2020-2021学年高中物理-第3、4章-原子核与放射性-核能-单元素养评价鲁科版选修3-5.doc

2020-2021学年高中物理 第3、4章 原子核与放射性 核能 单元素养评价鲁科版选修3-5

2020-2021学年高中物理 第3、4章 原子核与放射性 核能 单元素养评价鲁科版选修3-5

年级：
姓名：

- 11 -

单元素养评价(三)
(第3、4章)
(90分钟　100分)
一、选择题(本大题共12小题,每小题5分,共60分,1～7为单选,8～12为多选)
1.关于天然放射性现象,下列说法正确的是 (　　)
A.是玛丽·居里夫妇首先发现的
B.首先说明了原子核不是单一的粒子
C.γ射线不一定伴随α射线或β射线而产生
D.任何放射性元素都能同时发出三种射线
【解析】选B。1896年,法国物理学家贝克勒尔发现,铀和含铀的矿物能够发出看不见的射线,这种射线可以穿透黑纸使照相底片感光,故A错误;关于天然放射现象和对放射性的研究,说明了原子核不是单一的粒子,故B正确;γ射线伴随α射线或β射线而产生,故C错误;放射性元素不一定都能同时发出三种射线,故D错误。
2.(2020·泉州高二检测)如图中曲线a、b、c、d为气泡室中某放射物发生衰变放出的部分粒子的径迹,气泡室中磁感应强度方向垂直于纸面向里。以下判断可能正确的是 (　　)

A.a、b为β粒子的径迹
B.a、b为γ粒子的径迹
C.c、d为α粒子的径迹
D.c、d为β粒子的径迹
【解析】选D。γ粒子是不带电的光子,在磁场中不偏转,选项B错误;α粒子为氦核带正电,由左手定则知向上偏转;β粒子是带负电的电子,应向下偏转,选项A、C错误,选项D正确。
【加固训练】
　　在居室装修中经常用到花岗岩、大理石等装饰材料,它们都不同程度地含有放射性元素,有些含有铀、钍的花岗岩会释放出α、β、γ射线。根据有关放射性知识可知,下列说法正确的是 (　　)
A.发生α衰变时,生成核与原来的原子核相比,核内质量数减少2
B.发生β衰变时,生成核与原来的原子核相比,核内中子数减少1
C.β射线是原子的核外电子电离后形成的电子流
D.在这三种射线中α射线的穿透能力最强,电离能力最弱
【解析】选B。α衰变是两个质子与两个中子作为一个整体从原子核中抛射出来,即H+nHe,发生α衰变时,核内质量数减少4,选项A错误;β衰变是原子核内一个中子转化成一个质子和一个电子,即nHe,发生β衰变时,核内中子数减少1,核子数不变,选项B正确而C错误;由三种射线性质可得,选项D错误。
3.下列说法正确的是 (　　)
A.NHCHe是α衰变方程
BHHHe+γ是β衰变方程
CUThHe是核裂变反应方程
DHeAlPn是原子核的人工转变方程
【解析】选D。A中方程为原子核的人工转变方程,B为核聚变方程,C为α衰变方程,D为原子核的人工转变方程,综上所述,选D。
4.钍Th具有放射性,它能放出一个新的粒子而变为镤Pa,同时伴随有γ射线产生,其方程为ThPa+x,钍的半衰期为24天。则下列说法中正确的是(　　)
A.x为质子
B.x是钍核中的一个中子转化成一个质子时产生的
C.γ射线是镤原子核外电子跃迁放出的
D.1 g钍Th经过120天后还剩0.2 g
【解析】选B。根据电荷数和质量数守恒知钍核衰变过程中放出了一个电子,即x为电子,故A错误;β衰变的实质:β衰变时释放的电子是由核内一个中子转化成一个质子时产生的,故B正确;γ射线是镤原子核放出的,故C错误;钍的半衰期为24天,1 g钍Th经过120天后,发生5个半衰期,1 g钍经过120天后还剩0.031 25 g,故D错误。
【总结提升】解决衰变问题的规律方法及应注意的问题
(1)规律的应用。
①确定衰变方程:依据质量数和电荷数守恒,根据已知粒子写出衰变方程,确定未知粒子。
②α衰变、β衰变次数的计算:某种放射性元素经过若干次衰变,最终变为某一元素,其中α衰变次数可按质量数的变化确定,之后由α衰变次数对电荷数的改变和实际电荷数确定β衰变次数。
(2)应注意的问题。
①某一种放射性元素只能发生一种衰变而变为另一种元素,一般新的元素也具有放射性。这种元素可能发生另一种衰变,而γ射线是伴随着这些衰变而产生的。因此,放射源放出的射线可能包括三部分,即α射线、β射线和γ射线。
②所有的放射性元素均能自发地放出粒子而变为新的元素,它们都有各自的半衰期。但放出的粒子可能是α粒子、电子、正电子等。
5.我国自主研发制造的国际热核聚变核心部件在国际上率先通过权威机构认证,这是我国对国际热核聚变项目的重大贡献。下列核反应方程中属于聚变反应的是 (　　)

A.HHHen
BNHeOH
CHeAlPn
DUnBaKr+n
【解析】选A。A是氢元素的两种同位素氘和氚聚变成氦元素的核反应方程,B是用α粒子轰击氮原子核发现质子的核反应方程,C属于原子核的人工转变,D属于重核的裂变,因此只有A符合要求。
6.太阳因核聚变释放出巨大的能量,同时其质量不断减少。太阳每秒钟辐射出的能量约为4×1026 J,根据爱因斯坦质能方程,太阳每秒钟减少的质量最接近 (　　)
A.1036 kg　　　　　　　 B.1018 kg
C.1013 kg D.109 kg
【解析】选D。根据爱因斯坦质能方程ΔE=Δmc2,得Δm== kg≈4×
109 kg,则D正确,A、B、C错误。
7.下列四幅图分别对应着四种说法,其中正确的是(　　)

A.氢原子辐射出一个光子后,电势能增大,动能减小
B.根据α、β、γ射线的特点可知,射线1是α射线,射线2是β射线,射线3是γ射线
C.天然放射性元素的半衰期由原子核内部自身的因素决定,跟所处的化学状态和外部条件有关
D.原子弹爆炸属于重核的裂变,其反应方程可以是UBaKr+n
【解析】选B。氢原子放出一个光子,原子能量减小,根据=,得:mv2=,电子的动能增大,电势能减小,故A错误;三种射线的穿透本领不同,根据α、β、γ射线的特点可知,射线1的穿透本领最弱,是α射线,射线3的穿透本领最强,是γ射线,射线2是β射线,故B正确;天然放射性元素的半衰期由原子核内部自身的因素决定,跟所处的化学状态和外部条件无关,故C错误;重核的裂变是重核俘获一个慢中子后才能发生的,所以核反应方程可以是UnBa Br+n,故D错误。
8.我国新一代可控核聚变研究装置“中国环流器二号M”目前建设顺利,预计在2020年底投入运行,开展相关科学实验。与国内同等级装置相比,环流器二号M将在等离子体电流和温度等方面达到惊人的参数。它的离子温度能够达到1.5亿摄氏度,它的电流将达到3兆安培,目前我国最大的装置也只能达到1兆安培。下列关于聚变的说法正确的是(　　)

A.核聚变比核裂变更为安全、清洁
B.任何两个原子核都可以发生聚变
C.两个轻核结合成质量较大的核,总质量较聚变前增加
D.两个轻核结合成质量较大的核,核子的比结合能增加
【解析】选A、D。核聚变反应产生的废料放射性较弱,且废料数量少,而核裂变会产生固体核废料,具有强烈放射性,因此核聚变更加清洁和安全,A正确;发生核聚变需要在高温高压下进行,重核一般条件下不能发生核聚变,故B错误;核聚变反应会放出大量的能量,根据质能关系可知反应会发生质量亏损,故C错误;聚变反应放出能量,因此反应前的比结合能小于反应后的比结合能,故D正确。
9.14C发生放射性衰变成为14N,半衰期约5 700年。已知植物存活期间,其体内14C与12C的比例不变;生命活动结束后,14C的比例持续减少,现通过测量得知,某古木样品中14C的比例正好是现代植物所制样品的二分之一。下列说法正确的是
(　　)
A.该古木的年代距今约5 700年
B.12C、13C、14C具有相同的中子数
C.14C衰变为14N的过程中放出β射线
D.增加样品测量环境的压强将加速14C的衰变
【解析】选A、C。因古木样品中14C的比例正好是现代植物所制样品的二分之一,则可知经过的时间为一个半衰期,即该古木的年代距今约为5 700年,选项A正确;12C、13C、14C具有相同的质子数,由于质量数不同,故中子数不同,选项B错误;根据核反应方程可知,14C衰变为14N的过程中放出电子,即放出β射线,选项C正确;外界环境不影响放射性元素的半衰期,选项D错误。
10.质子数与中子数互换的核互为“镜像核”,例如He是H的“镜像核”,同样H也是He的“镜像核”,则下列说法正确的是 (　　)
A. 互为“镜像核”
B. 互为“镜像核”
C.β衰变的本质是一个中子转变为一个质子,同时放出一个电子
D.核反应HHHen的生成物中有α粒子,该反应是α衰变
【解析】选B、C。根据“镜像核”的定义, 互为“镜像核”,选项B正确,A错误;β衰变的本质是一个中子转变为一个质子,同时放出一个电子,选项C正确;核反应HHHen的生成物中虽有α粒子,但该反应是聚变反应,选项D错误。
11.科学家使用核反应获取氚,再利用氘和氚的核反应获得能量,核反应方程分别为:X+HeH+HHHe+X+17.6 MeV,下列表述正确的有 (　　)
A.X是中子
B.Y的质子数是3,中子数是6
C.两个核反应都没有质量亏损
D.氘和氚的核反应是核聚变反应
【解析】选A、D。根据质子数守恒和质量数守恒可知X是中子,A正确;Y的质子数为3,中子数为3,B错误;聚变放出能量,由质能方程可知一定有质量亏损,该反应为核聚变反应,C错误,D正确。
12.核能作为一种新能源在现代社会中已不可缺少,我国在完善核电安全基础上将加大核电站建设。核泄漏中的钚(Pu)是一种具有放射性的超铀元素,它可破坏细胞基因,提高患癌症的风险。已知钚的一种同位素Pu的半衰期为24 100年,其衰变方程为PuXHe+γ,下列有关说法正确的是 (　　)
A.X原子核中含有92个质子
B.100个Pu经过24 100年后一定还剩余50个
C.由于衰变时释放巨大能量,根据E=mc2,衰变过程总质量增加
D.衰变发出的γ射线是波长很短的光子,具有很强的穿透能力
【解析】选A、D。根据“电荷数”守恒,可知A选项正确;半衰期是对大量原子的统计规律,所以B错误;放出能量质量减少,C错误;γ射线穿透能力很强,D正确。
二、计算题(本大题共4小题,共40分。要有必要的文字说明和解题步骤,有数值计算的要注明单位)
13.(10分)碳14具有放射性,其半衰期T=5 686年,空气中碳12跟碳14的存量比约为10∶1.2,活着的生物体中碳的这两种同位素之比与空气中相同,生物死亡后,不再吸收碳,碳14以T=5 686年的半衰期减少,因此测得生物遗骸中的碳12与碳14存量比,再与空气中比较,可估算出生物死亡年代,现测得一古代遗骸中碳14与碳12的存量比为空气中的,试计算该古代遗骸距今的时间。
【解析】设活着时和现在古生物中含14C的质量分别为m0和m,含12C的质量为M,则:=, (2分)
=× (2分)
所以=,因为m=m0(, (2分)
所以== (2分)
所以取对数得t=年≈3 326年。 (2分)
答案:3 326年
14.(10分) 静止在匀强磁场中的Li核俘获一个运动方向垂直于磁场、速度大小为7.7×104 m/s的中子,若发生核反应后只产生了两个新粒子,其中一个粒子为氦核He)。反应前后各粒子在磁场中的运动轨迹如图所示, 氦核与另一种未知新粒子在磁场中做匀速圆周运动的半径之比为40∶3。则:

(1)写出此核反应的方程式;
(2)求产生的未知新粒子的速度。
【解析】(1LinHeH(3分)
(2)设中子n)、氦核He)、氚核H)的质量分别为m1、m2、m3,速度分别为v1、v2、v3,由动量守恒定律得:m1v1=m2v2+m3v3 (2分)
设粒子做匀速圆周运动的半径为r,由qvB=m,得
r= (2分)
因=,可得:v2=20v3 (1分)
由径迹图像可知v2与v1同向,v3与v1反向,即
m1v1=20m2v3-m3v3 (1分)
得v3=1×103 m/s,方向与中子速度方向相反 (1分)
答案:(1LinHeH　(2)1×103 m/s
方向与中子速度方向相反
15.(10分)(2020·莆田高二检测)太阳的能量来自氢核聚变:即四个质子(氢核)聚变为一个α粒子,同时发射两个正电子和两个没有静止质量的中微子。如果太阳辐射能量的功率为P,质子H、氦核He、正电子e的质量分别为mp、mα、me,真空的光速为c,则
(1)写出上述核反应方程式;
(2)计算每一次聚变所释放的能量ΔE;
(3)计算t时间内因聚变生成的α粒子数n。
【解析】(1)核反应方程式为:HHe+e;(3分)
(2)核反应过程中的质量亏损
Δm=(4mp-mα-2me), (2分)
根据爱因斯坦质能方程:ΔE=Δmc2可知,核反应释放的能量,ΔE=(4mp-mα-2me)c2。 (2分)
(3)依据能量关系Pt=nΔE (1分)
有n== (2分)
答案:(1)HHe+e
(2)(4mp-mα-2me)c2　(3)
16.(10分)天文学家测得银河系中氦的含量约为25%。有关研究表明,宇宙中氦生成的途径有两条:一是在宇宙诞生后3分钟左右生成的;二是在宇宙演化到恒星诞生后,由恒星内部的氢核聚变反应生成的。
(1)把氢核聚变反应简化为4个氢核H)聚变成氦核He),同时放出2个正电子e)和2个中微子(νe),请写出该氢核聚变反应的方程,并计算一次反应释放的能量。
(2)研究表明,银河系的年龄约为t=3.8×1017 s,每秒银河系产生的能量约为1×1037 J(即P=1×1037 J/s)。现假定该能量全部来自上述氢核聚变反应,试估算银河系中氦的含量(最后结果保留一位有效数字)。
(3)根据你的估算结果,对银河系中氦的主要生成途径做出判断。
(可能用到的数据:银河系质量约为M=3×1041 kg,原子质量单位1 u=1.66×
10-27 kg,1 u相当于1.5×10-10 J的能量,电子质量me=0.000 5 u,氦核质量mα
=4.002 6 u,氢核质量mp=1.007 8 u,中微子νe质量为零。)
【解析】(1)HHe+e+2νe (2分)
Δm=4mp-mα-2me (1分)
ΔE=Δmc2=4.14×10-12 J。 (1分)
(2)核反应产生的氦的质量为
m=mα=6.1×1039 kg (2分)
氦的含量k===2%。 (2分)
(3)由估算结果可知,k=2%远小于25%的实际值,所以银河系中的氦主要是宇宙诞生后不久生成的。(2分)
答案:(1)HHe+e+2νe　4.14×10-12 J　(2)2%
(3)银河系中的氦主要是宇宙诞生后不久生成的