章末综合测评5　原子核（含解析）高中物理人教版（2019）选择性必修 第三册

章末综合测评(五)　原子核
一、选择题(本题共10小题，每小题4分。在每小题给出的四个选项中，第1～7题只有一项符合题目要求，第8～10题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)
1．(2023·广东卷)理论认为，大质量恒星塌缩成黑洞的过程，受核反应＋O的影响。下列说法正确的是(　　)
A．Y是β粒子，β射线穿透能力比γ射线强
B．Y是β粒子，β射线电离能力比γ射线强
C．Y是α粒子，α射线穿透能力比γ射线强
D．Y是α粒子，α射线电离能力比γ射线强
2．有一种衰变叫EC衰变，EC衰变发生于核内中子数相对过少的放射性原子核。该衰变的实质是核内的一个质子俘获一个核外电子，并发射出一个中微子，而转变为一个中子。经过一次EC衰变后原子核的(　　)
A．质量数不变，原子序数减少1
B．质量数增加1，原子序数不变
C．质量数不变，原子序数不变
D．质量数不变，原子序数增加1
3．锶82的半衰期是25天，如果有140 g锶 82，那么经过多少天只剩下17.5 g(　　)
A．25 　 B．45
C．65 　 D．75
4．某实验室工作人员用初速度v0＝0.09c(c为真空中的光速)的α粒子轰击静止的氮原子核，产生了质子。若某次碰撞可看成对心碰撞，碰后新核与质子同方向运动，垂直磁场方向射入磁场，通过分析偏转半径可得出新核与质子的速度大小之比为1∶20，已知质子质量为m。则(　　)
A．该核反应方程为＋O＋
B．质子的速度v≈0.2c
C．若用两个上述质子发生对心弹性碰撞，则每个质子的动量变化量是0.2mc
D．若用两个上述质子发生对心弹性碰撞，则每个质子的动量变化量方向与末动量方向相反
5．太阳中所发生的“氢聚变”实际上是借助碳、氮、氧的原子核的“催化作用”进行的，其具体反应过程为如图所示的六步循环，这个循环被称为“碳循环”，太阳能主要就是由这个“碳循环”产生的。请根据图，判断下列说法正确的是(　　)
A．X粒子是电子
B．Y粒子是中子
C．①处所发生的核反应方程为＋O
D．一个“碳循环”的总核反应方程为He＋e
6．如图所示，曲线a、b、c、d为气泡室中某放射物质发生衰变放出的部分粒子的径迹，气泡室中磁感应强度方向垂直纸面向里。以下判断可能正确的是(　　)
A．a、b为β粒子的径迹
B．a、b为γ粒子的径迹
C．c、d为α粒子的径迹
D．c、d为β粒子的径迹
7．(2023·浙江6月选考)“玉兔二号”装有核电池，不惧漫长寒冷的月夜。核电池将衰变释放的核能一部分转换成电能。的衰变方程为U＋，则(　　)
A．衰变方程中的X等于233
B．的穿透能力比γ射线强
C．比的比结合能小
D．月夜的寒冷导致的半衰期变大
8．静止在匀强磁场中的某放射性元素的核，放出的一个α粒子和反冲核轨道半径之比R∶r＝30∶1，如图所示，则(　　)
A．α粒子与反冲核的动量大小相等，方向相反
B．反冲核的原子序数为62
C．原来放射性元素的原子序数为62
D．反冲核与α粒子的速度之比为1∶62
9．静止在O点的原子核发生衰变的同时，空间中加入如图所示的匀强电场。之后衰变产物A、B两粒子的运动轨迹OM、ON如图中虚线所示，不计重力和两粒子间的相互作用，下列说法正确的是(　　)
A．A、B两粒子均带正电
B．原子核发生的是α衰变
C．A粒子为
D．衰变后瞬间A、B两粒子的速度大小之比为5∶2
10．太阳目前处于主序星阶段，氢燃烧殆尽后将发生“氦闪”，进入红巨星阶段。“氦闪”是太阳内部的氦变成碳的过程，核反应方程为C(称为3α反应)，不同原子核的比结合能图像如图所示的比结合能取的比结合能取7.69 MeV)。已知1 u相当于931.5 MeV的能量。下列说法正确的是(　　)
A．3α反应是聚变反应
B．在3α反应中，电荷数守恒但质量数不守恒
C．比的稳定性强
D．一次3α反应亏损的质量约为0.007 86 u
二、非选择题(共5小题，共60分)
11．(8分)一百多年前，卢瑟福用α粒子轰击氮核打出了质子。后来，人们用α粒子轰击核也打出了质子：＋Cu＋＋X，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”)。
12．(8分)如图所示，作为我国核电走向世界的“国家名片”，“华龙一号”是当前核电市场上接受度最高的三代核电机型之一，是我国核电创新发展的重大标志性成果。已知发电站的核能来源于的裂变，以下说法正确的是________。(填序号)
①U原子核中有92个质子，143个中子
②U的一种可能裂变是变成两个中等质量的原子核，核反应方程为＋Sr＋＋n
③U是天然放射性元素，常温下它的半衰期约为45亿年，温度升高，半衰期缩短
④若一个裂变能放出200 MeV的能量，则相当于放出了3.2×10-11 J的能量
13．(12分)原子弹和核反应堆都利用了原子核裂变产生的能量，前者可以给人类带来灾难，后者却能用来发电为人类造福。用一个中子轰击，可发生裂变反应生成和，并释放出几个中子，已知每个中子的质量m1＝的质量m2＝的质量m3＝的质量m4＝91.897 u，质量亏损1 u相当于释放931 MeV 的能量，光速c＝3×108 m/s。
(1)请写出上述裂变中的核反应方程。
(2)求一个在裂变反应中释放的核能的表达式(用m1、m2、m3、m4、c表示)。
(3)若某原子弹装料为60 kg的，其中大约有1.2%发生裂变，真实的裂变情况有很多种，假设发生的都是上述裂变反应，已知阿伏加德罗常数NA＝6×1023 mol-1，则这颗原子弹释放的能量约为多少MeV (结果保留两位有效数字)
14．(16分)一个静止的氮核俘获了一个速度为2.3×107 m/s的中子后生成一个X，X又衰变成Y、Z两个新核，设Y、Z的速度方向与中子速度方向相同，Y的质量是中子质量的11倍，速度是1×106 m/s，Y、Z在同一匀强磁场中做圆周运动的半径之比RY∶RZ＝11∶30。
(1)求Z核的速度大小。
(2)根据计算判断Z核是什么，并写出其核反应方程。
15．(16分)我国可控核聚变技术已经走在了世界前列，“东方超环”是全超导托卡马克核聚变实验装置，又被称为“人造太阳”，如图所示。其原理是让海水中大量存在的氘核和氚核在高温高密度条件下，像太阳内部的热核反应一样发生核聚变，为人类提供源源不断的能源。氘核和氚核结合成氦核时，要放出某种质量m＝1.008 7 u的粒子，同时释放出能量。已知氘核质量m氘＝2.014 1 u ，氚核质量m氚＝3.016 0 u，氦核质量m氦＝4.002 6 u，1 u相当于931.5 MeV＝1.49×10-10 J，阿伏加德罗常数NA＝6.0×1023 mol-1，氘核的摩尔质量M氘＝2 g·mol-1。
(1)写出该核聚变反应的核反应方程，并计算一次核聚变反应释放的核能(结果保留两位有效数字)。
(2)未来要建设一座应用此反应的热核发电站，若该发电站的功率P＝50万千瓦，计算理论上该发电站一年(3.15×107 s)大约需要多少千克的氘。
章末综合测评(五)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
D A D B C D C AC ABC AD
1．D　[核反应前后质量数守恒、电荷数守恒，由此可得Y的电荷数为8－6＝2，质量数为16－12＝4，即Y是α粒子，而α射线的电离能力比γ射线强，穿透能力比γ射线弱，故选项D正确。]
2．A　[设衰变前原子核的质子数为a，中子数为b，发生衰变后质子数为a－1，中子数为b＋1，质量数仍为a＋b，所以衰变前原子核的质量数等于衰变后原子核的质量数；衰变前原子核的质子数为a，衰变后原子核的质子数为a－1，所以衰变前原子核的电荷数比衰变后原子核的电荷数多1，即衰变前的原子序数多1，选项A正确。]
3．D　[根据半衰期公式m＝m0()，代入数据解得t＝75天，故选D。]
4．B　[根据电荷数守恒、质量数守恒得＋O＋，A错误；设α粒子、新核的质量分别为4m、17m，质子的速度为v，对心碰撞，由动量守恒定律得4mv0＝17m·＋mv，解得v≈0.2c，B正确；质量相等且是弹性碰撞，则交换速度，对某一质子，选其末动量方向为正方向，则p末＝mv，p初＝－mv，Δp＝p末－p初，故Δp＝0.4mc，方向与末动量方向一致，C、D错误。]
5．C　[由质量数守恒、电荷数守恒，可知两个包含了X的核反应方程为N＋、C＋，包含了Y的核反应方程为＋C＋，故可知X为，Y为，A、B错误；①处所发生的核反应方程为＋O，C正确；经过一个“碳循环”，碳、氮、氧的原子核都复原，有4个被吸纳，释放出了1个和2个，故全过程的总核反应方程为He＋e，D错误。]
6．D　[γ粒子是不带电的光子，在磁场中不偏转，故选项B错误；α粒子为氦核，带正电，由左手定则知受到向上的洛伦兹力向上偏转，故选项C错误；β粒子是带负电的电子，由左手定则知应向下偏转，故选项A错误，D正确。]
7．C　[由于核反应遵循质量数守恒、电荷数守恒，则X应为234，A错误；α射线的穿透能力比γ射线的穿透能力弱，B错误；比结合能越大，原子核越稳定，则的比结合能比的比结合能大，C正确；放射性元素的半衰期与外部条件无关，所以月夜寒冷的天气中的半衰期不会发生变化，D错误。]
8．AC　[由动量守恒定律得Mv′＋mv＝0，其中Mv′为反冲核的动量，mv为α粒子的动量，原来放射性元素的核的电荷数用Q表示，则反冲核的电荷数为Q－2，α粒子电荷数为2。反冲核的轨道半径r＝，α粒子的轨道半径R＝，又因R∶r＝30∶1，联立可得Q＝62。由题给条件无法得出反冲核与α粒子的速度之比，故A、C正确，B、D错误。]
9．ABC　[由题图所示的A、B两粒子的运动轨迹可知，两粒子所受电场力方向均与电场方向相同，即A、B两粒子均带正电原子核发生的是α衰变，选项A、B正确；核反应过程质量数与电荷数守恒，该核反应方程为Be＋，衰变过程中系统动量守恒，以向左为正方向，由动量守恒定律得mAvA－mBvB＝0，即mAvA＝mBvB，粒子在电场中做类平抛运动，水平方向位移x＝vt，竖直方向位移y＝，解得y＝＝，则当两粒子竖直方向的位移相等时粒子的水平位移较小，结合题图可知A粒子为，衰变后瞬间A、B两粒子的速度大小之比为vA∶vB＝mB∶mA＝2∶5，选项C正确，D错误。]
10．AD　[3α反应是聚变反应，选项A正确；在3α反应中，电荷数和质量数均守恒，选项B错误；由比结合能图像可知比的比结合能更大，稳定性更强，选项C错误；一次3α反应亏损的质量约为Δm＝u≈0.007 86 u，选项D正确。]
11．解析：根据核反应方程遵循质量数守恒和电荷数守恒，可得X的质量数为1，电荷数为零，所以X是中子。目前人类获得核能的主要方式是核裂变。
答案：中子　核裂变
12．解析：原子核中有92个质子，143个中子，故①正确；＋Sr＋＋n是铀核裂变的反应之一，故②正确；半衰期不受外界因素影响，故③错误；一个裂变能放出200 MeV的能量，200 MeV＝200×106×1.6×10-19 J＝3.2×10-11 J，故④正确。
答案：①②④
13．解析：(1)由质量数和电荷数守恒可得该核反应方程为＋Ba＋＋n。
(2)反应前后质量亏损为
Δm＝m1＋m2－m3－m4－3m1＝m2－m3－m4－2m1
根据爱因斯坦质能方程得
ΔE＝(m2－m3－m4－2m1)c2。
(3)一个在裂变反应中的质量亏损为
Δm＝(235.043＋1.008－140.913－91.897－3×1.008)u＝0.217 u
由题意可以求出释放能量为
ΔE＝0.217×931 MeV≈202 MeV
这颗原子弹中发生裂变的铀235的质量约为
m＝60 kg×1.2%＝0.72 kg＝720 g
铀235的摩尔质量M约为235 g/mol，所以
E总＝NAΔE
代入数据得E总≈3.7×1026 MeV。
答案：U＋Ba＋＋n
(2)ΔE＝(m2－m3－m4－2m1)c2
(3)3.7×1026 MeV
14．解析：(1)氮核从俘获中子到衰变成Y、Z两个新核的过程中动量守恒，则有
mnvn＝mYvY＋mZvZ
根据衰变规律，可知Z核的质量数为14＋1－11＝4
由此解得vZ＝3×106 m/s。
(2)由带电粒子在洛伦兹力作用下做圆周运动的相关知识知，粒子运动半径R＝，可得＝＝＝，又因氮核俘获中子后衰变为Y、Z两个新核的过程中电荷数守恒，可得qZ＝2，qY＝5，而Z核的质量数为4，mY＝11mn，则Z核是氦原子核，Y核为硼核。核反应方程是＋B＋。
答案：(1)3×106 m/s　(2)Z核是氦原子核，其核反应方程是＋B＋
15．解析：(1)根据质量数守恒、电荷数守恒可得该核反应方程为＋He＋
反应中的质量亏损为Δm＝m氘＋m氚－(m氦＋m)
解得Δm＝0.018 8 u
根据爱因斯坦质能方程ΔE＝Δmc2得一次核聚变反应释放的核能ΔE＝0.018 8×931.5 MeV＝0.018 8×1.49×10-10 J≈2.8×10-12 J。
(2)该发电站一年产生的电能E＝Pt＝5×108 W×3.15×107 s＝1.575×1016 J
则理论上该发电站一年需要的氘的质量m＝
代入数据解得m＝18.75 kg。
答案：H＋He＋　2.8×10-12 J　(2)18.75 kg
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