章末强化练(5) 原子与原子核（Word练习）-【优化指导】2024-2025学年高中物理选择性必修第三册（粤教版2019）

章末强化练(五)原子与原子核 (时间：90分钟　满分：100分) [对应学生用书P141] 一、单项选择题(本题共7小题，每小题4分，共28分．在每小题给出的四个选项中，只有一项是符合题目要求的．) 1．(2022·湖南卷)关于原子结构和微观粒子波粒二象性，下列说法正确的是(　　) A．卢瑟福的核式结构模型解释了原子光谱的分立特征 B．玻尔的原子理论完全揭示了微观粒子运动的规律 C．光电效应揭示了光的粒子性 D．电子束穿过铝箔后的衍射图样揭示了电子的粒子性 C　[卢瑟福的核式结构模型解释的是α粒子散射实验现象，A项错误；玻尔原子理论只解释了氢原子光谱分立特征，但无法解释其他原子如氦的原子光谱，B项错误；光电效应说明光具有能量，具有粒子性，C项正确；电子束穿过铝箔后的衍射图样说明电子的波动性，D项错误．] 2．放射性元素(Rn)经α衰变成为钋(Po)，半衰期约为3.8天；但勘测表明，经过漫长的地质年代后，目前地壳中仍存在天然的含有放射性元素Rn的矿石，其原因是(　　) A．目前地壳中的Rn主要来自于其他放射性元素的衰变 B．在地球形成的初期，地壳中元素Rn的含量足够高 C．当衰变产物Po积累到一定量以后，Po的增加会减慢Rn的衰变进程 D．Rn主要存在于地球深处的矿石中，温度和压力改变了它的半衰期 A　[元素半衰期的长短由原子核自身因素决定，一般与原子所处的物理、化学状态以及周围环境、温度无关，C、D错；即使元素氡的含量足够高，经过漫长的地质年代，地壳中也几乎没有氡了，一定是来自于其他放射性元素的衰变，故A对，B错．] 3．2006年美国和俄罗斯的科学家利用回旋加速器，通过Ca(钙48)轰击Cf(锎249)发生核反应，成功合成了第118号元素，这是迄今为止门捷列夫元素周期表中原子序数最大的元素．实验表明，该元素的原子核先放出3个相同的粒子x，再连续经过3次α衰变后，变成质量数为282的第112号元素的原子核，则上述过程中的粒子x是(　　) A．中子　　　 B．质子　　　 C．电子　　　 D．α粒子 A　[设第118号元素为X，112号元素为Y，可得118号元素原子核的核反应方程为X―→Y＋3He＋3X，由于反应中质量数守恒，电荷数守恒，可知A＝1，Z＝0.所以x为中子．] 4．2018年中国散裂中子源(CSNS)已通过验收，已建设的3台谱仪也启动实验．有关中子的研究，下列说法正确的是(　　) A.Th核发生一次α衰变，新核与原来的原子核相比，中子数减少了4 B．一个氘核和一个氚核经过核反应后生成氦核和中子是裂变反应 C．卢瑟福通过分析α粒子散射实验结果，发现了质子和中子 D．中子和其他微观粒子，都具有波粒二象性 D　[α衰变的本质是发生衰变的核中减少2个质子和2个中子形成氦核，所以一次α衰变，新核与原来的核相比，中子数减少了2，A错误；裂变是较重的原子核分裂成较轻的原子核的反应，而该反应是较轻的原子核的聚变反应，B错误；卢瑟福通过分析α粒子散射实验结果，提出了原子的核式结构模型，查德威克通过α粒子轰击铍核获得碳核的实验发现了中子，C错误；所有粒子都具有粒子性和波动性，D正确．] 5．以下关于放射性元素及其放射性的说法正确的是(　　) A．氡的半衰期为3.8天，若有四个氡原子核，经过7.6天就只剩下一个 B．Th经一系列α和β衰变后变为Pb总共少了16个中子 C．放射性元素产生的射线对人体存在危害，因此放射性元素为有害元素 D．放射性元素发出的射线全部来自于原子核内部，所以放射后的新核核子数一定减少 B　[放射性元素的半衰期是大量原子核衰变的统计规律，对于个别的原子核没有意义，故A错误；Th的中子个数为232－90＝142，Pb的中子个数为126个，故中子数少了142－126＝16个，故B正确；有些放射性元素可用在工业上测量厚度，有些用在医疗技术上，帮助治疗癌症，故C错误；β衰变中，一个中子分裂成一个质子和一个负电子，负电子喷射出来形成β射线，衰变后新核核子数不变，故D错误．] 6．2018年8月23日，我国“十一五”期间重点建设的十二大科学装置之首——“中国散裂中子源”项目，正式投入运行．这标志着我国成为继英美日三国之后，第四个拥有散裂中子源的国家．散裂中子源除了在科学研究方面有极为重要的作用外，其产生的中子还能用来治疗癌症．下列关于中子的说法正确的是(　　) A．卢瑟福用α粒子轰击Be，产生C，发现了中子 B．放射性β射线其实质是高速中子流，可用于医学的放射治疗 C．氘核聚变反应会释放出能量，其核反应方程为H＋H―→He＋n D．核电站不能控制核反应剧烈程度 C　[查德威克用α粒子轰击铍核，发现了中子；卢瑟福发现了质子，故A错误；β射线其实质是高速电子流，故B错误；氘核聚变反应会释放出能量，其核反应方程为H＋H―→He＋n，故C正确；核电站可通过控制中子数目来控制核反应剧烈程度，故D错误．] 7．目前科学家正在研究“快中子堆”技术发电，“快中子堆”技术发电的原理是快中子反应堆不用U，而用Pu作燃料，在堆心燃料Pu的外围放置U，Pu发生裂变反应时放出来的快中子，被装在外围再生区的U吸收，U吸收快中子后变成U，U很不稳定，很快发生β衰变成Pu，Pu在裂变产生能量的同时，不断地将U变成可用燃料Pu，核燃料越烧越多．设U、β粒子的质量分别为M、m，则(　　) A．Pu与U的中子数相同 B．U吸收中子后变成U是属于核聚变 C．U经过1次β衰变后变成Pu D．静止的U发生β衰变释放出动能为E0的β粒子，该衰变中质量亏损为 D　[Pu与U的质量数相同，质子数不同，则中子数不同，故A错误；核聚变发生在轻核之间，U吸收中子后变成U不属于核聚变，故B错误；β衰变过程中，质量数不变，质子数增加1，故U经过2次β衰变后变成Pu，故C错误；衰变方程为：U―→2e＋Pu，在衰变过程中动量守恒，所以新核与β粒子的速度方向相反，由动量守恒定律得：Mv1－mv2＝0，β粒子和生成核的动量p相等，所以动能之比为M∶m，β粒子的动能为E0，则新核的动能为E0，总动能为ΔE＝E0，由质能关系ΔE＝Δmc2，解得Δm＝，故D正确．] 二、多项选择题(本题共3小题，每题6分，共18分．在每小题给出的四个选项中，有多项符合题目要求．全部选对得6分，选对但不全的得3分，有选错的得0分．) 8．(2022·浙江卷)秦山核电站生产C的核反应方程为N＋n→C＋X，其产物C的衰变方程为C→N＋e.下列说法正确的是(　　) A．X是H B．C可以用作示踪原子 C．e来自原子核外 D．经过一个半衰期，10个C将剩下5个 AB　[根据核反应方程遵循质量数守恒和电荷数守恒，可知X为质子H，A正确；由于C具有放射性，且C是构成生物体的主要元素之一，所以C可以用作示踪原子，B正确；β衰变放出的电子e来自原子核，C错误；由于半衰期是大量原子核衰变的统计规律，对少量原子核不适用，所以经过一个半衰期，10个C不一定剩下5个，D错误．] 9．μ子与氢原子核(质子)构成的原子称为μ氢原子，它在原子核物理的研究中有重要作用．如图为μ氢原子的能级示意图，下列说法正确的是(　　) A.一个处于n＝4能级的μ氢原子发生跃迁可以发出6种频率的光 B．动能为2 200 eV的电子可以使处于基态的μ氢原子激发 C．处于n＝2能级的μ氢原子跃迁到基态，电子的动能和电势能都减小 D．处于n＝4能级的μ氢原子可以吸收能量为200 eV的光子 BD　[一个处于n＝4能级的μ氢原子，最多可辐射出3种频率的光子，故A错误；n＝1和n＝2间的能级差为1 897.2 eV，吸收2 200 eV的电子能跃迁到n＝2能级，故B正确；处于n＝2能级的μ氢原子跃迁到基态，电子的电势能减小，根据k＝m可知动能变大，选项C错误；处于n＝4能级的μ氢原子，吸收能量为200 eV的光子，原子能量大于零，可电离，故D正确；故选B、D.] 10．“中国月球着陆探测器”在中国航天馆揭开神秘面纱．它将带着中国制造的月球车，在38万千米之外的月球表面闲庭信步．月球的表面长期受到宇宙射线的照射，使得“月壤”中的He含量十分丰富．科学家认为，He是发生核聚变的极好原料，将来He也许是人类重要的能源，所以探测月球意义十分重大．关于He，下列说法正确的是(　　) A．He的原子核内有三个中子、两个质子 B．He的原子核内有一个中子、两个质子 C．He发生核聚变，放出能量，一定会发生质量亏损 D．He原子核内的核子靠万有引力紧密结合在一起 BC　[He是氦元素的一种同位素，质量数是3，电荷数是2，原子核内有两个质子、一个中子，所以A错误、B正确；发生核聚变放出能量就会有质量亏损，C正确；原子核内的核子是靠核力紧密结合在一起的，而不是靠万有引力紧密结合在一起的，D错误．] 三、非选择题(本题共5小题，共54分．) 11.(7分)一群氢原子处于量子数n＝4的能级状态，氢原子的能级图如图所示，则： (1)氢原子可能发射几种频率的光子？ (2)氢原子由量子数n＝4的能级跃迁到n＝2的能级时辐射光子的能量是多少电子伏？ (3)用(2)中的光子照射表中几种金属，哪些金属能发生光电效应？发生光电效应时，发射光电子的最大初动能是多少电子伏？ 金属 铯 钙 镁 钛 逸出功W/eV 1.9 2.7 3.7 4.1 解析　(1)可能发射＝6种频率的光子． (2)由玻尔的跃迁规律可得光子的能量为 ε＝E4－E2＝－0.85 eV－(－3.40)eV＝2.55 eV. (3)ε只大于铯的逸出功，故光子只有照射铯金属上时才能发生光电效应． 根据爱因斯坦的光电效应方程可得光电子的最大初动能为Ekm＝ε－W0＝2.55 eV－1.9 eV＝0.65 eV. 答案　(1)6　(2)2.55 eV　(3)铯金属　0.65 eV 12．(9分)一静止的氡核(Rn)发生α衰变，放出一个速度为v0、质量为m的α粒子和一个质量为M的反冲核钋(Po)，若氡核发生衰变时，释放的能量全部转化为α粒子和钋核的动能． (1)写出衰变方程； (2)求出反冲核的速度； (3)求出这一衰变过程中亏损的质量． 解析　(1)Rn―→Po＋He (2)设钋核的反冲速度大小为v，由动量守恒定律有 mv0－Mv＝0，v＝ (3)衰变过程中产生的机械能 ΔE＝mv＋Mv2＝ ΔE＝Δmc2 产生这些机械能亏损的质量 Δm＝＝ 答案　(1)Rn―→Po＋He　(2)　 (3) 13.(11分)如图所示，有界的匀强磁场磁感应强度为B＝0.05 T，磁场方向垂直于纸面向里，MN是磁场的左边界．在磁场中A处放一个放射源，内装Ra，Ra放出某种射线后衰变成Rn. (1)写出上述衰变方程； (2)若A处距磁场边界MN的距离OA＝1.0 m时，放在MN左侧边缘的粒子接收器收到垂直于边界MN方向射出的质量较小的粒子，此时接收器距过OA的直线1.0 m.求一个静止Ra核衰变过程中释放的核能有多少．(取1 u＝1.6×10－27 kg，e＝1.6×10－19 C，结果保留三位有效数字) 解析　(1)根据质量数与质子数守恒，可得衰变的方程： Ra―→Rn＋He (2)衰变过程中释放的α粒子在磁场中做匀速圆周运动， 半径R＝1.0 m，由2evB＝ 得α粒子的速度v＝ 衰变过程中系统动量守恒，Rn、He质量分别为222 u、4 u， 则222 u×v′＝4 u×v 得Rn的速度v′＝v 释放的核能E＝×222 u×v′2＋×4 u×v2＝ 代入数据解得E＝2.04×10－14 J 答案　(1)Ra―→Rn＋He　(2)2.04×10－14 J 14．(12分)卢瑟福用α粒子轰击氮核时发现质子．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 uc2＝931 MeV，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 15．(15分)一个静止的铀核U(原子质量为232.037 2 u)放出一个α粒子(原子质量为4.002 6 u)后衰变成钍核Th(原子质量为228.028 7 u).(已知原子质量单位1 u＝1.67×10－27 kg，1 u相当于931.5 MeV的能量) (1)写出铀核的衰变反应方程； (2)算出该衰变反应中释放出的核能； (3)若释放的核能全部转化为新核的动能，则α粒子的动能为多少？ 解析　(1)根据电荷数守恒、质量数守恒，可得衰变反应方程U―→Th＋He (2)质量亏损Δm＝mU－mα－mTh＝0.005 9 u 释放的核能ΔE＝Δmc2＝0.005 9×931.5 MeV≈5.50 MeV (3)系统动量守恒，钍核和α粒子的动量大小相等，即根据动量守恒定律得，pTh＝pα 根据动能与动量的关系：Ek＝ EkTh＋Ekα＝ΔE 所以钍核获得的动能 EkTH＝ΔE＝＝0.09 MeV 解得：Ekα＝5.50 MeV－0.09 MeV＝5.41 MeV 答案　(1)U―→Th＋He (2)5.50 MeV　(3)5.41 MeV 学科网（北京）股份有限公司 $$