单元检测卷(5) 原子与原子核-【金版新学案】2024-2025学年高中物理选择性必修3同步课堂高效讲义配套练习（粤教版2019）

单元检测卷(五)　原子与原子核 (时间：90分钟　满分：100分) (本栏目内容，在学生用书中以独立形式分册装订！) 一、单项选择题(本题共7小题，每小题4分，共28分。每小题只有一个选项符合题目要求) 1．下列说法正确的是(　　) A．α射线的穿透能力比γ射线强 B．天然放射现象说明原子具有复杂的结构 C．核聚变中平均每个核子释放的能量比核裂变中平均每个核子释放的能量小 D．半衰期跟放射性元素以单质或化合物形式存在无关 答案：D 解析：α射线的穿透能力最弱，γ射线的穿透能力最强，A错误；天然放射现象说明原子核具有复杂的结构，B错误；核聚变中平均每个核子释放的能量远大于核裂变中平均每个核子释放的能量，C错误；半衰期是原子核内部自身因素决定的，与原子所处的化学状态和外部条件均没有关系，D正确。 2．“两弹一星”可以说长了中国人的志气，助了中国人的威风。下列核反应方程中，属于研究“两弹”的基本核反应方程的是(　　) ①N＋He→O＋H②U＋n→Sr＋Xe＋10n③U→Th＋He④H＋H→He＋n A．①② B．③④ C．②④ D．②③ 答案：C 解析： “两弹”是指原子弹和氢弹，原子弹是铀核裂变，核反应方程为U＋n→Sr＋Xe＋10n，氢弹是轻核聚变，核反应方程为H＋H→He＋n，故选C。 3．(2022·辽宁高考)2022年1月，中国锦屏深地实验室发表了首个核天体物理研究实验成果。表明我国核天体物理研究已经跻身国际先进行列。实验中所用核反应方程为X＋ 2512Mg―→ 2613Al，已知X、 2512Mg、 2613Al的质量分别为m1、m2、m3，真空中的光速为c，该反应中释放的能量为E。下列说法正确的是(　　 ) A．X为氘核 21H B．X为氚核 31H C．E＝(m1＋m2＋m3)c 2 D．E＝(m1＋m2－m3)c 2 答案：D 解析：根据核反应的质量数和电荷数守恒可知，X的质量数为1，电荷数为1，为氕核H，A、B错误；质量亏损为m1＋m2－m3，则反应释放的能量为E＝(m1＋m2－m3)c 2，C错误，D正确。 4．下列关于核力与核能的说法正确的是(　　) A．核力是引起原子核β衰变的原因 B．原子核中所有核子单独存在时的质量总和大于该原子核的质量 C．核力是强相互作用的一种表现，任意两个核子之间都存在核力作用 D．原子核的结合能越大，表示原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定 答案：B 解析：弱相互作用是引起原子核β衰变的原因，核力是强相互作用，故A错误；核子结合成原子核时释放能量，发生质量亏损，所以原子核的质量小于组成它的核子的质量之和，故B正确；核力是强相互作用的一种表现，只有相邻的两个核子之间存在核力作用，故C错误；原子核的平均结合能越大，原子核中核子的平均质量(原子核的质量除以核子数)越小，表示原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定，故D错误。故选B。 5.根据α粒子散射实验，卢瑟福提出了原子的核式结构模型。如图为α粒子散射图，图中实线表示α粒子的运动轨迹。则关于α粒子散射实验，下列说法正确的是(　　) A．图中大角度偏转的α粒子的电势能先减小后增大 B．图中的α粒子反弹是因为α粒子与金原子核发生了碰撞 C．绝大多数α粒子沿原方向继续前进说明了带正电的原子核占据原子的空间很小 D．根据α粒子散射实验可以估算原子大小 答案：C 解析：题图中使α粒子大角度偏转的电场力先做负功后做正功，则其电势能先增大后减小，故A错误；题图中的α粒子反弹是因为α粒子与金原子核之间的库仑斥力作用，并没有发生碰撞，故B错误；从绝大多数α粒子几乎不发生偏转，可以推测使α粒子受到库仑斥力的核体积极小，所以带正电的原子核只占整个原子很小的空间，故C正确；根据α粒子散射实验可以估算原子核的大小，故D错误。 6．核反应有衰变、核裂变、核聚变和人工核转变4种类型。下列有关说法中正确的是(　　) A．核聚变时电荷数守恒，质量也守恒 B．用中子轰击样品中的N会产生C和电子 C．对于大量氡222，每经过一个半衰期就有一半的氡发生衰变 D．铀235裂变的方程为U＋n→Ba＋Kr＋2n 答案：C 解析：核聚变时电荷数守恒，质量数守恒，同时释放能量，质量会亏损，故A错误；用中子轰击样品中的 N，核反应方程为N＋n→C＋H，会产生 C和质子，故B错误；半衰期是对大量原子核的统计规律，对于大量氡222，每经过一个半衰期就有一半的氡发生衰变，故C正确；根据质量数和电荷数守恒可知，铀235裂变的方程为U＋n→Ba＋Kr＋3n，故D错误。故选C。 7．中国物理学家钱三强与何泽慧等合作，在利用中子打击铀的实验中，观察到三分裂变和四分裂变现象，如图所示，其中一种裂变反应式是U＋n→Ba＋Kr＋3n。用mU、mBa、mKr分别表示U、Ba、Kr核的质量，mn表示n粒子的质量，c为真空中的光速，下列说法正确的是(　　) A．链式反应能否发生跟铀原料的体积无关 B．裂变产物Ba的比结合能大于U的比结合能 C．该核反应过程中质量有所增加 D．该核反应中放出的核能为(mU－mBa－mKr－3mn)c2 答案：B 解析：链式反应能否发生跟铀原料的体积有关，故A错误；裂变产物Ba的比结合能大于U的比结合能，从而产生质量亏损，放出能量，故B正确；该核反应过程中质量有所亏损，故C错误；该核反应中放出的核能为－mKr－2mn)c2，故D错误。 故选B。 二、多项选择题(本题共3小题，每小题6分，共18分。每小题有多个选项符合题目要求。全部选对得6分，选对但不全的得3分，有选错的得0分) 8．“玉兔二号”月球车在太阳光照射不到时，由同位素Pu电池为其保暖供电。Pu衰变时放出α粒子，生成X原子核，产生大量的γ射线，Pu半衰期为88年，则(　　) A．X原子核的核子数为234 B．γ射线的电离能力最强 C．X原子核和α粒子的结合能之和大于Pu原子核的结合能 D．经过44年后，电池中的Pu原子核数将剩为原来的一半 答案：AC 解析：根据衰变过程满足质量数守恒可知X原子核的质量数为238－4＝234，可知X原子核的核子数为234，A正确；三种射线中，γ射线的穿透能力最强，电离能力最弱，B错误；Pu衰变时放出α粒子，生成X原子核，衰变过程释放能量，生成物比反应物稳定，生成物的比结合能大于反应物的比结合能，可知X原子核和α粒子的结合能之和大于Pu原子核的结合能，C正确；Pu半衰期为88年，经过88年后，电池中的Pu原子核数将剩为原来的一半，D错误。故选AC。 9.如图所示，匀强磁场中的O点有一静止的原子核Th发生了某种衰变，衰变方程为Th→Y＋e，反应生成的粒子e的速度方向垂直于磁场方向。关于该衰变，下列说法正确的是(　　) A．Th发生的是α衰变 B．Th发生的是β衰变 C．A＝234，Z＝91 D．新核Y和粒子e在磁场中的轨迹外切于O点 答案：BC 解析：该衰变放出一个电子，所以Th发生的是β衰变，故A错误，B正确；由质量数和电荷数守恒得A＝234，Z＝91，故C正确；由于新核Y和粒子e电性相反，由左手定则可知，新核Y和粒子e在磁场中的轨迹内切于O点，故D错误。 10．我国自主三代核电“华龙一号”的每台机组每年发电量约为1×1010 kW·h，相当于减排二氧化碳816万吨，对助力实现“碳达峰、碳中和”目标具有重要意义。下列说法正确的是(　　) A．该机组利用的是轻核聚变释放的能量发电 B．该机组每年发电使原子核亏损的质量约为0.3 kg C．“华龙一号”反应堆中可能存在U＋n→Ba＋Kr＋3n的核反应 D．“华龙一号”反应堆需要用镉棒吸收中子控制链式反应的速度 答案：CD 解析：该机组利用的是重核裂变释放的能量发电，A错误；由题知1×1010 kW·h＝1×1010×103 W×3 600 s＝3.6×1016 J，根据质能方程ΔE＝Δmc2 可知每年亏损的质量Δm＝＝ kg＝0.4 kg，B错误；根据质量数守恒和电荷数守恒，用中子轰击U的核反应可能为U＋n→Ba＋Kr＋3n，C正确；在“华龙一号”反应堆中，当反应速度过快时，用镉棒吸收过多的中子，以控制链式反应的速度，D正确。故选CD。 三、非选择题(本题共5小题，共54分) 11．(7分)Co发生一次β衰变后变为Ni核，在该衰变过程中还发出频率为ν1和ν2的两个光子。已知普朗克常量为h，真空中光速为c。该反应的衰变方程为__________________；若该反应产生的能量全部以光子的形式释放，求出该核反应过程中亏损的质量为______________。 答案：Co→e＋Ni　 解析：根据电荷数守恒、质量数守恒可知，衰变方程为Co→e＋Ni。释放的能量ΔE＝hν1＋hν2，根据ΔE＝Δmc2可得质量亏损为Δm＝。 12．(8分)贝可勒尔发现天然放射现象，揭开了人类研究原子核结构的序幕。图中P为放在匀强电场中的天然放射源，其放出的射线在电场中分成A、B、C三束。 (1)三束射线中，穿透能力最强，经常用来对金属探伤的是________射线；电离作用最强，经常用来轰击原子核的是________射线。 (2)请完成以下与上述粒子有关的两个核反应方程：Th→Pa＋________； ________＋Ar→P＋n。 答案：(1)B　C　(2)e　He 解析：(1)α射线为α粒子流，带正电，β射线为电子流，带负电，γ射线为高频电磁波，不带电，故根据电荷所受电场力特点可知：A为β射线、B为γ射线、C为α射线；而三种射线中，穿透能力最强，经常用来对金属探伤的是γ射线，即为B射线；电离作用最强，经常用来轰击原子核的是α射线，即为C射线。 (2)根据核反应方程满足质量数守恒和电荷数守恒可知，第一个核反应方程中未知的生成物的质量数为0，电荷数为－1，则为电子e；第二个核反应方程中未知的反应物的质量数为4，电荷数为2，则为氦核He。 13．(9分)两个氘核结合成一个氦核，已知氘核质量为2.014 u，氦核质量为4.002 u。 (1)写出相应的核反应方程； (2)求出1 kg氘完全结合成氦时可以释放出的能量。已知：阿伏伽德罗常量NA为6.0×1023 mol－1，氘核的摩尔质量为2 g/mol，1 u相当于931.5 MeV的能量(结果保留2位有效数字)。 答案：(1)H＋H→He　(2)3.6×1027 MeV 解析：(1)核反应的方程为H＋H→He。 (2)两个氘核结合成一个氦核时释放的能量为 ΔE＝(2×2.014－4.002)×931.5 MeV＝24.219 MeV 1 kg氘中含有的氘核数为n＝×NA＝×6.0×1023个＝3.0×1026个 1 kg氘完全结合成氦时可以释放出的能量为 E＝ΔE＝1.5×1026×24.219 MeV≈3.6×1027 MeV。 14．(14分)在磁感应强度大小为B的匀强磁场中，静止的原子核X(核子数为A)发生衰变，放出的粒子与反冲核Y都做匀速圆周运动，两个圆的半径之比为27∶2，如图所示。 (1)写出衰变方程； (2)已知X、Y和放出的粒子的质量分别为mX、mY和m0，真空中的光速为c，若X衰变时放出能量为Eγ的γ光子，且衰变放出的光子的动量可忽略，求放出的粒子的动能。 答案：(1)X―→Y＋He (2)[(mX－mY－m0)c2－Eγ] 解析：(1)由于新核和放出的粒子的轨迹是外切圆，说明放出的粒子带正电，是α衰变，由qvB＝得r＝，又衰变前后动量守恒，故rHe∶rY＝qY∶qHe＝27∶2，Z＝27＋2＝29，则核反应方程为X―→Y＋He。 (2)此衰变过程的质量亏损为Δm＝mX－mY－m0，放出的能量为ΔE＝Δmc2，该能量是Y的动能EY，α粒子的动能E0和γ光子的能量Eγ之和，即 ΔE＝EY＋E0＋Eγ 设衰变后的Y核和α粒子的速度分别为vY和v0，则由动量守恒有mYvY＝m0v0 又由动能的定义可知EY＝mYv，E0＝m0v，解得E0＝[(mX－mY－m0)c2－Eγ]。 15．(16分)在所有能源中，核能具有能量密度大，地区适应性强的优势，在核电站中，核反应堆释放的核能被转化为电能。核反应堆的工作原理是利用中子轰击重核发生裂变反应，释放出大量核能。 (1)核反应方程式U＋n→Ba＋Kr＋aX是反应堆中发生的许多核反应中的一种，n为中子，X为待求粒子，a为X的个数，则X是什么？a为多少？以mU、mBa、mKr分别表示U、Ba、Kr核的质量，mn、mp分别表示中子、质子的质量，c为光在真空中传播的速度，则在上述核反应过程中放出的核能ΔE是多少？ (2)有一座发电能力为P＝1.00×106 kW的核电站，核能转化为电能的效率η＝40%，假定反应堆中发生的裂变反应全是本题(1)中的核反应，已知每次核反应过程放出的核能ΔE＝2.78×10－11 J，核的质量mU＝390×10－27 kg，求每年(1年＝3.15×107 s)消耗的U的质量。(结果保留整数) 答案：(1)n　3　(mU－mBa－mKr－2mn)c2 (2)1 105 kg 解析：(1)由核反应方程满足质量数守恒和电荷数守恒可知X为n，a为3，释放的能量为ΔE＝(mU－mBa－mKr－2mn)c2。 (2)因核电站发电效率为40%，故核电站消耗U的功率为P′＝＝ kW＝2.5×106 kW 电站每年消耗U产生的能量为W＝P′t＝2.5×106×103×3.15×107 J＝7.875×1016 J 每年消耗U的质量为M＝mU＝ kg≈1 105 kg 学科网（北京）股份有限公司 $$