高中物理选择性必修第三册第5章 4

第五章4A组·基础达标1．科学家发现在月球上含有丰富的eq\o\al(3,2)He(氦3)．它是一种高效、清洁、安全的核聚变燃料，其参与的一种核聚变反应的方程式为eq\o\al(3,2)He＋eq\o\al(3,2)He→2eq\o\al(1,1)H＋eq\o\al(4,2)He.关于eq\o\al(3,2)He聚变，下列表述正确的是()A．聚变反应不会释放能量B．聚变反应产生了新的原子核C．聚变反应没有质量亏损D．目前核电站都采用eq\o\al(3,2)He聚变反应发电【答案】B【解析】聚变反应时将质量较小的轻核聚变成质量较大的核，聚变过程会有质量亏损，要放出大量的能量．但目前核电站都采用铀核的裂变反应，可控的轻核聚变尚在实验阶段．2．目前关于核电站获取核能的基本核反应方程可能是()A．eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(90,38)Sr＋eq\o\al(136,54)Xe＋10eq\o\al(1,0)nB．eq\o\al(24,11)Na→eq\o\al(24,12)Mg＋eq\o\al(0,－1)eC．eq\o\al(14,7)N＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(17,8)O＋eq\o\al(1,1)HD．eq\o\al(238,92)U→eq\o\al(234,90)Th＋eq\o\al(4,2)He【答案】A【解析】重核的裂变是指质量数较大的原子核分裂成两个中等质量的原子核，A是裂变反应，A正确；B为β衰变，C是发现质子的反应，D是α衰变．3．(多选)日本福岛第一核电站在地震后，数秒内就将控制棒插入核反应堆芯，终止了铀的裂变链式反应．但海啸摧毁了机组的冷却系统，因裂变遗留的产物铯、钡等继续衰变不断释放能量，核燃料棒温度不断上升，对周边环境产生了巨大的危害．则下列说法正确的是()A．控制棒通过吸收中子来实现对核反应的控制B．日本后来向反应堆灌注海水，可以降温，但大量被污染的海水外泄，对周边环境产生了巨大的危害C．核裂变遗留物铯、钡等原子的质量可能比铀原子质量大D．核泄漏中放射性物质对人类是有害的【答案】ABD【解析】控制棒通过吸收中子来实现对核反应速度的控制，A符合题意；日本后来向反应堆灌注海水，大量被污染的海水外泄，泄漏的放射性物质对周边环境产生了巨大的危害，B、D符合题意；因为核反应有能量释放，可知铯、钡等原子的质量比铀原子质量小，故C不符合题意．4．(多选)一个质子和一个中子结合成氘核，同时放出光子，核反应方程是eq\o\al(1,1)H＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(2,1)H＋γ，以下说法中正确的是()A．反应后氘核的质量一定小于反应前质子和中子的质量之和B．反应前后的质量数不变，因而质量不变C．γ光子的能量为Δmc2，Δm为反应中的质量亏损，c为光在真空中的速度D．因存在质量亏损Δm，所以“物质不灭”的说法不正确【答案】AC【解析】核反应中质量数与电荷数及能量均守恒，由于反应中要释放核能，会出现质量亏损，反应中氘核的质量一定小于反应前质子和中子的质量之和，所以质量不守恒，但质量数不变，A正确，B错误；能量守恒，释放的能量会以γ光子的形式向外释放，根据爱因斯坦质能方程可知，γ光子的能量为Δmc2，Δm为反应中的质量亏损，c为光在真空中的速度，C正确；尽管存在质量亏损Δm，但核反应中的“质量亏损”并不是质量消失，所以“物质不灭”的说法仍是正确的，D错误．5．(多选)我国科技工作者分别在1964年、1967年成功引爆了我国第一颗原子弹和氢弹．下列核反应方程中可表示两弹的爆炸原理的是()A．eq\o\al(14,7)N＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(17,8)O＋eq\o\al(1,1)HB．eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(90,38)Sr＋eq\o\al(139,54)Xe＋7eq\o\al(1,0)nC．eq\o\al(238,92)U→eq\o\al(234,90)Th＋eq\o\al(4,2)HeD．eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)n【答案】BD【解析】原子弹是利用核裂变反应，而氢弹是利用核聚变反应，B项对应原子弹的爆炸原理，D对应氢弹的爆炸原理；A为人工核转变，C为核衰变反应，不符合要求，选B、D．6．(多选)据新华社报道，由我国自行设计、研制的世界第一套全超导核聚变实验装置(又称“人造太阳”)已完成了首次工程调试．下列关于“人造太阳”的说法正确的是()A．“人造太阳”的核反应方程是eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)nB．“人造太阳”的核反应方程是eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(141,56)Ba＋eq\o\al(92,36)Kr＋3eq\o\al(1,0)nC．“人造太阳”释放的能量大小的计算式是ΔE＝Δmc2D．“人造太阳”核能大小的计算公式是E＝eq\f(1,2)mc2【答案】AC【解析】释放的能量大小用爱因斯坦质能方程ΔE＝Δmc2计算，有的考生不能区分裂变和聚变，得出错误的答案B．7．(多选)核反应堆是利用中子轰击重核发生裂变反应，释放出大量核能.eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(141,56)Ba＋eq\o\al(92,36)Kr＋aX是反应堆中发生的许多核反应中的一种，X是某种粒子，a是X粒子的个数，用mU、mBa、mKr分别表示eq\o\al(235,92)U、eq\o\al(141,56)Ba、eq\o\al(92,36)Kr核的质量，mX表示X粒子的质量，c为真空中的光速，以下说法正确的是()A．X为中子，a＝2B．X为中子，a＝3C．上述核反应中放出的核能ΔE＝(mU－mBa－mKr－2mX)c2D．上述核反应中放出的核能ΔE＝(mU－mBa－mKr－3mX)c2【答案】BC【解析】核反应中，质量数守恒，电荷数守恒，则eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(141,56)Ba＋eq\o\al(92,36)Kr＋aX中X为eq\o\al(1,0)n，a＝3，则A错误，B正确．由ΔE＝Δmc2可得ΔE＝(mU＋mX－mBa－mKr－3mX)c2＝(mU－mBa－mKr－2mX)c2，则C正确，D错误．8.eq\o\al(235,92)U核某种裂变方式的核反应方程为eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(144,56)Ba＋eq\o\al(89,36)Kr＋xeq\o\al(1,0)n，已知eq\o\al(235,92)U、eq\o\al(1,0)n、eq\o\al(144,56)Ba、eq\o\al(89,36)Kr的质量分别为m1、m2、m3、m4，真空中的光速为c.则()A．核反应方程式中x＝2B．eq\o\al(235,92)U中含有56个中子C．eq\o\al(144,56)Ba比eq\o\al(235,92)U的比结合能小D．该反应释放的核能为(m1－2m2－m3－m4)c2【答案】D【解析】根据核反应中质量数和电荷数守恒可知，核反应方程式中x＝3，A错误；eq\o\al(235,92)U中含有235－92＝143个中子，B错误；该反应放出核能，生成的eq\o\al(144,56)Ba比eq\o\al(235,92)U更稳定，则eq\o\al(144,56)Ba比eq\o\al(235,92)U的比结合能大，C错误；该反应质量亏损为Δm＝(m1＋m2－m3－m4－3m2)＝eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(m1－m3－m4－2m2))，根据ΔE＝Δmc2，可知释放的核能为ΔE＝(m1－2m2－m3－m4)c2，D正确．9．一个氘核和一个氚核经过核反应后生成氦核和中子，同时放出一个γ光子．已知氘核、氚核、中子、氦核的质量分别为m1、m2、m3、m4，普朗克常量为h，真空中的光速为c.下列说法正确的是()A．这个核反应是裂变反应B．这个反应的核反应方程是eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋2eq\o\al(1,0)n＋γC．辐射出的γ光子的能量E＝(m3＋m4－m1－m2)c2D．辐射出的γ光子在真空中的波长λ＝eq\f(h,m1＋m2－m3－m4c)【答案】D【解析】该核反应方程为eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)n＋γ，该反应为聚变反应，A、B错误；根据爱因斯坦质能方程知，辐射的光子能量E＝Δmc2＝(m1＋m2－m3－m4)c2，C错误；光子能量为E＝hν＝heq\f(c,λ)，则有λ＝eq\f(h,m1＋m2－m3－m4c)，D正确．故选D．10．某科学家提出年轻热星体中核聚变的一种理论，其中的两个核反应方程为eq\o\al(1,1)H＋eq\o\al(12,6)C→eq\o\al(13,7)N＋Q1①，eq\o\al(1,1)H＋eq\o\al(15,7)N→eq\o\al(12,6)C＋X＋Q2②，方程中Q1、Q2表示释放的能量，相关的原子核质量如表：原子核eq\o\al(1,1)Heq\o\al(3,1)Heq\o\al(4,2)Heeq\o\al(12,6)Ceq\o\al(13,7)Neq\o\al(15,7)N质量/u1.00783.01664.002612.000013.005715.0001则可以推断X是________，方程中Q1和Q2的大小关系是Q1________Q2.【答案】eq\o\al(4,2)He<【解析】由质量数守恒和电荷数守恒，可判断X为eq\o\al(4,2)He，①式质量亏损为Δm1＝1.0078u＋12.0000u－13.0057u＝0.0021u．②式的质量亏损为Δm2＝1.0078u＋15.0001u－12.0000u－4.0026u＝0.0053u，所以Δm2>Δm1根据质能方程ΔE＝Δmc2可求解Q2>Q1．B组·能力提升11．(1)核电站利用原子核链式反应放出的巨大能量进行发电，eq\o\al(235,92)U是核电站常用的核燃料.eq\o\al(235,92)U受一个中子轰击后裂变成eq\o\al(144,56)Ba和eq\o\al(89,36)Kr两部分，并产生______个中子．要使链式反应发生，裂变物质的体积要______(填“大于”或“小于”)它的临界体积．(2)取质子的质量mp＝1.6726×10－27kg，中子的质量mn＝1.6749×10－27kg，α粒子的质量mα＝6.6467×10－27kg，光速c＝3.0×108m/s.则α粒子的结合能为________．(计算结果保留两位有效数字)．【答案】(1)3大于(2)4.3×10－12J【解析】(1)由eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(144,56)Ba＋eq\o\al(89,36)Kr＋3eq\o\al(1,0)n可知，会产生3个中子，要使裂变持续进行(链式反应)，物质的体积需要大于它的临界体积．(2)组成α粒子的核子与α粒子的质量差为Δm＝2mp＋2mn－mα，结合能ΔE＝Δmc2，代入数据得ΔE＝4.3×10－12J.12．有一种聚变反应是四个氢核聚变成一个氦核，同时放出两个正电子．求：(1)该聚变反应释放多少能量？(2)若1g氢完全聚变，能释放多少能量？(3)1g氢完全聚变，释放的能量相当于多少煤完全燃烧放出的热能？(已知煤的热值q＝3.36×107J/kg，氢核质量为1.008142u，氦核质量为4.001509u，电子的质量为0.000549u)解：(1)核反应方程为4eq\o\al(1,1)H→eq\o\al(4,2)He＋2eq\o\al(0,1)e，所以Δm＝4mH－mHe－2me＝4×1.008142u－4.001509u－2×0.000549u＝0.029961u，ΔE＝0.029961×931.5MeV＝27.91MeV＝4.47×10－12J.(2)1g氢完全聚变释放的能量为E＝eq\f(1,4)×6.02×1023×4.47×10－12J＝6.73×1011J.(3)相当于煤完全燃烧的质量为m＝eq\f(6.73×1011,3.36×107)kg＝2.00×104kg.课后篇素养形成必备知识基础练1.(多选)下列核反应方程中,正确的是()A.510B+(α粒子)B.1327Al+0C.49Be+24HeD.714N+2答案BC解析由核反应质量数守恒和电荷数守恒知:A选项中质量数10+4≠14+1,D选项中质量数14+4≠17+2,所以A、D错误,B、C正确。2.(多选)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。大多数原子核发生反应的过程中都伴随着中微子的产生,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.90234Th衰变为

86222Rn,经过3次B.

12H+13H→24He+01C.92235U+01D.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

24He答案AC解析

90234Th经过3次α衰变后质量数减少12、质子数减少6,经过2次β衰变后质子数增加2,衰变为

86222Rn,选项A正确;12H+13H→24He+01n是核聚变方程,90234Th→

91234Pa+-10e是β衰变方程,选项B错误;92235U3.(多选)一静止的铝原子核

1327Al俘获一速度为1.0×107m/s的质子p后,变为处于激发态的硅原子核

1428SiA.核反应方程为p+1327Al→B.核反应过程中系统动量守恒C.核反应前后核子数相等,所以生成物的质量等于反应物的质量之和D.硅原子核速度的数量级为105m/s,方向与质子初速度的方向一致答案ABD解析核反应过程中遵循质量数守恒和电荷数守恒,核反应方程为p+1327Al→1428Si*,A正确;核反应过程中遵从动量守恒,B正确;核反应中发生质量亏损,生成物的质量小于反应物的质量之和,C错误;根据动量守恒定律有mpvp=mSivSi,碰撞后硅原子核速度的数量级为1054.实验观察到,静止在匀强磁场中A点的原子核发生β衰变,衰变产生的新核与电子恰在纸面内做匀速圆周运动,运动方向和轨迹示意图如图所示,则()A.轨迹1是电子的,磁场方向垂直纸面向外B.轨迹2是电子的,磁场方向垂直纸面向外C.轨迹1是新核的,磁场方向垂直纸面向里D.轨迹2是新核的,磁场方向垂直纸面向里答案D解析β衰变方程:ZAX→-10e+Z+1AY,由动量守恒定律知两粒子动量大小相等。因电子电量较小,由r=mvqB,得r5.(多选)甲、乙两个原子核原来都静止在同一匀强磁场中,其中一个核放出一个α粒子,另一个核放出一个β粒子,得到如图所示的四条径迹,下列说法正确的是()A.磁场的方向一定垂直于纸面向里B.甲核放出的是α粒子,乙核放出的是β粒子C.a为α粒子的径迹,d为β粒子的径迹D.b为α粒子的径迹,c为β粒子的径迹答案BD解析衰变过程遵循动量守恒定律,粒子与新核的动量大小相等,方向相反,根据左手定则可知,若轨迹为外切圆,则为α衰变;若轨迹为内切圆,则为β衰变。又因为R=mvqB=pqB,可知轨迹半径与电荷量成反比6.一个不稳定的原子核质量为M,处于静止状态。放出一个质量为m的粒子后反冲,已知放出的粒子的动能为E0,则原子核反冲的动能为()A.E0 B.mMEC.mM-mE0 D.答案C解析设放出的粒子的动量大小为p,由动量守恒定律得反冲核的动量大小也为p,又Ek=p22(M-m),E0=p22m7.(多选)一个铍原子核(47Be)俘获一个核外电子(通常是最靠近原子核的K壳层的电子)后发生衰变,生成一个锂核(37Li),并放出一个不带电的质量接近零的中微子υe,人们把这种衰变称为“K俘获”。静止的铍核发生了“K俘获”,其核反应方程为

47Be+-10e→37Li+υe。已知铍原子的质量为MBe=7.016929u,锂原子的质量为A.中微子的质量数和电荷数均为零B.锂核(37Li)获得的动能约为0C.中微子与锂核(3D.中微子与锂核(3答案AC解析反应方程为

47Be+-10e→37Li+υe,根据质量数和电荷数守恒可知中微子的质量数和电荷数均为零,A正确;根据质能方程,质量减少Δm=(7.016929u+me-7.016004)×9.31×102MeV>0.86MeV,为释放的核能,不是锂核获得的动能,B错误;衰变过程中动量守恒,故中微子与锂核(37Li)关键能力提升练8.镭核

88226Ra发生衰变放出一个粒子变为氡核

86222Rn,已知镭核

88226Ra质量为226.0254u,氡核

86(1)写出核反应方