第五章　原子核测评卷2021-2022学年物理选择性必修第三册人教版2019（Word含解析）

第五章　原子核

(本试卷满分100分,考试用时75分钟)

一、单项选择题(本题共10小题,每小题4分,共40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.(2020浙江杭州师大附中高二下测试)卢瑟福预想到原子核内除质子外,还有中子的事实依据是 (　　)

A.电子数与质子数相等

B.原子核的质量大约是质子质量的整数倍

C.原子核的核电荷数比其质量数小

D.质子和中子的质量几乎相等

2.(2021山西晋中高二下期末)据报道:中国科学院成都研究所的“人造太阳”将在2020年年底投入运行,开展相关科学实验。人造太阳是利用氘核核聚变实现的,反应方程是HHHen,下列说法正确的是 (　　)

A.该反应过程中满足电荷守恒和质量守恒

B.重核裂变比轻核聚变更为安全、清洁

C.聚变反应相比裂变反应中平均每个核子释放的能量多

D.目前核反应堆产生的能量主要来自轻核聚变

3.(2021四川绵阳高二下期末)用α粒子轰击Ni核的核反应方程是HeNiCuH+X,则 (　　)

A.X的电荷数与H的电荷数相同

B.X的质量数与H的质量数相同

C.Cu的核子数比Ni的核子数多1

D.Cu的中子数比Ni的中子数多2

4.(2021山东济南长清一中高二下月考)一静止的U衰变成为Th,并放出某种粒子。其中U的比结合能为E1,Th的比结合能为E2,则下列说法正确的是 (　　)

A.放出的粒子为电子

B.比结合能E1小于比结合能E2

C.比结合能E1大于比结合能E2

D.该反应过程前后核子总质量相等

5.(2021山东宁阳一中高二下期中)中国核工业集团新一代可控核聚变研究装置“中国环流器二号M”,取得了聚变温度1.5亿摄氏度、等离子体电流2.5兆安培的重要进展,在这个全球竞争的聚变科学项目中,一直保持着领先。关于核聚变反应,下列说法正确的是              (　　)

A.核聚变反应原理简单,比裂变反应容易实现

B.两个轻核结合成质量较大的核,核子的比结合能增加

C.太阳目前正在进行的核反应既有聚变反应,也有裂变反应

D.核聚变反应的核反应方程可能是HHHe+n

6.(2021河北衡水中学高二下期末)“氦3”是一种已被世界公认的高效、清洁、安全、廉价的核燃料,可发生的核反应方程为HeHe→HHe,式中质子、α粒子的质量分别为m1、m2,则下列说法正确的是 (　　)

A.此核反应为α衰变反应

B.He的比结合能比He的比结合能小

C.He核的质量为

D.当He燃料体积大于临界体积时,该核反应可持续进行

7.(2021重庆第二十九中高三测试)用粒子加速器加速后的质子轰击静止的锂原子核,生成两个动能均为8.919 MeV的α粒子(He),其核反应方程为:HLiHeHe。已知质子质量为1.007 825 u,锂原子核的质量为7.016 004 u,α粒子的质量为4.002 60 u,1 u相当于931 MeV的能量。若核反应释放的能量全部转化为α粒子的动能,则入射质子的动能约为              (　　)

A.0.5 MeV B.8.4 MeV C.8.9 MeV D.17.3 MeV

8.(2021河南南阳高二下月考)氢的同位素氚H)的半衰期为12.5年,氚衰变时会发射β射线。下列有关氚衰变的说法正确的是 (　　)

A.氚衰变时发射的β粒子来自核外电子

B.2 g氚经过25年还剩下0.5 g氚

C.氚发生β衰变后的生成物是H

D.氚发生β衰变时要吸收能量

9.(2021安徽舒城中学高二下月考)月球的表面长期受到宇宙射线的照射,使得“月壤”中的He含量十分丰富。科学家认为He是发生核聚变的极好原料,将来He也许是人类重要的能源,所以探测月球意义十分重大。关于He,下列说法正确的是              (　　)

AHe原子核内的核子靠万有引力紧密结合在一起

BHe聚变反应后变成He,原子核内核子间的比结合能没有发生变化

CHe发生核聚变,放出能量,不一定会发生质量亏损

DHe聚变反应的方程可能为HeHe→HHe

10.(2021浙江温州高二下期中)在医疗技术中有时需要利用放射线治疗肿瘤,所用的放射源必须具备以下两个条件:

(1)放出的放射线有较强的穿透能力,以辐射到体内肿瘤所在处;

(2)能在较长的时间内提供比较稳定的辐射强度。

下表给出了四种放射性同位素的辐射线及半衰期,在表中所列的四种同位素中,最适宜作为放疗使用的放射源应是 (　　)

A.钋210 B.锶90 C.锝99 D.钴60

二、多项选择题(本题共6小题,每小题5分,共30分。全选对得5分,选对但不全得3分,选错或不选得0分)

11.(2021福建厦门大同中学高二下期中)2020年11月8日,诺贝尔官方发布消息称居里夫人的“笔记本”仍具有放射性,还将持续1500年。关于放射性元素、衰变和半衰期,下列说法正确的是 (　　)

A.居里夫人的笔记本,经过两个半衰期,质量仅剩下原来的四分之一

B.放射性元素的半衰期不仅与核内部本身因素有关,还与质量有关

C.一个放射性原子核,每发生一次β衰变,它的中子数减少一个,质子数增加一个

D.U衰变成Pb要经过8次α衰变和6次β衰变

12.(2021湖南名校联盟高三三模)我国核能发展实施“热堆—快堆—聚变堆”三步走战略,将聚变作为解决能源问题的最终一步。新一代“人造太阳”装置——中国环流器二号M装置(HL-2M)在成都建成并已经实现放电。某核反应方程为HeHLin,下列说法正确的是              (　　)

A.该核反应为聚变反应 B.该核反应为裂变反应

C.Z=3 D.A=3

13.(2021吉林公主岭高二下期中)2020年10月6日,三位科学家因为他们对宇宙中最奇特现象之一——黑洞的研究,而共享今年的诺贝尔物理学奖。在物理学的发展过程中,许多物理学家的科学研究推动了人类文明的进程,1909年卢瑟福用X粒子轰击金箔,根据实验结果提出了原子的核式结构模型。下列核反应方程中,涉及的未知粒子(X1、X2、X3、X4)中是X粒子的是              (　　)

A.X1BeCn

B.ThPa+X2

C.HH→X3n+17.6 MeV

D.UTh+X4

14.(2021山东日照高二期末)装修中用到的某些含有Th(钍)的花岗岩会释放出放射性惰性气体Rn(氡),衰变方程为:ThRn+xHe+2y,而氡会继续发生衰变,放出α、β、γ射线,这些射线可能会诱发呼吸道方面的疾病,甚至会导致细胞发生癌变。下列说法正确的是              (　　)

A.方程中x=3,y是电子

B.方程中x=2,y是中子

C.1 000个氡原子核经过一个半衰期后还剩下500个

D.上述衰变方程中,中子总数减少了2个

15.(2021湖北新高考协作体高二下期末)自然界中很多元素具有放射性,居里夫妇和贝克勒尔由于对放射性的研究而一起获得1903年的诺贝尔物理学奖。其中金属钍(Th)就具有放射性,它能变为镤(Pa)并释放出一种新的粒子X,同时伴随有γ射线产生,其方程为ThPa+X,已知钍的半衰期为24天,下列说法正确的是              (　　)

A.X为电子

B.X为钍核外的电子

C.γ射线是镤核从高能级向低能级跃迁时辐射出来的

D.1 000个钍原子核经过48天后一定还剩下250个

16.(2021山东宁阳一中高二下期中)在匀强磁场中有一个原来静止的碳(C)原子核发生衰变,放射出一个粒子与反冲核——氮(N),两粒子的轨迹是两个相切的圆,则 (　　)

A.反冲核的轨迹与粒子的轨迹是内切圆

B.碳(C)放射出的粒子是电子

C.反冲核与粒子的轨道半径之比为7∶1

D.碳(C)原子核放出粒子过程动量、机械能都守恒

三、非选择题(本题共3小题,共30分)

17.(7分)(2020山东枣庄高二下期末)太阳大约在几十亿年后,进入红巨星时期,其核心温度会逐渐升高。当温度升至某一温度时,太阳内部会发生氦闪:三个He生成一个C,瞬间释放大量的核能。已知C的质量是mC=12.000 0 u,He的质量是mHe=4.002 6 u,1 u的质量相当于931.5 MeV的能量。根据以上材料,完成下面问题:

(1)写出氦闪时的核反应方程;

(2)计算一次氦闪过程释放的能量(结果保留三位有效数字)。

18.(10分)(2021福建厦门双十中学高二下月考)氢4是氢的一种同位素,在实验室里,用氘核H)轰击静止的氚核H)生成氢4的原子核H)。已知HH的质量分别为m1、m2,速度大小分别为v1、v2,方向相同。

(1)请写出合成H的核反应方程,并求出反应后生成的另一粒子的动量大小;

(2)氘原子的能级与氢原子类似,已知其基态的能量为E1,量子数为n的激发态能量En=,普朗克常量为h。则氘原子从n=3能级跃迁到n=1能级的过程中,辐射光子的频率ν为多少?

19.(13分)(2021浙江绍兴高二下期末)2021年5月28日,中科院合肥物质科学研究院有“人造太阳”之称的全超导托卡马克核聚变实验装置(EAST)创造新的世界纪录,成功实现可重复的1.2亿摄氏度101秒和1.6亿摄氏度20秒等离子体运行,将1亿摄氏度20秒的原纪录延长了5倍。科研人员称新纪录进一步证明核聚变能源的可行性,也为迈向商用奠定物理和工程基础。一种典型的轻核聚变反应是两个氘核(H)聚变成氦核(He)的同时释放中子,已知氘核质量为2.013 6 u,氦核质量为3.015 0 u,中子质量为1.008 7 u,1 u的质量相当于931.5 MeV的能量。

(1)写出上述核反应方程;

(2)求核反应中释放的核能(结果保留三位有效数字);

(3)原子核具有足够的动能,碰撞时十分接近才可以发生聚变。若两个氘核以相等的动能0.37 MeV进行对心碰撞,并且核反应释放的核能全部转化为机械能,求反应中产生的中子和氦核的动能。

答案

第五章　原子核

1.C　卢瑟福预想到在原子核内除质子外,还可能有质量与质子相等的中性粒子(即中子),他的主要依据是原子核的核电荷数在数值上只有质量数的一半或还少些,选项C正确。

2.C　核反应过程中前后质量不守恒,故A错误;轻核聚变相比重核裂变更为安全、清洁,故B错误;聚变反应相比裂变反应中平均每个核子释放的能量多,故C正确;目前核反应堆产生的能量主要来自重核裂变,故D错误;

3.B　X为中子n,X的质量数与H的质量数相同,电荷数为0,故A错误,B正确;Cu的核子数比Ni的核子数多2,故C错误;Cu的中子数比Ni的中子数多1,故D错误。

4.B　由于衰变过程中电荷数守恒与质量数守恒,所以UThHe,放出的是α粒子,故A错误;衰变过程释放能量,比结合能增大,故B正确,C错误;释放能量,有质量亏损,所以核子总质量变小,故D错误。

5.B　核聚变反应原理简单,但需要极高的温度,所以比裂变反应更难实现,故A错误;两个轻核结合成质量较大的核的过程中要释放能量,核子的平均质量减小,所以核子的比结合能增加,故B正确;太阳目前正在进行的核反应是聚变反应,故C错误;核聚变反应的核反应方程是HH→Hen,故D错误。

6.B　HeHe→HHe是核聚变反应,故A错误;核聚变过程中释放能量,会发生质量亏损,核子的比结合能变大,反应物的质量之和大于生成物的质量之和,故B正确,C错误;通常把核裂变物质能够发生链式反应的最小体积称为它的临界体积,核聚变反应发生的条件是高温高压,故D错误。

7.A　该核反应放出能量ΔE=(1.007 825 u+7.016 004 u-2×4.002 60 u)×931 MeV/u=17.34 MeV,入射质子的动能EkH=2Ekα-ΔE=0.5 MeV,故A正确。

8.B　β衰变和实质是原子核内部的一个中子转化为一个质子和一个电子,这种转化产生的电子发射到核外形成β射线,故A错误;经过t=25年,则半衰期的个数n==2,根据半衰期公式得到m余=m0=0.5 g,故B正确;根据质量数守恒与质子数守恒可知氚发生β衰变的方程为HHee,所以β衰变后的生成物是He,故C错误;发生β衰变时原子核会放出热量,故D错误。

9.D　原子核内的核子靠核力结合在一起,核力只存在于相邻的核子之间,A错误;比结合能是核的结合能与核子数之比,所以聚变后的比结合能一定发生变化,B错误He发生聚变,放出能量,根据质能方程ΔE=Δmc2,一定会发生质量亏损,C错误He聚变反应的方程式可能为HeHe→HHe,D正确。

10.D　三种射线中γ射线的穿透能力最强,α射线与β射线的穿透性都相对于γ射线较弱,不适合用做医学的放射源,故A、B错误;三种射线中γ射线的穿透能力最强,锝99的半衰期较短,而钴60的半衰期较长,钴60在较长时同内具有相对稳定的辐射强度,适合用做医学的放射源,故C错误,D正确。

11.CD　经过两个半衰期,放射性元素的质量仅剩下原来的四分之一,但笔记本的质量不变,故A错误;放射性元素的半衰期是由核内自身的因素决定的,与质量无关,B错误;β衰变实质上是原子核内的一个中子变为一个质子,同时释放出一个电子的过程,因此发生一次β衰变,质子数增加一个,中子数减少一个,C正确;根据质量数和电荷数守恒,可得U衰变成Pb要经过8次α衰变和6次β衰变,D正确。

12.AC　该核反应为聚变反应,故A正确,B错误;根据反应前后电荷数守恒和质量数守恒可知Z=2+1-0=3,A=3+2-1=4,故C正确,D错误。

13.ACD　卢瑟福用α粒子轰击金箔,即He,根据核反应遵循电荷数守恒和质量数守恒可知,X1、X3、X4是α粒子He),而X2是电子e),不是α粒子,故A、C、D正确,B错误。

14.AD　根据核反应中质量数和电荷数守恒可知,因He质量数为4,电荷数为2,可判断方程中x=3,y是电子,选项A正确,B错误;半衰期是大量原子核衰变的统计规律,对少量原子核衰变不适用,选项C错误;核反应方程为ThRn+He+e,反应前中子数为232-90=142,反应后中子数为(220-86)+3(4-2)=140,即中子总数减少了2个,选项D正确。

15.AC　核反应中电荷数守恒、质量数守恒,可知X为电子e,这个电子并非原子核外的电子,而是原子核内的一个中子变成一个质子加上一个电子nHe),故A正确,B错误;在β衰变的过程中,新粒子Pa能量高不稳定,会自发地向低能级跃迁,辐射出高能光子γ射线,故C正确;原子核的衰变是对大量原子核衰变的统计规律,对于少量原子核不成立,故D错误。

16.AB　根据电荷数守恒和质量数守恒分析可知碳(C)原子核衰变放射出的粒子是电子,原子核的衰变过程满足动量守恒,知电子与反冲核的速度方向相反,根据左手定则判断可知,电子与反冲核的旋转方向相反,反冲核的轨迹与粒子的轨迹是内切圆,如图所示,故A、B正确。

根据动量守恒定律可知衰变后两带电粒子的动量大小相等,方向相反,即有m1v1=m2v2,由带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动可得r=,可见r与q成反比;因为粒子与反冲核的电荷量之比为1∶7,所以粒子与反冲核的轨道半径之比为7∶1,故C错误。原子核衰变时要放出核能,所以机械能不守恒,故D错误。

17.答案　(1)HeC　(2)7.27 MeV

解析　(1)核反应方程为HeC(3分)

(2)氦闪过程中质量亏损为Δm=3mHe-mc=0.007 8 u(2分)

释放的核能为ΔE=Δmc2=7.27 MeV(2分)

18.答案　(1)HHHH　m1v1-m2v2　(2)-

解析　(1)由质量数守恒与电荷数守恒可知,核反应方程为HHHH(3分)

核反应过程动量守恒,取H的初速度方向为正方向,由动量守恒定律得

m1v1=m2v2+p (2分)

解得另一粒子的动量大小为p=m1v1-m2v2 (1分)

(2)由玻尔原子理论可知,氘原子跃迁过程中有hν=-E1 (2分)

解得光子的频率ν=- (2分)

19.答案　(1)HHHen　(2)3.26 MeV　(3)3 MeV　1 MeV

解析　(1)由题意可写出氢核聚变反应方程为HHHen(3分)

(2)核反应中质量亏损为Δm=2×2.013 6 u-3.015 0 u-1.008 7 u=0.003 5 u(1分)

释放的核能为ΔE=Δmc2≈3.26 MeV(1分)

(3)两个氘核以相等的动能0.37 MeV进行对心碰撞,故系统初动量为零,

据动量守恒定律有0=p氦+p中 (2分)

所以产生的中子和氦核的动量大小相等,方向相反,由于Ek=mv2= (2分)

中子和氦核的动能之比Ek中∶Ek氦=m氦∶m中=3∶1 (1分)

中子和氦核的总动能Ek总=2×0.37 MeV+3.26 MeV=4 MeV(1分)

解得Ek中=3 MeV,Ek氦=1 MeV(2分)