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第五章 原子核 单元检测
第I卷（选择题）
一、选择题（共46分，本题共10小题，1-7题每小题4分，在每小题给出的四个选项中，只有一项是符合题目要求的，8-10题每小题6分，在每小题给出的四个选项中，有多项符合题目要求。全部选对的得6分，选对但不全的得3分，有选错的得0分）。
1．“为研究物质中的电子动力学而产生阿秒光脉冲的实验方法”获得2023年诺贝尔物理学奖。已知1阿秒等于10-18s，则光在真空中1阿秒时间内运动的距离与下列微粒尺度最接近的是（ ）
A．夸克 B．氢原子 C．尘埃 D．乒乓球
2．下列关于物理学史的史实中，正确的是（　　）
A．如果能发生光电效应，一旦增大入射光强度，光电子的最大初动能必定增加
B．德布罗意最先提出了物质波，认为所有物质都有波动性和粒子性
C．卢瑟福的粒子散射实验证明了原子核是由质子与中子组成的，原子的质量几乎全部集中在原子核上
D．物理规律是实验与理论反复验证的结果，伽利略直接通过多次自由落体运动的实验证实了自由落体运动是匀加速直线运动
3．关于近代物理学，下列说法正确的是（　　）
A．黑体辐射的电磁波强度按波长的分布只与黑体的温度有关
B．光既有粒子性，也有波动性，光的干涉与光电效应都表明光具有粒子性
C．放射性元素的衰变方程是，说明原子核内有电子
D．德布罗意认为实物粒子也具有波动性，其波长为粒子的动量与普朗克常量的比值
4．我国某科研团队首次合成了新核素镤210并成功测量了该核素的衰变能量和半衰期。已知镤210的衰变方程为，下列说法正确的是（　　）
A．粒子的穿透能力比粒子的穿透能力强
B．发生衰变可以释放能量
C．的比结合能大于的比结合能
D．若外界环境变化，则的半衰期也会发生变化
5．下列说法正确的是（ ）
A．天然放射现象说明原子具有复杂的结构
B．秦山核电站通过提取海水中的氘和氚进行核反应获取能量
C．太阳因核聚变释放出巨大的能量，同时其质量不断减少
D．某原子核发生核反应时放出一个正电子，则新原子核内少了一个中子
6．某元素的原子核发生衰变，变成新元素的原子核，并伴随有射线放出，下列说法正确的是（ ）
A．升高温度该元素原子核的半衰期变短
B．衰变后新的原子核的比结合能变大
C．新的原子核内的核子间都存在核力作用
D．衰变前原子核的质量与衰变后新原子核质量之差等于粒子的质量
7．如图所示，在充满磁场的空间中，以镭放射源为坐标原点建立平面直角坐标系xOy。磁场方向以x轴为边界，区域垂直于平面向里，区域垂直于平面向外，磁感应强度大小。镭元素发生衰变，向y轴正方向射出三种射线①、②、③，射线①和射线③的速度之比约为，质子与电子的质量之比约为则（　　）
A．射线③是弱相互作用引起的，其穿透能力弱，用一张纸就能挡住
B．射线②是镭原子能级跃迁产生的，可用于探测金属构件内部的缺陷
C．若比荷为的粒子形成射线①，其经纵坐标为的位置时分速度
D．组成射线①和③的两种粒子离x轴的最大距离之比约为
8．下列说法正确的是（　　）
A．甲图为金属测厚装置，所采用的射线为射线。
B．乙图中真空冶炼炉是利用高频交流电在炉体中产生涡流进行加热，使金属熔化
C．丙图中增加透射光栅狭缝个数，衍射条纹的宽度会变窄，亮度将增加
D．丁图薄板上的石蜡熔化成圆形区域，说明薄板是单晶体
9．某原子核X发生衰变时，可能放出α粒子或β粒子，并产生新原子核Y。静止在某匀强电场中的原子核X发生一次衰变后，放出的两个粒子的初速度方向都垂直于电场，它们的轨迹是甲和乙，如图所示。下列说法正确的是（　　）
A．X的衰变是α衰变
B．X的衰变是β衰变
C．X衰变后，Y的运动轨迹是乙
D．X衰变过程遵循能量守恒定律，但不遵循动量守恒定律
10．太阳巨大能量来源于核反应，总输出功率约为，其中20亿分之一左右的能量被地球接收，已知每吨煤燃烧产生的热量约为，下列说法正确的是（　　）
A．太阳发生的核反应叫做核聚变
B．太阳发生的核反应方程为
C．太阳每秒失去的质量约为
D．地球每秒接收的能量相当于吨煤燃烧产生的热量
第II卷（非选择题）
本题共5小题，共54分。
二、实验题
11．（5分）（1）如图所示是研究光电效应规律的电路。图中标有A和K的为光电管，其中K为阴极，A为阳极。现接通电源，用光子能量为10.5eV的光照射阴极K，电流计中有示数，若将滑动变阻器的滑片P缓慢向右滑动，电流计的读数逐渐减小，当滑至某一位置时电流计的读数恰好为零，读出此时电压表的示数为6.0V；则光电管阴极材料的逸出功为___________eV，现保持滑片P位置不变，增大入射光的强度，电流计的读数___________。（选填“为零”、或“不为零”）
（2）快中子增殖反应堆中，使用的核燃料是钚239，裂变时释放出快中子，周围的铀238吸收快中子后变成铀239，铀239（）很不稳定，经过___________次β衰变后变成钚239（），写出该过程的核反应方程式：___________。设静止的铀核发生一次β衰变生成的新核质量为M，β粒子质量为m，释放出的β粒子的动能为，假设衰变时能量全部以动能形式释放出来，求一次衰变过程中的质量亏损__________。
12．（7分）不久，我国科研人员成功研制出一款微型核电池—BV100。BV100的体积仅，比一枚硬币还小，其基本原理是用放射源发生β衰变时释放电子给铜片，以和铜片为电池的两个电极，外接负载就可以提供电能。据悉，这种电池功率约100μW，电压约3V，可实现50年自发电且功率稳定。
(1)关于该电池，下列说法正确的是______。
A．衰变形成的新核中含有34个中子
B．衰变形成的新核中含有33个中子
C．外接负载时镍的电势比铜片高
D．外接负载时电池内的电流方向从镍到铜片
(2)利用图甲的电路可研究该电池的特性，可供选择的主要器材有：
A．灵敏电流表G：量程40μA，内电阻未知
B．灵敏电流计：量程5μA，内电阻100kΩ
C．电阻箱：电阻变化范围0~999999Ω
D．电位器R：电阻变化范围0~510kΩ
①实验中，首先需将电流计改装成量程为3V的电压表V，则应调整为______Ω；
②正确连接电路后，反复调节电位器R，读出多组电压表V的示数U与电流表G的示数I，经描点、连线得到图像如图乙所示。根据图像可知该电池的电动势E=______V．（结果保留三位有效数字）；其内电阻r随负载阻值的减小______（填“增大”“减小”或“不变”）。
③为消除图甲测量方法带来的系统误差，需对电表的示数进行修正，则需要修正示数的电表是______（填“电压表”或“电流表”）。修正后的图线位于图乙中图线的______（填“上方”或“下方”）。
④若用该电池对等效电阻为100kΩ的心脏起搏器供电，该电阻的功率为______W（结果保留三位有效数字）。
三、解答题
13．（12分）一个静止的放射性原子核发生了一次衰变变成新核Y，放射出的粒子的质量为m，速度的大小为，真空中的光速为c。
(1)写出该衰变方程。
(2)若该原子核发生衰变后的新核质量为M，求衰变后新核的速度大小；
(3)若衰变成的新核Y与该原子核X相比：
①谁的结合能大？②谁的比结合能大？③谁更稳定？
(4)若该原子核的半衰期为T，则：
①10个X原子核质量为经过时间后还剩余的质量为多少？
②该原子核，经过时间后还剩余的质量为多少？
14．（14分）如图所示是某著名物理实验装置图，科学家利用该装置第一次实现了原子核的人工转变。
(1)请完成该核反应方程；
(2)请写出这位科学家的名字及他发现了什么？
15．（16分）原子弹和核反应堆都利用了原子核裂变产生的能量，后者能用来发电为人类造福。用一个中子轰击，可发生裂变反应生成和，并释放出几个中子，已知每个中子的质量，的质量，的质量的质量，质量亏损相当于释放的能量，真空中光速。
(1)请写出上述裂变中的核反应方程；
(2)求一个在裂变反应中释放的核能的表达式（用表示）；
(3)若某原子弹装料为的，其中大约有发生裂变，真实的裂变情况有很多种，假设发生的都是上述裂变反应，已知阿伏伽德罗常数，铀235的摩尔质量为，求这颗原子弹释放的能量约为多少？（结果保留2位有效数字）
《第五章 原子核 单元检测》参考答案
题号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
答案 B B A B C B D AC BC AC
1．B
【详解】真空中光经过1阿秒前进的距离为
夸克的尺寸约为，氢原子的尺寸约为，尘埃的尺寸约为，乒乓球的尺寸约为，故光在真空中1阿秒时间内运动的距离与下列微粒尺度最接近的是氢原子的尺寸。
故选B。
2．B
【详解】A．根据光电效应方程，光电子的最大初动能只与入射光频率有关，与光强度无关；增大光强度仅增加光电子数目，故A错误；
B．德布罗意于1924年最先提出物质波概念，认为所有物质均具有波动性和粒子性（波粒二象性），故B正确；
C．卢瑟福的α粒子散射实验（1911年）证明了原子核的存在及原子质量几乎集中于原子核，但质子与中子的发现分别发生于1919年和1932年，该实验未证明原子核由质子与中子组成，故C错误；
D．伽利略通过斜面实验（非直接自由落体）和逻辑推理得出自由落体为匀加速运动，而非直接多次自由落体实验证实，故D错误。
故选B。
3．A
【详解】A．根据黑体辐射的实验规律，黑体辐射的电磁波强度按波长的分布仅与黑体的温度有关，和黑体的材料、形状等其他因素无关，故A正确；
B．光的干涉是波的特有性质，说明光具有波动性，光电效应才表明光具有粒子性，故B错误；
C．该反应为β衰变，衰变释放的电子是原子核内的中子转化为质子时产生的，并非原子核内原本就存在电子，故C错误；
D．德布罗意提出实物粒子的波长公式为，即波长是普朗克常量与粒子动量的比值，而非，故D错误。
故选A。
4．B
【详解】A．根据核反应电荷数、质量数守恒可得X的质量数为，电荷数为，故X为粒子，穿透能力比粒子的穿透能力弱，故A错误；
B．衰变过程存在质量亏损，根据质能方程，质量亏损会转化为能量释放，故B正确；
C．原子核越稳定，其比结合能越大，衰变后生成的比反应物更稳定，因此的比结合能小于的比结合能，故C错误；
D．半衰期是原子核的固有属性，仅由原子核内部结构决定，与外界温度、压强等环境因素无关，故D错误。
故选B。
5．C
【详解】A．天然放射现象中释放的射线来自原子核，说明原子核具有复杂结构，而非原子，故A错误；
B．秦山核电站利用重核裂变发电，燃料为铀235，目前可控核聚变尚未实现商用，无法利用氘氚核聚变发电，故B错误；
C．太阳内部发生轻核聚变释放能量，由质能方程可知，释放能量对应质量亏损，因此太阳质量不断减少，故C正确；
D．放出正电子的核反应为β+衰变，本质是原子核内1个质子转化为1个中子和1个正电子，正电子被释放，因此新核内中子数增加1，质子数减少1，中子并未减少，故D错误。
故选C。
6．B
【详解】A．半衰期是原子核的固有属性，仅由原子核内部结构决定，与外界温度、压强、化学状态等无关，故A错误；
B．α衰变是释放能量的核反应，比结合能越大原子核越稳定，衰变后生成的新核稳定性更强，故新核的比结合能更大，故B正确；
C．核力是短程力，作用范围约为，仅相邻核子间存在核力作用，原子核内相距较远的核子间无核力作用，故C错误；
D．衰变过程存在质量亏损，且释放的γ射线也对应能量，由质能方程可知，衰变前原子核质量与衰变后新原子核质量之差等于α粒子质量加上质量亏损对应的质量（即释放能量对应的质量），不等于α粒子的质量，故D错误。
故选B。
7．D
【详解】首先根据左手定则判断三种射线，磁场向里，粒子初速度沿y正方向，向左偏的①带正电，向右偏的③带负电，不偏转的②不带电，因此①是射线（氦核，正电），②是射线（不带电），③是射线（电子，负电）。
A．③是射线，由弱相互作用引起，但射线穿透能力较强，一张纸不能挡住射线，故A错误；
B．②是射线，射线是原子核能级跃迁产生的，不是原子（核外）能级跃迁，故B错误；
C．洛伦兹力水平分量提供的加速度为
根据加速度的定义式有
联立积分可得
解得
方向向左，故C错误；
D．粒子到达离x轴最大距离ym时， vy=0，速率v0不变（洛伦兹力不做功），即；代入上式得
解得
则，故D正确；
故选D。
8．AC
【详解】A．γ射线穿透能力是三种射线中最强的，其穿透后的射线强度和金属板厚度相关，厚度变化会引起穿透强度变化，因此金属测厚装置采用γ射线，故A正确；
B．真空冶炼炉的原理是：高频交流电通过线圈产生变化磁场，涡流是在待冶炼的金属内部产生，利用涡流的热效应熔化金属，不是在炉体中产生涡流，故B错误；
C．透射光栅衍射中，增加狭缝个数，衍射光的相干叠加会让衍射条纹的宽度变窄，同时透过光栅的总光量增加，因此条纹亮度增加，故C正确；
D．单晶体具有各向异性，不同方向导热性能不同，若薄板是单晶体，熔化的石蜡会呈椭圆形；石蜡熔化为圆形，说明薄板导热是各向同性，对应多晶体或非晶体，故D错误。
故选AC。
9．BC
【详解】C．做曲线运动的物体轨迹向合力的方向弯曲，根据轨迹图可知，甲轨迹对应的粒子受向左的电场力，乙轨迹对应的粒子受向右的电场力，则甲轨迹对应的粒子带负电，乙轨迹对应的粒子带正电，因为新原子核Y带正电，即乙轨迹对应的粒子是新原子核Y，故C正确；
AB．α粒子带正电，β粒子带负电，即甲轨迹对应的粒子是β粒子，即X的衰变是β衰变，故A错误，B正确；
D．X衰变过程遵循能量守恒定律，也遵循动量守恒定律，故D错误。
故选BC。
10．AC
【详解】AB．太阳发生的是核聚变，其核反应方程为
故A正确，B错误；
C．根据
可得
故C正确；
D．地球每秒吸收的能量
带入数据得相当于标准煤的质量，故D错误。
故选AC。
11． 4.5 为零 2
【详解】（1）[1][2]根据光电效应方程可知
解得
光电子的最大初动能与入射光强度无关，现保持滑片P位置不变，增大入射光的强度，光电子依然不能到达阳极，所以电流计的读数仍为零。
（2）[3] β衰变，电荷数增加1，质量数不变，铀239衰变成钚239，电荷数增2，质量数不变，知发生了2次β衰变．
[4] 该过程的核反应方程式为
[5] 运用动量守恒定律和能量守恒定律
解得
12．(1)AC
(2) 500000/500.000k 2.97/2.98/2.99/3.00/3.01 增大 电流表 上方
【详解】（1）AB．衰变形成的新核质量数为63，电荷数为29，则其中含有63-29=34个中子，选项A正确，B错误；
CD．释放电子给铜片，可知外接负载时镍的电势比铜片高，外接负载时电池内的电流方向从铜片到镍，选项C正确，D错误。
故选AC。
（2）①[1]将电流计改装成量程为3V的电压表V，则应调整为
②[2]根据图像结合
可知该电池的电动势
E=2.99V
[3]图像的斜率绝对值的倒数等于内阻，可知其内电阻r随负载阻值的减小而增大。
③[4]实验中由于电压表的分流作用会带来系统误差，需对电流表的示数进行修正。
[5]因实际通过电源的电流大于电流表的示数，则修正后的图线位于图乙中图线的上方。
④将电阻为100kΩ的电阻的I-U图像画在该电源的I-U图像上，则如图，
交点坐标为I=20.5μA， U=2.05V，该电阻的功率为
13．(1)
(2)
(3)见解析
(4)见解析
【详解】（1）根据质量数守恒和核电荷数守恒可得，该衰变方程为
（2）由动量守恒定律
可得衰变后新核的速度大小为
（3）①核子数越多，原子核的结合能越大，故X原子核的结合能大。
②核反应的产物Y原子核更稳定故比结合能大。
③Y更稳定。
（4）①半衰期是统计规律，仅对大量原子核的衰变行为成立，对少量原子核（本题仅10个），无法预测具体有多少个发生衰变，因此无法确定剩余质量。
②经过时间为2个半衰期，则
【点睛】
14．(1)
(2)卢瑟福，质子
【详解】（1）核反应方程是。
（2）卢瑟福第一次完成了原子核的人工转变并发现了质子。
15．(1)
(2)
(3)
【详解】（1）由质量数和电荷数守恒可得该核反应方程为
（2）反应前后质量亏损为
根据爱因斯坦质能方程
联立得
（3）一个在裂变反应中的质量亏损
根据爱因斯坦质能方程，可以求出一个在裂变反应中释放的能量为
这颗原子弹中发生裂变的铀235的质量约为
铀235的摩尔质量M约为，所以有
代入数据解得
2

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