高二下学期物理人教版单元测试选修3-5第十九章 原子核

江苏省苏州市高新区第一中学高二物理单元测试
选修3-5 第十九章原子核
满分 100分时间 75分钟
一、单选题（本大题共13小题，共52.0分）
1.目前，在居室装修中经常用到花岗岩、大理石等装饰材料，这些岩石都不同程度地
含有放射性元素，比如，有些含有铀、钍的花岗岩等岩石会释放出放射性惰性气体氡，而氡会发生放射性衰变，放射出α、β、γ射线，这些射线会导致细胞发生癌变及呼吸道等方面的疾病，根据有关放射性知识可知，下列说法正确的是()
A. 氡的半衰期为3.8天，若取4个氡原子核，经7.6天后就一定剩下一个原子核了
B. 原子核发生一次β衰变，该原子外层就失去一个电子
C. 天然放射现象中发出的三种射线是从原子核内放出的看不见的射线
D. 发生α衰变时，生成核与原来的原子核相比，中子数减少了4
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。

下列属于放射性衰变的是()
A. 614C→714N+−10e
B. 92235U+01n→53131I+39103Y+
201n
C. 12H+13H→24He+01n
D. 24He+1327Al→1530P+01n
3.一个质子和一个中子聚变组合成一个氘核，同时辐射出一个γ光子。

已知质子、中
子、氘核的质量分别为m1、m2、m3，普朗克常数为h，真空中的光速为c，下列说法正确的是()
A. 核反应方程是11H+01n→ 13H+γ
B. 聚变反应的质量亏损Δm=m1+m2−m3
C. 辐射出的γ光子能量E=(m3−m1−m2)c
D. γ光子的波长λ=ℎ
(m1+m2−m3)c2
4.一个中子 01n被 92235U捕获后生成 54136Xe和 3890Sr的过程中释放出ΔE的核能。

已知真空
中的光速为c，则下列有关叙述正确的是()
A. 该反应过程中释放了10个中子
B. 该反应是原子核的人工转变
C. 该反应过程中的质量亏损为2ΔE
c2D. 92235U的比结合能为ΔE
235
5.一个质子和一个中子聚变结合成一个氘核，同时辐射一个γ光子。

已知质子、中子、
氘核的质量分别为m1、m2、m3，普朗克常量为h，真空中的光速为c。

下列说法正确的是()
A. 核反应方程是11H+01n→13H+γ
B. 聚变反应中的质量亏损Δm=m1+m2−m3
C. 辐射出的γ光子的能量E=(m3−m1−m2)c2
=4.17m/s
D. γ光子的波长v H=ℎν
m H c
6.某行星内部含有氦核(24He)，在一定条件下氦核经过核反应会生成碳核(612C)。

已知1个质子的质量为m p，1个中子的质量为m n，1个氦核(24He)的质量为m1、1个碳核(612C)的质量为m2，真空中的光速为c，下列说法正确的是()
A. 24He转变为612C的核反应方程为224He→612C
B. 24He转变为612C的核反应中质量亏损为6m p+6m n−m2
C. 碳核(612C)的比结合能为(6m p+6m n−m2)c2
12
D. 612C的同位素614C中有6个中子，14个核子
7.关于近代物理学的结论中，下面叙述中不正确的是()
A. 比结合能越大表示原子核中的核子结合的越牢固
B. β衰变所释放的电子是原子核内的中子转化成质子所产生出来的
C. 一个氘核( 12H)与一个氚核( 13H)聚变生成一个氦核( 24He)的同时，放出一个中子
D. 83210Bi的半衰期是5天，1000个 83210Bi经过10天后还剩下250个
8.随着科学技术的日益进步，人们对原子及原子核的认识越来越深刻，下列有关原子
及原子核的说法正确的是()
A. 天然放射性元素在升高温度后它的半衰期会缩短
B. 放射性同位素发出的γ射线能进行金属探伤
C. 汤姆生的α粒子散射实验揭示了原子具有核式复杂结构
D. 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
9.太阳向外辐射的能量来自其内部发生的各种热核反应，当太阳内部达到一定温度时，
会发生“核燃烧”，其“核燃烧”的核反应方程为， 24He+X→48Be+γ，方程中X 表示某种粒子， 48Be是不稳定的粒子，其半衰期为T，这个核反应释放出的能量为▵E，光在真空中的传播速度为c，下列说法正确的是()
A. 若使， 48Be的温度降低，其半衰期会减小
B. 方程中的X为电子(0
e)
−1
C. 该核反应过程产生的质量亏损为Δm =ΔE c 2
D. “核燃烧”的核反应是裂变反应 10. 2020年我国完成了探月工程三期任务，实现月面无人采样返回．为应对月夜的低
温，“嫦娥五号”除了太阳能板之外，还有一块“核电池”，在月夜期间提供不小于2.5W 的电功率，还能提供一定能量用于舱内温度控制．“核电池”利用了94238Pu 的衰变，衰变方程为94238Pu →m 234X+2n Y ，下列说法正确的是
A. m =92，n =4，
m 234X 比94238Pu 的中子数少2 B. 一个
94238Pu 衰变为m 234X 释放的核能为(m Pu −m X )c 2 C.
94238Pu 发生的是α衰变，α射线具有极强的穿透能力可用于金属探伤 D. 94238Pu 衰变的速度会受到阳光、温度、电磁场等环境因素的影响
11. 作为一项新能源，人类利用核能，目前都是通过可控制的核裂变反应实现的．下列
反应中属于核裂变反应的是
A.
B. 24He+1327Al → 1530P+01n
C. 90234Tℎ→
88230Ra+24He D. 23592U+01n →56144Ba+3689Kr +301n
12. 2017年1月9日，大亚湾反应堆中微子实验工程获得国家自然科学一等奖。

大多数
原子核发生核反应的过程中都伴有中微子的产生，例如核裂变、核聚变、
β衰变等。

下列关于核反应的说法，正确的是( )
A. 是α衰变方程，
是β衰变方程 B. 高速运动的α粒子轰击氮核可从氮核中打出中子，其核反应方程为
C.
衰变为，经过3次α衰变，2次β衰变 D. 是核裂变方程，也是氢弹的核反应方程
13. 关于下列几幅图的说法正确的是
A. 图甲为静止于匀强磁场中的原子核发生α衰变后两粒子的运动轨迹
B. 从图乙中可知，用黄光和紫光分别照射同一金属，若均能发生光电效应，则黄
光对应的光电子的最大初动能大于紫光对应的光电子的最大初动能
C. 根据图丙中粒子通过气泡室时的照片，可以分析出粒子的动量、能量及带电情
况
D. 图丁中放射源发出的射线中，a由电子组成，b为电磁波，c由α粒子组成
二、实验题（本大题共2小题，共18.0分）
14.(1)下列四幅图的有关说法中，正确的是______ ．
A.若两球质量相等，碰后m2的速度一定为v
B.射线甲是α粒子流，具有很强的穿透能力
C.在光颜色保持不变的情况下，入射光越强，饱和光电流越大
D.链式反应属于重核的裂变
(2)轻核聚变能够比重核裂变释放更多的能量，若实现受控核聚变，且稳定地输出
聚变能，人类将不再有“能源危机”.一个氘核( 12H)和一个氚核( 13H)聚变成一个新核并放出一个中子( 01$n)．
①完成上述核聚变方程： 12H+ 13H→______ + 01n.
②已知上述核聚变中质量亏损为△m，真空中光速为c，则该核反应中所释放的能
量为______ ．
15.太阳中心的“核反应区”不断地发生着轻核聚变反应，这是太阳辐射出能量的源泉。

已知太阳向外辐射能量的总功率为P1，太阳中心到火星中心的距离为L，火星的半径为r，且r远远小于L.火星大气层对太阳辐射的吸收和反射、太阳辐射在传播过程中的能量损失，以及其他天体和宇宙空间的辐射均可忽略不计。

(1)太阳中心的典型轻核聚变反应是4个质子(11H)聚变成1个氦原子核(24He)同时产
生2个正电子(10e)，写出该聚变反应方程。

(2)求在时间t内，火星接收来自太阳辐射的总能量E火。

(3)自然界中的物体会不断地向外辐射电磁波，同时也会吸收由其他物体辐射来的
电磁波，当辐射和吸收平衡时，物体的温度保持不变。

如果某物体能完全吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射，这种物体就称为黑体。

已知单位时间内从黑体表面单位面积辐射的电磁波的能量I与黑体表面热力学温度T的4次方成正比，即I=σT4，其中σ为已知常量。

①若将火星看成表面温度相同的黑体，求辐射和吸收达到平衡时，其表面平均温
度T火的表达式；
②太阳辐射电磁波的能量来源于如图甲所示的太阳中心的“核反应区”。

“核反
应区”产生的电磁波在向太阳表面传播的过程中，会不断被太阳的其他部分吸收，然后再辐射出频率更低的电磁波。

为了研究“核反应区”的温度，某同学建立如下简化模型：如图乙所示，将“核反应区”到太阳表面的区域视为由很多个“薄球壳层”组成，第1“薄球壳层”的外表面为太阳表面；各“薄球壳层”的内、外表面都同时分别向相邻内“薄球壳层”和外“薄球壳层”均匀辐射功率相等的电磁波(第1“薄球壳层”的外表面向太空辐射电磁波，最内侧的“薄球壳层”的内表面向“核反应区”辐射电磁波)，如图丙所示；“核反应区”产生的电磁波的能量依次穿过各“薄球壳层”到达太阳的表面，每个“薄球壳层”都视为黑体，且辐射和吸收电磁波的能量已达到平衡，所以各“薄球壳层”的温度均匀且恒定。

已知“核反应区”的半径与太阳半径之比约为R：R0=1：4，太阳的表面温度约为T0=6×103K，所构想的薄球壳层数N=1.0×1012.据此模型，估算“核反应区”
的温度T的值，并指出该模型的主要缺点。

三、计算题（本大题共3小题，共30.0分）
16.正电子发射计算机断层扫描(Positron emission tomograpℎy，简称PET)基本原理是：
将放射性同位素氟注入人体参与人体的代谢过程．氟−18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γ，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)写出氟−18的衰变的方程式及正负电子发生湮灭的方程式．
(2)设电子质量为m，电荷量为e，光速为c，普朗克常数为h，求探测到的正负电
子湮灭后生成光子的波长．
(3)根据氟−18的衰变规律，纵坐标N
表示任意时刻放射性元素的原子数与t=0的
N0
原子数之比，经过5h人体内氟−18的残留量是初时的百分之几？
17.两个氘核聚变产生一个中子和氦核(氦的同位素)。

已知氘核的质量m D=2.01360u，
氦核的质量m He=3.0150u，中子的质量m n=1.0087u。

(每亏损1 u的质量将产生931.5MeV的核能)
(1)写出聚变方程并计算释放的核能；
(2)若反应前两个氘核的动能为0.35MeV.它们正面对撞发生聚变，且反应后释放的
核能全部转化为动能，则产生的氦核和中子的动能各为多大？(上述两问计算结果均保留两位小数)
18.一静止的钚核( A Z Pu)发生衰变后放出一个α粒子变成铀核。

已知钚核质量为m1，α粒
子质量为m2，铀核质量为m3，质子质量m H，中子质量m n，光在真空中的传播速度为c。

①如果放出α粒子的速度大小为v，求铀核的速度大小v′。

②求此衰变过程中释放的总能量E总。

③求钚核的比结合能E
答案和解析
1.【答案】C
【解答】A .半衰期具有统计意义，对大量的原子核适用，少数没能意义，故A 错误；
B .β衰变所释放的电子来自原子核内部，是原子核中的一个中子转变为一个电子和一个质子，从而有电子释放出来，故B 错误；
C .天然放射现象中发出的三种射线是从原子核内放出的看不见的射线，故C 正确；
D .发生α衰变时，是原子核内部的2个质子和2个中子结合成一个α粒子释放出来，所以电荷数少2，质量数少4，即中子数少2，故D 错误。

故选C 。

2.【答案】A
【解答】A .A 选项的反应释放出电子，属于β衰变，故A 正确；
B .B 选项属于重核裂变，故B 错误；
C .B 选项属于轻核聚变，故C 错误；
D .D 选项是原子核的人工转变，不是放射性衰变，故D 错误。

故选A 。

3.【答案】B
【解答】A.选项中核反应方程不满足质量数守恒，A 错误；
B .选项中Δm 正好是结合前核子总质量与原子核质量之差，B 正确;
C .由质能方程可知辐射出的γ光子的能量为E =(m 1+m 2−m 3)c 2，C 错误;
D .由c =λν及
E =ℎν得，γ光子的波长为λ=ℎ(m 1+m 2−m 3)c ，D 错误。

4.【答案】A
【解答】A .一个 01n 被 92235U 捕获后生成
54136Xe 和3890Sr ，反应方程为：01n+92235U →54136Xe+3890Sr +1001n ，故A 正确；
B .该反应属原子核的裂变反应，不是原子核的人工转变，故B 错误；
C .92235U 的结合能并不是它衰变时放出的能量ΔE ，所以92235U 的比结合能不是，故C 错误；
D .已知真空中光速为c ，根据Δ
E =Δmc 2可得反应过程中的质量亏损为Δm =
ΔE c 2，故D
错误。

故选A 。

5.【答案】B
【解答】A .该核反应方程质量数不守恒，故A 错误；
B .聚变反应中的质量亏损△m =(m 1+m 2)−m 3，故B 正确；
C .聚变反应中亏损的质量转化为能量以光子的形式放出，故光子能量为E =(m 1+m 2−
m3)c2，故C错误；
D.根据E=ℎc
λ=(m1+m2−m3)c2，得光子的波长为：λ=ℎ
(m1+m2−m3)c
，故D错误。

故选B。

6.【答案】C
【解答】A.由核反应方程的质量数及电荷数守恒，可知氦核经过核反应生成碳核的方程为：，故A错误；
B.由题意可知，该核反应过程的质量亏损为：Δm=3m1−m2，故B错误；
C.比结合能等于结合能与核子总数的比值，由其构成可得碳核的比结合能为：
(6m p+6m n−m2)c2
12
，故C正确；
D.由原子核的结构可知，的同位素中有6个质子，14个核子，8个中子，故D 错误。

故选C。

7.【答案】D
【解答】A、比结合能越大，原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定，故A正确；
B、β衰变所释放的电子是原子核内的中子转化成质子和电子所产生的，故B正确；
C、根据电荷数守恒和质量数守恒，一个氘核( 12H)与一个氚核( 13H)聚变生成一个氦核( 24He)的同时，放出一个中子，故C正确；
D、半衰期具有统计规律，对大量的原子核适用，故D错误。

选错误的，故选D。

8.【答案】B
【解答】A.半衰期的大小与温度无关，改变温度，不会改变半衰期，A错误;
B.利用γ射线的贯穿性可以为金属探伤，故B正确；
C.卢瑟福的α粒子散射实验揭示了原子核式结构的模型，故C错误；
D.比结合能越大的原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定，与结合能的大小无关。

故D错误。

9.【答案】C
【解析】
【解答】A.半衰期的大小与温度无关，若使 48Be的温度降低，其半衰期不变，故A错误；
B.根据电荷数守恒、质量数守恒知，X的电荷数为2，质量数为4，即X粒子是 24He，故B正确；
C.根据质能方程ΔE=Δmc2可知，Δm=ΔE
c2
，故C正确；
D .“核燃烧”的核反应是聚变反应，故D 错误。

故选C 。

10.【答案】A
【解答】A .根据质量数守恒与电荷数守恒可知衰变方程为：94238Pu →92234U+24He ，其质量数减少4，核电荷数减少2，故中子数减少2，故A 正确；
B .此核反应过程中的质量亏损为Δm =m Pu −m X −m Y ，核反应的过程中释放的能量：E =(m Pu −m X −m Y )c 2，故 B 错误；
C . 94238Pu 发生的是α衰变，α射线穿透能力弱，不具备穿透金属的能力，故C 错误；
D .元素衰变的半衰期只与本身有关，与外界环境无关，故D 错误。

故选：A 。

11.【答案】D
【解答】 A .核反应 12H +13H →24He +01n 是核聚变反应的过程，故A 错误；
B .核反应 24He +1327Al →1530P +01n 是原子核的人工转变，故B 错误；
C .核反应 90234Th → 88230Ra +24He 是α衰变，故C 错误；
D . 92235U 吸收一个慢中子后分裂成两个或两个以上的中等质量的原子核的过程是重核的裂变，故D 正确。

故选：D 。

12.【答案】C
【解析】解：A 、核反应 12H + 13H → 24He + 01n 是核聚变方程， 90234Tℎ→ 91234Pa + −10e
是β衰变方程，故A 错误；
B 、高速运动的α粒子轰击氮核可从氮核中打出质子，其核反应方程为 24He + 714N →
 817O + 11H ，故B 错误；
C 、衰变为，设经过了n 次α衰变和m 次β衰变，
根据质量数守恒和电荷数守恒可得234=222+4n 90=86+2n −m
联立解得 n =3，m =2
即经过了3次α衰变，2次β衰变，故C 正确。

D 、 92235U + 01n → 56144Ba + 3689Kr +3 01n 是核裂变方程，不是氢弹的核反应方程，氢弹
的发生的核反应为聚变，故D 错误。

故选：C 。

在α衰变的过程中，电荷数少2，质量数少4，在β衰变的过程中，电荷数多1，质量数不变，根据该规律求出α衰变和β衰变的次数；
根据各自核反应的特征判断核反应的类型。

解决本题的关键知道α衰变和β衰变的实质，知道在α衰变的过程中，电荷数少2，质量
数少4，在β衰变的过程中，电荷数多1，质量数不变。

13.【答案】C
【解答】A.根据衰变前后动量守恒可知，原子核发生α衰变后α粒子和新核的速度相反，由于α粒子和新核带同种电荷，故它们在匀强磁场中的轨迹为外接圆，故A错误；
B.由题图乙可知，紫光的遏制电压比黄光的大，根据eU c=E km可知，紫光对应的光电子的最大初动能大于黄光对应的光电子的最大初动能，故B错误；
C.根据粒子通过气泡室时的照片，可以分析出粒子动量、能量及带电情况等，故C正确；
D.根据左手定则可知，题图丁中的射线a带正电，即射线a由α粒子组成，射线b不带电，即射线b是γ射线，射线c带负电，即射线c由电子组成，故D错误。

故选C。

14.【答案】CD； 24He；△mc2
【解析】解：(1)A、两球质量相等，若发生的碰撞为弹性碰撞，即动量守恒、能量守恒，可知两球的速度交换．若发生的碰撞为非弹性碰撞，则碰后m2的速度不为v.故A错误．
B、根据左手定则，甲向左偏，知甲带负电．故B错误．
C、光的颜色决定了光的频率，颜色相同，则频率相同，根据光电效应方程，知最大初动能相同，则遏止电压相等，入射光强度越大，饱和电流越大．故C正确．
D、链式反应属于重核裂变．比如铀核裂变为链式反应．故D正确．
故选CD
(2)①根据电荷数守恒，质量数守恒得，该原子核的电荷数为2，质量数为4，为氦核，即 24He．
②根据爱因斯坦质能方程知，核反应释放的核能△E=△mc2．
故答案为：(1)CD；(2)① 24He；②△mc2．
15.【答案】解：(1)太阳核反应区发生的典型的轻核聚变反应方程式为：
41 1H →4
2He
+20
1e
(2)在以太阳为中心，L为半径的球面上，单位面积接收到的太阳辐射的功率为：P=P1
4πL2火星接收到的来自太阳的电磁辐射功率为：P火=P⋅πr2
所以时间t火星接收到来自太阳辐射的总能量为：E
火=P
火
t=P1r2t
4L2
(3)①火星吸收太阳的电磁能量与自身辐射电磁能量达到平衡时有P火=I⋅4πr2设火星的平均温度为T火，根据题意有I=σT火4
联立以上两式，解得T
火=√P1
16πσL2
4
②太阳表面单位时间内向外辐射的总能量为P1，根据题意，当辐射和吸收电磁波的能量
达到平衡时，
对于第一层有：P2=2P1
对于第二层有：2P2=P3+P1，所以P3=3P1对于第三层有：2P3=P4+P2，所以P4=4P1
……由此可推知：P N=NP1；P核=(N+1)P1
则在太阳表面P1
4πR02
=σT04
在太阳核反应区(N+1)P1
4πR2
=σT4
联立以上两式得T=T0g4(N+1)R02
R2
代入数据解得：T=1.2×107K
从得到的表达式T=T0g4(N+1)R02
R2
可以看出，太阳核反应区的温度依赖于薄层的层数N，只有当层数N取特定的值(比如题目中给的值)才和太阳实际温度符合(比如题目中给的T)；大量薄层之间可能会有少量物质交换，这个模型就不再是严格意义上的“黑体”。

16.【答案】解：
(1)氟−18的衰变方程为
正负电子湮灭方程为
(2)由质能方程得ΔE=Δmc2=2mc2
由能量守恒得ΔE=2ℎν=2ℎc
λ
化简得λ=ℎ
mc
(3)由图知，氟−18的半衰期为τ=100min
残留量N=N0(1
2
)tτ
则当t=5x60min=300min时N
N0
=12.5%
17.【答案】解：(1)聚变的核反应方程：2 12H→ 23He+ 01n
核反应过程中的质量亏损为
释放的核能为
(2)对撞过程动量守恒，由于反应前两氘核动能相同，其动量等值反向，因此反应前后
系统的动量为0.
即：，
反应前后总能量守恒，得：
，
解得：，。

18.【答案】解：①钚核发生衰变后放出一个α粒子得过程中，系统动量守恒，以铀核的速度方向为正方向，根据动量守恒定律得：m3v′−m2v=0
解得：v′=m2m
3
v；
②质量亏损Δm=m1−m2−m3
根据爱因斯坦质能方程得：释放的总能量ΔE=Δmc2=(m1−m2−m3)c2；
③质子和中子结合成钚核的过程中出现的质量亏损Δm′=Am H+(Z−A)m n−m1
根据爱因斯坦质能方程得：释放的总能量ΔE′=Δm′c2=[Am H−(Z−A)m n−m1]c2
钚核的比结合能E=ΔE′
Z =[Am H−(Z−A)m n−m1]c2
Z。

答：①铀核的速度大小v′=m2m
3
v；
②衰变过程中释放的总能量E总=(m1−m2−m3)c2；
③钚核的比结合能E=[Am H−(Z−A)m n−m1]c2
Z。

【解析】本题主要考查了动量守恒定律以及根据爱因斯坦质能方程得直接应用，知道在核反应过程中，系统动量守恒，注意使用动量守恒定律时要规定正方向，难度适中。

①钚核发生衰变后放出一个α粒子得过程中，系统动量守恒，根据动量守恒定律列式求解即可；
②先求出质量亏损，再根据爱因斯坦质能方程求解即可；
③先求出质子和中子结合成钚核的过程中出现的质量亏损，然后根据爱因斯坦质能方程求出释放的总能量，最后求出钚核的比结合能。