铀238和铀235是铀元素的同位素，同位素的定义是质子数相同、中子数不同的同一元素的不同核素，选项C错误，D正确。
【试题情境】
题目以核工业中分离铀同位素的离心分离技术为背景，采用文字+示意图形式创设“生活实践+科技前沿”类学习探索情境；情境素材来源于现代核能科技与原子核物理学知识。试题情境与离心运动规律、同位素概念深度融合，属于情境嵌入型。题干信息指向明确，学生需将同位素质量差异与离心现象关联，情境熟悉度中等（离心运动为高频考点，但离心分离技术本身属科技前沿），属于较为复杂情境，突出应用性与综合育人价值。
【必备知识】
本题考查选择性必修3中I级考点：原子核的组成、同位素；必修2中II级考点：离心运动、向心力公式。原子核组成、同位素定义、向心力公式属于陈述性知识；利用 分析质量差异导致离心程度不同属于程序性知识；将分离技术问题抽象为圆周运动与核物理模型求解属于策略性知识。
【课标要求】
选择性必修3：3.3.2了解原子核的组成和核力的性质，知道四种基本相互作用，能根据质量数守恒和电荷守恒写出核反应方程。
选择性必修3：3.3.3了解放射性和原子核衰变，知道半衰期及其统计意义。（与之相关的同位素概念）
必修2：2.2.3能用牛顿第二定律分析匀速圆周运动的向心力。了解生产生活中的离心现象及其产生的原因。
【素养等级】
(1)本题考查物理观念中的物质观念、运动与相互作用观念，能结合向心力与同位素特性解释分离现象，达到学业质量水平2要求。
(2)本题考查科学思维中的模型建构与科学推理，能将离心分离抽象为同角速度圆周运动模型，依据向心力公式推理分子聚集位置，达到学业质量水平2要求。
【能力要求】
本题以铀同位素离心分离技术为情境，着重考查理解能力、模型建构能力、逻辑推理能力。
（1)理解能力：理解同位素“质子数相同、中子数不同”的本质特征，理解向心力公式中各物理量的含义。
(2)模型建构能力：将实际离心分离过程抽象为所有分子做角速度相同的匀速圆周运动模型。
(3)逻辑推理能力：依据向心力公式，推理出质量大的分子需要更大向心力，更易向半径大处（外侧）聚集；结合同位素概念判断中子数与质子数关系。
【问题复杂性分析】
【试题难度】
【命题综述】
【基于高考评价体系的多维命题细目表】
【拓展延伸】
1.若离心机转速增大，a处和b处UF₆分子的浓度分布如何变化？试结合向心力公式说明。
2.假设铀238和铀235的原子数相等，经离心分离后，外侧a处与内侧b处的同位素相对丰度是否相等？为什么？
3.分离后的较轻同位素通常用于核燃料，试分析该分离过程利用了同位素的哪一物理性质差异？除了离心分离，还有哪些方法可分离同位素？
【拓展延伸】参考解析
本题以铀同位素离心分离为情境，可拓展至更深层次的物理原理与应用分析。
拓展1：若离心机转速增大，a处和b处UF₆分子的浓度分布如何变化？试结合向心力公式说明。
【解析】离心机转速增大，意味着分子做圆周运动的角速度增大。根据向心力公式，当增大时，分子所需的向心力 会显著增大（与成正比）。对于质量更大的 分子，其所需向心力的增量（）大于质量较小的 分子（）。这使得质量较大的分子更倾向于远离旋转中心（向外侧运动），而质量较小的分子相对更易留在内侧。 结论：转速增大后，外侧a处的浓度会更高，内侧 b 处的浓度也会更高，即分离效果更好。转速越高，同位素分离的效率越高。
拓展2：假设铀238和铀235的原子数相等，经离心分离后，外侧a处与内侧b处的同位素相对丰度是否相等？为什么？
【解析】不相等。外侧a处：由于质量更大的更易离心至外侧，因此a处的相对丰度（即所占比例）高于。内侧b处：质量更小的更易留在内侧，因此b处 的相对丰度高于。 结论：离心分离的本质就是利用质量差异改变同位素在空间中的相对丰度，从而实现富集。如果初始原子数相等，经过离心后，外侧更富集重同位素（），内侧更富集轻同位素（）。
拓展3：分离后的较轻同位素通常用于核燃料，试分析该分离过程利用了同位素的哪一物理性质差异？除了离心分离，还有哪些方法可分离同位素？
【解析】 1.的物理性质差异：该分离过程利用了铀同位素的质量差异（即原子量或分子量的不同）。虽然化学性质完全相同，但核质量的不同导致它们在高速旋转的离心场中受到的离心力不同，从而实现分离。本质上利用了惯性质量的差异。
2.分离同位素的方法（举例说明）
（1）气体扩散法：利用气态分子通过多孔膜时，较轻分子（）的平均热运动速率更大，更容易扩散通过膜孔，从而实现分离。
（2）电磁分离法：将气态离子加速后引入磁场，根据洛伦兹力公式 ，质量不同的离子做圆周运动的半径不同（），从而被不同位置的接收器收集。
（3）激光分离法：利用特定波长的激光精确激发不同同位素的原子或分子，使其发生电离或化学反应的速率不同，再进行分离。
结论：同位素分离的核心在于利用它们之间微小的原子核质量差异，通过各种物理过程来放大这种差异，最终实现富集。离心分离法是当前最主流、经济性相对较好的方法之一。
