第四章 從原子核到夸克 第五章 核能與社會 (時間：90分鐘　滿分：100分) 一、選擇題(本題共10小題，每小題4分，共40分) 1．下列說法正確的是(　　) A．康普頓發(fā)現(xiàn)了電子 B．盧瑟福提出了原子的核式結(jié)構(gòu)模型 C．貝可勒爾發(fā)現(xiàn)了鈾和含鈾礦物的天然放射現(xiàn)象 D．倫琴發(fā)現(xiàn)了X射線 答案　BCD 解析　湯姆生發(fā)現(xiàn)了電子，盧瑟福提出了原子的核式結(jié)構(gòu)模型，貝可勒爾發(fā)現(xiàn)了天然放射現(xiàn)象，1895年，德國物理學家倫琴發(fā)現(xiàn)了倫琴射線，又叫做X射線． 2．放射性同位素在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生和科學研究的許多方面得到廣泛應用的原因是(　　) A．它衰變釋放的核能少，容易控制 B．它衰變緩慢，應用效果好 C．它的射線有電離作用和穿透本領(lǐng)，以及對生物組織有物理、化學效應 D．它可作為示蹤原子 答案　CD 3．下列說法不正確的是(　　) A.H＋H→He＋n是聚變 B.U＋n→Xe＋Sr＋2n是裂變 C.Ra→Rn＋He是α衰變 D.Na→Mg＋e是裂變 答案　D 解析　原子核的變化通常包括衰變、人工轉(zhuǎn)變、裂變和聚變．衰變是指原子核放出α粒子或β粒子后，變成新的原子核的變化，如本題中的C和D兩選項．原子核的人工轉(zhuǎn)變是指在其他粒子的轟擊下產(chǎn)生新的原子核的過程．裂變是重核分裂成質(zhì)量較小的核，像B選項．聚變是輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核，像A選項．由上述知D選項是錯誤的． 4．原子核X與氘核H反應生成一個α粒子和一個質(zhì)子．由此可知(　　) A．A＝2，Z＝1 B．A＝2，Z＝2 C．A＝3，Z＝3 D．A＝3，Z＝2 答案　D 解析　本題考查核反應方程．由題意可知核反應方程為X＋H→He＋H，反應過程中遵守質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒，由此可判斷A＝3，Z＝2，選項D正確． 5．科學家發(fā)現(xiàn)在月球上含有豐富的He(氦3)．它是一種高效、清潔、安全的核聚變?nèi)剂希鋮⑴c的一種核聚變反應的方程式為He＋He―→2H＋He.關(guān)于He聚變，下列表述正確的是(　　) A．聚變反應不會釋放能量 B．聚變反應產(chǎn)生了新的原子核 C．聚變反應沒有質(zhì)量虧損 D．目前核電站都采用He聚變反應發(fā)電 答案　B 解析　該聚變反應釋放了能量，是因為發(fā)生了質(zhì)量虧損，A、C錯；該聚變反應產(chǎn)生了新的原子核H，B對；目前核電站都是用重核裂變發(fā)電而不是用輕核聚變，D錯． 6．原子核聚變可望給人類未來提供豐富的潔凈能源．當氘等離子體被加熱到適當高溫時，氘核參與的幾種聚變反應可能發(fā)生，放出熱量．這幾種反應的總效果可以表示為 6H―→kHe＋dH＋2n＋43.15 MeV 由平衡條件可知(　　) A．k＝1，d＝4 B．k＝2，d＝2 C．k＝1，d＝6 D．k＝2，d＝3 答案　B 解析　根據(jù)核反應過程中質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒得 12＝4k＋d＋2① 6＝2k＋d② 解①②得k＝2，d＝2. 7．一個質(zhì)子和一個中子聚變結(jié)合成一個氘核，同時輻射一個γ光子．已知質(zhì)子、中子、氘核的質(zhì)量分別為m1、m2、m3，普朗克常量為h，真空中的光速為c.下列說法正確的是(　　) A．核反應方程是H＋n→H＋γ B．聚變反應中的質(zhì)量虧損Δm＝m1＋m2－m3 C．輻射出的γ光子的能量E＝(m3－m1－m2)c D．γ光子的波長λ＝ 答案　B 解析　根據(jù)核反應過程中質(zhì)量數(shù)守恒、電荷數(shù)守恒可知核反應方程為：H＋n→H＋γ，故選項A錯誤；聚變過程中輻射出γ光子，質(zhì)量虧損Δm＝m1＋m2－m3，故選項B正確；由質(zhì)能方程知，輻射出的γ光子的能量E＝(m1＋m2－m3)c2，故選項C錯誤；由E＝知，λ光子的波長λ＝，故選項D錯誤． 8.U吸收一個慢中子后，分裂成Xe和Sr，還放出(　　) A．1個α粒子 B．3個中子 C．10個中子 D．10個質(zhì)子 答案　C 解析　設(shè)放出的粒子的質(zhì)量數(shù)為x，電荷數(shù)為y，核反應過程滿足質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒．由題意可得解得 由此判斷該核反應放出的一定是中子，且個數(shù)是10. 9．(2014新課標Ⅱ35(1))在人類對微觀世界進行探索的過程中，科學實驗起到了非常重要的作用．下列說法符合歷史事實的是________． A．密立根通過油滴實驗測出了基本電荷的數(shù)值 B．貝克勒爾通過對天然放射現(xiàn)象的研究，發(fā)現(xiàn)了原子中存在原子核 C．居里夫婦從瀝青鈾礦中分離出了釙(Po)和鐳(Ra)兩種新元素 D．盧瑟福通過α粒子散射實驗證實了在原子核內(nèi)部存在質(zhì)子 E．湯姆遜通過陰極射線在電場和磁場中偏轉(zhuǎn)的實驗，發(fā)現(xiàn)了陰極射線是由帶負電的粒子組成的，并測出了該粒子的比荷 答案　ACE 解析　密立根通過油滴實驗，驗證了物體所帶的電荷量都是某一值的整數(shù)倍，測出了基本電荷的數(shù)值，選項A正確．貝克勒爾通過對天然放射現(xiàn)象的研究，明確了原子核具有復雜結(jié)構(gòu)，選項B錯誤．居里夫婦通過對含鈾物質(zhì)的研究發(fā)現(xiàn)了釙(Po)和鐳(Ra)，選項C正確．盧瑟福通過α粒子散射實驗證實了原子的核式結(jié)構(gòu)，選項D錯誤．湯姆遜通過陰極射線在電場和磁場中偏轉(zhuǎn)的實驗，說明了陰極射線是帶負電的粒子，并測出了粒子的比荷，選項E正確． 10．一個原來靜止的238U核發(fā)生α衰變，它的兩個產(chǎn)物在垂直于它們速度方向的勻強磁場中運動，它們的軌跡和運動方向(圖中用箭頭表示)可能是下列圖中的(圖中半徑大小沒有按比例畫)(　　) 答案　D 解析　由于發(fā)生的是α衰變，產(chǎn)物是兩個帶正電的粒子，根據(jù)動量守恒定律Mv1＋mvα＝0，這兩個新核的運動方向相反，受到的洛倫茲力方向相反，即軌跡應該是外切圓，再利用左手定則判斷洛倫茲力的方向，故D項正確． 二、填空題(本題共4小題，共24分) 11．(6分)用α粒子轟擊氬40時，產(chǎn)生一個中子和一個新的核，這個新的核是________，核反應方程是________________________________．用α粒子轟擊硼10，產(chǎn)生一個中子和一個具有放射性的核，這個新的核是________，這個核能放出正電子，它衰變后變成的新核為________，核反應方程是____________________________． 答案　Ca　Ar＋He→Ca＋n 7N　6C　7N→6C＋e 圖1 12. (6分)貝可勒爾發(fā)現(xiàn)天然放射現(xiàn)象，揭開了人類研究原子核結(jié)構(gòu)的序幕．如圖1中P為放在勻強電場中的天然放射源，其放出的射線在電場中分成A、B、C三束． (1)構(gòu)成A射線的粒子是______；構(gòu)成B射線的粒子是________；構(gòu)成C射線的粒子是________． (2)三種射線中，穿透能力最強，經(jīng)常用來對金屬探傷的是________射線；電離作用最強，動量最大，經(jīng)常用來轟擊原子核的是____________射線；當原子核中的一個核子由中子轉(zhuǎn)化為質(zhì)子時將放出一個________粒子． (3)請完成以下與上述粒子有關(guān)的兩個核反應方程式： 90Th→91Pa＋________； ________＋Al→P＋n. 答案　(1)電子e(β粒子)　γ光子　氦核He(α粒子)　(2)γ　α　β　(3)　0－1e　He 解析　(1)由a＝可知，在電場中加速度最大的是電子，不偏轉(zhuǎn)的是γ光子，偏轉(zhuǎn)時加速度較小的是氦核，故A射線的粒子是電子，B射線的粒子是光子，C射線的粒子是氦核． (2)三種射線中，穿透能力最強的是γ射線，電離作用最強的是α射線，在原子核中，一個核子由中子轉(zhuǎn)化為質(zhì)子時將放出一個負電子即β粒子． (3)由質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒可得90Th→91Pa＋　0－1e He＋Al→P＋n. 13．(6分)歷史上第一次利用加速器實現(xiàn)的核反應，是用加速后動能為0.5 MeV的質(zhì)子H轟擊靜止的X，生成兩個動能均為8.9 MeV的He.(1 MeV＝1.610－13 J) (1)上述核反應方程為___________________________________； (2)質(zhì)量虧損為________kg. 答案　(1)H＋Li→He＋He　(2)3.110－29 解析　(1)H＋Li→He＋He (2)Δmc2＝E末－E初 Δm＝＝ kg ≈3.110－29 kg 14．(6分)約里奧—居里夫婦因發(fā)現(xiàn)人工放射性而獲得了1935年的諾貝爾化學獎，他們發(fā)現(xiàn)的放射性元素P衰變成Si的同時放出另一種粒子，這種粒子是________.P是P的同位素，被廣泛應用于生物示蹤技術(shù).1 mg P隨時間衰變的關(guān)系如圖2所示，請估算4 mg的P經(jīng)____天的衰變后還剩0.25 mg. 圖2 答案　正電子　60 解析　衰變方程為P→Si＋e，即這種粒子是正電子．由圖像可以看出P的半衰期為15天，則4＝0.25，得t＝60天． 三、計算題(本題共3小題，共36分) 15．(12分)2008年北京奧運會場館周圍80%～90%的路燈利用太陽能發(fā)電技術(shù)來供電，奧運會90%的洗浴熱水采用全玻璃真空太陽能集熱技術(shù)．科學研究發(fā)現(xiàn)太陽發(fā)光是由于其內(nèi)部不斷發(fā)生從氫核到氦核的核聚變反應，即在太陽內(nèi)部四個氫核(H)轉(zhuǎn)化成一個氦核(He)和兩個正電子(e)并放出能量．已知質(zhì)子質(zhì)量mp＝1.007 3 u，α粒子的質(zhì)量mα＝4.002 6 u，正電子的質(zhì)量me＝0.000 5 u,1 u的質(zhì)量相當于931.5 MeV的能量． (1)寫出該核反應方程； (2)一次這樣的熱核反應過程中釋放出多少能量？(結(jié)果保留四位有效數(shù)字) 答案　(1)4H→He＋2e　(2)23.85 MeV 解析　(1)根據(jù)質(zhì)量數(shù)守恒、電荷數(shù)守恒，該核反應方程為： 4H→He＋2e. (2)質(zhì)量虧損： Δm＝4mp－mα－2me＝41.007 3 u－4.002 6 u－20.000 5 u＝0.025 6 u ΔE＝0.025 6931.5 MeV≈23.85 MeV. 16．(12分)(1)美國科研人員正在研制一種新型鎳銅長效電池，它是采用銅和半衰期為100年的放射性同位素鎳63(Ni)兩種金屬作為長壽命電池的材料，利用鎳63(Ni)發(fā)生一次β衰變變成銅(Cu)，同時釋放電子給銅片，把鎳63(Ni)和銅片做電池兩極．鎳63(Ni)的衰變方程為______________________，16 g鎳63經(jīng)過400年還有________g尚未衰變． (2)一靜止的質(zhì)量為M的鎳核(Ni)發(fā)生β衰變，放出一個速度為v0，質(zhì)量為m的β粒子和一個反沖銅核，若鎳核發(fā)生衰變時釋放的能量全部轉(zhuǎn)化為β粒子和銅核的動能．求此衰變過程中的質(zhì)量虧損(虧損的質(zhì)量在與粒子質(zhì)量相比時可忽略不計)． 答案　(1)Ni→　0－1e＋Cu　1　(2) 解析　(1)Ni→　0－1e＋Cu；1 (2)設(shè)衰變后銅核的速度為v， 由動量守恒得mv0＝(M－m)v 由能量守恒得ΔE＝mv＋(M－m)v2 由質(zhì)能方程得ΔE＝Δmc2，解得Δm＝ 17．(12分)钚的放射性同位素94Pu靜止時衰變?yōu)殁櫤思ぐl(fā)態(tài)92U*和α粒子，而鈾核激發(fā)態(tài)92U*立即衰變?yōu)殁櫤?2U，并放出能量為0.097 MeV的γ光子．已知：94Pu、92U和α粒子的質(zhì)量分別為mPu＝239.052 1 u、mU＝235.043 9 u和mα＝4.002 6 u,1 u的質(zhì)量相當于931.5 MeV的能量． (1)寫出衰變方程； (2)已知衰變放出的光子的動量可忽略，求α粒子的動能． 答案　(1)94Pu→92U*＋He　92U*→92U＋γ(或94Pu→92U＋He＋γ)　(2)5.034 MeV 解析　(1)衰變方程為 94Pu→92U*＋He① 92U*→92U＋γ② 或合起來有94Pu→92U＋He＋γ③ (2)上述衰變過程的質(zhì)量虧損為Δm＝mPu－mU－mα④ 放出的能量為ΔE＝c2Δm⑤ 此能量是鈾核92U的動能EU、α粒子的動能Eα和γ光子的能量Eγ之和，即ΔE＝EU＋Eα＋Eγ⑥ 由④⑤⑥式得EU＋Eα＝(mPu－mU－mα)c2－Eγ⑦ 設(shè)衰變后的鈾核和α粒子的速率分別為vU和vα，則由動量守恒有mUvU＝mαvα⑧ 又由動能的定義知EU＝mUv，Eα＝mαv⑨ 由⑧⑨式得＝⑩ 由⑦⑩式得Eα＝[(mPu－mU－mα)c2－Eγ] 代入題給數(shù)據(jù)得Eα≈5.034 MeV 6EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F375