第5章 原子核 水平测评+知识网络构建-【金版教程】2024-2025学年高中物理选择性必修第三册创新导学案课件PPT（人教版2019）

第五章　水平测评 本试卷分第Ⅰ卷(选择题)和第Ⅱ卷(非选择题)两部分，满分100分，考试时间75分钟。 第Ⅰ卷(选择题，共50分) 一、选择题(本题共10小题，每小题5分，共50分。在每小题给出的四个选项中，第1～7题只有一项符合题目要求，第8～10题有多项符合题目要求。全部选对的得5分，选对但不全的得3分，有选错的得0分) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 1．钍元素衰变时会放出β粒子，其中β粒子是(　　) A．中子 B．质子 C．电子 D．光子 解析　放射性元素衰变时放出的三种射线α射线、β射线、γ射线分别是氦核流、电子流和光子流。故选C。　 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 6 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 C AB E F 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 β衰变 反冲核 n－1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　 R 2．若用x代表一个中性原子的核外电子数，y代表此原子核内的质子数，z代表此原子核内的中子数，则对eq \o\al(234,90)Th的原子来说(　　) A．x＝90，y＝90，z＝234 B．x＝90，y＝90，z＝144 C．x＝144，y＝144，z＝90 D．x＝234，y＝234，z＝324 解析：在eq \o\al(234,90)Th的原子中，左下角标为质子数，左上角标为质量数，则y＝90；中性原子的核外电子数等于质子数，所以x＝90；中子数等于质量数减去质子数，即z＝234－90＝144，所以B正确。 3．“玉兔二号”装有核电池，不惧漫长寒冷的月夜，核电池将238 94Pu衰变释放的核能一部分转换成电能。eq \o\al(238,94)Pu的衰变方程为eq \o\al(238,94)Pu→eq \o\al(X,92)U＋eq \o\al(4,2)He，则(　　) A．衰变方程中的X等于233 B.eq \o\al(4,2)He的穿透能力比γ射线强 C．eq \o\al(238,94)Pu比eq \o\al(X,92)U的比结合能小 D．月夜的寒冷导致eq \o\al(238,94)Pu的半衰期变大 解析：根据衰变过程中质量数守恒可知，238＝X＋4，可得衰变方程中的X＝234，故A错误；eq \o\al(4,2)He是α粒子，穿透能力比γ射线弱，故B错误；比结合能越大越稳定，衰变过程释放核能，则生成物比反应物稳定，即eq \o\al(234,92)U比eq \o\al(238,94)Pu稳定，可知eq \o\al(238,94)Pu比eq \o\al(234,92)U的比结合能小，故C正确；半衰期是由放射性原子核内部自身的因素决定的，与温度等外部因素无关，故D错误。 4．钴60是金属元素钴的放射性同位素之一，其半衰期为5.27年。它会通过β衰变放出能量高达315 keV的高速电子并衰变为镍60，同时会放出两束γ射线，其能量分别为1.17 MeV及1.33 MeV。钴60的应用非常广泛，几乎遍及各行各业。在农业上，常用于辐射育种、食品辐射保藏与保鲜等；在工业上，常用于无损探伤、辐射消毒、辐射加工、辐射处理废物以及自动控制等；在医学上，常用于癌和肿瘤的放射治疗。关于钴60，下列说法正确的是(　　) A．衰变方程为eq \o\al(60,27)Co→eq \o\al(60,28)Ni＋0－1e B．利用钴60对人体肿瘤进行放射治疗是利用其衰变放出的电子流 C．钴60可以作为示踪原子研究人体对药物的吸收 D．钴60衰变过程中不会有质量亏损 解析：　根据原子核衰变的电荷数守恒、质量数守恒，知钴60发生β衰变的方程为eq \o\al(60,27)Co→eq \o\al(60,28)Ni＋0－1e，故A正确；利用钴60对人体肿瘤进行放射治疗是利用其衰变放出的γ射线，故B错误；钴60半衰期太长，且衰变放出的高能粒子对人体伤害太大，不能作为药品的示踪原子，故C错误；所有衰变都会有质量亏损，故D错误。 5．2023年4月13日，中国“人造太阳”反应堆中科院环流器装置(EAST)创下新纪录，实现403秒稳态长脉冲高约束模等离子体运行，为可控核聚变的最终实现又向前迈出了重要的一步，下列关于核反应的说法正确的是(　　) A．相同质量的核燃料，轻核聚变比重核裂变释放的核能更多 B．氘氚核聚变的核反应方程为eq \o\al(2,1)H＋eq \o\al(3,1)H→eq \o\al(4,2)He＋　0－1e C．核聚变的核反应燃料主要是铀235 D．核聚变反应过程中没有质量亏损 解析：轻核聚变的产能效率更高，即相同质量的核燃料，轻核聚变比重核裂变释放的核能更多，A正确；根据质量数守恒和电荷数守恒可知，氘氚核聚变的核反应方程为eq \o\al(2,1)H＋eq \o\al(3,1)H→eq \o\al(4,2)He＋eq \o\al(1,0)n，B错误；核聚变的核反应燃料主要是氘核和氚核，C错误；核聚变反应过程中放出大量能量，有质量亏损，D错误。 6．正、负电子的静止质量均为m0，一个正电子和一个负电子相遇时发生湮灭现象，即两电子消失而产生一对相同的光子，已知真空中光速为c，普朗克常量为h。设每个光子的能量为E，频率为ν，波长为λ，动量为p，则计算正确的是(　　) A．E＝2m0c2 B．ν＝eq \f(2m0c2,h) C．λ＝eq \f(h,m0c) D．p＝m0c2 解析：一对正、负电子湮灭释放的能量是ΔE＝Δmc2＝2m0c2，故每个光子的能量为E＝m0c2，A错误；由光子的能量E＝hν，可得频率为ν＝eq \f(m0c2,h)，B错误；由c＝λν，可得波长为λ＝eq \f(h,m0c)，C正确；动量p＝eq \f(h,λ)＝m0c，D错误。 7．硼核eq \o\al(10,5)B吸收慢中子，转变成X核和α粒子，释放出γ光子。已知γ光子的波长为λ，硼核的比结合能为E1，X核的比结合能为E2，氦核的比结合能为E3，普朗克常量为h，真空中光速为c。则核反应过程中释放的核能为(　　) A．7E2＋4E3－10E1 B．10E1－7E2－4E3 C．7E2＋4E3－10E1＋eq \f(hc,λ) D．7E2＋4E3－10E1－eq \f(hc,λ) 解析：根据题设条件知该核反应方程为eq \o\al(10,5)B＋eq \o\al(1,0)n→X＋eq \o\al(4,2)He＋γ，根据核反应前后电荷数守恒和质量数守恒得出X为eq \o\al(7,3)Li，则核反应过程中释放的核能为ΔE＝7E2＋4E3－10E1，A正确。 8．一静止的铝原子核eq \o\al(27,13)Al俘获一速度为1.0×107 m/s的质子p后，变为处于激发态的硅原子核eq \o\al(28,14)Si*。下列说法正确的是(　　) A．核反应方程为p＋eq \o\al(27,13)Al→eq \o\al(28,14)Si* B．核反应过程中系统动量守恒 C．核反应过程中系统能量不守恒 D．核反应前后核子数相等，所以生成物的质量等于反应物的质量之和 解析：质子p即eq \o\al(1,1)H，核反应方程为p＋eq \o\al(27,13)Al→eq \o\al(28,14)Si*，A正确；核反应过程遵循动量守恒定律，B正确；核反应过程中系统能量守恒，C错误；在核反应中质量数守恒，但会发生质量亏损，所以D错误。 9．2020年12月17日，“嫦娥五号”携在月球采集的约2 kg的月壤返回地球。从月球带来的“土”特产中有地球上含量极少且被誉为“月壤宝藏”的氦­3，它是发电效率极高、既环保又安全的核反应原料，可将氦­3原子核与氘原子核结合时释放的能量用来发电，其核反应方程是：eq \o\al(3,2)He＋eq \o\al(2,1)H→eq \o\al(A,Z)Y＋eq \o\al(1,1)H，则下列说法正确的是(　　) A．氦­3是Y的同位素 B．该反应为原子核的人工转变 C.eq \o\al(3,2)He、eq \o\al(2,1)H、eq \o\al(A,Z)Y三者相比，eq \o\al(A,Z)Y的结合能最大 D.eq \o\al(3,2)He、eq \o\al(2,1)H、eq \o\al(A,Z)Y三者相比，eq \o\al(A,Z)Y的比结合能最小 解析：根据核反应方程的质量数和电荷数守恒可知Y为eq \o\al(4,2)He，所以氦­3是Y的同位素，A正确；题中核反应是两个较轻的原子核聚合成一个较重的原子核，并释放能量，所以属于核聚变，B错误；因为该反应释放能量，则反应后的原子核更稳定，而eq \o\al(1,1)H没有结合能，故eq \o\al(4,2)He比结合能最大，D错误；结合能等于比结合能与核子数的乘积，因为eq \o\al(4,2)He的比结合能最大，核子数也最多，故eq \o\al(4,2)He的结合能最大，C正确。 10．2021年9月，在甘肃省武威市的全球首台钍基熔盐核反应堆进行试运行放电，标志着我国成为世界上第一个对第四代核电技术进行商业化试验运营的国家。反应堆工作原理如图所示，钍232(eq \o\al(232,90)Th)吸收一个中子后会变成钍233，钍233不稳定，会变成易裂变核素铀233(eq \o\al(233,92)U)。下列说法正确的是(　　) A．钍232变成铀233的核过程方程式是：eq \o\al(232,90)Th＋eq \o\al(1,0)n→eq \o\al(233,92)Pa＋eq \o\al(0,－1)e，eq \o\al(233,91)Pa→eq \o\al(233,92)U＋eq \o\al(0,－1)e B．中间产生的新核镤233(eq \o\al(233,91)Pa)从高能级向低能级跃迁时，会伴随γ辐射 C．新核铀233(eq \o\al(233,92)U)的结合能小于钍232(eq \o\al(232,90)Th) D．核反应堆是通过核裂变把核能直接转化为电能发电 解析：根据核变化过程中电荷数和质量数均守恒可知，钍232变成铀233的核过程方程式是eq \o\al(232,90)Th＋eq \o\al(1,0)n→eq \o\al(233,91)Pa＋eq \o\al(0,－1)e，eq \o\al(233,91)Pa→eq \o\al(233,92)U＋eq \o\al(0,－1)e，A正确；中间产生的新核镤233(eq \o\al(233,91)Pa)从高能级向低能级跃迁时，放出能量，会伴随γ辐射，B正确；整个核变化过程中释放能量，则新核铀233(eq \o\al(233,92)U)的结合能大于钍232(eq \o\al(232,90)Th)，C错误；在核电站的核反应堆内部，核燃料具有的核能通过核裂变反应转化为内能，然后通过发电机转化为电能，D错误。 第Ⅱ卷(非选择题，共50分) 二、填空题(本题共2小题，共12分) 11．(6分)在下列描述核过程的方程中，属于α衰变的是______，属于β衰变的是______，属于核裂变的是______，属于核聚变的是_______。(填正确答案标号) A.eq \o\al(14,6)C→eq \o\al(14,7)N＋eq \o\al(0,－1)e B.eq \o\al(32,15)P→eq \o\al(32,16)S＋eq \o\al(0,－1)e C.eq \o\al(238,92)U→eq \o\al(234,90)Th＋eq \o\al(4,2)He D.eq \o\al(14,7)N＋eq \o\al(4,2)He→eq \o\al(17,8)O＋eq \o\al(1,1)H E.eq \o\al(235,92)U＋eq \o\al(1,0)n→eq \o\al(140,54)Xe＋eq \o\al(94,38)Sr＋2eq \o\al(1,0)n F.eq \o\al(3,1)H＋eq \o\al(2,1)H→eq \o\al(4,2)He＋eq \o\al(1,0)n 解析：天然放射性元素自发地放出α粒子(即氦核eq \o\al(4,2)He)的衰变属于α衰变，放出β粒子(电子eq \o\al( 0,－1)e)的衰变属于β衰变；重核分裂成几个中等质量原子核的反应为核裂变；两个轻核结合成质量较大的原子核的反应为核聚变。 12．(6分)原来静止在匀强磁场中的放射性元素的原子核A，发生衰变后放出的一个射线粒子和反冲核都以垂直于磁感线的方向运动，形成如图所示的轨迹，已知大圆半径是小圆半径的n倍。那么： (1)该衰变是________(填“α衰变”或“β衰变”)。 (2)沿小圆运动的是________(填“射线粒子”或“反冲核”)。 (3)原子核A的原子序数是________。 解析：(1)静止的原子核发生衰变过程中动量守恒，故射线粒子与反冲核动量大小相等，方向相反，二者形成的轨迹是内切圆，在切点处两者受到的洛伦兹力方向相同，结合左手定则可知两粒子电性相反，则该衰变为β衰变。 (2)带电粒子在磁场中做圆周运动，由洛伦兹力充当向心力有Bqv＝meq \f(v2,r)，可得r＝eq \f(mv,qB)，而两粒子动量大小相同，则轨迹半径之比为所带电荷量的反比，β粒子的电荷量比反冲核的电荷量小，则β粒子的轨迹半径较大，因此沿小圆运动的是反冲核。 (3)β粒子电荷数为－1，由(2)及题意可知，反冲核的电荷数即原子序数为n，则可得原子核A的原子序数为n－1。 三、计算题(本题共3小题，共38分。解答应写出必要的文字说明、方程式和重要的演算步骤。只写出最后答案的不能得分。有数值计算的题，答案中必须明确写出数值和单位) 13．(10分)一个氡核eq \o\al(222,86)Rn衰变成钋核eq \o\al(218,84)Po，并放出一个α粒子，其半衰期T＝3.8天。 (1)写出该衰变方程； (2)求32 g氡经过多少天的衰变后还剩余1 g氡？ 答案　(1)eq \o\al(222,86)Rn→eq \o\al(218,84)Po＋eq \o\al(4,2)He　(2)19 解析：(1)衰变方程为eq \o\al(222,86)Rn→eq \o\al(218,84)Po＋eq \o\al(4,2)He。 (2)设32 g氡经过时间t还剩余1 g，根据半衰期的定义可得1 g＝32 g·eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2)))eq \s\up6(\f(t,T)) 解得t＝19天。 14．(12分)eq \o\al(24,12)Mg经中子eq \o\al(1,0)n照射后发生反应，最终生成eq \o\al(24,11)Na并释放一粒子X，若已知eq \o\al(1,0)n、eq \o\al(24,12)Mg、eq \o\al(24,11)Na 和X的质量分别为1.0087 u、23.9850 u、23.9910 u、1.0078 u(1 u相当于931.5 MeV的能量)。 (1)写出核反应方程(标上质量数和电荷数)； (2)通过计算判断这一核反应是吸收能量还是放出能量？能量变化是多少？(小数点后保留两位) 答案　(1)eq \o\al(24,12)Mg＋eq \o\al(1,0)n→eq \o\al(24,11)Na＋eq \o\al(1,1)H (2)吸收能量　4.75 MeV 解析：(1)根据质量数守恒和电荷数守恒可知核反应方程为eq \o\al(24,12)Mg＋eq \o\al(1,0)n→eq \o\al(24,11)Na＋eq \o\al(1,1)H。 (2)根据爱因斯坦质能方程可得 ΔE＝Δmc2＝(1.0087＋23.9850－23.9910－1.0078)×931.5 MeV≈－4.75 MeV 可知该反应吸收能量，吸收4.75 MeV能量。 15．(16分)用中子轰击锂核(eq \o\al(6,3)Li)发生核反应，生成氚核和α粒子，并释放出核能。已知中子、氚核、α粒子、锂核的质量分别是mn＝1.0087 u，mH＝3.0160 u，mα＝4.0026 u，mLi＝6.0151 u，质量亏损1 u释放的核能为931.5 MeV。(结果均保留两位小数) (1)请写出核反应方程，并求出释放的核能； (2)若反应前中子以0.42 MeV的动能和锂核正碰，且碰撞前二者具有等大反向的动量，核反应中释放出的核能全部转化为动能，求反应后生成的α粒子和氚核的动能分别为多少MeV? 答案　(1)eq \o\al(6,3)Li＋eq \o\al(1,0)n→eq \o\al(3,1)H＋eq \o\al(4,2)He　4.84 MeV (2)2.28 MeV　3.05 MeV 解析：(1)根据反应前后质量数守恒与电荷数守恒，该核反应方程为eq \o\al(6,3)Li＋eq \o\al(1,0)n→eq \o\al(3,1)H＋eq \o\al(4,2)He。 该核反应的质量亏损为 Δm＝mn＋mLi－mH－mα 释放的核能ΔE＝Δm·931.5 MeV 解得ΔE≈4.84 MeV。 解析：(2)根据p＝mv，Ek＝eq \f(1,2)mv2， 有Ekn＝eq \f(p2,2mn)，EkLi＝eq \f(p2,2mLi) 则有EkLi＝eq \f(mn,mLi)Ekn＝eq \f(1,6)Ekn＝0.07 MeV 由于中子和锂核碰撞前二者具有等大反向的动量，即总动量为0，令反应后生成的α粒子和氚核的动能分别为Ekα、EkH，则有 0＝eq \r(2mαEkα)－eq \r(2mHEkH)， Ekα＋EkH＝ΔE＋Ekn＋EkLi 解得Ekα≈2.28 MeV，EkH≈3.05 MeV。 $$ 第五章　知识网络构建 自发地 电荷数 质量数 半数 内部自身 无关 2 原子核范围内 分开 大 Δmc2 3 　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　 R eq \o\al(A,Z+1)Y eq \o\al(1,1)H eq \o\al(1,0)n eq \o\al(A－4,Z－2)Y eq \o\al(30,14)Si 3eq \o\al(1,0)n eq \o\al(1,0)n eq \o\al(17,8)O eq \o\al(12,6)C eq \o\al(30,15)P $$