2021届高考物理一轮复习核心素养测评三十五放射性元素的衰变核能含解析

2021届高考物理一轮复习核心素养测评三十五放射性元素的衰变核能含解析

1 放射性元素的衰变　核能 (45 分钟　100 分) 一、选择题(本题共 9 小题，每小题 6 分，共 54 分，1～6 题为单选题，7～9 题为多选题) 1.关于原子核的衰变，下列说法正确的是 (　　) A.β 射线是电子流，是原子核外电子的一种自发的放射现象 B.对天然放射性元素加热，其半衰期将变短 C.原子核发生衰变时，衰变前后的电荷数和质量数都守恒 D.任何元素都有可能发生衰变 【解析】选 C。β 射线是原子核发生 β 衰变产生的，是核内中子转化为质子时放出的负电 子，不是原子核外电子电离产生的，A 错误；半衰期的大小由原子核内部因素决定，与温度、 压强等因素无关，B 错误；原子核在衰变的过程中电荷数守恒、质量数守恒，C 正确；有些 原子核不稳定，可以自发地衰变，但不是所有元素都可能发生衰变，D 错误。 2.重元素的放射性衰变共有四个系列，分别是 U238 系列(从 U 开始到稳定的 Pa 为 止)、Th232 系列、U235 系列及 Np237 系列(从 Np 开始到稳定的 Bi 为止)，其中， 前三个系列都已在自然界找到，而第四个系列在自然界一直没有被发现，只是在人工制造出 Np237 后才发现的，下面的说法正确的是(　　) A. U 的中子数比 Bi 中子数少 20 个 B.从 Np 到 Bi，共发生 7 次 α 衰变和 4 次 β 衰变 C.Np237 系列中所有放射性元素的半衰期随温度的变化而变化 D U 与 U 是不同的元素 【解析】选 B U 的中子数为 238-92=146 个 Bi 的中子数为 209-83=126 个，则 U 的中子数比 Bi 的中子数多 20 个，A 错误；根据质量数守恒有：237-209=4×7，知发 生了 7 次 α 衰变，根据电荷数守恒有：93-83=2×7-4，知发生了 4 次 β 衰变，B 正确；放 射性物质的半衰期不受外界因素的影响，C 错误 U 与 U 的质子数相同，中子数不同， 它们是相同的元素，D 错误。 3.(2020·泸州模拟)日本福岛核电站曾因大地震及海啸而产生核灾难，从而凸显出安全使用 2 核能发电的重要性。铀是核反应堆的重要原料，其中 U 原子核只有在被能量很大的快中 子轰击时，才能发生裂变且概率很小；而 U 原子核吸收慢中子后即可产生核分裂，分裂 后获得的能量可用来发电。下列关于铀核的说法正确的是 (　　) A. U n Xe Sr+ n 是一种重核裂变方程 B U Th He 是重核裂变方程 C U 核裂变需要很高的温度，所以属于热核反应 D U 核裂变后释放的中子不能引起下一次核裂变 【解析】选 A U n Xe Sr+ n 是一种重核裂变方程，A 正 确 U Th He 是 α 衰变方程，B 错误；聚变反应需要高温，所以又叫热核反应， 故 C 错误 U 核裂变后释放的中子可以引起下一次核裂变，这种反应叫作链式反应，D 错 误。 4.“国际热核聚变实验堆(ITER)计划”是目前全球规模最大、影响最深远的国际科研合作项 目之一，ITER 装置俗称“人造太阳”，该装置中发生的核反应可能是下列的 (　　) A H H He n B He Al P n C Ra Rn He D U n Xe Sr+ n 【解析】选 A。“人造太阳”的原理采用的是轻核聚变，A 是轻核聚变反应方程，符合题意； B 是约里奥—居里夫妇发现同位素的反应方程，不符合题意；C 是 α 衰变反应方程，不符合 题意；D 是重核裂变反应方程，不符合题意。 5.钍基熔盐堆核能系统(TMSR)是第四代核能系统之一。其中钍基核燃料铀由较难裂变的钍吸 收一个中子后经过若干次 β 衰变而来；铀的一种典型裂变产物是钡和氪。以下说法正确的 是(　　) A.题中铀核裂变的核反应方程为 U n Ba Kr+ n B.钍核衰变的快慢由原子所处的化学状态和外部条件决定 3 C.钍核 Th 经过 2 次 β 衰变可变成镤 Pa D.在铀核裂变成钡和氪的核反应中，核子的比结合能减小 【解析】选 A。根据质量数守恒与电荷数守恒可知，铀核裂变的核反应方程 为 U n Ba Kr+ n，选项 A 正确；原子核的半衰期由核内部自身因素决 定，与原子所处的化学状态和外部条件无关，B 错误；钍核 Th)经过 1 次 β 衰变可变成 镤 Pa)，选项 C 错误；重核裂变的过程中释放能量，所以重核分裂成中等大小的核，核 子的比结合能增大，D 错误。 6.2018 年 11 月 21 日消息，中科院合肥物质科学研究院核能安全所吴宜灿研究员获得美国 核学会聚变核能杰出成就奖。关于核反应方程、半衰期，下列说法正确的是 (　　) A.有 12 个某种放射性元素的原子核，当有 6 个发生衰变所需的时间就是该元素的半衰期 B.放射性同位素的半衰期长短与地震、风力等外部环境无关 C Th 衰变成 Pb 要经过 4 次 α 衰变和 2 次 β 衰变 D.核反应方程 N He O H 属于轻核的聚变 【解析】选 B。半衰期是大量原子核显现出来的统计规律，对少量的原子核没有意义，选项 A 错误；放射性元素衰变的快慢是由核内部自身的因素决定，跟原子所处的化学状态和外部 条件没有关系，选项 B 正确；设发生了 x 次 α 衰变和 y 次 β 衰变，则根据质量数和电荷数 守恒有 2x-y+82=90，4x+208=232，解得：x=6，y=4，故衰变过程中共有 6 次 α 衰变和 4 次 β 衰变，选项 C 错误；核反应方程 N He O H 属于人工转变，是卢瑟福发现 质子的核反应方程，选项 D 错误。 7.(2020·湘潭模拟)放射性物质碘 131 的衰变方程为 I Xe e。若碘原子核 衰变前处于静止状态，下列说法正确的是 (　　) A.衰变后氙核的动量大小等于电子的动量大小 B.衰变后电子与氙核的质量之和小于衰变前碘核的质量 C.碘核的半衰期等于其放出一个电子所经历的时间 D.氙核含有 54 个中子和 131 个质子 【解析】选 A、B。一静止的碘核放出一个电子衰变成氙核，根据系统动量守恒知，衰变后 氙核和电子动量之和为零，可知衰变后氙核的动量大小等于电子的动量大小，A 正确；衰变 4 的过程中有质量亏损，即衰变后电子与氙核的质量之和小于衰变前碘核的质量，B 正确；半 衰期是原子核有半数发生衰变的时间，故 C 错误 I 中有 53 个质子，131 表示质量数即 核子数，有 131-54=77 个中子，D 错误。 8.基于下列四幅图的叙述正确的是 (　　) A.由甲图可知，黑体温度升高时，各种波长的电磁波辐射强度都增加，辐射强度的极大值向 波长较短的方向移动 B.由乙图可知，a 光光子的频率高于 b 光光子的频率 C.由丙图可知，该种元素的原子核每经过 7.6 天就有 发生衰变 D.由丁图可知，中等大小的核的比结合能最大，这些核最稳定 【解析】选 A、D。由甲图观察可知黑体温度升高时，各种波长的电磁波辐射强度都增加， 辐射强度的极大值向波长较短的方向移动，A 正确；由乙图可知，a 光光子的频率低于 b 光 光子的频率，B 错误；由丙图可知，该种元素的原子核每经过 7.6 天就有 发生衰变，C 错 误；由丁图可知，质量数为 40 左右的原子的比结合能最大，即中等大小的核的比结合能最 大，这些核最稳定，D 正确。 9.(2019·天津高考)我国核聚变反应研究大科学装置“人造太阳”2018 年获得重大突破， 等离子体中心电子温度首次达到 1 亿度，为人类开发利用核聚变能源奠定了重要的技术基础。 下列关于聚变的说法正确的是 (　　) 5 A.核聚变比核裂变更为安全、清洁 B.任何两个原子核都可以发生聚变 C.两个轻核结合成质量较大的核，总质量较聚变前增加 D.两个轻核结合成质量较大的核，核子的比结合能增加 【解析】选 A、D。核聚变反应所产生的放射性废料较少，处理起来比较简单，而核裂变反 应所产生的放射性废料较多，处理起来比较困难，所以核聚变比核裂变更为安全、清洁，因 此 A 正确；发生核聚变需要在高温高压下进行，自然界中最容易实现的聚变反应是氢的同位 素——氘与氚的聚变，并不是任意的两个原子核都能发生核聚变，质量数很大的核就不能发 生核聚变， B 错误；两个轻核结合成质量较大的核，总质量减少，即存在质量亏损，C 错误； 两个轻核结合成质量较大的核，释放能量，核子的比结合能增加，原子核更稳定，D 正确。 故选 A、D。 【加固训练】下列说法正确的是 (　　) A.结合能越大的原子核越稳定 B.玻尔的跃迁假设是根据 α 粒子散射实验分析得出的 C.光电效应揭示了光具有粒子性，康普顿效应揭示了光具有波动性 D.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 【解析】选 D。比结合能越大，表示原子核中核子结合得越牢靠，原子核越稳定，故 A 错误； 为解释氢光谱，玻尔提出了轨道量子化与跃迁假设，故 B 错误；光电效应与康普顿效应都揭 示了光具有粒子性，故 C 错误；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，D 正确。 二、计算题(16 分，需写出规范的解题步骤) 10.太阳中含有大量的氘核，氘核不断发生核反应放出核能，以光和热的形式向外辐射。已 知两个氘核发生核反应可以产生一个新核，并放出一个中子。该新核质量为 3.015 0 u，氘 核质量为 2.013 6 u，中子质量为 1.008 7 u，1 u 的质量相当于 931.5 MeV 的能量。 (1)写出该核反应方程式； (2)求该核反应中释放的核能；(结果保留三位有效数字) 6 (3)若两氘核以相等的动能 0.35 MeV 进行对心碰撞，假设核能全部转化为机械能，求反应后 新核的动能。(结果保留两位有效数字) 【解析】(1)由质量数和核电荷数守恒，写出核反应方程为 H H He n。 (2)反应过程中质量减少了Δm=2×2.013 6 u-1.008 7 u-3.015 0 u=0.003 5 u， 反应过程中释放的核能 ΔE=0.003 5×931.5 MeV=3.26 MeV。 (3)设 n 和 He 核的动量分别为 p1 和 p2，由动量守恒定律得 0=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 核的动能 E2 的 3 倍，即 E1∶E2=3∶1，由能量守恒定律得 E1+E2=ΔE+2×0.35 MeV， 由以上可以算出 E2=0.99 MeV。 答案：(1 H H He n　(2)3.26 MeV (3)0.99 MeV 11.(10 分)如图所示是原子核的平均核子质量 A 与原子序数 Z 的关系图象，下列说法正确的 是 (　　) A.若 D、E 能结合成 F，结合过程一定要释放能量 B.若 D、E 能结合成 F，结合过程一定要吸收能量 C.若 C、B 能结合成 A，结合过程一定要释放能量 D.若 F、C 能结合成 B，结合过程一定要释放能量 【解析】选 A。核反应过程中，总的核子数保持不变，若反应朝平均核子质量减少的方向进 行，则 总质量减少，释放能量。由平均核子质量 A 与原子序数 Z 的关系图象可知，D 与 E 的平均核 子质量大于 F 的平均核子质量，所以 D、E 结合成 F，平均核子质量减小，有质量亏损，根 7 据爱因斯坦质能方程，有能量释放，故 A 正确，B 错误。B 与 C 的平均核子质量小于 A 的平 均核子质量，所以若 C、B 能结合成 A，则质量增加，根据爱因斯坦质能方程，要吸收能量， 故 C 错误。F 与 C 的平均核子质量小于 B 的平均核子质量，所以若 C、F 能结合成 B，则质量 增加，根据爱因斯坦质能方程，要吸收能量，故 D 错误。 12.(20 分)(2019·衡水模拟)一个静止的铀核 U(原子质量为 232.037 2 u)放出一个 α 粒子(原子质量为 4.002 6 u)后衰变成钍核 Th(原子质量为 228.028 7 u)。已知：原子质量单位 1 u=1.67×10-27 kg，1 u 相当于 931 MeV(计算结果均 保留两位小数)。 (1)写出核衰变反应方程并计算该核反应释放出的核能； (2)假设反应中释放出的核能全部转化为钍核和 α 粒子的动能，请计算钍核的动能大小。 【解析】(1 U Th He， 质量亏损Δm=0.005 9 u， 由爱因斯坦质能方程得ΔE=Δm×931 MeV， ΔE≈5.50 MeV。 (2)系统动量守恒，钍核和α粒子的动量大小相等，即 pTh=pα， 由 EkTh= ，Ekα= ，及 EkTh+Ekα=ΔE，得 EkTh+EkTh =ΔE， 所以钍核获得的动能 EkTh= ΔE= ≈0.09 MeV。 答案：(1 U Th He　5.50 MeV (2)0.09 MeV