鲁科版（2019）高中物理 选择性必修第三册 章末综合测评5　原子核与核能word版含答案

章末综合测评(五)　原子核与核能
(时间：90分钟　分值：100分)
1．(4分)在人类认识原子与原子核结构的过程中，符合物理学史的是(　　)
A．查德威克通过研究阴极射线发现了电子
B．汤姆孙首先提出了原子的核式结构学说
C．居里夫人首先发现了天然放射现象
D．卢瑟福通过原子核的人工核转变发现了质子
D　[汤姆孙研究阴极射线发现了电子，A错；卢瑟福首先提出了原子的核式结构学说，B错；贝克勒尔首先发现了天然放射现象，C错．]
2．(4分)我国自主研发制造的国际热核聚变核心部件在国际上率先通过权威机构认证，这是我国对国际热核聚变项目的重大贡献．下列核反应方程中属于聚变反应的是(　　)
A．H＋H→He＋n
B．N＋He→O＋H
C．He＋Al→P＋n
D．U＋n→Ba＋Kr＋3n
A　[A项是氢元素的两种同位素氘和氚聚变成氦元素的核反应方程，B项是用α粒子轰击氮原子核发现质子的核反应方程，C项属于原子核的人工转变，D项属于重核的裂变，因此只有A项符合要求．]
3．(4分)图示是用来监测在核电站工作的人员受到辐射情况的胸章，通过照相底片被射线感光的区域，可以判断工作人员受到何种辐射．当胸章上1 mm铝片和3 mm铝片下的照相底片被感光，而5mm铅片下的照相底片未被感光时，则工作人员可能受到了辐射的射线是(　　)
A．α和β B．α和γ
C．β和γ D．α、β和γ
A　[α射线贯穿能力很差，在空气中只能前进几厘米，用一张纸就能把它挡住．β射线贯穿本领较强，很容易穿透黑纸，也能穿透几厘米厚的铝板．γ贯穿本领更强，甚至能穿透几厘米厚的铅板．由于本题目中射线能穿透1 mm和3 mm的铝板，但不能穿透铅板，故一定不含γ射线，但一定含有β射线，可能含有α射线，A正确．]
4．(4分)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H＋H→He＋2n＋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＝
D　[该核反应方程为：H＋H→He＋n＋γ，该反应为聚变反应，故A、B错误；根据爱因斯坦质能方程知，辐射的光子能量E＝Δmc2＝(m1＋m2－m3－m4)c2，故C错误；光子能量为：E＝hγ＝h，
则有：λ＝，故D正确．]
5．(4分)下列关于原子核的说法正确的是(　　)
A．原子核衰变可同时放出α、β、γ射线
B．核反应中电荷量和质量都守恒
C．利用某些放射性元素的半衰期可以推断古代文物的年代
D．在核电站中可以利用石墨来控制链式反应速度(石墨是减速剂，隔棒才是控制棒)
C　[原子核衰变不能同时放出α、β、γ射线，γ射线伴随α衰变或β衰变放出．故A错误；在核反应过程中，电荷数守恒、质量数守恒．不是质量和电荷量守恒，因为反应过程中可能有质量亏损．故B错误；半衰期为原子核有半数发生衰变所需的时间，利用某些放射性元素的半衰期可以推断古代文物的年代．故C正确；在核电站中可以利用镉棒来控制链式反应速度，镉棒可以吸收中子，减缓反应的速度，石墨是减速剂，让中子减速，保证中子能够与铀核相撞．故D错误．]
6．(4分)U经过m次α衰变和n次β衰变，变成Pb，则(　　)
A．m＝7，n＝3 B．m＝7，n＝4
C．m＝14，n＝9 D．m＝14，n＝18
B　[衰变方程为：U→Pb＋mHe＋ne，由质量数、电荷数守恒得：m＝7，n＝4，因而B项正确．]
7．(4分)核能作为一种新能源在现代社会中已不可缺少，我国在完善核电安全基础上将加强核电站建设．核泄漏中的钚(Pu)是一种具有放射性的超铀元素，它可破坏细胞基因，提高罹患癌症的风险．已知钚的一种同位素Pu的半衰期为24 100年，其衰变方程为Pu→X＋He＋γ，下列有关说法正确的是(　　)
A．X原子核中含有92个中子
B．100个Pu经过24 100年后一定还剩余50个
C．由于衰变时释放巨大能量，根据E＝mc2，衰变过程总质量增加
D．衰变发出的γ射线是波长很短的光子，具有很强的穿透能力
D　[由核反应过程中电荷数和质量数守恒可得，X的电荷数为92，质量数为235，中子数为235－92＝143，A错误；半衰期为大量原子核衰变的统计规律，对少量的原子核不适用，B错误；衰变时释放巨大核能，总质量减少，C错误；衰变发出的γ射线是波长很短的光子，具有很强的穿透能力，D正确．]
8．(12分)用初动能为E1＝0.6 MeV的质子轰击静止锂核(Li)生成2个α粒子．已知质子质量mp＝1.007 8 u，α粒子的质量mα＝4.002 6 u，锂核质量mLi＝7.016 0 u．试回答下列问题(1 u相当于931.5 MeV)
(1)写出核反应方程式；
(2)核反应中释放出的能量ΔE；
(3)核反应释放的能量全部用来增加了两个α粒子的动能，则核反应后两个α粒子具有总动能是多少？
[解析]　(1)根据质量数与电荷数守恒，由题意可知反应方程式是：
Li＋H→2He．
(2)核反应前后发生的静止质量亏损为：
Δm＝mLi＋mp－2mα＝7.0160 u＋1.0078 u－2×4.0026 u＝0.018 6 u；
由质能方程得，核反应释放的能量为：
ΔE＝Δmc2＝0.018 6 u×931.5 MeV≈17.3 MeV
(3)根据能量守恒可得，两个α粒子具有总动能为：
E1＋ΔE＝0.6 MeV＋17.3 MeV＝17.9 MeV．
[答案]　(1)Li＋H→2He　(2)17.3 MeV　(3)17.9 MeV
9．(12分)卢瑟福用α粒子轰击氮核时发现了质子．发现质子的核反应方程为N＋He→ O＋H．已知氮核质量为mN＝14.007 53 u，氧核质量为mO＝17.004 54 u，氦核质量为mHe＝4.003 87 u，质子(氢核)质量为mp＝1.008 15 u．(已知：1 u相当于931 MeV的能量，结果保留2位有效数字)求：
(1)这一核反应是吸收能量还是放出能量的反应？相应的能量变化为多少？
(2)若入射氦核以v0＝3×107 m/s的速度沿两核中心连线方向轰击静止氮核．反应生成的氧核和质子同方向运动，且速度大小之比为1∶50．求氧核的速度大小．
[解析]　(1)由Δm＝mN＋mHe－mO－mp，
得：Δm＝－0.001 29 u，
所以这一核反应是吸收能量的反应
吸收能量为ΔE＝|Δm|c2＝0.001 29 uc2＝1.2 MeV．
(2)由动量守恒定律可得：
mHev0＝mOv氧＋mpvp，
又v氧∶vp＝1∶50，
可解得：v氧＝1.8×106 m/s．
[答案]　(1)吸收能量　1.2 MeV　(2)1.8×106 m/s
10．(4分)(多选)有关放射性同位素P的下列说法，正确的是(　　)
A．P与X互为同位素
B．P与其同位素有相同的化学性质
C．用P制成化合物后它的半衰期变长
D．含有P的磷肥释放正电子，可用作示踪原子，观察磷肥对植物的影响
BD　[同位素应具有相同的质子数，故A错；同位素具有相同的化学性质与半衰期，故B对，C错；放射性同位素可作为示踪原子，故D对．]
11．(4分)(多选)关于原子核的有关知识，下列说法正确的是(　　)
A．天然放射性射线中的β射线实际就是电子流，它来自原子的核内
B．放射性原子经过α、β衰变致使新的原子核处于较高能级，因此不稳定，从而产生γ射线
C．氡222经过衰变为钋218的半衰期为3.8天，一个氡222原子核四天后一定衰变为钋218
D．比结合能越大，原子越容易发生衰变
AB　[因为半衰期是统计规律，对单个核子没有意义，所以C项错；比结合能描述原子核的稳定性，比结合能越大，原子越稳定，越不易发生衰变，所以D项错．]
12．(4分)(多选)重元素的放射性衰变共有四个系列，分别是U238系列(从U开始到稳定的Pb为止)、Th232系列、U235系列及Np237系列(从Np开始到稳定的Bi为止)，其中，前三个系列都已在自然界找到，而第四个系列在自然界一直没有被发现，只是在人工制造出Np后才发现的，下面的说法正确的是(　　)
A．Np237系列中所有放射性元素的质量数都等于4n＋1(n等于正整数)
B．从Np到Bi，共发生7次α衰变和4次β衰变
C．可能Np237系列中的所有放射性元素的半衰期对于地球年龄都比较短
D．天然的Np237系列中的放射性元素在地球上从来就没有出现过
ABC　[从Np开始到Bi，质量数减少28，所以发生7次α衰变，电荷数减少10，所以还发生4次β衰变，并且所有放射性元素的质量数都等于4n＋1(n等于正整数)．对于C、D选项我们要注意关键词“可能”与“从来”就很容易判断了．]
13．(4分)(多选)关于核反应方程Th→Pa＋X＋ΔE(ΔE为释放出的核能，X为新生成粒子)，已知Th的半衰期为T，则下列说法正确的是(　　)
A．Pa没有放射性
B．Pa比Th少1个中子，X粒子是从原子核中射出的，此核反应为β衰变
C．N0个Th经2T时间因发生上述核反应而放出的核能为N0ΔE(N0数值很大)
D．Th的比结合能为
BC　[原子序数大于或等于83的元素都有放射性，A错误；X粒子是电子，它是由一个中子衰变成一个质子而放出电子，所以此核反应为β衰变，B正确；有半数原子核发生衰变的时间为半衰期，N0个Th经2T时间发生两次衰变，剩余原子核，C正确；ΔE不是Th原子核分解成自由核子的结合能，则D错误．]
14．(4分)(多选)已知氘核的比结合能是1.09 MeV，氚核的比结合能是2.78 MeV，氦核的比结合能是7.03 MeV．在某次核反应中，1个氘核和1个氚核结合生成1个氦核并放出17.6 MeV的能量，下列说法正确的是(　　)
A．这是一个裂变反应
B．核反应方程式为H＋H→He＋n
C．目前核电站都采用上述核反应发电
D．该核反应会有质量亏损
BD　[本题易错之处是不知道重核裂变与轻核聚变的原理．1个氘核和1个氚核结合生成1个氦核，这是聚变反应，根据质量数与电荷数守恒知同时有一个中子生成，反应方程为H＋H→He＋n，选项B正确，A错误；目前核电站都采用核裂变发电，选项C错误；该反应放出热量，所以一定有质量亏损，选项D正确．]
15．(14分)假设某航空母舰的动力来自核反应堆，其中主要的核反应方程式是U＋n→Ba＋Kr＋(　　)n．
(1)在括号内填写n前的系数；
(2)用m1、m2、m3分别表示U、Ba、Kr核的质量，m表示中子的质量，则上述反应过程中一个铀235核发生裂变产生的核能ΔE是多少？
(3)假设核反应堆的功率P＝6.0×105 kW，若一个铀235核裂变产生的能量为2.8×10－11 J，则该航空母舰在海上航行一个月需要消耗多少kg铀235？(铀235的摩尔质量M＝0.235 kg/mol，一个月约为t＝2.6×106 s，阿伏伽德罗常数NA＝6.0×1023 mol－1，计算结果保留两位有效数字)
[解析]　(1)由电荷数守恒和质量数守恒可知n前的系数为3．
(2)ΔE＝Δmc2＝(m1－m2－m3－2m)c2．
(3)一个月内核反应产生的总能量为E＝Pt，
同时E＝NAΔE，
解得m＝≈22 kg．
[答案]　(1)3　(2)(m1－m2－m3－2m)c2　(3)22 kg
16．(14分)如图甲所示，静止在匀强磁场中的Li核俘获一个速度为v0＝7.7×104 m/s的中子而发生核反应，即Li＋n→H＋He，若已知He的速度v2＝2.0×104 m/s，其方向与反应前中子速度方向相同，试求：
甲　　　　　　　　　　乙
(1)H的速度大小和方向；
(2)在图乙中，已画出并标明两粒子的运动轨迹，请计算出轨道半径之比；
(3)当He旋转三周时，粒子H旋转几周？
[解析]　(1)反应前后动量守恒：m0v0＝m1v1＋m2v2(v1为氚核速度，m0、m1、m2分别代表中子、氚核、氦核质量) ，
代入数值可解得：v1＝－1.0×103 m/s，方向与v0相反．
(2)H和He在磁场中均受洛伦兹力，做匀速圆周运动的半径之比r1∶r2＝∶＝3∶40．
(3)H和He做匀速圆周运动的周期之比
T1∶T2＝∶＝3∶2，
所以它们的旋转周数之比：n1∶n2＝T2∶T1＝2∶3，
即He旋转三周，H旋转两周．
[答案]　(1)大小为1.0×103 m/s，方向与v0相反 (2)3∶40　(3)两周
7/8