高中物理人教版 (2019)选择性必修 第三册5 “基本”粒子习题

这是一份高中物理人教版 (2019)选择性必修 第三册5 “基本”粒子习题，共60页。试卷主要包含了选择题，非选择题等内容，欢迎下载使用。
基础达标练
一、选择题
1．现有三个核反应方程：①eq \\al(24,11)Na→eq \\al(24,12)Mg＋eq \\al( 0,－1)e；②eq \\al(235, 92)U＋eq \\al(1,0)n→eq \\al(141, 56)Ba＋eq \\al(92,36)Kr＋3eq \\al(1,0)n；③eq \\al(2,1)H＋eq \\al(3,1)H→eq \\al(4,2)He＋eq \\al(1,0)n。下列说法正确的是( C )
A．①是裂变，②是β衰变，③是聚变
B．①是聚变，②是裂变，③是β衰变
C．①是β衰变，②是裂变，③是聚变
D．①是β衰变，②是聚变，③是裂变
解析：裂变是重核变为中等质量的核，②是裂变；β衰变的结果是释放电子，①是β衰变；聚变是质量较小的核结合成质量较大的核，③是聚变。C正确。
2．核能发电被视为人类解决能源问题的终极方案，目前我国在核能发电应用和研究方面都处于国际一流水平，以下关于轻核聚变和重核裂变的说法正确的是( C )
A．经轻核聚变过程后核子的平均质量增大
B．经重核裂变过程后原子核的比结合能减小
C．经轻核聚变过程后原子核的比结合能增大
D．目前我国核电站主要利用轻核聚变释放的能量来发电
解析：轻核聚变和重核裂变时，核子的平均质量都将减小，故A错误；轻核聚变和重核裂变都是从比结合能小的原子核向比结合能大的原子核方向反应，有质量亏损，释放核能，故B错误，C正确；目前我国核电站主要利用重核裂变释放的能量来发电，故D错误。
3．下列核反应方程中，属于重核裂变的是( D )
A．卢瑟福发现质子的核反应方程：eq \\al(14, 7)N＋eq \\al(4,2)He→eq \\al(17, 8)O＋eq \\al(1,1)H
B．贝克勒尔发现天然放射现象，其中的一种核反应方程：eq \\al(234, 90)Th→eq \\al(234, 91)Pa＋eq \\al( 0,－1)e
C．太阳中发生的热核反应，一种典型的核反应方程：eq \\al(2,1)H＋eq \\al(3,1)H→eq \\al(4,2)He＋eq \\al(1,0)n
D．核电站可控的链式反应中，一种典型的核反应方程：eq \\al(235, 92)U＋eq \\al(1,0)n→eq \\al(144, 56)Ba＋eq \\al(89,36)Kr＋3eq \\al(1,0)n
解析： A选项中的方程是人工转变核反应方程，故A错误；B选项中的方程是β衰变方程，故B错误；C选项中的方程是轻核聚变方程，故C错误；裂变是质量较大的核分裂成较轻的核，可知D选项中的方程为重核裂变方程，故D正确。
4．核动力潜艇是潜艇的一种类型，指以核反应堆为动力来源设计的潜艇。在核反应中有一种是eq \\al(235, 92)U原子核在中子的轰击下发生的一种可能的裂变反应，其裂变方程为eq \\al(235, 92)U＋eq \\al(1,0)n→X＋9438Sr＋10eq \\al(1,0)n，则下列叙述正确的是( A )
A．X原子核中含有54个质子
B．X原子核中含有53个中子
C．裂变时释放能量，但总质量没有改变
D．裂变时释放能量，出现质量亏损，质量数不守恒
解析： 由核反应方程的质量数守恒和电荷数守恒可知，X原子核中含有54个质子，78个中子，故A正确，B、D错误；核裂变反应中有质量亏损，亏损的质量以能量的形式释放，C错误。
5．(2022·安徽省明光中学高二下学期月考)如图是核反应堆的示意图，对于核反应堆的认识，下列说法正确的是( D )
A．铀棒是核燃料，核心物质是铀238
B．石墨起到吸收中子的作用
C．镉棒起到使中子减速的作用
D．水泥防护层的作用是为了阻隔γ射线，避免放射性危害
解析：铀棒是核燃料，核心物质是铀235，选项A错误；在核反应堆中用石墨做慢化剂使中子减速，镉棒起到吸收中子的作用，选项B、C错误；水泥防护层的作用是为了阻隔γ射线，避免放射性危害，选项D正确。
6．(多选)下列说法正确的是( ACD )
A．目前还未发现媒介子、轻子和夸克这三类粒子的内部结构
B．自然界存在着的能量守恒定律、动量守恒定律及电荷守恒定律，对基本粒子不适用
C．反粒子和与其对应的粒子相遇时，会发生湮灭现象
D．强子是参与强相互作用的粒子，质子是最早发现的强子
解析： 媒介子、轻子和夸克在现代实验中还没有发现其内部结构，故A正确；能量守恒定律等对基本粒子也适用，故B错误；反粒子和与其对应的粒子带等量异种电荷，它们相遇时会发生湮灭现象，故C正确；质子是最早发现的强子，故D正确。
7．(多选)(2023·浙江杭州模拟)据国内媒体报道，中国南海“充电宝”的构想即将实现，大陆第一座海上浮动核电站即将建设完成。据专家透露，中国计划建造20个海上浮动核电站，主要用于海水淡化、资源开发以及为护航潜艇和南海各地区供电。此类核电站采用的是“核裂变”技术，eq \\al(235, 92)U受中子轰击时会发生裂变，产生eq \\al(144, 56)Ba和eq \\al(89,36)Kr，同时放出能量，已知每个铀核裂变时释放的能量约为200 MeV，阿伏加德罗常数取NA＝6.0×1023 mL－1。则下列说法中正确的是( CD )
A．核反应方程为：eq \\al(235, 92)U→eq \\al(144, 56)Ba＋eq \\al(89,36)Kr＋2eq \\al(1,0)n
B．eq \\al(144, 56)Ba的结合能比eq \\al(235, 92)U的结合能大
C．只有铀块的体积不小于临界体积时才能发生链式反应
D．若有1 mL的铀发生核反应，且核裂变释放的能量一半转化为电能，则产生的电能约为9.6×1012 J
解析： 根据质量数守恒与电荷数守恒可知核反应方程为：eq \\al(235, 92)U＋eq \\al(1,0)n→eq \\al(144, 56)Ba＋eq \\al(89,36)Kr＋3eq \\al(1,0)n，故A错误；由于核裂变的过程中释放能量，可知eq \\al(144, 56)Ba的比结合能比eq \\al(235, 92)U的比结合能大，但结合能较小，故B错误；根据发生链式反应的条件知铀块的体积不小于临界体积，故C正确；由质能方程可计算产生的电能为核裂变释放的能量：E＝eq \f(1,2)NA×200×106×1.6×10－19 J＝eq \f(1,2)×6.0×1023×200×106×1.6×10－19 J＝9.6×1012 J，故D正确。
二、非选择题
8．(2023·湖北黄冈高二下期末)2021年1月，福清核电厂5号机组正式投入商业运行，这标志着我国核能发电装机容量突破5 000万千瓦。核反应方程eq \\al(235, 92)U＋eq \\al(1,0)n→eq \\al(141, 56)Ba＋eq \\al(92,36)Kr＋3eq \\al(1,0)n是核电站反应堆中发生的许多反应中的一种，mU、mBa、mKr、mn分别表示eq \\al(235, 92)U、eq \\al(141, 56)Ba、eq \\al(92,36)Kr和中子的质量，光速为c。
(1)求上述反应中一个eq \\al(235, 92)U核裂变释放的核能；
(2)若核能转化为电能的效率为50%，假设反应堆中裂变全是上述核反应，已知每次核反应中放出的核能E1＝2.8×10－11 J，eq \\al(235, 92)U核的质量约为mU＝3.9×10－25 kg，估算目前我国核电站平均每天最多消耗的纯净铀的质量(结果保留两位有效数字)。
答案：(1)(mU－mBa－mKr－2mn)c2
(2)1.2×102 kg
解析：(1)质量亏损为Δm＝mU－mBa－mKr－2mn，
释放的核能为ΔE＝Δmc2＝(mU－mBa－mKr－2mn)c2。
(2)目前我国每天的核电能量为E0＝Pt＝4.32×1015 J，
则每天消耗的核能为E总＝eq \f(E0,η)＝8.64×1015 J，
则每天发生核反应的eq \\al(235, 92)U核个数为N＝eq \f(E总,E1)，
每天消耗的纯净铀质量为：M＝NmU＝1.2×102 kg。
能力提升练
一、选择题
1．(2023·江西重点中学协作体高三二模)核电池是一种核动力装置，里面装有放射性元素。某种国产核电池利用eq \\al(238, 94)Pu衰变为eq \\al(234, 92)U释放能量，可连续几十年提供稳定的电能。下列说法正确的是( B )
A．eq \\al(238, 94)Pu发生α衰变的方程为eq \\al(238, 94)Pu→eq \\al(234, 94)U＋eq \\al(3,2)He
B．核反应生成物中的α粒子具有很强的电离本领，但穿透能力很弱
C．当温度升高，eq \\al(238, 94)Pu衰变的半衰期将变大
D．核反应前后核子数相等，所以生成物的质量之和等于反应物的质量之和
解析： 根据质量数守恒与电荷数守恒可知衰变方程为eq \\al(238, 94)Pu→eq \\al(234, 92)U＋eq \\al(4,2)He，故A错误；核反应生成物中的α粒子具有很强的电离本领，但穿透能力很弱，故B正确；半衰期是由放射性元素本身决定的，与环境温度无关，故C错误；此核反应过程中存在质量亏损，故D错误。
2．(多选)由中国提供的永磁体阿尔法磁谱仪原理如图所示，它由航天飞机携带升空，安装在国际空间站中，主要使命是探索宇宙中的反物质。所谓反物质，即质量与正粒子相等，电荷量与正粒子相等但电性相反，例如反质子为eq \\al( 1,－1)H。假设一束由质子、反质子、α粒子和反α粒子组成的射线，沿OO′进入匀强磁场B2，形成4条径迹，则( AC )
A．1、2为反粒子的径迹 B．3、4为反粒子的径迹
C．2为反α粒子的径迹 D．4为反α粒子的径迹
解析： 由题图可知，粒子先在速度选择器中沿OO′做匀速直线运动(重力忽略不计)，四种粒子的速度大小相等，方向相同。它们进入同一匀强磁场后受到洛伦兹力作用而做匀速圆周运动，根据左手定则可知反粒子刚进入磁场B2时受到的洛伦兹力方向向左，故1、2是反粒子的径迹，选项A正确，B错误；根据r＝eq \f(mv,Bq)可知反α粒子的半径较大，故2为反α粒子的径迹，选项C正确，D错误。
3．20世纪60年代，我国以国防为主的尖端科技取得了突破性的发展。1964年，我国第一颗原子弹试爆成功；1967年，我国第一颗氢弹试爆成功。关于原子弹和氢弹，下列说法正确的是( C )
A．原子弹和氢弹都是根据核裂变原理研制的
B．原子弹和氢弹都是根据核聚变原理研制的
C．原子弹是根据核裂变原理研制的，氢弹是根据核聚变原理研制的
D．原子弹是根据核聚变原理研制的，氢弹是根据核裂变原理研制的
解析： 原子弹是利用重核裂变的链式反应能在极短时间内释放出巨大能量的原理制成的，氢弹是利用轻核的聚变制成的，故A、B、D错误，C正确。
4．“轨道电子俘获”是放射性同位素衰变的一种形式，它是指原子核(称为母核)俘获一个核外电子，使其内部的一个质子变为中子，并放出一个中微子，从而变成一个新核(称为子核)的过程。中微子的质量远小于质子的质量，且不带电，很难被探测到，人们最早就是通过核的反冲而间接证明中微子的存在的。一个静止的原子核发生“轨道电子俘获”，衰变为子核并放出中微子，下列说法正确的是( B )
A．母核的质量数小于子核的质量数
B．母核的电荷数大于子核的电荷数
C．子核的动量与中微子的动量相同
D．子核的动能大于中微子的动能
解析：原子核(称为母核)俘获一个核外电子，使其内部的一个质子变为中子，并放出一个中微子，从而变成一个新核(称为子核)的过程。电荷数少1，质量数不变，故A错误，B正确；原子核(称为母核)俘获电子的过程中动量守恒，初状态系统的总动量为0，则子核的动量和中微子的动量大小相等，方向相反，故C错误；子核的动量大小和中微子的动量大小相等，由于中微子的质量很小，根据Ek＝eq \f(p2,2m)，知中微子的动能大于子核的动能，故D错误，故选B。
5．(2023·河南名校联盟高三下月考)太阳内部的核聚变可以释放出大量的能，这些能以电磁辐射的形式向四面八方辐射出去，其总功率达到P0＝3.8×1026 W。设太阳上的热核反应是4个质子聚合成1个氦核同时放出2个中微子(质量远小于电子质量，穿透能力极强的中性粒子，可用ν表示)和另一种带电粒子(用eq \\al(0,1)e表示)，且知每一次这样的核反应质量亏损为5.0×10－29 kg，已知真空中的光速c＝3×108 m/s，电子的电荷量e＝1.6×10－19 C，则每秒钟太阳产生中微子的个数约为( D )
A．8×1037个 B．8×1038个
C．2×1037个 D．2×1038个
解析： 根据爱因斯坦质能方程，得E0＝Δmc2＝5.0×10－29×(3×108)2 J＝4.5×10－12 J，每秒太阳发生的核反应的次数n＝eq \f(ΔE,E0)＝eq \f(P0Δt,E0)＝eq \f(3.8×1026,4.5×10－12)次＝8.4×1037次，每秒钟太阳产生中微子的个数N＝2×n＝2×8.4×1037个≈2×1038个，故D正确。
二、非选择题
6．太阳现在正处于主序星演化阶段，它主要是由电子和质子、氦核等组成，维持太阳辐射的是它内部的核聚变反应，核反应为两个电子与四个质子聚变为氦。已知太阳的质量为2×1030 kg，太阳向周围空间辐射能量的总功率为3.8×1026 W。
(1)写出上述聚变反应的方程；
(2)已知质子质量mp＝1.67×10－27 kg，氦核质量mα＝6.645 8×10－27 kg，电子质量me＝9.0×10－31 kg，光速c＝3.0×108 m/s，求每发生一次上述核反应所释放的能量；
(3)根据题目中数据计算太阳1秒钟减少的质量。求太阳还能用多少年？
答案：(1)2eq \\al( 0,－1)e＋4eq \\al(1,1)H―→eq \\al(4,2)He (2)3.24×10－12 J
(3)4.2×109 kg 1.5×1013年
解析：(1)根据聚变反应满足质量数、电荷数守恒得核反应方程为2eq \\al( 0,－1)e＋4eq \\al(1,1)H―→eq \\al(4,2)He。
(2)反应中的质量亏损
Δm＝2me＋4mp－mα＝(2×9.0×10－31＋4×1.67×10－27－6.645 8×10－27) kg＝3.6×10－29 kg，
由爱因斯坦质能方程可知核反应释放的能量
ΔE＝Δmc2＝3.6×10－29×(3.0×108)2 J＝3.24×10－12 J。
(3)太阳每秒释放的能量为3.8×1026 J，则太阳每秒减少的质量Δm＝eq \f(ΔE,c2)＝eq \f(3.8×1026,3×1082) kg＝4.2×109 kg，
太阳还能用t＝eq \f(m,Δm)＝eq \f(2×1030,4.2×109) s≈4.76×1020 s，
＝1.5×1013年。