第5章 阶段质量检测(四)　原子核与核能（含解析）高中物理鲁科版（2019）选择性必修第三册

阶段质量检测(四)　原子核与核能
(本试卷满分：100分)
一、单项选择题(本题共8小题，每小题3分，共24分。每小题只有一个选项符合题目要求)
1．原子核符号C中，12表示(　　)
A．电子数 B．质子数
C．中子数 D．核子数
2．由原子核的衰变可知(　　)
A．放射性元素一次衰变就同时产生α射线和β射线
B．放射性元素发生β衰变，产生的新核的化学性质不变
C．α衰变说明原子核内部存在氦核
D．放射性的原子核发生衰变后产生的新核从高能级向低能级跃迁时，辐射出γ射线
3．一个质子和一个中子结合成氘核，同时放出γ光子，核反应方程是H＋n―→H＋γ，已知质子、中子和氘核的质量分别为m1、m2和m3。以下说法中正确的是(　　)
A．反应前后的质量数不变，因而质量不变
B．因存在质量亏损Δm，所以“物质不灭”的说法不正确
C．氘核具有的能量即为核反应释放的能量
D．核反应释放的能量为(m1＋m2－m3)c2
4．下列核反应方程中括号内的粒子为中子的是(　　)
A.U＋n―→Ba＋Kr＋(　　)
B.U―→Th＋(　　)
C.N＋He―→O＋(　　)
D.C―→N＋(　　)
5．科学家发现银河系中存在大量的放射性同位素铝26，铝26的半衰期为72万年，其衰变方程为Al―→Mg＋Y，下列说法正确的是(　　)
A．Y是氦核
B．Y是质子
C．再经过72万年，现有的铝26衰变一半
D．再经过144万年，现有的铝26全部衰变
6．发现中子的核反应方程为He＋Be―→X＋n，“玉兔二号”巡视器的核电池中钚238的衰变方程为Pu―→U＋Y，下列正确的是(　　)
A．核反应方程中的X为C
B．衰变方程中的Y为He
C．中子n的质量数为零
D．钚238的衰变吸收能量
7．原子核裂变一般生成两个中等质量的原子核，我国科学家钱三强和何泽慧夫妇研究铀核裂变时，发现了铀核也可能分裂成三部分或四部分。关于原子核的裂变下面表述正确的是(　　)
A．裂变过程存在质量亏损，但不一定释放能量
B.U裂变成两个中等质量的原子核，产物可能是Xe和Sr
C.U容易俘获快中子而发生裂变释放核能
D.U的纯度越高，其裂变的链式反应越难进行
8．核燃料可在核反应堆中通过核裂变产生实用核能材料，已经大量建造的核反应堆使用的是裂变核燃料铀和钚(Pu)。下列说法正确的是(　　)
　A．外界温度越高，钚(Pu)衰变的速度越快
B．铀经过1次α衰变产生钚(Pu)
C.U在中子轰击下生成Sr和Xe的过程中，核子的平均结合能增大
D.U在中子轰击下生成Sr和Xe的过程中，没有质量亏损
二、多项选择题(本题共4小题，每小题4分，共16分。在每小题给出的四个选项中，有多项符合题目要求。全部选对的得4分，选对但不全的得2分，有选错的得0分)
9.把放射源铀、钋或镭放入用铅做的容器中，射线只能从容器的小孔射出，成为细细的一束。在射线经过的空间施加匀强磁场，发现射线分裂成如图所示的a、b、c三束。下列说法正确的是(　　)
A．三种射线中，b的穿透能力最强
B．三种射线中，c的电离作用最强
C．容器内温度越高，放射性强度越大
D．将磁场换为水平向左的匀强电场，射线也大致沿图示方向偏转
10.一电中性微粒静止在垂直纸面向里的匀强磁场中，在某一时刻突然分裂成a、b和c三个微粒，a和b在磁场中做半径相等的匀速圆周运动，环绕方向如图所示，c未在图中标出。仅考虑磁场对带电微粒的作用力，下列说法正确的是(　　)
A．a带负电荷
B．b带正电荷
C．c带负电荷
D．a和b的动量大小一定相等
11．某放射性元素经过6天后，只剩下八分之一没有衰变。为估算某水库的库容，可取一瓶无毒的该放射性元素的水溶液，测得瓶内溶液每分钟衰变8×107次。现将这瓶溶液倒入水库，8天后在水库中取水样1.0 m3(可认为溶液已均匀分布)，测得水样每分钟衰变20次，则(　　)
A．该无毒放射性元素半衰期为2天
B．该无毒放射性元素半衰期为3天
C．估算出水库中水的体积大约为2.5×105 m3
D．估算出水库中水的体积大约为4.5×106 m3
12．科学家利用天然放射性的衰变规律，通过对目前发现的古老岩石中铀含量来推算地球的年龄，铀238的相对含量随时间的变化规律如图所示，下列说法正确的是(　　)
A．铀238发生α衰变的方程为U―→Th＋He
B．20个铀核经过90亿年，一定还有5个铀核未发生衰变
C．铀238(U)最终衰变形成铅206(Pb)，需经8次α衰变，6次β衰变
D．测得某岩石中现含有的铀是岩石形成初期时的一半，可推算出地球的年龄约为45亿年
三、非选择题(本题共4小题，共60分)
13．(10分)假设两个氘核在一直线上相碰发生聚变反应生成氦的同位素和中子，已知氘核的质量是m1，中子的质量是m2，氦核同位素的质量是m3，光在真空中速度为c。
(1)写出核聚变反应的方程式。
(2)求核聚变反应中释放出的能量ΔE。
14．(14分)静止的锂核(Li)俘获一个速度为7.7×106 m/s的中子，发生核反应后若只产生两个新粒子，其中一个粒子为氦核(He)，它的速度大小是8.0×106 m/s，方向与反应前的中子速度方向相同。
(1)写出此核反应的方程式；
(2)求反应后产生的另一个粒子的速度大小及方向。
　　　　　　　　　　　　　　　　
15．(16分)硼中子俘获疗法是肿瘤治疗的新技术。如图所示，硼核(B)进入癌细胞内吸收中子后转变成锂核(Li)和α粒子。已知质子的质量为mp，中子的质量为mn，硼核的平均结合能为E1，锂核的平均结合能为E2，氦核的平均结合能为E3，真空中光速为c。
(1)写出核反应方程并求核反应过程中的质量亏损Δm；
(2)求α粒子的核子平均质量mα。
16．(20分)如图所示，有界的匀强磁场磁感应强度为B＝0.05 T，磁场方向垂直于纸面向里，MN是磁场的左边界。在磁场中A处放一个放射源，内装Ra，Ra放出某种射线后衰变成Rn。
(1)写出上述衰变方程；
(2)若A处距磁场边界MN的距离OA＝1.0 m时，放在MN左侧边缘的粒子接收器收到垂直于边界MN方向射出的质量较小的粒子，此时接收器距过OA的直线1.0 m。已知Rn、He的质量分别为222 u、4 u，求一个静止 Ra核衰变过程中释放的核能有多少。(取1 u＝1.6×10－27 kg，e＝1.6×10－19 C，结果保留三位有效数字)
阶段质量检测(四)
1．选D　在原子核的符号X中，X为元素符号，A表示质量数，Z表示电荷数(即原子序数)，质量数(A)＝核子数＝质子数＋中子数，因此原子核符号C中，12表示核子数。
2．选D　原子核发生衰变时，一次衰变只能是α衰变或β衰变，而不能同时发生α衰变和β衰变，发生衰变后产生的新核往往处于高能级，向低能级跃迁时以γ射线的形式辐射能量，故一次衰变只可能同时产生α射线和γ射线或β射线和γ射线，A错误，D正确；原子核发生衰变后，核电荷数发生了变化，变成了新核，故化学性质发生了变化，B错误；原子核内的2个中子和2个质子能十分紧密地结合在一起，因此在一定条件下它们会作为一个整体从较大的原子核中被释放出来，于是放射性元素发生了α衰变，C错误。
3．选D　该聚变反应的过程中向外释放能量，因而有质量亏损，反应后氘核的质量一定小于反应前质子和中子的质量和，故A错误；尽管存在质量亏损Δm，但核反应中的“质量亏损”并不是质量消失，所以“物质不灭”的说法仍是正确的，故B错误；由于能量守恒，则释放的能量会以γ光子的形式向外释放，故C错误；根据爱因斯坦质能方程可知，核反应释放的能量为(m1＋m2－m3)c2，故D正确。
4．选A　根据电荷数和质量数守恒知，A项核反应方程为U＋n―→Ba＋Kr＋3n，故A符合题意；根据电荷数和质量数守恒知，B项核反应方程为U―→Th＋He，故B不符合题意；根据电荷数和质量数守恒知，C项核反应方程为N＋He―→O＋H，故C不符合题意；根据电荷数和质量数守恒知，D项核反应方程为C―→N＋e，故D不符合题意。
5．选C　根据核反应的质量数和电荷数守恒可知，该衰变方程为Al―→Mg＋e，即Y是正电子，A、B错误；因72万年是一个半衰期，可知再过72万年，现有的铝26衰变一半，再过144万年，即两个半衰期，现有的铝26衰变四分之三，C正确，D错误。
6．选A　根据质量数和电荷数守恒可知，X为C，Y为He，故A正确，B错误；中子n的质量数为1，故C错误；衰变过程中质量亏损，释放能量，故D错误。
7．选B　裂变过程存在质量亏损，根据爱因斯坦质能方程可知，一定释放能量，故A错误；U裂变成两个中等质量的原子核的裂变反应在有许多种，产物有可能是Xe和Sr，故B正确；U容易俘获慢中子而发生裂变释放核能，故C错误；U的纯度越高，其裂变的链式反应越容易进行，故D错误。
8．选C　原子核的半衰期由核内部自身因素决定，与原子所处的物理、化学状态和外部条件无关，A错误；铀(U)经过1次α衰变，电荷数少2，质量数少4，即电荷数变为90，质量数变为231，B错误；铀(U)在中子轰击下生成Sr和Xe的核反应方程为U＋n―→Xe＋Sr＋2n，该反应属于重核裂变，重核分裂成中等大小的核，中等大小的核较稳定，核子的平均结合能增大，C正确；此过程中释放能量，由爱因斯坦质能方程可知此过程中存在质量亏损，D错误。
9．选AD　带电粒子在磁场中运动，根据左手定则可知，a带正电为α粒子，b不带电为γ射线，c带负电为β粒子。γ射线(b)电离作用最弱，但穿透能力最强，故A正确；α粒子(a)电离作用最强，但穿透能力最弱，故B错误；原子核衰变和温度无关，所以放射性强度也和温度无关，故C错误；将磁场换为水平向左的匀强电场，α粒子向左偏，γ射线不偏转，β粒子向右偏，所以射线也大致沿图示方向偏转，故D符合题意。
10．选BC　由左手定则可知，微粒a、微粒b均带正电荷，电中性的微粒分裂的过程中，总的电荷量应保持不变，则微粒c应带负电荷，A错误，B、C正确；微粒在磁场中做匀速圆周运动时，洛伦兹力提供向心力，即qvB＝m，解得R＝，由于微粒a与微粒b的电荷量大小关系未知，则微粒a与微粒b的动量大小关系不确定，D错误。
11．选AC　该放射性元素经过6天后，只剩下八分之一没有衰变，可知经过了3个半衰期，则该放射性元素的半衰期为2天，故A正确，B错误；经过8天，即4个半衰期后，测得1立方米的水样每分钟衰变20次，可知8天前1立方米的水样每分钟衰变次数为n＝＝320次，则水库中水的体积V＝ m3＝2.5×105 m3，故C正确，D错误。
12．选CD　根据质量数与电荷数守恒可知，铀238发生α衰变的方程为U―→Th＋He，A错误；半衰期是一个统计规律，对大量原子核的衰变成立，对少数原子核的衰变不成立，因此20个铀核经过90亿年，不能确定有多少个铀核未发生衰变，B错误；设衰变方程为U―→Pb＋mHe＋ne，根据质量数和核电荷数守恒有238＝206＋4m,92＝82＋2m－n，解得m＝8，n＝6，即发生8次α衰变，6次β衰变，C正确；根据题图可知，铀的半衰期为45亿年，若测得某岩石中现含有的铀是岩石形成初期时的一半，可推算出地球的年龄约为45亿年，D正确。
13．解析：(1)根据质量数守恒和核电荷数守恒，核反应方程式为H＋H―→He＋n。
(2)核反应过程中的质量亏损为Δm＝2m1－(m2＋m3)
氘核聚变反应中释放的能量为ΔE＝Δmc2＝(2m1－m2－m3)c2。
答案：(1)H＋H―→He＋n　(2)(2m1－m2－m3)c2
14．解析：(1)核反应方程式为Li＋n―→He＋H。
(2)用m1、m2和m3分别表示中子(n)、氦核(He)和氚核(H)的质量，以反应前的中子速度方向为正方向，由动量守恒定律得
m1v1＝m2v2＋m3v3，
代入数值解得v3＝－8.1×106 m/s，
即反应后生成的氚核的速度大小为8.1×106 m/s，方向与反应前中子的速度方向相反。
答案：(1)Li＋n―→He＋H　(2)8.1×106 m/s　方向与反应前中子的速度方向相反
15．解析：(1)核反应方程为B＋n―→He＋Li
由爱因斯坦质能方程得ΔE＝Δmc2，且ΔE＝4E3＋7E2－10E1，
解得Δm＝。
(2)2个质子和2个中子结合为α粒子时放出的能量E＝4E3
损失质量Δm′＝，则α粒子的核子平均质量
mα＝－。
答案：(1)B＋n―→He＋Li　
(2)－
16．解析：(1)根据质量数和电荷数守恒，可得
Ra―→Rn＋He。
(2)衰变过程中释放的α粒子在磁场中做匀速圆周运动，
半径R＝1.0 m，由2evB＝
得α粒子的速度v＝
衰变过程中系统动量守恒，Rn、He质量分别为222 u、4 u，
则(222 u)×v′＝(4 u)×v
解得Rn的速度v′＝v
释放的核能E＝×(222 u)×v′2＋×(4 u)×v2＝
代入数据解得E≈2.04×10－14 J。
答案：(1)Ra―→Rn＋He　(2)2.04×10－14 J