第五章 原子核 专项训练-2025-2026学年高二下学期物理选择性必修第三册

**基本信息** 聚焦原子核物理核心概念，通过16道选择+3道解答题构建从基础到综合的训练体系，强化衰变规律、结合能计算及核反应应用的科学思维。 **专项设计** |模块|题量/典例|题型特征|知识逻辑| |----|-----------|----------|----------| |基础概念|1-6题|衰变类型判断、半衰期特性分析|从α/β衰变本质到核反应方程书写，构建物质观念| |综合应用|7-16题|比结合能比较、质能方程计算|结合能与稳定性关系→核反应能量计算，体现能量观念| |计算建模|18-21题|核反应方程书写、质量亏损计算|动量守恒与能量守恒综合应用，培养模型建构能力|

原子核 一、单选题 1．2026年，中国“嫦娥七号”探测器将对月球南极进行详细勘察，其搭载的微型探测机器人拟采用钚238放射性同位素热电机（核电池）供电。钚）衰变时放出粒子，衰变方程为。已知钚238的半衰期约为88年。下列说法正确的是（　　） A．该衰变属于衰变 B．衰变后生成的原子核X的质量数为234，核电荷数为92 C．月球表面的低温环境会使钚238的半衰期变长 D．100个钚238原子核经过176年后剩余25个未衰变 2．李政道和杨振宁提出在弱相互作用中宇称不守恒，吴健雄用放射源进行实验验证。衰变方程是，是不带电的反中微子（质量可认为是零）。下列说法正确的是（     ） A．此核反应为衰变 B．比更稳定 C．衰变放出的粒子来自原子核内部 D．分别以单质和化合物形式存在时，其半衰期不同 3．全球唯一的钍基熔盐堆已在甘肃省建成运行。已知钍基核燃料某次核反应释放的能量为，下列说法正确的是（　　） A．该反应后原子核的结合能减小 B．该反应后原子核的核子数减少 C．该反应的质量亏损约为 D．释放的能量来自核子间库仑力的作用 4．2026年1月2日，中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所科研团队宣布，我国重大科学工程有“人造太阳”之称的全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）实验证实托卡马克密度自由区的存在，找到突破密度极限的方法，为磁约束核聚变装置高密度运行提供重要的物理依据。其中我国“人造太阳”主要是将氢的同位素氘或氚的核聚变反应释放的能量用来发电，有一种核聚变反应的方程为。已知氘核的质量为，比结合能为E，中子的质量为，反应中释放的核能为，光速为c，下列说法正确的是（　　） A．反应产物X为 B．X核的质量为 C．X的比结合能为 D．核聚变需要极高的温度，是为克服核子间的万有引力 5．电离式烟雾报警器利用微量的镅241（）发生衰变生成镎237（），放出的射线使空气电离形成电流，当烟雾进入报警器时干扰电流，触发报警。已知镅241的半衰期约为432.2年，下列说法正确的是（　　） A．镎237中含有144个中子 B．射线的电离本领和穿透本领都比射线强 C．12个镅241核经过432.2年后，还剩6个没有衰变 D．镅241的比结合能大于镎237的比结合能 6．2026年，“中国聚变工程实验堆（CFETR）”取得重大突破，首次实现稳态运行。在某核反应中，反应方程为，已知的比结合能为,的比结合能为 ，He的比结合能为，光在真空中的传播速度为c，下列说法正确的是（　　） A．核反应方程中X为 B．核反应中的质量亏损可表示为 C．核聚变需要极高的温度，是为了克服原子核间的万有引力 D．半衰期为12.46年，现有10个氚原子核，经过12.46年后剩下5个氚原子核 7．如人教版教材选择性必修三P118页图所示是部分原子核的比结合能（平均结合能）与质量数的关系图像，通过该图像可以得出一些原子核的比结合能，如的核子比结合能约为，的核子比结合能约为，根据该图像判断下列说法正确的是（   ） A．核的比结合能比大，因此比更稳定 B．核的结合能约为 C．把分成4个要吸收约的能量 D．两个核结合成核时吸收能量 8．当太阳内部氦资源消耗殆尽时，将出现“氦闪”现象，同时释放巨大的核能，科幻片《流浪地球2》就是描述此情景的。“氦闪”现象的本质是氦核聚变，其核反应方程为。已知一个氦核的质量为，一个X核的质量为，一个质子的质量为，一个中子的质量为，真空中的光速为c，下列说法正确的是（　　） A．该核反应方程中的X是氮核 B．X核的结合能为 C．核的比结合能小于X核的比结合能 D．该聚变反应释放的核能为 9．2025年11月，我国利用钍基熔盐核反应实验堆首次实现钍铀核燃料转换，在堆芯发生如下核反应：①；②；③。则核反应（　　） A．①中的γ电离作用比②中的X大 B．②中有一个中子转变为质子 C．③为α衰变 D．③中的Y为 10．三国时期东吴重臣张昭家族墓近期在南京被发现，图为墓中出土的两方龟纽金印．考古学家们常用放射性元素的半衰期确定文物的年代，衰变方程为，的半衰期是5730年，下列说法正确的是（　　） A．经过11460年后，4个一定还剩下1个 B．该衰变的实质是核内的一个质子转变为一个中子和一个电子 C．比结合能大于比结合能 D．衰变过程发生了质量亏损 11．月球车上利用衰变提供能量，衰变方程为，同时产生大量射线，已知的比结合能为，的比结合能为，的比结合能为，则（　　） A．是质子 B．月球上温度的变化会改变的衰变快慢 C．该反应释放的能量为 D．比结合能大于 12．自然界中物质是常见的，反物质并不常见。反物质由反粒子构成，它是科学研究的前沿领域之一。目前发现的反粒子有正电子、反质子等；反氢原子由正电子和反质子组成。粒子与其对应的反粒子质量相等，电荷等量异种。粒子和其反粒子碰撞会湮灭。反粒子参与的物理过程也遵守电荷守恒、能量守恒和动量守恒。下列说法正确的是（　　） A．已知氢原子的基态能量为，则反氢原子的基态能量也为 B．一个中子可以转化为一个质子和一个正电子 C．一对正负电子等速率对撞，湮灭为一个光子 D．反氘核和反氚核的核聚变反应吸收能量 13．2025年1月20日，中国有“人造太阳”之称的全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）在安徽合肥创造新的世界纪录，首次完成1亿摄氏度1000秒“高质量燃烧”，标志着我国聚变能源研究实现从基础科学向工程实践的重大跨越。该核聚变反应方程为。以下关于该核聚变的说法正确的是（     ） A．因为核聚变释放能量，根据可知核聚变后的总质量数减少 B．该核反应的产物有中子，中子又可以与其他的核发生反应，从而发生链式反应 C．该聚变反应中平均每个核子放出的能量大约为3.5 MeV D．核聚变生成核的比结合能小于核的比结合能 14．下列说法正确的是（　　） A．图甲中，当弧光灯发出的光照射到锌板上时，与锌板相连的验电器铝箔有张角是因为锌板发生了光电效应，箔片带上了负电荷 B．图乙为某金属在光的照射下，光电子最大初动能与入射光频率的关系图像，当入射光的频率为时，光电子的最大初动能为 C．图丙中，用从n=4能级跃迁到n=2能级辐射出的光照射逸出功为2.14eV的金属铯，不会发生光电效应 D．丁图中由原子核的核子平均质量与原子序数Z的关系可知，若D和E能结合成F，结合过程一定会释放能量 15．在磁感应强度为B的匀强磁场中，一个静止的放射性原子核（）发生了一次α衰变。放射出的α粒子（He）在与磁场垂直的平面内做圆周运动，其轨道半径为R。以m、q分别表示α粒子的质量和电荷量，生成的新核用Y表示。下面说法不正确的是（　　） A．发生衰变后产生的α粒子与新核Y在磁场中运动的轨迹正确的是图丙 B．新核Y在磁场中做圆周运动的半径为RY＝R C．α粒子的圆周运动可以等效成一个环形电流，且电流大小为I＝ D．若衰变过程中释放的核能都转化为α粒子和新核的动能，则衰变过程中的质量亏损为Δm＝ 16．四种基本相互作用在不同的尺度上发挥着作用，分子间距离的数量级为，则分子力源于（     ） A．引力相互作用 B．电磁相互作用 C．强相互作用 D．弱相互作用 二、多选题 17．下列四幅图涉及不同的物理知识，其中说法正确的是（　　） A．图甲：氢原子跃迁时发出波长分别为、、三条谱线，满足 B．图乙：电磁波在传播过程中电场变化的周期和电场能变化的周期相等 C．图丙：从图中可以得到该放射性元素的半衰期为115.1d D．图丁：康普顿效应中光子散射后的波长变大，该现象是光具有粒子性的重要例证 三、解答题 18．用高速运动的质子轰击静止的锂原子核（），形成一个不稳定的复合核后分解成两个相同的原子核。已知核反应过程中质量亏损，反应产生的原子核的比结合能为，真空中光速为c。 (1)写出核反应方程式并求锂原子核的结合能； (2)若已知质子的质量为，中子的质量为，求锂原子核的平均核子质量。 19．一个静止的钴在某条件下发生β衰变生成镍，放出动能为的电子，同时释放能量分别为、的两个光子，忽略镍60的动能，释放的核能全部转化为电子的动能和光子的能量。已知电子的质量为m，普朗克常量为h，真空中光速为c，不考虑相对论效应。 (1)写出该衰变方程式，并求电子的物质波波长； (2)有N个钴60发生了β衰变，求核反应中总的质量亏损。 20．已知氘核的质量为2.013 6 u，中子的质量为1.008 7 u，核的质量为3.015 0 u。 （1）写出两个氘核聚变成核的反应方程； （2）计算上述核反应中释放的核能； （3）若两个氘核以相等的动能0.35 MeV做对心碰撞即可发生上述核反应，且释放的核能全部转化为机械能，则反应中生成的核和中子的动能各是多少？ 21．太阳能照射到地球上时，由于大气层的反射和吸收等作用，只有约到达地面。现测得在地球表面垂直太阳光方向每平方米面积上接收到太阳能的平均功率为。已知地球到太阳的距离，真空的光速。 （1）求太阳辐射能量的总功率； （2）为简单计算，认为太阳辐射频率相同的电磁波，照射到地面时，全部被反射。求太阳光垂直照射地面时产生的光压（压强）大小； 太阳内部进行着多种核聚变反应过程，反应过程可简化为：四个质子聚变为一个氦核，放出2个正电子和2个中微子（符号），同时放出的能量。可认为太阳辐射的能量完全来源于上述核反应。太阳的质量为，质子的质量。 （3）写出这个核聚变的反应方程，并计算每次核聚变的质量亏损； （4）教材写道“太阳的核反应还能维持几十亿年”。若认为上述核反应还能持续亿年秒，在此过程中，太阳的辐射功率不变。求这段时间内，太阳消耗的质子数占太阳目前质子数的比例，并求出具体数值（结果保留一位有效数字）。假设目前太阳全部由质子组成。 试卷第1页，共3页 试卷第1页，共3页 学科网（北京）股份有限公司 答案第1页，共2页 答案第1页，共2页 学科网（北京）股份有限公司 $ 《原子核》参考答案 题号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 答案 B C C C A B C C B D 题号 11 12 13 14 15 16 17 答案 C A C D A B CD 1．B 【详解】A．该衰变放出粒子，属于衰变，衰变的产物是电子，故A错误； B．原子核衰变满足质量数守恒、电荷数守恒，因此X的质量数为 ，核电荷数为，故B正确； C．半衰期由原子核内部自身的性质决定，与外界温度、压强等环境因素无关，低温不会改变钚238的半衰期，故C错误； D．半衰期是对大量原子核衰变的统计规律，只适用于大量原子核的衰变过程，对少量（如100个）原子核不适用，无法准确预测剩余未衰变的数量，故D错误。 故选B。 2．C 【详解】设X的电荷数为、质量数为，根据电荷数守恒 质量数守恒 解得，，，因此X是电子（β粒子） A．α衰变放出氦核，该反应放出电子，属于β衰变，故A错误； B．衰变是原子核由不稳定向稳定转变的过程，产物比反应物更稳定，故B错误； C．衰变放出的电子是原子核内的中子转化为质子时释放的，确实来自原子核内部，故C正确； D．半衰期由原子核内部结构决定，与元素的物理状态、化学存在形式无关，单质和化合物形式的半衰期相同，故D错误。 故选C。 3．C 【详解】A．该核反应释放能量，原子核变得更加稳定，结合能增大，故A错误； B．核子数在核反应中是守恒的，不会减少，故B错误； C．根据可知，该反应的质量亏损为，故C正确； D．核反应释放的能量来自核反应中的质量亏损，不是库仑力的作用，故D错误。 故选C。 4．C 【详解】A．核反应满足电荷数、质量数守恒，左侧总电荷数为，总质量数为；右侧中子电荷数为0、质量数为1，因此X的电荷数为2，质量数为，即X为，故A错误； B．根据质能方程 质量亏损 联立解得，故B错误； C．原子核总结合能等于比结合能乘以核子数，反应前两个氘核总结合能为 设X的比结合能为，反应后X的总结合能为，聚变释放的核能等于反应后总结合能与反应前总结合能的差值，即 解得，故C正确； D．核聚变需要原子核接近到核力作用范围，需克服的是原子核间的库仑斥力，核子间万有引力极小可忽略，故D错误。 故选C。 5．A 【详解】A．镅241（）发生衰变生成镎237（），衰变方程为，镎237中含有中子数，A正确； B．α射线由氦核（）组成，带电量大、质量大，电离本领强，但穿透本领弱（可被纸张阻挡）。β射线由电子组成，带电量小、质量小，电离本领较弱，但穿透本领比α射线强（可穿透几毫米铝）。因此，α射线的电离本领比β射线强，但穿透本领比β射线弱，B错误； C．半衰期（432.2年）是放射性衰变的统计规律，适用于大量原子核。对于少量原子核（如12个），衰变具有随机性，实际剩余核数可能多于或少于6个，不能保证恰好剩余一半，选项表述忽略了统计涨落，C错误； D．比结合能（结合能除以核子数）反映原子核稳定性。α衰变自发进行，表明母核（镅241）比子核（镎237）更不稳定，稳定性与比结合能正相关，因此镅241的比结合能应小于镎237的比结合能，D错误。 故选A。 6．B 【详解】A．根据质量数与电荷数守恒可知X为，故A错误； B．对该核反应，由能量守恒可得 解得，故B正确； C．原子核带正电，核聚变需要高温是为了让原子核获得足够动能克服原子核间的库仑斥力，万有引力作用极弱，故C错误； D．半衰期是大量原子核衰变的统计规律，对少数原子核的衰变不适用，故D错误。 故选B。 7．C 【详解】A．比结合能为原子核的核子结合为原子核的过程中所释放的能量与核子数的比值，比结合能越大，原子核越稳定，根据图示可知，核的比结合能比大，则比更稳定，故A错误； B．核的比结合能约为7MeV，则核的结合能约为4×7 MeV =28MeV，故B错误； C．把分成8个中子和8个质子需要吸收的能量为 把2个质子与2个中子组合成一个氦核需要释放的能量为 所以把分成4个要吸收 故C正确； D．由图可知核的比结合能比大，故两个核结合成核时要放出能量，故D错误。 故选C。 8．C 【详解】根据核反应电荷数守恒、质量数守恒 故X是碳核，故A错误； B．原子核的结合能是将其拆为自由核子所需的能量，X核有6个质子、6个中子，结合能为，而是该核反应释放的核能，不是X的结合能，故B错误； C．核聚变反应释放能量，说明生成物X核比反应物核更稳定，而比结合能越大原子核越稳定，因此核的比结合能小于X核的比结合能，故C正确； D．该反应质量亏损，根据质能方程，释放的核能为，故D错误。 故选C。 9．B 【详解】A．根据核反应前后电荷数、质量数守恒可知，X粒子的电荷数为-1，质量数为0，则X为电子，则γ电离作用比X的小，故A错误； B．反应②为β衰变，电子是一个中子转变为质子时释放出的，故B正确； C．反应③放出电子，为β衰变，故C错误； D．根据核反应前后质量数和电荷数守恒可知，Y的电荷数为92，质量数为233，故D错误。 故选B。 10．D 【详解】A．半衰期是大量原子核衰变的统计规律，对少量的原子核衰变不适用，选项A错误； B．该衰变为β衰变，其实质是核内的一个中子转变为一个质子和一个电子，选项B错误； C．反应后的生成物更加稳定，比结合能更大，即比结合能小于比结合能，选项C错误； D．衰变过程放出能量，则发生了质量亏损，选项D正确。 故选D。 11．C 【详解】A．衰变方程中，根据质量数和电荷数守恒可写出该衰变方程为 因此，X为粒子，而非质子（），故A错误。 B．衰变快慢由原子核内部结构决定，与外界温度无关，故B错误。 C．该反应释放的能量等于生成物的总结合能与反应物的总结合能之差，即 故C正确。 D．根据比结合能越高，原子核越稳定，且在衰变中，原子核由不稳定变为较为稳定，可知，故D错误。 故选C。 12．A 【详解】A．氢原子基态能量由电子与质子决定。反氢原子由正电子和反质子构成，电荷结构相同，能级结构不变，基态能量仍为，故A正确； B．若中子衰变（β+衰变）生成质子、正电子，不符合电荷数守恒，故B错误； C．正负电子对撞湮灭时，总动量为零，需产生至少两个光子以保证动量守恒。单个光子无法满足动量守恒，故C错误； D．核聚变通常释放能量（如普通氘核、氚聚变）。反氘和反氚核聚变遵循相同规律，应释放能量而非吸收，故D错误。 故选A。 13．C 【详解】A．核反应过程中质量数守恒，核聚变释放能量是因为存在静质量亏损，总质量数始终不变，故A错误； B．链式反应是重核裂变的特征，核聚变需要高温高压条件使轻核克服库仑斥力发生聚变，无法依靠中子引发持续链式反应，故B错误； C．该反应共参与个核子，总释放能量为17.6 MeV，平均每个核子释放能量，故C正确； D．核聚变释放能量，说明生成的原子核更稳定，比结合能更大，因此的比结合能大于的比结合能，故D错误。 故选C。 14．D 【详解】A．验电器铝箔有张角，说明锌板有电子逸出，发生光电效应，锌板失去电子，使验电器带同种正电荷，故A错误； B．根据光电效应方程 得 结合图像可知， 当入射光的频率为时，由 解得，B错误； C．从n=4能级跃迁到n=2能级辐射出的光子能量为2.55eV，大于逸出功，故可以发生光电效应，C错误； D．核子平均质量小，则平均结合能大。由图可知，D和E能结合成F，平均结合能变大，说明结合过程一定会释放能量，D正确。 故选D。 15．A 【详解】A．由动量守恒可知，衰变后α粒子与新核Y运动方向相反，所以轨迹圆应外切，由洛伦兹力提供向心力 可得圆周运动的半径 可知，α粒子半径大，由左手定则可知两粒子圆周运动方向相同，丁图正确，故A错误； B．由 可知 则，故B正确； C．圆周运动周期 环形电流，故C正确； D．对α粒子，由洛伦兹力提供向心力 可得 由质量关系可知，衰变后新核Y质量为 由衰变过程动量守恒可得Mv′－mv＝0 解得 系统增加的能量为 由质能方程得ΔE＝Δmc2 联立得Δm＝，故D正确。 本题选不正确的，故选A。 16．B 【详解】A．引力相互作用强度极弱，在分子尺度的作用可完全忽略，不是分子力的来源，故A错误； B．分子由带正电的原子核和带负电的核外电子构成，分子间作用力本质是微观带电粒子间电磁相互作用的宏观表现，作用范围匹配的分子间距尺度，故B正确； C．强相互作用是短程力，作用范围仅约，仅在原子核内核子间发挥作用，分子间距远大于该范围，强相互作用无法体现，故C错误； D．弱相互作用作用范围比强相互作用更小，仅在原子核衰变等微观过程中体现，故D错误。 故选B。 17．CD 【详解】A．图甲：氢原子跃迁时发出波长分别为、、三条谱线，根据波尔理论可知 即满足 选项A错误； B．图乙：电磁波在传播过程中电场变化的周期等于电场能变化的周期的2倍，选项B错误； C．图丙：从图中可以得到， 可得 解得 即该放射性元素的半衰期为115.1d，选项C正确； D．图丁：康普顿效应中光子散射后的波长变大，频率变小，光子能量变小，可知该现象是光具有粒子性的重要例证，选项D正确。 故选CD。 18．(1) (2) 【详解】（1）根据质量数与电荷数守恒，核反应方程为 根据质能方程有 其中 解得 （2）三个质子和四个中子结合成锂核质量亏损 根据质能方程有 解得 19．(1)， (2) 【详解】（1）根据质量数守恒与核电荷数守恒可得核反应方程为     电子的动量 电子的动能 电子的波长     解得 （2）N个钴60发生衰变产生的能量     根据质能方程     解得 20．（1）；（2） ΔE＝3.26 MeV；（3）0.99 MeV； 2.97 MeV 【详解】（1）由质量数守恒和核电荷数守恒，写出核反应方程为 （2）反应过程中质量减少了 △m=2×2.0136u-1.0087u-3.0150u=0.0035u 反应过程中释放的核能为 △E=0.0035×931.5MeV=3.26MeV （3）设核和 的动量分别为p1和p2，由动量守恒定律得 0= p1+ p2 由此得p1和p2大小相等，由动能和动量关系 及核和质量关系，得中子的动能E1是核动能E2的3倍，即 E1：E2=3：1 由能量守恒定律得 E1+E2=△E+2×0.35MeV 由以上可以算出 E1=2.97MeV，E2=0.99MeV 21．（1）；（2）；（3），；（4） 【详解】（1）根据题意可知地球表面垂直太阳光方向每平方米面积上太阳能辐射的平均功率为 以地球到太阳的距离为一个球面，太阳辐射到该球面上的总功率即为所求太阳辐射能量的总功率，故可得 （2）设单位时间内射到地面单位面积上的光子数为N，频率为，总能量为，可得 可得每个光子的动量为 在时间内，面积为地面上的光子全部被反射，根据动量定理可得 解得光压为 （3）核聚变的反应方程为 根据质能方程，可知每次核聚变的质量亏损为 （4）经过亿年后消耗的质子质量为 故可得 答案第1页，共2页 答案第1页，共2页 学科网（北京）股份有限公司 $