第三章 原子核 单元测试卷 Word版含解析

单元素养评价（三)
(第三章)
(90分钟　100分)
一、选择题(本大题共12小题,1～8为单选,9～12为多选,每小题4分,共48分)
1.关于天然放射现象,下列说法中正确的是 (　　)
A.β衰变说明原子核里有电子
B.某原子核经过一次α衰变和两次β衰变后,核内中子数减少4
C.放射性物质的温度升高,其半衰期将缩短
D.γ射线的电离作用很强,可用来消除有害静电
【解析】选B。β衰变是原子核里一个中子转变为一个质子时放出一个电子。原子核里没有电子,A错;经过一次α衰变和两次β衰变,电荷数(质子数)不变,质量数减少4,即中子数减少4,B正确;半衰期只与原子核本身有关,与物理、化学状态无关,C错;α粒子电离作用很强,可用来消除有害静电,D错。
2.在核反应方程UnSrXe+kX中 (　　)
A.X是中子,k=9　　　　　 B.X是中子,k=10
C.X是质子,k=9 D.X是质子,k=10
【解析】选B。设X的质量数为A,电荷数为Z,根据核反应前后质量数守恒和核电荷数守恒可得235+1=90+136+kA,92=38+54+kZ,解得Z=0,所以X为中子,则A=1,k=10。故选项B正确。
3.太阳内部持续不断地发生着4个质子H)聚变为1个氦核He)的热核反应,核反应方程是HHe+2X,这个核反应释放出大量核能,已知质子、氦核、X的质量分别为m1、m2、m3,真空中的光速为c。下列说法中正确的是 (　　)
A.方程中的X表示中子n)
B.方程中的X表示电子e)
C.这个核反应中质量亏损Δm=4m1-m2
D.这个核反应中释放的核能ΔE=(4m1-m2-2m3)c2
【解析】选D。由质量数守恒和核电荷数守恒知:X为e,A、B均错;该反应中质量亏损Δm=4m1-m2-2m3,C错;ΔE=Δmc2=(4m1-m2-2m3)c2,D对。
4.一个原来静止的U原子核,辐射出α粒子,它的两个产物在垂直于它们速度方向的匀强磁场中运动,它们的轨迹和运动方向(图中用箭头表示)可能是图中哪一个(图中半径大小没有按比例画) (　　)
【解析】选D。由于发生的是α衰变,产物是两个带正电的粒子,根据动量守恒Mv1+mvα=0知这两个新核的运动方向相反,受到的洛伦兹力方向相反,即轨迹应该是外切圆,再利用左手定则,判断洛伦兹力方向,可知选项D是正确的。
5.放射性同位素在实际生产和生活中有广泛的应用,往往同位素在核衰变时会放出核能,如Pu核衰变会放出核能,其核反应方程为PuU+X+ΔE,已知光在真空中的速度为c。则下列判断正确的是 (　　)
A.X是He,一个Pu核衰变时质量亏损为
B.X是He,一个Pu核衰变时质量亏损为
C.X是He,一个Pu核衰变时质量亏损为
D.X是H,一个Pu核衰变时质量亏损为
【解析】选B。根据核反应方程中质量数和电荷数守恒有X的质量数:m=238-234=4,核电荷数:z=94-92=2,所以X为氦核He,根据质能方程ΔE=Δmc2可知,该反应过程中质量亏损为Δm=,故B正确,A、C、D错误。
【加固训练】
　　下列说法中正确的是 (　　)
A.Ra衰变为Rn要经过1次α衰变和1次β衰变
BPa衰变为Th要经过1次α衰变和1次β衰变
CU衰变为Rn要经过4次α衰变和2次β衰变
DU衰变为Rn要经过4次α衰变和4次β衰变
【解析】选C。由Ra变为Rn,质量数减少4,电荷数减少2,故发生一次α衰变,A错误Pa变为Th,质量数没有变化,电荷数减少1,应放出一个正电子,B错误U变为Rn,质量数减少16,发生4次α衰变,4次α衰变减少电荷数为8,实际减少6,故发生2次β衰变,故C正确,D错误。
6.科学家使用核反应获取氚,再利用氘和氚核反应获得能量,核反应方程分别为: X+YHeH+4.9 MeV和HHHe+X+17.6 MeV,下列表述正确的有(　　)
A.X是质子
B.Y的质子数是3,中子数是3
C.两个核反应都没有质量亏损
D.氘和氚的核反应是原子核的人工转变
【解析】选BHHHe+X+17.6 MeV,根据电荷数守恒、质量数守恒知,X的电荷数为0,质量数为1,X为中子,故A错误;X+YHeH+4.9 MeV,根据电荷数守恒,质量数守恒知,Y的电荷数为3,质量数为6,可知Y的质子数为3,中子数为3,故B正确;两个核反应都释放能量,可知两个核反应都有质量亏损,故C错误;氘和氚的核反应是核聚变反应,故D错误。故选B。
7.我们所说的太阳中所发生的“氢聚变”的实际过程并不是氢原子核直接聚变为氦原子核,而是借助碳、氮、氧的原子核进行的,其具体反应过程为如图所示的六步循环,请根据六步循环图,判断下列说法正确的是(　　)
A.X粒子是电子
B.Y粒子是正电子
C.六步循环的总核反应方程为HHe+e
D.①处所发生的核反应方程为NHO
【解析】选DO反应生成N的方程为ON+e,故X为e,A错
误N反应生成C的方程为NHCHe,故Y粒子为He ,B错误; 六步循环的总核反应方程为HHe+e,故C错误;①处N反应生成O的方程为NHO,D正确。
8.2019年4月23日,海军建军70周年阅兵式上,中国海军新型攻击核潜艇093改进型攻击核潜艇公开亮相。核潜艇是以核反应堆为动力源。关于核反应,下列说法正确的是 (　　)
A.在核反应中,质量守恒、电荷数守恒
B.核反应方程UThHe属于α衰变
C.核反应方程NHeOH属于核聚变,是核潜艇的动力原理
D.核反应方程CNe属于β衰变,而β射线来自原子外层的电子
【解析】选B。在核反应中,尽管电荷数守恒,质量数守恒,但质量不守恒,故A错误;核反应方程UThHe属于α衰变,故B正确;核反应方程N
HeOH不属于核聚变,是卢瑟福发现质子的核反应方程,不是核潜艇的动力原理,故C错误;核反应方程CNe属于β衰变,而β射线来自原子核内的中子转化的一个质子和电子,故D错误。
9.(2020·洛阳高二检测)“东方超环”是我国自主设计建造的世界上第一个非圆截面全超导托卡马克核聚变实验装置。2018年11月,有“人造太阳”之称的东方超环实现1亿摄氏度等离子体运行等多项重大突破,获得的实验参数接近未来聚变堆稳态运行模式所需要的物理条件,朝着未来聚变堆实验运行迈出了关键一步,已知“人造太阳”核聚变的反应方程为HHHeX+17.6 MeV,关于此核聚变,以下说法正确的是 (　　)
A.要使轻核发生聚变,就要利用粒子加速器,使轻核拥有很大的动能
B.Z=0,M=1
C.1 mol氘核和1 mol氚核发生核聚变,可以放出17.6 MeV的能量
D.聚变比裂变更安全、清洁
【解析】选B、D。“人造太阳”是以超导磁场约束,通过波加热,让等离子气体达到上亿度的高温而发生轻核聚变,故A错误。根据质量数和核电荷数守恒,可以求出X为中子n,即Z=0,M=1,故B正确。1个氘核和1个氚核发生核聚变,可以放出17.6 MeV的能量,故C错误。轻核聚变产生物为氦核,没有辐射和污染,所以聚变比裂变更安全、清洁,故D正确。故选B、D。
10.由中科院等离子体物理研究所设计制造的EAST全超导非圆截面托卡马克实验装置试用已经成功,这是我国的科学家率先建成的世界上第一个全超导核聚变“人造太阳”实验装置。设可控热核反应前氘核H)的质量为m1,氚核H)的质量为m2,反应后氦核He)的质量为m3,中子n)的质量为m4,已知光速为c。下列说法中正确的是 (　　)
A.核反应放出的能量为(m1+m2-m3-m4)c2
B.上述核反应过程中原子核的比结合能增加
C.这种热核实验反应释放出氦核,是α衰变
D.这种装置与我国大亚湾核电站所使用核装置的核反应原理相同
【解析】选A、B。可控热核反应装置中发生的核反应方程式是HHHen
核反应过程中存在质量亏损,因此m1+m2>m3+m4,
核反应过程中的质量亏损Δm=m1+m2-m3-m4,
释放的核能为ΔE=Δmc2=(m1+m2-m3-m4)c2,故A正确;
因轻核聚变反应释放巨大核能,说明拆开的结合能小于组合的结合能,则生成物的比结合能增大,故B正确;
这种热核实验反应是核聚变反应,而不是自发发生的α衰变,故C错误;
这种装置的核反应是核聚变,我国大亚湾核电站所使用核装置是核裂变,它们的核反应原理不相同,故D错误。
11.带电粒子进入云室会使云室中的气体分子电离,从而显示其运动轨迹。如图是在有匀强磁场的云室中观察到的粒子的轨迹,a和b是轨迹上的两点,匀强磁场B垂直纸面向里。该粒子在运动时,其质量和电量不变,而动能逐渐减少,下列说法正确的是 (　　)
A.粒子先经过a点,再经过b点
B.粒子先经过b点,再经过a点
C.粒子带负电
D.粒子带正电
【解析】选A、C。由r=可知,粒子的动能越小,圆周运动的半径越小,结合粒子运动轨迹可知,粒子先经过a点,再经过b点,选项A正确;根据左手定则可以判断粒子带负电,选项C正确。
【总结提升】云室中带电粒子性质的判断方法
(1)明确云室中匀强磁场的方向情况。
(2)明确粒子运动过程中的不变量和变化量分别是什么物理量。
(3)根据带电粒子在云室中的运动轨迹形状,判断带电粒子运动过程中曲率半径的变化情况。
(4)根据带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的半径公式r=及结合曲率半径的变化情况,以及运动过程中的v、q、B的变化情况,判断粒子的运动方向。
(5)根据左手定则,判断出带电粒子的电性。
12.氡222是一种天然放射性气体,被吸入后,会对人的呼吸系统造成辐射损伤。它是世界卫生组织公布的主要环境致癌物质之一。已知Rn的半衰期约为3.8天。则 (　　)
A.若使放射性物质的温度升高,其半衰期将减小
B.约经过15.2天,16g的Rn衰变后还剩1g
CRn发生α衰变时,生成核与原来的原子核相比,中子数减少了2
D.一个U原子核衰变为一个Rn原子核的过程中,发生β衰变的次数为2次
【解析】选B、C、D。半衰期是放射性元素有半数发生衰变的时间,由原子核的种类决定,与温度等外界因素无关,故A错误;约经过15.2天,即4个半衰期,16 g的Rn衰变后还剩的原子核没有衰变,即1g的Rn没有衰变,故B正确;该原子核经过一次α衰变电荷数减小2,质量数减小4,中子数减少2个,故C正确;一个U原子核衰变为一个Rn原子核的过程中,质量数减少16个,发生了4次α衰变,电荷数减少了6个,则发生β衰变的次数为2次,故D正确。故选:B、C、D。
二、计算题(本大题共5小题,共52分,要有必要的文字说明和解题步骤,有数值计算的要注明单位)
13.(8分)为测定水库的存水量,将一瓶放射性溶液倒入水库中,已知这瓶溶液每分钟衰变8×107次,这种同位素半衰期为2天,10天以后从水库取出1 m3的水,并测得每分钟衰变10次,求水库的存水量为多少?
【解析】设放射性同位素原有质量为m0,10天后的剩余质量为m,水库存水量为
Q m3,由每分钟衰变次数与其质量成正比可得= (2分)
由半衰期公式得:m=m0 (2分)
由以上两式联立代入数据得
== (2分)
解得水库存水量为Q=2.5×105 m3。 (2分)
答案:2.5×105 m3
14.(8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UnBaKr+n。
(1)在括号内填写n前的系数;
(2)用m1、m2、m3分别表示UBaKr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,阿伏加德罗常数NA=6.0×1023 mol-1,计算结果保留两位有效数字)
【解析】(1)由质量数与核电荷数守恒可知,产生的中子数为3; (2分)
(2)由题意知,质量亏损为Δm=m1-m2-m3-2m, (1分)
由质能方程可知,释放的核能为:
ΔE=Δmc2=(m1-m2-m3-2m)c2 (1分)
(3)一个月内核反应产生的总能量为:E=Pt (1分)
同时E=NAΔE (1分)
所以Pt=NAΔE (1分)
解得:m==22 kg(1分)
答案:(1)3　(2)(m1-m2-m3-2m)c2　(3)22 kg
15.(12分)两个氘核聚变产生一个中子和一个氦核,已知氘核质量mD=2.013 6 u,氦核质量mHe=3.015 0 u,中子质量mn=1.008 7 u。(1 u=931.5 MeV/c2)
(1)计算释放出的核能。
(2)若反应前两氘核的动能均为Ek0=0.35 MeV,它们正碰发生聚变,且反应后释放的核能全部转变为动能,则反应产生的氦核和中子的动能各为多大?
【解析】(1)核反应方程为:HHen(1分)
反应质量亏损Δm=2mD-mHe-mn=0.003 5 u。(1分)
由质能方程得释放的核能
ΔE=Δmc2=0.003 5×931.5 MeV≈3.26 MeV。 (2分)
(2)将两氘核看作一个系统,
由动量守恒有0=mHevHe+mnvn①(2分)
由能量守恒有
mHe+mn=ΔE+2Ek0 ②(2分)
由①②代入数据可得EkHe≈0.99 MeV, (2分)
Ekn≈2.97 MeV。 (2分)
答案:(1)3.26 MeV　(2)0.99 MeV　2.97 MeV
16.(12分)某些建筑材料可产生放射性气体——氡,氡可以发生α或β衰变,如果人长期生活在氡浓度过高的环境中,那么,氡经过人的呼吸道沉积在肺部,并放出大量的射线,从而危害人体健康。原来静止的氡核Rn)发生一次α衰变生成新核钋(Po),并放出一个能量为E0=0.09 MeV的光子。已知放出的α粒子动能为Eα=5.55 MeV;忽略放出光子的动量,但考虑其能量;1 u =931.5 MeV/c2 。
(1)写出衰变的核反应方程。
(2)衰变过程中总的质量亏损为多少?(保留三位有效数字)。
【解析】(1)衰变方程为RnPoHe+γ (3分)
(2)忽略放出光子的动量,根据动量守恒定律,
0=pα+pPo (2分)
即新核钋(Po)的动量与α粒子的动量大小相等,
又Ek=, (2分)
解得新核钋(Po)的动能为EPo=Eα。 (2分)
由题意,质量亏损对应的能量以光子的能量和新核、α粒子动能形式出现,
衰变时释放出的总能量为
ΔE=Eα+EPo+E0 =Δmc2 (2分)
故衰变过程中总的质量亏损是
Δm=≈0.006 16 u (1分)
答案:(1RnPoHe+γ
(2)0.006 16 u
17.(12分)为确定爱因斯坦的质能方程ΔE=Δmc2的正确性,设计了如下实验:用动能为E1=0.60 MeV的质子轰击静止的锂核 Li,生成两个α粒子,测得两个α粒子的动能之和为E2=17.9 MeV,已知质子、α粒子、锂核的质量分别取mp=1.007 3 u、mα=4.002 6 u、mLi=7.016 0 u。
(1)写出核反应方程。
(2)通过计算说明ΔE=Δmc2正确。(1 u=1.660 6×10-27 kg)
【解析】(1)核反应方程为LiHHe (2分)
(2)核反应的质量亏损:Δm=mLi+mp-2mα
=7.016 0 u+1.007 3 u-2×4.002 6 u=0.018 1 u (2分)
由质能方程可得与质量亏损相当的能量:
ΔE=Δmc2=0.018 1×1.660 6×10-27×(3×108)2 J
=16.9 MeV (3分)
而系统增加的能量:ΔE′=E2-E1=17.3 MeV (3分)
这些能量来自核反应中,在误差允许的范围内可认为相等,所以ΔE=Δmc2正确。 (2分)
答案:(1LiHHe　(2)见解析