第五章 原子核与核能 综合训练 （word版含答案）

第5章原子核与核能
一、选择题（共14题）
1．下列说法中正确的是（　　）
A．金属发生光电效应的截止频率随入射光频率的变化而变化
B．黑体的热辐射就是反射外来的电磁波
C．氢原子中电子具有波动性，并非沿经典力学描述下的轨道运动
D．核聚变需要极高的温度，反应过程中需要外界持续提供能量
2．关于物理学史和物理思想方法，下列说法正确的是（　　）
A．速度、加速度和时间都是矢量
B．质点、轻绳和光滑平面都是理想化模型
C．普朗克提出了能量子理论并成功解释了光电效应现象
D．贝可勒尔最早发现了天然放射现象，并指出原子核是由质子和中子组成的
3．下列核方程中错误的是（　　）
A． 衰变方程
B．查德威克发现中子
C．重核裂变
D．轻核聚变
4．原子核的比结合能与原子序数的关系图所示，大多数恒星内部温度非常高，可进行轻核聚变，核反应方程为A+B→C。但对于金、铂等重金属产生，目前科学界有一种理论认为，两颗中子星合成过程中会释放巨大的能量，在能量的作用下能够合成金、铂等重金属，其核反应为D+E→F，下列说法正确的是（　　）
A．重核F裂变成D和E的过程中，会产生质量亏损
B．较轻的核A和B聚合成C的过程中核子平均质量变大
C．较重的核D和E聚合成F的过程中，会释放较大能量
D．A和B聚合成C的过程中，C的结合能小于A和B的结合能之和
5．下列说法正确的是(　　)
A．原子的核式结构模型是汤姆孙最早提出的
B．铀核( U)衰变为铅核( Pb)的过程中，要经过8次α衰变和6次β衰变
C．一个氢原子从量子数n＝3的激发态跃迁到基态时最多可辐射3种不同频率的光子
D．一束光照射到某种金属上不能发生光电效应，可能是因为这束光的强度太小
6．目前，在居家装修中，经常用到花岗岩、大理石等装修材料，这些岩石都不同程度地含有放射性元素，比如有些含有铀钍的花岗岩等岩石都会释放出放射性惰性体氡，而氡会发生放射性衰变，放出α、β、γ射线，这些射线会导致细胞发生癌变及呼吸道方面的疾病，根据有关放射性知识可知，下列说法正确的是（　　）
A．β射线是原子核外电子电离形成的质子流，它具有很强的穿透能力
B．β衰变所释放的电子是原子核内的中子转化成质子时产生并发射出来的
C．已知氡的半衰期为3.8天，若取2g氡放在天平左盘上，砝码放于右盘，左右两边恰好平衡，则3.8天后，需取走1g砝码天平才能再次平衡
D．发生α衰变时，生成核与原来的原子核相比，中子数减少了4
7．广东大亚湾核电站是我国首座利用核裂变发电的大型商用核电站，核裂变反应方程 中（　　）
A． 为电子， B． 为质子，
C． 为质子， D． 为中子，
8．太阳内部核反应的主要模式之一是质子-质子循坏，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
9．下列说法正确的是（　　）
A．所有放射性元素均有半衰期，且半衰期与该元素所处的环境温度有关，温度越高半衰期越短
B．根据玻尔的原子理论，氢原子从基态跃迁到激发态需要吸收能量
C．铀核裂变的一种核反应为 ，该核反应由于会有更多的中子产生，所以反应开始阶段不需要提供中子
D．在光电效应实验中，某金属的截止频率为 ，若用频率为 ( )的单色光照射该金属会发生光电效应
10．2021年5月28日，中科院合肥物质研究院的可控核聚变装置“人造太阳”全超导托卡马克（EAST），成功实现了1.2亿摄氏度的条件下人工可控核聚变101秒。已知该装置内部发生的核反应方程为 + +x+17.6MeV，已知 的比结合能为1.09MeV， 的比结合能为2.78MeV，则下列说法正确的是（　　）
A．x是质子
B． 的比结合能一定小于1.09MeV
C．该反应属于α衰变
D．该反应中存在质量亏损
11．一静止的磷原子核 P发生β衰变而转变成 S，反应方程为 P→ S+ e，则下列说法正确的是（　　）
A．反应产生的 S与 e速度等大反向
B．反应产生的 S与 e动量等大反向
C．反应产生的 S与 e动能相等
D．反应产生的 S与 e的质量之和小于 P的质量
12．下列说法正确的是（　　）
A．氢原子光谱是连续光谱
B．示踪原子一般选用半衰期比较短的放射性元素
C．动能相同的电子和质子显微镜，电子显微镜的分辨本领更强
D．温度升高，黑体辐射电磁波强度的极大值向频率大的方向移动
13．2020年11月27日，我国自主三代核电“华龙一号”并网成功发出第一度电，标志着中国正式进入核电技术先进国家行列。中国环流器二号M装置，俗称“人造小太阳”，是中国新一代先进磁约束核聚变实验研究裝置，2020年12月4日14时02分实现首次放电。下列说法正确的是（　　）
A．中国环流器二号M装置中有铀的同位素参与反应
B．“华龙一号”中进行的反应是核裂变
C．两个发电装置中的反应都有质量亏损
D． 反应方程正确，且属于核裂变
14．静止在匀强磁场中的某放射性元素的原子核，当它放出一个α粒子后，其速度方向与磁场方向垂直，测得α粒子和反冲核轨道半径之比为44∶1(图中半径大小没有按实际比例画)，如图所示，则(　　)
A．分开瞬间α粒子与反冲核动量大小相等、方向相反
B．原来放射性元素原子核的核电荷数为88
C．产生的反冲核的核电荷数为88
D．α粒子和反冲核的速度之比为1∶2
二、填空题
15．恒星向外辐射的能量来自于其内部发生的各种热核反应，当温度达到108K时，可以发生“氦燃烧”。完成“氦燃烧”的核反应方程： ＋　 　→ 。 是一种不稳定的粒子，其半衰期为2.6×10－16s。一定质量的 ，经7.8×10－16s后所剩下的 占开始时的　 　。
16．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 结合成1个氦核 ，同时释放出正电子 ；已知氢核的质量为 ，氦核的质量为 ，正电子的质量为 ，真空中光速为 则每次核反应中的质量亏损　 　及氦核的比结合能　 　
17．100年前，卢瑟福用α粒子轰击氮核打出了质子。后来，人们用α粒子轰击60Ni核也打出了质子： ，该反应中的X是　 　（选填“电子”、“正电子”或“中子”）。此后，对原子核反应的持续研究为核能利用提供了可能。目前人类获得核能的主要方式是　 　（选填“核衰变”、“核裂变”或“核聚变”）。
三、综合题
18．在火星上太阳能电池板发电能力有限，因此科学家研究用放射性材料— 作为发电能源为火星车供电。我们知道可以利用磁场研究原子核的衰变，在磁感应强度为 的匀强磁场中，一个静止的钚核 发生了 衰变，产生了新核铀（ ），同时辐射出能量为 的光子。放射出的 粒子速度为 ，并且在与磁场垂直的平面内做匀速圆周运动。假设衰变中放出的光子动量可以忽略，已知 粒子的质量为 ，电荷量为 ，铀核的质量为 ，光速用 表示。
（1）写出发生 衰变的核反应方程；
（2）求铀核在磁场中运动的轨道半径；
（3）假设反应过程中放出的能量全部转化为新核铀的动能和 粒子的动能及光子的能量，求衰变过程中的质量亏损。
19．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 生成一个 ，瞬间释放大量的核能。已知 的质量是 ， 的质量是 ， ，其中c为光速。根据以上材料，完成下面问题：（结果保留三位有效数字）
（1）写出氦闪时的核反应方程式；
（2）计算一次氦闪过程释放的能量；
（3）求 的 发生氦闪时释放的能量相当于多少千克的标准煤燃烧释放的能量？已知 的标准煤燃烧释放的能量约为 ， 。
20．天文学家测得银河系中氦的含量约为25%，有关研究表明，宇宙中氦生成的途径有两条，一是在宇宙诞生后3分钟左右生成的，二是在宇宙演化到恒星诞生后，由恒星内部氢核聚变反应生成的。
（1）把氢核聚变反应简化为4个氢核（ ）聚变成氦核（ ）。同时放出2个正电子子（ ）和2个中微子（νe）。请写出该氢核聚变反应的方程式，并计算一次反应释放的能量（计算结果用焦耳表示，取两位有效数字）。
（2）研究表明，银河系的年龄为t = 3.8 × 1017 s，每秒钟银河系产生的能量P约为1.0 × 1037 J，现假定该能量全部来自上述氢核聚变反应。试估算银河系中由上述氢核聚变所产生的氦的质量（计算结果保留一位有效数字）。
（3）根据你的估算结果，对银河系中氦的主要生成途径作出判断。
（可能用到的数据：银河系质量为M = 3 × 1041 kg，原子质量单位1 u = 1.66 × 10 27 kg，1 u相当于1.5 × 10 10 J的能量，电子质量me = 0.0005 u，氦核质量mα = 4.0026 u，氢核质量mp = 1.0078 u，中微子（νe）质量为零，阿伏加德罗常数NA = 6.02 × 1023 kg/mol。）
21．在方向垂直纸面的匀强磁场中，一个原来静止的 原子核衰变后变成一个 核并放出一个粒子，该粒子动能为EK，速度方向恰好垂直磁场。Rn核和粒子的径迹如图所示，若衰变时产生的能量全部以动能的形式释放，真空中的光速为c，求：
（1）写出这个核反应方程；
（2）Rn核与粒子做圆周运动半径之比；
（3）衰变过程中的质量亏损。
答案部分
1．C
【解答】A.金属的截止频率由金属本身决定，与入射光无关，A不符合题意。
B.黑体热辐射的是自身发出的电磁波，不是反射外来的，B不符合题意。
C.实物粒子具有波动性，电子也具有波动性，所以电子的轨道并非经典力学描述下的轨道，C符合题意。
D.核聚变需要极高的温度，但是反应一旦进行，靠自身反应产生的热就可以持续下去，不再需要外界提供能量，D不符合题意。
故答案为：C
2．B
【解答】A．时间只有大小没有方向是标量，速度加速度既有大小又有方向是矢量，A不符合题意；
B．质点、轻绳和光滑平面都是理想化模型，B符合题意；
C．普朗克提出了能量子理论，爱因斯坦成功解释了光电效应现象，C不符合题意；
D．贝克勒尔发现了天然放射现象，揭示了原子核具有复杂的结构， D不符合题意。
故答案为：B。
3．C
【解答】A．电荷数应该守恒 电荷数守恒，A正确，不符合题意；
B．电荷数应该守恒
B正确，不符合题意；
C．重核裂变必有中子去撞击铀核，反应物中应该有中子，C错误，符合题意；
D．聚变电荷守恒 ， ，
D正确，不符合题意；
故答案为：C。
4．A
【解答】AC．重核F裂变成D和E的过程中要释放处能量，会产生质量亏损；相反，较重的核D和E聚合成F的过程中，会吸收较大能量，A符合题意，C不符合题意；
BD．较轻的核A和B聚合成C的过程也要释放能量，有质量亏损，则核子平均质量变小，C的结合能大于A和B的结合能之和，BD不符合题意；
故答案为：A。
5．B
【解答】原子的核式结构模型是卢瑟福最早提出的，A不符合题意；铀核( U)衰变为铅核( Pb)的过程中，设要经过x次α衰变和y次β衰变，则：238-4x=206；92-2x+y=82，解得x=8，y=6，B符合题意；一个氢原子从量子数n=3的激发态跃迁到基态时，最多可产生2条不同频率的谱线，而不是3条，因为只有一个氢原子，C符合题意；不能发生光电效应，是因为这束光的光频率小于极限频率，而与光的强度大小无关，D不符合题意；
故答案为：B
6．B
【解答】解：AB、β衰变所释放的电子是原子核内的中子转化成质子时产生并发射出来的电子流，B符合题意，A不符合题意；
C、氡的半衰期为3.8天，经3.8天后，即经过一个半衰期，有1g衰变，除释放能量外，还会产生新核，则左盘质量会大于1g，故取走1g的砝码，天平不会再次平衡，C不符合题意；
D、根据α衰变的特点可知，α衰变时，电荷数少2，质量数少4，中子数减少了2，D不符合题意。
故答案为：B
7．D
【解答】根据电荷数守恒知X的电荷数为92-36-56=0
即质子数为0，所以X为中子，根据质量数守恒X的质量数为235+1-144-89=a
可得a=3
故答案为：D。
8．C
【解答】根据原子核的质量可以求出反应过程的质量变化 ；再根据质能方程 可以求出释放的能量 ，所以ABD选项不符合题意，只有C选项符合题意。
故答案为：C
9．B
【解答】A．所有放射性元素均有半衰期，放射性元素的半衰期由原子核决定，与外界的温度无关，A不符合题意；
B．根据玻尔理论可知，氢原子从基态跃迁到激发态时能量增大，所以需要吸收能量，B符合题意；
C．用中子轰击铀核铀核发生了裂变，铀核裂变的一种核反应为 ，虽然该核反应由于会有更多的中子产生，但反应开始阶段需要提供中子轰击铀核，C不符合题意；
D．在光电效应实验中，某金属的截止频率为 ，若用频率为 ( )的单色光照射该金属不会发生光电效应，D不符合题意。
故答案为：B。
10．D
【解答】A．根据电荷数和质量数守恒，可知x是中子，A不符合题意；
B．聚变反应释放出能量，所以 更稳定，即 的比结合能更大，B不符合题意；
C．该反应属于轻核聚变，C不符合题意；
D．根据爱因斯坦的质能亏损方程可知，聚变过程释放能量，所以存在质量亏损，D符合题意。
故答案为：D。
11．B,D
【解答】反应前的动量为零，根据动量守恒定律可知，反应后两粒子动量等大反向，因反应生成的 与 质量不等，即质量较小的电子的速度较大，但是速度反向，根据 可知，电子的动能较大，B符合题意，AC不符合题意；因反应放出能量，可知反应有质量亏损，即反应产生的 与 的质量之和小于 的质量，D符合题意；
故答案为：BD.
12．B,D
【解答】A．氢原子只能够发出或吸收特定频率的光，所以氢原子光谱是线状谱。A不符合题意；
B．选择半衰期短的放射性同位素，因为这样才能保证人体只受短时间的放射性影响，而不致长时间受放射性辐射的困扰。B符合题意；
C．布罗意波长短的分辨率高，根据λ＝ ，p＝ ，电子和质子动能相同，质子的质量大，动量也大，所以质子的德布罗意波长短，分辨率高。C不符合题意；
D．随着温度的升高，各种波长的辐射强度都有增加，辐射强度的极大值向波长频率大的方向移动。D符合题意；
故答案为：BD
13．B,C
【解答】A．中国环流器二号M装置中的反应是核聚变，参与反应的是轻核，不会存在铀的同位素，A不符合题意；
B．“华龙一号”作为成熟的核电技术是核裂变技术，B符合题意；
C．两个发电装置中的反应都释放核能，所以都有质量亏损，C符合题意；
D． 反应方程属于 衰变，D不符合题意。
故答案为：BC。
14．A,C
【解答】微粒之间相互作用的过程中遵守动量守恒定律,因为初始总动量为零,则末动量也为零,即α粒子和反冲核的动量大小相等,方向相反.A符合题意；因为释放的α粒子和反冲核均在垂直于磁场的平面内,且在洛伦兹力作用下做圆周运动.由 得: . 因为动量大小相等，所以半径与电荷量成反比，再结合α粒子的电荷量为2e，则产生的反冲核的核电荷数为88e，原来放射性元素原子核的核电荷数为90e，B不符合题意；C符合题意；它们的速度大小与质量成反比，由于不知道α粒子和反冲核的质量之比，所以不能确定速度之比，D不符合题意；
故答案为：AC
15．；
【解答】根据电荷数守恒、质量数守恒，未知粒子的质量数为4，电荷数为2，为 ；
半衰期为2.6×10-16s，经7.8×10-16s，即3个半衰期，根据
知剩余 占开始时的 。
16．；
【解答】根据核反应质量数守恒，电荷数守恒，可知生成了2个正电子，所以质量亏损 根据 可知，产生的能量为： ，所以氦核的比结合能为 。
17．中子；核裂变
【解答】反应中的X质量数为1，电荷数为0，为中子；目前人类获得核能的主要方式是核裂变。
18．（1）核反应方程为
（2）衰变时，根据动量守恒定律得
在磁场中，根据牛顿第二定律得
解得
所以铀核在磁场中运动的轨道半径为
（3）根据能量守恒得
解得
19．（1）解：核反应方程为
（2）解：由题可知，在此核反应的瞬间会释放大量的的核能，所以这个核反应瞬间会有质量亏损。那么氦闪过程中质量亏损
由爱因斯坦质能方程
得，释放的能量为
解得
（3）解：设 的 的物质的量为n，则
设 的 中含有 的个数为N，则
结合核反应方程，反应释放总能量为
设对应标准煤的质量为 ，则
联立解得
20．（1）解：由质量数与核电荷数守恒可知，核反应方程式为
核反应中的质量亏损
释放出的核能
（2）解：核反应产生的氦的质量
氦的含量
（3）解：由估算结果可知，k ≈ 2%远小于25%的实际值，所以银河系中的氦主要是宇宙诞生后不久生成的。
21．（1）解：根据质量数与电荷数守恒，可得衰变方程为
（2）解：由动量守恒定律可知，新核与粒子动量相等
洛伦兹力提供向心力
可知：
代入数据解得：
（3）解：由动能与动量关系
解得Rn核获得的动能：
核反应中释放的核能：
由质能方程：ΔE＝Δmc2
解得：