高中物理鲁科版 过关检测选修3-5　原子核物理 Word版含解析

第2讲　原子核物理
A组　基础巩固
1.(2018海淀零模)关于天然放射性,下列说法正确的是(　　)
A.天然放射现象说明原子是可分的
B.放射性元素的半衰期与外界的温度有关,温度越高半衰期越短
C.放射性元素发生β衰变时所释放出的电子是原子核内的中子转化为质子时产生的
D.机场、车站进行安检时,能发现箱内危险物品,是利用了α射线较强的穿透能力
答案　C　天然放射现象说明原子核可分,A错;半衰期与外界温度无关,B错;机场、车站利用X射线穿透物品进行安检,D错误。
2.(2018东城一模)下列核反应方程中,属于核聚变的是(　　)
A.92238U→90234Th+24He B.90234Th→91234Pa+-10e
C.12H+13H→24He+01n D.92235U+01n→56144Ba+3689Kr+301n
答案　C　A项属于α衰变,B项属于β衰变,D项属于核裂变。
3.(2018西城一模)下列核反应方程中,属于β衰变的是　　(　　)
A.90234Th→91234Pa+-10e B.12H+13H→24He+01n
C.92238U→90234Th+24He D.714N+24He→817O+11H
答案　A　A是β衰变方程。B是轻核聚变方程。C是α衰变方程。D是人工转变发现质子的方程。
4.(2018西城二模)碳12的原子核是由6个质子和6个中子构成的,各质子之间存在着三种相互作用力:万有引力、库仑力和核力。这三种相互作用力的大小由弱到强的顺序是(　　)
A.万有引力、库仑力、核力
B.万有引力、核力、库仑力
C.库仑力、万有引力、核力
D.核力、万有引力、库仑力
答案　A　质子带正电荷,中子不带电,因此,原子核中的粒子之间必须有一个强大的引力才能将它们结合在一起,否则质子间的库仑力会使原子核裂开,这个强大的引力不可能是万有引力,因为质子间的库仑力比万有引力大许多。而能将原子核中的核子结合在一起的力是核力,核力比库仑力大。
5.(2018朝阳二模)关于α、β、γ三种射线,下列说法正确的是(　　)
A.三种射线都带电 B.三种射线都是电磁波
C.α射线的电离能力最强 D.β射线的穿透能力最强
答案　C　α射线是高速氦核流,β射线是高速电子流。γ射线是电磁波。α射线带正电,β射线带负电,γ射线不带电。α射线电离本领最强,γ射线穿透本领最强。因此C正确。
6.(2018门头沟一模)下列核反应方程中,属于聚变的是(　　)
A.714N+24He→817O+11H B.92238U→90234Th+24He
C.12H+12H→24He D.92235U+01n→56144Ba+3689Kr+301n
答案　C　聚变的特点是两个轻核聚合成一个较大的核,选C。
7.(2018海淀一模)一个氘核与一个氚核结合成一个氦核同时放出中子,释放17.6 MeV的能量。已知氘核、氚核、氦核和中子的质量分别为m1、m2、m3和m4。下列说法正确的是　　(　　)
A.该核反应方程是?12H+13H→24He+201n
B.该核反应中的核燃料是当前核电站采用的核燃料
C.m1+m2 >m3+m4
D.该核反应可以在常温下进行
答案　C　由质能方程可知,m1+m2>m3+m4,C正确;核反应中核子数不变,A错误;当前核电站采用的是重核裂变,B错误;该核反应要在超高温下进行,D错误。
8.放射性元素氡(86222Rn)经α衰变成为钋(84218Po),半衰期约为3.8天;但勘测表明,经过漫长的地质年代后,目前地壳中仍存在天然的含有放射性元素?86222Rn的矿石,其原因是(　　)
A.目前地壳中的?86222Rn主要来自于其他放射性元素的衰变
B.在地球形成的初期,地壳中元素?86222Rn的含量足够高
C.当衰变产物?84218Po积累到一定量以后,84218Po的增加会减慢?86222Rn的衰变进程
D.86222Rn主要存在于地球深处的矿石中,温度和压力改变了它的半衰期
答案　A　地壳中?86222Rn主要来自其他放射性元素的衰变,则A正确,B错误;放射性元素的半衰期与外界环境等因素无关,则C、D错误。
9.(2017海淀一模)核反应方程?92235U+01n→?56XBa+?3689Kr+301n表示中子轰击?92235U原子核可能发生的一种核反应,该核反应释放出的核能为ΔE。关于这个核反应,下列说法中正确的是(　　)
A.该反应属于核聚变 B.56XBa中的X为146
C.56XBa中含有56个中子 D.该反应的质量亏损为ΔEc2
答案　D　该反应属于核裂变,A错;由反应前后质量数守恒,可知X=144,则?56XBa中所含中子数为88个,B、C错;根据ΔE=Δmc2,可知Δm=ΔEc2,D正确。
10.一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、氦核的质量分别为m1、m2、m3、m4,普朗克常量为h,真空中的光速为c。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 ?12H+13H→24He+201n+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=h(m1+m2-m3-m4)c
答案　D　一个氘核和一个氚核经过核反应后生成一个氦核和一个中子,同时放出一个γ光子,这是核聚变反应,所以A、B选项错误。核反应的质量亏损Δm=m1+m2-m3-m4,辐射出的γ光子的能量E=(m1+m2-m3-m4)c2,所以C选项错误。γ光子在真空中的频率ν=Eh,波长λ=cν=chE=ch(m1+m2-m3-m4)c2=h(m1+m2-m3-m4)c,所以D选项正确。
11.下列表述正确的是(　　)
A.24He+714N→817O+X,X表示?23He
B.12H+13H→24He+01n是重核裂变的核反应方程
C.放射性元素的半衰期与原子所处的化学状态无关
D.β衰变中放出的β射线是核外电子挣脱原子核的束缚而形成的
答案　C　24He+714N→817O+11H,故A错误;12H+13H→24He+01n是轻核聚变的核反应方程,故B错误;放射性元素的半衰期是其固有性质,与其所处的化学状态、外部条件均无关,故C正确;β射线是β衰变时原子核内发生变化产生的,与核外电子无关,故D错误。
12.太阳的能量来自下面的反应:四个质子(氢核)聚变成一个α粒子,同时发射两个正电子和两个没有静止质量的中微子νe,若太阳辐射能量的总功率为P,质子?11H、氦核?24He、正电子?10e的质量分别为mp、mHe、me,真空中的光速为c,求:
(1)写出核反应方程式;
(2)核反应所释放的能量ΔE;
(3)在t时间内参与上述热核反应的质子数目。
答案　见解析
解析　(1)核反应方程式为411H→24He+210e+νe
(2)质量亏损Δm=(4mp-mHe-2me),根据爱因斯坦质能方程得ΔE=Δmc2,核反应释放的能量ΔE=(4mp-mHe-2me)c2
(3)设时间t内参与热核反应的质子数为N
依据能量关系Pt=NΔE4, 得N=4Pt(4mp-mHe-2me)c2
13.在微观领域,动量守恒定律和能量守恒定律依然适用。在轻核聚变的核反应中,两个氘核(12H)以相同的动能E0=0.35 MeV做对心碰撞,假设该反应中释放的核能全部转化为氦核(23He)和中子(01n)的动能。已知氘核的质量mD=2.014 1 u,中子的质量mn=1.008 7 u,氦核的质量mHe=3.016 0 u,其中1 u相当于931 MeV。在上述轻核聚变的核反应中生成的氦核和中子的动能各是多少MeV?(结果保留1位有效数字)
答案　1 MeV　3 MeV
解析　题述核聚变反应中释放的核能
ΔE=Δm×931 MeV=(2×2.014 1-1.008 7-3.016 0)×931 MeV=3.3 MeV
核反应中系统的能量守恒EkHe+Ekn=2E0+ΔE
核反应中系统的动量守恒pHe-pn=0
由Ek=p22m可知EkHeEkn=mnmHe
解得EkHe=mnmn+mHe2E0+ΔE = 1 MeV
Ekn=mHemn+mHe2E0+ΔE=3 MeV
B组　综合提能
1.(2017东城一模)宇宙线是来自宇宙空间的高能粒子流,由各种原子核以及非常少量的电子、光子和中微子等组成,它可能携带着宇宙起源、天体演化的信息,一直吸引着科学家的关注。
宇宙线粒子的能量范围非常大,有的可以高达5×1019 eV。宇宙线逃逸出宇宙线源在星际空间中传播时,会与磁场、星际介质等发生相互作用,导致一系列复杂的物理效应产生。
利用空间探测器可以得到宇宙线在银河系中传播的一些数据,比如:铍10铍9比(Be10Be9 ),其中铍9是宇宙线中原有的铍10在传播过程中衰变产生的。据此材料,以下叙述正确的是(　　)
A.宇宙线粒子的能量可以高达8×1038 J
B.宇宙线中的电子不会受到星际磁场的影响
C.根据Be 10Be 9可以得到宇宙线在银河系中平均传播时间的相关信息
D.根据宇宙线到达探测器时的方向可以得到宇宙线源方位的相关信息
答案　C　由5×1019 eV=5×1019×1.6×10-19 J=8 J知,A错误;宇宙线中的电子会与磁场、星际介质等发生相互作用,B错误;由于衰变的半衰期固定,故可以根据Be 10Be 9得到宇宙线在银河系中平均传播时间的相关信息,C正确;在运动中宇宙线会受到电、磁场力的作用而改变运动方向,故不能根据宇宙线到达探测器时的方向判断宇宙线源方位的相关信息,D错误。
2.(2017昌平二模)图为一放射源发出的α、β、γ射线进入同一匀强磁场(磁场未画出)中的径迹。表中列出了三种射线的本质和特性。由此可知(　　)
种类
构成
质量(u)
电荷量(e)
速度(c)
α射线
氦核
4
+2
0.1
β射线
电子
1/1840
-1
0.99
γ射线
光子
0
0
1
A.磁场方向垂直纸面向里,a为α射线,b为β射线
B.磁场方向垂直纸面向里,a为β射线,b为α射线
C.磁场方向垂直纸面向外,a为β射线,b为α射线
D.磁场方向垂直纸面向外,b为α射线,c为γ射线
答案　A　带电粒子垂直于磁场方向进入磁场,做匀速圆周运动,Bqv=mv2R,R=mvBq,RαRβ=mαvαqβmβvβqα=4×1 840×0.1×11×0.99×2>1,图中a的轨迹半径大,a为α射线,b为β射线,c不偏转,为γ射线。由左手定则可知磁场方向垂直纸面向里。
3.太阳现在正处于主序星演化阶段。它主要是由电子和 ?11H、24He等原子核组成。维持太阳辐射的是它内部的核聚变反应,核反应方程是:2-10e+411H→24He+释放核能,这些核能最后转化为辐射能。
(1)已知质子质量mp,氦核的质量mα,电子质量me,光速c。试求每发生一次上述核反应所释放的核能;
(2)用上述辐射中产生的波长为400 nm某一单色光去照射逸出功为3.0×10-19 J的金属材料铯时,能否产生光电效应?若能,试求出产生的光电子的最大初动能。(保留三位有效数字,普朗克常量h=6.63×10-34 J·s)
答案　(1)(4mp+2me-mα)c2　(2)见解析
解析　(1)根据爱因斯坦质能方程得
ΔE=Δmc2=(4mp+2me-mα)c2
(2)单色光的能量为E=hν=hcλ=6.63×10-34×3×1084×10-7 J=4.97×10-19 J>3.0×10-19 J
所以可以产生光电效应。
最大初动能为Ekm=hν-W0=1.97×10-19 J。
4.(2017石景山一模)中子的发现是物理史上的一件大事。1920年英国物理学家卢瑟福通过人工核转变发现了质子,在研究原子核的带电荷量与质量时发现原子核的质量大于核中所有质子的质量和,于是预言:可能有一种质量与质子相近的不带电的中性粒子存在,他把它叫做中子。
1930年科学家在真空条件下用α射线轰击铍核?49Be时,发现一种看不见、贯穿能力极强的不知名射线和另一种粒子产生。这种不知名射线具有如下特点:
①在任意方向的磁场中均不发生偏转;
②这种射线的速度远小于光速;
③用它轰击含有氢核的物质,可以把氢核打出来;用它轰击含有氮核的物质,可以把氮核打出来。实验中测得,被打出氢核的最大速度为3.3×107 m/s,氮核的最大速度为4.7×106 m/s,假定该射线中的粒子均具有相同的能量,氢核和氮核碰前可认为是静止的,碰撞过程中没有机械能的损失。
已知氢核质量MH与氮核质量MN之比为1∶14。根据以上信息,不考虑相对论效应,完成下列问题。
(1)请通过分析说明该射线是否带电,是否为γ射线;
(2)请判断该射线中的粒子是否为卢瑟福所预言的中子,并通过分析说明依据;
(3)写出用α射线轰击铍核?49Be发现该射线的核反应方程。
答案　见解析
解析　(1)若该射线带电,在磁场中受到洛伦兹力会发生偏转。由①知,该射线在任意方向的磁场中均不发生偏转,因此该射线不带电,由电中性的粒子流组成。
由②可知,这种射线的速度远小于光速,而γ射线是光子流,其速度就是光速, 因此该射线不是γ射线。
(2)下面分析该射线中的粒子的质量与质子的质量间的关系。设组成该射线的粒子质量为m,轰击含有氢核或氮核的物质时速度为v。由于碰撞过程中没有机械能损失,当被打出的氢核和氮核的速度为最大值时,表明其碰撞为弹性碰撞。
设与氢核发生弹性正碰后粒子速度为v1,氢核速度为vH;与氮核发生弹性正碰后粒子速度为v2,氮核速度为vN。根据动量守恒和机械能守恒有,
轰击氢核
mv=mv1+MHvH
12mv2=12mv12+12MHvH2
解得vH=2mvm+MH
轰击氮核
mv=mv2+MNvN
12mv2=12mv22+12MNvN2
解得vN=2mvm+MN
解得m=1.16MH≈MH
计算得该射线中的粒子的质量与质子(氢核)的质量近似相等,表明这种射线中的粒子就是卢瑟福所预言的中子。
(3)24He+49Be→612C+01n