2024年高中物理第十九章原子核第6节-第8节粒子和宇宙核裂变核聚变随堂演练巩固提升新人教版选修3-5

PAGEPAGE1第6节-第8节粒子和宇宙核裂变核聚变[随堂检测]1．科学探讨表明，自然界存在四种基本相互作用．我们知道分子之间也存在相互作用的引力和斥力，那么分子力实质上属于()A．引力相互作用B．电磁相互作用C．强相互作用和弱相互作用的共同作用D．四种基本相互作用的共同作用解析：选B．分子力作用范围约在10－10m数量级上，强相互作用和弱相互作用都是短程力，作用范围在10－15m和10－18m之内，在这个距离上分子力不存在．在分子力作用范围内引力相互作用和电磁相互作用都存在，但由于电磁力远大于万有引力，引力相互作用可以忽视不计，因此分子力本质上属于电磁相互作用．2．(多选)不同原子核的比结合能是不同的，中等质量原子核的比结合能最大，轻核和重核的比结合能都比中等质量的原子核要小，由此，可以确定，下列核反应能释放大量核能的是()A．中等质量的原子核结合成质量较大的重核B．质量较大的重核分裂成中等质量的原子核C．中等质量的原子核分裂成质量较小的轻核D．质量较小的轻核结合成中等质量的原子核解析：选BD．两个中等质量的核结合成重核的过程，核子的比结合能削减，整个过程将要汲取能量，故A选项错误；质量较大的重核分裂成中等质量的原子核，是上述过程的逆过程，明显是放出能量的，B项正确；依据同样的方法，可知C项错误，D项正确．3.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，结合过程肯定要释放能量B．若D、E能结合成F，结合过程肯定要汲取能量C．若C、B能结合成A，结合过程肯定要释放能量D．若F、C能结合成B，结合过程肯定要释放能量解析：选A．D、E平均核子质量大于F平均核子质量，D、E结合成F，出现质量亏损，要释放能量，A对，B错；C、B结合成A，F、C结合成B都是质量增加，结合过程要汲取能量，C、D错．4．质子、中子和氘核的质量分别为m1、m2和m3，真空中光速为c，当质子和中子结合成氘核时，放出的能量是()A．m3c2 B．(m1＋m2)c2C．(m3－m2－m1)c2 D．(m1＋m2－m3)c2解析：选D．质子和中子结合成原子核氘核时，总质量减小了，即质量亏损Δm＝m1＋m2－m3.依据质能方程可知，放出的能量为ΔE＝Δmc2＝(m1＋m2－m3)c2.5．镭核eq\o\al(226,88)Ra发生衰变放出一个粒子变为氡核eq\o\al(222,86)Rn，已知镭核226质量为226.0254u，氡核222质量为222.0163u，放出粒子质量为4.0026u.(1)写出核反应方程；(2)求镭核衰变放出的能量；(3)若衰变放出的能量均转变为氡核和放出的粒子的动能，求放出粒子的动能．解析：(1)核反应(衰变)方程为eq\o\al(226,88)Ra→eq\o\al(222,86)Rn＋eq\o\al(4,2)He.(2)镭核衰变放出的能量为ΔE＝(226.0254－4.0026－222.0163)×931.5MeV≈6.05MeV.(3)设镭核衰变前静止，镭核衰变时动量守恒，则由动量守恒定律可得mRnvRn－mαvα＝0①又依据衰变放出的能量转变为氡核和α粒子的动能，则ΔE＝eq\f(1,2)mRnveq\o\al(2,Rn)＋eq\f(1,2)mαveq\o\al(2,α)②由①②可得Eα＝eq\f(mRn,mRn＋mα)×ΔE＝eq\f(222,222＋4)×6.05MeV≈5.94MeV.则放出粒子的动能为5.94MeV.答案：(1)eq\o\al(226,88)Ra→eq\o\al(222,86)Rn＋eq\o\al(4,2)He(2)6.05MeV(3)5.94MeV[课时作业]一、单项选择题1．对原子核的组成，下列说法正确的是()A．核力可使一些中子组成原子核B．核力可使特别多的质子组成原子核C．不存在只有质子的原子核D．质量较大的原子核内肯定有中子解析：选D．由于原子核带正电，不存在只有中子的原子核，但核力也不能把特别多的质子聚集在一起组成原子核，缘由是核力是短程力，质子之间还存在“长程力”——库仑力，A、B错误；自然界中存在只有一个质子的原子核，如eq\o\al(1,1)H，C错误；较大质量的原子核内只有存在一些中子，才能减弱库仑力，维系原子核的稳定，故D正确．2．对于爱因斯坦提出的质能方程E＝mc2，下列说法中不正确的是()A．E＝mc2表明物体具有的能量与其质量成正比B．依据ΔE＝Δmc2可以计算核反应中释放的核能C．一个中子和一个质子结合成氘核时，释放出核能，表明此过程中出现了质量亏损D．E＝mc2中的E是发生核反应中释放的核能解析：选D．E＝mc2中的E表示物体具有的总能量，m表示物体的质量，故A说法正确；ΔE＝Δmc2表示的意义是当物体的能量增加或削减ΔE时，它的质量也会相应地增加或削减Δm，故B说法正确；只有在出现质量亏损时，才能释放核能，故C说法正确，所以选D．3．一个铍原子核(eq\o\al(7,4)Be)从最靠近核的K层电子轨道上俘获一个电子后发生衰变，生成一个锂核(eq\o\al(7,3)Li)，并放出一个不带电的质量接近零的中微子νe(质量不计)，人们把这种衰变叫铍核的EC衰变，核反应方程为：eq\o\al(7,4)Be＋eq\o\al(0,－1)e→eq\o\al(7,3)Li＋νe，已知一个铍原子质量为m1，一个锂原子质量为m2，一个电子质量为me，质量单位采纳kg，光速为c，则一个铍原子核发生上述核反应释放的能量为()A．(m1－m2)c2 B．(m1＋me＋m2)c2C．(m1＋me－m2)c2 D．(m2－m1－me)c2解析：选A．铍原子核质量为m1－4me，锂原子核质量为m2－3me，核反应中质量亏损为Δm＝(m1－4me＋me)－(m2－3me)＝m1－m2，由质能方程得ΔE＝Δmc2＝(m1－m2)c2，正确选项为A．4．(2024·佛山高二检测)某核反应方程为eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋X.已知eq\o\al(2,1)H的质量为2.0136u，eq\o\al(3,1)H的质量为3.0180u，eq\o\al(4,2)He的质量为4.0026u，X的质量为1.0087u，则下列说法中正确的是()A．X是质子，该反应释放能量B．X是中子，该反应释放能量C．X是质子，该反应汲取能量D．X是中子，该反应汲取能量解析：选B．由题目所给核反应方程式，依据核反应过程质量数、电荷数守恒规律，可得eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)X，X为中子，在该反应发生前反应物的总质量m1＝2.0136u＋3.0180u＝5.0316u，反应后产物总质量m2＝4.0026u＋1.0087u＝5.0113u．总质量削减，出现了质量亏损．依据爱因斯坦的质能方程可知该反应释放能量，故B正确．5．(2024·济宁高二检测)当两个中子和两个质子结合成一个α粒子时，放出28.30MeV的能量，当三个α粒子结合成一个碳核时，放出7.26MeV的能量，则当6个中子和6个质子结合成一个碳核时，释放的能量为()A．21.04MeV B．35.56MeVC．77.64MeV D．92.16MeV解析：选D．6个中子和6个质子可结合成3个α粒子，放出能量3×28.30MeV＝84.9MeV，3个α粒子再结合成一个碳核，放出7.26MeV能量，故6个中子和6个质子结合成一个碳核时，释放能量为84.9MeV＋7.26MeV＝92.16MeV.6．一个质子和一个中子发生核反应结合成一个氘核，同时辐射一个γ光子．已知质子、中子、氘核的质量分别为m1、m2、m3，普朗克常量为h，真空中的光速为c.下列说法正确的是()A．核反应方程是eq\o\al(1,1)H＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(3,1)H＋γB．该反应中的质量亏损Δm＝m1＋m2－m3C．辐射出的γ光子的能量E＝(m3－m1－m2)cD．γ光子的波长λ＝eq\f(h,(m1＋m2－m3)c2)解析：选B．此核反应的核反应方程为eq\o\al(1,1)H＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(2,1)H＋γ，A错；由质能方程，γ光子的能量为E＝(m1＋m2－m3)c2，C错；由E＝heq\f(c,λ)知，波长λ＝eq\f(h,(m1＋m2－m3)c)，D错．故B对．7.如图所示是描述原子核核子的平均质量m与原子序数Z的关系曲线，由图可知下列说法正确的是()A．将原子核A分解为原子核B、C可能汲取能量B．将原子核D、E结合成原子核F可能汲取能量C．将原子核A分解为原子核B、F肯定释放能量D．将原子核F、C结合成原子核B肯定释放能量解析：选C．因B、C核子平均质量小于A的核子平均质量，故A分解为B、C时，出现质量亏损，故放出核能，故A错误；同理可得B、D错误，C正确．二、多项选择题8．关于原子核的结合能，下列说法正确的是()A．原子核的结合能等于使其完全分解成自由核子所需的最小能量B．一重原子核衰变成α粒子和另一原子核，衰变产物的结合能之和肯定大于原来重核的结合能C．铯原子核(eq\o\al(133,55)Cs)的结合能小于铅原子核(eq\o\al(208,82)Pb)的结合能D．自由核子组成原子核时，其质量亏损所对应的能量大于该原子核的结合能解析：选ABC．原子核分解成自由核子时，须要的最小能量就是原子核的结合能，选项A正确；重核衰变时释放能量，衰变产物更稳定，即衰变产物的比结合能更大，衰变前后核子数不变，所以衰变产物的结合能之和肯定大于原来重核的结合能，选项B正确；铯核的核子数比铅核的核子数少，其结合能也小，选项C正确；自由核子组成原子核时，需放出能量，因此质量亏损产生的能量小于原子核的结合能，选项D错误．9．中子和质子结合成氘核时，质量亏损为Δm，相应的能量ΔE＝Δmc2＝2.2MeV是氘核的结合能．下列说法正确的是()A．用能量小于2.2MeV的光子照耀静止氘核时，氘核不能分解为一个质子和一个中子B．用能量等于2.2MeV的光子照耀静止氘核时，氘核可能分解为一个质子和一个中子，它们的动能之和为零C．用能量大于2.2MeV的光子照耀静止氘核时，氘核可能分解为一个质子和一个中子，它们的动能之和为零D．用能量大于2.2MeV的光子照耀静止氘核时，氘核可能分解为一个质子和一个中子，它们的动能之和不为零解析：选AD．氘核分解为一个质子和一个中子时，所需汲取的能量不能小于其结合能2.2MeV，故A对；光子照耀氘核时，光子和氘核组成的系统总动量不为零，由动量守恒定律得，光子被氘核汲取后，分解成的质子和中子的总动量不为零，故总动能也不为零，所以把氘核分解为质子和中子所需的能量应大于2.2MeV，故D对，B、C错．10．(2024·高考全国卷丙)一静止的铝原子核eq\o\al(27,13)Al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eq\o\al(28,14)Si，下列说法正确的是()A．核反应方程为p＋eq\o\al(27,13)Al→eq\o\al(28,14)SiB．核反应过程中系统动量守恒C．核反应过程中系统能量不守恒D．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E．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样解析：选ABE.核反应方程满意质量数守恒和电荷数守恒，A项正确；微观粒子相互作用过程中，满意动量守恒定律，B项正确；题述核反应过程属于“二合一”形式的完全非弹性碰撞，机械能有损失，但对于封闭的系统，能量仍旧守恒，C项错误；核反应过程中的机械能有损失，故存在质量亏损现象，D项错误；硅原子质量约是质子质量的28倍，由动量守恒定律知，m0v0＝28m0v，所以硅原子核速度数量级为105m/s，方向与质子初速度的方向一样，E项正确．三、非选择题11．(2024·辽宁鞍山检测)已知氮核质量mN＝14.00753u，氧核质量mO＝17.00454u，氦核质量mHe＝4.00387u，质子质量mH＝1.00815u，试推断核反应：eq\o\al(14,7)N＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(17,8)O＋eq\o\al(1,1)H是吸能反应，还是放能反应？能量改变多少？解析：反应前总质量mN＋mHe＝18.01140u反应后总质量mO＋mH＝18.01269u因为反应中质量增加，所以此反应为吸能反应，所吸能量为ΔE＝Δmc2＝[(mO＋mH)－(mN＋mHe)]c2≈(18.01269－18.01140)×931.5MeV＝1