2019年高考物理一轮规范练习：第12章 第2讲　原子核和核能(含解析)

配餐作业　原子核和核能

见学生用书P381

A组·基础巩固题

1．下列说法正确的是(　　)

A．太阳辐射的能量主要来自于太阳内部的裂变反应

B．核反应堆利用镉棒吸收中子控制核反应速度

C．玻尔理论是依据α粒子散射实验分析得出

D．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

解析　太阳辐射能量主要来自于太阳内部的聚变反应，故A项错误；镉具有很大的中子吸收界面，所以用来吸收裂变产生的中子，所以B项是正确的；卢瑟福提出的原子核式结构是根据α粒子散射实验分析得出，故C项错误；衰变中产生的β射线实际上是原子核中的中子转化为一个质子和一个电子，电子辐射出来形成的，故D项错误。

答案　B　

2．(2018·湖南师大附中摸底考试)光子能量为E的一束光照射容器中的氢(设氢原子处于n＝3的能级)，氢原子吸收光子后，能发出频率为ν1、ν2、ν3、ν4、ν5、ν6、ν7、ν8、ν9、ν10的十种光谱线，且ν1＜ν2＜ν3＜ν4＜ν5＜ν6＜ν7＜ν8＜ν9＜ν10，已知普朗克常量为h，则E等于 (　　)

A．hν1 B．hν10

C．h(ν10－ν1)   D．hν3

解析　氢原子吸收光子后跃迁到第5能级，所以吸收的光子能量为hν3。

答案　D　

3．(2017·天津)我国自主研发制造的国际热核聚变核心部件在国际上率先通过权威机构认证，这是我国对国际热核聚变项目的重大贡献。下列反应方程中属于聚变反应的是(　　)

A.H＋H→He＋n

B.N＋He→O＋H

C.He＋Al→P＋n

D.U＋n→Ba＋Kr＋3n

解析　A项属于轻核聚变方程；B、C项属于发现质子、中子的人工转变方程；D项属于重核裂变方程，综上所述应选择A项。

答案　A　

4．铀核(U)经过m次α衰变和n次β衰变变成铅核(Pb)，关于该过程，下列说法中正确的是(　　)

A．m＝5，n＝4

B．铀核(U)的比结合能比铅核(Pb)的比结合能小

C．衰变产物的结合能之和小于铀核(U)的结合能

D．铀核(U)衰变过程的半衰期与温度和压强有关

解析　其衰变方程为U→Pb＋mHe＋ne，则有235＝207＋4m,92＝82＋2m－n，解得m＝7，n＝4，A项错误；铅核比铀核更稳定，铅核的比结合能更大，B项正确；由于衰变产物的比结合能更大，核子总数不变，所以衰变产物的结合能之和大于铀核的结合能，C项错误；铀核的衰变过程半衰期由其原子核本身决定，与温度和压强无关，D项错误。

答案　B　

5．(多选)下列说法正确的是(　　)

A．方程式U→Th＋He是重核裂变反应方程

B．铯原子核(Cs)的结合能小于铅原子核(Pb)的结合能

C．β衰变所释放的电子是原子核内的中子转化成质子时所产生的

D．核力是短程力，与核子间的距离有关，有时表现为引力，有时表现为斥力

解析　方程式U→Th＋He的反应物只有一个，生成物有He，属于α衰变，A项错误；由原子核的平均结合能的曲线可知，铯原子核的比结合能与铅原子核的比结合能差不多，而铯原子核的核子数少得多，所以铯原子核的结合能小于铅原子核的结合能，B项正确；β衰变所释放的电子不是来源于原子核外面的电子，而是原子核内的中子转化成质子时所产生的(n→H＋e)，C项正确；相邻的质子与质子、中子与质子、中子与中子既不会融合在一起(斥力)，又相距一定距离组成原子核(引力)，D项正确。

答案　BCD　

6.Th经过一系列α衰变和β衰变后变成Pb，则Pb比Th少(　　)

A．16个中子，8个质子  B．8个中子，16个质子

C．24个中子，8个质子  D．8个中子，24个质子

解析　Pb比Th质子数少(90－82)＝8个，核子数少(232－208)＝24个，所以中子数少(24－8)＝16个，故A项正确，B、C、D项错误。

答案　A　

7．以下说法正确的是(　　)

A．氢原子核外电子从半径较小的轨道跃迁到半径较大的轨道时，电子的动能减小，原子电势能增大，原子能量减小

B．紫外线照射到金属锌板表面时能够发生光电效应，则当增大紫外线的照射强度时，从锌板表面逸出的光电子的个数越多，光电子的最大初动能增大

C．氢原子光谱有很多不同的亮线，说明氢原子能发出很多不同频率的光，但它的光谱不是连续谱

D．天然放射现象的发现揭示了原子核有复杂的结构，阴极射线是原子核内的中子转变为质子时产生的高速电子流

解析　氢原子的核外电子从半径较小的轨道跃迁到半径较大的轨道时，电子动能减小，电势能增大，原子能量增大，A项错误；紫外线照射到锌板表面时能够产生光电效应，则当增大紫外线的照射强度时，从锌板表面逸出的光电子数目会增加，而最大初动能不变，B项错误；氢原子能发出多种不同频率的光，但光的频率不连续，C项正确；天然放射现象中产生的不是阴极射线，而是β射线，D项错误。

答案　C　

8．有关近代物理知识，下列说法正确的是(　　)

A．碘131的半衰期大约为8天，1 g碘131经过64天后，未衰变的大约为  g

B．比结合能越大，原子核中核子结合的越不牢固，原子核越不稳定

C．铀235的裂变方程可能为U→Cs＋Rb＋10n

D．处于基态的氢原子吸收一个光子跃迁到激发态，再向低能级跃迁时辐射光子的频率一定大于吸收光子的频率

解析　碘131的半衰期大约为8天，1 g碘131经过64天后，即经过8个半衰期，未衰变的质量m＝m08 g＝ g，A项正确；比结合能越大，原子核中核子结合的越牢固，原子核越稳定，故B项错误；裂变不能自发进行，故C项错误；处于基态的氢原子吸收一个光子跃迁到激发态，再向低能级跃迁时辐射光子的频率一定等于吸收光子的频率，故D项错误。

答案　A　

9．(多选)正电子发射型计算机断层显像(PET)的基本原理：将放射性同位素O注入人体，O在人体内衰变放出的正电子与人体内的负电子相遇而湮灭转化为一对γ光子，被探测器采集后，经计算机处理生成清晰图象，则根据PET原理判断下列表述正确的是(　　)

A.O在人体内衰变的方程是O→N＋e

B．正、负电子湮灭的方程是e＋e→2γ

C．在PET中，O主要用途是穿透作用

D．在PET 中，O主要用途是参与人体的新陈代谢

解析　由题意知A、B项正确，显像的原理是采集γ光子，即注入人体内的O衰变放出正电子和人体内的负电子湮灭转化为γ光子，因此O主要用途是作为示踪原子，故C、D项错。

答案　AB　

【素养立意】

放射性在医学上的应用越来越多，此类试题难度并不大，但要求学生能从试题描述中捕捉有用信息。

B组·能力提升题

10．(多选)氘核、氚核、中子和氦核的质量分别是m1、m2、m3和m4，如果氘核和氚核结合生成氦核，则下列说法正确的是(　　)

A．核反应方程为H＋H→He＋n

B．这是一个裂变反应

C．核反应过程中亏损的质量Δm＝m1＋m2－m3

D．核反应过程中释放的核能ΔE＝(m1＋m2－m3－m4)c2

解析　A项中的核反应方程为轻核聚变方程，故B项错误；核反应过程中的质量亏损为Δm＝m1＋m2－m3－m4，故C项错误；由质能方程可知D项正确。

答案　AD　

11．(多选)下列说法正确的是(　　)

A．在α、β、γ这三种射线中γ射线的穿透能力最强，α射线的电离能力最强

B．假如有18个某种放射性元素的原子核，经过一个半衰期，一定是有9个原子核发生了衰变

C．某单色光照射一金属时不发生光电效应，改用波长较短的光照射该金属时可能发生光电效应

D．两个轻核结合成质量较大的核，这样的核反应叫核裂变

解析　三种射线中γ射线的穿透能力最强，α射线的电离能力最强，A项正确；对于半衰期是具有统计规律，只有大量原子核才有意义，B项错误；不发生光电效应，说明入射光的频率小于极限频率，当波长较短，则其频率越高，因此可能发生光电效应，C项正确；两个轻核结合成质量较大的核，属于核聚变，D项错误。

答案　AC　

12．(2018·湖南师大附中摸底考试)(多选)一个静止的放射性原子核处于垂直纸面向里的匀强磁场中，由于发生了某种衰变而形成了如图所示的两个圆形径迹，两圆半径之比为1∶16，则(　　)

A．该原子核发生了β衰变

B．原来静止的原子核的原子序数为15

C．反冲核沿小圆作逆时针方向运动

D．该衰变过程结束后其系统的总质量略有增加

解析　由图看出，原子核衰变后放出的粒子与新核所受的洛伦兹力方向相同，而两者速度方向相反，则知两者的电性相反，新核带正电，则放出的必定是β粒子，发生了β衰变，故A项正确；根据动量守恒定律得知，放出的β粒子与新核的动量大小相等，由r＝＝，得半径与电荷量成反比，两圆半径之比为1∶16，由于新核的电荷量较大，则小圆是新核的轨迹。由半径之比得到新核的电荷量为16e，原子序数为16，则原来静止的原子核的原子序数为15，故B项正确；衰变后新核所受的洛伦兹力方向向右，根据左手定则判断得知，其速度方向向下，沿小圆作逆时针方向运动，故C项正确；该衰变过程会放出能量，质量略有亏损，故D项错误。

答案　ABC　

13．一个铍原子核(Be)从最靠近核的K层电子轨道上俘获一个电子后发生衰变，生成一个锂核(Li)，并放出一个不带电的、质量接近零的中微子νe(质量不计)，人们把这种衰变叫作铍核的EC衰变，核反应方程为Be＋e→Li＋νe。已知一个铍原子质量为m1，一个锂原子质量为m2，一个电子质量为me，光速为c，则一个铍原子核发生上述核反应释放的能量为(　　)

A．(m1－m2)c2 B．(m1＋me＋m2)c2

C．(m1＋me－m2)c2 D．(m2－m1－me)c2

解析　铍原子核的质量为m1－4me，锂原子核的质量为m2－3me，则质量亏损为(m1－4me＋me)－(m2－3me)＝m1－m2，故核反应中释放的能量为(m1－m2)c2，A项正确。

答案　A　

14．浙江秦山核电站第三期工程有两个60万千瓦发电机组已并网发电。

(1)(多选)发电站的核能来源于U的裂变，现有四种说法：

A.U裂变时释放出大量能量，产生明显的质量亏损，所以核子数要减小

B.U的一种可能的裂变是变成两个中等质量的原子核，反应方程式为U＋n―→Ba＋Kr＋3n

C.U是天然放射性元素，常温下它的半衰期约为45亿年，升高温度半衰期缩短

D．一个U核裂变能放出约200 MeV的能量，合3.2×10－11 J

以上四种说法正确的是__________。(填选项字母)

(2)已知铀235的质量为235.043 9 u，钡141的质量为140.913 9 u，氪92的质量为91.897 3 u，每个中子质量为1.008 7 u。 1 kg铀235发生(1)中的铀核裂变所放出的能量相当于多少优质煤完全燃烧时放出的能量？(1 kg优质煤完全燃烧时能产生3.36×107 J的热量)

(3)这座核电站核能转化为电能的效率为η＝40%，假定反应堆中发生的裂变反应全是(1)中的核反应，则每年需要多少浓缩铀(浓缩铀中铀235的含量占2%)?

解析　(1)U裂变时，核子数、质量数守恒，只是重核的核子平均质量大于中等质量的核子平均质量，产生质量亏损，释放核能，故A项错，B项对；U的半衰期不会随环境温度的变化而改变，它是由核内部自身的因素决定的，故C项错；200 MeV＝200×106×1.6×10－19 J＝3.2×10－11 J，故D项对。

(2)质量亏损为Δm＝(mU＋mn)－(mBa＋mkr＋3mn)＝236.052 6 u－235.837 3 u＝0.215 3 u。

释放的能量ΔE＝Δmc2＝201 MeV。

1 kg铀235含有的铀原子核数目为

N＝×6.02×1023＝2.56×1024个。

1 kg铀完全反应释放的总能量为

E总＝N·ΔE＝2.56×1024×201×106×1.60×10－19 J＝8.23×1013 J。

1 t煤完全燃烧释放的能量为

E＝1 000×3.36×107 J＝3.36×1010 J，

故1 kg铀完全反应相当于这样的煤完全燃烧的质量为

m煤＝2.45×103 t。

(3)核电站每年放出的热量

Q＝

＝ J

＝9.46×1016 J。

需要浓缩铀的质量为

m＝＝5.7×104 kg。

答案　(1)BD　(2)2.45×103 t

(3)5.7×104 kg

15．(1)Th是不稳定的，能自发的发生衰变。

①Th衰变反应方程是Th→Pa＋______。

②Th衰变为Rn，经过__________次α衰变，________次β衰变。

(2)1919年，卢瑟福用α粒子轰击氮核发现质子。科学研究表明其核反应过程：α粒子轰击静止的氮核后形成了不稳定的复核，复核发生衰变放出质子，变成氧核。设α粒子质量为m1，初速度为v0，氮核质量为m2，质子质量为m0，氧核的质量为m3，不考虑相对论效应。

①α粒子轰击氮核形成不稳定复核的瞬间，复核的速度为多大？

②求此过程中释放的核能。

解析　(1)①根据核电荷数守恒和质量数守恒，粒子为e。

②设发生n次α衰变，m次β衰变，则有

234＝222＋4n,90＝86＋2n－m，解得n＝3，m＝2。

(2)①设复核的速度为v，由动量守恒定律得

m1v0＝(m1＋m2)v，

解得v＝。

②核反应过程中的质量亏损

Δm＝m1＋m2－m0－m3

反应过程中释放的核能

ΔE＝Δm·c2＝(m1＋m2－m0－m3)c2。

答案　(1)①e　②3　2

(2)①　②(m1＋m2－m0－m3)c2