2021年高中物理选修三第五章《原子核》(答案解析)

一、选择题
1．下列有关原子、原子核的说法中正确的是（ ） A ．天然放射现象说明原子核内部有电子
B ．卢瑟福用α粒子散射实验证明了原子核内存在中子
C ．平均结合能越大，原子核中的核子结合得越牢固，原子核越稳定
D ．放射性元素的半衰期与外界压强和温度有关，与原子的化学状态无关
2．贝可勒尔在120 年前首先发现了天然放射现象，如今原子核的放射性在众多领域中有着广泛应用。

下列属于核聚变的是（ ）
A ．2341
1120H H He n +→+ B ．427301
213130He Al P n +→+ C ．1414
0671
C N e -→+
D ．2351131103192053390U n I Y 2n +→++
3．下面关于结合能和比结合能的说法中，正确的有（ ） A ．原子核拆解成核子放出的能量称为结合能
B ．比结合能越大的原子核越稳定，因此它的结合能也一定越大
C ．重核与中等质量原子核相比较，重核的结合能和比结合能都大
D ．中等质量原子核的结合能和比结合能均比轻核的要大 4．下列关于原子和原子核的说法正确的是（ ）
A ．卢瑟福通过对α粒子散射实验结果的分析，提出了原子核是由质子和中子组成的
B ．238
92U （铀)衰变为23491Pa （镤)要经过1次α衰变和2次β衰变
C ．质子与中子结合成氘核的过程中发生质量亏损并释放能量
D ．β射线是原子核外电子挣脱原子核的束缚后而形成的电子流
5．太阳内部持续不断地发生着4个质子（1
1H ）聚变为1个氦核（42He ）的热核反应，核
反应方程是14
124H He+2X →，这个核反应释放出大量核能。

已知质子、氦核、X 的质量
分别为m 1、m 2、m 3，真空中的光速为c 。

下列说法中正确的是（ ）
A ．方程中的X 表示中子
()10
n
B ．方程中的X 表示电子()0-1
e
C ．这个核反应中质量亏损12342m m m m ∆=--
D ．这个核反应中释放的核能()2
134E m m c ∆=-
6．下列说法正确的是（ ）
A ．238
92U 衰变为22286Rn 要经过4次α衰变和2次β衰变
B ．衰变中产生的β射线实际上是原子的核外电子挣脱原子核的束缚而形成的
C ．查德威克发现了中子，并第一次实现了人工合成放射性同位素
D ．汤姆孙在研究阴极射线时发现了电子，并准确测出了电子的电荷量 7．下列说法中正确的是（ ）
A ．机械波和光有波动性，实物粒子不具有波动性
B ．用弧光灯发出紫外线照射锌板并发生光电效应后，锌板带正电
C ．由于核聚变需要很高的环境温度，2
1H 和3
1H 发生聚变过程中是需要从外界吸收能量的 D ．构成物体的质量是守恒不变的
8．现有核电站是利用核能发电，对于缓解能源危机起到了重要作用。

我们现在利用核能发电主要是利用了（ ） A ．重核的裂变 B ．轻核的聚变 C ．两种方式共存 D ．核能发电对环境污
染严重
9．一静止的铀核放出一个α粒子衰变成钍核，衰变方程为2382344
92902U Th+He .下列说法
正确的是（ ）
A ．衰变后钍核的动能等于α粒子的动能
B ．衰变后钍核的动量大小等于α粒子的动量大小
C ．铀核的半衰期等于其放出一个α粒子所经历的时间
D ．衰变后α粒子与钍核的质量之和等于衰变前铀核的质量
10．一个静止在磁场中的放射性同位素原子核30
15P ，放出一个正电子后变成原子核30
14Si ，在图中近似反映正电子和Si 核轨迹的图是（ ）
A ．
B ．
C ．
D ．
11．一个静止的铀核，放射一个α粒子而变为钍核，在匀强磁场中的径迹如图所示，则正确的说法( )
A ．1是α，2是钍
B ．1是钍，2是α
C ．3是α，4是钍
D ．3是钍，4是α 12．一个静止的原子核a b
X 经α衰变放出一个α粒子并生成一个新核，α粒子的动能为
E 0．设衰变时产生的能量全部变成α粒子和新核的动能，则在此衰变过程中的质量亏损为
（ ）
A ．02E c
B ．()0
2
4E a c -
C ．
()02
4a E c - D ．
()0
24aE a c -
13．下列四幅图涉及到不同的物理知识，图甲为圆板衍射条纹，图乙为共振曲线，图丙为三种射线在磁场中的运动轨迹图，图丁为核反应堆示意图。

关于这四幅图，下列说法正确的是（ ）
A ．图甲：该衍射条纹可以说明光具有粒子性
B ．图乙：该曲线表明物体做受迫振动的振幅随驱动力频率的增大而一直减小
C ．图丙：根据射线的偏转方向可知容器上方区域可能存在垂直纸面向外的磁场
D ．图丁：镉棒吸收中子的能力很强，因此可通过调节镉棒的插入深度来控制反应速度 14．某放射性元素X 的原子核发生了β衰变，产生了新的元素Y 原子核，同时放出γ光子，下列判断正确的是（ ） A ．Y 比X 原子序数小
B ．Y 原子核比X 原子核核子平均质量小
C ．X 原子核放出β射线，表明X 原子核内有β粒子
D ．γ光子来自X 原子核 15．
23490
Th 原子核静止在匀强磁场中的a 点，某一时刻发生衰变，产生如图所示的1和2
两个圆轨迹，由此可以判断（ ）
A．发生的是α衰变
B．衰变后新核的运动方向向右
C．轨迹1是衰变后新核的轨迹
D．两圆轨迹半径之比为R1：R2=90：1
二、填空题
16．正电子发射计算机断层显像（PET）的基本原理是：将放射性同位素15O注入人体，参与人体的代谢过程。

15O在人体内衰变放出正电子，与人体内负电子相遇而湮灭转化为一对光子，被探测器探测到，经计算机处理后产生清晰的图像。

根据PET原理，回答下列问题：
(1)写出15O的衰变和正负电子湮灭的方程式。

（_______）
(2)将放射性同位素15O注入人体，15O的主要用途是（______）
A．利用它的射线 B．作为示踪原子 C．参与人体的代谢过程 D．有氧呼吸
(3)PET中所选的放射性同位素的半衰期应______。

（选填“长”“短”或“长短均可”）
17．完成下列核反应方程
(1)2
1H+3
1
H→42He+_____+17.6Mev
(2)14
7N+4
2
He→17
8
O+______
(3)23892U→23490Th+______
18．两种放射性元素的原子a
c A和b
d
B，其半衰期分别为T和
1
2
T，若经过2T后两种元素
的核的质量相等，则开始时两种核的个数之比为____________，若经过2T后两种核的个数相等，则开始时两种核的质量之比为___________________.
19．辽宁红沿河核电站位于瓦房店市东岗镇，是中国首次一次性同意4台百万千瓦级核电机组标准化、规模化建设的核电项目，是东北地区第一个核电站。

如图所示，1号机组2013年2月17日15时09分并网成功。

核电站将_____________能最终转化为电能。

核电站一台发电功率为106kW的核电机组每天能发_____________kW•h（一天按24h计算）。

20．快中子增殖反应堆中，使用的核燃料是钚239，裂变时释放出快中子，周围的铀238
吸收快中子后变成铀239，铀239（239
92U ）很不稳定，经过__________次β衰变后变成钚239（23993Pu ），写出该过程的核反应方程式：___________。

设静止的铀核239
92U 发生一次
β衰变生成的新核质量为M ，β粒子质量为m ，释放出的β粒子的动能为E 0，假设衰变时能量全部以动能形式释放出来，求一次衰变过程中的质量亏损___________。

21．用中子轰击锂核（ 6
3Li ）发生核反应，生成氚核和α粒子，并释放出4.8Mev 的能量，请写出核反应方程________．
22．一个氘核和一个氚核结合成一个氦核的反应方程是___________________，此反应过程的质量亏损为m ．已知阿伏伽德罗常数为A N ，真空中的光速为c ．若1 mol 氘核和1 mol 氚完全发生核反应生成氦核，则在这个核反应中释放的能量为_______________． 23．国际权威学术期刊《自然》于2017年11月30日在线发布，中国暗物质粒子探测卫星“悟空”在太空中测到电子宇宙射线的一处异常波动，这意味着中国科学家取得了一项开创性发现．有理论预言，当两个暗物质粒子相遇时，由于互为反物质，它们便会湮灭，从而产生出高能的γ射线．假设有一个α粒子（42He ）和一个反α粒子（4
2He -），它们的质量均为m ，以相同的动能E k 进行对心碰撞而发生湮灭．已知普朗克常量为h ．试回答下列问题：
（1）该反应过程中__________． A ．可能只放出一束光子 B ．可能放出两个频率相同的光子 C ．可能放出三个频率相同的光子 D ．只能放出两个频率相同的光子
（2）该α粒子的动量为__________，其德布罗意波波长为__________． （3）试计算该反应过程中放出的总能量E ．__________（已知真空中光速为c ）． 24．已知一个氢原子的质量为1.6736×2710-kg ，一个锂原子的质量为11.6505×2710-kg ，一个氦原子的质量为6.6467×2710-kg ，一个锂核受到一个质子轰击变为2个α粒子，则核反应方程为__________________；该核反应释放的核能为__________J （结果保留3位有效数字）
25．裂变反应是目前核能利用中常用的反应，以原子核
23592
U 为燃料的反应堆中，当23592U
俘获一个慢中子后发生的裂变反应可以有多种方式，其中一种可表示为：
235
113995192
54
380U
n
Xe
Sr+3n 。

已知23592U 的原子质量为235.0439 u ，1
0n 的原子质量为
1.0087 u ，13954Xe 的原子质量为138.9178 u ，95
38Sr 的原子质量为93.9154 u ，且1 u 的质量对应的能量为9.3×102 MeV ，此裂变反应释放出的能量是________MeV 。

26．(1)某科学家提出年轻热星体中核聚变的一种理论，其中的两个核反应方程为
1
12131
671H C N Q +→+，11512
1762H N C X Q +→++，方程中1Q 、2Q 表示释放的能量，相关
的原子核质量见下表：则X 是___________，2Q ___________（选填“大于”“等于”或“小于”）1Q 。

原子核 11
H 32He 42He
126
C
137
N
157
N
质量
1.0078 3.0160 4.0026 1
2.0000 1
3.0057 15.0001
(2)一个21083Bi 原子核中含有的中子个数是___________；21083Bi 具有放射性，现有210
83Bi 元素
16g ，经15天，该元素还剩2g ，则该元素的半衰期为___________天。

三、解答题
27．查阅资枓，了解核废料的处理方法以及核废料处理的最新研究进展。

28．静止在匀强磁场中的锂核6
3Li 俘获一个速度为7.7×104m/s 的中子而发生核反应，反应中放出的α粒子的速度为2×104m/s ，其方向与反应前的中子的速度方向相同。

(1)写出核反应方程； (2)求反冲核的速度；
(3)求α粒子与反冲核运动周期之比。

29．托卡马克（Tokamak ）是依据等离子体约束位形而建立的磁约束聚变装置，由加热场线圈，极向线圈和纵场线圈组成。

极向线圈可提供如图1装置中竖直方向的匀强磁场，纵场线圈起加速离子作用。

图2为装置简化后俯视图，内径R 1=2m ，外径R 2=5m ，S 为一截面，S 1为其同一直径另一端截面。

已知元电荷为191.610e -=⨯C ，质子中子质量均为
271.610-⨯kg 。

(1)写出氘核和氚核结合成氦核42He 的核反应式。

已知氘核的质量为2.0136u ，氚核的质量3.0161u ，中子的质量为1.0087u ，He 核的质量为4.0026u ，计算释放出多少核能；（质量亏损为1u 时，释放的能量为931.5MeV 。

）
(2)若从S 垂直截面方向射入氘核21H ，求到达S 1的最大速度与垂直磁感应强度B 的关系
式；
(3)关闭加热场线圈和纵场线圈电流，保留极向线圈的电流，已知极向线圈产生的总磁感应强度B =kI ，k 为比例系数，I 为线圈中的电流大小，所有粒子均被约束在纵场区内，粒子一旦接触环形真空壁即被吸收导走。

若垂直于截面S ，速度均为7210m /s v =⨯的氘核和氚核在截面S 1处有重叠，求极向线圈中电流大小范围。

30．1919年，卢瑟福用α粒子轰击氮核
(
)147
N 产生氧()178O 并发现了一种新的粒子。

已知
氮核质量为N 14.00753u m =，氧核的质量为017.00454u m =，α粒子质量为
4.00387u m α=，新粒子的质量为p 1.00815u m =。

（已知：1u 相当于931MeV ，结果
保留2位有效数字）求： (1)写出发现新粒子的核反应方程；
(2)核反应过程中是吸收还是释放能量，并求此能量的大小；
(3)α粒子以7
0310m /s v =⨯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
和新的粒子同方向运动，且速度大小之比为1:43，求氧核的速度大小。