2025学年高中物理必修78模块测试卷：原子结构与核反应试题

2025学年高中物理必修78模块测试卷：原子结构与核反应试题考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（本大题共15小题，每小题4分，共60分。在每小题列出的四个选项中，只有一项是最符合题目要求的。）1.在学习原子结构的时候，同学们常常会感到困惑，卢瑟福的α粒子散射实验为什么能说明原子存在一个很小的核呢？以下哪个选项最准确地描述了实验的关键发现？A.α粒子大多数能够穿过金箔，说明原子内部是空旷的。B.少数α粒子发生了大角度偏转，说明原子中存在一个很小但密度极大的核。C.α粒子全部被金箔反射回来，说明原子像个小镜子一样。D.α粒子与金箔发生碰撞，说明原子是实心球体。2.根据玻尔理论，电子在原子核外围绕核做圆周运动时，以下哪种情况是可能发生的？A.电子可以在任意半径的轨道上运动。B.电子只能在特定的、不连续的轨道上运动，且这些轨道对应着特定的能量。C.电子可以在轨道之间随意跃迁，没有能量限制。D.电子只能在最靠近原子核的轨道上运动，因为那里能量最低。3.当氢原子从n=4的能级跃迁到n=2的能级时，它释放出的光子能量是多少？已知氢原子能级公式为E_n=-13.6/n^2eV。A.2.55eVB.10.2eVC.12.75eVD.15.8eV4.在核反应中，质量数守恒和电荷数守恒是非常重要的原则。以下哪个核反应方程是正确的？A._6^12C+_2^4He→_7^14N+_0^1nB._92^238U→_90^234Th+_2^4HeC._1^2H+_1^3H→_2^4He+_0^1nD._7^14N+_4^2He→_8^17O+_1^1H5.放射性元素的半衰期是指其原子核有一半发生衰变所需的时间。以下哪个说法是正确的？A.半衰期与放射性元素的物理状态有关，固态放射性元素的半衰期通常比气态长。B.半衰期与放射性元素的质量有关，质量越大的放射性元素半衰期越长。C.半衰期与放射性元素的化学状态无关，因为半衰期是原子核的固有属性。D.半衰期与放射性元素所处的环境温度有关，温度越高半衰期越短。6.在α衰变过程中，原子核会释放出一个α粒子，以下哪个说法是正确的？A.α粒子是一个质子。B.α粒子是一个中子。C.α粒子是一个氦核，包含2个质子和2个中子。D.α粒子是一个电子。7.β衰变过程中，原子核会释放出一个β粒子，以下哪个说法是正确的？A.β粒子是一个质子。B.β粒子是一个中子。C.β粒子是一个电子，由一个中子转变为一个质子时释放出来。D.β粒子是一个正电子，由一个质子转变为一个中子时释放出来。8.正电子发射断层扫描（PET）是一种常用的医学成像技术，它利用了正电子的湮灭现象。以下哪个说法是正确的？A.正电子和电子是同一粒子，只是带相反电荷。B.正电子和电子是同一粒子，只是质量不同。C.正电子和电子是不同的粒子，正电子带正电荷，电子带负电荷。D.正电子和电子是不同的粒子，正电子质量比电子大。9.在核反应堆中，中子减速剂的作用是什么？A.增加中子的动能，使其更容易引发裂变。B.减少中子的动能，使其更容易被核燃料吸收引发裂变。C.吸收中子，防止链式反应发生。D.产生更多的中子，增强链式反应。10.重水（D₂O）在核反应堆中有何重要作用？A.作为冷却剂，吸收反应堆产生的热量。B.作为中子减速剂，减少中子的动能。C.作为核燃料，参与核裂变反应。D.作为moderator，增加反应堆的效率。11.在核聚变反应中，以下哪种反应是典型的氘氚聚变反应？A._1^2H+_1^2H→_2^3He+_0^1nB._1^2H+_1^3H→_2^4He+_0^1nC._1^3H+_1^3H→_2^6He+_2^1nD._1^2H+_1^1H→_1^3H+_0^1n12.在核能的利用过程中，以下哪个说法是正确的？A.核裂变和核聚变都是目前主要的核能利用方式。B.核裂变是目前主要的核能利用方式，核聚变还在实验研究阶段。C.核聚变是目前主要的核能利用方式，核裂变还在实验研究阶段。D.核能的利用会导致严重的环境污染，应该被禁止。13.在原子核的放射线防护中，以下哪种材料最适合用来屏蔽α射线？A.铝箔B.钙片C.铅板D.玻璃纸14.在原子核的放射线防护中，以下哪种材料最适合用来屏蔽β射线？A.铝箔B.钙片C.铅板D.石棉板15.在原子核的放射线防护中，以下哪种材料最适合用来屏蔽γ射线？A.铝箔B.钙片C.铅板D.水泥墙二、填空题（本大题共5小题，每小题4分，共20分。请将答案填写在答题卡相应的位置。）1.卢瑟福的α粒子散射实验中，绝大多数α粒子穿过金箔，说明原子大部分是________，少数α粒子发生大角度偏转，说明原子中存在一个很小的但密度极大的________。2.根据玻尔理论，电子在原子核外围绕核做圆周运动时，只能在特定的、不连续的轨道上运动，这些轨道对应着特定的________，当电子从较高能级跃迁到较低能级时，会释放出光子，光子的能量等于两个能级之间的________。3.在核反应中，质量数守恒和电荷数守恒是非常重要的原则。例如，在核反应方程_92^238U→_90^234Th+X中，X表示的粒子是什么？请写出该核反应方程的完整形式。4.放射性元素的半衰期是指其原子核有一半发生衰变所需的时间。例如，铀-238的半衰期约为4.5亿年，这意味着经过4.5亿年，铀-238的原子核有一半会发生衰变，变成什么核？请写出该衰变的核反应方程。5.在核能的利用过程中，核裂变和核聚变都是重要的核能利用方式。核裂变是目前主要的核能利用方式，它通过重核的裂变释放出巨大的能量，核聚变还在实验研究阶段，但具有巨大的潜力，它通过轻核的________释放出巨大的能量。三、简答题（本大题共5小题，每小题6分，共30分。请将答案写在答题卡相应的位置。）1.简述卢瑟福的α粒子散射实验的主要步骤和关键发现。这个实验为什么对原子结构的认识产生了革命性的影响？2.根据玻尔理论，解释为什么电子在原子核外围绕核做圆周运动时，只能在一些特定的轨道上运动，而不是在任意半径的轨道上运动？这些特定轨道的能量有什么特点？3.什么是半衰期？半衰期的大小与放射性元素的哪些因素有关？为什么半衰期是放射性元素的固有属性，与放射性元素所处的物理、化学状态无关？4.α衰变和β衰变有什么区别？请分别说明α衰变和β衰变过程中，原子核的质量数、电荷数是如何变化的？为什么说核反应方程必须满足质量数守恒和电荷数守恒？5.核能的利用有哪些优点和缺点？为什么说核能是一种清洁能源？在核能的利用过程中，如何进行放射线防护？四、论述题（本大题共2小题，每小题10分，共20分。请将答案写在答题卡相应的位置。）1.详细论述核裂变和核聚变的基本原理。核裂变和核聚变在哪些方面有similarities和differences？为什么说核聚变是未来核能利用的重要方向？2.举例说明放射性元素在医学、工业、农业等领域的应用。在核能的利用过程中，如何进行核废料的处理？为什么说核废料的处理是一个非常重要的问题？五、计算题（本大题共2小题，每小题10分，共20分。请将答案写在答题卡相应的位置。）1.氢原子的能级公式为E_n=-13.6/n^2eV。一个氢原子从n=5的能级跃迁到n=2的能级，求它释放出的光子的能量是多少？这些光子在电磁波谱中属于哪个区域？2.铀-238的半衰期约为4.5亿年。假设一个样品中含有1克铀-238，经过15亿年后，样品中还有多少克铀-238没有发生衰变？本次试卷答案如下一、选择题答案及解析1.答案：B解析：卢瑟福的α粒子散射实验中，绝大多数α粒子能够穿过金箔，这说明原子大部分是空旷的；少数α粒子发生了大角度偏转，甚至有的几乎被反弹回来，这说明原子中存在一个很小但密度极大的核，这个核就是原子核。所以选项B最准确地描述了实验的关键发现。2.答案：B解析：根据玻尔理论，电子在原子核外围绕核做圆周运动时，只能在特定的、不连续的轨道上运动，这些轨道对应着特定的能量。当电子从一个较高能级跃迁到较低能级时，会释放出光子，光子的能量等于两个能级之间的能量差。所以选项B是正确的。3.答案：C解析：根据氢原子能级公式E_n=-13.6/n^2eV，可以计算出n=4和n=2能级的能量分别为E_4=-13.6/4^2=-0.85eV，E_2=-13.6/2^2=-3.4eV。释放出的光子能量为E_photon=E_4-E_2=-0.85eV-(-3.4eV)=2.55eV。所以选项C是正确的。4.答案：C解析：核反应方程必须满足质量数守恒和电荷数守恒。选项A中，左边质量数为12+4=16，右边质量数为14+1=15，不守恒；选项B中，左边质量数为238，右边质量数为234+4=238，守恒，但电荷数左边为92，右边为90+2=92，也守恒，但这个反应是α衰变，不是核反应方程的典型形式；选项C中，左边质量数为2+3=5，右边质量数为4+1=5，守恒；电荷数左边为1+1=2，右边为2+1=3，不守恒，所以选项C是正确的。5.答案：C解析：半衰期是指放射性元素的原子核有一半发生衰变所需的时间。半衰期与放射性元素的物理状态无关，因为半衰期是原子核的固有属性。半衰期与放射性元素的质量有关，但质量越大并不意味着半衰期越长，半衰期是由原子核的性质决定的。半衰期与放射性元素所处的环境温度无关，温度升高不会影响半衰期。所以选项C是正确的。6.答案：C解析：α粒子是一个氦核，包含2个质子和2个中子。在α衰变过程中，原子核释放出一个α粒子，质量数减少4，电荷数减少2。所以选项C是正确的。7.答案：C解析：β衰变过程中，原子核中的一个中子转变为一个质子，同时释放出一个电子和一个反电子中微子。释放出的电子就是β粒子。所以选项C是正确的。8.答案：C解析：正电子和电子是不同的粒子，正电子带正电荷，电子带负电荷。正电子是电子的反粒子。在PET中，正电子与电子相遇会发生湮灭，产生两个γ光子。所以选项C是正确的。9.答案：B解析：中子减速剂的作用是减少中子的动能，使其更容易被核燃料吸收引发裂变。中子减速剂通常是一些轻元素，如氢、硼、碳等。所以选项B是正确的。10.答案：B解析：重水（D₂O）在核反应堆中有重要作用，它作为中子减速剂，减少中子的动能，使其更容易被核燃料吸收引发裂变。重水中的氘核（²H）可以有效地减速中子。所以选项B是正确的。11.答案：B解析：氘氚聚变反应是典型的核聚变反应，其中一个氘核和一个氚核聚变成一个氦核和一个中子，同时释放出巨大的能量。所以选项B是正确的。12.答案：B解析：核裂变是目前主要的核能利用方式，核聚变还在实验研究阶段，但具有巨大的潜力。核裂变通过重核的裂变释放出巨大的能量，核聚变通过轻核的聚变释放出巨大的能量。所以选项B是正确的。13.答案：C解析：α射线是氦核，带正电荷，穿透能力最弱，适合用铅板屏蔽。所以选项C是正确的。14.答案：A解析：β射线是电子，穿透能力比α射线强，但比γ射线弱，适合用铝箔屏蔽。所以选项A是正确的。15.答案：D解析：γ射线是高能光子，穿透能力最强，适合用水泥墙屏蔽。所以选项D是正确的。二、填空题答案及解析1.答案：空旷的空间；原子核解析：卢瑟福的α粒子散射实验中，绝大多数α粒子穿过金箔，说明原子大部分是空旷的空间；少数α粒子发生大角度偏转，说明原子中存在一个很小的但密度极大的原子核。2.答案：能量；能级差解析：根据玻尔理论，电子在原子核外围绕核做圆周运动时，只能在特定的、不连续的轨道上运动，这些轨道对应着特定的能量。当电子从较高能级跃迁到较低能级时，会释放出光子，光子的能量等于两个能级之间的能级差。3.答案：_2^4He；_92^238U→_90^234Th+_2^4He解析：在核反应方程_92^238U→_90^234Th+X中，根据质量数守恒，X的质量数为4；根据电荷数守恒，X的电荷数为2，所以X是_2^4He。完整的核反应方程为_92^238U→_90^234Th+_2^4He。4.答案：_90^234Th；_92^238U→_90^234Th+_0^1n解析：铀-238经过α衰变，变成钍-234和一个α粒子（_2^4He）。衰变的核反应方程为_92^238U→_90^234Th+_2^4He。5.答案：聚变解析：核裂变是通过重核的裂变释放出巨大的能量，核聚变是通过轻核的聚变释放出巨大的能量。核聚变具有巨大的潜力，但还在实验研究阶段。三、简答题答案及解析1.答案：卢瑟福的α粒子散射实验的主要步骤包括：将金箔制成薄片，用α粒子轰击金箔，观察α粒子的散射情况。关键发现是绝大多数α粒子穿过金箔，说明原子大部分是空旷的空间；少数α粒子发生大角度偏转，甚至有的几乎被反弹回来，说明原子中存在一个很小但密度极大的原子核。这个实验对原子结构的认识产生了革命性的影响，因为它推翻了汤姆孙的“葡萄干布丁模型”，提出了原子核模型。2.答案：根据玻尔理论，电子在原子核外围绕核做圆周运动时，只能在一些特定的轨道上运动，而不是在任意半径的轨道上运动，这是因为电子在这些特定的轨道上运动时，不会发生能量辐射。这些特定轨道的能量是量子化的，即不连续的。当电子从一个较高能级跃迁到较低能级时，会释放出光子，光子的能量等于两个能级之间的能量差。3.答案：半衰期是指放射性元素的原子核有一半发生衰变所需的时间。半衰期的大小与放射性元素的原子核的性质有关，与放射性元素的质量、物理状态、化学状态无关。半衰期是放射性元素的固有属性，因为它是原子核的内在性质，不受外界条件的影响。4.答案：α衰变和β衰变的主要区别在于衰变过程中释放的粒子不同。α衰变过程中，原子核释放出一个α粒子（_2^4He），质量数减少4，电荷数减少2。β衰变过程中，原子核中的一个中子转变为一个质子，同时释放出一个电子和一个反电子中微子，质量数不变，电荷数增加1。核反应方程必须满足质量数守恒和电荷数守恒，因为这是自然界的基本规律。5.答案：核能的利用的优点是能量密度高，清洁无污染，可以替代化石燃料。缺点是核废料处理困难，核事故风险较高，核扩散问题。核能是一种清洁能源，因为核反应过程中不产生温室气体。在核能的利用过程中，需要进行放射线防护，以保护人员和环境免受辐射伤害。四、论述题答案及解析1.答案：核裂变的基本原理是重核在中子的轰击下分裂成两个或多个较轻的核，同时释放出中子和巨大的能量。核聚变的基本原理是两个或多个轻核结合成一个较重的核，同时释放出巨大的能量。核裂变和核聚变在simi