浙江专版2023_2024学年新教材高中物理第5章原子核过关检测新人教版选择性必修第三册

第五章过关检测

(时间:90分钟　满分:100分)

一、选择题Ⅰ(本题共7小题,每小题4分,共28分。每小题列出的四个备选项中只有一个是符合题目要求的,不选、多选、错选均不得分)

1.下列有关原子结构和原子核的认识正确的是(　　)

A.γ射线是高速运动的电子流

B.氢原子辐射光子后,其绕核运动的电子动能增大

C.太阳辐射能量的主要来源是太阳中发生的重核裂变

DBi的半衰期是5天,100个Bi经过10天后还剩下25个

答案:B

解析:γ射线是光子流,选项A错误;氢原子辐射光子后,从高轨道跃迁到低轨道,其绕核运动的电子速度增大,动能增大,选项B正确;太阳辐射能量的主要来源是太阳中发生的轻核聚变,选项C错误;半衰期是对大量原子核得出的统计规律,对少数原子核不适用,选项D错误。

2.下列表述正确的是(　　)

A.HeNO+X, X表示He

BHHen是重核裂变的核反应方程

C.放射性元素的半衰期与原子所处的化学状态无关

D.β衰变中放出的β射线是核外电子挣脱原子核的束缚而形成的

答案:C

解析:根据电荷数守恒、质量数守恒知,X的电荷数为1,质量数为1,则X为质子,故选项A错误H+HHen是轻核聚变的核反应方程,故选项B错误;放射性元素的半衰期与原子所处的化学状态无关,故选项C正确;β衰变的实质是原子核中的一个中子转变为一个质子和一个电子,电子释放出来,故选项D错误。

3.轻核的聚变反应会释放大量的能量,同时聚变产物一般不会污染环境,是人类获得能源的理想方式。关于核聚变反应方程Hn,下列说法正确的是(　　)

A.该反应质量数守恒,没有质量亏损

BH和H中子数相同

CH比He更稳定

DH核的比结合能比He核的小

答案:D

解析:核反应质量数守恒,但反应释放核能,有质量亏损,故选项A错误H和H质子数相同,中子数不同,故选项B错误He核的比结合能比H核和H核的都大,故He核比H核和H核都稳定,故选项C错误,D正确。

4.产生碘131的一种方式为nI+Y+3X 。已知I、Y、n的质量分别为m1、m2、m3、m4,真空中的光速为c。下列说法正确的是(　　)

A.方程中的X表示质子

B.方程中的X表示电子

C.核反应中质量亏损Δm=m1+m4-m2-m3

D.核反应中释放的核能ΔE=(m1-m2-m3-2m4)c2

答案: D

解析:由nIY+3X反应式,设X的质量数为A、电荷数为Z,再根据质量数守恒有235+1=131+102+3A,质子数守恒有92+0=53+39+3Z,解得A=1,Z=0,即X为中子,选项A、B错误;由题意可知,核反应中质量亏损Δm=m1+m4-m2-m3-3m4=m1-m2-m3-2m4,核反应中释放的核能 ΔE=Δmc2=(m1-m2-m3-2m4)c2,选项C错误,D正确。

5.一个静止的铀核U(原子质量为232.037 2 u)放出一个α粒子(原子质量为4.002 6 u)后衰变成钍核Th(原子质量为228.028 7 u)。已知1 u相当于931.5 MeV的能量,则(　　)

A.释放出的核能约为5.50 MeV

B.核反应过程中系统能量不守恒

C.铀核U的比结合能大于钍核Th的比结合能

D.若释放的核能全部转化为钍核和α粒子的动能,则α粒子的动能小于钍核的动能

答案:A

解析:核反应中质量亏损 Δm=232.0372u-228.0287u-4.0026u=0.0059u,根据质能方程ΔE=Δmc2可知释放出的核能 ΔE=0.0059×931.5MeV=5.50MeV,选项A正确;核反应过程中系统动量守恒,能量也守恒,选项B错误;铀核U衰变过程释放能量,生成的钍核Th更稳定,比结合能大于铀核的比结合能,选项C错误;衰变的过程中系统动量守恒,钍核和α粒子的动量p大小相等,又mα<mTh,根据Ek=mv2=可知 Ekα>EkTh,选项D错误。

6.放射性元素氡Rn)经α衰变成为钋Po,半衰期为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主要来自其他放射元素的衰变

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Po积累到一定量以后Po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

答案:A

解析:目前地壳中仍存在天然的含有放射性元素Rn的矿石,其原因是目前地壳中的Rn主要来自其他放射元素的衰变,选项A正确,B、C错误;半衰期的大小与温度、压力无关,由原子核内部因素决定,选项D错误。

7.下列说法正确的是(　　)

A.氢弹是利用链式反应制成的

B.温度升高会改变元素的半衰期

C.太阳能来源于太阳内部核裂变时释放的核能

D.核反应堆是利用重核裂变反应制成的

答案:D

解析:原子弹是利用链式反应制成的,氢弹是利用轻核聚变反应制成的,选项A错误;温度升高不会改变元素的半衰期,选项B错误;太阳能来源于太阳内部核聚变时释放的核能,选项C错误;核反应堆是利用重核裂变反应制成的,选项D正确。

二、选择题Ⅱ(本题共3小题,每小题4分,共12分。每小题列出的四个备选项中至少有一个是符合题目要求的。全部选对的得4分,选对但不全的得2分,有选错的得0分)

8.下列说法正确的是(　　)

A.卢瑟福的α粒子散射实验揭示了原子核有复杂的结构

BTh衰变成Pb需要经过6次α衰变和4次β衰变

C.β衰变中产生的β射线实际上是原子的核外电子挣脱原子核的束缚而形成的

D.升高放射性物质的温度,不可缩短其半衰期

答案:BD

解析:卢瑟福根据α粒子散射实验提出了原子的核式结构学说,即原子有复杂的结构,故选项A错误;设Th经过x次α衰变和y次β衰变后变为Pb,则ThPb+He+e,根据质量数和电荷数守恒可得232=208+4x,90=82+2x-y,解得x=6,y=4,故选项B正确;β衰变中产生的β射线实际上是原子核内的中子转变为质子而放出的电子,故选项C错误;升高放射性物质的温度,不可缩短其半衰期,故选项D正确。

9.氘核H可通过一系列聚变反应释放能量,其反应方程为HHe+H+n,同时释放出43.15 MeV的能量。已知氘核H的质量为1 876.1 MeV/c2(c为真空中的光速),氦核He质量为3 728.4 MeV/c2,中子的质量为939.6 MeV/c2,1 L海水中含有的氘核约为1.0×1022个,1 kg标准煤完全燃烧释放的热量约为2.9×107 J,海水的密度为1.025 g/cm3,1 MeV=1.6×10-13 J。下列说法正确的是(　　)

A.该核反应中x=2,y=2

B.质子H的质量为960.3 MeV/c2

C.1 L海水中的氘核全部反应损失的质量约为1.3×10-7 kg

D.1 L海水中的氘核全部反应释放的能量大于一吨标准煤完全燃烧释放的热量

答案:AC

解析:根据电荷数守恒可得x=6-2×2=2,根据质量数守恒可得x+y=6×2-4×2=4,所以y=2,故选项A正确;质子的质量mp=MeV/c2=938.7MeV/c2,故选项B错误;6个氘核发生聚变反应可放出43.15MeV的能量,1L海水中含有的氘核全部聚变的次数n=×1022,1L海水中的氘核全部反应产生的能量E=nE0=×1022×43.15MeV=7.19×1022MeV=1.15×1010J,1L海水中的氘核全部反应损失的质量约为Δm=kg=1.3×10-7kg,故选项C正确;氘核发生聚变反应可释放的能量为1.15×1010J,1kg标准煤完全燃烧释放的热量约为2.9×107J,则m'=kg=400kg,故选项D错误。

10.下图为静止的原子核在磁场中发生衰变后的轨迹,衰变后两带电粒子a、b的半径之比为45∶1,两带电粒子a、b回旋运动的动能之比为117∶2,下列说法正确的是(　　)

A.此衰变为α衰变

B.小圆为α粒子运动轨迹

C.两带电粒子a、b的回旋周期之比为13∶10

D.衰变方程为UThHe

答案:AD

解析:放射性元素放出α粒子时,α粒子与反冲核的速度相反,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,故此衰变为α衰变,选项A正确;带电粒子在磁场中运动,则运动半径为R=,则,又p=,则有,解得,根据T=,得周期之比为,选项B、C错误;新核Z'=90,A'=234,根据电荷数和质量数守恒,可知衰变前Z=92,A=238,故衰变方程为UTh+He,选项D正确。

三、非选择题(本题共5小题,共60分)

11.(6分)100年前,卢瑟福用α粒子轰击氮核打出了质子。后来,人们用α粒子轰击Ni核也打出了质子,反应方程为He+NiH+X,该反应中的X是　　　　　　(选填“电子”“正电子”或“中子”)。此后,对原子核反应的持续研究为核能利用提供了可能,目前人类获得核能的主要方式是　　　　　(选填“核衰变”“核裂变”或“核聚变”)。 

答案:中子　核裂变

解析:由质量数和电荷数守恒得X应为n,即中子;核聚变目前还无法控制,所以目前获得核能的主要方式是核裂变。

12.(9分)在所有能源中核能具有能量密度大、区域适应性强的优势,在核电站中,核反应堆释放的核能被转化为电能。核反应堆的工作原理是利用中子轰击重核发生裂变反应,释放出大量核能。核反应方程nBa+Kr+aX是反应堆中发生的许多核反应中的一种, n为中子,X为待求粒子,a为X的个数,则X为　　　,a=　　　　。以mU、mBa、mKr分别表示BaKr的质量,mn、mp分别表示中子、质子的质量,c为光在真空中传播的光速,则在上述核反应过程中放出的核能ΔE=　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。 

答案:n　3　(mU-mBa-mKr-2mn)c2

解析:根据电荷数守恒、质量数守恒,知aX的总电荷数为0,总质量数为3,可知X为中子n,a=3,该核反应质量亏损为Δm=mU-mBa-mKr-2mn,根据爱因斯坦质能方程知,释放的核能ΔE=Δmc2=(mU-mBa-mKr-2mn)c2。

13.(12分)现在的核电站比较广泛采用的核反应之一是U+nNd+Zr+n+e+。

(1)核反应方程中的是反中微子,它不带电,质量数为零,试确定生成物锆(Zr)的电荷数与质量数。

(2)已知铀(U)核的质量为235.043 9 u,中子质量为1.008 7 u,钕(Nd)核质量为142.909 8 u,锆核质量为89.904 7 u;又知1 u=1.660 6×10-27kg。试计算1 kg铀235大约能产生的能量。

答案:(1)40　90　(2)8.12×1013 J

解析:(1)锆的电荷数Z=92-60+8=40,质量数A=236-146=90,

核反应方程中应用符号Zr表示。

(2)1kg铀235的核数为n=×6.02×1023,不考虑核反应中生成的电子质量,一个铀核反应发生的质量亏损为Δm=0.212u

1kg铀235完全裂变放出的能量约为E=nΔmc2=8.12×1013J。

14.(15分)一静止的铀核U)发生α衰变变成钍核(Th),已知放出的α粒子的质量为m,速度为v0。假设铀核发生衰变时,释放的能量全部转化为α粒子和钍核的动能。

(1)试写出铀核衰变的核反应方程。

(2)求铀核发生衰变时的质量亏损。(已知光在真空中的速度为c,不考虑相对论效应)

答案:(1UThHe　(2)

解析:(1)根据电荷数守恒、质量数守恒写出衰变方程

UThHe。

(2)设钍核的质量为mTh、反冲速度大小为v,由动量守恒定律,得

0=mv0-mThv

其中

设质量亏损为Δm,释放的能量全部转化为α粒子和钍核的动能,则

Δmc2=mThv2

所以Δm=。

15.(18分)太阳现正处于主序星演化阶段,它主要是由电子和He等原子核组成。维持太阳辐射的是它内部的核聚变反应,核反应方程是2e+HHe+ΔE,释放的核能最后转化为辐射能。根据目前关于恒星演化的理论,若由于聚变反应而使太阳中的H核数目从现有数减少10%,太阳将离开主序星阶段而转入红巨星的演化阶段。为了简化,假定目前太阳全部由电子和H核组成。

(1)为了研究太阳演化进程,需知道目前太阳的质量m太。已知地球半径R=6.4×106 m,地球质量m=6.0×1024 kg,日地中心的距离r=1.5×1011 m,地球表面处的重力加速度g=10 m/s2,1年约为3.2×107秒,利用所给的数据估算目前太阳的质量m太。

(2)已知质子质量mp=1.672 6×10-27 kgHe质量mα=6.645 8×10-27 kg,电子质量me=0.9×10-30 kg,光速c=3×108 m/s,求每发生一次题中所述的核聚变反应所释放的核能。

(3)又知地球上与太阳垂直的每平方米截面上,每秒通过的太阳辐射能E0=1.35×103 J。试估算太阳继续保持在主序星阶段还有多少年的寿命。(估算结果只保留1位有效数字)

答案:(1)2×1030 kg　(2)4.2×10-12 J　(3)100亿年

解析:(1)设T为地球绕日心运动的周期,

则由万有引力定律和牛顿定律可知G=mr

地球表面处的重力加速度g=G

m太=m

以题给数值代入,得m太=2×1030kg。

(2)根据质量亏损和质能公式,该核反应每发生一次释放的核能为

ΔE=(4mp+2me-mα)c2

代入数值,得ΔE=4.2×10-12J。

(3)根据题给假设,在太阳继续保持在主序星阶段的时间内,发生题中所述的核聚变反应的次数为N=×10%

因此,太阳总共辐射出的能量为E=N·ΔE

设太阳辐射是各向同性的,则每秒内太阳向外放出的辐射能为ε=4πr2E0

所以太阳继续保持在主星序的时间为t=

由以上各式解得t=1×1010年=100亿年。