广东省广州市天河中学2017届高三上学期单元测试物理试卷（放射性元素的衰变、核能）

广东省广州市天河中学2017届高三上学期单元测试物理试卷（放射性元素的衰变、核能）

‎2016-2017学年广东省广州市天河中学高三（上）单元测试物理试卷（放射性元素的衰变、核能）‎ ‎　‎ 一、选择题（每小题5分，共30分）‎ ‎1．关于天然放射现象，下列说法正确的是（　　）‎ A．α射线是由氦原子核衰变产生 B．β射线是由原子核外电子电离产生 C．γ射线是由原子核外的内层电子跃迁产生 D．通过化学反应不能改变物质的放射性 ‎2．目前，在居室装修中经常用到花岗岩、大理石等装饰材料，这些岩石都不同程度地含有放射性元素，比如，有些含有铀、钍的花岗岩等岩石会释放出放射性情性气体氡，而氡及其衰变产物会放射出α、β、γ射线，这些射线会导致细胞发生癌变及呼吸道等方面的疾病，根据有关放射性知识可知，下列说法正确的是（　　）‎ A．氡的半衰期为3.8天，若取4个氡原子核，经7.6天后就一定剩下一个原子核了 B．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 C．γ射线一般伴随着α或β射线产生，在这三种射线中，γ射线的穿透能力最强，电离能力最弱 D．发生α衰变时，生成核与原来的原子核相比，中子数减少了4‎ ‎3．一核反应方程： H+H→He+x，用c表示光速，则（　　）‎ A．X是质子，核反应放出的能量等于质子质量乘c2‎ B．X是中子，核反应放出的能量等于中子质量乘c2‎ C．X是质子，核反应放出的能量等于氘核与氚核的质量和减去氦核与质子的质量和，再乘c2‎ D．X是中子，核反应放出的能量等于氘核与氚核的质量和减去氦核与中子的质量和，再乘c2‎ ‎4．表示放射性元素碘131（I）β衰变的方程是（　　）‎ A． I→Sb+He B． I→Xe+e C． I→I+n D． I→Te+H ‎5．浙江秦山核电站第3期工程两个60万千瓦发电机组已并网发电．发电站的核能来源于U的裂变，下面说法正确的是（　　）‎ A． U裂变时释放出大量能量，产生明显的质量亏损，所以核子数要减小 B． U的一种可能的裂变是变成两个中等质量的原子核，反应方程式为： U+n→Ba+Kr+2n C． U是天然放射性元素，常温下它的半衰期约为45亿年，升高温度半衰期缩短 D．一个U裂变能放出约200 MeV的能量，相当于3.2×10﹣11 J ‎6．关于放射性元素，下列说法正确的是（　　）‎ A．利用放射性同位素可作为示踪原子 B．利用放射性同位素放出的α射线可以进行金属探伤 C．放射性元素发生一次β衰变，质子数减少1‎ D．放射性元素的半衰期随环境温度的升高而缩短 ‎　‎ 二、非选择题（共70分）‎ ‎7．2011年3月11日，riben发生九级大地震，造成福岛核电站的核泄漏事故．在泄漏的污染物中含有131I和137Cs两种放射性核素，它们通过一系列衰变产生对人体有危害的辐射．在下列四个式子中，有两个能分别反映131I和137Cs衰变过程，它们分别是　　和　　（填入正确选项前的字母）．131I和137Cs原子核中的中子数分别是　　和　　．‎ A．X1→Ba+n B．X2→Xe+e C．X3→Ba+e D．X4→Xe+p．‎ ‎8．用人工方法得到放射性同位素，这是一个很重要的发现．天然放射性同位素只不过40多种，而目前人工制造的同位素已达1 000多种，每种元素都有放射性同位素．放射性同位素在农业、医疗卫生、科研等许多方面得到广泛应用．‎ ‎（1）带电的验电器在放射线照射下电荷会很快消失，其原因是　　‎ A．射线的贯穿作用 B．射线的电离作用 C．射线的物理、化学作用 D．以上3个选项都不是 ‎（2）如图是工厂利用放射线自动控制铝板厚度的装置示意图，若工厂生产的是厚度1mm的铝板，在α、β、γ 3种射线中，你认为对铝板的厚度控制起主要作用的是　　射线．‎ ‎（3）在我国首先用人工方法合成牛胰岛素时，需要证明人工合成的牛胰岛素结晶跟天然牛胰岛结晶是同一物质．为此，曾采用放射性同位素14C作为　　．‎ ‎9．核能具有能量密度大，地区适应性强的优势．在核电站中，核反应堆释放的核能被转化为电能．核反应堆的工作原理是利用中子轰击重核发生裂变反应，释放出大量核能．‎ ‎（1）核反应方程式U+n→Ba+Kr+aX是反应堆中发生的许多核反应中的一种，n为中子，X为待求粒子，a为X的个数，则X为　　，a=　　．以mU、mBa、mKr 分别表示U、Ba、Kr核的质量，mn、mp分别表示中子、质子的质量，c为光在真空中传播的速度，则在上述核反应过程中放出的核能△E=　　．‎ ‎（2）有一座发电能力为P=1.00×106 kW的核电站，核能转化为电能的效率η=40%．假定反应堆中发生的裂变反应全是本题（1）中的核反应，已知每次核反应过程放出的核能△E=2.78×10﹣11 J， U核的质量mU=390×10﹣27 kg．求每年（1年=3.15×107 s）消耗的U的质量．‎ ‎10．用速度为v0、质量为m1的He核轰击质量为m2的静止的N核，发生核反应，最终产生两种粒子A和B．其中A为O核，质量为m3，速度为v3；B的质量为m4．‎ ‎（1）写出核反应方程式；‎ ‎（2）计算粒子B的速度vB；‎ ‎（3）粒子A的速度符合什么条件时，粒子B的速度方向与He核的运动方向相反？‎ ‎11．太阳内部的核聚变可以释放出大量的能量，这些能量以电磁辐射的形式向四面八方辐射出去，其总功率达P0=3.8×1026 W．‎ ‎（1）估算一下太阳每秒钟损失的质量．‎ ‎（2）设太阳上的核反应都是4H→He+2e+2ν+28MeV这种形式的反应（ν是中微子，其质量远小于电子质量，是穿透能力极强的中性粒子），地日距离L=1.5×1011 m，试估算每秒钟太阳垂直照射在地球表面上每平方米有多少中微子到达．‎ ‎12．已知氘核质量为2.013 6u，中子质量为1.008 7u， He的质量为3.015 0u．‎ ‎（1）写出两个氘核聚变成He的核反应方程；‎ ‎（2）计算上述核反应中释放的核能；‎ ‎（3）若两氘核以相等的动能0.35MeV做对心碰撞即可发生上述核反应，且释放的核能全部转化为机械能，则反应中生成的He和中子的动能各是多少？‎ ‎　‎ ‎2016-2017学年广东省广州市天河中学高三（上）单元测试物理试卷（放射性元素的衰变、核能）‎ 参考答案与试题解析 ‎　‎ 一、选择题（每小题5分，共30分）‎ ‎1．关于天然放射现象，下列说法正确的是（　　）‎ A．α射线是由氦原子核衰变产生 B．β射线是由原子核外电子电离产生 C．γ射线是由原子核外的内层电子跃迁产生 D．通过化学反应不能改变物质的放射性 ‎【考点】天然放射现象．‎ ‎【分析】本题考查三种射线的来源：α射线是具有放射性的元素的原子核在发生衰变时两个中子和两个质子结合在一起而从原子核中释放出来．β射线是具有放射性的元素的原子核中的一个中子转化成一个质子同时释放出一个高速电子即β粒子．γ射线是原子核在发生α衰变和β衰变时产生的能量以γ光子的形式释放．放射性元素的放射性是原子核自身决定的．‎ ‎【解答】解：A、α射线是具有放射性的元素的原子核在发生衰变时两个中子和两个质子结合在一起而从原子核中释放出来．故A错误．‎ B、β射线是具有放射性的元素的原子核中的一个中子转化成一个质子同时释放出一个高速电子即β粒子．故B错误．‎ C、γ射线是原子核在发生α衰变和β衰变时产生的能量以γ光子的形式释放．故C错误．‎ D、放射性元素的放射性是原子核自身决定的，而化学反应不能改变原子的原子核，故化学反应并不能改变物质的放射性．故D正确．‎ 故选D．‎ ‎　‎ ‎2．目前，在居室装修中经常用到花岗岩、大理石等装饰材料，这些岩石都不同程度地含有放射性元素，比如，有些含有铀、钍的花岗岩等岩石会释放出放射性情性气体氡，而氡及其衰变产物会放射出α、β、γ射线，这些射线会导致细胞发生癌变及呼吸道等方面的疾病，根据有关放射性知识可知，下列说法正确的是（　　）‎ A．氡的半衰期为3.8天，若取4个氡原子核，经7.6天后就一定剩下一个原子核了 B．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 C．γ射线一般伴随着α或β射线产生，在这三种射线中，γ射线的穿透能力最强，电离能力最弱 D．发生α衰变时，生成核与原来的原子核相比，中子数减少了4‎ ‎【考点】原子核衰变及半衰期、衰变速度．‎ ‎【分析】半衰期具有统计意义，对大量的原子核适用．衰变时释放的电子来自原子核．根据电荷数守恒、质量数守恒，判断电荷数、质量数的变化，从而得出中子数的变化．‎ ‎【解答】解：A、半衰期具有统计意义，对大量的原子核适用．故A错误．‎ B、β衰变所释放的电子来自原子核，是原子核中的一个中子转变为一个电子和一个质子，电子释放出来．故B正确．‎ C、γ射线一般伴随着α或β射线产生，在这三种射线中，γ射线的穿透能力最强，电离能力最弱．故C正确．‎ D、发生α衰变时，电荷数少2，质量数少4，则中子数少2．故D错误．‎ 故选：BC ‎　‎ ‎3．一核反应方程： H+H→He+x，用c表示光速，则（　　）‎ A．X是质子，核反应放出的能量等于质子质量乘c2‎ B．X是中子，核反应放出的能量等于中子质量乘c2‎ C．X是质子，核反应放出的能量等于氘核与氚核的质量和减去氦核与质子的质量和，再乘c2‎ D．X是中子，核反应放出的能量等于氘核与氚核的质量和减去氦核与中子的质量和，再乘c2‎ ‎【考点】爱因斯坦质能方程．‎ ‎【分析】根据电荷数守恒、质量数守恒确定未知粒子为何种粒子，根据爱因斯坦质能方程求出释放的能量．‎ ‎【解答】解：根据电荷数守恒、质量数守恒，知X的电荷数为0，质量数为1，为中子．根据△E=△mc2知，核反应放出的能量等于氘核与氚核的质量和减去氦核与中子的质量和，再乘c2．故D正确，A、B、C错误．‎ 故选D．‎ ‎　‎ ‎4．表示放射性元素碘131（I）β衰变的方程是（　　）‎ A． I→Sb+He B． I→Xe+e C． I→I+n D． I→Te+H ‎【考点】原子核衰变及半衰期、衰变速度．‎ ‎【分析】本题很简单，要知道β衰变是原子核内的中子转化为质子，并产生一个电子的过程，即发生β衰变时衰变前后质量数不变，电荷数增加．‎ ‎【解答】解：β衰变是原子核内的中子转化为质子同时放出电子个过程．‎ A、该衰变是α衰变，故A错误；‎ B、该衰变放出的是β粒子，属于β衰变，故B正确；‎ C、产生是中子，故C错误；‎ D、产生的是质子，故D错误．‎ 故选：B．‎ ‎　‎ ‎5．浙江秦山核电站第3期工程两个60万千瓦发电机组已并网发电．发电站的核能来源于U的裂变，下面说法正确的是（　　）‎ A． U裂变时释放出大量能量，产生明显的质量亏损，所以核子数要减小 B． U的一种可能的裂变是变成两个中等质量的原子核，反应方程式为： U+n→Ba+Kr+2n C． U是天然放射性元素，常温下它的半衰期约为45亿年，升高温度半衰期缩短 D．一个U裂变能放出约200 MeV的能量，相当于3.2×10﹣11 J ‎【考点】原子核衰变及半衰期、衰变速度；爱因斯坦质能方程．‎ ‎【分析】根据爱因斯坦质能方程，发生核反应过程中发生质量亏损，放出大量的能量，但核反应方程还是会满足质量数和电荷数守恒；半衰期与环境温度无关；建造核电站时需要特别注意防止放射线和放射性物质的泄漏，以避免射线对人体的伤害和放射性物质对环境造成放射性污染．‎ ‎【解答】解：A、U裂变时，核子数、质子数守恒，只是重核的核子平均质量大于中等质量的核子平均质量，产生质量亏损，但核子的数目不变，故A错误．‎ B、可能的反应方程式应为U+n→Ba+Kr+3n．故B错误；‎ C、U的半衰期不会随环境温度的变化而改变，它是由核内部自身的因素决定的，故C错误；‎ D、1 MeV=1×106×1.6×10﹣19 J=1.6×10﹣13 J，200 MeV=200×1.6×10﹣13 J=3.2×10﹣11 J．故D正确 故选：D ‎　‎ ‎6．关于放射性元素，下列说法正确的是（　　）‎ A．利用放射性同位素可作为示踪原子 B．利用放射性同位素放出的α射线可以进行金属探伤 C．放射性元素发生一次β衰变，质子数减少1‎ D．放射性元素的半衰期随环境温度的升高而缩短 ‎【考点】原子核衰变及半衰期、衰变速度；天然放射现象．‎ ‎【分析】放射性同位素可作为示踪原子，α射线的贯穿本领较小，不可以进行金属探伤，发生一次β衰变，质子数增加1，放射性元素的半衰期由原子核本身决定．‎ ‎【解答】解：A　放射性同位素可作为示踪原子，A正确；‎ B、α射线贯穿本领弱，不能用于金属探伤，B错误；‎ C、放射性元素发生一次β衰变，由衰变规律知质子数增加1，C错误；‎ D、元素的半衰期只由核本身的因素决定，而与原子所处的物理状态或化学状态无关，D错误，‎ 故选：A．‎ ‎　‎ 二、非选择题（共70分）‎ ‎7．2011年3月11日，riben发生九级大地震，造成福岛核电站的核泄漏事故．在泄漏的污染物中含有131I和137Cs两种放射性核素，它们通过一系列衰变产生对人体有危害的辐射．在下列四个式子中，有两个能分别反映131I和137Cs衰变过程，它们分别是　B　和　C　（填入正确选项前的字母）．131I和137Cs原子核中的中子数分别是　78　和　82　．‎ A．X1→Ba+n B．X2→Xe+e C．X3→Ba+e D．X4→Xe+p．‎ ‎【考点】裂变反应和聚变反应．‎ ‎【分析】衰变过程是原子核自发的，满足质量数与质子数守恒，而原子核由中子与质子组成．‎ ‎【解答】解：I是53号元素，核电荷数是53，Cs是55号元素，核电荷数是55，比较四式中，只有B选项与C选项中分别有53131I和55137Cs两种放射元素，然而泄漏的污染物在衰变中有53131I和55137Cs两种放射性元素．而A、D选项中没有53131I和55137Cs．‎ 而中子数等于质量数减去质子数．即分别为131﹣53=78、137﹣55=82‎ 故答案为：B、C；78、82‎ ‎　‎ ‎8．用人工方法得到放射性同位素，这是一个很重要的发现．天然放射性同位素只不过40多种，而目前人工制造的同位素已达1 000多种，每种元素都有放射性同位素．放射性同位素在农业、医疗卫生、科研等许多方面得到广泛应用．‎ ‎（1）带电的验电器在放射线照射下电荷会很快消失，其原因是　B　‎ A．射线的贯穿作用 B．射线的电离作用 C．射线的物理、化学作用 D．以上3个选项都不是 ‎（2）如图是工厂利用放射线自动控制铝板厚度的装置示意图，若工厂生产的是厚度1mm的铝板，在α、β、γ 3种射线中，你认为对铝板的厚度控制起主要作用的是　β　射线．‎ ‎（3）在我国首先用人工方法合成牛胰岛素时，需要证明人工合成的牛胰岛素结晶跟天然牛胰岛结晶是同一物质．为此，曾采用放射性同位素14C作为　示踪原子　．‎ ‎【考点】原子核衰变及半衰期、衰变速度．‎ ‎【分析】（1）电子吸收光子得到能量克服核的束缚，发生了电离；‎ ‎（2）α射线的穿透本领很小，穿不透铝板，而γ射线穿透本领又太强，在厚度变化在毫米级是几乎不受影响．‎ ‎（3）在我国首先用人工方法合成牛胰岛素时，需要证明人工合成的牛胰岛素结晶跟天然牛胰岛结晶是同一物质．为此，曾采用放射性同位素14C作为示踪原子．‎ ‎【解答】解：（1）带电的验电器在放射线照射下电荷会很快消失，是因为电子吸收光子得到能量，可以克服核的束缚，发生了电离，即射线的电离作用，故选：B．‎ ‎（2）β射线起主要作用．因为α射线的穿透本领很小，一张薄纸就能把它挡住； γ射线的穿透本领非常强，能穿透几厘米的铝板，1mm左右的铝板厚度发生变化时，透过铝板的射线强度变化不大； β射线的穿透本领较强，能穿透几毫米的铝板，当铝板的厚度发生变化时，透过铝板的射线强度变化较大，探测器可明显地反应出这种变化，使自动化系统做出相应的反应．‎ ‎（3）在我国首先用人工方法合成牛胰岛素时，需要证明人工合成的牛胰岛素结晶跟天然牛胰岛结晶是同一物质．为此，曾采用放射性同位素14C作为示踪原子．‎ 故答案为：（1）B；（2）β；（3）示踪原子．‎ ‎　‎ ‎9．核能具有能量密度大，地区适应性强的优势．在核电站中，核反应堆释放的核能被转化为电能．核反应堆的工作原理是利用中子轰击重核发生裂变反应，释放出大量核能．‎ ‎（1）核反应方程式U+n→Ba+Kr+aX是反应堆中发生的许多核反应中的一种，n为中子，X为待求粒子，a为X的个数，则X为　n　，a=　3　．以mU、mBa、mKr分别表示U、Ba、Kr核的质量，mn、mp分别表示中子、质子的质量，c为光在真空中传播的速度，则在上述核反应过程中放出的核能△E=　（mU﹣mBa﹣mKr﹣2mn）c2　．‎ ‎（2）有一座发电能力为P=1.00×106 kW的核电站，核能转化为电能的效率η=40%．假定反应堆中发生的裂变反应全是本题（1）中的核反应，已知每次核反应过程放出的核能△E=2.78×10﹣11 J， U核的质量mU=390×10﹣27 kg．求每年（1年=3.15×107 s）消耗的U的质量．‎ ‎【考点】爱因斯坦质能方程；裂变反应和聚变反应．‎ ‎【分析】（1）根据电荷数守恒、质量数守恒确定该粒子是什么粒子，以及确定a的数值．根据爱因斯坦质能方程求出上述核反应中放出的核能．‎ ‎（2）根据能量守恒定律求解每年消耗的U的质量．‎ ‎【解答】解：（1）根据电荷数守恒和质量数守恒可判断，X为中子（n），且a=3，‎ 根据爱因斯坦质能方程△E=△mc2，‎ 有△E=（mU﹣mBa﹣mKr﹣2mn）c2．‎ ‎（2）反应堆每年提供的核能E=（其中T表示一年的时间），‎ 以M表示每年消耗的n的质量，‎ 则M：mU=E：△E，‎ 解得M=．‎ 代入数据得M=1.10×103 kg．‎ 故答案为：（1）n，3，（mU﹣mBa﹣mKr﹣2mn）c2，（2）1.10×103 kg．‎ ‎　‎ ‎10．用速度为v0、质量为m1的He核轰击质量为m2的静止的N核，发生核反应，最终产生两种粒子A和B．其中A为O核，质量为m3，速度为v3；B的质量为m4．‎ ‎（1）写出核反应方程式；‎ ‎（2）计算粒子B的速度vB；‎ ‎（3）粒子A的速度符合什么条件时，粒子B的速度方向与He核的运动方向相反？‎ ‎【考点】动量守恒定律；裂变反应和聚变反应．‎ ‎【分析】（1）根据质量数与核电荷数守恒写出核反应方程式．‎ ‎（2）核反应过程系统动量守恒，应用动量守恒定律可以求出粒子的速度．‎ ‎（3）根据动量守恒定律与题意分析粒子A的初速度需要满足的条件．‎ ‎【解答】解：（1）根据质量数与核电荷数守恒可知，核反应方程式为：‎ He+N→O+H．‎ ‎（2）核反应过程系统动量守恒，以He核的初速度方向为正方向，由动量守恒定律定律得：m1v0=m3v3+m4vB，‎ 解得：vB=；‎ ‎（3）B的速度与He核的速度方向相反，即：‎ m1v0﹣m3v3＜0，‎ 解得：v3＞．‎ 答：（1）核反应方程式为He+N→O+H．‎ ‎（2）粒子B的速度vB为；‎ ‎（3）粒子A的速度符合条件为v3＞时，粒子B的速度方向与He核的运动方向相反．‎ ‎　‎ ‎11．太阳内部的核聚变可以释放出大量的能量，这些能量以电磁辐射的形式向四面八方辐射出去，其总功率达P0=3.8×1026 W．‎ ‎（1）估算一下太阳每秒钟损失的质量．‎ ‎（2）设太阳上的核反应都是4H→He+2e+2ν+28MeV这种形式的反应（ν是中微子，其质量远小于电子质量，是穿透能力极强的中性粒子），地日距离L=1.5×1011 m，试估算每秒钟太阳垂直照射在地球表面上每平方米有多少中微子到达．‎ ‎【考点】爱因斯坦质能方程．‎ ‎【分析】（1）根据质能方程求出释放能量损失的质量，即可求解；‎ ‎（2）根据释放的能量，即可计算出核反应的次数，然后结合地球轨道所在处的球面积，即可求解．‎ ‎【解答】解：（1）太阳每秒钟放出的能量：△E=Pt=3.8×1026 J，‎ 由质能方程△E=△mc2‎ 可得：△m== kg=4.2×109 kg=4.2×106 t．‎ ‎（2）每秒钟聚变反应的次数：‎ n=次=8.48×1037次．‎ 每秒钟产生的中微子数为n1，‎ 则n1=2n=16.96×1037个．‎ 距太阳L=1.5×1011 m的球面积S=4πL2=4×3.14×（1.5×1011）2 m2=28.26×1022 m2．‎ 每平方米有n2个中微子，则：‎ n2=个=6×1014个．‎ 答：（1）太阳每秒钟损失的质量为4.2×106 t；‎ ‎（2）每秒钟太阳垂直照射在地球表面上每平方米有6×1014个中微子到达．‎ ‎　‎ ‎12．已知氘核质量为2.013 6u，中子质量为1.008 7u， He的质量为3.015 0u．‎ ‎（1）写出两个氘核聚变成He的核反应方程；‎ ‎（2）计算上述核反应中释放的核能；‎ ‎（3）若两氘核以相等的动能0.35MeV做对心碰撞即可发生上述核反应，且释放的核能全部转化为机械能，则反应中生成的He和中子的动能各是多少？‎ ‎【考点】爱因斯坦质能方程；裂变反应和聚变反应．‎ ‎【分析】根据质量数守恒和核电荷数守恒书写核反应方程．‎ 先求出核反应中质量亏损，再由爱因斯坦质能方程，求出核反应中释放的核能；‎ 两氘核对心碰撞过程，遵守动量守恒和能量守恒根据动量守恒和能量守恒列方程求解．‎ ‎【解答】解：（1）由质量数守恒和核电荷数守恒，写出核反应方程为：‎ H+H→He+ n ‎（2）反应过程中质量减少了：‎ ‎△m=2×2.0136u﹣1.0087u﹣3.0150u=0.0035u 反应过程中释放的核能为：△E=0.0035×931.5MeV=3.26MeV ‎（3）设n核和He的动量分别为P1和P2，由动量守恒定律得：O=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核动能E2的3倍，即：E1：E2=3：1‎ 由能量守恒定律得：E1+E2=△E+2×0.35‎ 由以上可以算出：E1=2.97MeV E2=0.99MeV 答：（1）核反应方程为H+H→He+ n．‎ ‎（2）上述核反应中释放的核能为3.26MeV．‎ ‎（3）反应中生成的He核的动能是0.99ev；中子的动能为2.97ev．‎ ‎　‎ ‎2016年12月26日