暑假作业14 原子核（解析版）-2025版高二物理暑假作业

限时练习：90min完成时间：月日天气：作业14原子核一、射线的本质1．α射线：(1)是高速粒子流，其组成与氦原子核相同，符号为eq\o\ar(4,2)He，带电荷量为2e，质量是氢原子的4倍。(2)速度可以达到光速的eq\f(1,10)。(3)电离作用强，穿透能力较弱，在空气中只能前进几厘米，用一张纸就能把它挡住。2．β射线：(1)是高速电子流，符号为eq\o\al(0,－1)e，带电荷量为－e。(2)它的速度可接近光速。(3)电离作用较弱，穿透能力较强，很容易穿透黑纸，也能穿透几毫米厚的铝板。3．γ射线：(1)是能量很高的电磁波，波长很短，波长在10－10m以下。(2)不带电，静止质量为0。(3)电离作用更弱，穿透能力更强，甚至能穿透几厘米厚的铅板和几十厘米厚的混凝土。二、原子核的组成1．质子p：(1)1919年，卢瑟福用α粒子轰击氮原子核发现了质子。(2)质子带正电，电荷量与一个电子电荷量相等，质子的质量为mp＝1.672621898×10－27kg。2．中子n：(1)卢瑟福猜想，原子核内可能还存在着一种质量与质子相同，但不带电的粒子，称为中子，查德威克通过实验证实了中子的存在，中子是原子核的组成部分。(2)中子的质量为mn＝1.674927471×10－27kg。3．原子核的组成：原子核由质子和中子组成，质子和中子统称为核子。4．原子核的符号5．同位素：核中质子数相同而中子数不同的原子，在元素周期表中处于同一位置，它们互称为同位素。例如，氢有三种同位素氕、氘、氚，符号分别是eq\o\ar(1,1)H、eq\o\ar(2,1)H、eq\o\ar(3,1)H。三、原子核的衰变1．定义：原子核自发地放出α粒子或β粒子，而变成另一种原子核的变化。2．衰变类型(1)α衰变：原子核放出α粒子的衰变。进行α衰变时，质量数减少4，电荷数减少2，eq\o\ar(238,92)U的α衰变方程：eq\o\ar(238,92)U→eq\o\ar(234,90)Th＋eq\o\ar(4,2)He。(2)β衰变：原子核放出β粒子的衰变。进行β衰变时，质量数不变，电荷数加1，eq\o\ar(234,90)Th的β衰变方程：eq\o\ar(234,90)Th→eq\o\ar(234,91)Pa＋eq\o\ar(0,－1)e。3．衰变规律：原子核衰变时电荷数和质量数都守恒。四、核反应1．核反应：原子核在其他粒子的轰击下产生新原子核或者发生状态变化的过程。(1)条件：用α粒子、质子、中子，甚至用γ光子轰击原子核使原子核发生转变。(2)实质：用粒子轰击原子核并不是粒子与核碰撞将原子核打开，而是粒子打入原子核内部使核发生了转变。2．原子核人工转变的三大发现(1)1919年卢瑟福用α粒子轰击氮原子核，发现了质子，eq\o\ar(14,7)N＋eq\o\ar(4,2)He―→eq\o\ar(17,8)O＋eq\o\ar(1,1)H。(2)1932年查德威克用α粒子轰击铍，发现了中子：eq\o\ar(9,4)Be＋eq\o\ar(4,2)He→eq\o\ar(12,6)C＋eq\o\ar(1,0)n。(3)1934年约里奥—居里夫妇发现放射性同位素和正电子的核反应方程eq\o\ar(27,13)Al＋eq\o\ar(4,2)He→eq\o\ar(30,15)P＋eq\o\ar(1,0)n，eq\o\ar(30,15)P→eq\o\ar(30,14)Si＋eq\o\ar(0,＋1)e。3．遵循规律：质量数守恒，电荷数守恒。五、结合能1．结合能原子核是核子凭借核力结合在一起构成的，要把它们分开，也需要能量，这就是原子核的结合能。2．比结合能原子核的结合能与核子数之比，叫作比结合能，也叫作平均结合能。比结合能越大，原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定。六、质量亏损1．质量亏损：原子核的质量小于组成它的核子的质量之和的现象，叫质量亏损。2．质能方程(1)爱因斯坦狭义相对论认为，质量亏损Δm与释放的核能ΔE之间的关系：ΔE＝Δmc2。(2)扩展：质量为m的物体，所蕴含的能量E＝mc2。3．对质能方程E＝mc2的理解(1)质能方程E＝mc2说明一定的质量总是跟一定的能量相联系。具体地说，一定质量的物体所具有的总能量是一定的，E不是单指物体的动能、核能或其他哪一种能量，而是物体所具有的各种能量的总和。(2)根据质能方程E＝mc2，物体的总能量与其质量成正比。物体质量增加，则总能量随之增加；质量减少，总能量也随之减少。(3)根据质能方程ΔE＝Δmc2，核反应过程中发生的质量亏损，并不是消失了，减少的质量Δm在核子结合成核的过程中以能量的形式辐射出去了。反过来，把原子核分裂成核子，总质量要增加，总能量也要增加，增加的能量要由外部供给。七、核裂变1．核裂变：铀核在被中子轰击后分裂成两块质量差不多的碎块，这类核反应定名为核裂变。2．铀核裂变用中子轰击铀核时，铀核发生裂变，其产物是多种多样的，其中一种典型的反应是eq\o\ar(235,92)U＋eq\o\al(1,0)neq\o\ar(144,56)Ba＋eq\o\al(89,36)Kr＋3eq\o\ar(1,0)n。3．链式反应中子轰击重核发生裂变后，裂变释放的中子继续与其他重核发生反应，引起新的核裂变，使核裂变反应一代接一代继续下去，这样的过程叫作核裂变的链式反应。4．临界体积和临界质量：核裂变物质能够发生链式反应的最小体积叫作它的临界体积，相应的质量叫作临界质量。5．核裂变的能量：重核裂变为中等质量的原子核、发生质量亏损，所以放出能量。如果一个铀235核裂变时释放的能量按200MeV估算，1kg铀235全部裂变时放出的能量就相当于2800t标准煤完全燃烧时释放的化学能。八、核聚变1．定义：两个轻核结合成质量较大的核，这样的核反应叫作核聚变。2．核反应方程(举例)：eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)n＋17.6MeV。3．条件：使轻核的距离达到10－15m以内。方法：需要加热到很高的温度，因此核聚变又叫热核反应。4．宇宙中的核聚变：太阳能是太阳内部的氢核聚变成氦核释放的核能。5．人工热核反应的应用——氢弹原理：首先由化学炸药引爆原子弹，再由原子弹爆炸产生的高温高压引发热核爆炸。6．核聚变与核裂变的比较(1)优点：①轻核聚变产能效率高；②地球上核聚变燃料氘储量丰富，而氚可利用锂来制取，足以满足核聚变的需要；③轻核聚变更为安全、清洁。(2)缺点：核聚变需要的温度太高，地球上没有任何容器能够经受如此高的温度。科学家提出的解决方案：①磁约束：利用磁场约束参加反应的物质，目前最好的一种磁约束装置是环流器。②惯性约束：聚变物质因自身的惯性，在极短时间内来不及扩散就完成了核反应，在惯性约束下，用高能量密度的激光或X射线从各个方向照射参加反应物质，使它们“挤”在一起发生反应。一、单选题1．宇宙射线进入地球大气层时，同大气作用产生中子，中子撞击大气中的会引发核反应产生具有放射性的，能自发地衰变为，半衰期为5730年。对此，下列说法正确的是（

）A．发生的是衰变B．衰变辐射出的粒子来自于碳原子核内的中子C．由于温室效应，的半衰期会发生微小变化D．若测得一古木样品的含量为活体植物的，则该古木距今约为11460年【答案】B【解析】A．根据电荷数守恒、质量数守恒，得该核反应方程为发生的是衰变，故A错误；B．衰变辐射出的粒子来自于碳原子核内的中子转变成的质子时放出的电子，故B正确；C．外界条件不会引起半衰期发生变化，故C错误；D．若测得一古木样品的含量为活体植物的，则该古木距今经过了一个半衰期，约为5730年，故D错误。故选B。2．在匀强磁场中有一个原来静止的碳14原子核发生了某种衰变，已知放射出的粒子速度方向及反冲核N原子核的速度方向均与磁场方向垂直，如图所示。下列说法正确的是（）A．反冲核N原子核的动能更大B．图中大圆为反冲核N原子核的运动轨迹C．碳14发生α衰变D．图中大圆与小圆直径之比为7∶1【答案】D【解析】A．设放射出的粒子质量为m，反冲核N的质量为M，则由动量守恒根据可知反冲核N原子核的动能更小，选项A错误；B．根据反冲核N带电量较大，可知半径较小，即小圆为反冲核N原子核的运动轨迹，选项B错误；C．因两轨迹圆内切，可知碳14发生衰变，选项C错误；D．根据可知，图中大圆与小圆直径之比等于电量的反比，即为7∶1，选项D正确。故选D。3．核电作为清洁低碳、安全高效、稳定且可大规模发展的绿色低碳能源，在推动绿色发展和助力“双碳”目标实现方面发挥着重要的作用。据统计，一座百万千瓦电功率的核电厂和燃煤电厂相比，每年可以减少二氧化碳排放600多万吨，可见核能是减排效应较大的能源之一。下列关于核反应的说法正确的是（

）A．重核裂变过程中能释放能量而轻核聚变过程中只吸收能量B．核反应堆中发生的核裂变方程为C．核裂变产生的一个原子核中有56个质子，88个中子D．的半衰期为7亿年，100个原子核经过7亿年还有50个没发生衰变【答案】C【解析】A．核聚变时释放能量，质量会亏损，故A错误；B．核反应堆中发生的核裂变方程为故B错误；C．核裂变产生的一个原子核中有56个质子，88个中子，故C正确；D．半衰期是对大量粒子的统计规律，100个原子核不符合半衰期规律，故D错误。故选C。4．在太阳内部发生的核反应方程有，则X是（）A．光子 B．中子 C．质子 D．正电子【答案】D【解析】根据质量数守恒，X是质量数为0，根据电荷数守恒，X电荷数为1，所以X为正电子。故选D。5．关于近代物理学，下列说法正确的是（

）A．巴耳末公式为，其中可取小数B．射线的电离本领很大，在威尔逊云室中一定可以看到它的径迹C．碳14的衰变方程为，为电子，此核反应为人工核转变D．在康普顿效应中，入射的光子与晶体中的电子碰撞时，光子动量可能会变小【答案】D【解析】A．巴耳末公式中的取大于2的任意整数，不能取小数，A错误；B．射线的贯穿能力最强，射线电离本领强，威尔逊云室能够观察到射线的径迹是利用射线在云室里发生电离作用，所以射线不一定可以看到径迹，B错误；C．根据电荷量守恒和质量数守恒可知，为电子，此核反应为衰变，C错误；D．在康普顿效应中，入射的光子与晶体中的电子碰撞时，要把一部分动量转移给电子，因而光子动量可能会变小，D正确。故选D。6．下列核反应方程中，X1、X2、X3、X4代表β粒子的是（）A． B．C． D．【答案】D【解析】根据质量数和电荷数守恒可知，X1、X2为中子，X3为质子，X4为，即为β粒子。故选D。二、多选题7．在发现新的物理现象后，人们往往试图用不同的理论方法来解释，比如，当发现光在地球附近的重力场中传播时其频率会发生变化这种现象后，科学家分别用两种方法做出了解释。现象：从地面P点向上发出一束频率为v0的光，射向离地面高为H（远小于地球半径）的Q点处的接收器上，接收器接收到的光的频率为v。方法一：根据光子能量（式中h为普朗克常量，m为光子的等效质量，c为真空中的光速）和重力场中能量守恒定律，可得接收器接收到的光的频率v。方法二：根据广义相对论，光在有万有引力的空间中运动时，其频率会发生变化，将该理论应用于地球附近，可得接收器接收到的光的频率。式中G为引力常量，M为地球质量，R为地球半径。下列说法不正确的是（

）A．由方法一得到，g为地球表面附近的重力加速度B．由方法二可知，接收器接收到的光的波长大于发出时光的波长C．若从Q点发出一束光照射到P点，从以上两种方法均可知，其频率会变小D．通过类比，可知太阳表面发出的光的频率在传播过程中变大【答案】CD【解析】A．由能量守恒定律可得由于解得故A正确；B．根据光的频率表达式可知根据可知，接收器接受到的光的波长大于发出的光的波长，故B正确；C．若从地面上的P点发出一束光照射到Q点，从以上两种方法均可知，其频率变小，若从Q点发出一束光照射到P点，其频率变大，故C错误；D．由上述分析可知，从地球表面向外辐射的光在传播过程中频率变小；通过类比可知，从太阳表面发出的光的频率在传播过程中变小，故D错误。此题选择不正确的，故选CD。8．人们发现，不同的原子核，其核子的平均质量（原子核的质量除以核子数）与原子序数有如图所示的关系。下列关于原子结构和核反应的说法正确的是（  ）A．在核反应堆的外面修建很厚的水泥层能防止放射线和放射性物质的泄漏B．由图可知，原子核A裂变成原子核B和C时会有质量亏损，要放出核能C．由图可知，原子核D比原子核Fe更稳定D．在核反应堆的铀棒之间插入镉棒为了加快核裂变反应的速度【答案】AB【解析】A．在核反应堆的外面修建很厚的水泥层能防止放射线和放射性物质的泄漏，故A正确；B．由图可知，A核子的平均质量大于B与C核子的平均质量，原子核A裂变成原子核B和C时会有质量亏损，要放出核能，故B正确C．原子核D比原子核Fe的核子平均质量大，原子核Fe比原子核D更稳定，故C错误；D．在核反应堆的铀棒之间插入镉棒是为了控制核反应速度，当反应过于激烈时，将镉棒插入深一些，让它多吸收一些中子，链式反应的速度就会慢一些，故D错误。故选AB。9．下面课本中四幅插图相关的说法中正确的是（）A．卢瑟福否定了汤姆孙枣糕式原子模型的依据是粒子散射实验现象中，绝大多数粒子穿过金箔后，仍沿原来的方向前进B．在康普顿效应中，散射的光子波长变大，光子的能量减小C．图丙为轧钢厂利用射线的穿透能力来测量钢板的厚度的装置D．一个处于能级的氢原子向基态跃迁，最多可辐射2种频率的光子，跃迁后电子的电势能减小，动能增大【答案】BD【解析】A．卢瑟福否定了汤姆孙枣糕式原子模型的依据是无法解释粒子散射实验现象中，少数粒子发生了较大的角度偏转，极少数粒子发生了大角度偏转，故A错误；B．康普顿效应中入射光子与电子碰撞时，根据动量守恒可知其动量减少，根据可知散射的光子波长变大，频率变小，说明光子的能量减小了，故B正确；C．图丙为轧钢厂利用射线的穿透能力来测量钢板的厚度的装置，故C错误；D．一个处于能级的氢原子向基态跃迁，可能跃迁的路径为或，则最多可辐射2种频率的光子，跃迁后电子的轨道半径减小，则电子的电势能减小，动能增大，故D正确。故选BD。10．1930年，科学家用放射性物质中产生的α粒子轰击铍（）原子时，产生了看不见的、贯穿能力很强的中子，用中子以同样的速度分别去轰击静止的氢原子和氮原子，结果从中打出了氢核和氮核，以此推算出中子的质量。设氢核质量为，打出后速度为，氮核质量为氢核质量的14倍，打出后速度为，假设碰撞均为弹性碰撞，则（）A．放射性物质α衰变后生成物的比结合能小于该放射性物质的比结合能B．α粒子轰击铍原子的核反应方程式为C．被轰击后的氢核的速度大于氮核的速度D．可推算出中子的质量为【答案】BC【解析】A．生成物更稳定，比结合能更大，故A错误；B．α粒子轰击铍原子的核反应方程式为故B正确；CD．设中子的质量为，碰前速度为，碰后速度为，根据动量守恒定律和能量守恒定律可知联立解得同理可知和氮原子碰撞后即被轰击后的氢核的速度大于氮核的速度，可解出中子的质量为故C正确，D错误。故选BC。一、单选题1．下列四幅图分别对应四种说法，其中正确的是（）A．图甲中铀238的半衰期是45亿年，经过45亿年，10个铀238必定有5个发生衰变B．图乙中氘核的比结合能小于氦核的比结合能C．图丙中一个氢原子从n=4的能级向基态跃迁时，最多可以放出6种不同频率的光D．图丁中为光电效应实验，用不同光照射某金属得到的关系图，则a光频率最高【答案】B【解析】A．图甲中铀238的半衰期是45亿年，半衰期只适用大量原子核的衰变，所以经过45亿年，10个铀238不一定有5个发生衰变，故A错误；B．图乙中氦核比氘核更稳定，氘核的比结合能小于氦核的比结合能，故B正确；C．图丙中一个氢原子从n=4的能级向基态跃迁时，跃迁路径可能为、、、，所以最多可以放出3种不同频率的光，故C错误；D．图丁中为光电效应实验，用不同光照射某金属得到的关系图，根据，由图像可知，c光对应的遏止电压最大，则c光对应的光电子最大初动能最大，c光频率最高，故D错误。故选B。2．2024年4月20日，我国首次利用核电商用堆批量生产碳14同位素，这标志着将彻底破解国内碳14同位素依赖进口的难题，实现碳14供应全面国产化。碳14发生β衰变时的反应方程为，则是（）A． B． C． D．【答案】B【解析】由质量数守恒有解得由电荷数守恒有解得综上所述，其为。故选B。3．心脏起搏器中的微型核电池以钽铂合金作外壳，内装有钚238，可在患者胸内连续安全使用10年以上。现有某型号核电池，只有重，体积仅，内装钚。已知钚的半衰期为87.7年，钚衰变时会放出射线和光子，生成新核X。下列说法正确的是（）A．新核X的中子数为142 B．该核电池中的核反应属于核裂变C．温度升高，钚的半衰期将小于87.7年 D．经43.85年，的钚还剩余【答案】A【解析】A．钚的衰变方程新核X的中子数234-92=142，故A正确；B．核电池中的核反应属于衰变，故B错误；C．温度升高，钚的半衰期不变，故C错误；D．经87.7年，的钚还剩余，故D错误。故选A。4．下列四幅图中：图甲是氢原子的能级示意图；图乙胶囊中装的是钴，其半衰期约为5.272年；图丙瓶中装的是碘；图丁是、、三种射线在垂直于纸面向里的磁场中的偏转情况。下列说法正确的是（）A．图甲中，基态的氢原子吸收能量为13.25eV的光子可以跃迁到能级B．图乙中，经过15.816年的时间，原子核中有87.5g已经发生了衰变C．图丙中，发生衰变的方程为，发生的是衰变D．图丁中，射线的速度最快、射线的电离作用最强、射线的穿透能力最强【答案】B【解析】A．光子的能量需等于两能级间的能量差，才能被氢原子吸收，发生跃迁，故基态的氢原子不能吸收能量为的光子跃迁到能级，A项错误；B．根据半衰期的定义可知，经过15.816年的时间，剩下的原子核的质量为故原子核中有87.5g已经发生了衰变，B项正确；C．根据质量数和电荷数守恒可得因此Y为，发生的是衰变，C项错误；D．、、三种射线中，射线的速度最快、射线的电离作用最强、射线的穿透能力最强，故D项错误。故选B。5．氘核可通过一系列聚变反应释放能量，其总效果可用反应式6→2＋2＋2＋43.15MeV表示．海水中富含氘，已知1kg海水中含有的氘核约为1.0×1022个，若全都发生聚变反应，其释放的能量与质量为M的标准煤燃烧时释放的热量相等；已知1kg标准煤燃烧释放的热量约为2.9×107J，1MeV＝1.6×10－13J，则M约为()A．40kg B．100kg C．400kg D．1000kg【答案】C【解析】根据核反应方程式，6个氘核聚变反应可释放出43.15MeV的能量，1kg海水中的氘核反应释放的能量为则相当于燃烧的标准煤的质量为故选C。6．医学治疗中常用放射性核素113In产生γ射线，而113In是由半衰期相对较长的113Sn衰变产生的。对于质量为m0的113Sn，经过时间t后剩余的113Sn质量为m，其－t图线如图所示。从图中可以得到13Sn的半衰期为()A．67.3d B．101.0dC．115.1d D．124.9d【答案】C【解析】由题图可知从到，113Sn恰好衰变了一半，根据半衰期的定义可知113Sn的半衰期为故选C。二、多选题7．原子核的比结合能与质量数之间的关系图线如图所示。下列说法正确的是（）A．比结合能越大，原子的质量亏损越大B．He核的比结合能约为7MeVC．Kr核比Ba核的比结合能大D．由图可知，对于U＋n→Kr＋Ba＋3n的过程，要吸收能量【答案】BC【解析】A．比结合能越大，核反应时，平均每个核子放能越多，平均每个核子质量亏损越大，但是原子质量亏损还与核子数有关，即原子的质量亏损不一定大，故A错误；B．分析图像可知，核的比结合能为7MeV，故B正确；C．分析图像可知，核比核的比结合能大，故C正确；D．核反应属于重核裂变，要释放能量，故D错误。故选BC。8．中国参与全球最大“人造太阳”国际热核聚变实验堆（ITER）研制，它利用氘和聚变成氦释放能量，旨在探索受控核聚变技术商业化的可行性。我国每年进口约5亿吨原油，已知1kg原油可以获得约的能量。关于此核反应，下列说法中正确的是（

）A．核反应方程为：B．核反应方程为：C．核子质量亏损约1500kg释放的能量，相当于5亿吨原油释放的能量D．核子质量亏损约150kg释放的能量，相当于5亿吨原油释放的能量【答案】BD【解析】AB．根据质量数和电荷数守恒，核反应方程为故A错误，B正确；CD．5亿吨原油释放的能量根据质能方程联