高考物理一轮复习课时分层练习12.3《放射性元素的衰变　核能》(含答案详解)

课时分层作业  三十五

放射性元素的衰变　核能

(45分钟　100分)

选择题(本题共16小题,共100分。1～10题为单选题,11～16题为多选题,1～12题每小题6分,13～16题每小题7分)

1.关于原子核,下列说法中错误的是 (　　)

A.原子核的结合能等于使其完全分解成自由核子时所吸收的能量

B.所有核子之间都有核力

C.核子结合成原子核时会出现质量亏损,质量亏损所对应的能量即为核反应释放的核能

D.比结合能越大原子核越稳定

【解析】选B。原子核的结合能等于使其完全分解成自由核子所需吸收的能量,故A项正确;核力是短程力,只有相邻核子之间才有核力,故B项错误;自由核子组成原子核时,其质量亏损所对应的能量等于该原子核的结合能,故C项正确;比结合能越大,原子核越稳定,故D项正确。

2.(洛阳模拟)如图所示为研究某未知元素放射性的实验装置,实验开始时在薄铝片和荧光屏之间有图示方向的匀强电场E,通过显微镜可以观察到,在荧光屏的某一位置上每分钟闪烁的亮点数。若撤去电场后继续观察,发现每分钟闪烁的亮点数没有变化;如果再将薄铝片移开,观察到每分钟闪烁的亮点数大大增加,由此可以判断,放射源发出的射线可能为              (　　)

A.β射线和γ射线　　　  B.α射线和β射线

C.β射线和X射线    D.α射线和γ射线

【解析】选D。三种射线中α射线和β射线带电,进入电场后会发生偏转,而γ射线不带电,不受电场力,电场对它没有影响,在电场中不偏转。由题,将电场撤去,从显微镜内观察到荧光屏上每分钟闪烁亮点数没有变化,可知射线中含有γ射线。再将薄铝片移开,则从显微镜筒内观察到的每分钟闪烁亮点数大为增加,根据α射线的特性:穿透本领最弱,一张纸就能挡住,分析得知射线中含有α射线,故放射源所发出的射线可能为α射线和γ射线,故D项正确。

【加固训练】

(庆阳模拟)如图甲是α、β、γ三种射线穿透能力的示意图,图乙是工业上利用射线的穿透性来检查金属内部伤痕的示意图,请问图乙中的检查利用的是              (　　)

A.α射线　　　　  B.β射线

C.γ射线     D.三种射线都可以

【解析】选C。α、β、γ三种射线中α射线电离能力最强,γ射线穿透能力最强,因此用γ射线来检查金属内部的伤痕,故选C。

3.(肇庆模拟U的衰变有多种途径,其中一种途径是先衰变成Bi,然后可以经一次衰变变成X(X代表某种元素),也可以经一次衰变变成Ti,最后都衰变变成Pb,衰变路径如图所示,下列说法中正确的是             

 (　　)

A.过程①是β衰变,过程③是α衰变;过程②是β衰变,过程④是α衰变

B.过程①是β衰变,过程③是α衰变;过程②是α衰变,过程④是β衰变

C.过程①是α衰变,过程③是β衰变;过程②是β衰变,过程④是α衰变

D.过程①是α衰变,过程③是β衰变;过程②是α衰变,过程④是β衰变

【解析】选B。Bi经过①变化为X,质量数没有发生变化,为β衰变,经过③变化为Pb,质量数少4,为α衰变,过程②变化为Ti,电荷数少2,为α衰变,过程④的电荷数增加1,为β衰变。故B项正确。

4.(长春模拟)2017年1月9日,大亚湾反应堆中微子实验工程获得国家自然科学一等奖。大多数原子核发生核反应的过程中都伴着中微子的产生,例如核裂变、核聚变、β衰变等。下列关于核反应的说法正确的是              (　　)

A.Th衰变为Rn,经过3次α衰变,2次β衰变

BHHHen是α衰变方程ThPae是β衰变方程

CUnBaKr+n是核裂变方程,也是氢弹的核反应方程

D.高速运动的α粒子轰击氮核可从氮核中打出中子,其核反应方程为HeNOn

【解析】选A。Th衰变为Rn,经过3次α衰变,2次β衰变,故A正确;

HHHen是核聚变方程,ThPae是β衰变方程,故B错误;

UnBaKr+n是核裂变方程,不是氢弹的核反应方程,故C错误;高速运动的α粒子轰击氮核可从氮核中打出质子,其核反应方程为HeN

OH,故D错误。

5.(衡水模拟)碳14可以用来作示踪剂标记化合物,也常在考古学中测定生物死亡年代,在匀强电场中有一个初速度可以忽略的放射性碳14原子核,它所放射的粒子与反冲核经过相等的时间所形成的径迹如图所示,a、b均表示长度,那么碳14的衰变方程可能为              (　　)

ACHe + Be   BCe + B

CCe + N   DCH +B

【解析】选A。对图线分析,根据类平抛运动,对放射出的粒子1有v1t=b,

·t2=4b,对反冲核2有v2t=a,·t2=2a,又根据动量守恒定律可得m1v1=m2v2,联立解得q1=2q2,故A项正确。

6.轻核的聚变反应会释放大量的能量,同时核聚变产物一般不会污染环境,是人类获得能源的理想方式。核聚变反应过程主要是以下四种

HHHe+X1+3.27 MeV

HHH+X2+4.04 MeV

HHHe+X3+17.85 MeV

HHeHe+X4+18.34 MeV

对上面的反应中的X1、X2、X3、X4,属于中子的是

  (　　)

A.X1、X2、X3、X4   B.X2、X3、X4

C.X3、X4     D.X1、X3

【解析】选D。 HHHe+X1+3.27 MeV中,X1的质量数:A=2+2-3=1,电荷数:Z=1+1-2=0,所以X1是中子HHH+X2+4.04 MeV,X2的质量数:A=2+2-3=1,电荷数:Z=1+1-1=1,所以X2是质子,不是中子HHHe+X3+17.85 MeV,X3的质量数:A=2+3-4=1,电荷数:Z=1+1-2=0,所以X3是中子HHeHe+X4+

18.34 MeV,X4的质量数:A=2+3-4=1,电荷数:Z=1+2-2=1,所以X4不是中子,是质子;故D项正确,A、B、C项错误。

7.(南昌模拟)一个静止的放射性同位素的原子核P衰变为Si,另一个静止的天然放射性元素的原子核Th衰变为Pa,在同一磁场中,得到衰变后粒子的运动径迹1、2、3、4,如图所示,则这四条径迹依次是              (　　)

A.图中1、2为Th衰变产生的Pa和e的轨迹,其中1是电子e的轨迹

B.图中1、2为P衰变产生的Si和e的轨迹,其中2是正电子e的轨迹

C.图中3、4是P衰变产生的Si和e的轨迹,其中3是正电子e的轨迹

D.图中3、4轨迹中两粒子在磁场中旋转方向相反

【解题指导】解答本题应注意以下两个方面:

(1)原子核衰变过程产生的粒子和新核遵循动量守恒定律;

(2)原子核衰变过程产生的粒子和新核在匀强磁场中做匀速圆周运动,洛伦兹力提供向心力,由牛顿第二定律得:qvB=m,则半径r==。

【解析】选C。放射性元素放出正电子时,正粒子与反冲核的速度方向相反,而电性相同,则两个粒子受到的洛伦兹力方向相反,两个粒子的轨迹应为外切圆;而放射性元素放出β粒子时,β粒子与反冲核的速度方向相反,而电性相反,则两个粒子受到的洛伦兹力方向相同,两个粒子的轨迹应为内切圆。放射性元素放出粒子时,两带电粒子的动量守恒。由半径公式r==,可得轨迹半径与动量成正比,与电量成反比,而正电子和β粒子的电量比反冲核的电量小,则正电子和β粒子的半径比反冲核的半径都大,故轨迹1、2、3、4依次是Pa、电子、正电子Si;由上分析,可知,故C项正确,A、B、D项错误。

8.某核反应方程为HHHe+X。已知(1 u=931 MeV)H的质量为2.013 6 uH的质量为3.018 0 uHe的质量为4.002 6 u,X的质量为1.008 7 u,则下列说法中正确的是              (　　)

A.X是中子,该反应释放能量,放出18.27×1016 J 能量

B.X是中子,该反应释放能量,放出18.90 MeV能量

C.X是质子,该反应吸收能量,吸收18.90 MeV能量

D.X是中子,该反应吸收能量,吸收18.27×1016 J 能量

【解析】选B。核反应方程为HHHe+X,根据核反应方程质量数和核电荷数守恒得:X的质量数为1,核电荷数为0。所以X是中子。反应前质量为:

2.013 6 u+3.018 u=5.031 6 u,反应后质量为:4.002 6 u+1.008 7 u=5.011 3 u,反应过程质量亏损为:Δm=5.031 6 u-5.011 3 u=0.020 3 u,反应过程释放的能量:ΔE=0.020 3×931 MeV=18.899 3 MeV≈18.90 MeV,故A、C、D项错误,B项正确。

9.静止的氡核Rn放出α粒子后变成钋核Po,α粒子动能为Eα。若衰变放出的能量全部变为反冲核和α粒子的动能,真空中的光速为c,则该反应中的

质量亏损为 (　　)

A.·     B.0

C.·     D.·

【解析】选C。设α粒子的质量为m1,反冲核的质量为m2,反冲核的速度大小为v′,则根据动量守恒定律可得:m1v=m2v′,得:==,α粒子动能为Eα=×

m1×v2,反冲核的动能E′=×m1×(v)2=Eα,则释放的总动能为:Eα+Eα

=Eα,根据能量守恒,则释放的核能E=Eα,根据爱因斯坦质能方程:Eα=

Δmc2,得:Δm=;故选C。

【加固训练】

(抚州模拟)运动的原子核X放出α粒子后变成静止的原子核Y。已知原子核X、α粒子的质量分别是M、m,α粒子的动能为E,真空中的光速为c,α粒子的速度远小于光速。则在上述核反应中的质量亏损是              (　　)

A.E　　　　　  B.E

C.E    D.E

【解析】选B。核反应中动量守恒,有:mvα=MvX,α粒子的动能为E=m,根据能量守恒得,ΔE=m-M,由爱因斯坦质能方程得,ΔE=Δmc2,联立解得

Δm=E,故B项正确,A、C、D项错误。

10.(龙岩模拟)原子核的平均结合能与原子序数有如图所示的关系。下列关于原子核结构和核反应的说法中正确的是              (　　)

A.原子核a和b聚变成原子核c时会有质量亏损,要放出能量

B.原子核f裂变成原子核d和e时会有质量增加,要吸收能量

C.原子核c中核子的平均质量要比原子核b的大

D.原子核f中核子的平均质量要比原子核e的小

【解析】选A。由图可知,a、b的平均结合能小于c,原子核a和b聚变成原子核c时会有质量亏损,要放出能量,故A项正确;原子核f裂变成原子核d和e时,有质量亏损,放出能量,故B项错误;a、b聚变成c时有质量亏损,可知原子核c中核子的平均质量小于b,故C项错误;f裂变成d和e时,有质量亏损,可知f中核子的平均质量比原子核e的大,故D项错误。

【加固训练】

如图所示是描述原子核核子的平均质量与原子序数Z的关系曲线,由图可知下列说法正确的是              (　　)

A.将原子核A分解为原子核B、C可能吸收能量

B.将原子核D、E结合成原子核F可能吸收能量

C.将原子核A分解为原子核B、F一定释放能量

D.将原子核F、C结合成原子核B一定释放能量

【解析】选C。若原子核A分裂成原子核B、C,有质量亏损,根据爱因斯坦质能方程,有能量释放,故A项错误;由图可知原子核D、E结合成原子核F,有质量亏损,根据爱因斯坦质能方程,有能量释放,故B项错误;将原子核A分解为原子核B、F,有质量亏损,根据爱因斯坦质能方程,有能量释放,故C项正确;F与C的平均质量小于B的平均质量,所以若原子核F、C结合成原子核B,则质量增加,根据爱因斯坦质能方程,要吸收能量,故D项错误。

11.由于放射性元素Np的半衰期很短,所以在自然界一直未被发现,只是在使用人工的方法制造后才被发现。已知Np经过一系列α衰变和β衰变后变成Bi,下列论断中正确的是              (　　)

A.衰变过程中原子核的质量和电荷量守恒

BBi的原子核比Np的原子核少18个中子

C.衰变过程中共发生了7次α衰变和4次β衰变

D.经过两个半衰期后含有Np的矿石的质量将变为原来的四分之一

【解析】选B、C。衰变过程中原子核的质量数和电荷数守恒,质量会有亏损,故A项错误Bi的中子数为209-83=126Np的中子数为237-93=144;故Bi的中子数比Np的中子数少144-126=18,故B正确;Np经过一系列α衰变和β衰变后变成Bi,设α衰变次数为m,β衰变次数为n;则4m=237-209,

2m-n=93-83,解得m=7,n=4,故C项正确;经过两个半衰期后矿石中Np的质量将变为原来的四分之一,故D项错误。

12.下列说法正确的是 (　　)

AHHHen是α衰变

BUnXeSr+n是裂变

CRaRnHe是α衰变

DNaMge是裂变

【解题指导】解答本题应注意以下两个方面:

(1)掌握衰变的实质,裂变、聚变和原子核的人工转变等方程式的特点。

(2)书写核反应方程时应遵循质量数、核电荷数守恒。

【解析】选B、C。此式是聚变反应,故A项错误;裂变是质量较大的核裂变成质量中等的核,故B项正确;α衰变生成氦原子核,故C项正确;β衰变生成电子,故D项错误。

13.(新余模拟)放射性物质碘131的衰变方程为IXe+Y。根据有关放射性知识,下列说法正确的是              (　　)

A.生成的Xe处于激发态,放射γ射线。γ射线的穿透能力最强,电离能力也最强

B.若I的半衰期大约是8天,取4个碘原子核,经16天就只剩下1个碘原子核了

C.Y粒子为β粒子

DI中有53个质子和131个核子

【解析】选C、D。生成的Xe处于激发态,还会放射γ射线。γ射线的穿透能力最强,γ射线是高能光子,即高能电磁波,它是不带电的,所以γ射线的电离作用很弱,故A项错误;半衰期是一个统计规律,只对大量的原子核才适用,对少数原子核是不适用的。所以,若取4个碘原子核,经16天剩下几个碘原子核无法预测,故B项错误;反应方程中IXe+Y,根据衰变过程中质量数和电荷数守恒,Y粒子为β粒子,故C项正确;电荷数等于质子数,可知I中有53个质子,131表示质量数即核子数,故D项正确。

14.PET(正电子发射型计算机断层显像)的基本原理是:将放射性同位素O注入人体,参与人体的代谢过程O在人体内衰变放出正电子,与人体内负电子相遇而湮灭转化为一对光子,被探测器探测到,经计算机处理后产生清晰的图象。根据PET原理,下列说法正确的是              (　　)

A.O衰变的方程式为ONe

B.将放射性同位素O注入人体O的主要用途作为示踪原子

C.一对正负电子湮灭后也可能只生成一个光子

D.PET中所选的放射性同位素的半衰期应较长

【解析】选A、B。由质量数守恒和电荷数守恒得O的衰变的方程式是ONe,故A项正确;将放射性同位素O注入人体O的主要用途作为示踪原子,故B项正确;正负电子湮灭生成两个光子,故C项错误;氧在人体内的代谢时间不长,因此PET中所选的放射性同位素的半衰期应较短,故D项错误。

15.一静止的铝原子核Al俘获一速度为1.0×107 m/s 的质子p后,变为处于激发态的硅原子核Si*,下列说法正确的是              (　　)

A.核反应方程为pAlSi*

B.核反应过程中系统能量不守恒

C.核反应前后核子数相等,所以生成物的质量等于反应物的质量之和

D.硅原子核速度的数量级为105 m/s,方向与质子初速度方向一致

【解析】选A、D。根据质量数和电荷数守恒可得核反应方程pAlSi*,A正确;核反应过程中系统能量守恒,B错误;由于反应过程中,要释放大量的能量,即伴随着质量亏损,所以生成物的质量小于反应物的质量之和,C错误;由动量守恒可知mv=28mv′,解得v′=×107 m/s,故数量级为105 m/s,D正确。

16.月球土壤里大量存在着一种叫作“氦3He)”的化学元素,是核聚变的重要原料之一。科学家初步估计月球上至少有100万吨“氦3”,如果相关技术开发成功,将可为地球带来取之不尽的能源。关于“氦3”与“氘核H)”聚变生成“氦4He)”,下列说法中正确的是              (　　)

A.该核反应方程式为HeHHeH

B.核反应生成物的质量将大于参加的反应物的质量

C.该核反应出现质量亏损,释放能量

D.因为“氦3”比“氦4”的比结合能小,所以“氦3”比“氦4”稳定

【解析】选A、C。该核反应方程为HeHHeH,电荷数守恒,质量数守恒,故A正确;关于“氦3He)”与“氘核H)”聚变生成“氦4He)”和质子,有大量的能量放出,根据爱因斯坦质能方程,知有质量亏损,生成物的质量小于参加的反应物的质量,故B错误,C正确;比结合能越大,原子核越稳定,故D错误。