2021届高考物理一轮复习三十五放射性元素的衰变核能试题及答案

放射性元素的衰变核能
(45分钟100分)
一、选择题(本题共9小题，每小题6分，共54分，1～6题为单选题，7～9题为多选题)
1.关于原子核的衰变，下列说法正确的是( )
A.β射线是电子流，是原子核外电子的一种自发的放射现象
B.对天然放射性元素加热，其半衰期将变短
C.原子核发生衰变时，衰变前后的电荷数和质量数都守恒
D.任何元素都有可能发生衰变
【解析】选C。

β射线是原子核发生β衰变产生的，是核内中子转化为质子时放出的负电子，不是原子核外电子电离产生的，A错误；半衰期的大小由原子核内部因素决定，与温度、压强等因素无关，B错误；原子核在衰变的过程中电荷数守恒、质量数守恒，C正确；有些原子核不稳定，可以自发地衰变，但不是所有元素都可能发生衰变，D错误。

2.重元素的放射性衰变共有四个系列，分别是U238系列(从U开始到稳定的Pa为止)、Th232系列、U235系列及Np237系列(从Np开始到稳定的Bi为止)，其中，前三个系列都已在自然界找到，而第四个系列在自然界一直没有被发现，只是在人工制造出Np237后才发现的，下面的说法正确的是( )
A.U的中子数比Bi中子数少20个
B.从Np到Bi，共发生7次α衰变和4次β衰变
C.Np237系列中所有放射性元素的半衰期随温度的变化而变化
D U与U是不同的元素
【解析】选B U的中子数为238-92=146个Bi的中子数为209-83=126个，则U 的中子数比Bi的中子数多20个，A错误；根据质量数守恒有：237-209=4×7，知发生了7次α衰变，根据电荷数守恒有：93-83=2×7-4，知发生了4次β衰变，B正确；放射性物质的半衰期不受外界因素的影响，C错误U与U的质子数相同，中子数不同，它们是相同的元素，D错误。

3.(2020·泸州模拟)日本福岛核电站曾因大地震及海啸而产生核灾难，从而凸显出安全使用
核能发电的重要性。

铀是核反应堆的重要原料，其中U 原子核只有在被能量很大的快中子轰击时，才能发生裂变且概率很小；而U原子核吸收慢中子后即可产生核分裂，分裂后获得的能量可用来发电。

下列关于铀核的说法正确的是( )
A.U n Xe Sr+n是一种重核裂变方程
B U Th He是重核裂变方程
C U核裂变需要很高的温度，所以属于热核反应
D U核裂变后释放的中子不能引起下一次核裂变
【解析】选A U n Xe Sr+n是一种重核裂变方程，A正
确U Th He是α衰变方程，B错误；聚变反应需要高温，所以又叫热核反应，故C错误U核裂变后释放的中子可以引起下一次核裂变，这种反应叫作链式反应，D错误。

4.“国际热核聚变实验堆(ITER)计划”是目前全球规模最大、影响最深远的国际科研合作项目之一，ITER装置俗称“人造太阳”，该装置中发生的核反应可能是下列的( )
A H H He n
B He A l P n
C Ra Rn He
D U n Xe Sr+n
【解析】选A。

“人造太阳”的原理采用的是轻核聚变，A是轻核聚变反应方程，符合题意；B是约里奥—居里夫妇发现同位素的反应方程，不符合题意；C是α衰变反应方程，不符合题意；D是重核裂变反应方程，不符合题意。

5.钍基熔盐堆核能系统(TMSR)是第四代核能系统之一。

其中钍基核燃料铀由较难裂变的钍吸收一个中子后经过若干次β衰变而来；铀的一种典型裂变产物是钡和氪。

以下说法正确的是( )
A.题中铀核裂变的核反应方程为U n Ba Kr+n
B.钍核衰变的快慢由原子所处的化学状态和外部条件决定
C.钍核Th经过2次β衰变可变成镤Pa
D.在铀核裂变成钡和氪的核反应中，核子的比结合能减小
【解析】选A。

根据质量数守恒与电荷数守恒可知，铀核裂变的核反应方程
为U n Ba Kr+n，选项A正确；原子核的半衰期由核内部自身因素决定，与原子所处的化学状态和外部条件无关，B错误；钍核Th)经过1次β衰变可变成镤Pa)，选项C错误；重核裂变的过程中释放能量，所以重核分裂成中等大小的核，核子的比结合能增大，D错误。

6.2018年11月21日消息，中科院合肥物质科学研究院核能安全所吴宜灿研究员获得美国核学会聚变核能杰出成就奖。

关于核反应方程、半衰期，下列说法正确的是( )
A.有12个某种放射性元素的原子核，当有6个发生衰变所需的时间就是该元素的半衰期
B.放射性同位素的半衰期长短与地震、风力等外部环境无关
C Th衰变成Pb要经过4次α衰变和2次β衰变
D.核反应方程N He O H属于轻核的聚变
【解析】选B。

半衰期是大量原子核显现出来的统计规律，对少量的原子核没有意义，选项A错误；放射性元素衰变的快慢是由核内部自身的因素决定，跟原子所处的化学状态和外部条件没有关系，选项B正确；设发生了x次α衰变和y次β衰变，则根据质量数和电荷数守恒有2x-y+82=90，4x+208=232，解得：x=6，y=4，故衰变过程中共有6次α衰变和4次β衰变，选项C错误；核反应方程N He O H属于人工转变，是卢瑟福发现质子的核反应方程，选项D错误。

7.(2020·湘潭模拟)放射性物质碘131的衰变方程为I Xe e。

若碘原子核衰变前处于静止状态，下列说法正确的是( )
A.衰变后氙核的动量大小等于电子的动量大小
B.衰变后电子与氙核的质量之和小于衰变前碘核的质量
C.碘核的半衰期等于其放出一个电子所经历的时间
D.氙核含有54个中子和131个质子
【解析】选A、B。

一静止的碘核放出一个电子衰变成氙核，根据系统动量守恒知，衰变后氙核和电子动量之和为零，可知衰变后氙核的动量大小等于电子的动量大小，A正确；衰变
的过程中有质量亏损，即衰变后电子与氙核的质量之和小于衰变前碘核的质量，B正确；半衰期是原子核有半数发生衰变的时间，故C错误I中有53个质子，131表示质量数即核子数，有131-54=77个中子，D错误。

8.基于下列四幅图的叙述正确的是( )
A.由甲图可知，黑体温度升高时，各种波长的电磁波辐射强度都增加，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动
B.由乙图可知，a光光子的频率高于b光光子的频率
C.由丙图可知，该种元素的原子核每经过7.6天就有发生衰变
D.由丁图可知，中等大小的核的比结合能最大，这些核最稳定
【解析】选A、D。

由甲图观察可知黑体温度升高时，各种波长的电磁波辐射强度都增加，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动，A正确；由乙图可知，a光光子的频率低于b光
光子的频率，B错误；由丙图可知，该种元素的原子核每经过7.6天就有发生衰变，C错误；由丁图可知，质量数为40左右的原子的比结合能最大，即中等大小的核的比结合能最大，这些核最稳定，D正确。

9.(2019·天津高考)我国核聚变反应研究大科学装置“人造太阳”2018年获得重大突破，等离子体中心电子温度首次达到1亿度，为人类开发利用核聚变能源奠定了重要的技术基础。

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。

核聚变反应所产生的放射性废料较少，处理起来比较简单，而核裂变反应所产生的放射性废料较多，处理起来比较困难，所以核聚变比核裂变更为安全、清洁，因此A正确；发生核聚变需要在高温高压下进行，自然界中最容易实现的聚变反应是氢的同位素——氘与氚的聚变，并不是任意的两个原子核都能发生核聚变，质量数很大的核就不能发生核聚变， B错误；两个轻核结合成质量较大的核，总质量减少，即存在质量亏损，C错误；两个轻核结合成质量较大的核，释放能量，核子的比结合能增加，原子核更稳定，D正确。

故选A、D。

【加固训练】下列说法正确的是( )
A.结合能越大的原子核越稳定
B.玻尔的跃迁假设是根据α粒子散射实验分析得出的
C.光电效应揭示了光具有粒子性，康普顿效应揭示了光具有波动性
D.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
【解析】选D。

比结合能越大，表示原子核中核子结合得越牢靠，原子核越稳定，故A错误；为解释氢光谱，玻尔提出了轨道量子化与跃迁假设，故B错误；光电效应与康普顿效应都揭示了光具有粒子性，故C错误；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，D正确。

二、计算题(16分，需写出规范的解题步骤)
10.太阳中含有大量的氘核，氘核不断发生核反应放出核能，以光和热的形式向外辐射。

已知两个氘核发生核反应可以产生一个新核，并放出一个中子。

该新核质量为3.015 0 u，氘核质量为2.013 6 u，中子质量为1.008 7 u，1 u的质量相当于931.5 MeV的能量。

(1)写出该核反应方程式；
(2)求该核反应中释放的核能；(结果保留三位有效数字)
(3)若两氘核以相等的动能0.35 MeV进行对心碰撞，假设核能全部转化为机械能，求反应后新核的动能。

(结果保留两位有效数字)
【解析】(1)由质量数和核电荷数守恒，写出核反应方程为H H He n。

(2)反应过程中质量减少了Δm=2×2.013 6 u-1.008 7 u-3.015 0 u=0.003 5 u，
反应过程中释放的核能
ΔE=0.003 5×931.5 MeV=3.26 MeV。

(3)设n和He核的动量分别为p1和p2，由动量守恒定律得0=p1+p2，
由此得p1和p2大小相等，
由动能和动量关系E=及He核和n质量关系得，中子的动能E1是He核的动能E2的3倍，即E1∶E2=3∶1，由能量守恒定律得E1+E2=ΔE+2×0.35 MeV，
由以上可以算出E2=0.99 MeV。

答案：(1H H He n (2)3.26 MeV
(3)0.99 MeV
11.(10分)如图所示是原子核的平均核子质量A与原子序数Z的关系图象，下列说法正确的是( )
A.若D、E能结合成F，结合过程一定要释放能量
B.若D、E能结合成F，结合过程一定要吸收能量
C.若C、B能结合成A，结合过程一定要释放能量
D.若F、C能结合成B，结合过程一定要释放能量
【解析】选A。

核反应过程中，总的核子数保持不变，若反应朝平均核子质量减少的方向进行，则
总质量减少，释放能量。

由平均核子质量A与原子序数Z的关系图象可知，D与E的平均核子质量大于F的平均核子质量，所以D、E结合成F，平均核子质量减小，有质量亏损，根
据爱因斯坦质能方程，有能量释放，故A正确，B错误。

B与C的平均核子质量小于A的平均核子质量，所以若C、B能结合成A，则质量增加，根据爱因斯坦质能方程，要吸收能量，故C错误。

F与C的平均核子质量小于B的平均核子质量，所以若C、F能结合成B，则质量增加，根据爱因斯坦质能方程，要吸收能量，故D错误。

12.(20分)(2019·衡水模拟)一个静止的铀核U(原子质量为232.037 2 u)放出一个α粒子(原子质量为4.002 6 u)后衰变成钍核Th(原子质量为
228.028 7 u)。

已知：原子质量单位1 u=1.67×10-27 kg，1 u相当于931 MeV(计算结果均保留两位小数)。

(1)写出核衰变反应方程并计算该核反应释放出的核能；
(2)假设反应中释放出的核能全部转化为钍核和α粒子的动能，请计算钍核的动能大小。

【解析】(1U Th He，
质量亏损Δm=0.005 9 u，
由爱因斯坦质能方程得ΔE=Δm×931 MeV，
ΔE≈5.50 MeV。

(2)系统动量守恒，钍核和α粒子的动量大小相等，即p Th=pα，
由E kTh=，E kα=，及E kTh+E kα=ΔE，得E kTh+E kTh=ΔE，
所以钍核获得的动能E kTh=ΔE=≈0.09 MeV。

答案：(1U Th He 5.50 MeV
(2)0.09 MeV。