上海市海滨高中2019-2020学年物理沪科版选修3-5：5.2裂变及其应用 课时练（含解析）

5.2裂变及其应用
1．下列说法正确的是（　　）
A．汤姆孙发现了电子，并在此基础上提出了原子的核式结构模型
B．根据玻尔的原子模型，单个氢原子从量子数n=4的激发态跃迁到基态时最多可辐射6种不同频率的光子
C．光照射某种金属时，只要光的强度足够大，照射时间足够长，总能够发生光电效应
D． 是裂变反应，且x=3
2．下列说法正确的是（ ）
A．铀核裂变时释放的能量等于它俘获中子时得到的能量
B．发生光电效应时，入射光越强，光子的能量就越大，光电子的最大初动能就越大
C．原子核内的中子转化成一个质子和电子，产生的电子发射到核外，就是粒子，这就是衰变的实质
D．用能量为11.0eV的光子照射时，可使处于基态的氢原子跃迁到激发态
3．原子质量单位为u，1u相当于931.5MeV的能量，真空中光速为c．当质量分别为m1 kg和m2 kg的原子核结合为质量为M kg的原子核时，释放出的能量是（　　）
A．（M﹣m1﹣m2）u?c2 J
B．（m1+m2﹣M）c2 J
C．（m1+m2﹣M）u×931.5 J
D．（m1+m2﹣M）×931.5 eV
4．关于下列四幅图中所涉及物理知识的论述中，正确的是
A．甲图中，若两球质量相等且球m2静止，两球发生正碰后，球m2的速度一定为v
B．乙图中，卢瑟福通过分析α粒子散射实验结果，发现了质子和中子
C．丙图中，普朗克通过研究黑体辐射提出能量子概念，并成功解释了光电效应现象
D．丁图中，链式反应属于重核的裂变
5．根据有关放射性方面的知识可知，下列说法正确的是(　 　)
A．随着气温的升高，氡的半衰期会变短
B．许多元素能自发地放出射线，使人们开始认识到原子是有复杂结构的
C．放射性元素发生β衰变时所释放的电子来源于核外电子
D．氢核、中子和氘核的质量分别为m1、m2、m3，当氢核与中子结合为氘核时，放出的能量为(m1＋m2－m3)c2
6．典型的铀核裂变是生成钡和氪，同时放出x个中子： U＋n→Ba＋Kr＋xn，铀235质量为m1，中子质量为m2，钡144质量为m3，氪89的质量为m4，下列说法正确(　　)
A．该核反应类型属于人工转变
B．该反应放出能量(m1－2m2－m3－m4)c2
C．x的值是2
D．该核反应比聚变反应对环境的污染少
7．一个氘核和一个氚核聚合成一个氦核的反应方程是H＋H→He＋n，此反应过程产生的质量亏损为Δm.已知阿伏伽德罗常数为NA，真空中的光速为c.若1 mol氘和1 mol氚完全发生核反应生成氦，则在这个核反应中释放的能量为(　　)
A． NAΔmc2 B．NAΔmc2 C．2NAΔmc2 D．5NAΔmc2
8．下列说法正确的是（　　）
A．氡的半衰期为3.8天，若取4个氡原子核，经7.6天后就一定剩下1个原子核了
B．原子核内的中子转化成一个质子和一个电子，这种转化 产生的电子发射到核外，就是β粒子，这就是β衰变的实质
C．光子的能量由光的频率所决定
D．只要有核反应发生，就一定会释放出核能
E. 按照玻尔理论，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，原子的总能量不变
9．目前核电站都是利用铀核裂变释放大量核能进行发电，其发生的核反应方程是 ，一座发电功率为P＝1.00×106 kW的核电站，核能转化为电能的效率η＝50%，每次核反应过程中放出的核能ΔE＝2.78×10－11 J，铀核的质量mU＝390×10－27 kg，则下列说法正确的是（ ）
A．X=3
B．每年核电站消耗的能量约为6.3×1016 J
C．每年消耗的数目约为2.27×1024个
D．每年消耗的质量约为885kg
10．下列说法中正确的是（　　）
A．铀核裂变的核反应是92235U→56141Ba+3692Kr+201n
B．卢瑟福通过实验发现了质子的核反应方程为24He+714N→817O+11H
C．质子、中子、α粒子的质量分别为m1、m2、m3，两个质子和两个中子结合成一个α粒子，释放的能量为（2m1+2m2﹣m3）c2
D．原子从a能级状态跃迁到b能级状态时发射波长为λ1的光子，原子从b能级状态跃迁到c能级状态时吸收波长为λ2的光子，已知λ1＞λ2，那么原子从a能级状态跃迁到c能级状态时要吸收波长为的光子
11．裂变反应是目前核能利用中常用的反应，以原子核为燃料的反应堆中，当俘获一个慢中子后发生的裂变反应可以有多种方式，其中一种可表示为：
＋―→＋＋3。
已知的原子质量为235.043 9u，的原子质量为1.008 7u，的原子质量为138.917 8u，的原子质量为93.915 4u，且1u的质量对应的能量为9.3×102MeV，此裂变反应释放出的能量是________MeV。
12．核电站利用原子核链式反应放出的巨大能量进行发电，是常用的核燃料，受一个中子轰击后裂变成和两部分，并产生 个中子。要使链式反应发生，裂变物质的体积要 （选填“大于”或“小于”）它的临界体积。
13．物理学家们普遍相信太阳发光是由于其内部不断发生从氢核到氦核的核聚变反应。根据这一理论，在太阳内部4个氢核（H）转化成1个氦核（He）和2个正电子（e）并放出能量。已知质子质量mp＝1.0073u，α粒子的质量mα＝4.0015u，电子的质量me＝0.0005u，1u的质量对应931.5 MeV的能量，
（1）写出该热核反应方程；
（2）一次这样的热核反应过程中释放出多少兆电子伏的能量（结果保留两位有效数字）
14．一个锂受到一个质子的轰击，变成两个α粒子。已知一个氦原子核的质量是6.6466×10-27kg,一个锂原子核的质量是1.16506×10-26kg,一个氢原子核的质量是1.6736×10-27kg,
（1）试写出这一过程的核反应方程；
（2）计算这一过程中的质量亏损；
（3）计算这一过程中所释放的核能。
15．中子的发现是守恒定律在核反应过程中的重要应用,1930年发现用钋放出的α射线轰击Be核时产生一种射线,其贯穿能力极强,能穿透几厘米厚的铝板,当时著名物理学家居里夫人也不知道这是一种什么射线．1932年,英国青年物理学家查德威克用这种射线分别轰击氢原子和氮原子,结果打出了一些氢核和氮核．若未知射线均与静止的氢核和氮核正碰,测出被打出的氢核最大速度为vH=3.5×107 m/s,被打出的氮核的最大速度 vN=4.7×106 m/s,假定正碰时无能量损失,设未知射线中粒子的质量为m,初速为v,被打出的核质量为m'．
(1)推导出被打出的核的速度v'的表达式;
(2)根据上述数据,推算出未知射线中粒子的质量m与质子质量之比．(氮核质量mN为氢核质量mH的14倍)
参考答案
1．D
【解析】汤姆孙发现了电子，卢瑟福提出了“原子的核式结构模型”，故A错误；一群氢原子从n=4的激发态跃迁到基态时跃迁是随机的，能辐射种不同频率的光子，故B错误；光电效应的条件是入射光的频率大于金属的极限频率，与入射光的强度，及照射时间均无关，故C错误；裂变方程是质量较重的核变成质量中等的核，根据质量数和电荷数守恒可得，是裂变反应，故D正确．
2．C
【解析】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，△E=△mc2，故A错误；发生光电效应时，入射光的频率越高，光子的能量越大，由：Ekm=hγ-W逸出功得，逸出的光电子的最大初动能就越大，而与入射光的强度无关，故B错误；β衰变时，原子核中的一个中子，转变为一个质子和一个电子，电子释放出来，故C正确；11.0eV的能量不等于基态与其它能级间的能级差，所以不能吸收而发生跃迁，故D错误；故选C．
3．B
【解析】核反应过程中，反应前后原子核的质量亏损为，由爱因斯坦质能方程得，B正确．
4．D
【解析】若两球质量相等且球m2静止，只有两球发生完全弹性碰撞的条件下，球m2的速度才为v，故A错误；卢瑟福通过分析α粒子散射实验结果，提出来原子的核式结构，故B错误；普朗克通过研究黑体辐射提出能量子概念，爱因斯坦提出来光子说，成功解释了光电效应现象，故C错误；该图为链式反应属于重核的裂变，故D正确。所以D正确，ABC错误。
5．D
【解析】:A、半衰期与环境因素无关;气温升高,氡的半衰期不变.故A错误;
B、能自发地放出射线,使人们通过天然放射现象,开始认识到原子核是有复杂结构的,故B错误;
C、 衰变时所释放的电子来源于原子核中子转变质子而放出的,故C错误;
D、当氢核与中子结合为氘核时,则质量亏损为 ;由质能方程可以知道,放出的能量为,所以D选项是正确的;
综上所述本题答案是：D
6．B
【解析】试题分析：根据电荷数守恒和质量数守恒求解x，根据爱因斯坦质能方程求解该反应放出的能量，放射性元素对环境的污染较大．
该核反应是核裂变，可以自发进行，不是人工控制的，故A错误；根据质量数守恒，有：235+1=144+89+x，解得x=3，根据爱因斯坦质能方程，该反应放出能量为，B正确C错误；该核反应生成两种放射性元素，核污染较大，D错误．
7．B
【解析】由爱因斯坦质能方程求出一个氘和一个氚完全发生核反应生成氦释放的能量，1mol氘和1mol氚含有阿伏伽德罗常数个氘和氚，所以1mol氘和1mol氚完全发生核反应生成氦，在这个核反应中释放的能量为，B正确．
8．BC
【解析】半衰期是大量原子衰变时所表现出的统计规律，对少量原子核没有意义，A错误；β衰变所释放的电子是由原子核内中子转化成质子后释放出的电子，B正确；根据光子能量计算公式E=hυ可知其能量由光子频率决定，C正确；只有存在质量亏损的核反应（核反应过程中比结核能下降）才会释放核能，D错误；按玻尔理论，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，E错误；故选BC.
9．ABD
【解析】根据核反应方程遵循质量数和电荷数守恒知，X=3，A正确；因核电站发电效率为50%，则核电站消耗的功率为P′＝2.00×106 kW，核电站每年消耗的能量为W＝P′t＝2.00×109×365×24h≈6.3×1016 J，B正确；产生这些能量消耗的铀核的数目：n＝＝≈2.27×1027(个)，C错误；每年消耗的质量为M＝nmU＝2.27×1027×390×10－27 kg＝885.3 kg，D正确；故选ABD.。
10．BCD
【解析】A、铀核裂变不能自发进行，必须俘获一个中子后才能进行，写核反应方程时两边的中子不能抵消，故A错误；
B、卢瑟福通过实验发现了质子的核反应方程为24He+714N→817O+11H，故B正确；
C、两个质子和两个中子结合成一个α粒子，根据爱因斯坦质能方程得，释放的能量△E=△mc2=(2m1+2m2?m3) c2，故C正确；
D、λ1>λ2，则从b能级跃迁到c能级吸收的光子能量大于从a能级跃迁到b能级的光子能量，则从a能级状态跃迁到c能级吸收的光子能量为，根据得，吸收的光子波长为λ= ，故D正确。
故选：BCD。
11．1.8×102
【解析】ΔE＝Δm·c2＝(235.043 9＋1.008 7－138.917 8－93.915 4－3×1.008 7)×9.3×102MeV＝1.8×102MeV。
【答案】3;大于
【解析】受一个中子轰击后裂变成和两部分，根据电荷数和质量数守恒有：，，解得，所以中子个数为3；链式反应的条件：裂变物质体积大于临界体积，链式反应才能进行。
13．（1）； （2）25
【解析】（1）411H→24He+210e
（2）△m=4mP-mα-2me=4×1.0073u-4.0015u-2×0.0005u=0.0267?u
△E=0.0267?u×931.5MeV/u≈25?MeV???．
点睛：写核反应方程要注意两边的质量数和电荷数守恒；知道△E=△mc2中△m是亏损质量，△E是释放的核能．注意有效数字的保留．
14．（1）→2；（2）3.1×10-29kg；（3）2.79×10-12 J；
【解析】（1）这一过程的核反应方程为： →2
（2）质量亏损：
=11.6506×10-27kg+1.6736×10-27kg2×6.6466×10-27 kg=3.1×10-29kg
（3）释放核能： =3.1×10-29×(3×108)2 J=2.79×10-12 J
15．(1) (2)
【解析】
【分析】
【详解】
(1)未知射线其实是中子流,中子与静止的核正碰过程中应遵守两个守恒定律,即系统动量守恒与机械能守恒．
则据动量守恒有
mv=mv″+m'v'(v″为中子的末速度)．
据机械能守恒有
联立两式解得：

(2)据上式可得
两式相除可得
解得