人教版物理高二选修2-3第六章第二节核裂变和裂变反应堆同步训练

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人教版物理高二选修2-3第六章
第二节核裂变和裂变反应堆同步训练
一．选择题
1．实验观察到，静止在匀强磁场中A点的原子核发生β衰变，衰变产生的新核与电子恰在纸面内做匀速圆周运动，运动方向和轨迹示意如图．则（ ）
A．轨迹1是电子的，磁场方向垂直纸面向外
B．轨迹2是电子的，磁场方向垂直纸面向外
C．轨迹1是新核的，磁场方向垂直纸面向里
D．轨迹2是新核的，磁场方向垂直纸面向里
答案：D
解析：解答：原子核发生β衰变时，根据动量守恒可知两粒子的速度方向相反，动量的方向相反，大小相等；
由半径公式r==（P是动量），分析得知，r与电荷量成反比，β粒子与新核的电量大小分别为e和ne（n为新核的电荷数），则β粒子与新核的半径之比为：ne：e=n：1．所以半径比较大的轨迹1是衰变后β粒子的轨迹，轨迹2是新核的．
新核沿逆时针方向运动，在A点受到的洛伦兹力向左，由左手定则可知，磁场的方向向里．
由以上的分析可知，选项D正确，ABC错误．
故选：D．
分析：静止的原子核发生β衰变，根据动量守恒可知，发生衰变后粒子与反冲核的运动方向相反，动量的方向相反，大小相等．由半径公式r==，P是动量，分析两个粒子半径轨迹半径之比．
2．原子核ZAX与氘核12H反应生成一个α粒子和一个质子．由此可知（ ）
A．A=2，Z=1 B．A=2，Z=2 C．A=3，Z=3 D．A=3，Z=2
答案：D
解析：解答：写出该反应的方程有：ZAX+12H→24He+11H
应用质量数与电荷数的守恒得：A+2=4+1，Z+1=2+1，解得A=3，Z=2，故ABC错误，D正确．
故选D．
分析：解本题的关键是学会书写核反应方程，在核反应过程中，电荷数和质量数是守恒的，根据这两个守恒从而确定A和Z的数值．
3．下列说法正确的是（ ）
A．U→Th+He是α衰变方程
B．α、β和γ三种射线中，β射线的穿透能力最强
C．放射性元素的半衰期随温度的升高而变短
D．现已建成的核电站的能量来自于人工放射性同位素放出的能量
答案：A
解析：解答：A、U→Th+He，生成新的原子核的同时，放射出氦核，则是α衰变，故A正确；
B、放射性元素衰变时能够放出的三种射线，其中α射线能力最强，而γ射线穿透能力最强，故B不正确；
C、原子核的半衰期与环境的温度、压强无关．故C错误；
D、现已建成的核电站的能量来自于重核裂变放出的能量，故D错误；
故选：A．
分析：衰变是自发的，当生成氦核时，即为α衰变；
α射线电离能力最强，而γ射线穿透能力最强；
半衰期与环境的温度、压强无关；
根据裂变反应定义，即可确定求解；
4．一质子束入射到静止靶核Al上，产生如下核反应：p+Al→X+n，p、n分别为质子和中子，则产生的新核含有质子和中子的数目分别为（ ）
A．28和15 B．27和14 C．15和13 D．14和13
答案：D
解析：解答：质子的电荷数为1，质量数为1，中子的电荷数为0，质量数为1．根据电荷数守恒、质量数守恒，X的质子数为1+13﹣0=14，质量数为1+27﹣1=27，中子数：27﹣14=13．
故选：D
分析：根据电荷数守恒、质量数守恒，得出新核的质子数和中子数．
5．下列说法正确的是（ ）
A．Th核发生一次α衰变时，新核与原来的原子核相比，中子数减少了4
B．太阳辐射的能量主要来自太阳内部的热核反应
C．若使放射性物质的温度升高，其半衰期可能变小
D．用12eV的光子照射处于基态的氢原子，可使其电离
答案：B
解析：解答：A、Th核发生一次α衰变时，新核与原来的原子核相比，质量数减少了4，中子数减少2，故A错误；
B、太阳辐射的能量主要来自太阳内部的聚变反应，故B正确；
C、半衰期与外界因素无关，故温度改变时，半衰期不变；故C错误；
D、用14eV的光子照射处于基态的氢原子，吸收的热量大于13.6ev，可使其电离，故D不正确；
故选：B
分析：α衰变放出α粒子（氦原子核），原来的核的质量数少4、质子数少2；太阳辐射的能量主要来自太阳内部的聚变反应，半衰期与外界因素无关；用13.6eV的光子照射处于基态的氢原子，即可使其电离．
6．下列说法中正确的是（ ）
A．小于临界体积的铀块可能发生链式反应
B．在核反应方程n+Li→H+X中，X为α粒子
C．阴极射线是原子核内的中子转变为质子时产生的高速电子流
D．用频率大于某金属极限频率的单色光照射该金属，若增大入射光的频率，则逸出的光电子数目一定增多
答案：B
解析：解答：A、小于临界体积的铀块不可能发生链式反应，故A不正确；
B、由核反应中的质量数及电荷数守恒可知，在核反应方程n+Li→H+X中，X为α粒子β射线；故B正确；
C、原子核内的中子转变为质子时产生的是β粒子流；故C错误；
D、根据光子能量计算公式E=hυ可知其能量由光子频率决定，而入射光的强度越大时，则溢出的光电子数目一定增多，故D错误；
故选：B．
分析：链式反应的条件是大于临界体积，半衰期不随着物理与化学因素变化而变化，β射线是原子核内的中子转变为质子时产生的，β衰变后质子数增加1，但核子数不变，从而即可求解．光子能量计算公式E=hυ可知其能量由光子频率决定，氢原子吸收光子向高能级跃时，半径增大，电子运动的动能减小，系统势能增加，总能量增加．
7．下列几幅图的有关说法中正确的是（ ）
A．
原子中的电子绕原子核高速运转时，运行轨道的半径是任意的
B．
发现少数α粒子发生了较大偏转，因为原子的质量绝大部分集中在很小空间范围
C．
光电效应实验和康普顿效应实验说明了光具有粒子性
D．
射线甲由α粒子组成，每个粒子带两个单位正电荷
答案：C
解析：解答：A、由图和根据玻尔理论知道，电子的轨道不是任意的，电子有确定的轨道．故A不正确．
B、少数α粒子发生了较大偏转，说明原子的几乎全部质量和所有正电荷主要集中在很小的核上，否则不可能发生大角度偏转，该处要强调“所有正电荷主要集中在很小的核上”．故B错误．
C、光电效应实验说明了光具有粒子性，故C正确．
D、根据带电粒子在磁场中偏转，结合左手定则可知，射线丙由a粒子组成，每个粒子带两个单位正电荷．故D错误．
故选：C
分析：根据玻尔理论分析电子的轨道的半径是特定的；少数α粒子发生了较大偏转，说明原子的质量绝大部分集中在很小空间；光电效应说明了光具有粒子性；根据左手定则可知，射线甲带负电；链式反应属于重核的裂变．
8．大量释放核能的过程一定是（ ）
A．由质量较小的原子核结合成质量较大的原子核
B．由质量较大的原子核分裂成质量较小的原子核
C．由某些重核结合为质量较大的原子核
D．由某些重核分裂为中等质量的原子核
答案：D
解析：解答：在重核裂变或轻核发生聚变时释放出的大量的核能，C属于轻核聚变，D属于重核裂变，而ABC不能释放大量核能，故D正确．
故选D
分析：解答本题应掌握：核能是指利用原子核的裂变或聚变过程中由于能量损耗而释放出能量的现象．
9．下列说法正确的是（ ）
A．太阳辐射的能量主要来自太阳内部的核裂变反应
B．汤姆孙通过对阴极射线的研究发现了电子，说明原子是有复杂结构的
C．卢瑟福发现了中子、查德威克发现了质子
D．一束光照射到某金属上不能发生光电效应，是因为该束光的波长太短
答案：B
解析：解答：A、太阳辐射的能量主要来自太阳内部的聚变反应，故A不正确
B、汤姆孙通过对阴极射线的研究发现了电子，说明原子是有复杂结构的，故B正确
C、卢瑟福发现了质子，查德威克发现了中子，故C错误；
D、一束光照射到某种金属上不能发生光电效应，说明入射频率小于极限频率，则该束光的波长太长，故D错误；
故选：B
分析：太阳内部的核聚变反应；
α粒子散射实验，表明原子具有核式结构；
卢瑟福发现了质子，查德威克发现了中；
不能发生光电效应，是入射频率小于极限频率，该束光的波长太长；
根据牛顿第二定律，结合库仑定律与向心力表达式，可确定，电子的半径变大后，动能与原子总能量如何变化．
10．下列说法正确的是（ ）
A．卢瑟福通过对α粒子散射实验现象的分析，发现了原子是可以再分的
B．β射线与γ射线一样都是电磁波，但穿透本领远比γ射线弱
C．原子核的结合能等于使其完全分解成自由核子所需的最大能量
D．裂变时释放能量是因为发生了亏损质量
答案：D
解析：解答：A、卢瑟福通过对α粒子散射实验现象的分析，提出了原子的核式结构模型；故A错误；
B、β射线的本质的电子流，γ射线是电磁波，故B错误；
C、根据分散的核子组成原子核时放出的能量叫做原子核结合能，所以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．故C不正确；
D、根据爱因斯坦质能方程可知，裂变时释放能量是因为发生了亏损质量，故D正确；
故选：D
分析：卢瑟福通过对α粒子散射实验现象的分析，提出了原子的核式结构模型．
比结合能：原子核结合能对其中所有核子的平均值，亦即若把原子核全部拆成自由核子，平均对每个核子所要添加的能量．用于表示原子核结合松紧程度．
结合能：两个或几个自由状态的粒子结合在一起时释放的能量．自由原子结合为分子时放出的能量叫做化学结合能，分散的核子组成原子核时放出的能量叫做原子核结合能．
11．下列说法中不正确的是（ ）
A．β衰变现象说明电子是原子核的组成部分
B．目前已建成的核电站的能量来自于重核裂变
C．一个氢原子从n=3的激发态跃迁到基态时，能辐射3种不同频率的光子
D．卢瑟福依据极少数α粒子发生大角度散射提出了原子核式结构模型
E．氢原子核外电子从半径较小的轨道跃迁到半径较大的轨道时，电子的动能减小，原子总能量增大
答案：A
解析：解答：A、β衰变放出的电子是由中子转变成质子而产生的，不是原子核内的，故A错误；
B、已建成的核电站的能量来自于重核裂变，故B正确；
C、从n=3的激发态跃迁到基态时，根据数学组合=3，能辐射3种不同频率的光子，故C正确；
D、卢瑟福依据极少数α粒子发生大角度散射，绝大多数不偏转，从而提出了原子核式结构模型，故D正确；
E、玻尔理论，氢原子核外电子从半径较小的轨道跃迁到半径较大的轨道时，电子的动能减小，电势能增大，且原子总能量增大，故E正确；
故选：A
分析：β衰变是中子转变成质子而放出的电子；核电站的能量来自于重核裂变；n=3的激发态跃迁到基态时，根据数学组合，即可求解；α粒子散射实验提出原子核式结构模型；玻尔理论，电子半径变大时，动能减小，电势能增大，而原子总能量增大．
12．在下列叙述中，正确的是（ ）
A．光电效应现象说明光具有波动性
B．玛丽居里最早发现了天然放射现象
C．若黄光照射某金属能发生光电效应，用紫光照射该金属一定能发生光电效应
D．根据波尔理论，氢原子从高能态跃迁到低能态时，原子向外释放光子，原子电势能和核外电子的动能均减小
答案：C
解析：解答：A、光电效应是金属中的电子吸收能量后，飞出金属表面的现象；说明光具有粒子性；故A不正确．
B、贝可勒尔发现天然放射现象中，原子核发生衰变，生成新核，同时有中子产生，因此说明了原子核可以再分；故B错误；
C、因紫光的频率高于黄光的频率；故若黄光照射某金属能发生光电效应，用紫光照射该金属一定能发生光电效应半衰期的大小与所处的物理环境和化学状态无关，由原子核内部因素决定．故C正确．
D、氢原子辐射出一个光子后，原子能量减小，轨道半径减小，根据=知，核外电子的动能增大，原子能量等于动能和电势能之和，则电势能减小．故D错误；
故选：C．
分析：光电效应是金属中的电子逸出金属的现象；贝可勒尔发现天然放射现象；根据氢原子能量的变化得出轨道半径的变化，结合库仑引力提供向心力得出电子动能的变化，抓住原子能量等于动能和电势能之和得出电势能的变化
13．下列说法正确的是（ ）
A．关于原子核内部信息，最早来自人工放射性现象
B．结合能越大的原子核越稳定
C．目前核电站中主要利用的是轻核聚变产生的核能来发电
D．在核反应堆中常用的“慢化剂”有石墨、重水和普通水
答案：D
解析：解答：A、人类最早发现原子核内部信息是因为发现了天然放射性现象；故A不正确；
B、结合能不能反应核子间的能量；只有比结合能越大，原子核越稳定，故B错误；
C、目前核电站主要是利用易控制的重核裂变产生的核能来发电的；故C错误；
D、在核反应堆中常用的“慢化剂”有石墨、重水和普通水；故D正确；
故选：D
分析：天射放射性现象使人类开始研究原子核的内部结构；比结合能越大，原子核越稳定；掌握核电站的原理，明确重核裂变和轻核聚变的就用．
14．下列说法正确的是（ ）
A．结合能越大的原子核，原子核中的核子结合得越牢固，原子核越稳定
B．较轻的原子核和较重的原子核的比结合能比中等大小原子核的比结合能要小，在重核裂变反应和轻核聚变反应中都会出现质量亏损的现象
C．核力是强相互作用的一种表现，在原子核的尺度内，核力比库伦力小得多，在原子的尺度内，电磁力比核力要大，核力是短程力
D．目前，人类已经可以做到稳定地输出聚变能，所以人类不再有“能源危机”
答案：B
解析：解答：A、比结合能越大的原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定；结合能还与核子数有关；故A错误；
B、中等质量的核平均质量最小；故较轻的原子核和较重的原子核的比结合能比中等大小原子核的比结合能要小，在重核裂变反应和轻核聚变反应中都会出现质量亏损的现象；故B正确；
C、核力是强相互作用的一种表现，在原子核的尺度内，核力比库伦力大得多，在原子的尺度内，电磁力比核力要大，核力是短程力；故C不正确；
D、能量是守恒的，核燃料也有用尽的一天；故能源危机仍然存在；故D错误；
故选：B．
分析：比结合能越大的原子核，核子结合得越牢固，原子核越稳定．核子是短程力，但它属于强相互作用；根据能源的利用分析能源危机．
15．太阳辐射能量主要来自太阳内部的（ ）
A．化学反应 B．放射性衰变 C．裂变反应 D．热核反应
答案：D
解析：解答：太阳的能量来自于内部的核聚变，产生很高的能量，又称为热核反应．故D正确，A、B、C错误．
故选D．
分析：太阳辐射能量主要来自太阳内部的热核反应．
二．填空题
16．两个中子和一个质子能结合成一个氚核，该核反应方程式为： ；已知中子的质量是m1，质子的质量是m2，氚核的质量是m3，光在真空的速度为c，氚核的比结合能的表达式为 ．
答案：：210n+11H→31H|
解析：解答：核反应方程为：210n+11H→31H．氘核的结合能等于中子和质子结合成氘核释放的能量，根据质能方程知，△E=（2m1+m2﹣m3）c2．
则其比结合能为：
故答案为：210n+11H→31H；
分析：根据电荷数守恒、质量数守恒写出核反应方程式．根据爱因斯坦质能方程求出该核反应释放的核能，从而得知氘核的结合能；再根据核子数求出比结合能．
17．如图所示实验装置可实现原子核的人工转变，当装置的容器内通入气体B时，荧光屏上观察到闪光．图中气体B是 ，该原子核人工转变的核反应方程式是 ．
答案：氮气|42He+147N→11H+178O
解析：解答：该装置是卢瑟福第一次完成了原子核的人工转变并发现了质子的实验装置，图中气体B是氮气，核反应方程为24He+714N→817O+11H，可知使荧光屏出现闪光的粒子是质子．
故答案为：氮气；42He+147N→11H+178O
分析：卢瑟福用α粒子轰击氮核发现质子，并首次实现原子核的人工转变．
18．能的转化有方向性，符合能量守恒的过程 （选填“一定”或“不一定”）能发生．核电站是利用 （选填“重核裂变”或“化学反应”）获得核能并将其转为电能．
答案：不一定|重核裂变
解析：解答：能的转化有方向性，符合能量守恒定律过程并不一定能发生；如内能不能全部转化为机械能，除非引起其他方面的变化；
现阶段的核电站均是采用重核裂变而获得电能的；
故答案为：不一定，重核裂变
分析：根据热力学第二定律可明确能量守恒的方向性；明确核电站是利用重核裂变而放出核能驱动发电机发电的．
19．如图所示实验装置可实现原子核的人工转变，当装置的容器内通入气体B时，荧光屏上观察到闪光．图中气体B是 ，使荧光屏出现闪光的粒子是 ．
答案：氮气|质子
解析：解答：该装置是卢瑟福第一次完成了原子核的人工转变并发现了质子的实验装置，图中气体B是氮气，核反应方程为24He+714N→817O+11H，可知使荧光屏出现闪光的粒子是质子．
故答案为：氮气，质子．
分析：卢瑟福用α粒子轰击氮核发现质子，并首次实现原子核的人工转变．
20．如图所示为卢瑟福发现质子的实验装置．M是显微镜，S是荧光屏，窗口F处装有银箔，氮气从阀门T充入，A是放射源．写出该实验的核反应方程为： ；充入氮气后，调整银箔厚度，使S上 （填“能见到”或“见不到”）质子引起的闪烁．
答案：24He+714N→817O+11H|见不到
解析：解答：卢瑟福通过用α粒子轰击氮核发现了质子，根据质量数和电荷数守恒可知：24He+714N→817O+11H；
装置中A为放射源，放出的为α粒子，由于F处装的银箔刚好能阻止α粒子穿过，因此没有充入氮气之前无质子产生，不可能在S上见到质子引起的闪烁，
充入氮气后，α粒子轰击氮核产生质子，质子穿过银箔，引起荧光屏S的闪烁，调整银箔厚度，使S上见不到质子引起的闪烁；
故答案为：24He+714N→817O+11H，见不到．
分析：明确卢瑟福发现质子的实验装置以及各部分的作用，注意F处装的银箔刚好能阻止α粒子穿过，而不能阻止其它粒子如质子穿过．
三．解答题
21．如图是发现某种粒子的实验，这种新粒子的原子核符号是什么？它是由谁预言了它的存在？并由查德威克通过实验发现的．
答案：1919年卢瑟福首先做了用a粒子轰击氮核的实验，在实验中发现了质子，并预言了中子的存在；
1930年查德威克发现中子，核反应方程应该遵循质量数守恒和电荷数守恒，核反应方程为：
49Be+24He→+01n
其中产生的不可见粒子为中子，符号为：01n
至此，人们确认了原子核是由质子和中子组成的，并将这两种粒子统称为核子；
解析：解答：1919年卢瑟福首先做了用a粒子轰击氮核的实验，在实验中发现了质子，并预言了中子的存在；
1930年查德威克发现中子，核反应方程应该遵循质量数守恒和电荷数守恒，核反应方程为：
49Be+24He→+01n
其中产生的不可见粒子为中子，符号为：01n
至此，人们确认了原子核是由质子和中子组成的，并将这两种粒子统称为核子；
故答案为：01n，卢瑟福
分析：根据电荷数守恒、质量数守恒写出核反应方程式，从而判断粒子种类．卢瑟福预言了中子的存在．
22．关于人类对原子核的研究，历史上曾用α粒子轰击氮14发现了质子．设α粒子的运动方向为正方向，已知碰撞前氮14静止不动，α粒子速度为v0=3×107m/s，碰撞后氧核速度为v1=0.8×107m/s，碰撞过程中各速度始终在同一直线上，请写出这个核反应的方程式，并求碰撞后质子的速度大小．（保留两位有效数字）
答案：根据质量数和电荷数守恒可得α粒子轰击氮核方程为：
147N+42He→178O+11H
根据动量守恒定律得，
mHev0=m0v1+mHv
解得v=﹣1.6×107m/s
碰撞后质子的速度大小为1.6×107m/s
解析：解答：根据质量数和电荷数守恒可得α粒子轰击氮核方程为：
147N+42He→178O+11H
根据动量守恒定律得，
mHev0=m0v1+mHv
解得v=﹣1.6×107m/s
碰撞后质子的速度大小为1.6×107m/s
答：核反应的方程式为147N+42He→178O+11H，碰撞后质子的速度大小为1.6×107m/s．
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，因此根据动量守恒可正确解答该题．
23．太阳内部四个质子聚变成一个粒子，同时发射两个正电子和两个没有静止质量的中微子（中微子不带电）．若太阳辐射能量的总功率为P，质子、氦核、正电子的质量分别为mp、mHe、me，真空中光速为c．求：
（1）写出核反应方程；
答案：核反应方程
（2）时间t内参与核反应的质子数（中微子能量可忽略）．
答案：由质能方程知核反应放出的能量
设t时间内参与核反应的质子数为n，由能量守恒知：
n=
解析：解答：（1）根据质量数和电荷数守恒知反应方程为：
（2）由质能方程知核反应放出的能量
设t时间内参与核反应的质子数为n，由能量守恒知：
n=
答：（1）核反应方程；（2）时间t内参与核反应的质子数
分析：根据质量数和电荷数守恒知反应方程，根据质能方程求出释放能量，然后根据功率能量之间关系求解即可．
24．太阳向空间辐射太阳能的功率大约为3.8×1026W，太阳的质量为2.0×1030Kg．太阳内部不断发生着四个质子聚变为一个氦核的反应，这个核反应释放出的大量能量就是太阳能源．（Mp=1.0073u，Mα=4.0292u，Me=0.00055u，1u=931MeV）．试求：
（1）写出这个核反应的核反应方程．
答案：核反应方程：
（2）这一核反应释放出多少能量？
答案：该核反应中放出的结合能为：
△E=（4mp﹣mHe﹣2me）c2
代入数据解得：
△E≈23.7 MeV≈3.79×10﹣12 J
（3）太阳每秒钟减少的质量为多少？
答案：太阳每秒减少的质量为：
△m=
代入数据解得：
△m≈4.2×109 kg
解析：解答：（1）核反应方程式为：（2）该核反应中放出的结合能为：
△E=（4mp﹣mHe﹣2me）c2
代入数据解得：
△E≈23.7 MeV≈3.79×10﹣12 J（3）太阳每秒减少的质量为：△m=
代入数据解得：
△m≈4.2×109 kg
答：（1）这个核反应方程：；（2）这一核反应释放出的能量有3.79×10﹣12 J；（3）太阳质量每秒将减少4.2×109 kg．
分析：（1）根据核反应方程的质量数与质子数守恒，即可求解；（2）根据质能方程求出释放能量，即可求解；（3）根据功率能量之间关系，求解即可．
25．静止在匀强磁场中的锂核Li俘获一个速度为7.7×104m/s的中子而发生核反应，反应中放出α粒子及一个新核，已知α粒子的速度大小为2×104m/s，方向与反应前的中子速度方向相同，如图所示，设质子质量与中子质量相等．
（1）写出核反应方程式；
答案：
（2）求新生核的速度；
答案：核反应前后动量守恒：mnvn=mHvH+mava
所以=1×103m/s，方向与中子方向相反
（3）当α粒子旋转6周时，新生核旋转几周．
答案：α粒子和氚核在磁场中做匀速圆周运动，周期为
当α粒子旋转6周时，新生核旋转n周，则：
6Ta=nTH
联立解得：n=4
答：当α粒子旋转6周时，新生核旋转4周．
解析：解答：（1）核反应方程为：（2）核反应前后动量守恒：mnvn=mHvH+mava
所以=1×103m/s，方向与中子方向相反（3）α粒子和氚核在磁场中做匀速圆周运动，周期为当α粒子旋转6周时，新生核旋转n周，则：
6Ta=nTH
联立解得：n=4
分析：根据电荷数守恒、质量数守恒写出核反应方程．
通过动量守恒定律求出未知粒子的速度大小和方向．
根据半径和周期公式可求解．
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