高中物理人教版 (2019)选择性必修 第三册第五章 原子核综合与测试精练

第五章　原子核

本章达标检测

(满分:100分;时间:75分钟)

一、单项选择题(本题共9小题,每小题5分,共45分)

1.(2021上海格致中学高三月考)1933年至1934年间,约里奥-居里夫妇用α粒子轰击铝箔时,发生的核反应方程为AlHe→Pn,反应生成物P像天然放射性元素一样衰变,放出正电子,且伴随产生中微子ν,衰变方程为P→Sieν,则下列说法正确的是              (　　)

A.当温度、压强等条件变化时,放射性元素P的半衰期随之变化

B.中微子的质量数A=0,电荷数Z=0

C.正电子可能是核外电子转变成的

D.约里奥·居里夫妇通过α粒子轰击铝箔的实验发现了中子

2.(2021江苏南通高二下期末)我国研制的全球首座20万千瓦高温气冷堆核电站于2021年4月装料完毕,年底正式发电。该核反应堆用铀235作核燃料,用石墨作慢化剂,用氦气作冷却剂。则              (　　)

A.铀235的核裂变是它自发分裂成两个中等大小的核,同时放出中子

B.裂变产生中等大小的核的比结合能大于铀235核的比结合能

C.石墨在反应堆中的作用是吸收中子,控制反应的速度

D.可用铀238替代铀235作为核燃料

3.(2021安徽六安一中高二下月考)目前人类利用核能都是通过可控制的核裂变反应实现的。下列方程属于核裂变反应方程的是              (　　)

A.UnBaKr+n

B.HeAlPn

C.ThRaHe

D.NHeOH

4.(2021湖北孝感高二下期中)轻核聚变的一个核反应方程为HHHe+X,若已知H的质量为m1H的质量为m2He的质量为m3,X的质量为m4,真空中的光速为c,则下列说法中正确的是              (　　)

AH和H在常温下就能够发生聚变

B.X是质子

C.这个反应释放的核能为ΔE=(m1+m2-m3-m4)c2

D.我国大亚湾核电站是利用轻核的聚变释放的能量来发电的

5.(2020山东济宁一中高二期中)科学家使用核反应获取氚,再利用氘和氚的核反应获得能量,核反应方程分别为X+YHeH+4.9 MeV和HHHe+X+17.6 MeV,下列表述正确的是              (　　)

A.X是质子

B.Y的质子数是3,中子数是6

C.氘和氚的核反应是核聚变反应

D.两个核反应都没有质量亏损

6.(2020吉林通榆一中高二下月考)对于有关中子的研究,下面说法正确的是 (　　)

A.中子等微观粒子都具有波粒二象性

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.核反应方程PoXHe中的y=206,X中核子个数为124

7.(2021重庆实验中学高三三模)下列关于衰变与核反应的说法正确的是 (　　)

A.放射性元素的半衰期随着外界条件(如温度、压强等)的改变而改变

B.核聚变反应方程HHHe+X中的X表示中子

C.β衰变所释放的电子是原子核外的电子电离形成的

D.高速α粒子轰击氮核可产生中子,其核反应方程为HeNOn

8.(2021湖北襄阳五中高三月考)2020年12月4日,我国新一代“人造太阳”装置——中国环流器二号M装置在成都建成并成功放电,为21世纪中叶实现核聚变能应用的目标打下了坚实的基础。“人造太阳”装置中的核反应主要是一个氘核(H)与一个氚核(H)反应生成一个新核,同时放出一个中子,释放核能ΔE。已知真空中光速为c,下列说法正确的是              (　　)

A.H核与H核是两种不同元素的原子核

B.新核的比结合能为

C.一个H核与一个H核反应过程中的质量亏损为

D.一个H核与一个H核反应生成的新核中子数为3

9.(2021江苏苏州高二下测试)如图所示,静止在匀强磁场中的某放射性元素的原子核,当它放出一个α粒子后,其速度方向与磁场方向垂直,测得α粒子和反冲核轨道半径之比为44∶1,则下列说法不正确的是              (　　)

A.α粒子与反冲核的动量大小相等,方向相反

B.原来放射性元素的原子核电荷数为90

C.α粒子的轨迹是半径为R1的圆轨道

D.α粒子和反冲核的速度之比为1∶88

二、多项选择题(本题共4小题,每小题8分,共32分。全选对得8分,选对但不全得4分,选错或不选得0分)

10.(2020浙江东阳中学高二下期中)“嫦娥二号”的任务之一是利用经技术改进的γ射线谱仪探测月球表面各种元素的含量与分布特征。月球表面一些元素(如钍、铀)本身就有放射性,发出γ射线;另外一些元素(如硅、镁、铝)在宇宙射线轰击下会发出γ射线。而γ射线谱仪可以探测到这些射线,从而证明某种元素的存在。下列关于γ射线的说法正确的是              (　　)

A.γ射线经常伴随α射线和β射线产生

B.γ射线来自原子核

C.如果某种元素以单质存在时具有放射性,那么该元素以化合物形式存在时不一定具有放射性

D.γ射线的穿透能力比α射线、β射线都要强

11.(2020河北承德一中高二下月考)下列说法正确的是 (　　)

A.天然放射现象说明原子核内部具有复杂的结构

B.β衰变所释放的电子是原子核内的中子转化成质子时所产生的

C.核力是短程力,与核子间的距离有关,有时表现为引力,有时表现为斥力

D.原子核所含核子单独存在时的总质量等于该原子核的质量

12.(2021福建厦门双十中学高二下月考)下列说法正确的是 (　　)

A.某放射性元素的半衰期为3小时,4个该元素的原子核经过3小时之后变成2个

B.核反应中的质量亏损并非质量消失,而是减少的质量以能量形式辐射出去

C.氢原子吸收一个光子跃迁到激发态后,在向低能级跃迁时放出光子的频率不一定等于入射光的频率

D.铀核裂变的核反应方程为UBaKr+n

13.(2021广东茂名高二下期末)实现核电池小型化、安全可控化一直是人类追求的目标,玉兔二号月球车上除了有太阳能电池板外,还有核电池来提供能量,核电池的原理是将放射性同位素衰变时放出的载能粒子通过换能器转变为电能。玉兔二号月球车核电池的放射源是Pu,其衰变方程为Pu→XHe,钚238的半衰期为88年。已知钚238、α粒子、X的质量分别为m1、m2、m3,真空中的光速为c,下列说法正确的是              (　　)

A.温度升高,钚238的半衰期缩短

B.X的质子数为142

C.一个Pu衰变成X,释放的核能为(m1-m2-m3)c2

D.经过176年后,核电池内剩余钚238的质量变为初始质量的

三、非选择题(本题共2小题,共23分)

14.(10分)(2021江苏扬州高二下期末)历史上第一次利用加速器实现的核反应,是利用加速后的质子H轰击静止的Li,生成两个He。Li和He的结合能分别为E1和E2,质量分别为m1和m2,已知真空中的光速为c。

(1)写出核反应方程;

(2)求出释放的核能ΔE;

(3)求出质子的质量m。

15.(13分)(2020河南郑州中牟一中高二下月考)两个动能均为1 MeV的氘核发生正面碰撞,引起如下反应HHHH。已知H的质量m0=2.013 6 u,H的质量m1=3.015 6 uH的质量m2=1.007 3 u,1 u相当于931.5 MeV的能量。(结果均保留2位有效数字)

(1)此核反应中放出的能量ΔE为多少?

(2)若放出的能量(包括最初的动能和核反应放出的能量)全部变为新生核的动能,则新生的氚核具有的动能是多少?

答案全解全析

第五章　原子核

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1.B　放射性元素的半衰期与外界因素无关,故A错误;根据质量数守恒和电荷数守恒,中微子的质量数A=0,电荷数Z=0,故B正确;正电子是核内的质子转化为中子时放出的,故C错误;查德威克用α粒子轰击铍原子核实验发现了中子,故D错误。

2.B　铀235的核裂变必须要有中子轰击才能分裂成两个中等大小的核,同时放出多个中子,故A错误;因为裂变放出核能,有质量亏损,则产生的中等大小的核的比结合能大于铀235核的比结合能,故B正确;慢中子最容易引发铀核裂变,所以在快中子碰到铀棒前要进行减速,石墨的作用是使中子减速,故C错误;反应堆以铀235为裂变燃料,而在天然铀中占99%的铀238不能被利用,则不可用铀238替代铀235作为核燃料,故D错误。

3.A　选项A的方程为核裂变反应方程,故A正确;选项B、D的方程为原子核的人工转变方程,故B、D错误;选项C的方程为α衰变方程,故C错误。

4.C　 H和H只能在极高温度下才能够发生聚变,选项A错误;根据核反应的质量数守恒和电荷数守恒可知,X的质量数为1,电荷数为0,是中子,选项B错误;根据爱因斯坦质能方程可知,这个反应释放的核能为ΔE=(m1+m2-m3-m4)c2,选项C正确;我国大亚湾核电站是利用重核裂变释放的能量来发电的,选项D错误。

5.C　在HHHe+X+17.6 MeV反应中,根据电荷数守恒、质量数守恒,则X的电荷数为0,质量数为1,可知X是中子,故A错误。根据X+YHeH+4.9 MeV可知,Y的质子数是3,质量数为6,则中子数是3,选项B错误;氘和氚的核反应是核聚变反应,选项C正确;两个核反应都放出能量,则都有质量亏损,选项D错误。

6.A　微观粒子都具有波粒二象性,故A正确;裂变是较重的原子核分裂成较轻原子核的反应,而该反应是较轻的原子核的聚变反应,故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,故C错误;根据质量数守恒可得y=210-4=206,X中核子个数为206,中子数为206-82=124,故D错误。

7.B　半衰期由核内部因素决定,与外部条件(如温度、压强等)无关,故A错误;X的质量数为A=2+3-4=1,电荷数为Z=1+1-2=0,所以X表示中子,故B正确;β衰变是由于原子核内中子转化为一个质子同时释放一个电子,并非原子核外电子电离形成的,故C错误;根据质量数守恒与电荷数守恒,核反应方程为HeNOH,故D错误。

8.C　H核与H核是氢元素的原子核,故A错误;ΔE是氘核和氚核聚变反应中释放的能量,不是核子组成新核释放的能量,即ΔE不是新核的结合能,所以新核的比结合能不是,故B错误;由爱因斯坦质能方程ΔE=Δmc2,可得一个H核与一个H核反应过程中的质量亏损为Δm=,故C正确;由质量数守恒和电荷数守恒可知,一个H核与一个H核聚变反应的方程为HHHen,反应生成的新核是He核,中子数为2,故D错误。

9.D　微粒之间相互作用的过程中遵守动量守恒定律,由于初始总动量为零,则末动量也为零,即α粒子和反冲核的动量大小相等,方向相反,故A正确,不符合题意;释放的α粒子和反冲核均在垂直于磁场的平面内在洛伦兹力作用下做圆周运动,则有Bqv=,解得R=,若原来放射性元素的核电荷数为Q,则对α粒子R1=,对反冲核R2=,由于|p1|=|p2|,R1∶R2=44∶1,解得Q=90,其中α粒子的轨迹是半径为R1的圆轨道,原来放射性元素的原子核电荷数为90,选项B、C正确,不符合题意;粒子的动量为p=mv,由于两粒子动量大小相等,则它们的速度大小与质量成反比,由于不知道两粒子间的质量关系,则无法确定两粒子的速度关系,故D错误,符合题意。

10.ABD　γ射线一般是原子核发生变化时伴随α射线和β射线放出来的,故A、B正确;元素的放射性与其为单质还是化合物无关,故C错误;γ射线本质是高速光子,穿透能力比α射线、β射线都要强,故D正确。

11.ABC　天然放射现象说明原子核内部具有复杂的结构,故A正确;β衰变所释放的电子是原子核内的中子转化成质子时所产生的,故B正确;核力是短程力,在其作用范围内,随核子间距离的变化可以表现为引力也可以表现为斥力,故C正确;由于质量亏损,原子核所含核子单独存在时的总质量大于该原子核的质量,故D错误。

12.BC　半衰期是统计学的概念,对大量的粒子才有意义,故A错误;根据爱因斯坦质能方程,可知核反应中的质量亏损并非质量消失,而是减少的质量以能量形式辐射出去,故B正确;能级跃迁发生在两个定态之间,氢原子吸收一个光子跃迁到激发态后,在向低能级跃迁时可能放出多种频率的光子,不一定等于入射光的频率,故C正确;铀核需要中子撞击才能发生核裂变,故D错误。

13.CD　元素的半衰期是由放射性元素的原子核内部自身因素决定的,与原子所处的物理状态和化学状态均无关,故A错误;根据质量数守恒和电荷数守恒得到X的质子数为92,故B错误;由爱因斯坦质能方程知一个Pu衰变成X释放的核能为ΔE=(m1-m2-m3)c2,故C正确;由半衰期公式可得m余=m0=m0=m0,故D正确。

14.答案　(1)HLi→He　 (2)2E2-E1　(3)-m1+2m2

解析　(1)核反应方程为HLi→He(3分)

(2)释放的核能ΔE=2E2-E1 (3分)

(3)根据ΔE=Δmc2=(m1+m-2m2)c2 (3分)

解得m=-m1+2m2 (1分)

15.答案　(1)4.0 MeV　(2)1.5 MeV

解析　(1)此核反应中的质量亏损

Δm=(2×2.013 6-3.015 6-1.007 3) u=0.004 3 u(2分)

根据E=mc2可得

此核反应中放出的能量为ΔE=0.004 3×931.5 MeV≈4.0 MeV。 (3分)

(2)因碰前两氘核动能相等,相向正碰,则碰前的总动量为零;因核反应中的动量守恒,则碰后氚核和质子的总动量也为零。设其动量分别为p1、p2,必有p1=-p2              (3分)

设碰后氚核和质子的动能分别为Ek1和Ek2,根据Ek=

可得== (3分)

由题可知,新生氚核的动能为Ek1=(2E0+ΔE)=1.5 MeV。 (2分)