2024-2025學(xué)年高中物理第十九章原子核綜合評(píng)估含解析新人教版選修3-5

原子核時(shí)間：90分鐘分值：100分一、選擇題(1～6題為單選，7～10題為多選，每小題4分，共40分)1．物理學(xué)重視邏輯，崇尚理性，其理論總是建立在對(duì)事實(shí)視察的基礎(chǔ)上．下列說法正確的是(A)A．自然放射現(xiàn)象說明原子核內(nèi)部是有結(jié)構(gòu)的B．電子的發(fā)覺使人們相識(shí)到原子具有核式結(jié)構(gòu)C．α粒子散射試驗(yàn)的重要發(fā)覺是電荷是量子化的D．密立根油滴試驗(yàn)表明核外電子的軌道是不連續(xù)的解析：放射現(xiàn)象中釋放出了其他粒子，說明原子核內(nèi)部具有肯定的結(jié)構(gòu)，A正確；電子的發(fā)覺使人們相識(shí)到原子是可以分割的，是由更小的微粒組成的，B錯(cuò)誤；α粒子散射試驗(yàn)否定了湯姆孫提出的棗糕式原子模型，建立了核式結(jié)構(gòu)模型，C錯(cuò)誤；密立根油滴試驗(yàn)測定了電子的電荷量，D錯(cuò)誤．2．下列說法正確的是(B)A．采納物理或化學(xué)方法可以有效地變更放射性元素的半衰期B．由玻爾理論知道氫原子從激發(fā)態(tài)躍遷到基態(tài)時(shí)會(huì)放出光子C．從高空對(duì)地面進(jìn)行遙感攝影是利用紫外線良好的穿透實(shí)力D．原子核所含核子單獨(dú)存在時(shí)的總質(zhì)量小于該原子核的質(zhì)量解析：放射性元素的半衰期由元素的原子核來確定，與元素以單質(zhì)或化合物的形式存在無關(guān)，與壓強(qiáng)、溫度無關(guān)，即與化學(xué)、物理狀態(tài)無關(guān)，A項(xiàng)錯(cuò)誤．由玻爾理論可知，氫原子從激發(fā)態(tài)躍遷到基態(tài)的過程放出光子，B項(xiàng)正確．從高空對(duì)地面進(jìn)行遙感攝影是利用紅外線良好的穿透實(shí)力，C項(xiàng)錯(cuò)誤．核子結(jié)合成原子核放出核能，因此核子單獨(dú)存在時(shí)的總質(zhì)量大于結(jié)合成原子核時(shí)核的質(zhì)量，D項(xiàng)錯(cuò)誤．3．有關(guān)宇宙的理解，下列說法中正確的是(D)A．質(zhì)量越大的恒星壽命越長B．太陽發(fā)出的光和熱來自于碳、氧等物質(zhì)的燃燒C．在天空中呈現(xiàn)暗紅色的恒星的溫度比呈現(xiàn)白色的恒星的溫度高D．由于光速有限，因此視察遙遠(yuǎn)的天體就相當(dāng)于視察宇宙的過去解析：質(zhì)量越大的恒星壽命越短，故A錯(cuò)誤；太陽發(fā)出的光和熱來自于在太陽內(nèi)部進(jìn)行著大規(guī)模的核聚變釋放的能量，故B錯(cuò)誤；恒星的顏色是由溫度確定的，溫度越低，顏色越偏紅，溫度越高，顏色越偏藍(lán)．故在天空中呈現(xiàn)暗紅色的恒星的溫度比呈現(xiàn)白色的恒星的溫度低，故C錯(cuò)誤；由于光速有限，遙遠(yuǎn)的天體發(fā)出的光線到達(dá)我們時(shí)，我們看到的是過去的宇宙射線；故因此視察遙遠(yuǎn)的天體就等于在視察宇宙的過去，故D正確．4.如圖所示，x為未知的放射源，L為薄鋁片，若在放射源和計(jì)數(shù)器之間加上L后，計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)率大幅度減小，在L和計(jì)數(shù)器之間再加豎直向下的勻強(qiáng)磁場，計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)率不變，則x可能(C)A．α和β的混合放射源 B．純?chǔ)练派湓碈．α和γ的混合放射源 D．純?chǔ)梅派湓唇馕觯捍祟}考查運(yùn)用三種射線的性質(zhì)分析問題的實(shí)力．在放射源和計(jì)數(shù)器之間加上鋁片后，計(jì)算器的計(jì)數(shù)率大幅度減小，說明射線中有穿透力很弱的粒子，即α粒子，在鋁片和計(jì)數(shù)器之間再加豎直向下的勻強(qiáng)磁場，計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)不變，說明穿過鋁片的粒子中無帶電粒子，故只有γ射線．因此放射源可能是α和γ的混合放射源．5．加拿大薩德伯里中微子視察站的探討，揭示了中微子失蹤之謎，即視察到的中微子數(shù)目比理論值少，是因?yàn)椴糠种形⒆釉谶\(yùn)動(dòng)過程中(速度很大)轉(zhuǎn)化為一個(gè)μ子和一個(gè)τ子．對(duì)上述轉(zhuǎn)化過程有以下說法，其中正確的是(C)A．牛頓運(yùn)動(dòng)定律依舊適用B．動(dòng)量守恒定律不再適用C．若發(fā)覺μ子和中微子的運(yùn)動(dòng)方向一樣，則τ子的運(yùn)動(dòng)方向也可能與中微子的運(yùn)動(dòng)方向一樣D．若發(fā)覺μ子和中微子的運(yùn)動(dòng)方向相反，則τ子的運(yùn)動(dòng)方向也可能與中微子的運(yùn)動(dòng)方向相反解析：牛頓運(yùn)動(dòng)定律僅僅適用于宏觀低速的物體，不適用于微觀高速的中微子；動(dòng)量守恒定律適用任何狀況；若發(fā)覺μ子和中微子的運(yùn)動(dòng)方向一樣，由動(dòng)量守恒定律可知τ子的運(yùn)動(dòng)方向也可能與中微子的運(yùn)動(dòng)方向一樣；若μ子和中微子的運(yùn)動(dòng)方向相反，則τ子的運(yùn)動(dòng)方向肯定與中微子的運(yùn)動(dòng)方向相同．故C正確．6.如圖，科學(xué)史上一張聞名的試驗(yàn)照片，顯示一個(gè)帶電粒子在云室中穿過某種金屬板運(yùn)動(dòng)的徑跡，云室放置在勻強(qiáng)磁場中，磁場方向垂直照片向里．云室中橫放的金屬板對(duì)粒子的運(yùn)動(dòng)起阻礙作用．分析此徑跡可知粒子(A)A．帶正電，由下向上運(yùn)動(dòng)B．帶正電，由上向下運(yùn)動(dòng)C．帶負(fù)電，由上向下運(yùn)動(dòng)D．帶負(fù)電，由下向上運(yùn)動(dòng)解析：由題圖可以看出粒子在金屬板上方的軌道半徑比在金屬板下方時(shí)小，由帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中運(yùn)動(dòng)的半徑公式R＝eq\f(mv,qB)可知粒子在金屬板上方運(yùn)動(dòng)的速率小，所以粒子由下往上運(yùn)動(dòng)，B、C錯(cuò)誤；磁場方向垂直照片向里，結(jié)合粒子運(yùn)動(dòng)方向，依據(jù)左手定則可知粒子帶正電，A正確，D錯(cuò)誤．7．地球的年齡究竟有多大？科學(xué)家利用自然放射性元素的衰變規(guī)律，通過對(duì)目前發(fā)覺的最古老的巖石中鈾和鉛含量的測定，推算出該巖石中含有的鈾是巖石形成初期時(shí)(巖石形成初期時(shí)不含鉛)的一半．鈾238衰變后形成鉛206，鈾238的相對(duì)含量隨時(shí)間變更規(guī)律如圖所示，圖中N為鈾238的原子數(shù)，N0為鈾和鉛的總原子數(shù)．由此可以推斷出(BD)A．鈾238的半衰期為90億年B．地球的年齡大致為45億年C．被測定的古老巖石樣品在90億年時(shí)鈾、鉛原子數(shù)之比約為1∶4D．被測定的古老巖石樣品在90億年時(shí)鈾、鉛原子數(shù)之比約為1∶3解析：半衰期是放射性元素的原子核半數(shù)發(fā)生衰變時(shí)所經(jīng)過的時(shí)間．由題圖可知，經(jīng)驗(yàn)了45億年，B對(duì)，A錯(cuò)；經(jīng)驗(yàn)90億年，由題圖可知，鈾238只有原來的eq\f(1,4)，則鉛為原來的eq\f(3,4)，則鈾、鉛比為1∶3，C錯(cuò)，D對(duì)．故應(yīng)選B、D.8．原來靜止的原子核eq\o\al(A,Z)X，質(zhì)量為m1，處在區(qū)域足夠大的勻強(qiáng)磁場中，經(jīng)α衰變成質(zhì)量為m2的原子核Y，α粒子的質(zhì)量為m3，已測得α粒子的速率垂直于磁場B，且動(dòng)能為E0.假定原子核X衰變時(shí)釋放的核能全部轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，則下列四個(gè)結(jié)論中，正確的是(BCD)A．核Y與α粒子在磁場中運(yùn)動(dòng)的周期之比為eq\f(2,Z－2)B．核Y與α粒子在磁場中運(yùn)動(dòng)的半徑之比為eq\f(2,Z－2)C．此衰變過程中的質(zhì)量虧損為m1－m2－m3D．此衰變過程中釋放的核能為eq\f(AE0,A－4)解析：原子核發(fā)生α衰變時(shí)核子質(zhì)量數(shù)減小4而核電荷數(shù)減小2，由題意知X核原先靜止，則衰變后α粒子和反沖核Y的動(dòng)量大小相等，由R＝eq\f(mv,Bq)知RY∶Rα＝qα∶qY＝2∶(Z－2)，故B項(xiàng)正確；而周期之比由T＝eq\f(2πm,Bq)知TY∶Tα＝eq\f(mY,qY)·eq\f(qα,mα)＝eq\f(A－4,2Z－2)，故A項(xiàng)錯(cuò)誤；該過程質(zhì)量虧損Δm＝m1－(m2＋m3)，故C項(xiàng)正確；由Ek＝eq\f(p2,2m)知，Y核的動(dòng)能EkY＝eq\f(4E0,A－4)，則釋放的核能ΔE＝ΔEkα＋EkY＝eq\f(AE0,A－4)，故D項(xiàng)正確．9．朝鮮的“核危機(jī)”引起了全世界的矚目，其焦點(diǎn)問題就是朝鮮生產(chǎn)供研制核武器用的钚239(eq\o\al(239,94)Pu)，這種eq\o\al(239,94)Pu可由鈾239(eq\o\al(239,92)U)經(jīng)過衰變而產(chǎn)生．則下列推斷中正確的是(BD)A.eq\o\al(239,94)Pu與eq\o\al(239,92)U的核內(nèi)具有相同的中子數(shù)B.eq\o\al(239,94)Pu與eq\o\al(239,92)U的核內(nèi)具有相同的核子數(shù)C.eq\o\al(239,92)U經(jīng)過1次α衰變產(chǎn)生eq\o\al(239,94)PuD.eq\o\al(239,92)U經(jīng)過2次β衰變產(chǎn)生eq\o\al(239,94)Pu解析：eq\o\al(239,94)Pu的核子數(shù)是239，中子數(shù)為239－94＝145，而eq\o\al(239,92)U的核子數(shù)是239，中子數(shù)為239－92＝147，所以eq\o\al(239,94)Pu與eq\o\al(239,92)U的核內(nèi)具有相同的核子數(shù)，不同的中子數(shù)，選項(xiàng)A錯(cuò)誤，B正確；eq\o\al(239,92)U經(jīng)過1次α衰變，生成的新核的質(zhì)子數(shù)為90，所以產(chǎn)生物不是eq\o\al(239,94)Pu，選項(xiàng)C錯(cuò)誤；依據(jù)質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒可推斷出，eq\o\al(239,92)U經(jīng)過2次β衰變后產(chǎn)生的新核是eq\o\al(239,94)Pu，選項(xiàng)D正確．10．重元素的放射性衰變共有四個(gè)系列，分別是U238系列(從eq\o\al(238,92)U起先到穩(wěn)定的eq\o\al(208,82)Pb為止)、Th232系列、U235系列以及Np237系列(從eq\o\al(237,93)Np起先到穩(wěn)定的eq\o\al(209,83)Bi為止)，其中，前三個(gè)系列都已在自然界找到，而第四個(gè)系列在自然界始終沒有被發(fā)覺，只是在人工制造出Np237后才發(fā)覺的，下面的說法正確的是(ABC)A．Np237系列中全部放射性元素的質(zhì)量數(shù)都等于(4n＋1)，n為正整數(shù)B．從eq\o\al(237,93)Np到eq\o\al(209,83)Bi，共發(fā)生7次α衰變和4次β衰變C．可能Np237系列中的全部放射性元素的半衰期相對(duì)于地球年齡都比較短D．自然的Np237系列中的放射性元素在地球上從來就沒有出現(xiàn)過解析：由α衰變規(guī)律eq\o\al(M,Z)A→eq\o\al(M－4,Z－2)B＋eq\o\al(4,2)He、β衰變規(guī)律eq\o\al(M,Z)C→eq\o\al(M,Z＋1)D＋eq\o\al(0,－1)e可知每發(fā)生一次α衰變，原子核的質(zhì)量數(shù)削減4，而發(fā)生β衰變時(shí)質(zhì)量數(shù)不變，Np237的質(zhì)量數(shù)237＝4×59＋1，所以每一次衰變后的質(zhì)量數(shù)都等于4n＋1(n等于正整數(shù))，A項(xiàng)正確；依據(jù)原子核衰變時(shí)質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒，從eq\o\al(237,93)Np到eq\o\al(209,83)Bi質(zhì)量數(shù)削減237－209＝28＝4×7，即發(fā)生7次α衰變，電荷數(shù)削減93－83＝10，考慮7次α衰變帶走電荷數(shù)為2×7＝14，所以發(fā)生了4次β衰變，B項(xiàng)正確；Np237這個(gè)系列在自然界始終沒有被發(fā)覺，可能是這個(gè)系列中的全部放射性元素的半衰期相對(duì)于地球年齡都比較短，C項(xiàng)正確，D項(xiàng)錯(cuò)誤．二、填空題(共4小題，每小題5分，共20分)11．核能是一種高效的能源．(1)在核電站中，為了防止放射性物質(zhì)泄露，核反應(yīng)堆有三道防護(hù)屏障：燃料包殼、壓力殼和平安殼(如圖甲、乙所示)．結(jié)合圖可知，平安殼應(yīng)當(dāng)選用的材料是混凝土．(2)圖丙是用來監(jiān)測工作人員受到輻射狀況的胸章，通過照相底片被射線感光的區(qū)域，可以推斷工作人員受到何種輻射．當(dāng)胸章上1mm鋁片和3mm鋁片下的照相底片被感光，而鉛片下的照相底片未被感光時(shí)，結(jié)合圖分析可知工作人員受到了β射線的輻射；當(dāng)全部照相底片被感光時(shí)，工作人員受到了γ射線的輻射．解析：在核電站中，核反應(yīng)堆的最外層平安殼用的都是厚厚的混凝土．α射線貫穿本事最弱，一張紙就能把它攔住，β射線貫穿本事較強(qiáng)，它能穿透幾毫米厚的鋁板，γ射線貫穿本事最強(qiáng)，它能穿透幾厘米厚的鉛板．12.原來靜止在勻強(qiáng)磁場中的放射性元素的原子核A，發(fā)生衰變后放出的一個(gè)射線粒子和反沖核都在垂直于磁感線的同一平面運(yùn)動(dòng)，形成如圖所示的內(nèi)切圓軌跡，已知大圓半徑是小圓半徑的n倍，且繞大圓軌道運(yùn)動(dòng)的粒子沿順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)．那么：(1)該勻強(qiáng)磁場的方向肯定是垂直于紙面對(duì)里．(2)原子核A的原子序數(shù)是n－1.(3)沿小圓運(yùn)動(dòng)的是反沖核，其旋轉(zhuǎn)方向?yàn)槟鏁r(shí)針．解析：衰變的過程遵守動(dòng)量守恒，由粒子在磁場中做圓周運(yùn)動(dòng)的半徑公式R＝eq\f(mv,qB)可知，小圓是反沖核，繞行方向?yàn)槟鏁r(shí)針．由內(nèi)切圓周推斷，是β衰變．依據(jù)左手定則可知，磁場方向垂直紙面對(duì)里．再由半徑關(guān)系得反沖核的電荷量是β粒子的n倍，由此推出原子核A的原子序數(shù)為n－1.13.K－介子衰變的方程為K－→π－＋π0，其中K－介子和π－介子所帶負(fù)電的電荷量為元電荷，π0介子不帶電．如圖所示的1個(gè)K－介子沿垂直于磁場的方向射入勻強(qiáng)磁場中，其軌跡為圓弧AP，衰變后產(chǎn)生的π－介子的軌跡為圓弧PB，兩軌跡在P點(diǎn)相切，它的半徑RK－與Rπ－之比為2∶1，π0介子的軌跡未畫出，由此可知，π－的動(dòng)量大小與π0的動(dòng)量大小之比為1∶3.解析：依據(jù)洛倫茲力供應(yīng)向心力知，qvB＝mv2/R，故有p＝mv＝qBR，所以K－與π－的動(dòng)量大小之比為2∶1，規(guī)定K－的方向?yàn)檎较颍蓜?dòng)量守恒定律得：pK－＝－pπ－＋pπ0，所以pπ0＝3pπ－.14．約里奧·居里夫婦因發(fā)覺人工放射性元素而獲得了1935年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，他們發(fā)覺放射性元素eq\o\al(30,15)P衰變成eq\o\al(30,14)Si的同時(shí)放出另一種粒子，這種粒子是正電子，eq\o\al(32,15)P是eq\o\al(30,15)P的同位素，被廣泛應(yīng)用于生物示蹤技術(shù).1mgeq\o\al(32,15)P隨時(shí)間衰變的關(guān)系如圖所示，請(qǐng)估算4mg的eq\o\al(32,15)P經(jīng)56天的衰變后還剩0.25mg.解析：核反應(yīng)方程式為：eq\o\al(30,15)P→eq\o\al(30,14)Si＋X，由質(zhì)量數(shù)守恒知X的質(zhì)量數(shù)為0，由電荷數(shù)守恒知X的質(zhì)子數(shù)為1，所以X為正電子；由圖象知半衰期大約為14天，由公式0.25＝4×(eq\f(1,2))eq\f(t,14)知t＝56天．三、計(jì)算題(共4小題，每小題10分，共40分)15．靜止的氮核eq\o\al(14,7)N被速度為v0的中子eq\o\al(1,0)n擊中生成碳核eq\o\al(12,6)C和另一種原子核甲，已知eq\o\al(12,6)C與甲核的速度方向與碰撞前中子的速度方向一樣，碰后eq\o\al(12,6)C核與甲核的動(dòng)量之比為2∶1.(1)寫出核反應(yīng)方程式．(2)求eq\o\al(12,6)C與甲核的速度大?。鸢福?1)eq\o\al(14,7)N＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(12,6)C＋eq\o\al(3,1)H(2)eq\f(v0,18)eq\f(v0,9)解析：(1)eq\o\al(14,7)N＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(12,6)C＋eq\o\al(3,1)H.(2)設(shè)中子質(zhì)量為m0，eq\o\al(12,6)C核質(zhì)量為mC、速度為vC，甲核質(zhì)量為m甲、速度為v甲，由動(dòng)量守恒得m0v0＝mCvC＋m甲v甲，即m0v0＝12m0vC＋3m0v甲，又因?yàn)閑q\o\al(12,6)C與甲核動(dòng)量比為2∶1，即mCvC＝2m甲v甲，12m0vC＝2×3m0v甲，聯(lián)立求得vC＝eq\f(v0,18)，v甲＝eq\f(v0,9).16．有一種聚變反應(yīng)是四個(gè)氫核聚變成一個(gè)氦核，同時(shí)放出兩個(gè)正電子．求：(1)該聚變反應(yīng)釋放多少能量？(2)若1g氫完全聚變，能釋放多少能量？(3)1g氫完全聚變，釋放的能量相當(dāng)于多少煤完全燃燒放出的熱能？(已知煤的熱值q＝3.36×107J/kg，氫核質(zhì)量為1.008142u，氦核質(zhì)量為4.001509u，電子的質(zhì)量為0.000549u)答案：(1)4.47×10－12J(2)6.73×1011J(3)2.00×104kg解析：(1)核反應(yīng)方程為：4eq\o\al(1,1)H→eq\o\al(4,2)He＋2eq\o\al(0,1)e，所以Δm＝4mH－mHe－2me＝4×1.008142u－4.001509u－2×0.000549u＝0.029961uΔE＝0.029961×931.5MeV≈27.91MeV≈4.47×10－12J.(2)1g氫完全聚變釋放的能量為E＝eq\f(1,4)×6.02×1023×4.47×10－12J≈6.73×1011J(3)相當(dāng)于煤完全燃燒的質(zhì)量為：m＝eq\f(6.73×1011,3.36×107)kg≈2.00×104kg.17．钚的放射性同位素eq\o\al(239,94)Pu靜止時(shí)衰變?yōu)殁櫤思ぐl(fā)態(tài)eq\o\al(235,92)U*和α粒子，而鈾核激發(fā)態(tài)eq\o\al(235,92)U*馬上衰變?yōu)閑q\o\al(235,92)U，并放出能量為0.097MeV的γ光子．已知eq\o\al(239,94)Pu、eq\o\al(235,92)U和α粒子的質(zhì)量分別為mPu＝239.0521u、mU＝235.0439u和mα＝4.0026u．u為質(zhì)量單位，1u＝eq\f(931.5MeV,c2).(1)寫出衰變方程．(2)已知衰變放出的光子的動(dòng)量可忽視，求α粒子的動(dòng)能．答案：(1)eq\o\al(239,94)Pu→eq\o\al(235,92)U*＋α，eq\o\al(235,92)U*→eq\o\al(235,92)U＋γ，或eq\o\al(239,94)Pu→eq\o\al(235,92)U＋α＋γ(2)5.034MeV解析：(1)衰變方程為eq\o\al(239,94)Pu→eq\o\al(235,92)U*＋α，eq\o\al(235,92)U*→eq\o\al(235,92)U＋γ，或合起來有eq\o\al(239,94)Pu→eq\o\al(235,92)U＋α＋γ.(2)上述衰變過程的質(zhì)量虧損Δm＝mPu－mU－mα①放出的能量ΔE＝Δmc2②這些能量是鈾核eq\o\al(235,92)U的動(dòng)能EU、α粒子的動(dòng)能Eα和γ光子的能量Eγ之和，即ΔE＝EU＋Eα＋Eγ③由①②③式得EU＋Eα＝(mPu－mU－mα)c2－Eγ④設(shè)衰變后的鈾核和α粒子的速度分別為vU和vα，則由動(dòng)量