2018學(xué)年高中物理 第三章 原子核 原子能、粒子、宇宙習(xí)題 教科版選修3-5.doc

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原子能、粒子、宇宙 一、選擇題 1．根據(jù)愛因斯坦的研究成果，物體的能量和質(zhì)量的關(guān)系是E=mc2，這一關(guān)系叫愛因斯坦質(zhì)能方程．質(zhì)子的質(zhì)量為mp，中子的質(zhì)量為mn，氦核的質(zhì)量為，下列關(guān)系式正確的是（ ）． A．） B． C． D．以上關(guān)系式都不正確 2．氫核、中子、氘核質(zhì)量分別為m1、m2、m3，那么氫核和中子結(jié)合為氘核時釋放出的能量表達式為（ ）． A．m3c2 B．(m1+m2)c C．(m3－m1－m2)c2 D．(m1+m2－m3)c2 3．吸收一個慢中子后，分裂成和，還放出（ ）． A．1個粒子 B．3個中子 C．10個中子 D．10個質(zhì)子 4．以下說法正確的是（ ）． A．聚變是裂變的逆反應(yīng) B．如果裂變釋放能量，則聚變反應(yīng)必定吸收能量 C．聚變須將反應(yīng)物加熱至數(shù)百萬度以上高溫，顯然是吸收能量 D．裂變與聚變均可釋放巨大能量 5．關(guān)于反粒子，下列說法正確的是（ ）． A．電子的反粒子就是正電子，它的電荷量與電子相同，但帶的是正電荷 B．質(zhì)子的反粒子就是反質(zhì)子，它的電荷量與質(zhì)子相同，但帶的是負電荷 C．粒子與它的反粒子質(zhì)量相同 D．粒子與它的反粒子的物理性質(zhì)相反 6．下列關(guān)于粒子分類的說法中正確的是（ ）． A．強子是參與強相互作用的粒子，質(zhì)子是最早發(fā)現(xiàn)的強子 B．輕子是不參與強相互作用的粒子，每種輕子都有對應(yīng)的反粒子 C．現(xiàn)代實驗已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了輕子的內(nèi)部結(jié)構(gòu) D．媒介子是傳遞各種相互作用的粒子 7．K－介子衰變的方程為：K－→π－+π0，其中K－介子和π－介子帶負的基元電荷，π0介子不帶電．一個K－介子沿垂直于磁場的方向射入勻強磁場中，其軌跡是圓弧AP，衰變后產(chǎn)生的π－介子的軌跡是圓弧PB，兩軌跡在P點相切，如圖所示．它們的半徑RK－與Rπ－之比為2∶1，π0介子的軌跡未畫出．由此可知π－的動量大小與π0的動量大小之比為（ ）． A．1∶1 B．1∶2 C．1∶3 D．1∶6 二、填空題 8．原子核的質(zhì)量小于組成它的核子的質(zhì)量之和，這個現(xiàn)象叫做________．不同原子核的比結(jié)合能不一樣，________的核的比結(jié)合能最大．這些核________． 9．太陽每秒輻射的能量為3.81026 J，則其質(zhì)量每秒減少________kg． 10．一個鈾核衰變?yōu)殁Q時釋放一個粒子，已知鈾核的質(zhì)量是3.85313110－25 kg，釷核的質(zhì)量為3.78656710－25 kg，粒子的質(zhì)量為6.6467210－27 kg，在這個衰變過程中釋放出的能量等于________J．（結(jié)果保留兩位有效數(shù)字） 11．質(zhì)子、中子和氘核的質(zhì)量分別為m1、m2和m3，質(zhì)子和中子結(jié)合成氘核時，發(fā)出一個光子，已知普朗克常量為h，真空中的光速為c，則光子的頻率為________． 12．完成下列反應(yīng)方程． ________；________； ________；________． 13．一個鋰核（）受到一個質(zhì)子的轟擊，變成兩個粒子，這一過程的核反應(yīng)方程是________．已知一個氫原子的質(zhì)量是1.673610－27 kg，一個鋰原子的質(zhì)量是11.650510－27 kg，一個氦原子的質(zhì)量是6.646610－27 kg，上述核反應(yīng)所釋放的能量等于________J．（最后結(jié)果取三位有效數(shù)字） 14．一個電子和一個正電子對撞發(fā)生“湮滅”而轉(zhuǎn)化為一對光子．設(shè)正、負電子對撞前的質(zhì)量均為m，動能均為Ek，光速為c，普朗克常量為h，則對撞過程中的質(zhì)量虧損為______；轉(zhuǎn)化成的光子在真空中波長=______． 15．重核的裂變反應(yīng)、鏈?zhǔn)椒磻?yīng)、輕核的聚變反應(yīng)三者中，臨界體積是________的條件，107℃以上的高溫是________需要的條件． 16．一個鈾235核裂變時釋放出196 MeV的能量，則1 kg鈾235完全裂變時所放出的能量為________J，它相當(dāng)于________t優(yōu)質(zhì)煤完全燃燒時放出的能量．（煤的熱值為3.36106 J） 三、解答題 17．1993年，中國科學(xué)院上海原子核研究所制得了一種新的鉑元素的同位素．制取過程如下： （1）用質(zhì)子轟擊鈹產(chǎn)生快中子； （2）用快中子轟擊汞，反應(yīng)過程可能有兩種：①生成，放出氦原子核；②生成，放出質(zhì)子、中子．寫出上述核反應(yīng)方程式． 18．如下一系列核反應(yīng)是在恒星內(nèi)部發(fā)生的． ，，， ，，． 其中p為質(zhì)子，為粒子，e+為正電子，為一種中微子已知質(zhì)子的質(zhì)量為mp=1.67264810－27 kg，粒子的質(zhì)量為kg，正電子的質(zhì)量為kg，中微子的質(zhì)量可忽略不計．真空中的光速c=3.00108 m／s．試計算該系列核反應(yīng)完成后釋放的能量． 19．在鈾核裂變成鋇和氪的裂變反應(yīng)中，質(zhì)量虧損Δm=0.2153 u，那么，一個鈾核裂變釋放的能量為多少？反應(yīng)中平均每個核子釋放的能量為多少？ 20．太陽內(nèi)部持續(xù)不斷地發(fā)生著四個質(zhì)子聚變?yōu)橐粋€氦核的熱核反應(yīng)．這個核反應(yīng)釋放出的大量能量就是太陽的能源． （1）寫出這個核反應(yīng)方程； （2）這一核反應(yīng)能釋放出多少能量？ （3）根據(jù)太陽每秒釋放能量3.81026 J，計算每秒鐘太陽的質(zhì)量減少多少千克．（mp=1.0073 u，m=4.0015 u，me=0.00055 u） 21．已知物體從地球上的逃逸速度，其中G、M、R分別是萬有引力常量、地球的質(zhì)量和半徑．已知G=6.6710－11 Nm2／kg2、光速c=3108 m／s，求下列問題： （1）逃逸速度大于真空中光速的天體叫做黑洞，設(shè)某黑洞的質(zhì)量等于太陽的質(zhì)量M=1.981030 kg，求它可能的最大半徑； （2）在目前天文觀測范圍內(nèi)，物質(zhì)的平均密度為0.4 kg／m3，如果認為我們的宇宙是這樣一個均勻大球體，其密度使得它的逃逸速度大于光在真空中的速度c，因此任何物體都不能脫離宇宙．問宇宙的半徑至少多大？ 22．如圖所示，有界的勻強磁場磁感應(yīng)強度為B=0.05 T，磁場方向垂直于紙面向里，MN是磁場的左邊界，在磁場中A處放一個放射源，內(nèi)裝（鐳），放出某種放射線后衰變成（氡）．試寫出衰變的方程．若A距磁場的左邊界MN的距離OA=1.0 m時，放在MN左側(cè)的粒子接收器接收到垂直于邊界MN方向射出的質(zhì)量較小的粒子，此時接收器距離OA 1.0 m．試推斷出一個靜止鐳核衰變時放出的能量是多少？（結(jié)果保留2位有效數(shù)字，取1 u=1.610－27 kg，電子電荷量e=1.610－19 C） 【答案與解析】 一、選擇題 1．【答案】B 【解析】，2m。+2m。>m。，故B正確． 2．【答案】D 【解析】，，故D項正確． 3．【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(yīng)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(yīng)放出的一定是中子，且個數(shù)是10． 4．【答案】D 【解析】對A，從形式上看，裂變與聚變似乎是互為逆反應(yīng)，但其實不然，因為二者的反應(yīng)物與生成物全然不同．裂變是重核分裂成中等核，而聚變則是輕核聚合成為次輕核，無直接關(guān)聯(lián)，并非互為逆反應(yīng)．對B，既然裂變與聚變不是互為逆反應(yīng)，則在能量的流向上也不必相反．對C，誠然，要實現(xiàn)聚變反應(yīng)，必須使參加反應(yīng)的輕核充分接近，需要數(shù)百萬度高溫提供能量．但聚變反應(yīng)一旦實現(xiàn)，所釋放的能量遠大于所吸收的能量．因此，總的說來，聚變反應(yīng)還是釋放熱量．故D正確． 5．【答案】A、B、C、D 6．【答案】A、B、D 7．【答案】C 【解析】由帶電粒子在勻強磁場中做勻速圓周運動規(guī)律知軌道半徑， 所以． 即．又由動量守恒定律． 得．所以． 二、填空題 8．【答案】質(zhì)量虧損 中等大小 最穩(wěn)定 9．【答案】4.2109 【解析】由質(zhì)能方程ΔE=Δmc2知 ． 10．【答案】1.710－11 【解析】， ΔE=Δmc2得： =8.710－13 J． 11．【答案】(m1+m2－m3)c2／h 【解析】根據(jù)題意，可知反應(yīng)中釋放的能量以射線的形式出現(xiàn)。則射線的能量就是反應(yīng)前后的質(zhì)量虧損，而射線的能量又與射線的頻率有關(guān)．容易求解． 反應(yīng)前后的質(zhì)量虧損為 Δm=m1+m2－m3． 釋放的能量為 E=Δmc2=(m1+m2－m3)c2． 光子的能量為 h=(m1+m2－m3)c2． ∴光子的頻率為 =(m1+m2－m3)c2／h． 解答本題，只要準(zhǔn)確地掌握反應(yīng)前后的質(zhì)量虧損，也就抓住了解題的脈絡(luò)． 12．【答案】 13．【答案】 2.7810－12 【解析】核反應(yīng)方程為 ． 則上述核反應(yīng)過程中質(zhì)量虧損為． 上式中的質(zhì)量均可用其原子的質(zhì)量來代替原子核的質(zhì)量，這是因為電子質(zhì)量在上述虧損式中可消去，故 Δm=11.650510－27 kg+1.673610－27 kg－26.646610－27 kg=0.030910－27 kg． 由愛因斯坦質(zhì)能方程可算出釋放的能量為 ΔE=Δmc2=2.7810－12 J． 14．【答案】2m 15．【答案】鏈?zhǔn)椒磻?yīng) 輕核的聚變反應(yīng) 16．【答案】8.031013 2.4104 【解析】1 kg鈾235完全裂變時所釋放的能量為 ． 相當(dāng)于優(yōu)質(zhì)煤的質(zhì)量為 ． 三、解答題 17．【答案】見解析。 【解析】（1）；（2）①；②． 18．【答案】3.9510－12 J 【解析】這一系列反應(yīng)最終等效為4p→+2e++2．設(shè)反應(yīng)后釋放的能量為Q，根據(jù)質(zhì)能關(guān)系和能量守恒得，可得Q=3.9510－12 J． 19．【答案】見解析。 【解析】鈾核裂變時放出的能量： ΔE=Δm931.5 MeV=0.2153931.5 MeV=201 MeV． 鈾核中含有235個核子，所以平均每個核子放出的能量為： ． 放出的總能量除以核子的總個數(shù)，就是每個核子放出的能量． 20．【答案】見解析。 【解析】（1）核反應(yīng)方程是． （2）這一核反應(yīng)的質(zhì)量虧損是Δm=4mp－－2me=0.0266 u． ΔE=Δm931.5 MeV=0.0266931.5 MeV=24.78 MeV． （3）由ΔE＇=Δm＇c2得每秒鐘太陽質(zhì)量減少 ． 21．【答案】見解析。 【解析】（1）由題目所提供的信息可知，任何天體均存在其所對應(yīng)的逃逸速度v，對于黑洞來說，其逃逸速度大于真空中的光速，即v＞c，所以，即它可能的最大半徑為2.93 km． （2）把宇宙視為一普通天體，則其質(zhì)量為，其中r為宇宙半徑，為宇宙密度，則宇宙所對應(yīng)的逃逸速度為，由于宇宙密度使其逃逸速度大手光速，即v＇＞c，由以上的三個關(guān)系式可得． 22．【答案】 2.010－14 J 【解析】鐳衰變放出粒子和氡核，在磁場中做勻速圓周運動，粒子垂直于MN邊界射出被接收器接收．粒子在磁場中的軌跡為1／4圓周，得圓半徑為R=1.0 m． 由得 粒子的動量 mv=qBR=1.610－20 kgm／s． 粒子的動能為 ． 衰變過程中動量守恒，有 mv=Mv＇． 氡核反沖的動能為 ． 衰變過程釋放出的能量為 ．