第5章 原子核与基本粒子 综合拔高练（同步练习）-【学而思·PPT课件分层练习】2025-2026学年高二物理选择性必修第三册（教科版）

综合拔高练 高考真题练 考点1　衰变及半衰期 1.(2025湖南,1)关于原子核衰变,下列说法正确的是(　　) A.原子核衰变后生成新核并释放能量,新核总质量等于原核质量 B.大量某放射性元素的原子核有半数发生衰变所需时间,为该元素的半衰期 C.放射性元素的半衰期随环境温度升高而变长 D.采用化学方法可以有效改变放射性元素的半衰期 2.(2025安徽,1)2025年4月,位于我国甘肃省武威市的钍基熔盐实验堆实现连续稳定运行,标志着人类在第四代核电技术上迈出关键一步。该技术利用钍核(Th)俘获x个中子(n),并发生y次β衰变,转化为易裂变的铀核(U),则(　　) A.x=1,y=1　　　　B.x=1,y=2 C.x=2,y=1　　　　D.x=2,y=2 3.(2025河南,6)由于宇宙射线的作用,在地球大气层产生有铍的两种放射性同位素Be和Be。测定不同高度大气中单位体积内二者的原子个数比,可以研究大气环境的变化。已知Be和Be的半衰期分别约为53天和139万年。在大气层某高度采集的样品中,研究人员发现Be和Be的总原子个数经过106天后变为原来的,则采集时该高度的大气中Be和Be的原子个数比约为(　　) A.1∶4　　　　B.1∶2　　　　C.3∶4　　　　D.1∶1 4.(2024山东,1)2024年是中国航天大年,神舟十八号、嫦娥六号等已陆续飞天,部分航天器装载了具有抗干扰性强的核电池。已知Sr衰变为Y的半衰期约为29年Pu衰变为U的半衰期约为87年。现用相同数目的Sr和Pu各做一块核电池,下列说法正确的是(　　) ASr衰变为Y时产生α粒子 BPu衰变为U时产生β粒子 C.50年后,剩余的Sr数目大于Pu的数目 D.87年后,剩余的Sr数目小于Pu的数目 5.(2023重庆,6)原子核U可以经过多次α和β衰变成为稳定的原子核Pb,在该过程中,可能发生的β衰变是(　　) AFrRae　　　　BBiPoe CRaAce　　　　DPoAte 6.(2022山东,1)碘125衰变时产生γ射线,医学上利用此特性可治疗某些疾病。碘125的半衰期为60天,若将一定质量的碘125植入患者病灶组织,经过180天剩余碘125的质量为刚植入时的(　　) A.　　　　B.　　　　C.　　　　D. 7.(2023广东,1)理论认为,大质量恒星塌缩成黑洞的过程,受核反应C+YO的影响。下列说法正确的是(　　) A.Y是β粒子,β射线穿透能力比γ射线强 B.Y是β粒子,β射线电离能力比γ射线强 C.Y是α粒子,α射线穿透能力比γ射线强 D.Y是α粒子,α射线电离能力比γ射线强 8.(2022全国甲,17)两种放射性元素的半衰期分别为t0和2t0,在t=0时刻这两种元素的原子核总数为N,在t=2t0时刻,尚未衰变的原子核总数为,则在t=4t0时刻,尚未衰变的原子核总数为(　　) A.　　　　B.　　　　C.　　　　D. 9.(2023浙6月选考,5)“玉兔二号”装有核电池,不惧漫长寒冷的月夜。核电池将Pu衰变释放的核能一部分转换成电能Pu的衰变方程为PuUHe,则(　　) A.衰变方程中的X等于233 B.He的穿透能力比γ射线强 CPu比U的比结合能小 D.月夜的寒冷导致Pu的半衰期变大 考点2　核裂变　核聚变 10.(2023湖南,1)2023年4月12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HH → Hee 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 考点3　核反应方程 11.(2024全国甲,14)氘核可通过一系列聚变反应释放能量,总的反应效果可用 H→He+n+p+43.15 MeV 表示,式中x、y的值分别为(　　) A.x=1,y=2　　　　B.x=1,y=3 C.x=2,y=2　　　　D.x=3,y=1 12.(2023全国甲,15)在下列两个核反应方程中 XN→YO YLi→2X X和Y代表两种不同的原子核,以Z和A分别表示X的电荷数和质量数,则(　　) A.Z=1,A=1　　　　B.Z=1,A=2 C.Z=2,A=3　　　　D.Z=2,A=4 13.(2023北京,3)下列核反应方程中括号内的粒子为中子的是(　　) A.UnBaKr+(　　) B.UTh+(　　) C.NHeO+(　　) D.CN+(　　) 考点4　与核反应有关的能量问题 14.(2025福建,6)核反应方程为HH→n+17.6 MeV,现真空中有两个动量大小相等、方向相反的氘核与氚核相撞,发生核反应,设反应释放的能量几乎全部转化为He与n的动能,则(　　) A.该反应有质量亏损 B.该反应为核裂变 C.n获得的动能约为14 MeV D.He获得的动能约为14 MeV 15.(2024浙江1月选考,7)已知氘核质量为2.014 1 u,氚核质量为3.016 1 u,氦核质量为4.002 6 u,中子质量为1.008 7 u,阿伏加德罗常数NA取6.0×1023mol-1,氘核摩尔质量为2 g·mol-1,1 u相当于931.5 MeV。关于氘与氚聚变成氦,下列说法正确的是(　　) A.核反应方程式为HHHen B.氘核的比结合能比氦核的大 C.氘核与氚核的间距达到10-10m就能发生核聚变 D.4 g氘完全参与聚变释放出能量的数量级为1025 MeV 16.(2023全国乙,16)2022年10月,全球众多天文设施观测到迄今最亮伽马射线暴,其中我国的“慧眼”卫星、“极目”空间望远镜等装置在该事件观测中作出重要贡献。由观测结果推断,该伽马射线暴在1分钟内释放的能量量级为1048 J。假设释放的能量来自于物质质量的减少,则每秒钟平均减少的质量量级为(光速为3×108 m/s)(　　) A.1019 kg　　　　B.1024 kg C.1029 kg　　　　D.1034 kg 高考模拟练 应用实践 1.(2025山东临沂二模)2025年3月9日,我国首款基于碳化硅半导体材料的碳14核电池“烛龙一号”研制成功。碳14半衰期长达5 730年,理论上其能持续放电数千年;目前,搭载该电池的LED灯已持续工作近4个月,完成超35 000次脉冲闪烁,并成功驱动蓝牙射频芯片发射信号,充分验证了其稳定性和可靠性。碳14核电池“烛龙一号”通过碳14的β衰变释放核能,进而转化为电能。下列说法正确的是(　　) A.碳14的衰变产物为氧16 B.升高温度,可以减小碳14的半衰期 C.β衰变的实质是核外电子跃迁 D.经17 190年,核电池中碳14的个数变为原来的 2.(2024河北一模)研究表明原子核的质量虽然随着原子序数的增大而增大,但是二者之间并不成正比关系,其核子的平均质量(原子核的质量除以核子数)与原子序数的关系如图所示,一般认为大于铁原子核质量数(56)的为重核,小于则为轻核,下列对该图像的说法错误的是(　　) A.从图中可以看出,Fe原子核最稳定 B.从图中可以看出,重核A裂变成原子核B和C时,释放核能 C.从图中可以看出,轻核D和E发生聚变生成原子核F时,释放核能 D.从图中可以看出,重核随原子序数的增加,其比结合能变大 3.(2025天津河西模拟)目前放射性元素镅应用广泛,是火灾自动报警器等设备内重要的放射源,其衰变方程为AmNp+X+γ,已知Am核的质量为m1Np核的质量为m2,X的质量为m3,真空中的光速为c,下列说法正确的是(　　) AAm的比结合能大于Np的比结合能 B.X为α粒子,衰变释放的能量ΔE=c2,不是Am的结合能 C.X为α粒子,镅的衰变会随环境温度降低逐渐变慢 D.衰变后Np核核外电子处于高能级,向低能级跃迁发出γ射线 4.(2024山东菏泽月考)“嫦娥三号”着陆器和月球车首次使用了Pu同位素核电池,该电池将放射性同位素Pu衰变时释放的能量通过温差热电转换器转化为电能,在恶劣的月球环境中支持月球车低速移动及与地球间不间断通信。已知Pu的半衰期为88年,衰变方程为PuU+X,Pu、U、X的结合能分别为E1、E2、E3,一次衰变释放的能量为ΔE,下列说法正确的是(　　) A.Pu衰变发出的射线是高速氦核流,能穿透几毫米厚的铝板 B.Pu一次衰变释放的能量ΔE=E2+E3-E1 C.经过88年,同位素核电池内的Pu剩余25% D.若一静止Pu核衰变释放的能量全部转化为U和X的动能,则U的动能为 5.(2024河北石家庄二中期中)2023年12月14日,新一代人造太阳“中国环流三号”面向全球开放。“人造太阳”内部发生的一种核反应,其反应方程为HHHe+X,已知H的比结合能为E1,H的比结合能为E2,He的比结合能为E3,光在真空中的传播速度为c。下列说法正确的是(　　) A.在核反应中产生的X粒子是质子 B.<E3 C.核反应中的质量亏损为 D.该反应中,牛顿运动定律依然适用 6.(经典题)(2024山西朔州期末)原子弹和核反应堆都利用了原子核裂变产生的能量。前者可以给人类带来灾难,后者却能用来发电为人类造福。用一个中子轰击U,可发生裂变反应生成Ba和Kr,并释放出几个中子,已知每个中子的质量m1=1.008 uU的质量m2=235.043 uBa的质量m3=140.913 u,Kr的质量m4=91.897 u,质量亏损1 u相当于释放931 MeV的能量,光速c=3×108 m/s,铀的摩尔质量为235 g/mol。 (1)请写出上述裂变中的核反应方程; (2)求一个U在裂变反应中释放的核能的表达式(用m1、m2、m3、m4、c表示); (3)若某原子弹中有60 kg的U,其中有1.2%发生裂变,真实的裂变情况有很多种,假设发生的都是上述裂变反应,已知阿伏伽德罗常量NA=6×1023 mol-1,求这颗原子弹释放的能量。(结果保留2位有效数字) 迁移创新 7.(2025江西鹰潭二模)静止在O点的C原子核发生衰变的同时,空间中出现如图所示的匀强电场。之后衰变产物A、B两粒子的运动轨迹OA、OB如图中虚线所示,不计重力和两粒子间的相互作用,下列说法正确的是(　　) A.A粒子为N原子核 B.C原子核发生的是α衰变 C.两粒子初动能相同 D.两粒子初速度大小相同 答案与分层梯度式解析 高考真题练 1.B 2.B 3.B 4.D 5.A 6.B 7.D 8.C 9.C 10.A 11.C 12.D 13.A 14.AC 15.D 16.C 1.B　原子核衰变时释放能量,根据质能方程,总质量会减少,新核总质量小于原核总质量,A错误;半衰期定义为大量放射性原子核半数发生衰变所需的时间,题干中强调“大量”,符合定义,B正确;半衰期由原子核内部结构决定,与温度无关,C错误;半衰期不受化学方法影响,因化学变化不改变原子核性质,D错误。故选B。 2.B　核反应方程可表示为Th+nU+e,可得232+x=233、90=92-y,解得钍核俘获中子的数目x=1、β衰变的次数y=2,B正确。 3.B　设衰变前Be和Be的原子个数比为k∶1,衰变前Be的原子个数为xBe的原子个数为kx,经过106天后Be的原子个数为kx×=kxBe的原子个数约为x(点拨Be的半衰期为139万年,106天远远小于139万年,所以经过106天后Be的原子个数近似没变),根据题意得x+kx=(x+kx),解得k=,B正确。 4.D　根据质量数守恒和电荷数守恒可知Sr衰变为Y时产生β粒子Pu衰变为U时产生α粒子,A、B错误Sr衰变为Y的半衰期约为29年Pu衰变为U的半衰期约为87年,半衰期越短,说明衰变得越快,所以相同数目的Sr和Pu经过相同时间后Sr的数目小于Pu的数目,C错误,D正确。 5.A　原子核U衰变成为稳定的原子核Pb质量数减小了28,一共经过了7次α衰变,中间生成的新核的质量数可能为231、227、223、219、215、211,根据核反应中质量数守恒和电荷数守恒可知,A正确,B、C、D错误。故选A。 6.B　由衰变规律可知,经过n个半衰期剩余碘125的质量m余=m0,n==3,故=,B正确。 7.D　根据质量数守恒和电荷数守恒可知,Y是α粒子He)。三种射线中:γ射线的穿透能力最强,α射线最弱;α射线的电离能力最强,γ射线最弱。故选D。 8.C　设两种放射性元素的原子核原来总数分别为N1和N2,则N=N1+N2,因为N余=·N原,所以t=2t0时刻,=N1·+N2·,联立解得N1=N,N2=N,故t=4t0时刻,N'=N1+N2=,C正确。 9.C　根据质量数守恒可知,X=234,故A错误He核是α粒子,穿透能力比γ射线弱,故B错误;比结合能越大,原子核越稳定,由于Pu衰变成了U,故U比Pu稳定,即Pu比U的比结合能小,故C正确;半衰期由原子核本身决定,与温度等外部因素无关,故D错误。 10.A　由爱因斯坦质能方程E=mc2可知,核反应释放的核能取决于核反应过程中产生的质量亏损,轻核聚变的核反应燃料的平均核子质量小于重核裂变的平均核子质量,所以相同质量的核燃料,轻核聚变产生的质量亏损大于重核裂变产生的质量亏损,轻核聚变释放的核能更多,A正确,D错误;核反应方程遵循质量数守恒和电荷数守恒,故氘氚核聚变的核反应方程为HHen,B错误;核聚变的核反应燃料主要是原子序数较小的轻元素,如氦、氢及其同位素等,而重核裂变的核反应燃料主要是铀235,C错误。 11.C　根据质量数守恒和电荷数守恒可知,6×2=2×4+x+y,6×1=2×2+y,解得x=2,y=2,故选C。 12.D　X的电荷数为Z,质量数为A,设Y的电荷数为Z',质量数为A',依据核反应过程中电荷数守恒、质量数守恒,有Z+7=Z'+8,A+14=A'+17,Z'+3=2Z,A'+7=2A,联立解得Z=2,A=4,D正确。 13.A　根据电荷数守恒和质量数守恒知,A选项中,核反应方程为UnBaKr+n,B选项中,核反应方程为UThHe,C选项中,核反应方程为NHeOH,D选项中,核反应方程为CNe。故选A。 14.AC　该核反应过程中质量数守恒,释放能量,故有质量亏损,A正确;该反应是核聚变反应,B错误;在真空中,该反应动量守恒,由于相撞前氘核与氚核动量大小相等、方向相反,系统总动量为零,故反应后氦核与中子的动量也大小相等、方向相反,由Ek=得反应后粒子获得的动能之比为EkHe∶Ekn=mn∶mHe=1∶4,而两个粒子获得的总动能为17.6 MeV,故n获得的动能Ekn=×17.6 MeV=14.08 MeVHe获得的动能EkHe=×17.6 MeV=3.52 MeV,C正确,D错误。故选A、C。 15.D　根据核反应中质量数守恒和电荷数守恒可知,A错误;氦核较稳定,氦核的比结合能比氘核的大,B错误;发生轻核聚变的条件是原子核之间的距离小于10-15 m,C错误;一个氘核参与聚变反应质量亏损为Δm=(2.014 1+3.016 1-4.002 6-1.008 7) u=0.0189 u,释放的能量ΔE=0.0189×931.5 MeV≈17.6 MeV,4 g氘含有的氘核数为n=×6.0×1023=1.2×1024,则4 g氘完全参与反应释放出的核能为E=n·ΔE≈2.1×1025 MeV,D正确。 16.C　设每秒平均减少的质量为m,由爱因斯坦质能方程得每分钟释放的能量E=60mc2=1×1048 J,代入数据解得m≈1.9×1029 kg,故选C。 高考模拟练 1.D 2.D 3.B 4.B 5.B 7.A 1.D　碳14的衰变方程为CeN,故A错误;半衰期不随温度、压强等因素的改变而改变,故B错误;β衰变的实质是原子核内的一个中子转化成一个质子和一个电子,故C错误;根据半衰期公式有N==N0=N0,故D正确。 2.D　从图中可以看出,Fe原子核核子平均质量最小,比结合能最大,Fe原子核最稳定,故A正确;由图可知,重核A裂变成原子核B和C时,核子平均质量减小,裂变过程存在质量亏损,需要释放能量,故B正确;由图可知,轻核D和E发生聚变生成原子核F时,核子平均质量减小,聚变过程存在质量亏损,需要释放能量,故C正确;从图中可以看出,重核随原子序数的增加,原子核越不稳定,即比结合能变小,故D错误。故选D。 3.B　衰变后的Np核比Am核更稳定,比结合能越大,原子核越稳定,则Am的比结合能小于Np的比结合能,A错误。根据核反应过程满足质量数和电荷数守恒可知,X为α粒子He);根据质能方程可知衰变释放的能量ΔE=c2,该能量为衰变释放的能量,不是Am的结合能,B正确。半衰期与原子所处环境无关,温度变化不会改变原子核的半衰期,C错误。衰变后Np核处于高能级,向低能级跃迁发出γ射线,D错误。故选B。 4.B　由质量数守恒和电荷数守恒可知,X的质量数为238-234=4,电荷数为94-92=2,则X为氦原子核,即α粒子,其穿透能力弱,能被一张薄纸阻挡,故A错误;根据能量守恒定律可得Pu一次衰变释放的能量ΔE=E2+E3-E1,故B正确;Pu的半衰期为88年,则经过88年,同位素核电池内的Pu剩余50%,故C错误;衰变过程由动量守恒定律可得0=pU+pα,由能量守恒定律可得ΔE=EkU+Ekα,根据动量和动能的关系有Ek=,联立解得EkU=,故D错误。 5.B　根据质量数守恒与电荷数守恒可知X为n,故A错误;核反应释放能量,生成物的比结合能大于反应物的比结合能,则E1<E3,E2<E3,可得<E3,B正确;对该核反应,由能量守恒可得4E3-(2E1+3E2)=Δmc2,解得Δm=,故C错误;牛顿运动定律只适用于宏观物体的低速运动,故D错误。 6.答案　(1UnBaKr+n (2)ΔE=(m2-m3-m4-2m1)c2　(3)3.7×1026 MeV 解析　(1)由质量数和电荷数守恒可得该核反应方程为UnBaKr+n。 (2)反应前后质量亏损为Δm=m1+m2-m3-m4-3m1=m2-m3-m4-2m1 根据爱因斯坦质能方程ΔE=Δmc2 得ΔE=(m2-m3-m4-2m1)c2。 (3)一个U发生裂变反应质量损失Δm=(235.043-140.913-91.897-2×1.008) u=0.217 u 可以求出释放能量为ΔE=Δm×931 MeV≈202 MeV 这颗原子弹中发生裂变的U的质量为m=60 kg×1.2%=0.72 kg=720 g 发生裂变的U的个数n=NA≈1.8×1024(个) 所以E总=n·ΔE≈3.7×1026 MeV。 7.A　根据题意,结合A、B两粒子的运动轨迹可知,A粒子所受电场力与电场方向相同,带正电,B粒子所受电场力与电场方向相反,带负电,可知C原子核发生的是β衰变,B错误;根据以上分析得该衰变的核反应方程为CNe,A粒子为N原子核,B粒子为e,A正确;衰变过程动量守恒,A、B两粒子的动量大小相等,即mAvA=mBvB,由于mA>mB,所以vA<vB,D错误;粒子动能Ek=mv2=,由于mA>mB,所以EkA<EkB,C错误。故选A。 学科网（北京）股份有限公司 $