人教版高中物理选择性必修第三册第五章原子核质量评估含答案 试卷

第五章质量评估

(时间:75分钟　满分:100分)

一、单项选择题:本题共7小题,每小题4分,共28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.为了探究宇宙起源,“阿尔法磁谱仪”将在太空中寻找“反物质”.“反物质”是由“反粒子”构成的.“反粒子”与其对应的正粒子具有相同的质量和相同的电荷量,但电荷的符号相反.由此可知反氢原子是 (　　)

A.由1个带正电荷的质子和1个带负电荷的电子构成

B.由1个带负电荷的反质子和1个带正电荷的正电子构成

C.由1个带负电荷的反质子和1个带负电荷的电子构成

D.由1个不带电的中子和1个带正电荷的正电子构成

解析:氢原子由一个电子和一个质子组成,根据“反物质”和“反粒子”的概念,可知反氢原子由一个带负电荷的反质子和一个带正电荷的正电子组成,选项B正确.

答案:B

2.在贝克勒尔发现天然放射现象后,人们对射线的性质进行了深入的研究,发现α、β、γ射线的穿透能力不同.下图为这三种射线穿透能力的比较,图中射线①②③分别是 (　　)

A.γ、β、α射线　　　　　　B.β、γ、α射线

C.α、β、γ射线         D.γ、α、β射线

解析:α射线穿透能力最弱,不能穿透比较厚的黑纸,①为α射线;γ射线穿透能力最强,能穿透厚铝板和铅板,③为γ射线;β射线穿透能力较强,能穿透黑纸,但不能穿透厚铝板,②是β射线.选项C正确.

答案:C

3.一个U原子核在中子的轰击下发生一种可能的核裂变反应,其核裂变方程为UnX+Sr+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.因为核裂变时释放能量,根据E=mc2,所以核裂变后的总质量数增加

D.因为核裂变时释放能量,出现质量亏损,所以生成物的总质量数减少

解析:X原子核中的核子数为(235+1)-(94+2)=140,选项B错误.中子数为140-(92-38)=86,选项A正确.核裂变时释放能量,出现质量亏损,但是其总质量数是不变的,选项C、D错误.

答案:A

4.在元素周期表中查到铅的原子序数为82,一个铅原子质量数为207,下列说法正确的是 (　　)

A.铅原子核外有82个电子,核内有207个质子

B.铅原子核外有82个电子,核内有82个质子

C.铅原子核内有82个质子,207个中子

D.铅原子核内有125个核子

解析:在元素周期表中查到铅的原子序数为82,即一个铅原子中有82个质子,由于原子是电中性的,则核外电子有82个.根据质量数等于质子数与中子数之和可知,铅原子核的中子数为207-82=125.选项B正确.

答案:B

5.关于核力,下列说法错误的是 (　　)

A.铅原子的核力是一种特殊的万有引力,存在于原子核内所有的核子间

B.铅原子的原子核内只有相邻的核子间才有核力作用

C.铅原子的核力是原子核能稳定存在而不“分崩离析”的原因

D.铅原子的核力是一种短程强相互作用力,其作用的范围约为10-15 m

解析:核力是仅存在于相邻核子间的短程强相互作用力,而万有引力在任何有质量的物体间都存在,且远小于核力,选项A错误,选项B、D正确.因为强大的核力平衡了原子核内质子间的库仑力,所以原子核能稳定存在,选项C正确.

答案:A

6. (2023·广东)镅241(Am)是火灾自动报警器等设备内重要的放射源.其制备途径的核反应过程表示为:XPu Pu,XPuPuPuYAm.关于此制备过程,下列说法正确的是 (　　)

A.X是质子

B.X是电子

C.Y是质子

D.Y是电子

解析: 根据质量数和电荷数守恒得,X的质量数为1,电荷数为0,则X为中子;根据质量数和电荷数守恒得,Y的质量数为0,电荷数为-1,则Y是电子,故A、B、C错误,D正确.

答案:D

7.下面四幅示意图能正确反映核反应过程的是 (　　)

A                      B

C                      D

解析:核反应过程中,电荷数守恒,质量数守恒,用α粒子轰击氮原子核,发现了质子,其核反应方程为NHeOH,选项A正确,选项B错误.用α粒子轰击铍原子核,发现了中子,其核反应方程为HeBeCn,选项C、D错误.

答案:A

二、多项选择题:本题共3小题,每小题6分,共18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6分,选对但不全的得3分,有选错的得0分.

8.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4个氢核H)结合成1个氦核He).下表中列出了部分粒子的质量,已知1 u相当于931.5 MeV的能量,下列说法正确的是 (　　)

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.核聚变反应过程中释放的能量约为24.8 MeV

解析:根据核反应过程中质量数守恒和电荷数守恒可判断选项A正确,选项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ΔE=Δmc2可知ΔE=24.8 MeV,选项C、D正确.

答案:ACD

9.在某些恒星内,3个α粒子结合成一个CC的质量是12.000 0 u,α粒子的质量是4.002 6 u,已知1 u=1.66×10-27 kg,1 u相当于931.5 MeV的能量,真空中的光速为3.0×108 m/s,电子电荷量为1.6×10-19 C,则 (　　)

A.反应过程中的质量亏损是Δm=0.007 8 u

B.反应过程中的质量亏损是Δm=1.294 8×10-29 kg

C.反应过程中放出的能量约为7.266 MeV

D.反应过程中放出的能量约为1.16×10-19 J

解析:其核反应方程是HeC.其质量亏损为Δm=(3×4.002 6-12.000 0) u=0.007 8 u,选项A正确.Δm=0.007 8×1.66×10-27 kg=1.294 8×10-29 kg,选项B正确.ΔE=0.007 8×931.5 MeV=7.265 7 MeV,选项C正确.ΔE=7.265 7×106×1.6×10-19 J=1.16×10-12 J,选项D错误.

答案:ABC

10.一个静止的放射性原子核处于匀强磁场中,由于发生了衰变而在磁场中形成如图所示的两个圆形径迹,两圆半径之比为1∶16,下列判断正确的是 (　　)

A.该原子核发生了α衰变

B.反冲原子核沿小圆逆时针运动

C.原来静止的核,其原子序数为15

D.放出的粒子与反冲核运动周期相同

解析:衰变后产生的新核即反冲核及放出的带电粒子在匀强磁场中均做匀速圆周运动,轨道半径r=,因反冲核与放出的粒子动量守恒,而反冲核电荷量较大,所以其半径较小,并且反冲核带正电荷,由左手定则可以判定反冲核沿小圆逆时针运动,选项B正确.沿大圆运动的放出的粒子在衰变处由动量守恒可知其向上运动,且顺时针旋转,由左手定则可以判定放出的粒子一定带负电荷,因此,这个衰变为β衰变,放出的粒子为电子,衰变方程为ABe,选项A错误.由两圆的半径之比为1∶16可知,B核的电荷数为16,原来的放射性原子核的电荷数为15,其原子序数为15,即A为P(磷)核,B为S(硫)核,选项C正确.由周期公式T=可知,因电子与反冲核的比荷不同,它们在匀强磁场中做匀速圆周运动的周期不相同,反冲核的周期较大,选项D错误.

答案:BC

三、非选择题:共54分.

11.(6分)核电池又叫“放射性同位素电池”(如图所示),一个硬币大小的核电池,就可以让手机不充电使用5 000年.燃料中钚Pu)是一种人造同位素,可通过下列反应合成.

(1)用氘核H)轰击铀核U)生成镎核Np)和两个相同的粒子X,核反应方程是U+HNp+2X.

(2)镎核Np)放出一个粒子Y后转变成钚核Pu),核反应方程是NpPu+Y.

X粒子的符号为　　　　,Y粒子的符号为　　　　. 

解析:根据质量数守恒和电荷数守恒可得U+HNp+n和NpPue.

答案: (2ne

12.(10分)为了验证ΔE=Δmc2,设计了下面的实验:用动能E1=0.9 MeV的质子去轰击静止的锂核Li,生成两个α粒子,测得这两个α粒子的动能之和E=19.9 MeV.质子、锂7核、α粒子的质量分别是1.007 3 u、7.016 0 u、4.001 5 u.1 u相当于931.5 MeV的能量.

(1)写出该核反应方程式;

(2)计算核反应过程中释放的能量ΔE;

(3)通过计算说明ΔE=Δmc2的正确性.

解析:可先计算核反应过程中的质量亏损Δm,再根据ΔE=Δmc2计算出核反应中释放的能量ΔE,并建立一个理想模型.释放的能量全部转化为系统的动能,计算出核反应中系统的动能的增加量E-E1.在误差允许的范围内,只要释放的能量ΔE与系统的动能的增加量E-E1近似相等,即可说明ΔE=Δmc2是正确的.

(1)根据质量数、电荷数守恒写出核反应方程.

(2)核反应过程中的质量亏损

Δm=(1.007 3+7.016 0-2×4.001 5) u=0.020 3 u,

根据ΔE=Δmc2计算出核反应中释放的能量

ΔE=0.020 3×931.5 MeV=18.9 MeV.

(3)由实验知反应前后系统增加的动能是

E-E1=(19.9-0.9) MeV=19.0 MeV,

这与核反应中释放的核能在误差允许的范围内近似相等,证明了方程ΔE=Δmc2是正确的.

答案: (1HLiHe　(2)18.9 MeV　(3)见解析.

13.(10分)钚的放射性同位素Pu静止时衰变为铀核U和α粒子,并放出能量为0.097 MeV的γ光子.已知Pu核U核、α粒子的质量分别为mPu=239.052 1 u,mU=235.043 9 u,mα=4.002 6 u,1 u相当于931.5 MeV的能量.

(1)写出衰变方程;

(2)若衰变放出光子的动量可忽略,求α粒子的动能.

解析: (1)核反应过程中,电荷数守恒,质量数守恒.衰变方程为PuUHe+γ.

(2)衰变过程中,质量亏损,释放核能,放出的能量转化为铀核的动能EkU、α粒子的动能Ekα和γ光子的能量Eγ.

EkU+Ekα+Eγ=(mPu-mU-mα)c2,

衰变过程中,系统动量守恒,设铀核和α粒子的速度分别为vU和vα,则由动量守恒有

mUvU=mαvα,

根据动量和动能的关系可知p=,

则=,

解得α粒子的动能Ekα=5.03 MeV.

答案: (1PuUHe+γ　(2)5.03 MeV

14.(14分)用速度几乎是0的慢中子轰击静止的硼核B),产生锂核Li)和α粒子.已知中子质量mn=1.008 665 u,硼核质量mB=10.016 77 u,锂核质量mLi=7.018 22 u,α粒子质量mα=4.002 60 u.1 u相当于931.5 MeV的能量.

(1)写出该反应的核反应方程.

(2)求出该反应放出的能量ΔE.

(3)若核反应中放出的能量全部变成生成核的动能,则锂核和α粒子的动能各是多少?

解析:根据质量数和电荷数守恒写出核反应方程,由质量亏损及物体的质量与能量的关系求出核能,再由动量守恒和能量守恒求出锂核和α粒子的动能.

(1)核反应方程为BnLiHe.

(2)核反应过程中的质量亏损为

Δm=(10.016 77 u+1.008 665 u)-(7.018 22 u+4.002 60 u)=0.004 615u,

释放出的能量为

ΔE=0.004 615×931.5 MeV≈4.30 MeV.

(3)根据动量守恒定律有mLivLi=mαvα,

由动能计算式得EkLi=mLi,

Ekα=mα,联立有=,

根据能量守恒有EkLi+Ekα=ΔE=4.30 MeV,

解得EkLi=1.56 MeV,Ekα=2.74 MeV.

答案: (1BnLiHe　(2)4.30 MeV  (3)1.56 MeV　2.74 MeV

15.(14分)太阳能不仅包括直接射到地球表面的太阳辐射能,还包括所有的化石燃料的化学能、水能、风能、海洋能等间接的太阳能,还应包括绿色植物的光合作用固定下来的能量,即生物质能.严格地说,除了地热能和原子核能地球上所有其他能源全部来自太阳能,这也被称为“广义太阳能”,以便与仅指太阳辐射能的“狭义太阳能”相区别.

(1)太阳内部持续不断地发生着四个质子聚变为一个氦核的热核反应,这种核反应释放出的能量就是太阳能.其核反应方程是　　　　　　　　　　　　　.若mH=1.007 3 u,mα=4.002 6 u,me=0.000 55 u,则该反应中发生的质量亏损是　　　　u.如果1 u相当于931.5 MeV的能量,那么该反应中释放的能量是　　　　MeV.由于核反应中的质量亏损,太阳的质量缓慢减小,假设地球公转半径不变,与现在相比,在很久很久以前,地球公转的周期　　　　(选填“较长”“较短”或“没有变化”). 

(2)利用光电转换可以将太阳能转化为电能.若地球附近某空间站上的太阳能电池接收板的面积是S,光电转化效率为η.已知太阳辐射的总功率为P,太阳辐射穿过太空的能量损失忽略不计,光速为c,太阳光射到空间站经历的时间是t,试求该太阳能电池能够输出的最大电功率.

解析: (1)核反应方程为HHe+e.该核反应的质量亏损为Δm=4mH-mα-2me=4×1.007 3 u-4.002 6 u-2×0.000 55 u=0.025 5 u;该核反应释放的能量为ΔE=0.025 5×931.5 MeV=23.75 MeV.

在很久很久以前,太阳质量比现在的大,太阳与地球间的万有引力比现在的大,由F=mr可知,很久很久以前,地球公转的周期较短.

(2)以太阳为中心,以太阳、空间站间距离r为半径作一个球面,其表面积S球=4πr2,r=ct,

设接收板上获得的辐射功率为P',当其正对太阳光时,获得功率最大,则=,

联立求解可得P'=,

则太阳能电池能够输出的最大功率

Pm=ηP'=.

答案: (1)HHe+e　0.025 5　23.75　较短

(2)