第五章 原子核与核能 单元过关检测（解析版）

2021-2022学年鲁科版（2019）选择性必修第三册
第五章
原子核与核能
单元过关检测（解析版）
第I卷（选择题）
一、选择题（共48分）
1．2021年，日本政府决定2年后将福岛第一核电站的上百万吨核废水排入太平洋，此行为立刻遭到国际社会的谴责和质疑。因为核废水中含有钴（Co）等63种不能过滤的放射性物质。钴60会通过衰变生成镍（Ni），同时会放出γ射线，其半衰期为5.27年，在医学上常用于癌症和肿瘤的放射治疗。下列说法不正确的是（　　）
A．衰变方程为Co→Ni+e，属于衰变
B．钴60不可以作为示踪原子研究人体对药物的吸收
C．钻60对肿瘤进行放射治疗是利用其衰变产生的射线
D．温度升高钴60的半衰期不变
2．1934年，约里奧?居里夫妇用粒子轰击铝核，产生了人工放射性同位素X，并放出一个中子：。X的原子序数和质量数分别为（　　）
A．15和28
B．15和30
C．16和30
D．17和31
3．下列有关核反应的描述正确的是（　　）
A．卢瑟福发现质子的核反应方程是
B．贝克勒尔发现正电子的核反应方程是
C．查德威克发现中子的核反应方程是
D．约里奥·居里夫妇发现放射性同位素的核反应方程是
4．氚核是最简单的放射性原子核，发生β衰变时的半衰期为12.5年，下列说法正确的是（　　）
A．氚核衰变放出的新核是
B．氚核衰变放出的射线是高速电子流，来源于核外电子
C．氚核衰变生成的新核平均核子质量小于氚核的核子平均质量
D．10个氚核经过12.5年，一定有5个发生了衰变
5．下列说法正确的是（　　）
A．玻尔的原子模型成功解释了氢原子光谱的分立性
B．原子核的结合能越大，结构就越稳定
C．光电效应中的光电子和β衰变中产生的β粒子都来源于原子核外的电子
D．地球上的核电站与太阳内部主要进行的核反应类型相同
6．在测定年代较近的湖泊沉积物形成年份时，常利用沉积物中半衰期较短的，其衰变方程为。以下说法正确的是（　　）
A．衰变方程中的X是电子
B．升高温度可以加快的衰变
C．与的质量差等于衰变的质量亏损
D．方程中的X来自于内质子向中子的转化
7．在匀强磁场中，有一个原来静止的原子核，发生衰变后放出的粒子与反冲核的径迹是两个相内切的圆，如图所示，圆的直径之比为，那么下列判断正确的是（　　）
A．原子核发生的是衰变
B．图中1是新核的轨迹
C．磁场方向垂直纸面向外
D．衰变方程为
8．中子衰变后转化成质子和电子，同时放出质量可视为零的反中微子，其核反应方程为已知∶中子质量mn=939.57MeV/c2，质子质量mP=938.27MeV/c2，电子质量me=0.51MeV/c2，c为光速，不考虑粒子之间的相互作用，不考虑中子的初动能。若质子的动量p=3×10-8MeV·s·m-1。以下说法正确的是（　　）
A．核反应产物中子、质子、中微子总动量为零
B．质子的动能为0.043MeV
C．电子和反中微子的总动能为0.747Me
D．电子和反中微子的总动能为0.833MeV
9．关于原子核的衰变，下列说法中正确的是（　　）
A．射线有很强的穿透本领
B．β射线为原子的核外电子电离后形成的电子流
C．γ射线是波长很短的电磁波
D．用任何方法都不能改变原子核的半衰期
10．关于爱因斯坦提出的质能方程和，下列说法正确的是（　　）
A．表明物体具有的能量与其质量成正比
B．中的是发生核反应时释放的核能
C．根据，可以计算核反应中释放的核能
D．两个质子和两个中子结合成一个氦核时，释放出核能，表明此过程中出现了质量亏损
11．中子活化是指将样品用中子照射后，样品中的原子经中子俘获而变得具有放射性的过程。俘获中子后的原子核通常会立即衰变，释放出粒子同时生成新的活化产物。经中子照射后发生反应，最终生成并释放一粒子，若、、和的质量分别为、、、，相当于，下列说法正确的是（　　）
A．反应方程式
B．具有放射性，能衰变成和
C．生成物的质量减少
D．反应将吸收能量约
12．关于原子核及其核反应，下列说法正确的是（　　）
A．要使核聚变发生，必须克服库仑力做功
B．核裂变反应中，生成物的比结合能大于反应物的比结合能
C．β衰变中的电子来自于核内一个质子转化成一个中子的过程
D．可以通过调节温度、压强等条件来调控核衰变反应的速度
第II卷（非选择题）
二、解答题（共52分）
13．查找华人科学家在粒子物理领域的成果和事迹，写一篇文章，并与同学交流。
14．1919年，卢瑟福用粒子轰击氮核发现质子科学研究表明其核反应过程是：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，变成氧核设粒子质量为，初速度为，氮核质量为，质子质量为，氧核的质量为．
写出卢瑟福发现质子的核反应方程；
粒子轰击氮核形成不稳定复核的瞬间，复核的速度为多大？
?
求此过程中释放的核能．
15．正电子发射计算机断层扫描（Positron
emission
tomography，简称PET）是一种核医学成像技术，它的基本原理是：将放射性同位素氟-18（BF）注入人体参与人体的代谢过程。氟一在人体内衰变放出正电子，与人体内负电子相遇而湮灭转化为一对光子，被探测器探测到，经计算机处理后产生清晰的图像（如图1），根据PET原理，回答下列问题：
(1)写出氟-18的衰变的方程式及正负电子发生湮灭的方程式。
(2)设电子质量为m，电荷量为e，光速为c，普朗克常数为h，求探测到的正负电子湮灭后生成的光子的波长，
(3)根据氟-18的衰变规律（如图2）（纵坐标表示任意时刻放射性元素的原子数与的原子数之比），氟-18的半衰期为多长时间？经过5小时人体内氟-18的残留量是初时的百分之几？
16．钚的放射性同位素静止时衰变为铀核激发态和α粒子，而铀核激发态立即衰变为铀核，并放出能量为Eγ=0.097MeV的γ光子。已知的质量mPu为239.0521u、的质量mU为235.0439u和α粒子的质量ma为4.0026u且1u相当于931.5MeV的能量。
（1）写出衰变方程。
（2）已知衰变放出的光子的动量可忽略，求α粒子的动能是多少？
参考答案
1．A
【详解】
A.
衰变方程为
Co→Ni+e
属于β衰变，选项A错误，符合题意；
B.
钴60半衰期较长，则不可以作为示踪原子研究人体对药物的吸收，选项B正确，不符合题意；
C.
钻60对肿瘤进行放射治疗是利用其衰变产生的射线，选项C正确，不符合题意；
D.
外界条件不影响半衰期，则温度升高钴60的半衰期不变，选项D正确，不符合题意；
故选A。
2．B
【详解】
根据核反应的质量数和电荷数守恒可知，X的质量数为30，电荷数为15，即原子序数为15。
故选B。
3．D
【详解】
A．卢瑟福发现质子的核反应方程是
A错误；
B．居里夫妇发现正电子的核反应方程是
B错误；
C．查德威克发现中子的核反应方程是
C错误；
D．约里奥·居里夫妇发现放射性同位素的核反应方程是
D正确。
故选D。
4．C
【详解】
A．根据质量数守恒，电荷数守恒
故A错误；
B．氚核衰变放出的射线是高速电子流，来源于核内一个中子转化为一个质子和一个电子，故B错误；
C．该反应释放能量，所以氚核衰变生成的新核平均核子质量小于氚核的核子平均质量，因为存在质量亏损，故C正确；
D．半衰期对大量样本才有意义，对少数不具有统计规律，故D错误。
故选C。
5．A
【详解】
A．玻尔的原子模型成功解释了氢原子光谱的分立性，A正确；
B．原子核的比结合能越大，结构越稳定，故B错误；
C．光电效应中的光电子来源于原子核外的电子，β衰变中产生的β粒子源自原子核内部，故C错误；
D．地球上的核电站是核裂变，太阳内部主要进行的核反应是核聚变，故B错误。
故选A。
6．A
【详解】
A．根据质量数守恒和电荷数守恒可知，X是电子，A正确；
B．半衰期非常稳定，不受温度，压强，以及该物质是单质还是化合物的影响，B错误；
C．与和电子X的质量差等于衰变的质量亏损，C错误；
D．方程中的X来自于内中子向质子的转化，D错误。
故选A。
7．D
【详解】
A．由动量守恒定律可知，放出的粒子与反冲核动量大小相等，方向相反，由在磁场中粒子与反冲核的径迹是两个相内切的圆可知，反冲核带正电，放出的粒子带负电，所以应该是衰变，选项A错误；
B．图中1应是粒子的轨迹，选项B错误；
C．由左手定则可知，磁场方向垂直纸面向里，选项C错误；
D．由洛伦兹力提供向心力公式
解得
又已知两圆直径之比为，可知反冲核的电量是粒子的7倍，选项D正确。
故选D。
8．BC
【详解】
A．反应前中子的动量为零，则核反应产物电子、质子、中微子总动量为零，选项A错误；
B．根据
质子的动能为
故B正确；
CD．反应放出能量
电子和反中微子的总动能为
0.79MeV-0.043MeV=0.747MeV
选项C正确，D错误。
故选BC。
9．CD
【详解】
A．射线有很强的电离本领，穿透本领最低，A错误；
B．β射线为原子核中的中子转化为质子而形成的电子流，B错误；
C．γ射线是波长很短的电磁波，C正确；
D．用任何方法都不能改变原子核的半衰期，D正确。
故选CD。
10．ACD
【详解】
A．表明物体具有的能量与其质量成正比，所以A正确；
B．中的是物体蕴含的能量，不是发生核反应时释放的核能，所以B错误；
C．根据，可以计算核反应中释放的核能，所以C正确；
D．两个质子和两个中子结合成一个氦核时，释放出核能，根据爱恩斯坦的质能方程，表明此过程中出现了质量亏损，所以D正确；
故选ACD。
11．BD
【详解】
A．反应方程式为
A错误；
B．由题意知，俘获中子后，生成的具有放射性，B正确；
C．反应前后生成物质量变化为
说明生成物的质量增加，C错误；
D．生成物的质量增加，所以吸收的能量为
D正确。
故选BD。
12．AB
【详解】
A．要使轻核发生聚变，必须使它们的距离达到10-15m以内，核力才能起作用，由于原子核都带正电，要使它们接近到这种程度，必须克服巨大的库仑斥力，A正确；
B．使较重的核分裂成中等大小的核，核子的比结合能会增加，B正确；
C．β衰变中的电子来自于核内一个中子转化成一个质子的过程，而非质子转化成中子，C错误；
D．衰变的快慢是由核内部自身的因素决定的，跟原子所处的化学状态和外部条件没有关系，D错误；
故选AB。
13．见解析
【详解】
1958年，一个电话改变了黄旭华的一生。“电话里只说去北京出差，其他什么也没说。我简单收拾了一下行李就去了。”黄旭华说，他从上海到了北京才知道，国家要搞核潜艇。这是黄旭华人生的重要转折点，从此，他的一生与核潜艇结缘。
在此4年前，美国建造的世界第一艘核潜艇首次试航，一年前，苏联第一艘核潜艇下水。核潜艇刚一问世，即被视为捍卫国家核心利益的“杀手锏”。1958年6月27日，聂荣臻元帅向中共中央呈送《关于开展研制导弹原子潜艇的报告》，得到毛泽东主席批准。这份绝密报告，拉开了中国研制核潜艇的序幕。然而，当时的中国要造核潜艇，谈何容易？1959年秋，赫鲁晓夫访华，中国领导人希望苏联帮助中国发展核潜艇，但赫鲁晓夫认为，核潜艇技术复杂，中国搞不了。对此，毛泽东誓言：“核潜艇，一万年也要搞出来！”“主席这句话，体现了中国人自己造核潜艇的决心。”黄旭华说，这种激励难以言表。然而，当时连核潜艇长什么样儿也不知道。“没办法，只能‘骑驴找马’，搜罗核潜艇相关信息，拼凑出核潜艇的轮廓。”黄旭华说，他们只得带着“三面镜子”找有用信息：用“放大镜”搜索相关资料，用“显微镜”审视相关内容，用“照妖镜”分辨真假虚实。就这样，中国核潜艇事业在一穷二白的基础上起步，在一波三折中发展。
1964年10月，中国第一颗原子弹爆炸成功。原子弹上天，带来核潜艇下海的希望。5个月后，核潜艇研制工作全面启动。核潜艇总体研究设计所在葫芦岛成立，黄旭华开始了“荒岛求索”的人生。那是个特殊的年代。文革时期政治运动不断，白天养猪、修猪圈、接受批判，晚上黄旭华和同事们潜心于核潜艇事业。没有计算机计算核心数据，就用算盘和计算尺。为了控制核潜艇的总重和稳性，就用磅秤来称。黄旭华和同事们用最“土”的办法解决了尖端的技术问题，同时用创新的思维解决关键问题。核潜艇的形状是采用常规线型还是水滴线型，一度困扰着黄旭华和他的同事们。美国发展核潜艇分三步走，先是采用适合水面航行为主的常规线型，同时建造一艘常规动力水滴线型潜艇，摸索水滴型体的流体性能，在此基础上研制出先进的水滴型核潜艇。依据大量试验和科学论证，黄旭华提出，“三步并作一步走”，研制中国的水滴型核潜艇。“一个侦察兵已把最佳路线侦察出来，就没必要重走他侦察时的路线了。”黄旭华说。
功夫不负有心人。黄旭华和同事们先后突破了核潜艇中最为关键和重大的核动力装置、水滴线型艇体、艇体结构、人工大气环境、水下通讯、惯性导航系统、发射装置7项技术，也就是“七朵金花”。
1970年12月26日，中国第一艘攻击型核潜艇顺利下水。
1974年8月1日，中国第一艘核潜艇被命名为“长征一号”，正式列入海军战斗序列。
这是世界核潜艇史上罕见的速度：上马三年后开工，开工两年后下水，下水四年后正式入列。
1981年4月，我国第一艘弹道导弹核潜艇成功下水。两年四个月后，交付海军训练使用，加入海军战斗序列。中国成为继美、苏、英、法之后世界上第五个拥有核潜艇的国家。
核潜艇潜入深海，才能隐蔽自己，在第一次核打击后保存自己，进行第二次核报复，从而实现战略威慑。
1988年4月29日，我国进行核潜艇首次深潜试验。数百米深的深潜试验，是最危险的试验。“核潜艇上一块扑克牌大小的铜板，深潜后承受的外压是1吨多。这么大的艇体，有一块钢板不合格、一条焊缝有问题、一个阀门封不严，都是艇毁人亡的结局！”深潜试验遭遇事故并不罕见。上世纪60年代，美国核潜艇“长尾鲨”号便在深潜试验时沉没，艇上一百多人全部遇难。对参试人员来说，这无疑是个巨大的心理考验。为增强参试人员信心，减小压力，这位64岁的总设计师做出惊人决定：亲自随核潜艇下潜。一小时、二小时、三小时，核潜艇不断向极限深度下潜。海水挤压着艇体，舱内不时发出“咔嗒、咔嗒”的巨大声响，直往参试人员的耳朵里钻。黄旭华全神贯注地观察并记录着各种数据。
成功了！当核潜艇浮出水面时，现场的人群沸腾了。人们握手，拥抱，喜极而泣。
1988年下半年，中国第一代弹道导弹核潜艇完成水下发射导弹试验，意味着中国真正具备了水下核反击能力。核潜艇横空出世，使我国从此摆脱了超级大国的核讹诈。
深海，潜伏着中国核潜艇，也深藏着“核潜艇人”的功与名。
“为了工作上的保密，我整整30年没有回家。离家研制核潜艇时，我刚三十出头，等回家见到亲人时，已是六十多岁的白发老人了。”黄旭华说。
苦干惊天动地事，甘做隐姓埋名人。黄旭华埋头苦干的人生，正是中国核潜艇人不懈奋斗的缩影，他们是骑鲸蹈海的“无名英雄”。
14．（1）（2）（3）
【解析】
【分析】
根据质量数和电荷数守恒可以正确书写核反应方程，α粒子轰击静止的氮核过程中动量守恒，因此根据动量守恒和质能方程可正确解答该题；
【详解】
①根据质量数和电荷数守恒可得α粒子轰击氮核方程为：
②设复核的速度为v，由动量守恒定律得：
解得：
③核反应过程中的质量亏损：
反应过程中释放的核能：。
【点睛】
利用动量守恒和质能方程解答原子物理问题是考查的重点，在平时训练中要加强这方面的训练。
15．(1)
；；(2)；(3)；
【详解】
(1)根据质量数与质子数守恒，则有，氟-18的衰变方程：
正负电子湮灭方程：
(2)由质能方程得：
由能量守恒得：
化简得：
(3)氟-18的半衰期为：
当时，由可得：
16．（1）；（2）
【详解】
（1）根据质量数和电荷数守恒可得衰变方程为
故衰变方程为
（2）上述衰变过程的质量亏损为
根据质能方程可知，放出的能量为
这些能量是铀核的动能、粒子的动能和γ光子的能量之和，即有
所以可得
设衰变后的铀核和粒子的速度分别为和，由动量守恒有
又由动能的定义知
根据动能与动量的关系，可得
联立可得
所以，可得
代入数据可得