高中物理人教版 (2019)选择性必修 第三册第五章 原子核综合与测试一课一练

这是一份高中物理人教版 (2019)选择性必修 第三册第五章 原子核综合与测试一课一练，共12页。试卷主要包含了单项选择题，多项选择题，计算题等内容，欢迎下载使用。
第五章 原子核 章末综合练习（解析版）
一、单项选择题:本题共10小题,每小题3分,共30分。在每小题给出的四个选项中,只有一项是符合题目要求的。
1.天然放射性元素放出的三种射线垂直进入磁场,实验结果如图所示,由此可推知( )
A.②来自于原子核外的电子
B.①的电离作用最弱,属于原子核内释放的光子
C.①②③都是电磁波
D.三种射线中,③穿透能力最强
【解析】选D。α射线是高速He核流,一个α粒子带两个正电荷,根据左手定则,α射线受到的洛伦兹力向左,故①是α射线。β射线是高速电子流,带负电荷,根据左手定则,β射线受到的洛伦兹力向右,故②是β射线。γ射线是γ光子,是中性的,故在磁场中不受磁场的作用力,轨迹不会发生偏转,故③是γ射线;β射线是原子核发生β衰变产生的,故A错误;①是α射线高速He核流,电离作用最强,故B错误;①是α射线,②是β射线,③是γ射线,①②都不是电磁波,③是电磁波。故C错误;③是γ射线,穿透能力最强,故D正确。
2.一个U核衰变为一个Pb核的过程中,发生了m次α衰变和n次β衰变,则m、n的值分别为( )
A.8、6B.6、8C.4、8D.8、4
【解析】选A。衰变方程为UPb+He+e,则:238=206+4m,解得:m=8,又:92=82+8×2+n×(-1),得:n=6,故A正确,B、C、D错误。
3.放射性元素Rn)经α衰变成为钋P),半衰期约为3.8天;但勘测表明,经过漫长的地质年代后,目前地壳中仍存在天然的含有放射性元素Rn的矿石,其原因是( )
A.目前地壳中的Rn 主要来自于其他放射性元素的衰变
B.在地球形成的初期,地壳中元素Rn的含量足够高
C.当衰变产物P积累到一定量以后P的增加会减慢Rn的衰变进程
DRn主要存在于地球深处的矿石中,温度和压力改变了它的半衰期
【解题指南】解答本题时应从以下两点进行分析:
(1)知道半衰期大小的决定因素。
(2)理解半衰期的意义。
【解析】选A。元素半衰期的长短由原子核自身因素决定,一般与原子所处的物理、化学状态以及周围环境、温度无关,C、D错;即使元素氡的含量足够高,经过漫长的地质年代,地壳中也几乎没有氡了,一定是来自于其他放射性元素的衰变,故A对,B错。
4.2006年美国和俄罗斯的科学家利用回旋加速器,通过Ca(钙48)轰击Cf(锎249)发生核反应,成功合成了第118号元素,这是迄今为止门捷列夫元素周期表中原子序数最大的元素。实验表明,该元素的原子核先放出3个相同的粒子x,再连续经过3次α衰变后,变成质量数为282的第112号元素的原子核,则上述过程中的粒子x是( )
A.中子B.质子C.电子D.α粒子
【解析】选A。设第118号元素为X,112号元素为Y,可得118号元素原子核的核反应方程为XY+He+X,由于反应中质量数守恒,电荷数守恒,可知A=1,Z=0。所以x为中子,故选A。
5.下列有关原子、原子核的说法中正确的是( )
A.天然放射现象说明原子核内部有电子
B.卢瑟福用α粒子散射实验证明了原子核内存在中子
C.结合能越大,原子核中的核子结合得越牢固,原子核越稳定
D.在所有核反应中,都遵从“质量数守恒,电荷数守恒”的规律
【解析】选D。天然放射现象说明原子核内部有复杂结构,原子核内部有质子和中子,无电子,故A错误;卢瑟福用α粒子散射实验得出了原子核式结构模型,查德威克发现了中子,故B错误;比结合能越大,原子核中的核子结合得越牢固,原子核越稳定,故C错误;核反应中,都遵循电荷数守恒和质量数守恒,故D正确。
6.2018年中国散裂中子源(CSNS)已通过验收,已建设的3台谱仪也启动实验。有关中子的研究,下列说法正确的是( )
A.Th核发生一次α衰变,新核与原来的原子核相比,中子数减少了4
B.一个氘核和一个氚核经过核反应后生成氦核和中子是裂变反应
C.卢瑟福通过分析α粒子散射实验结果,发现了质子和中子
D.中子和其他微观粒子,都具有波粒二象性
【解析】选D。α衰变的本质是发生衰变的核中减少2个质子和2个中子形成氦核,所以一次α衰变,新核与原来的核相比,中子数减少了2,A错误;裂变是较重的原子核分裂成较轻的原子核的反应,而该反应是较轻的原子核的聚变反应,B错误;卢瑟福通过分析α粒子散射实验结果,提出了原子的核式结构模型,查德威克通过α粒子轰击铍核获得碳核的实验发现了中子,C错误;所有粒子都具有粒子性和波动性,D正确。
7.以下关于放射性元素及其放射性的说法正确的是( )
A.氡的半衰期为3.8天,若有四个氡原子核,经过7.6天就只剩下一个
BTh经一系列α和β衰变后变为Pb总共少了16个中子
C.放射性元素产生的射线对人体存在危害,因此放射性元素为有害元素
D.放射性元素发出的射线全部来自于原子核内部,所以放射后的新核核子数一定减少
【解析】选B。放射性元素的半衰期是大量原子核衰变的统计规律,对于个别的原子核没有意义,故A错误Th的中子个数为232-90=142Pb的中子个数为126个,故中子数少了142-126=16个,故B正确;有些放射性元素可用在工业上测量厚度,有些用在医疗技术上,帮助治疗癌症,故C错误;β衰变中,一个中子分裂成一个质子和一个负电子,负电子喷射出来形成β射线,衰变后新核核子数不变,故D错误。
8.2018年8月23日,我国“十一五”期间重点建设的十二大科学装置之首——“中国散裂中子源”项目,正式投入运行。这标志着我国成为继英美日三国之后,第四个拥有散裂中子源的国家。散裂中子源除了在科学研究方面有极为重要的作用外,其产生的中子还能用来治疗癌症。下列关于中子的说法正确的是
( )
A.卢瑟福用α粒子轰击Be,产生C,发现了中子
B.放射性β射线其实质是高速中子流,可用于医学的放射治疗
C.氘核聚变反应会释放出能量,其核反应方程为HHHen
D.核电站不能控制核反应剧烈程度
【解析】选C。查德威克用α粒子轰击铍核,发现了中子;卢瑟福发现了质子,故A错误;β 射线其实质是高速电子流,故B错误;氘核聚变反应会释放出能量,其核反应方程为HHHen,故C正确;核电站可通过控制中子数目来控制核反应剧烈程度,故D错误。
9.下列说法正确的是( )
A.核电站利用的核能主要来源于轻核的聚变
B.一个氢原子从n=3的能级跃迁到n=2的能级,放出光子,其电子动能减小
C.铀U)经过多次α、β衰变形成稳定的铅Pb)的过程中,有6个中子转变成质子
D.升高温度,可以让放射性原子核衰变速度变快
【解析】选C。核电站利用的核能主要来源于重核的裂变,A错误;氢原子的核外电子由较高能级跃迁到较低能级时,轨道半径减小,能量减小,释放一定频率的光子,电子动能增大,电势能减小,B错误;根据质量数和电荷数守恒知:238-206=4×8,发生8次α衰变;92=82+2×8-6,发生6次β衰变,β衰变的实质为中子转变为质子的同时释放电子,C正确;半衰期由原子核本身决定,与温度无关,D错误。
10.目前科学家正在研究“快中子堆”技术发电,“快中子堆”技术发电的原理是快中子反应堆不用U,而用Pu 作燃料,在堆心燃料Pu的外围放置UPu发生裂变反应时放出来的快中子,被装在外围再生区的U吸收U吸收快中子后变成UU很不稳定,很快发生β衰变成PuPu在裂变产生能量的同时,不断地将U变成可用燃料Pu,核燃料越烧越多。设U、β粒子的质量分别为M、m,则( )
A.Pu与U的中子数相同
BU吸收中子后变成U是属于核聚变
CU经过1次β衰变后变成Pu
D.静止的U发生β衰变释放出动能为E0的β粒子,该衰变中质量亏损为
【解析】选DPu与U的质量数相同,质子数不同,则中子数不同,故A错误;核聚变发生在轻核之间,U 吸收中子后变成U不属于核聚变,故B错误;β衰变过程中,质量数不变,质子数增加1,故U经过2次β衰变后变成Pu,故C错误;衰变方程为U→ePu,在衰变过程中动量守恒,所以新核与β粒子的速度方向相反,由动量守恒定律得:Mv1-mv2=0,β粒子和生成核的动量p相等,所以动能之比为M∶m,β粒子的动能为E0,则新核的动能为E0,总动能为ΔE=E0,由质能关系ΔE=Δmc2,解得Δm=,故D正确。
二、多项选择题:本题共5小题,每小题4分,共20分。在每小题给出的四个选项中,有多项符合题目要求。全部选对的得4分,选对但不全的得2分,有选错的得0分。
11.(2020·浙江7月选考)太阳辐射的总功率约为4×1026 W,其辐射的能量来自于聚变反应。在聚变反应中,一个质量为1 876.1 MeV/c2(c为真空中的光速)的氘核H)和一个质量为2 809.5 MeV/c2的氚核H)结合为一个质量为
3 728.4 MeV/c2的氦核He),并放出一个X粒子,同时释放大约17.6 MeV的能量。下列说法正确的是( )
A.X粒子是质子
B.X粒子的质量为939.6 MeV/c2
C.太阳每秒因为辐射损失的质量约为4.4×109 kg
D.太阳每秒因为辐射损失的质量约为17.6 MeV/c2
【解析】选B、C。由质量数和电荷数守恒可知,X的质量数为1,电荷数为0,则X为中子,选项A错误;根据能量关系可知mn=(1 876.1+2 809.5-3 728.4-
17.6) MeV/c2=939.6 MeV/c2,选项B正确;太阳每秒放出的能量E=Pt=4×1026 J,损失的质量Δm== kg≈4.4×109 kg,选项C正确;因为E=4×1026 J
= eV=2.5×1045 eV=2.5×1039MeV,则太阳每秒因为辐射损失的质量为Δm==2.5×1039 MeV/c2,选项D错误。
12.下列关于铀裂变和核电站的说法中正确的是( )
A.铀235只要俘获中子就能进行链式反应
B.铀235裂变后的生成物是多种多样的,但这些裂变都要发生质量亏损
C.核电站中镉棒是起加速剂的作用
D.核电站使用后的核废料必须装入特制容器,深埋地下
【解析】选B、D。裂变反应中,必须达到临界体积时,链式反应才能继续,故A错误;裂变反应中,存在质量亏损,释放核能,故B正确;裂变核反应堆中,通常用慢化剂,比如重水等让快中子减速,故C错误;核电站使用后的核废料具有放射性,必须装入特制容器,深埋地下,故D正确。
13.太阳内部发生的核反应主要是轻核的聚变,太阳中存在的主要元素是氢,氢核的聚变反应可以看作是4个氢核H)结合成1个氦核He)。表中列出了部分粒子的质量(1 u相当于931.5 MeV的能量),以下说法中正确的是( )
A.核反应方程式为HHe+e
B.核反应方程式为HHe+e
C.4个氢核结合成1个氦核时的质量亏损约为 0.026 6 u
D.聚变反应过程中释放的能量约为24.8 MeV
【解析】选A、C、D。根据核反应过程中质量数守恒和电荷数守恒关系可判断A正确,B错误;质量亏损为Δm=(4×1.007 3-4.001 5-2×0.000 55) u=0.026 6 u,根据质能方程可知ΔE=Δmc2≈24.8 MeV,C、D正确。
14.(2020·全国Ⅰ卷)下列核反应方程中,X1、X2、X3、X4代表α粒子的有
( )
【解析】选B、D。α粒子为氦原子核He,根据核反应方程遵守电荷数守恒和质量数守恒可判断:A选项中的X1为He,B选项中的X2为He,C选项中的X3为中子n,D选项中的X4为He,故选项B、D正确,A、C错误。
15.“中国月球着陆探测器”在中国航天馆揭开神秘面纱。它将带着中国制造的月球车,在38万千米之外的月球表面闲庭信步。月球的表面长期受到宇宙射线的照射,使得“月壤”中的He含量十分丰富。科学家认为He是发生核聚变的极好原料,将来He也许是人类重要的能源,所以探测月球意义十分重大。关于He,下列说法正确的是( )
AHe的原子核内有三个中子、两个质子
BHe的原子核内有一个中子、两个质子
CHe发生核聚变,放出能量,一定会发生质量亏损
DHe原子核内的核子靠万有引力紧密结合在一起
【解析】选B、CHe是氦元素的一种同位素,质量数是3,电荷数是2,原子核内有两个质子、一个中子,所以A错误、B正确;发生核聚变放出能量就会有质量亏损,C正确;原子核内的核子是靠核力紧密结合在一起的,而不是靠万有引力紧密结合在一起的,D错误。
三、计算题:本题共4小题,共50分。要有必要的文字说明和解题步骤,有数值计算的要注明单位。
16.(10分)一静止的氡核Rn)发生α衰变,放出一个速度为v0、质量为m的α粒子和一个质量为M的反冲核钋(P),若氡核发生衰变时,释放的能量全部转化为α粒子和钋核的动能。
(1)写出衰变方程。
(2)求出反冲核的速度。
(3)求出这一衰变过程中亏损的质量。
【解析】(1RnPHe(2分)
(2)设钋核的反冲速度大小为v,由动量守恒定律有
mv0-Mv=0,v=(2分)
(3)衰变过程中产生的机械能
ΔE=m+Mv2=(3分)
ΔE=Δmc2
产生这些机械能亏损的质量
Δm==(3分)
答案:(1RnPHe (2)
(3)
17.(10分)如图所示,有界的匀强磁场磁感应强度为B=0.05 T,磁场方向垂直于纸面向里,MN是磁场的左边界。在磁场中A处放一个放射源,内装RaRa放出某种射线后衰变成Rn。
(1)写出上述衰变方程;
(2)若A处距磁场边界MN的距离OA=1.0 m时,放在MN左侧边缘的粒子接收器收到垂直于边界MN方向射出的质量较小的粒子,此时接收器距过OA的直线1.0 m。求一个静止Ra核衰变过程中释放的核能有多少。(取1 u=1.6×10-27 kg,
e=1.6×10-19 C,结果保留三位有效数字)
【解析】(1)根据质量数与质子数守恒,可得衰变的方程:
RaRnHe(2分)
(2)衰变过程中释放的α粒子在磁场中做匀速圆周运动,
半径R=1.0 m,由2evB=(1分)
得α粒子的速度v=(1分)
衰变过程中系统动量守恒,
RnHe质量分别为222 u、4 u,
则222 u×v′=4 u×v(1分)
得Rn的速度v′=v(2分)
释放的核能E=×222 u×v′2+×4 u×v2=(2分)
代入数据解得E=2.04×10-14 J(1分)
答案:(1RaRnHe
(2)2.04×10-14 J
18.(14分)卢瑟福用α粒子轰击氮核时发现质子。发现质子的核反应方程为NHeOH。已知氮核质量为mN=14.007 53 u,氧核质量为mO=
17.004 54 u,氦核质量为mHe=4.003 87 u,质子(氢核)质量为mp=1.008 15 u。(已知:1 uc2=931 MeV,结果保留2位有效数字)求:
(1)这一核反应是吸收能量还是放出能量的反应?相应的能量变化为多少?
(2)若入射氦核以v0=3×107 m/s的速度沿两核中心连线方向轰击静止氮核。反应生成的氧核和质子同方向运动,且速度大小之比为1∶50。求氧核的速度大小。
【解析】(1)由Δm=mN+mHe-mO-mp得:
Δm=-0.001 29 u(3分)
所以这一核反应是吸收能量的反应(2分)
吸收能量为
ΔE=|Δm|c2=0.001 29 uc2=1.2 MeV(2分)
(2)由动量守恒定律可得:mHev0=mOv氧+mpvp(3分)
又v氧∶vp=1∶50(2分)
可解得:v氧=1.8×106 m/s(2分)
答案:(1)吸收能量 1.2 MeV (2)1.8×106 m/s
【总结提升】核能求解的思路方法
(1)应用质能方程解题的流程图:
(2)在动量守恒方程中,各质量都可用质量数表示。
(3)核反应遵守动量守恒和能量守恒定律,因此我们可以结合动量守恒和能量守恒定律来计算核能。
19.(16分)一个静止的铀核U(原子质量为232.037 2 u)放出一个α粒子(原子质量为4.0026 u)后衰变成钍核Th(原子质量为228.028 7 u)。(已知原子质量单位1 u=1.67×10-27 kg,1 u相当于931.5 MeV的能量)
(1)写出铀核的衰变反应方程;
(2)算出该衰变反应中释放出的核能;
(3)若释放的核能全部转化为新核的动能,则α粒子的动能为多少?
【解题指南】解答本题可按以下思路进行:
(1)根据电荷数守恒、质量数守恒写出核衰变方程。
(2)根据质量亏损,结合爱因斯坦光电效应方程求出释放的核能。
(3)根据动量守恒定律得出两粒子的动量大小关系,结合动能和动量的关系求出动能。
【解析】(1)根据电荷数守恒、质量数守恒,可得衰变反应方程
UThHe(2分)
(2)质量亏损Δm=mU-mα-mTh=0.005 9 u(3分)
释放的核能
ΔE=Δmc2=0.005 9×931.5 MeV≈5.50 MeV(2分)
(3)系统动量守恒,钍核和α粒子的动量大小相等,即根据动量守恒定律得,
pTh=pα(2分)
根据动能与动量的关系:Ek=(2分)
EkTh+Ekα=ΔE(2分)
所以钍核获得的动能
EkTh=ΔE==0.09 MeV(2分)
解得:Ekα=5.50 MeV-0.09 MeV=5.41 MeV(1分)
答案:(1UThHe (2)5.50 MeV
(3)5.41 MeV粒子名称
质子p
α粒子
电子e
中子n
质量/u
1.007 3
4.001 5
0.000 55
1.008 7