高三物理总复习单元综合测试卷第十六单元《原子结构和原子核》新人教版

新课标人教版2013届高三物理总复习单元综合测试卷
第十六单元《原子结构和原子核》
本试卷分第Ⅰ卷(选择题)和第Ⅱ卷(非选择题)两部分
试卷满分为100分。

考试时间为90分钟。

第Ⅰ卷(选择题，共40分)
一、选择题(本大题包括10小题，每小题4分，共40分。

)
1.氦原子核由两个质子与两个中子组成，这两个质子之间存在着万有引力、库仑力和核力，则3种力从大到小的排列顺序是
( )
A.核力、万有引力、库仑力
B.万有引力、库仑力、核力
C.库仑力、核力、万有引力
D.核力、库仑力、万有引力
解析：本题考查三种相互作用及库仑定律、万有引力定律，意在考查考生知道三种相互作用和对两定律的理解.在原子核大小范围内，有强相互作用存在即核力是最大的，由于质子的质量比较小，由万有引力定律和库仑定律可知，库仑力比万有引力大，所以选D.
答案：D
2.下列说法正确的是
( )
A.157N＋11H→126C＋42He是α衰变方程
B.11H＋21H→32He＋γ是核聚变反应方程
C.23892U→23490Th＋42He是核裂变反应方程
D.42He＋2713Al→3015P＋10n是原子核的人工转变方程
解析：本题考查了核反应的相关知识，意在考查考生对天然放射现象、重核裂变、轻核聚变、原子核的人工转变等相关知识的记忆及分析判断能力.选项A、D为原子核的人工转变，选项B为轻核聚变，选项C为原子核的衰变，故选项BD正确.
答案：BD
3．下面是一核反应方程式：21H＋31H―→42He＋X，用c表示光速，则
( )
A.X是质子，核反应放出的能量等于质子质量乘c2
B.X是中子，核反应放出的能量等于中子质量乘c2
C.X是质子，核反应放出的能量等于氘核与氘核的质量和减去氦核与质子的质量和，再乘c2
D.X是中子，核反应放出的能量等于氘核与氘核的质量和减去氦核与中子的质量和，再乘c2
解析：由荷电核数守恒及质量数守恒，和爱因斯坦质能方程可以求解.
答案：D
4．据媒体报道，叛逃英国的俄罗斯前特工利特维年科在伦教离奇身亡，英国警方调查认为毒杀利特维年科的是超级毒药——放射性元素钋(210 84Po)，若该元素发生α衰变，其半衰期是138天，衰变方程为210 84Po→X＋42He＋γ，则下列说法中正确的是
( )
A.X原子核含有124个中子
B.X原子核含有206个核子
C.γ射线是由处于激发态的钋核从较高能级向较低能级跃迁时发出的
D.100 g的210 84Po经276天，已衰变的质量为75 g
解析：X原子核中的核子数为210－4＝206个，B正确.中子数为206－(84－2)＝124个，A正确.γ射线是由于核反应前后因质量损亏释放的能量以γ光子的形式放出，C错.经过两个半衰期，剩余的钋的质量为原来的四分之一，则已衰变的质量为原来的四分之三，D正确.
答案：ABD
5．根据有关放射性方面的知识可知，下列说法正确的是
( )
A.随着气温的升高，氡的半衰期会变短
B.许多元素能自发地放出射线，使人们开始认识到原子是有复杂结构的
C.放射性元素发生β衰变时所释放的电子来源于核外电子
D.氢核、中子和氘核的质量分别为m1、m2、m3，当氢核与中子结合为氘核时，放出的能量为(m1＋m2－m3)c2
解析：半衰期是由原子核内部结构决定的，与化学、物理性质无关，故A项错.β衰变是核内的一个中子转化为一个质子和一个电子，电子被释放出来，故C项错.氢核和中子结合成氘核放出的能量为(m1＋m2－m3)c2是正确的，故D项正确，放射性使人们认识到原子核有复杂结构，B错.
答案：D
6．关于天然放射现象，下列说法正确的是
( )
A.放射性元素的原子核内的核子有半数发生变化所需的时间就是半衰期
B.放射性物质放出的射线中，α粒子动能很大，因此贯穿物质的本领很强
C.当放射性元素的原子的核外电子具有较高能量时，将发生β衰变
D.放射性的原子核发生衰变后产生的新核从高能级向低能级跃迁时，辐射出γ射线
解析：半衰期是指放射性元素的原子核有半数发生衰变所用的时间，故A错；α、β、γ三种射线中，α粒子速度最小，其贯穿本领最小，故B错；β衰变的原因是原子核内部的中子转化为质子时产生了电子，故C错；衰变后产生的新核从高能级向低能级跃迁时，释放能量，辐射出γ射线，故D对.
答案：D
7．放射性同位素14C在考古中有重要应用，测得该化石中14C残存量，可推算出化石的年代.为研究14C的衰变规律，将一个原来静止的14C原子核放在匀强磁场中，观察到它所放射的粒子与反冲核的径迹是两个相外切的圆，圆的半径之比R∶r＝5∶1，如图1所示.那么14C的衰变方程式应是下列给定的四个方程中的
( )
图1
A.146C→104Be＋42He
B.146C→145B＋01e
C.146C→147N＋0－1e
D.146C→125B＋11H
答案：B
8．若原子的某内层电子被电离形成空位，其他层的电子跃迁到该空位上时，会将多余
的能量以电磁辐射的形式释放出来，此电磁辐射就是原子的特征X 射线，内层空位的产生有多种机制，其中的一种称为内转换，即原子中处于激发态的核跃迁回到基态时，将跃迁时释放的能量交给某一内层电子，使此内层电子电离而形成空位(被电离的电子称为内转换电
子),214
Po 的原子核从某一激发态回到基态时，可将能量E 0＝1.416 MeV 交给内层电子(如K 、
L 、M 层电子，K 、L 、M 标记原子中最靠近核的三个电子层)使其电离，实验测得从214
Po 原子的K 、L 、M 层电离出的电子的动能分别为E K ＝1.323 MeV ，E L ＝1.399 MeV ，E M ＝1.412 MeV ，则可能发射的特征X 射线的能量为
( )
A.0.013 MeV
B.0.017 MeV
C.0.076 MeV
D.0.093 MeV
解析：由题分析可知，电离后产生的电子动能在数值上与原子所处的激发态能级对应.即E K ＝1.323 MeV ，E L ＝1.399 MeV ，E M ＝1.412 MeV.当发生能级跃迁时，释放的X 射线的能量可能值为E L －E K ＝0.076 MeV ，E M －E L ＝0.013 MeV ，E M －E K ＝0.089 MeV.选项中A 、C 正确.
答案：AC
9．氢原子的能级如图2所示，已知可见光的光子能量范围约为1.62～3.11 eV ，下列说法错误的是
( )
图2
A.处于n ＝3能级的氢原子可以吸收任意频率的紫外线，并发生电离
B.大量氢原子从高能级向n ＝3能级跃迁时，发出的光具有显著的热效应
C.大量处于n ＝4能级的氢原子向低能级跃迁时，可能发生6种不同频率的光
D.大量处于n ＝4能级的氢原子向低能级跃迁时，可能发出3种不同频率的可见光 解析：要使处于n ＝3能级的氢原子电离，其光子的能量必须大于或等于1.51 eV ，而紫外线光子的能量大于3.11 eV ，故能使n ＝3能级的氢原子电离；大量氢原子从高能级向n ＝3能级跃迁时，放出的光子在红外线区，故具有显著的热效应；大量氢原子由n ＝4能级向低能级跃迁时，可能放出6种不同频率的光，其中有2种不同频率的可见光，D 选项错误.
答案：D
10．根据玻尔理论，某原子的电子从能量为E 的轨道跃迁到能量为E ′的轨道，辐射出波长为λ的光，以h 表示普朗克常量，c 表示真空中的光速，则E ′等于
( )
A.E －h λ
c
B.E ＋h λc
C.E －h c
λ
D.E ＋h c
λ
解析：根据玻尔理论，原子从一种定态(设能量为E )跃迁到另一种定态(设能量为E ′)时，它辐射(或吸收)一定频率的光子，光子的能量由这两种定态的能量差决定，即hν＝E
－E ′，又光在真空中传播时ν＝c λ，联立得E ′＝E －h c
λ
.
答案：C
第Ⅱ卷(非选择题，共60分)
二、填空题(每小题10分，共20分)
11.历史上第一次利用加速器实现的核反应，是用加速后动能为0.5 MeV 的质子1
1H 轰击静止的A Z X ，生成两个动能均为8.9 MeV 的42He.(1 MeV ＝1.6×10－13
J)
①上述核反应方程为________. ②质量亏损为________kg.
解析：11H ＋73X→42He ＋42He 或11H ＋73Li→42He ＋4
2He① Δm ＝3.1×10－29 kg② 答案：见解析
12.随着现代科学的发展，大量的科学发现促进了人们对原子、原子核的认识，下列有关原子、原子核的叙述正确的是________.(填选项前的编号)
①卢瑟福α粒子散射实验说明原子核内部具有复杂的结构 ②天然放射现象表明原子核内部有电子
③轻核聚变反应方程有：21H ＋31H ―→42He ＋1
0n
④氢原子从n ＝3能级跃迁到n ＝1能级和从n ＝2能级跃迁到n ＝1能级，前者跃迁辐射出的光子波长比后者的长
解析：本题考查原子的基本结构和原子核的基本组成，核反应方程式的写法以及玻尔的氢原子能级量子化理论.
①选项错误，卢瑟福的α粒子散射实验说明了原子应该具有核式结构.选项②错误，天然放射现象放射出的β射线是高速运动的电子流，是由原子核中的中子变成质子后产生的.选项③正确，写核反应方程时应遵循质量数守恒和电荷数守恒的原则.选项④错误，由氢原子能级方程hν＝E m －E n ，而ν＝c λ，则hc λ
＝E m －E n 得λ＝hc
E m －E n
，当氢原子从n ＝3能级跃
迁到n ＝1能级时，λ1＝
hc
E 3－E 1
，从n ＝2能级跃迁到n ＝1能级时，λ2＝
hc
E 2－E 1
，E 3－E 1>E 2
－E 1，所以λ1<λ2.
答案：③
三、计算题(每小题10分，共40分)
13.在β衰变中常伴有一种称为“中微子”的粒子放出.中微子的性质十分特别，因此在实验中很难探测.1953年，莱尼斯和柯文建造了一个由大水槽和探测器组成的实验系统，
利用中微子与水中1
1H 的核反应，间接地证实了中微子的存在.
(1)中微子与水中的11H 发生核反应，产生中子(10n)和正电子(0
＋1e)，即
中微子＋11H ―→10n ＋0
＋1e
可以判定，中微子的质量数和电荷数分别是________.(填写选项前的字母) A.0和0 B.0和1 C.1和0 D.1和1
(2)上述核反应产生的正电子与水中的电子相遇，与电子形成几乎静止的整体后，可以转变为两个光子(γ)，即
0＋1e ＋0
－1e ―→2γ 已知正电子和电子的质量都为9.1×10－31
kg ，反应中产生的每个光子的能量约为________ J.正电子与电子相遇不可能只转变为一个光子，原因是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________. (3)试通过分析比较，具有相同动能的中子和电子的物质波波长的大小.
解析：(1)根据方程的质量数与电荷数守恒，判断出质量数与电荷数均为零.(2)利用质能方程可得出每个光子的能量，正电子与电子相遇遵循动量守恒不可能只转化为一个光子.
答案：(1)A (2)8.2×10
－14
遵循动量守恒
(3)粒子的动量 p ＝2mE k ，物质波的波长 λ＝h p
由m n >m e ，知p n >p e ，则λn <λe
14．从静止的镭核226
88Ra 中射出的α粒子垂直进入正交的匀强电场E 和匀强磁场B ，在
电磁场中做直线运动，已知E ＝3.72×104N/C ，B ＝2.0×10－3
T.
(1)写出核反应式.
(2)放出α粒子后，反冲核速度多大？
(3)若静止的镭核放出α粒子是在匀强磁场中进行的，而且衰变后它们的速度均垂直于匀强磁场B ，求α粒子与反冲核做圆周运动的半径之比，并定性地画出α粒子和反冲核运动的完整轨迹.
解析：(1)核反应方程为226 88Ra→222 86Rn ＋4
2He
(2)α粒子在电、磁场中做直线运动时，受力平衡qv αB ＝qE ，所以v α＝E B
根据动量守恒可得反冲核的速度为
v ＝m αM Rn v α＝m αE M Rn B
＝4×3.72×104
222×2×10
－3m/s ＝3.4×105
m/s (3)轨迹如图3所示
图2
圆半径R ＝mv qB ＝p qB 由于p 、B 相同，可知R ∝1
q
则有
R αR Rn ＝862＝431
答案：(1)226
88Ra→222
86Rn ＋4
2He (2)3.4×105
m/s (3)43∶1 15.23592U 受中子轰击时会发生裂变，产生139 56Ba 和94
36Kr ，同时放出能量.已知每个铀核裂变释放的平均能量为200 Mev.
(1)写出核反应方程.
(2)现在要建设发电功率为5×105 kW 的核电站，用235
92U 作为核燃料，假设核裂变释放的
能量一半转化为电能，那么该核电站一天消耗23592U 多少千克？(阿伏加德罗常数取6.0×1023
mol －1)
解析：(1)核反应方程 23592U ＋10n→13956Ba ＋9436Kr ＋31
0n ＋200 MeV① (2)电站一天发出的电能E 1＝Pt
设每天消耗235
92U 为m kg ，核裂变释放的能量为
E 2＝m ×103235
×6.0×1023×200×104×1.6×10－19
②
由能量转化得E 1＝ηE 2③ 由①②③式得m ＝1.06 kg
答案：(1)23592U ＋10n→13956Ba ＋9436Kr ＋31
0n ＋200 MeV (2)1.06 kg
16. 1996年清华大学和香港大学的学生合作研制了太阳能汽车，该车是以太阳能电池
将所接受的太阳光能转化为电能而提供给电动机来驱动的.已知车上太阳能电池接收太阳光
能的板面面积为8 m 2
，正对太阳能产生120 V 的电压，并对车上的电动机提供10 A 的电流，
电动机的直流电阻为4Ω，而太阳光照射到地面处时单位面积上的辐射功率为103W/m 2
.
(1)太阳光的能量实际上是由质子所参与的一系列反应所产生的，即在太阳内部持续不断地进行着热核反应，4个质子聚变为1个氦核，写出核反应方程.
(2)该车的太阳能电池转化太阳光能的效率η1是多少.
(3)若质子、氦核、正电子的静止质量分别为m p ＝1.6726×10－27
kg 、m α＝6.6425×10－27kg 、m e ＝0.0009×10－27 kg ，则m ＝1 kg 的质子发生上述热核反应所释放的能量完全转化为驱动该车的有用功，能够维持该车行驶的时间是多少？
(4)已知太阳每秒释放的能量为 3.8×1026
J ，则太阳每秒减少的质量为多少千克？若太阳质量减少万分之三，热核反应不能继续进行，计算太阳能存在多少年？
解析：(1)411H→42He ＋20
1e
(2)η1＝
UI
P 0S
＝15% (3)∵ΔE ＝(4m P －m α－2m e )c 2＝4.15×10－12
J 而mN A ΔE 4M
＝(UI －I 2R )t
∴t ＝1.30×1011
s
(4)太阳每秒释放的能量为3.8×1026
J ，则太阳每秒减少的质量为
Δm ＝ΔE
c
2＝0.4×1010kg
太阳的质量为2×1030
kg ，太阳还能存在的时间为 t ＝ΔM Δm ＝2×1030×3×10－40.4×10
10
s ＝1.5×1017s ＝5×109年 答案：(1)411H→42He ＋201e (2)15% (3)1.30×1011s (4)0.4×1010kg 5×109
年。