高三新高考练习题及答案解析 第十五章 第2讲 原子结构与原子核

第2讲 原子结构与原子核
一、非选择题
1．在用铀235作燃料的核反应堆中，铀235核吸收一个慢中子后，可发生裂变反应，放出能量和快中子，而快中子不利于铀235的裂变。

为了能使裂变反应继续下去，需要将反应中放出的快中子减速。

有一种减速的方法是使用石墨(碳12)作减速剂，让铀核裂变所产生的快中子通过和碳核不断碰撞而被减速。

假设中子与碳核的碰撞是完全弹性碰撞，并在碰撞前碳核是静止的，碰撞后中子和碳核的速度都跟碰撞前中子的速度沿同一直线。

已知碳核的质量近似为中子质量的12倍，中子原来的能量为E 0。

(1)铀235的裂变方程为235 92U ＋10n →139 54Xe ＋9438Sr ＋x 10n ，则x 值为多少？若反应过程中放出
的能量为ΔE ，则反应前后的质量差Δm 为多少？
(2)经过一次碰撞后，中子的能量为多少？
(3)若经过n 次碰撞后，一个动能为E 0的快中子能减速成为能量为E n 的慢中子，请写出E n 与E 0和n 的关系式。

[答案] (1)3 ΔE c 2 (2)E 1＝⎝⎛⎭⎫11132E 0 (3)E n ＝⎝⎛⎭⎫11132n E 0 [解析] (1)根据核反应方程满足质量数守恒，有235＋1＝139＋94＋x ，解得x ＝3，
根据爱因斯坦的质能方程，有ΔE ＝Δmc 2，可得亏损质量为Δm ＝ΔE c 2。

(2)设中子的质量为m ，碳核的质量为12m ，中子与碳核碰撞过程中动量守恒和机械能守恒
m v 0＝m v 1＋12m v 2，12m v 20＝12m v 21＋12×12m v 22，解得v 1＝－1113v 0，v 2＝213
v 0， 由于E 0＝12m v 20，E 1＝12m ⎝⎛⎭
⎫－1113v 02，所以E 1＝⎝⎛⎭⎫11132E 0。

(3)第1次碰撞后E 1＝⎝⎛⎭⎫11132E 0，第2次碰撞后E 2＝⎝⎛⎭
⎫11134E 0， 第3次碰撞后E 3＝⎝⎛⎭⎫11136E 0，
……
第n 次碰撞后E n ＝⎝⎛⎭⎫11132n E 0。

二、选择题(本题共12小题，1～8题为单选，9～12题为多选)
1．(2022·浙江高三模拟)2020年12月我国科学家潘建伟等在量子计算领域取得了重大成果，构建76个光子的量子计算原型机“九章”，求解数学算法高斯玻色取样只需200秒，而目前世界最快的超级计算机要用6亿年。

这一突破使我国成为全球第二个实现“量子优越性”的国家。

有关量子的相关知识，下列说法正确的是( B )
A．玻尔提出氢原子的电子轨道是任意的
B．原子发光的光谱是一系列不连续亮线组成的线状光谱
C．普朗克提出物体所带的电荷量是量子化的，首次提出了能量子的概念
D．爱因斯坦最早认识到能量子的意义，提出光子说，并测量金属的截止电压U c与入射光的频率ν算出普朗克常量h
[解析]玻尔提出氢原子的电子轨道是量子化的，不是任意的，选项A错误；原子发光的光谱是一系列不连续亮线组成的线状光谱，选项B正确；密立根提出物体所带的电荷量是量子化的，普朗克首次提出了能量子的概念，选项C错误；爱因斯坦最早认识到能量子的意义，提出光子说，美国著名实验物理学家密立根，完全肯定了爱因斯坦光电效应方程，并测量金属的截止电压U c与入射光的频率ν，测出了当时最精确的普朗克常量h的值，从而赢得1923年度诺贝尔物理学奖，选项D错误。

2．(2021·湖南卷，1)核废料具有很强的放射性，需要妥善处理。

下列说法正确的是(D) A．放射性元素经过两个完整的半衰期后，将完全衰变殆尽
B．原子核衰变时电荷数守恒，质量数不守恒
C．改变压力、温度或浓度，将改变放射性元素的半衰期
D．过量放射性辐射对人体组织有破坏作用，但辐射强度在安全剂量内则没有伤害
[解析]放射性元素的半衰期是大量的放射性元素衰变的统计规律，对少量的个别的原子核无意义，则放射性元素完全衰变殆尽的说法错误，故A错误；原子核衰变时满足电荷数守恒，质量数守恒，故B错误；放射性元素的半衰期是由原子核的自身结构决定的，而与物理环境如压力、温度或浓度无关，与化学状态无关，故C错误；过量放射性辐射包含大量的射线，对人体组织有破坏作用，但辐射强度在安全剂量内则没有伤害，故D正确。

故选D。

3．(2021·全国高三专题练习)天然放射现象通常会放出三种射线，即α、β、γ射线，关于这三种射线，以下说法正确的是(C)
A．云室中α射线径迹长而粗，这是因为α射线具有较强的穿透能力
B．β射线是高速质子流，很容易穿透黑纸，也能穿透几毫米厚的铝板
C．γ射线是能量很高的电磁波，在电场和磁场中都不偏转
D．用β射线照射带正电的验电器，则验电器的张角会变大
[解析]由于α粒子的电离本领大，贯穿本领小，所以α射线在云室中的径迹粗而短，故A错误；β射线是高速电子流，这种射线来源于原子核内部，很容易穿透黑纸，也能穿透几毫米厚的铝板，故B错误；γ射线是能量很高的电磁波，因其不带电，所以在电场和磁场中都不偏转，故C正确；β射线是高速电子流，用β射线照射带正电的验电器，与验电器中的正电荷中和，则验电器的张角会变小，故D错误。

4．(2022·青海高三模拟)如图所示为氢原子的能级图，下列说法正确的是(A)
A．用能量为13.0 eV的电子激发n＝1能级的大量氢原子，可以使氢原子跃迁到高能级B．n＝2能级的氢原子可以吸收能量为3.3 eV的光子而发生电离
C．大量处于n＝4能级的氢原子跃迁到基态放出的所有光子中，n＝2能级跃迁到n＝1能级释放的光子的粒子性最显著
D．大量处于基态的氢原子吸收12.09 eV的光子后，只可以放出两种频率的光子
[解析]n＝1能级与n＝2能级的能量差为10.2 eV，由于13.0 eV>10.2 eV，因此用能量为13.0 eV的电子激发n＝1能级的大量氢原子，可以使氢原子跃迁到高能级，故A正确；n ＝2能级的氢原子的能量为－3.4 eV，因此欲使其发生电离，吸收的能量至少为3.4 eV，故B 错误；光子的波长越长波动性越显著，光子的频率越高，粒子性越显著，由玻尔理论可知，从n＝4能级跃迁到n＝1能级的粒子能量最大，由E＝hν，可知该光子的频率最高，该光子的粒子性最显著，故C错误；大量处于基态的氢原子吸收12.09 eV的光子后，由跃迁规律可知，大量的氢原子可以跃迁到n＝3能级，则放出的光子数为C23＝3，故D错误。

5．(2022·江西高三月考)原子核的比结合能曲线如图所示。

根据该曲线，下列判断正确的有(A)
A．42He核比63Li核更稳定
B．42He核的结合能约为14 MeV
C．两个21H核结合成42He核时吸收能量
D．235 92U核中核子的平均结合能比8936Kr核中的大
[解析]比结合能越大，核越稳定，42He核比63Li核比结合能大，则更稳定，A正确；根据图像知42He核的比结合能约为7 MeV，所以结合能ΔE＝7×4 MeV＝28 MeV，B错误；由题图可知21H的比结合能约为1 MeV，则21H核结合能为2 MeV；42He核的比结合能为7 MeV，结合能为28 MeV，则两个21H核结合成42He核时放出能量，C错误；由题图图像可知，235 92U 核中核子的平均结合能比8936Kr核中的小，D错误。

6．(2022·辽宁高三模拟)2021年3月5日，十三届人大四次会议上，总理作政府工作报告时提出：大力发展新能源，在确保安全的前提下积极有序发展核电。

以下关于核能的说法正确的是(D)
A ．核反应方程235 92U ＋10n →x ＋9438Sr ＋210
n 中，x 原子核中含有中子数为140个 B ．原子核在常温下就能发生轻核聚变，目前核电站是利用核聚变释放的能量来发电的
C ．重核裂变过程中释放核能是因为新核的比结合能小
D ．两中子与两质子的质量之和大于聚合成的42He 原子核的质量
[解析] 由质量数守恒和电荷数守恒可知，x 原子核中的核子数为(235＋1)－(94＋2)＝140个，中子数为140－(92－38)＝86个，故A 错误；轻核聚变需在极高温度下发生，核电站用核裂变释放的能量发电，故B 错误；重核裂变释放核能是因为新核的比结合能大于原来重核的比结合能，故C 错误；原子核所含核子单独存在时的总质量大于该原子核的质量，因为核子结合成原子核时要释放能量，由质能方程可知质量要减小，故D 正确。

7．(2022·山东高三模拟)静止在匀强磁场中的238 92U 核发生α衰变，产生一个未知粒子X ，
它们在磁场中的运动径迹如图所示，下列说法正确的是( C )
A ．轨迹1是α粒子的运动径迹
B ．轨迹1的粒子沿逆时针方向转动
C ．α粒子、X 粒子的运动半径之比为45∶1
D ．α粒子、X 粒子的动能之比为2∶117
[解析] 根据电荷数守恒、质量数守恒可得X 的质量数为238－4＝234，电荷数为92－2＝90，核反应前U 核静止，动量为零，根据动量守恒定律，反应前后动量守恒，则α粒子和
X 核的动量大小相等，方向相反，由q v B ＝m v 2R ，得R ＝m v qB
，可得半径之比为电荷量的反比为45∶1，则轨迹1为X 粒子的运动轨迹，由左手定则可判断出两个粒子的转动方向相同，都
为顺时针方向，故C 正确，A 、B 错误；有E k ＝p 2
2m
，两粒子动量相等，可得动能与质量数成反比，则α粒子、X 粒子的动能之比为117∶2，故D 错误。

8．(2022·重庆市高三月考)由于放射性元素237 93Np 的半衰期很短，所以在自然界中一直未
被发现，只是在使用人工的方法制造后才被发现。

已知一个237 93
Np 原子核经过一系列α衰变和β衰变后变成209 83Bi ，下列说法正确的是( A )
A ．237 93Np 的人工放射性同位素比天然放射性物质半衰期更短，放射性废料更容易处理
B ．一次衰变过程可以同时放出α粒子、β粒子和γ粒子
C ．237 93Np 的半衰期与任意一个237 93Np 原子核发生衰变的时间相等
D ．衰变过程中共发生了7次α衰变和6次β衰变
[解析] 237 93Np 的半衰期比天然放射性物质短得多，与天然放射性物质相比，237 93Np 的人
工放射性同位素的放射强度容易控制，放射性废料更容易处理，选项A 正确；一个原子核在一次衰变中要么是α衰变、要么是β衰变，同时伴随γ射线的产生，可以同时放出α粒子和γ粒子或者β粒子和γ粒子，不能同时放出三种粒子，选项B 错误；半衰期是大量原子核衰变的统计规律，对少数原子核不适用，选项C 错误；根据衰变的过程中质量数守恒，电荷数
守恒，衰变过程中发生α衰变的次数为237－2094
＝7(次)，β衰变的次数为2×7－(93－83)＝4(次)，选项D 错误。

9．(2021·全国高三专题练习)在α粒子穿过金箔发生大角度偏转的过程中，下列说法正确的是( BCD )
A ．α粒子先受到原子核的斥力作用，后受到原子核的引力作用
B ．α粒子一直受到原子核的斥力作用
C ．α粒子在靠近原子核的过程中，α粒子和原子核组成的系统能量不变
D ．α粒子一直受到库仑斥力，速度先减小后增大
[解析] α粒子与金原子核带同种电荷，两者相互排斥，故A 错误，B 正确；α粒子在靠近金原子核时斥力做负功，速度减小，远离时斥力做正功，速度增大，二者组成的系统能量不变，故C 、D 正确。

10．(2022·贵州高三模拟)2020年12月17日，我国“嫦娥五号”返回器携带重1 731克的月壤成功返回地面。

大量的探测与研究结果表明，月壤中含有极为丰富的氦3，它是一种如今已被世界公认的高效、清洁、安全和廉价的核聚变发电燃料。

两个氦3聚变的核反应方
程是32He ＋32He →42He ＋2 X ＋12.86 MeV ，
已知氦3、氦4和X 粒子的质量分别为m 1、m 2和m 3，下列说法正确的是( BD )
A ．X 粒子为中子
B ．X 粒子为质子
C ．2m 1＝m 2＋2m 3
D ．氦4的比结合能大于氦3的比结合能
[解析] 由电荷数和质量数守恒可知，X 粒子为质子，故A 错误，B 正确；由爱因斯坦质能方程可知，聚变的核反应过程中有质量亏损，则2m 1≠m 2＋2m 3，故C 错误；聚变的核反应过程放出能量，则氦4比氦3更稳定，所以氦4的比结合能大于氦3的比结合能，故D 正确。

11．(2022·浙江高三模拟)2021年4月13日日本政府宣布将向太平洋倾倒逾125万吨福岛核电站内储存的核废水，消息一出举世哗然。

福岛核电站的裂变材料是铀235，核废水含有大量的氚以及钡141、氪92、锶90、钴60、碘129、钉106等放射性核素。

由于含氚的水和普通的水具有相同的化学性质，物理性质也相近，因而现有的废水处理技术很难去除，铀235的半衰期大约为12.5年。

针对这一事件，下列同学的观点正确的是( BD )
A．为了保护海洋环境，日本政府应在12.5年后再排放经过处理的核废水
B．比较铀235、钡141、氪92、锶90的原子核，铀235的平均核子质量最大
C．比较铀235、钡141、氪92、锶90的原子核，铀235的比结合能最大
D．核反应方程：235 92U＋10n→141 56Ba＋9236Kr＋3X中的X是中子
[解析]为了保护海洋环境，日本政府在12.5年后还是不能排放经过处理的核废水，因为经过一个半衰期只是有半数发生衰变，还在的没有衰变，所以废水还是具有放射性的，所以不能排放，则A错误；比较铀235、钡141、氪92、锶90的原子核，铀235的平均核子质量最大，所以B正确；比较铀235、钡141、氪92、锶90的原子核，铀235的比结合能最小，因为比结合能越大原子越稳定，所以C错误；根据核反应过程中，遵循电荷数、质量数守恒定律，所以核反应方程235 92U＋10n→141 56Ba＋9236Kr＋3X，方程中的X是中子10n ，则D正确。

12．(2022·云南高三模拟)硼中子俘获治疗(BNCT技术)是一种生物靶向放射治疗模式，其原理是利用超热中子(10n)束照射富集含硼药物的肿瘤组织部位，与硼(10 5B)发生核反应生成锂(73Li)并放出一种射线，利用该射线杀灭癌细胞。

超热中子束的来源之一是加速后的质子(11H)轰击铍(94Be)产生的。

根据以上信息可以推断(AC)
A．这种生物靶向治疗用到的杀灭癌细胞的射线是α射线
B．中子与硼(10 5B)发生的核反应属于α衰变
C．产生超热中子束的核反应方程是11H＋94Be→95B＋10n
D．质子与铍(94Be)发生的核反应属于轻核聚变
[解析]根据题意可知，利用超热中子束照射富集含硼药物的肿瘤组织部位，并与硼10发生反应放出的粒子(锂7和另一种射线)杀灭癌细胞，其核反应方程为10n＋10 5B→73Li＋42He，所以这种生物靶向治疗用到的射线是α射线，由于α衰变是自发的，而该反应属于人工转变，故A正确，B错误；依题意可知，产生超热中子束的核反应方程是11H＋94Be→95B＋10n，超热中子束的来源之一是加速后的质子(11H)轰击铍(94Be)产生的，则属于人工转变，故C正确，D错误。