第5章原子核与核能综合复习训练（含解析）2023——2024学年高物理鲁科版（2019）选择性必修第三册

第5章 原子核与核能 综合复习训练
学校:___________姓名：___________班级：___________考号：___________
一、单选题
1．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（）吸收慢中子（动能可忽略不计），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，γ光子的波长为λ，硼核的比结合能为，氦核的比结合能为，普朗克常量为h，真空中光速为c。则关于上述核反应，说法正确的是（　　）
A．核反应方程为
B．上述核反应属于α衰变
C．γ光子的能量
D．锂核的比结合能
2．如图所示的射线测厚仪采用放射性元素作为放射源，其发生β衰变的半衰期为6h。则该测厚仪（　　）
A．衰变产物为
B．衰变的原因是弱相互作用
C．用于监测与控制钢板厚度的最佳选择是β射线
D．20g放射源经12h后剩余物质的质量为5g
3．某无毒放射性元素的半衰期为2天，为估算某水库的库容，取该元素的5mL水溶液，测得溶液每分钟衰变次。将水溶液倒入水库，8天后可视为溶液已均匀分布，在水库中取水样，测得水样每分钟衰变20次。则该水库中水的体积约为（　　）
A． B．
C． D．
4．2023年12月7日，锦屏大设施正式投入科学运行，是我国又一项“国之重器”，其主要功能是为前沿物理科学研究提供不受宇宙射线影响的实验环境。当宇宙射线中的高能粒子撞击地球大气层中大气原子核时会产生二次粒子簇射．一宇宙射线中的粒子与大气中氮原子核发生作用的核反应方程为。下列说法中正确的是（ ）
A．该核反应为衰变 B．X粒子由汤姆孙发现
C．该核反应中X为光子 D．该核反应电荷数守恒，质量数也守恒
5．近代物理学的发展，催生了一大批新技术，深刻地改变了人们的生活方式和社会形态，有关近代物理学发展的相关叙述错误的是（　　）
A．普朗克通过对黑体辐射规律的研究，提出“能量子”概念，把物理学带入了量子世界
B．α粒子散射实验，揭示了原子的“枣糕”结构模型
C．丹麦物理学家玻尔提出了自己的原子结构假说，解释了氢原子的光谱
D．世界上第一座核反应堆装置的建立，标志着人类首次通过可控制的链式反应实现了核能的释放
6．近年来，我国在新能源汽车领域取得了巨大的突破和发展。目前，核能汽车处于试验阶段，车上主要搭载了核动力电池，利用原子核衰变释放的核能转化为电池的电能。某种核动力电池利用了器的衰变，衰变方程为，下列说法正确的是（　　）
A．X为粒子 B．该反应的发生需要吸收能量
C．的结合能大于的结合能 D．的原子核比例的原子核更加稳定
7．钍基熔盐堆核能系统（TMSR）是第四代核能系统之一，其中钍基核燃料铀由较难裂变的钍吸收一个中子后经过若干次衰变而来；铀的一种典型裂变产物是钡和氪。以下说法正确的是（　　）
A．题中铀核裂变的核反应方程为
B．钍核衰变的快慢由原子所处的化学状态和外部条件决定
C．针核经过2次衰变可变成镤
D．在铀核裂变成钡和氪的核反应中，核子的比结合能增大
8．2023年12月，新一代人造太阳“中国环流三号”面向全球开放。“人造太阳”内部发生的一种核反应方程为，已知的比结合能为，的比结合能为，的比结合能为，光在真空中的传播速度为c。下列说法正确的是（　　）
A．核反应方程中X为电子
B．的比结合能小于的比结合能
C．核反应吸收的能量为
D．核反应中的质量亏损为
二、多选题
9．下列说法正确的是（　　）
A．氡的半衰期为3.8天，若有8个氡核，则经过7.6天后剩下2个氡核
B．发生衰变时，生成的核与原来的核相比，中子数少1
C．比结合能越大，原子核中核子结合得越紧密，原子核越稳定
D．核反应中的为氘核
10．关于核反应方程，下列说法正确的是（　　）
A．，该核反应是α衰变
B．，该核反应是聚变
C．该核反应是聚变
D．该核反应是β衰变
11．2023年8月25日，“中国环流三号”托卡马克装置首次实现100万安培等离子体电流下的高约束模式运行，是我国核能开发进程中的重要里程碑。该模式下的核反应方程之一为，反应中释放出光子，下列说法正确的是（　　）
A．该核反应属于裂变反应
B．该核反应方程中的X为质子
C．的比结合能大于的比结合能
D．光子的静止质量为0，所以它的动量也为0
12．放射性同位素钍经一系列，衰变后生成氡，以下说法正确的是（ ）
A．每经过一次衰变原子核的质量数会减少2个
B．的半衰期约为1分钟，所以2分钟后1000个原子核就只剩250个
C．放射性元素钍的原子核比氡原子核的中子数多8个
D．钍衰变成氡一共经过3次衰变和2次衰变
三、实验题
13．太阳能是一种清洁能源，太阳能电池可以将太阳能转变为电能并加以利用。我国在这一方面位居世界前列。
（1）太阳能是依据太阳的 活动导致的。
A．核裂变 B．核聚变 C．化学变化
（2）辐射频率是指单位时间内的辐射的总能量。按照国际单位制，辐射频率的国际单位可以表示为( )
A．kg·m2/s3 B．kg·m2/s2 C． kg·m/s2 D．kg·m/s
（3）小何利用如图（a）所示电路研究太阳能电池的伏安特性。连接电路后，闭合开关S，在光照条件和温度不变的情况下，改变电阻箱Rx的阻值，记录电压表示数U和电流表示数I，并多次重复该过程。将实验数据描在U-I图中，得到图（b）。

①根据图中的数据点画出U-I图像。
②由图线可知，当U= 14.0V时，该太阳能电池的输出功率为 。（结果保留3位有效数字）
③定值电阻R0为10.0 ，当电阻箱R的阻值为90.0 时，电阻箱Rx两端的电压为 （结果保留3位有效数字）
14．（1）如图所示是研究光电效应规律的电路。图中标有A和K的为光电管，其中K为阴极，A为阳极。现接通电源，用光子能量为10.5eV的光照射阴极K，电流计中有示数，若将滑动变阻器的滑片P缓慢向右滑动，电流计的读数逐渐减小，当滑至某一位置时电流计的读数恰好为零，读出此时电压表的示数为6.0V；则光电管阴极材料的逸出功为 eV，现保持滑片P位置不变，增大入射光的强度，电流计的读数 。（选填“为零”、或“不为零”）
（2）快中子增殖反应堆中，使用的核燃料是钚239，裂变时释放出快中子，周围的铀238吸收快中子后变成铀239，铀239（）很不稳定，经过 次β衰变后变成钚239（），写出该过程的核反应方程式： 。设静止的铀核发生一次β衰变生成的新核质量为M，β粒子质量为m，释放出的β粒子的动能为，假设衰变时能量全部以动能形式释放出来，求一次衰变过程中的质量亏损 。
四、解答题
15．有一类防火常用的烟雾探测器，原理是其放射源处的镅放出的粒子，使壳内气室中的空气电离而导电，当烟雾粒子进入壳内气室时，就会阻挡部分粒子使电流减小从而触发警报。
(1)半衰期为433年的镅0.3微克，经过866年后剩余镅的质量为 微克。
(2)发生一次衰变所产生的新核的中子数比质子数多 个。
16．如图所示，在坐标系的第一象限内，分布着垂直纸面向外的匀强磁场（含坐标轴），磁感应强度大小为。坐标为（单位：m）的点P处有一静止的原子核发生了衰变，粒子的比荷为，放出的粒子以大小为的速度垂直磁场方向射入磁场中，方向与y轴正方向成30°，刚好与x轴相切而过，从y轴射出。不计重力及粒子与新原子核间相互作用，衰变后产生的新核用Th表示。
（1）写出衰变的核反应方程：
（2）粒子离开磁场的位置及速度大小；
17．某一静止的放射性原子核发生α衰变，若该衰变过程释放的核能都转为α粒子和新核Y的动能，且衰变过程中的质量亏损为△m。已知光在真空中的传播速度为c，涉及动量问题时，亏损的质量可不计。
（1）写出该α衰变的核反应方程；
（2）若放射性原子核的半衰期为4天，求经过8天4g剩下的质量；
（3）求α粒子衰变后的动能。
18．核聚变能是一种具有经济性能优越、安全可靠、无环境污染等优势的新能源.近年来，受控核聚变的科学可行性已得到验证，目前正在突破关键技术，最终将建成商用核聚变电站。一种常见的核聚变反应是由氢的同位素氘（又叫重氢）和氚（又叫超重氢）聚合成氦，并释放一个中子，若已知氘原子的质量为2.0141u，氚原子的质量为3.0160u，氦原子质量为4.0026u，中子的质量为1.0087u，1u=1.66×10-27kg。
（1）写出氘和氚聚合的反应方程；
（2）试计算这个核反应释放出来的能量。
（3）若建一座功率为3.0×105kW的核聚变电站，假设聚变所产生的能量有一半变成了电能，每年要消耗多少氘的质量 （一年按3.2×107s计算，光速c=3.00×108m/s，结果取两位有效数字）
19．我国是国际热核聚变研究领域的领先者之一。在某次核反应中，一个氘核和一个氚核结合生成一个氦核，并放出一个粒子。已知氘核的比结合能为，氚核的比结合能为，该核反应释放的核能为，真空中光速为c。
（1）写出核反应方程并求出质量亏损；
（2）求氦核的比结合能。
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参考答案：
1．A
【详解】A．根据核反应方程满足质量数守恒和电荷数守恒，可得核反应方程为
故A正确；
B．核反应过程中虽然生成物有粒子，但有中子参与反应，反应物有两个，而衰变的特点是反应物只有一个且自发的发生，故上述核反应不属于衰变，故B错误；
C．光子的波长为，则其能量为
故C错误；
D．已知核反应过程中质量亏损为，则核反应放出的能量为，即生成物放出的能量与反应物吸收的能量之差为核能，则有
可得锂核的比结合能为
故D错误。
故选A。
2．B
【详解】A．β衰变放出的粒子是电子，根据质量数和电荷数守恒可知，衰变产物为，故A错误；
B．发生β衰变的原因是弱相互作用，故B正确；
C．用于监测与控制钢板厚度的最佳选择是射线，故C错误；
D．20g放射源经12h后剩余5g的未发生衰变，但剩余物质的质量大于5g，故D错误。
故选B。
3．A
【详解】因1立方米的水经过8天，即4个半衰期后测得水样每分钟衰变20次，可知8天前1立方米的水每分钟衰变次数为
次，则水库中水的体积
故选A。
4．D
【详解】AC．根据质量数守恒和电荷数守恒可知反应方程式中的X为，故AC错误；
B．质子是由卢瑟福通过粒子轰击氮原子时发现的，而电子是由汤姆孙发现的，故B错误；
D．核反应遵循电荷数守恒和质量数守恒，故D正确。
故选D。
5．B
【详解】A．普朗克通过对黑体辐射规律的研究，提出“能量子”概念，把物理学带入了量子世界，故A正确，不符合题意；
B．α粒子散射实验，揭示了原子的核式结构模型，故B错误，符合题意；
C．丹麦物理学家玻尔提出了自己的原子结构假说，解释了氢原子的光谱，故C正确，不符合题意；
D．世界上第一座核反应堆装置的建立，标志着人类首次通过可控制的链式反应实现了核能的释放，故D正确，不符合题意。
故选B。
6．C
【详解】A．由衰变过程电荷数守恒和质量数守恒可知，X为粒子，故A错误；
B．衰变过程中有质量亏损，根据爱因斯坦质能方程可知该过程会放出能量，故B错误；
C．根据自然组成原子核的核子越多，它的结合能就越高，因此的核结合能大于的核结合能，故C正确；
D．原子的比结合能越大，越稳定，故的原子核比例的原子核更加稳定，故D错误。
故选C。
7．D
【详解】A．根据质量数守恒与电荷数守恒可知，铀核裂变的核反应方程为
故A错误；
B．原子核的半衰期由核内部自身因素决定，与原子所处的化学状态和外部条件无关，故B错误；
C．钍核（）经过1次β衰变可变成镤（），故C错误；
D．重核裂变的过程中释放能量，所以重核分裂成中等大小的核，核子的比结合能增大，所以在铀核裂变成钡和氪的核反应中，核子的比结合能增大，故D正确。
故选D。
8．D
【详解】A．根据质量数与电荷数守恒可知X为，故A错误；
B．核反应方程式中，生成物比反应物稳定，则的比结合能大于的比结合能，故B错误；
CD．核反应放出的能量为
由能量守恒可得
解得
故C错误，D正确。
故选D。
9．BC
【详解】A．半衰期是大量原子核的统计规律，对少数原子核不适用，故A错误；
B．发生衰变时是一个中子转变成一个质子同时放出一个电子，即中子数少1，故B正确；
C．比结合能越大，原子核中核子结合得越紧密，原子核越稳定，故C正确；
D．据质量数和核电荷数守恒，X为，故D错误。
故选BC。
10．ABD
【详解】A．核反应
是衰变，故A正确；
B．核反应
是核聚变，故B正确；
C．核反应
是核裂变，故C错误；
D．核反应
是衰变，故D正确。
故选ABD。
11．BC
【详解】
AC．该反应是核聚变反应并释放出大量的能量，由比结合能小的方向比结合能大的方向进行，则的比结合能大于的比结合能，故A错误，C正确；
B．由电荷数守恒和质量数守恒可知，该核反应方程中的X的电荷数为1，质量数为1，则X为质子，故B正确；
D．由康普顿效应可知，光子的动量不为0，故D错误。
故选BC。
12．CD
【详解】
A．每经过一次衰变原子核的质量数会减少4个，故A错误；
B．半衰期是大量原子核的一个统计规律，少数原子核不成立，故B错误；
C．放射性元素钍的原子核的中子数
氡原子核的中子数
所以放射性元素钍的原子核比氡原子核的中子数多8个，故C正确；
D．钍衰变成氡，可知质量数少12，电荷数少4，因为经过一次衰变，电荷数少2，质量数少4；经过一次衰变，电荷数多1，质量数不变，可知经过3次衰变，2次衰变，故D正确。
故选CD。
13． B A 2.38 13.5
【详解】（1）[1]太阳能是依据太阳的核聚变活动导致的。
故选B。
（2）[2]根据
辐射频率的国际单位可以表示为。
故选A。
（3）[3]U-I图像如图所示。

[4]由图可知当U= 14.0V时，电流为，该太阳能电池的输出功率为
（5）[5]和两端的电压为
做图线，交太阳能电池U-I图像于。电阻箱Rx两端的电压为

14． 4.5 为零 2
【详解】（1）[1][2]根据光电效应方程可知
解得
光电子的最大初动能与入射光强度无关，现保持滑片P位置不变，增大入射光的强度，光电子依然不能到达阳极，所以电流计的读数仍为零。
（2）[3] β衰变，电荷数增加1，质量数不变，铀239衰变成钚239，电荷数增2，质量数不变，知发生了2次β衰变．
[4] 该过程的核反应方程式为
[5] 运用动量守恒定律和能量守恒定律
解得
15．(1)0.075
(2)51
【详解】（1）半衰期为433年的镅0.3微克，经过866年后，即经过两个半衰期后剩余镅的质量为
（2）发生一次衰变，根据质量数守恒和电荷数守恒可知所产生的新核的质量数和电荷数分别为
可知新核的中子数比质子数多
16．（1）；（2）（0，1m）；m/s
【详解】（1）原子核在发生衰变时，衰变前后质量数及电荷数守恒，则衰变的核反应方程为
（2）可画出粒子在磁场中运动轨迹如图所示
由几何知识可得得
m
解得
由洛伦兹力提供向心力有
联立解得
m/s
由几何关系可知
则
，PC=2m，OC=1m
粒子在磁场中的轨迹恰好与x轴相切，利用几何知识可求得出射点的坐标为（0，1m）。
17．（1）；（2）1g；（3）
【详解】（1）该α衰变的核反应方程是
（2）若放射性原子核的半衰期为4天，经过8天4g剩下的质量是
（3）衰变过程中动量守恒，因此根据动量守恒定律有
根据能量守恒有
解得α粒子衰变后的动能
18．（1）；（2）2.8×10-12J；（3）23kg
【详解】（1）氘和氚聚合的反应方程为
（2）根据质能方程可得核反应释放出来的能量为
（3）每年要消耗氘的质量为
19．（1）；；（2）
【详解】（1）核反应方程为
根据质能方程，可得
解得
（2）依题意，可得
解得氦核的比结合能为
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