5.3核力与核能 综合训练（Word版含解析）

5.3核力与核能
一、选择题（共15题）
1．已知质子的质量mp=1.0073u，中子质量mn=1.0087u，氚核质量m=3.018u，1u相当于931Mev，则氚核的结合能为（　　）
A．6.24 Mev B．2.08 Mev C．4.93 Mev D．1.64 Mev
2．2011年3月11日，日本东海岸发生9.0级地震，地震引发的海啸摧毁了日本福岛第一核电站的冷却系统，最终导致福岛第一核电站的6座核反应堆不同程度损坏，向空气中泄漏大量碘131、铯137、钡等放射性物质，这些放射性物质随大气环流飘散到许多国家.4月4日，日本开始向太平洋排放大量带有放射性物质的废水，引起周边国家的指责．有效防治核污染，合理、安全利用核能成为当今全世界关注的焦点和热点．下列说法中正确的是（　　）
A．福岛第一核电站是利用原子核衰变时释放的核能来发电的
B．铯、碘、钡等衰变时释放能量，故会发生质量亏损
C．铯137进行β衰变时，往往同时释放出γ射线，γ射线具有很强的电离能力，能穿透几厘米厚的铅板
D．铯137进入人体后主要损害人的造血系统和神经系统，其半衰期是30.17年，如果将铯137的温度降低到0度以下，可以延缓其衰变速度
3．太阳因核聚变释放出巨大的能量，其质量不断减少。太阳光从太阳射到月球表面的时间约500s，月球表面每平米每秒钟接收到太阳辐射的能量约为1.4×103J，根据爱因斯坦质能方程，太阳每秒钟减少的质量最接近（　　）
A．4×109kg B．4×l012kg C．4×l018kg D．4×1024kg
4．原子核的比结合能与核子数的关系如图，由此可知（　　）
A．越重的原子核，如铀核（ U），因为它的核子多，核力大，所以结合得坚固而稳定
B．越轻的原子核，如锂核（ Li），因为它的核子只有6个比铀核简单，因而比铀核结合得更坚固更稳定
C．原子核发生衰变的过程是比结合能增大的过程
D．原子核A和B结合成C，原子核F分裂成E和D，都会释放核能
5．对爱因斯坦光电效应方程EK=hν﹣W，下面的理解正确的有（　　）
A．只要是用同种频率的光照射同一种金属，那么从金属中逸出的所有光电子都会具有同样的初动能EK
B．式中的W表示每个光电子从金属中飞出过程中克服金属中正电荷引力所做的功
C．逸出功W和极限频率ν0之间应满足关系式W=hν0
D．光电子的最大初动能和入射光的频率成正比
6．下列说法中错误的是 （　　）
A．卢瑟福通过实验发现了质子的核反应方程为 He+ N→ O+ H
B．铀核裂变的核反应是： U→ Ba+ Kr+2 n
C．质子、中子、α粒子的质量分别为m1、m2、m3，质子和中子结合成一个α粒子，释放的能量是（2m1+2m2﹣m3）c2
D．原子从a能级状态跃迁到b能级状态时发射波长为λ1的光子；原子从b能级状态跃迁到c能级状态时吸收波长为λ2的光子，已知λ1＞λ2，那么原子从a能级状态跃迁到c能级状态时将要吸收波长为 的光子．
7．核能作为一种新能源在现代社会中已不可缺少，我国在完善核电安全基础上将加大核电站建设。核泄漏中的钚(Pu)是一种具有放射性的超铀元素，它可破坏细胞基因，提高罹患癌症的风险。已知钚的一种同位素 Pu的半衰期为24 100年，其衰变方程为 Pu→X＋ He＋γ，下列说法中正确的是(　　)
A．X原子核中含有92个中子
B．100个 Pu经过24 100年后一定还剩余50个
C．由于衰变时释放巨大能量，根据E＝mc2，衰变过程总质量增加
D．衰变发出的γ射线是波长很短的光子，具有很强的穿透能力
8．对于爱因斯坦提出的质能方程E=mc2，下列说法中不正确的是（　　）
A．E=mc2表明物体具有的能量与其质量成正比
B．根据ΔE=Δmc2可以计算核反应中释放的核能
C．若m表示核电站参与反应的铀235的质量，则E表示核反应释放的核能
D．太阳辐射的能量主要来自太阳内部的核聚变反应，因此太阳的质量在不断减少
9．2020年3月20日，电影《放射性物质》在伦敦首映，该片的主角——居里夫人是放射性元素钋（ ）的发现者。钋210的半衰期是138天；钋210核发生衰变时，会产生α粒子和原子核X，并放出γ射线．下列说法正确的是（　　）
A．γ射线是高速电子流
B．原子核X的中子数为82
C．10个钋210核经过138天，一定还剩下5个钋核
D．衰变后产生的α粒子与原子核X的质量之和小于衰变前钋210核的质量
10．太阳内部核反应的主要模式之一是质子-质子循环，循环的结果可表示为 ，已知 和 的质量分别为 和 ，1u=931MeV/c2，c为光速．在4个 转变成1个 的过程中，释放的能量约为（　　）
A．8 MeV B．16 MeV C．26 MeV D．52 MeV
11．一个不稳定的原子核质量为M，处于静止状态．放出一个质量为m的粒子后反冲，已知放出的粒子的动能为E0，则原子核反冲的动能为(　　)
A．E0 B． E0 C． E0 D． E0
12．氘核和氚核的核反应方程为 + → e+ ，己知 的比结合能是2.78MeV， 的比结合能是1.09MeV， 的比结合能是7.03MeV，下列说法中正确的是（　　）
A．氦原子核由两个质子和两个中子组成，其中两个质子之间三种作用力从大到小的排列顺序为：核力、库仑力、万有引力
B．聚变反应后生成的氦核的结合能为14.06MeV
C．该核反应过程释放出的能量为17.6MeV
D．原子核的比结合能大小可反映原子核的稳定程度，该值随质量数的增加而增大
13．下列关于原子结构和原子核的说法中正确的是（　　）
A．卢瑟福在 粒子散射实验的基础上提出了原子的核式结构模型
B．天然放射性元素在衰变过程中电荷数和质量数守恒，其放射线在磁场中不偏转的是 射线
C．据图可知，原子核A裂变成原子核B和C要放出核能
D．据图可知，原子核D和E聚变成原子核F要吸收能量
14．氢原子的能级图如图所示，原子从能级n=4向n=2跃迁所放出的光子能使某种金属材料发生光电效应，且光电子的最大初动能为0.3eV，已知普朗克常数h=6.63×10-34J·s，则以下说法中正确的是（　　）
A．该金属的逸出功为2.25eV
B．该金属的截止频率为5.43×1033Hz
C．氢原子从能级n=2向n=1跃迁所放出的光子照射该金属，产生的光电子的最大初动能为7.95eV
D．用动能为0.3eV的电子撞击能级n=2的氢原子，可以使其跃迁到能级n=3
15．一个质子和一个中子聚变结合成一个氘核，同时辐射一个γ光子．已知质子、中子、氘核的质量分别为m1、m2、m3，普朗克常量为h，真空中的光速为c．下列说法正确的是（　　）
A．核反应方程是 H+ n→ H+γ
B．聚变反应中的质量亏损△m=m1+m2﹣m3
C．辐射出的γ光子的能量E=（m3﹣m1﹣m2）c
D．γ光子的波长γ=
二、填空题
16．1932年，有人使动能为0.5MeV的质子与静止的 Li核碰撞，发现有两个同样的新核产生，这个核反应方程式为　 　．实验中测得放出的那两个新核的动能之和为17.6MeV，已知上述反应中放出的那种新核的质量为6.6466×10﹣27kg， H和 Li的质量分别为1.6726×10﹣27kg和11.6505×10﹣27kg，则反应中质量亏损△m=　 　 kg，按爱因斯坦质能关系，相当于放出　 　MeV的能量，这个计算值与实验结果符合得很好，从而证实了爱因斯坦的质能方程．
17．科学家用质子轰击锂核的实验来验证“爱因斯坦质能方程”，已知质子 H轰击锂核 Li能产生两个α粒子，mLi=7.016u，mH=1.0078u，mHe=4.0026u，1u相当于931.5MeV，则此核反应的方程式为　 　，此核反应释放的核能为　 　 MeV（保留3位有效数字）．
18．电子中微子可以将一个氯核转变为一个氩核，其核反应方程为：νe＋ → ＋ ,已知 核的质量为36.95658u， 核的质量为36.95691u， 的质量为0.00055u，质量u对应的能量为931.5MeV.上述反应的电子中微子的最小能量是　 　Mev
19．太阳因核聚变释放出巨大的能量，同时其质量不断减少．太阳每秒钟辐射出的能量约为4×1026 J，根据爱因斯坦质能方程，太阳每秒钟减少的质量最接近　 　 kg。
三、综合题
20．有“人造太阳”之称的“东方超环”是我国自主设计建造的世界上第一个非圆截面全超导托卡马克核聚变实验装置。“人造太阳”核聚变的反应方程为 ，此反应中释放的核能为 ，已知光速为c。
（1）请确定聚变方程中Z、M的数值；
（2）求上述聚变反应中的质量亏损 ；
（3）轻核聚变、重核裂变是两种重要的核反应类型，请你结合实际，说明它们的异同点。
21．太阳中含有大量的氘核，因氘核不断发生核反应释放大量的核能，以光和热的形式向外辐射．已知氘核质量为 ，氦核质量为 ，中子质量为 ，1u的质量相当于 的能量则：
（1）完成核反应方程： 　 　 + ．
（2）求核反应中释放的核能．
（3）在两氘核以相等的动能 进行对心碰撞，并且核能全部转化为机械能的情况下，求反应中产生的中子和氦核的动能．
22．1个质子的质量mp=1.007 277u，1个中子的质量mn=1.008 665u．氦核的质量为4.001 509u．这里u表示原子质量单位，1u=1.660 566×10﹣27kg．（已知：原子质量单位1u=1.67×10﹣27kg，1u相当于931.5MeV）
（1）写出核反应方程；
（2）计算2个质子和2个中子结合成氦核时释放的能量；
（3）氦核的平均结合能？
23．太阳能量的来源是轻核的聚变，太阳中存在的主要元素是氢，核聚变反应可以看作是4个氢核( H)结合成1个氦核同时放出2个正电子。下表中列出了部分粒子的质量(1 u相当于931.5Mev)
粒子名称 质子(p) α粒子 正电子(e) 中子(n)
质量/u 1.007 3 4.001 5 0.000 55 1.008 7
（1）写出核聚变反应方程
（2）求核聚变反应过程中的质量亏损和释放的能量（保留三位有效数字）
答案部分
1．A
【解答】反应的质量亏损为△m=mH+2mn-m=（1.0073+2×1.0087-3.0180）u=0.0067u
释放的核能为△E=△mc2=0.0067×931.5MeV≈6.24MeV
则氚核的结合能为6.24MeV。
故答案为：A。
2．B
【解答】解：A、福岛第一核电站是利用重核裂变释放的核能进行发电的，故A错误；
B、铯、碘、钡等衰变时释放能量，根据质能方程知会发生质量亏损，故B正确；
C、铯137进行β衰变时，往往同时释放出γ射线，γ射线具有很强的穿透能力，甚至能穿透几厘米厚的铅板，但电离能力很弱，故C错误；
D、半衰期只与原子核本身有关，与其它因素无关，故D错误；
故选：B．
3．A
【解答】由题可知，太阳每秒钟辐射的能量为： ，其中 ，由爱因斯坦质量方程可知， ，代入解得： ，A符合题意。
故答案为：A
4．D
【解答】解：A、越重的原子核，如铀核（ U），因为它的核子多，核力大，但由图可知，核子多的原子核，比结合能小，所以结合得不坚固，也不稳定，故A错误；
B、越轻的原子核，如锂核（ Li），因为它的核子只有6个比铀核简单，但锂核（ Li）的比结合能比铀核小，因而比铀核结合得更不坚固也更不稳定，故B错误；
C、原子核发生衰变的过程是比结合能不一定增大，比如发生β衰变，原子的核子数并没有变化，所以比结合能也没有增大，故C错误；
D、原子核A和B结合成C，原子核F分裂成E和D，都存在质量的亏损，都会释放核能，故D正确；
故选：D．
5．C
【解答】解：A、根据光电效应方程Ekm=hγ﹣W0知，同种频率的光照射同一种金属，从金属中逸出的所有光电子最大初动能EK都相同，但初动能可能不同．故A错误．
B、W表示逸出功，是每个电子从这种金属中飞出过程中，克服金属中正电荷引力所做的功的最小值．故B错误；
C、根据光电效应方程Ekm=hγ﹣W0知，当最大初动能为零时，入射频率即为极限频率，则有W=hν0，故C正确．
D、根据光电效应方程Ekm=hγ﹣W0知，最大初动能与入射光的频率成一次函数关系，不是正比关系．故D错误．
故选：C．
6．B
【解答】解：A、物理学家卢瑟福用该粒子轰击氮核，发现了质子，该核反应方程是： N+ He→ O+ H．故A正确；
B、铀核裂变的核反应是有一个慢中子参与下的裂变，反应方程是： n U→ Ba+ Kr+3 n．故B错误；
C、质子、中子、α粒子的质量分别为m1、m2、m3，质子和中子结合成一个α粒子，质量减小：△m=（2m1+2m2﹣m3），释放的能量是（2m1+2m2﹣m3）c2．故C正确；
D、由题，原子从a能级状态跃迁到b能级状态时发射光子，说明a能级高于b能级；原子从b能级状态跃迁到c能级状态时吸收光子，说明c能级高于b能级；据题，λ1＞λ2，根据光子能量公式E=h 得知，从a能级跃迁到b能级时发射的光子能量小于从b能级跃迁到c能级时吸收的光子，根据玻尔理论可知，c能级高于a能级，所以原子从a能级状态跃迁到c能级状态时将要吸收光子．
根据玻尔理论得
a→b：Ea﹣Eb=h
b→c：Ec﹣Eb=h
a→c：Ec﹣Ea=h
联立上三式得，λ= ．故D正确．
本题选择错误的，故选：B
7．D
【解答】根据电荷数守恒、质量数守恒知，X的电荷数为92，质量数为235，则中子数为143．A不符合题意。半衰期具有统计规律，对大量的原子核适用。B不符合题意。由于衰变时释放巨大能量，根据E=mc2，衰变过程总质量减小。C不符合题意。衰变发出的γ放射线是波长很短的光子，具有很强的穿透能力。D符合题意。
故答案为：D
8．C
【解答】A．爱因斯坦提出的质能方程E=mc2
告诉我们，物体具有的能量与它的质量成正比，故A正确，不符合题意；
B．根据ΔE=Δmc2
Δm是亏损质量，ΔE是释放的核能，故B正确，不符合题意；
C．若m表示核电站参与反应的铀235的质量，则E表示其具有的能量，不表示核反应释放的核能，故C错误，符合题意。
D．太阳辐射的能量来自太阳内部的轻核聚变，即热核反应，轻核聚变有质量亏损，释放核能，故D正确，不符合题意。
故答案为：C。
9．D
【解答】A ．γ射线是伴随放射性元素衰变放出的大量光子，A不符合题意；
B ．钋210发生α衰变的核反应方程为
则原子核X的中子数为n=206-82=124
B不符合题意；
C．半衰期是一半质量的放射性元素衰变所用的时间，但某个原子核是否衰变是不确定的，C不符合题意；
D．衰变后放出γ光子，即放出核能，由质能方程可知，反应后有质量亏损，D符合题意。
故答案为：D。
10．C
【解答】由 知 ， = ，忽略电子质量，则： ，C选项符合题意；
故答案为：C
11．C
【解答】放出质量为m的粒子后，剩余质量为M-m，该过程动量守恒，由动量守恒定律得：，则原子核的反冲动能为：，故ABD错误，C正确。
故答案为：C
12．A,C
【解答】A．根据原子核的组成理论，氦原子核由两个质子和两个中子组成，其中两个质子之间三种作用力从大到小的排列顺序为：核力、库仑力、万有引力。A符合题意。B．聚变反应后生成的氦核的结合能为4×7.03MeV=28.12MeV，B不符合题意；C．氘核的比结合能为E1，氚核的比结合能为E2，氦核的比结合能为E3，根据比结合能等于结合能与核子数的比值，则有该核反应中释放的核能△E=4E3-2E1-3E2=4×7.03-2×1.09-3×2.78=17.6MeV．
C符合题意；D．比结合能越大，表示原子核中核子结合得越牢靠，原子核越稳定，比结合能并非随着质量数的最大而增大，D不符合题意；
故答案为：AC.
13．A,B,C
【解答】A．卢瑟福在 粒子散射实验的基础上提出了原子的核式结构模型，A符合题意；
B．天然放射性元素在衰变过程中电荷数和质量数守恒，其放射线在磁场中不偏转的是 射线，B符合题意；
CD．裂变和聚变都要有质量亏损，根据质能方程都放出能量，C符合题意，D不符合题意。
故答案为：ABC。
14．A,C
【解答】AB．原子从能级n=4向n=2跃迁所放出的光子能量为E=(-0.85eV)-(-3.4eV)=2.55eV
根据
该金属的逸出功为
截止频率
A符合题意，B不符合题意；
C．氢原子从能级n=2向n=1跃迁所放出的光子能量为E′=(-3.4eV)-(-13.6eV)=10.2eV
所放出的光子照射该金属，产生的光电子的最大初动能为Ekm=E′-W=7.95eV
C符合题意；
D．因n=2与n=3的能级差为1.89eV，则用动能为0.3eV的电子撞击能级n=2的氢原子，不可以使其跃迁到能级n=3，D不符合题意。
故答案为：AC。
15．B,D
【解答】解：A、一个质子和一个中子聚变结合成一个氘核，同时辐射一个γ光子，由质量数守恒和电荷数守恒，可得核反应方程为 H+ n→ H+γ，选项A错误．
B、反应前的质量减去反应后的质量，即为质量的亏损，即为△m=m1+m2﹣m3，选项B正确；
C、聚变反应中亏损的质量转化为能量以光子的形式放出，故光子能量为E=（m1+m2﹣m3）c2，选项C错误；
D、根据h =E=（m1+m2﹣m3）c2得光子的波长为：λ= ，选项D正确．
故选：BD．
16． →2 ；2.99×10﹣29；16.8
【解答】解：根据质量数和电荷数守恒可知，该反应方程为： →2 ．
反应中的质量亏损△m=1.6726×10﹣27+11.6505×10﹣27﹣2×6.6466×10﹣27kg=2.99×10﹣29kg．
根据质能方程释放能量为：△E=mc2=2.99×10﹣29×9×108J=16.8MeV．
故答案为： →2 ，2.99×10﹣29，16.8．
17．Li+ H→2 He；7.3
【解答】解：根据质量数与电荷数守恒，由题意可知反应方程式是： Li+ H→2 He；
核反应前后发生的静止质量亏损为：
△m=mLi+mp﹣2mα=7.0160u+1.0078u﹣2×4.0026u=0.0186u；
由质能方程得，核反应释放的能量为：
△E=△mc2=0.0186u×931.5MeV≈17.3MeV；
故答案为： Li+ H→2 He，17.3．
18．0.82MeV
【解答】E＝(mAr＋me－mCl)c2＝(36.95691＋0.00055－36.95658)×931.5MeV＝0.82MeV
19．109
【解答】根据爱因斯坦质能方程ΔE＝Δmc2，得Δm＝ ＝ kg≈109 kg.
20．（1）解：核反应方程满足质量数守恒和质子数守恒，则
解得 ，
（2）解：根据质能方程 可知
（3）解：异同点如下表格
　 重核裂变 轻核聚变
放能原理 重核分裂成两个或多个中等质量的原子核，放出核能 两个轻核结合成质量较大的原子核，放出核能
放能多少 聚变反应比裂变反应平均每个核子放出的能量要大3 ~ 4倍
核废料处理难度 聚变反应的核废料处理要比裂变反应简单得多
原料的蕴藏量 核裂变燃料铀在地球上储量有限，尤其用于核裂变的铀235在天然铀中只占0.7% 主要原料是氘，氘在地球上的储非常丰富。1L水中大约有0.03g氚，如果用来进行热核反应，放出的能量约与燃烧300L汽油释放的能量相当
可控性 速度比较容易进行人工控制，现在的核电站都是用核裂变反应释放核能 目前，除氢弹以外，人们还不能控制它
21．（1）
（2）解：核反应过程中的亏损质量
反应过程中释放的核能
（3）解：设 和 的动量分别是 和
由动量守恒可得， 和 大小相等
由动能和动量的关系 及 和 的质量关系得，中子动能 是 动能 的3倍，即
由能量守恒得：
解得：中子的动能 ， 的动能
22．（1）解：根据电荷数守恒、质量数守恒得：
2 +2 →
答：2 +2 → ；
（2）解：2个中子和2个质子结合成氦核时质量亏损：△m=2mn+2mP﹣mHe
根据爱因斯坦质能方程，放出的能量为：△E=△mc2=（2mn+2mP﹣mHe）c2=0.030375×931.5=28.3MeV
答：2个质子和2个中子结合成氦核时释放的能量为28.3MeV；
（3）解：氦核的平均结合能为： = =7.1MeV
答：氦核的平均结合能7.1MeV．
23．（1）解：根据电荷数守恒、质量数守恒、核反应方程为：
（2）解：在核反应过程中质量亏损△m=4×1.0073-4.0015-2×0.00055u=0.0266u，释放的核能为△E=△mc2=0.0266×931.5MeV=24.8MeV