新教材高中物理鲁科版选择性必修第三册章末综合测评4原子核与核能

章末综合测评(四)　原子核与核能

(分值：100分)

1．(4分)在人类认识原子与原子核结构的过程中，符合物理学史的是(　　)

A．查德威克通过实验证实了卢瑟福关于中子的猜想是正确的

B．汤姆孙首先提出了原子的核式结构模型

C．居里夫人首先发现了天然放射现象

D．玻尔通过原子核的人工转变发现了质子

A　[卢瑟福发现了质子并提出了原子的核式结构模型，B、D错误；贝克勒尔发现了天然放射现象说明原子核有复杂结构，C错误；选项A正确。]

2．(4分)从原子核中能放出α、β、γ射线，关于原子核的组成，以下说法中正确的是(　　)

A．原子核中，只有质子和中子

B．原子核中，有质子、中子，还有α粒子

C．原子核中，有质子、中子，还有β粒子

D．原子核中，有质子、中子，还有γ粒子

A　[原子核中，只有质子和中子，在β衰变中，核内的一个中子转变为质子，同时释放一个电子，在α衰变中，核内的两个质子和两个中子作为整体即α粒子从原子核中抛出，在发生α衰变和β衰变过程中伴随能量以γ粒子的形式放出，故选A。]

3．(4分)硼10俘获1个α粒子，生成氮13，放出x粒子，而氮13是不稳定的，它放出y粒子变成碳13，那么，x粒子和y粒子分别为(　　)

A．中子和正电子　 B．中子和电子

C．质子和正电子 D．质子和中子

A　[由核反应方程B＋He→N＋n，N→C＋e，选项A正确。]

4．(4分)太阳放出的大量中微子向地球飞来，但实验测定的数目只有理论的三分之一，后来科学家发现中微子在向地球传播过程中衰变成一个μ子和一个τ子。若在衰变过程中μ子的速度方向与中微子原来的方向一致，则τ子的运动方向(　　)

A．一定与μ子同方向

B．一定与μ子反方向

C．一定与μ子在同一直线上

D．不一定与μ子在同一直线上

C　[中微子衰变成μ子和τ子，满足动量守恒，μ子的速度方向与中微子原来的方向一致，τ子必定也在这条直线上，C正确。]

5．(4分)英国物理学家卢瑟福用α粒子(He)轰击氮原子核(N)，产生一个质子(H)和一种新原子核，是人类第一次实现原子核人工转变。关于产生的新原子核，下列说法正确的是(　　)

A．电荷数是7     B．电荷数是9

C．质量数是16 D．质量数是17

D　[由题意可知，发现质子的核反应方程N＋He→O＋H，在核反应中，由电荷数守恒和质量数守恒可知，氧原子核的电荷数是8，质量数是17，所以A、B、C错误，D正确。故选D。]

6．(4分)一个氘核和一个氚核聚合成一个氦核的反应方程是H＋H→He＋n，此反应过程产生的质量亏损为Δm。已知阿伏伽德罗常数为NA，真空中的光速为c。若1 mol氘和1 mol氚完全发生核反应生成氦，则在这个核反应中释放的能量为(　　)

A．NAΔmc2     B．NAΔmc2

C．2NAΔmc2 D．5NAΔmc2

B　[一个氘核和一个氚核结合成一个氦核时，释放出的能量为Δmc2，1 mol的氘核和1 mol的氚核结合成1 mol的氦核释放能量为NAΔmc2，B正确。]

7．(4分)典型的铀核裂变是生成钡和氪，同时放出x个中子：U＋n→Ba＋Kr＋xn，铀235质量为m1，中子质量为m2，钡144质量为m3，氪89的质量为m4，下列说法正确的是(　　)

A．该核反应类型属于人工转变

B．该反应放出能量(m1－2m2－m3－m4)c2

C．x的值是2

D．该核反应比聚变反应对环境的污染少

B　[该核反应是核裂变，不是人工转变，故A错误；核反应方程U＋n→Ba＋Kr＋xn中根据质量数守恒，有：235＋1＝144＋89＋x，解得：x＝3；根据爱因斯坦质能方程，该反应放出能量为ΔE＝Δm·c2＝(m1＋m2－m3－m4－3m2)c2＝(m1－m3－m4－2m2)c2，故B正确，C错误；该核反应生成两种放射性元素，核污染较大，故D错误。]

8．(4分)中科院近代物理研究所利用兰州重离子加速器(HIRFL)通过“熔合蒸发”反应合成超重核Ds并辐射出中子。下列可能合成该超重核的原子核组合是(　　)

A．Ni，Pb     B．Ni，Bi

C．Ni，Pb D．Ni，Bi

A　[根据电荷数守恒和质量数守恒有Z1＋Z2＝110，A1＋A2＝271＋1＝272将选项代入检验得只有A符合。故选A。]

9．(6分)1956年李政道和杨振宁提出在弱相互作用中宇称不守恒，并由吴健雄用Co的衰变来验证，其核反应方程是Co―→Ni＋e＋。其中是反中微子，它的电荷量为零，静止质量可认为是零。

(1)在上述衰变方程中，衰变产物Ni的质量数A是________，核电荷数Z是________。

(2)在衰变前Co核静止，根据云室照片可以看出，衰变产物Ni和e的运动径迹不在一条直线上，如果认为衰变产物只有Ni和e，那么衰变过程将违背________守恒定律。

(3)Co是典型的γ放射源，可用于作物诱变育种。我国应用该方法培育出了许多农作物新品种，如棉花高产品种“鲁棉1号”，年种植面积曾达到3 000多万亩，在我国自己培育的棉花品种中栽培面积最大。γ射线处理作物后主要引起________，从而产生可遗传的变异。

[解析]　(1)根据质量数和核电荷数守恒，核反应方程为Co―→Ni＋e＋，由此得出两空分别为60和28。

(2)衰变过程遵循动量守恒定律。原来静止的核动量为零，分裂成两个粒子后，这两个粒子的动量和应该还是零，则两粒子径迹必在同一直线上。现在发现Ni和e的运动径迹不在同一直线上，如果认为衰变产物只有Ni和e，就一定会违背动量守恒定律。

(3)用γ射线照射种子，会使种子的遗传基因发生突变，从而培育出优良品种。

[答案]　(1)60　28　(2)动量　(3)基因突变

10．(4分)(多选)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p＋Al→Si*

B．核反应过程中系统动量守恒

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，方向与质子初速度的方向一致

ABD　[核反应过程中遵循质量数守恒和电荷数守恒，核反应方程为p＋Al→Si*，A正确；核反应过程中遵从动量守恒和能量守恒，B正确；核反应中发生质量亏损，生成物的质量小于反应物的质量之和，C错误；根据动量守恒定律有mpvp＝mSivSi，碰撞后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，D正确。]

11．(4分)(多选)放射性元素U衰变有多种可能途径，其中一种途径是先变成Bi，而Bi可以经过一次衰变变成X(X代表某种元素)，也可以经过一次衰变变成Tl，X和Tl最后都变成Pb，衰变路径如图所示。则(　　)

A．a＝84

B．b＝206

C．Bi→X是β衰变，Bi→Tl是α衰变

D．Bi→X是α衰变，Bi→Tl是β衰变

ABC　[由Bi→X，质量数不变，说明发生的是β衰变，同时知a＝84。由Bi→Tl是核电荷数减2，说明发生的是α衰变，同时知b＝206。故A、B、C正确。]

12．(4分)(多选)“轨道电子俘获”是放射性同位素衰变的一种形式，即原子核俘获一个核外电子，核内一个质子变为中子，原子核衰变成一个新核，并且放出一个中微子(其质量小于电子质量且不带电)。若一个静止的原子核发生“轨道电子俘获”(电子的初动量可不计)，则  (　　)

A．生成的新核与衰变前的原子核质量数相同

B．生成新核的核电荷数增加

C．生成的新核与衰变前的原子核互为同位素

D．生成的新核与中微子的动量大小相等

AD　[质子与中子的质量数相同，所以发生“轨道电子俘获”后新核与原核质量数相同，A正确；新核质子数减少，故核电荷数减少，B错误；新核与原核质子数不同，不能称它们互为同位素，C错误；以静止原子核及被俘获电子为系统，系统动量守恒，系统初动量为零，所以生成的新核与中微子的动量大小相等，方向相反，D正确。]

13．(4分)(多选)月球土壤里大量存在着一种叫作“氦3(He)”的化学元素，这是热核聚变的重要原料。关于“氦3(He)”与氘核的聚变，下列说法正确的是(　　)

A．核反应方程为He＋H→He＋H

B．核反应生成物的质量将大于反应物的质量

C．“氦3(He)”一个核子的结合能小于氦4(He)一个核子的结合能

D．“氦3(He)”的原子核与一个氘核发生聚变将放出能量

ACD　[A选项中的核反应方程就是He和H发生核聚变的方程，在生成He和H的同时释放大量的能量，A正确；由于核反应的过程中释放大量的能量，根据爱因斯坦质能方程ΔE＝Δmc2，可知生成物的质量小于反应物的质量，B错误；质量中等的核的比结合能最大，故使重核裂变为两个质量中等的核或使轻核聚变，都可使核更为稳定并放出能量，He一个核子的结合能小于He一个核子的结合能，C、D正确。]

14．(6分)太阳能量来源于太阳内部氢核的聚变，设每次聚变反应可以看作是4个氢核H结合成1个氦核He，同时释放出正电子e；已知氢核的质量为mp，氦核的质量为mα，正电子的质量为me，真空中光速为c。则每次核反应中的质量亏损________及氦核的平均结合能________。

[解析]　根据核反应质量数守恒、核电荷数守恒，可知生成了2个正电子，所以质量亏损Δm＝4mp－mα－2me。根据E＝Δmc2可知，产生的能量E＝(4mp－mα－2me)c2，所以氦核的平均结合能E′＝＝。

[答案]　4mp－mα－2me　

15．(8分)运动的原子核X放出α粒子后变成静止的原子核Y。已知X、Y和α粒子的质量分别是M、m1和m2，真空中的光速为c，α粒子的速度远小于光速。求反应后与反应前的总动能之差以及α粒子的动能。

[解析]　衰变方程是X→Y＋He，

设原子核X和α粒子的动量、动能分别为p0和p2、E0和E2，根据动量守恒定律有p0＝p2，

由粒子动能与动量的关系E0＝，E2＝，

根据能量守恒，反应后与反应前的总动能之差

ΔEk＝E2－E0＝(M－m1－m2)c2，

联立以上各式解得E2＝c2。

[答案]　ΔEk＝(M－m1－m2)c2　(M－m1－m2)c2

16．(10分)太阳能资源，不仅包括直接投射到地球表面上的太阳辐射能，而且也包括所有矿物燃料能、水能、风能等间接的太阳能资源，严格地说，除了地热能、潮汐能和原子核能以外，地球上所有其他能源全部来自太阳能，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的能源。

(1)写出核反应方程；

(2)若mH＝1.007 3 u，mHe＝4.002 6 u，me＝0.000 55 u，则该反应中的质量亏损是多少？

(3)如果1 u相当于931.5 MeV的能量，则该反应中释放的能量是多少？

(4)由于核反应中的质量亏损，太阳的质量缓慢减少，与现在相比，在很久很久以前，地球公转的周期是“较长”还是“较短”，并说明理由(假设地球公转半径不变)。

[解析]　(1)4H→He＋2e。

(2)核反应的质量亏损为Δm＝4mH－mHe－2me＝4×1.007 3 u－4.002 6 u－2×0.000 55 u＝0.025 5 u。

(3)该核反应释放的能量为

ΔE＝0.025 5×931.5 MeV＝23.753 25 MeV。

(4)在很久很久以前，太阳的质量比现在的大，太阳和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。

[答案]　(1)4H→He＋2e　(2)0.025 5 u

(3)23.753 25 MeV　(4)见解析

17．(10分)为测定某水库的存水量，将一瓶放射性同位素溶液倒入水库中，已知这杯溶液每分钟衰变8×107次，这种同位素的半衰期为2天，10天以后从水库取出1 m3的水，并测得每分钟衰变10次，求水库的存水量为多少？

[解析]　由每分钟衰变次数与其质量成正比出发，运用半衰期知识可求出存水量。

设放射性同位素原有质量为m0，10天后其剩余质量为m，水库存水量为Q，10天后每立方米水中放射性元素的存量为，由每分钟衰变次数与其质量成正比＝，即＝，由半衰期公式得：m＝m0

由以上两式联立代入数据得

＝＝

解得水库的存水量为Q＝2.5×105 m3。

[答案]　2.5×105 m3

18．(12分)H的质量是3.016 050 u，质子的质量是1.007 277 u，中子的质量是1.008 665 u。则：

(1)一个质子和两个中子结合为氚核时，是吸收还是放出能量？该能量为多少？

(2)氚核的结合能和平均结合能各是多少？

(3)如果这些能量是以光子形式放出的，则光子的频率是多少？

[解析]　(1)一个质子和两个中子结合成氚核的核反应方程式是H＋2n→H，反应前各核子总质量为mp＋2mn＝1.007 277 u＋2×1.008 665 u＝3.024 607 u

反应后新核的质量为mH＝3.016 050 u

质量亏损为

Δm＝3.024 607 u－3.016 050 u＝0.008 557 u

因反应前的总质量大于反应后的总质量，故此核反应为放出能量的反应。

释放的核能为ΔE＝Δm×931.5 MeV＝0.008 557×931.5 MeV＝7.97 MeV。

(2)氚核的结合能即为ΔE＝7.97 MeV

它的平均结合能为＝2.66 MeV。

(3)放出光子的频率为

ν＝＝ Hz＝1.92×1021 Hz。

[答案]　(1)释放能量　7.97 MeV

(2)7.97 MeV　2.66 MeV　(3)1.92×1021 Hz