《1．原子核的组成》同步练习
一、基础巩固
知识点1 天然放射现象
1.首先发现天然放射性现象的物理学家是( )
A.汤姆孙 B.卢瑟福
C.查德威克 D.贝克勒尔
2.天然放射现象的发现揭示了( )
A.原子是可分的
B.原子的中心有一个很小的核
C.原子核具有复杂的结构
D.原子核由质子和中子组成
知识点2 射线的本质
3.关于α、β、γ三种射线的说法正确的是( )
A.α、β、γ三种射线都是电磁波
B.α、β、γ三种射线都是带电粒子流
C.α射线较β、γ射线具有更强的电离能力
D.β射线是原子的核外电子电离后形成的
4.如图所示,P为放在匀强电场中的天然放射源,其放出的射线在电场的作用下分成a、b、c三束,以下判断正确的是( )
A.a为α射线、b为β射线
B.a为β射线、b为γ射线
C.b为γ射线、c为β射线
D.b为α射线、c为γ射线
5.如图所示为α、β、γ三种射线在磁场中的偏转示意图,下列说法正确的是( )
A.γ射线是电磁波,它的电离作用最强
B.γ射线一般伴随着α或β射线产生,它的贯穿能力最强
C.α射线是原子核自发放射出的氦核流,它的电离作用最弱
D.β射线是原子核外电子电离形成的电子流,它具有中等的贯穿能力
知识点3 原子核的组成
6.若用x代表一个中性原子中核外的电子数,y代表此原子核内的质子数,z代表此原子核内的中子数,则对Th的原子来说( )
A.x=90 y=90 z=234
B.x=90 y=90 z=144
C.x=144 y=144 z=90
D.x=234 y=234 z=324
7.如图所示,某种元素的不同同位素的原子核内的中子数N与原子核的质量数A的关系是( )
二、能力提升
1.关于γ射线,下列说法正确的是( )
A.它是波长极短的电磁波
B.它是高速运动的电子流
C.它的贯穿本领比β射线弱
D.它对空气的电离作用比α射线强
2.图1是α、β、γ三种射线穿透能力的示意图。图2是某轧钢厂的热轧机上安装的射线测厚装置示意图,让射线穿过钢板,探测器探测到的射线强度与钢板的厚度有关,将射线强度的信号输入计算机,可对钢板的厚度进行自动控制。射线测厚装置所利用的射线最适合的是( )
A.α射线 B.β射线
C.γ射线 D.三种射线都可以
3.如图所示,铅盒中装有天然放射性物质,放射线从其右端小孔中水平向右射出,在小孔和荧光屏之间有垂直于纸面向外的匀强磁场,荧光屏足够大,则下列说法正确的是( )
A.打在图中a、b、c三点的依次是α射线、γ射线和β射线
B.α射线的轨迹是抛物线,β射线的轨迹是圆弧
C.α射线的轨迹是圆弧,β射线的轨迹是抛物线
D.如果在铅盒和荧光屏间再加一竖直向下的匀强电场,则屏上的亮斑可能只剩下b
4. 1919年,卢瑟福做了用α粒子轰击氮核的实验,实验装置如图所示,一个密封的箱子,顶端有两个带阀门的通气孔P和Q,右端开一个小窗孔M,并用铝箔封住小窗孔,在小窗孔的右侧安装有荧光屏N,箱子内的左端安装有α粒子放射源A。当通过通气孔P将箱内抽成真空时,发现α粒子能够穿过铝箔打到荧光屏上,使荧光屏上产生闪烁的亮点。增加铝箔的厚度,使荧光屏上恰好没有闪烁的亮点,然后通过通气孔Q向箱内通入少量氮气,结果发现荧光屏上又出现了闪烁的亮点,说明又有射线穿过铝箔。若在铝箔和荧光屏之间加上垂直于纸面向里的匀强磁场,这些亮点纷纷向上偏移,推理可知,此时穿过铝箔的射线( )
A.带正电,一定还是α射线
B.穿透性更强,一定是β射线
C.穿透性更强,一定是γ射线
D.穿透性更强,而且带正电,但不是上述射线
5.(多选)物理学中,将如同He和H这样质子数与中子数互换的原子核互称为“镜像核”。则下列说法正确的是( )
AN和O互为“镜像核”
BN和C互为“镜像核”
CN和N互为“镜像核”
D.互为“镜像核”的两个核质量数相同
参考答案
一、基础巩固
1.D 首先发现天然放射性现象的物理学家是贝克勒尔,选项D正确。
2.C 电子的发现,揭示了原子是可分的,故A错误;α粒子散射实验说明了核式结构模型的正确性,故B错误;天然放射现象的发现揭示了原子核具有复杂的结构,但是不能揭示原子核由质子和中子组成,故C正确,D错误。
3.C α射线实质是带正电的氦核流,β射线实质是带负电的电子流,都是带电粒子流,而γ射线是电磁波不带电,故AB错误;α射线是原子核自发放射出的氦核流,它的穿透能力最弱,电离能力最强,C正确;β射线是原子核发生β衰变的过程中,中子转化为质子时释放的高速电子流,D错误。
4.B b射线在电场中没有发生偏转,说明b不带电,是γ射线,AD错误;电场方向水平向右,a射线向左偏转,说明受力方向与电场方向相反,a带负电,为β射线,B正确;c射线向右偏转,说明受力方向与电场方向相同,c带正电,为α射线,C错误。
5.B γ射线是电磁波,它的电离作用最弱,穿透本领最强,A错误;γ射线一般伴随着α或β射线产生,它的贯穿能力最强,B正确;α射线是原子核自发放射出的氦核流,它的电离作用最强,C错误;β射线是原子核内的中子转化为质子时放出的负电子流,它具有中等的贯穿能力,D错误。
6.B 在Th的原子核符号中,左下角标为质子数,左上角标为质量数,则y=90;中性原子的核外电子数等于质子数,所以x=90;中子数等于质量数减去质子数,即z=234-90=144,选项B正确。
7.C 元素的不同同位素的原子核内的质子数是一定的,中子数不同,设质子数为Q,则N+Q=A,故N=A-Q,Q是定值,故选C。
二、能力提升
1.A γ射线是激发状态的原子核发出的波长极短的电磁波,是一种光子,它的贯穿本领比β射线强,对空气的电离作用比α射线弱,故A正确。
2.C 由α、β、γ三种射线的特点和题图1可知,射线测厚装置所利用的射线最适合的是γ射线,ABD错误,C正确。
3.D 由左手定则知正电荷向下偏,负电荷向上偏,所以打在图中a、b、c三点的依次是β射线、γ射线和α射线,故A错误;α射线和β射线受的洛伦兹力与粒子速度方向垂直,轨迹是圆弧,故BC错误;再加一竖直向下的匀强电场,α射线和β射线受到竖直方向的电场力作用,向右移动的最大距离减小,可能打不到屏上,所以亮斑可能只剩下b,故D正确。
4.D 在铝箔和荧光屏之间加上垂直于纸面向里的匀强磁场,这些亮点纷纷向上偏移,根据左手定则得该射线带正电。当通过通气孔P将箱内抽成真空时,发现α粒子能够穿过铝箔打到荧光屏上,使荧光屏上产生闪烁的亮点,增加铝箔的厚度,使荧光屏上恰好没有闪烁的亮点,即铝箔达到一定厚度时,刚好能阻止α粒子穿过。卢瑟福第一次用α粒子轰击氮核完成了原子核的人工转变并发现了质子,所以通入少量氮气后,因α粒子穿透性比较弱,不能穿过较厚铝箔,此时荧光屏上的亮点是由质子打出的,所以穿过铝箔的射线是质子,穿透性更强,而且带正电,D正确。
5.BD N的质子数为7,中子数为8,互换后质子数变为8,质量数应仍为15,则N和O不互为“镜像核”,故A错误N的质子数为7,中子数为6,互换后质子数变为6,质量数仍为13,则N和C互为“镜像核”,故B正确N的质子数为7,中子数为8,互换后质子数应变为8,故N和N不互为“镜像核”,故C错误;互为“镜像核”的两个原子核的质子数与中子数互换,但质子数加中子数不变,所以互为“镜像核”的两个核质量数相同,故D正确。《2．放射性元素的衰变》同步练习
一、基础巩固
知识点1 原子核的衰变
1.居室装修中经常用到的花岗岩都不同程度地含有放射性元素(含铀、钍等),会释放出α、β、γ射线,这些射线会导致细胞发生癌变及引发呼吸道疾病。根据有关放射性知识判断下列说法正确的是( )
A.α射线是发生α衰变时产生的,生成核与原来的原子核相比,中子数减少了4
B.β射线是发生β衰变时产生的,生成核与原来的原子核相比,质量数减少了1
C.γ射线是发生γ衰变时产生的,生成核与原来的原子核相比,中子数减少了1
D.在α、β、γ三种射线中,γ射线的穿透能力最强、电离能力最弱
2.下列核反应方程中,属于β衰变的是( )
ANHeOH
BHHHen
CThPae
DUThHe
3.某原子核A先进行一次β衰变变成原子核B,再进行一次α衰变变成原子核C,则( )
A.核C的质子数比核A的质子数少2
B.核A的质量数减核C的质量数等于3
C.核A的中子数减核C的中子数等于3
D.核A的中子数减核C的中子数等于5
4.关于放射性元素的衰变,以下说法正确的是( )
A.原子核发生α衰变所释放的射线中一定有高速运动的电子
B.原子核发生β衰变所释放的射线中一定有高速运动的氦原子核
CU衰变成Rn经过了2次α衰变和4次β衰变
DU衰变成Rn经过了4次α衰变和2次β衰变
知识点2 半衰期
5.一个氡核Rn衰变成钋核Po并放出一个粒子,其半衰期为3.8天。1 g氡经过7.6天衰变掉氡的质量以及Rn衰变成Po的过程放出的粒子分别是( )
A.0.25 g,α粒子
B.0.75 g,α粒子
C.0.25 g,β粒子
D.0.75 g,β粒子
6.(多选)一块含铀的矿石质量为M,其中铀的质量为m,铀发生一系列衰变后,最终生成物为铅。下列说法正确的是( )
A.经过1个半衰期后,该矿石的质量剩下
B.经过2个半衰期后,其中铀的质量还剩
C.经过3个半衰期后,其中铀的质量还剩
D.当环境温度升高时,铀衰变的速度不变
7.现代考古中可利用C的衰变规律测定古生物的年代C衰变时放出 (填粒子符号),并生成新核N。如图所示为放射性元素C的衰变规律的示意图(纵坐标表示的是任意时刻放射性元素的原子数与t=0时的原子数的比值),则该放射性元素的半衰期是 年。若从某次考古时发掘出来的木材中,检测到所含C的比例是正在生长的植物中的80%,则该木材距今约 年。
知识点3 核反应
8.1919年,卢瑟福用镭放射出的α粒子轰击氮原子核,从氮核中打出了一种新的粒子,其核反应方程为N+O+X,则新粒子X为( )
An BH Ce De
9.(多选)2020年10月6日,三位科学家因为他们对宇宙中最奇特的现象之一——黑洞的研究,而共享诺贝尔物理学奖。在物理学的发展过程中,许多物理学家的科学研究推动了人类文明的进程,1909年卢瑟福用X粒子轰击金箔,根据实验结果提出了原子的核式结构模型。下列核反应方程中,涉及的未知粒子(X1、X2、X3、X4)中是粒子X的是( )
A.X1BeCn
BThPa+X2
CHH→X3n+17.6 MeV
DUTh+X4
知识点4 放射性同位素及其应用
10.幽门螺杆菌可以引发多种胃病,因此准确、迅速地检测病人是否受到感染,及时制定有效的治疗方案是关键。幽门螺杆菌在生命过程中会产生一种酶,它使尿素分解,生成物中包括二氧化碳。如果在检测前让病人服下少量尿素,根据呼出的气体中是否含有酶分解尿素产生的二氧化碳,即可做出诊断。然而,正常新陈代谢也会产生二氧化碳。为了将二者区分,可以请病人服下用14C合成的尿素,14C具有放射性,能够自发地进行β衰变,因此检测呼出的二氧化碳是否具有放射性即可准确判断。但是射线对人体有害,所以这不是很好的办法。现在医院里普遍选用的尿素是用无放射性的13C合成的,用质谱仪或光谱分析的方法检测呼出的二氧化碳中是否含有13C,就可以判断病人的胃部是否被幽门螺杆菌感染,这种方法准确、迅速,现在已经得到了广泛应用。下列说法正确的是( )
A.12C、13C、14C的化学性质不同
B.12C、13C、14C的原子光谱不同
C.14C衰变后变为14B
D.14C衰变后生成的新核比14C的质量数少
11.(多选)关于放射性同位素的一些应用,下列说法正确的是( )
A.利用放射性消除静电是利用射线的穿透作用
B.利用射线探测机器部件内部的砂眼或裂纹是利用射线的穿透作用
C.利用射线改良品种是因为射线可使DNA发生变异
D.研究农作物合理施肥时以放射性同位素作为示踪原子
12.(多选)放射性同位素钴60能放出较强的γ射线,其强度容易控制,这使得γ射线得到广泛应用。下列选项中,属于γ射线的应用的是( )
A.医学上制成γ刀,无需开颅即可治疗脑肿瘤
B.机器运转时常产生很多静电,用γ射线照射机器可将电荷导入大地
C.铝加工厂将接收到的γ射线信号输入计算机,可对薄铝板的厚度进行自动控制
D.用γ射线照射草莓、荔枝等水果,可延长保存期
二、能力提升
1.锝99Tc)是一种放射性同位素,在现代医学中用于病人的内脏器官造影。锝99的半衰期为6个小时,则下列说法正确的是( )
A.锝99的中子数比质子数多10个
B.锝99的核子数比中子数多43个
C.经过24小时,1 g的锝99会全部发生衰变
D.温度升高,锝99衰变会加快
2. 2020年3月15日中国散裂中子源(CSNS)利用中子成像技术帮助中国科学技术大学进行了考古方面的研究。散裂中子源是研究中子特性、探测物质微观结构和运动的科研装置。CSNS是我国重点建设的大科学装置,是发展中国家拥有的第一台散裂中子源。下列关于中子研究的说法正确的是( )
A.α粒子轰击N生成O,并产生了中子
B.核反应发出的γ射线是波长很短的光子,具有很强的穿透能力
C.β射线其实质是高速中子流,可用于医学的放射治疗
DU经过4次α衰变,2次β衰变,新核与原来的原子核相比,中子数少了6个
3.A、B两种放射性元素,它们的半衰期分别为tA=10天,tB=30天,经90天后,测得两种放射性元素的质量相等,那么它们原来的质量之比mA∶mB为( )
A.3∶1 B.32∶1
C.1∶64 D.64∶1
4.用大写字母代表原子核,E经α衰变成为F,再经β衰变成为G,再经α衰变成为H。上述一系列衰变可记为下式:EFGH,另一系列衰变如下:PQRS,已知P和F是同位素,则( )
A.Q和G是同位素,R和H是同位素
B.R和E是同位素,S和F是同位素
C.R和G是同位素,S和H是同位素
D.Q和E是同位素,R和F是同位素
5.(多选)在医疗上,常用钴60产生的γ射线对患有恶性肿瘤的病人进行治疗。钴60的衰变方程为CoNi+X,半衰期为5.27年。下列说法正确的是( )
A.环境温度升高时,钴60的半衰期不变
B.X粒子是电子e)
C.X粒子是钴60原子核中的一个质子转化为一个中子时释放出来的
D.10个钴60经过5.27年后,一定还有5个没有衰变
6.(多选)在垂直纸面向外的匀强磁场中,某静止的原子核发生了α或β衰变,衰变后α或β粒子和反冲核的轨迹示意图如图所示,两图中大圆和小圆的半径之比均为45∶1。下列说法正确的是( )
A.图甲表示β衰变的轨迹,图乙表示α衰变的轨迹
B.图乙可能表示92号元素发生了衰变
C.图甲可能表示46号元素发生了衰变
D.图甲表示α衰变的轨迹,图乙表示β衰变的轨迹
7.(多选)如图所示,在匀强磁场中静止着一个原子核U,某一时刻发生了一次α衰变,放出的α粒子与生成的新核在与磁场方向垂直的平面内做匀速圆周运动,得到α粒子与新核的轨迹是外切圆。已知磁感应强度大小为B,方向垂直纸面向里,α粒子的质量数为4,电荷量为2e,则下列说法正确的是( )
A.新核与α粒子的轨迹半径之比为1∶45
B.衰变后产生的新核与α粒子的动能之比为2∶117
C.衰变后产生的新核与α粒子所受的洛伦兹力之比为117∶90
D.放出的α粒子对应的轨迹是大圆,α粒子和新核绕行的方向均为顺时针
U核经一系列的衰变后变为Pb核,问:
(1)一共经过多少次α衰变和多少次β衰变
(2Pb与U相比,质子数和中子数各少多少
(3)写出这一衰变过程的方程。
9.放射性同位素C被考古学家称为“碳钟”,它可以用来判定古代生物体的年代,此项研究获得1960年诺贝尔化学奖。
(1)宇宙射线中高能量的中子碰到空气中的氮原子后,会形成CC不稳定,易发生衰变,其半衰期为5 730年,放出β射线,试写出有关核反应方程。
(2)若测得一古生物体遗骸中C含量只有活体中的12.5%,则此遗骸的年代距今约有多少年
参考答案
一、基础巩固
1.D α射线是发生α衰变时产生的,生成核与原来的原子核相比,中子数减少了2,质子数减少了2,穿透能力最弱,电离能力最强,A错误;β射线是发生β衰变时产生的,生成核与原来的原子核相比,质量数不变,质子数增加1,B错误;发生α衰变或者β衰变后原子核处于高能级状态,γ射线是原子核由高能级向低能级跃迁时放出的电磁波,穿透能力最强,电离能力最弱,C错误,D正确。
2.CNHeOH是原子核的人工转变,A错误HHHen是轻核的聚变,B错误;ThPae是β衰变,C正确UHe是α衰变,D错误。
3.C 原子核A进行一次β衰变后,一个中子转变为一个质子并释放一个电子,再进行一次α衰变,又释放两个中子和两个质子,所以核A比核C多3个中子、1个质子,故C正确,ABD错误。
4.D 原子核发生α衰变所释放的射线中一定有高速运动的氦原子核,原子核发生β衰变所释放的射线中一定有高速运动的电子,故AB错误;设U衰变成Rn经过m次α衰变和n次β衰变,则根据电荷数和质量数守恒可得238-4m=222,92-2m+n=86,解得m=4,n=2,故C错误,D正确。
5.B 氡核的半衰期为3.8天,根据半衰期的定义得m=m0(,其中m为剩余氡核的质量,m0为衰变前氡核的质量,T为半衰期,t为经历的时间。由于T=3.8天,t=7.6天,解得m=m0,所以衰变掉的氡的质量为Δm=m0-m=0.75 g,根据衰变过程中质量数和电荷数守恒,可得放出的粒子是α粒子,故B正确,ACD错误。
6.BD 经过1个半衰期后,剩下的铀的质量为,但铀最终生成物为铅,矿石质量变化很小,A错误;经过2个半衰期后,其中铀的质量还剩m()2=,B正确;经过3个半衰期后,其中铀的质量还剩m()3=,C错误;铀衰变的速度与温度无关,D正确。
7. e 5 700 1 900
8.B 卢瑟福用α粒子轰击氮核发现了质子,其核反应方程为NHeOH,新粒子是H,故ACD错误,B正确。
9.ACD 卢瑟福用的是α粒子轰击金箔,即He,根据核反应遵循电荷数守恒和质量数守恒可知,X1、X3、X4是α粒子He),而X2是电子e),不是α粒子,故ACD正确,B错误。
10.B 12C、13C、14C都是碳的同位素,它们的化学性质是相同的,由于它们的质量数不同,所以原子的能级不同,则它们的原子光谱不同,故B正确,A错误;14C具有放射性,能够自发地进行β衰变,根据质量数守恒与电荷数守恒可知,衰变的产物的质量数A=14-0=14,电荷数Z=6+1=7,可知14C衰变后变成14N,故C错误;14C自发地进行β衰变,衰变产物的质量数不变,故D错误。
11.BCD 消除静电是利用射线的电离作用使空气电离,A错误;探测机器部件内部的砂眼或裂纹、改良品种分别是利用射线的穿透作用和射线可使DNA发生变异的性质,BC正确;研究农作物合理施肥时利用放射性同位素作为示踪原子,D正确。
12.AD γ射线的穿透能力很强且能量很大,能够杀死肿瘤细胞,所以医学上制成γ刀,不需要开颅即可治疗脑肿瘤,A正确;γ射线电离能力很弱,不能使空气电离成为导体,所以用γ射线照射机器不能将电荷导入大地,故B错误;γ射线的穿透能力很强,薄铝板的厚度变化时,接收到的信号强度变化很小,所以不能用γ射线控制薄铝板厚度,故C错误;γ射线对细菌有杀伤力,所以用γ射线照射草莓、荔枝等水果,可延长保存期,故D正确。
二、能力提升
1.B 锝99的中子数为99-43=56,中子数比质子数多13个,锝99的核子数比中子数多43个,故A错误,B正确;锝99的半衰期为6个小时,经过24小时,即经过了n=4个半衰期,此时有m余=m0()4=1× g= g,没有全部发生衰变,故C错误;温度升高,不改变锝99的衰变快慢,故D错误。
2.B 由质量数守恒和电荷数守恒可得,α粒子轰击N,生成O,并产生了质子,故A错误;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,B正确;β射线实质是高速电子流,C错误U经过4次α衰变,2次β衰变,可得质量数减少4×4=16,质子数减少4×2-2=6,故新核与原来的原子核相比,中子数少了16-6=10,D错误。
3.D 经过90天后,A元素剩余的质量为m=()9mA,B元素剩余的质量为m=()3mB,所以=64∶1,故D正确,ABC错误。
4.B 由于P和F是同位素,设它们的质子数为n,则其他各原子核的质子数及其衰变过程可表示如下:n+2EnFn+1G n-1H, nP n+1Q n+2R nS,由此可以看出R和E是同位素,S和F是同位素,Q和G是同位素,故B正确。
5.AB 放射性元素的半衰期与环境温度无关,A正确;由核反应过程的质量数和电荷数守恒可知,X为电子,B正确;该衰变过程中释放出来的电子是钴60原子核中的一个中子变成一个质子后的产物,C错误;半衰期是大量原子核衰变时的统计规律,D错误。
6.AB 由左手定则知α衰变后产生的径迹是两个外切的圆,β衰变后产生的径迹是两个内切的圆,故题图甲表示β衰变的轨迹,题图乙表示α衰变的轨迹,A正确,D错误;根据Bqv=m可知r=,因为发生衰变后动量守恒,所以两微粒的动量大小相等,则在磁场中的运动半径之比与电荷数成反比,若92号元素发生了α衰变,衰变后两微粒的电荷数之比为90∶2=45∶1,故题图乙可能表示92号元素发生了衰变,B正确;若46号元素发生了β衰变,衰变后两微粒的电荷数之比为47∶1,题故图甲不可能表示46号元素发生了衰变,C错误。
7.AB 根据动量守恒定律可知,两粒子动量等大反向,根据R=可知,带电荷量较小的α粒子对应的轨迹圆半径较大,根据左手定则可知α粒子和新核绕行的方向均为逆时针,D错误;因α粒子带电荷量为2e,可知新核带电荷量为90e,根据R=可知,新核与α粒子的轨迹半径之比为1∶45,A正确;对α粒子有Ek=,因新核的质量数为234,则质量m2=m1,对新核分析有E'k=Ek=Ek,故衰变后产生的新核做圆周运动的动能与α粒子的动能之比为2∶117,B正确;设α粒子所受的洛伦兹力为F1=q1v1B=,因新核的核电荷数为90,则电荷量q2=45q1,新核所受的洛伦兹力为F2=q2v2B=×2F1=F1,C错误。
8.解:(1)设U衰变为Pb经过x次α衰变和y次β衰变,由质量数守恒和电荷数守恒,可得238=206+4x①
92=82+2x-y②
联立①②解得x=8,y=6
则一共经过8次α衰变和6次β衰变
(2)由于每发生一次α衰变质子数和中子数均减少2,每发生一次β衰变中子数减少1,质子数增加1,故Pb比U质子数少10,中子数少22
(3)衰变方程为UPb+He+e
9.解:(1)根据电荷数守恒、质量数守恒得
nNCH
CNe
(2)由半衰期公式得m=m0()n,n=
由=12.5%=()n
得n=3
则t=3T=3×5 730年=17 190年《3．核力与结合能》同步练习
一、基础巩固
知识点1 核力与四种基本相互作用
1.关于自然界中四种基本相互作用,下列说法正确的是( )
A.核外电子与原子核间的万有引力和库仑力大小相当
B.原子核内任意两个核子间都存在核力
C.核力是强相互作用,一定是引力
D.弱相互作用是短程力
2.关于核力,下列说法正确的是( )
A.核力的作用范围只有约10-15 m
B.核力本质上属于电磁相互作用
C.中子和中子之间不会有核力作用
D.核力减小是引起β衰变的原因
知识点2 结合能
3.原子核的比结合能如图所示。下列说法正确的是( )
A.Li核比He核更稳定
B.Ba核比Kr核核子数多,比结合能大
C.U核比Ba核结合能大,比结合能小
D.两个H核结合成He核,需要吸收能量
4.(多选)关于原子核的结合能,下列说法正确的是( )
A.原子核的结合能越大,原子核中核子一定结合得越牢固,原子核就越稳定
B.一重原子核衰变成α粒子和另一原子核,则衰变产物的结合能之和一定大于原来重核的结合能
C.铯原子核Cs)的结合能一定小于铅原子核Pb)的结合能
D.原子核的结合能等于使其完全分解成自由核子所需的最小能量
知识点3 质量亏损
5.在研究原子核的衰变过程中,发现铀238发生衰变产生了新核钍234,其衰变方程为UThX,下列判断正确的是( )
A.该衰变类型为β衰变
B.衰变方程满足质量数守恒,所以没有质量亏损
C.铀238的结合能大于钍234的结合能
D.铀238的比结合能大于钍234的比结合能
6.(多选)如图是各种元素的原子核中核子的平均质量与原子序数Z的关系图像,由此可知( )
A.若原子核D和E结合成原子核F,结合过程一定会释放能量
B.若原子核D和E结合成原子核F,结合过程一定要吸收能量
C.若原子核A分裂成原子核B和C,分裂过程一定会释放能量
D.若原子核A分裂成原子核B和C,分裂过程一定要吸收能量
7.用中子轰击锂核Li)发生核反应,产生氚和α粒子并放出4.8 MeV的能量。
(1)写出核反应方程式。
(2)求上述反应中放出的能量对应的质量(保留2位有效数字)。
(3)若中子与锂核是以等大反向的动量相碰,则α粒子和氚的动能之比是多少
知识点4 核能的计算
8.(多选)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,释放出粒子的同时生成新的活化产物。Mg经中子n照射后发生反应,最终生成Na并释放一粒子X,若nMgNa和X的质量分别为1.008 7 u、23.985 0 u、23.991 0 u、1.007 8 u,1 u相当于931.5 MeV,下列说法正确的是( )
A.核反应方程为nMgNae
BMg具有放射性,能衰变成Na和X
C.生成物的质量减少0.005 1 u
D.反应吸收能量约4.75 MeV
9.硼中子俘获疗法是肿瘤治疗的新技术,其原理是进入癌细胞内的硼核B)吸收慢中子,转变成锂核Li)和α粒子,释放出γ光子。已知核反应过程中质量亏损为Δm,γ光子的能量为E0,硼核的比结合能为E1,锂核的比结合能为E2,普朗克常量为h,真空中光速为c。
(1)写出核反应方程并求出γ光子的波长λ;
(2)求核反应放出的能量E及氦核的比结合能E3。
二、能力提升
1.2019年春节期间上映的科幻大片《流浪地球》很受欢迎,影片中描述的行星发动机为“重元素核聚变发动机”,通过燃烧石头获得能量,所谓“重元素核聚变”指的是两个比较重(相对氘、氚)的核,产生聚变形成一个更重的核并放出能量的过程。影片中发动机燃烧石头指的是石头里的硅(Si)聚变生成铁(Fe),结合下比结合能图,下列说法正确的是( )
A.结合能是指把原子核拆成自由核子所放出的能量
B.比结合能越大,原子核越稳定
C.Si的比结合能比Fe的比结合能大
D.已知硅核质量,可以算出硅核的结合能
2.(多选)关于核力与结合能,下列说法正确的是( )
A.核力是短程力,与核子间的距离有关,可为引力也可为斥力
B.核力具有饱和性和短程性,重核的中子数多于质子数
C.比结合能小的原子核合成或分解成比结合能大的原子核时一定释放核能
D.原子核的结合能越大,核子结合得越牢固,原子核越稳定
3.(多选)关于核反应方程ThPa+X+ΔE(ΔE为释放出的核能,X为新生成的粒子),已知Th的半衰期为T,则下列说法正确的是( )
A.Th有放射性
B.Th的比结合能为
C.Pa比Th少1个中子,X粒子是从原子核中射出的,此核反应为β衰变
D.N个Th经2T时间因发生上述核反应而放出的核能为NΔE(N数值很大)
4.(多选)天然放射性元素镭放出的α粒子动能约为Ekα=4.793 MeV,用α粒子轰击氮原子核,核反应可能不止有一种,比如:HeNH;HeNFn等。我们可以通过计算判断各种核反应是否有可能发生。已知各原子核的相对原子质量如下表所示,其中1 u的质量对应931.5 MeV的能量,下列关于第②种核反应的说法正确的是( )
He N F n
M1=4.002 603 u M2=14.003 074 u M3=17.002 095 u M4=1.008 665 u
A.第②种核反应为放能反应,一次核反应放出的能量约为4.735 MeV
B.第②种核反应为吸能反应,一次核反应吸收的能量约为4.735 MeV
C.用该α粒子(Ekα=4.793 MeV)轰击静止的靶核N),可能发生第②种核反应
D.若用Ekα=6.173 MeV的α粒子轰击静止的靶核N),可能发生第②种核反应
5.(多选)在磁感应强度为B的匀强磁场中,一个静止的放射性原子核X)发生了一次α衰变。放射出的α粒子He)在与磁场垂直的平面内做圆周运动,其轨道半径为R。以m、q分别表示α粒子的质量和电荷量,生成的新核用Y表示。下列说法正确的是( )
A.新核Y在磁场中做圆周运动的半径为RY=R
B.α粒子的圆周运动可以等效成一个环形电流,且电流大小为I=
C.若衰变过程中释放的核能都转化为α粒子和新核的动能,则衰变过程中的质量亏损为Δm=
D.发生衰变后产生的α粒子与新核Y在磁场中的运动轨迹正确的是图丙
6.一个静止的铀核U(原子质量为232.037 2 u)放出一个α粒子(原子质量为4.002 6 u)后衰变成钍核Th(原子质量为228.028 7 u),已知1 u相当于931.5 MeV的能量(结果保留3位有效数字)。
(1)写出铀核的衰变反应方程;
(2)算出该衰变反应中释放出的核能;
(3)若释放的核能全部转化为新核的动能,则α粒子的动能为多少
7.一个静止的铀核U放出一个α粒子后衰变成钍核Th。
(1)写出铀核的衰变反应方程;
(2)写出图甲或图乙中哪个是α粒子的轨迹、哪个是钍核Th的轨迹,并求出它们半径的比值;
(3)若释放的核能全部转化为α粒子和新核的动能,已知α粒子的动能为E0,求在此衰变过程中释放的能量。
参考答案
一、基础巩固
1.D 核外电子与原子核间的万有引力远小于库仑力,A错误;原子核内只有相邻的两个核子间存在核力,B错误;核力是强相互作用,可表现为引力,也可表现为斥力,C错误;弱相互作用是短程力,D正确。
2.A 核力是短程力,作用范围在原子核内部,作用范围只有约10-15 m,故A正确;核力属于强相互作用,不属于电磁相互作用,故B错误;核力存在于核子之间,质子与质子、质子与中子、中子与中子之间均存在核力,故C错误;弱相互作用才是引起β衰变的原因,故D错误。
3.C 比结合能越大,原子核越稳定,He核比Li核更稳定,故A错误;Ba核比Kr核核子数多,比结合能小,故B错误;U核比Ba核核子数多,结合能大,比结合能小,故C正确;两个H核结合成He核,由比结合能小的生成比结合能大的,会释放大量能量,故D错误。
4.BCD 原子核的比结合能越大,原子核中核子一定结合得越牢固,原子核就越稳定,A错误;重原子核衰变成α粒子和另一原子核的过程中放出能量,所以衰变产物的结合能之和一定大于原来重核的结合能,B正确;铯原子核与铅原子核都是中等质量的原子核,铯原子核Cs的比结合能比铅原子核Pb的比结合能略大,而铅原子核中的核子数比铯原子核的核子数多很多,所以铯原子核Cs的结合能一定小于铅原子核Pb的结合能,C正确;原子核是核子结合在一起构成的,把它们分开为自由核子需要的最小能量等于原子核的结合能,D正确。
5.C 依据质量数和电荷数守恒,衰变方程为U→He,X是氦原子核,属于α衰变,故A错误;衰变方程虽满足质量数守恒,但要释放能量,依据质能方程,可知存在质量亏损,故B错误;自然组成原子核的核子越多,它的结合能就越高,因此铀238的结合能大于钍234的结合能,故C正确;依据原子核越稳定,则其比结合能越大,可知铀238发生衰变产生新核钍234,则钍234较稳定,因此钍234的比结合能大于铀238的比结合能,故D错误。
6.AC D和E结合成F,有质量亏损,根据爱因斯坦质能方程可知,有能量释放,故A正确,B错误。若A分裂成B和C,也有质量亏损,根据爱因斯坦质能方程可知,有能量释放,故C正确,D错误。
7.解:(1LinHHe
(2)Δm= kg=8.5×10-30 kg
(3)设m1、m2、v1、v2分别为氦核、氚核的质量和速度,由动量守恒定律得0=m1v1+m2v2
氦核、氚核的动能之比
Ek1∶Ek2==m2∶m1=3∶4
8.BD 核反应方程为nMgNaH,A错误;由题意知Mg俘获中子后,生成的Mg具有放射性,B正确;生成物的质量变化为Δm=23.991 0 u+1.007 8 u-1.008 7 u-23.985 0 u=0.005 1 u,说明生成物的质量增加0.005 1 u,C错误;生成物的质量增加,所以吸收的能量为E=Δm×931.5 MeV≈4.75 MeV,D正确。
9.解:(1)核反应方程为BnLiHe+γ
根据E0=h
可得λ=h
(2)由质能方程可知,核反应中放出的能量E=Δmc2
由能量关系可得E=7E2+4E3-10E1
解得E3=
二、能力提升
1.B 原子核是核子结合在一起构成的,要把它们分开需要能量,这就是原子核的结合能,故A错误;比结合能越大,表示原子核中核子结合得越牢固,原子核越稳定,故B正确;Fe比Si稳定,Si的比结合能比Fe的比结合能小,故C错误;只知道硅核质量,不足以算出硅核的结合能,故D错误。
2.ABC 核力是短程力,作用范围约10-15 m,核力可以表现为引力,也可以表现为斥力,故A正确;核力具有饱和性和短程性,重核的中子数多于质子数,故B正确;比结合能小的轻核合成比结合能大的原子核或比结合能小的重核分解成比结合能大的原子核时要发生质量亏损,则一定释放核能,故C正确;原子核的比结合能越大,核子结合得越牢固,原子核越稳定,故D错误。
3.AC 原子序数大于或等于83的元素都有放射性,所以Th具有放射性,故A正确;ΔE不是Th原子核分解成自由核子的结合能,则Th的比结合能不等于,故B错误;X粒子是电子,它是由中子衰变成一个质子而放出的,所以此核反应为β衰变,故C正确;有半数原子核发生衰变的时间为半衰期,N个Th经2T时间,其中共有N个原子核发生了衰变,放出的核能为NΔE,故D错误。
4.BD 由于(M1+M2)-(M3+M4)=-0.005 083 u,说明反应后原子核的质量增加了,该反应为吸能反应,且ΔE=0.005 083×931.5 MeV≈4.735 MeV,B正确,A错误;由反应前后动量守恒和能量关系可知当反应结束后生成的新核共速时,用Ekα=4.793 MeV的α粒子实验,生成新核的总动能为Ek=Ekα≈×4.793 MeV≈1.065 MeV,则系统损失的动能最多为3.728 MeV,该能量小于发生第②种核反应所需要吸收的4.735 MeV的能量,故不能发生第②种核反应,同理,用初动能达到6.173 MeV的α粒子实验,损失动能最多为4.801 MeV,大于第②种核反应所需要的能量,故第②种核反应可以发生,D正确,C错误。
5.ABC 由新核Y与α粒子的动量大小相等及圆周运动的半径公式R=,可知,A正确;圆周运动的周期T=,环形电流I=,B正确;对α粒子,由洛伦兹力提供向心力有qvB=m,可得v=,由质量关系可知,衰变后新核Y的质量为M=m,由衰变过程动量守恒可得Mv'-mv=0,可知v'=v,系统增加的能量为ΔE=Mv'2+mv2,由质能方程得ΔE=Δmc2,联立可得Δm=,C正确;由衰变过程动量守恒可知,衰变后α粒子与新核Y运动方向相反,由圆周运动的半径公式R=可知,α粒子半径大,由左手定则可知两粒子圆周运动方向均为逆时针,故题图丁正确,选项D错误。
6.解:(1)铀核的衰变反应方程是UThHe
(2)质量亏损Δm=mU-mα-mTh=0.005 9 u
释放出的核能ΔE=Δmc2=0.005 9×931.5 MeV≈5.50 MeV
(3)衰变前后系统动量守恒,钍核和α粒子的动量大小相等、方向相反,即pTh+(-pα)=0
由动能和动量的关系得EkTh=
Ekα=
由能量关系得EkTh+Ekα=ΔE
所以α粒子获得的动能Ekα=·ΔE≈5.41 MeV
7.解:(1)UHe
(2)因为两种产物都带正电,结合动量守恒和带电粒子在磁场中运动规律及左手定则可知,3是α粒子,4是钍核Th
根据牛顿第二定律有qvB=m
解得R=
α粒子和钍核Th的动量相等,故半径之比等于电荷量的反比,故Rα∶RTh=45∶1
(3)系统动量守恒,钍核和α粒子的动量大小相等,即pTh=pα
EkTh=,Ekα=E0=
故动能之比等于质量的反比,EkTh=Ekα=E0
根据能量守恒定律可得此衰变过程中释放的能量为ΔE=EkTh+Ekα=E0《4．核裂变与核聚变 5．“基本”粒子》同步练习
一、基础巩固
知识点1 核裂变
1.铀核可以发生衰变和裂变,铀核的( )
A.衰变和裂变都能自发发生
B.衰变和裂变都不能自发发生
C.衰变能自发发生而裂变不能自发发生
D.衰变不能自发发生而裂变能自发发生
2. 2021年4月13日,日本政府宣布决定将福岛第一核电站核污水排入大海,这一消息在国内外引起强烈抗议,为维护国际公共利益和中国人民健康安全,我国已通过外交渠道向日方表明严重关切,要求日方切实以负责任的态度审慎对待福岛核电站核废水处置问题。以下关于核能发电的说法正确的是( )
A.核能发电利用的是轻核聚变释放出来的核能
B.核裂变过程满足电荷数守恒和质量数守恒
C.核裂变过程中释放核能是因为新核的比结合能小
D.裂变物质的体积小于临界体积时才能发生链式反应
3.我国第一代核潜艇总设计师黄旭华院士于2019年9月29日获颁“共和国勋章”。核动力潜艇的核反应堆中可能的一个核反应方程为UnBa+Kr+n+ΔE(其中ΔE为释放出的核能)。下列说法正确的是( )
A.该核反应属于原子核的衰变
B.核反应方程式中x=2
CU的比结合能为
DU的比结合能小于Ba的比结合能
4.核动力航空母舰因其性能强劲被称为海上霸主,它利用可控核裂变释放的核能获得动力。有一种核裂变的方程为UnXSr+1n,关于该核裂变,下列说法正确的是( )
A.X的核子数为141
B.X的中子数为75
C.核反应方程可以简化为UXSr+n
D.X比U稳定
知识点2 反应堆与核电站
5.在核反应中,控制铀235核裂变反应速度的主要方法是( )
A.提高浓缩铀的纯度
B.改变铀块的临界体积
C.通过自动控制装置改变镉棒插入的深度,以改变中子数
D.利用石墨与中子的碰撞,来改变中子的速度
6. 2020年11月27日,我国自主三代核电“华龙一号”全球首堆——中核集团福清核电5号机组首次并网成功,标志着我国打破了国外核电技术垄断,正式进入核电技术先进国家行列。下列关于核电应用的说法正确的是( )
A.核电站的反应堆中常用镉棒使中子减速从而控制核反应速率
B.任何体积的U都能发生链式反应
C.反应堆的外面需要修建很厚的水泥层用来屏蔽核裂变产物放出的各种射线
D.核反应产物的比结合能比核燃料的比结合能低
7.利用核反应堆工作时释放出的热能使水汽化以推动汽轮发电机发电,这就是核电站。核电站消耗的“燃料”很少,但功率却很大,目前,核能发电技术已经成熟。
(1)核反应堆中的“燃料”是U,完成下面的核反应方程式,UnXeSr+1n。
(2)一座100万千瓦的核电站,每年需要多少千克浓缩铀 已知铀核的质量为235.043 9 u,氙核质量为135.907 2 u,锶核质量为89.907 7 u。1 u=1.66×1 kg,中子的质量为1.008 7 u,浓缩铀中铀235的含量占2%。(一年按365天计算,保留2位有效数字,NA=6.02×1023 mol-1)
知识点3 核聚变
8.关于轻核聚变释放核能,下列说法正确的是( )
A.一次聚变反应一定比一次裂变反应释放的能量多
B.聚变反应平均每个核子释放的能量一定比裂变反应大
C.聚变反应中粒子的比结合能变小
D.聚变反应中形成质量较大的核,故反应后质量增大
9.下列核反应方程,表述正确的是( )
A.HHHen是α衰变
B.The是重核裂变
C.HeOH是核聚变
D.nn是核裂变
10.2021年5月28日,中科院合肥物质研究院的全超导托卡马克核聚变实验装置(如图所示),成功实现了1.2亿摄氏度的条件下人工可控核聚变101秒,创造了新的世界纪录。已知该装置内部发生的核反应方程为H+H He+X+17.6 MeV,已知H的比结合能为1.09 MeVH的比结合能为2.78 MeV,则下列说法正确的是( )
A.X是质子
BHe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.科学家发现太阳的核聚变反应区只是中心很小的一部分,由于太阳强大的引力和磁场的束缚,使太阳内部的能量可以向外持续稳定地释放(如图甲所示),而不会像氢弹那样瞬间爆炸(如图乙所示),这就是可控核聚变技术的由来。太阳内部核聚变反应的一种可能形式为HHXn,设HH、X和n的质量分别为m1、m2、m3和m4,光速为c,则下列说法正确的是( )
A.X是He
B.该核反应释放的核能为(m3+m4-m1-m2)c2
C.核反应中比结合能较小的原子核HH)变成了比结合能较大的原子核(X)
D.核反应中核子平均质量较小的原子核HH)变成了核子平均质量较大的原子核(X)
12.中国在“人造太阳”方面的研究取得了较大的成就,“人造太阳”被评为2018年中国十大科技成就之一。其原理是一个质量mD=3.343 6×10-27 kg的氘核H)与一个质量mT=5.008 5×10-27 kg的氚核H)发生核聚变,结合后生成了一个质量大小为m=6.646 7×10-27 kg的新核,同时放出一个质量mn=1.675 0×10-27 kg的中子n),并释放出大小为E的能量。(光的速度c=3.0×108 m/s,结果保留3位有效数字)
(1)写出“人造太阳”轻核聚变的方程式;
(2)求该聚变释放的能量E。
知识点4 粒子的分类
13.现已发现的粒子达400多种。它们大体可被分为哪几种类别( )
A.光子、夸克、强子、质子
B.夸克、轻子、强子、电子
C.规范玻色子、希格斯玻色子、轻子、强子
D.质子、中子、电子、光子
14.(多选)下列关于夸克模型的说法正确的是( )
A.强子是由更基本的夸克组成的
B.夸克的电荷量分别为元电荷的+或-
C.每种夸克都有对应的反夸克
D.夸克能以自由的状态单个出现
二、能力提升
1.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UnBa+Kr+aX中( )
A.X为电子,a=1 B.X为质子,a=3
C.X为质子,a=2 D.X为中子,a=3
2.2020年11月27日,“华龙一号”发电机组首次并网成功,其内核是如图所示的核反应堆。关于核反应下列说法正确的是( )
A.图示装置的核反应类型是核聚变
B.要使核反应速度减慢,可以将铀棒插入得更深
C.核裂变反应的燃料是铀,反应过程中质量不守恒
D.石墨起到降低反应温度的作用
3.月球的表面长期受到宇宙射线的照射,使得“月壤”中的He含量十分丰富。科学家认为He是发生核聚变的极好原料,将来He也许是人类重要的能源,所以探测月球意义十分重大。关于He,下列说法正确的是( )
A.He原子核内的核子靠万有引力紧密结合在一起
BHe发生核聚变反应后变成He,原子核内核子间的比结合能没有发生变化
CHe发生核聚变,放出能量,不一定会发生质量亏损
DHe核聚变反应的方程式可能为He+HeHHe
4.一个氘核和一个氚核经过核反应后生成氦核和中子,同时放出一个γ光子。已知氘核、氚核、中子和氦核的质量分别为m1、m2、m3和m4,普朗克常量为h,真空中的光速为c,假设核反应释放的能量全部以γ光子放出。下列说法正确的是( )
A.这个核反应是裂变反应
B.这个反应的核反应方程是HHHe+n+γ
C.辐射出的γ光子的能量E=(m3+m4-m1-m2)c2
D.辐射出的γ光子在真空中的波长λ=
5.(多选)按照现代的粒子理论,可以将粒子分为四大类:规范玻色子、希格斯玻色子、轻子和强子。质子和中子属于强子,强子是由更基本的粒子——夸克组成。根据夸克理论,夸克有6种,它们分别是上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克、底夸克和顶夸克。它们的带电荷量为-e或+e,电荷量e为元电荷。已知一个质子由两个上夸克和一个下夸克组成,一个中子由两个下夸克和一个上夸克组成。则下列说法正确的是( )
A.上夸克的电荷量为+e
B.下夸克的电荷量为-e
C.上夸克的电荷量为-e
D.下夸克的电荷量为+e
6.(多选)人们发现,不同的原子核,其核子的平均质量(原子核的质量除以核子数)与原子序数有如图所示的关系。下列关于原子结构和核反应的说法正确的是( )
A.在核反应堆的外面修建很厚的水泥层能防止放射线和放射性物质的泄漏
B.由图可知,原子核A裂变成原子核B和C时会有质量亏损,要放出核能
C.已知原子核A裂变成原子核B和C时放出的γ射线能使某金属板逸出光电子,若增加γ射线强度,则逸出光电子的最大初动能增大
D.在核反应堆的铀棒之间插入镉棒是为了控制核反应速度
7.(多选)太阳内部的核反应非常复杂,我们将其简化为氢转变为氦,即质子和电子结合成一个α粒子,同时放出能量约为0.5 MeV且质量可视为零的两个中微子νe。已知电子质量me=9.1×10-31 kg=0.5 MeV/c2,质子质量mP=1.67×10-27 kg=939.4 MeV/c2,α粒子质量mα=3 738.8 MeV/c2(c为光速),太阳辐射的总功率P0=4×1026 W,太阳质量M0=2×1030 kg(其中氢约占70%),则( )
A.太阳内部核聚变反应式为HeHe+2νe
B.发生一次核反应释放的核能为19.8 MeV
C.α粒子和中微子的动量之和小于质子和电子的动量之和
D.若太阳中现有氢的10%发生聚变,大约需要1.6×1017 s
8.太阳主要是由电子和HHe等原子核组成。维持太阳辐射的是它内部的核聚变反应,这些核能最后转化为辐射能。现将太阳内部的核聚变反应简化为4个氢核H)聚变成氦核He),同时放出两个正电子e)。已知光速c=3×108 m/s,氢核质量mp=1.672 6×10-27 kg,氦核质量mα=6.645 8×10-27kg,正电子质量me=0.91×10-30 kg。则:
(1)请写出题中所述核聚变的核反应方程;
(2)求每发生一次题中所述的核聚变反应所释放的核能。(要求计算结果保留1位有效数字)
9.用中子轰击铀核U),其中的一个可能核反应是分裂成钡Ba)和氪Kr)两部分,并放出3个中子。各个核和中子的质量如下(计算结果保留2位有效数字):mU=390.313 9×10-27 kg,mn=1.674 9×10-27 kg,mBa=234.001 6×10-27 kg,
mKr=152.604 7×10-27 kg。
(1)试写出核反应方程;
(2)求出反应中释放的核能;
(3)我国第一座核电站——秦山核电站总装机容量达到650万千瓦,求秦山核电站一年需要消耗的裂变原料的质量。
参考答案
一、基础巩固
1.C 衰变能自发发生,而铀发生裂变的条件是有中子轰击,故C正确,ABD错误。
2.B 核能发电利用的是重核裂变释放出来的核能,故A错误;核反应过程都满足电荷数守恒和质量数守恒,故B正确;核裂变产生的新核更稳定,比结合能更大,故C错误;裂变物质的体积大于临界体积时才能发生链式反应,故D错误。
3.D 用中子轰击铀核的核反应方程为原子核的裂变,故A错误;由核反应遵循质量数与电荷数守恒,可知x=3,故B错误;ΔE是该核反应释放的能量,不是U的结合能,则U的比结合能不等于,故C错误;中等质量原子核的比结合能较大U的比结合能小于Ba的比结合能,故D正确。
4.D 根据质量数守恒可知,X的核子数为235+1-94-10×1=132,故A错误;根据电荷数守恒可知,X的质子数为92-38=54,中子数为132-54=78,故B错误;中子参与核反应,不能消去,故C错误U反应生成X,释放能量,说明X比U稳定,故D正确。
5.C 控制核反应堆中核反应的速度是靠调节中子数来实现的,所以选项C正确。
6.C 核电站的反应堆中常用镉棒,是利用镉棒对中子吸收能力强的特点,使中子数减少从而控制核反应速率,故A错误;链式反应的发生有其临界体积,超过临界体积才可以发生链式反应,故B错误;核裂变产物会放出各种有害射线,所以反应堆的外面需要修建很厚的水泥层来进行屏蔽,故C正确;核反应产物的新核更稳定,所以比结合能比核燃料的比结合能高,故D错误。
7.解:(1) UnXeSr+1n
(2)核电站每年放出的热量Q=Pt=1.0×109×3.6×103×24×365 J≈3.15×1016 J
一个U裂变放出的热量ΔE=Δmc2=(235.043 9-89.907 7-135.907 2-9×1.008 7)×1.66×10-27×(3×108)2 J≈2.25×10-11 J
需要的浓缩铀质量m==2.7×104 kg
8.B 因参与核反应的核子质量未知,所以在一次聚变反应中释放的能量不一定比裂变反应多,但平均每个核子释放的能量一定比裂变多,故A错误,B正确;聚变反应中释放出巨大能量,则比结合能一定增加,质量发生亏损,故选项CD错误。
9.D HHHen为轻核的聚变,故A错误; The为β衰变,故B错误;HeOH为原子核的人工转变,故C错误; nn为重核的裂变,故D正确。
10.D 根据核反应中电荷数和质量数守恒,可知X的电荷数是0,质量数是1,所以X是中子,故A错误;聚变反应释放出能量,所以He更稳定,即He的比结合能大于H和H的比结合能,所以He的比结合能一定大于2.78 MeV,故B错误;该反应是质量较小的原子核结合成质量较大的原子核,并放出能量的核反应,属于轻核聚变,故C错误;聚变过程释放能量,根据爱因斯坦的质能方程可知存在质量亏损,故D正确。
11.C 根据核反应中质量数守恒和电荷数守恒可知,X的质量数为2+3-1=4,电荷数为1+1-0=2,所以X为He,故A错误;聚变时有质量亏损,反应中减少的质量Δm=m1+m2-m3-m4,根据爱因斯坦质能方程可知,聚变时释放的能量ΔE=Δmc2=(m1+m2-m3-m4)c2,故B错误;该核反应由于质量亏损释放出核能,所以生成的新核(X)核子平均质量较小,新核(X)的比结合能较大,故C正确,D错误。
12.解:(1)轻核聚变的方程式HHHen。
(2)轻核聚变中质量亏损为:
Δm=mD+mT-m-mn=(3.343 6+5.008 5-6.646 7-1.675 0)×10-27 kg=3.04×10-29 kg
轻核聚变释放的能量:
E=Δmc2=3.04×10-29×(3×108)2 J≈2.74×10-12 J。
13.C 按照粒子与各种相互作用的关系,大体可以把粒子分为四大类,即强子、轻子、规范玻色子和希格斯玻色子,所以选项C正确。
14.ABC 夸克不能以自由的状态单个出现,D错误。
二、能力提升
1.D 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,根据质量数守恒知X的质量数为235+1-144-89=a,可得a=3,故D正确。
2.C 由题图可知,核反应堆通过可控的链式反应实现核能的释放,装置的核反应类型是核裂变,故A错误;要使核反应速度减慢,可以将铀棒插入得浅一些或使镉棒插入得更深,故B错误;核裂变的燃料是铀,核反应的过程中释放核能,由质能方程可知质量不守恒,C正确;在核反应堆中,石墨的作用是做“慢化剂”,快中子和慢化剂中的碳原子核碰撞后,中子速度减小变为慢中子,故D错误。
3.D 原子核内的核子靠核力结合在一起,A错误;He发生核聚变后释放能量,所以比结合能一定发生变化,B错误He发生核聚变,放出能量,根据质能方程ΔE=Δmc2可知一定会发生质量亏损,C错误;He核聚变反应的方程式可能为HeHHe,D正确。
4.D 该核反应方程为HHHen+γ,该反应为聚变反应,故AB错误;根据爱因斯坦质能方程知,辐射出的γ光子能量E=Δmc2=(m1+m2-m3-m4)c2,故C错误;光子能量为E=hν=,则有λ=,故D正确。
5.AB 质子带电荷量为+e,且一个质子由两个上夸克和一个下夸克组成,应为2×(+e)-e=+e;一个中子由两个下夸克和一个上夸克组成,应为2×(-e)+e=0,故AB正确,CD错误。
6.ABD 在核反应堆的外面修建很厚的水泥层能防止放射线和放射性物质的泄漏,A正确;由题图可知,A的核子平均质量大于B与C核子的平均质量,原子核A裂变成原子核B和C时会有质量亏损,要放出核能,B正确;根据光电效应方程Ekm=hν-W0知,光电子的最大初动能与入射光的频率有关,与入射光的强度无关,C错误;在核反应堆的铀棒之间插入镉棒是为了控制核反应速度,D正确。
7.BD 太阳内部的核聚变反应式为H+eHe+2νe,故A错误;一次核反应,质量亏损为4mp+2me-mα=19.8 MeV/c2,故B正确;核反应满足动量守恒,故C错误;太阳中现有氢的10%发生聚变反应时,释放的能量E=M0×0.7×0.1× MeV≈4.1×1056 MeV,需要的时间t=≈1.6×1017 s,故D正确。
8.解:(1)聚变的核反应方程HHe+e
(2)根据质能方程ΔE=(4mp-mα-2me)c2
代入数据可得ΔE=(4×1.672 6×10-27-6.645 8×10-27-2×0.91×10-30)×(3×108)2 J=4×10-12 J
9.解:(1)此铀核裂变方程为UnBa+Kr+n
(2)核反应前后的质量亏损为Δm=mU-mBa-mKr-2mn
由爱因斯坦的质能方程可得释放的核能为ΔE=Δmc2
代入数据得ΔE=3.2×1 J
(3)核电站一年发出的电能E=Pt=650×107×365×24×3 600 J=2.0×1017 J
设每年消耗U的质量为m,核裂变释放的能量为E=NA·ΔE
解得m= g=2.4×103 kg
