2022年模块核能方面的应用 .pdf

核能类问题的切入点如下：1.重核的裂变和轻核的聚变是获得核能的两个重要途径，是能量转化与守恒的重要应用。2.爱因斯坦质能方程是核能计算的依据，在核反应中，反应前后若有质量亏损，则可放出的能量为，这也是核能计算的常用方法。在具体应用中要注意单位制的统一与换算。3.在无光子辐射的情况下，核反应中释放的核能转化为新生核和新粒子的动能，可依据动量守恒和能量转化与守恒来计算核能及其分配关系1.海水中含有丰富的氘，完全可充当未来的主要能源。两个氘核的核反应如下：，其中氘核质量为2.0136u，氦核质量为3.1050u，中子质量为1.0087u。求：（1）核反应中释放的核能；（2）在两个氘核以相等的动能0.35MeV进行对心碰撞，并且核能全部转化为机械能的情况下，求反应中产生的中子和氦核的动能。解析：（1）由得，释放的核能MeV。（2）把两个氘核作为一个系统，对撞过程动量守恒，由于反应前两氘核动能相同，其动量等值反向，因此反应前后系统的总动量恒为零。又因为反应前后总能量守恒，故反应前后系统的总动量恒为零，即2.科学家们为了验证爱因斯坦质能关系式，设计了如下试验：用动能为的质子去轰击静止的锂核，生成两个粒子，并测得这两个粒子的动能之和为，已知，。（1）写出核反应方程；（2）计算上述核反应所释放的能量；（3）通过计算结果说明成立。解析：（1）该核反应方程为：（2）该核反应前后增加的动能即为释放的核能（3）上述核反应质量亏损为名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页，共 9 页 -按照爱因斯坦质能方程可算得该核反应所释放的能量为点评：本部分知识的应用重点是应用核反应过程中的质量亏损确定释放能量，再结合力学中的有关定理解决问题，涉及到对知识迁移能力、信息的应用和物理公式的应用能力的考查。3太阳内部持续不断地发生着4 个质子聚变为一个氦核的热核反应，这个核反应释放出的大量能量就是太阳的能源(1)写出这个核反应方程(2)这一核反应能释放出多少能量？(3)已知太阳每秒释放能量为3.8 1026J，则太阳每秒减少的质量为多少kg?(4)若太阳质量减小万分之三，热核反应不能继续进行，计算太阳还能存在多少年？(mp1.0073 u，m 4.0015 u，me0.00055 u，太阳的质量为21030kg)解析：(1)核反应方程是411H 24He210e.(2)这一核反应的质量亏损是 m4mpm2me0.0266 u E mc20.0266 931.5 MeV24.78 MeV.(3)由 E mc2得每秒太阳质量减少 m Ec23.810263.0108 2kg 4.2109kg.(4)太阳的质量为21030kg，太阳还能存在的时间为t M m2103031044.2109s1.4 1017s即为 4.5109年答案：(1)411H24He 210e(2)24.78 MeV(3)4.2 109kg(4)4.5109年4云室处在磁感应强度为B 的匀强磁场中，一静止的质量为M 的原子核在云室中发生一次衰变，粒子的质量为m，电荷量为q，其运动轨迹在与磁场垂直的平面内，且轨道半径为R，试求衰变过程中的质量亏损(注：涉及动量问题时，亏损的质量可忽略不计)解析：设放出的粒子的速率为v，它在洛伦兹力作用下做半径为R 的匀速圆周运动由牛顿第二定律，知 qvBmv2/R则 mvqBR 设衰变后剩余核的速度是v，衰变过程中动量守恒(Mm)vmv.粒子、剩余核的动能来源于亏损的质量，有 mc212(Mm)v212mv2.解得 mM qBR22c2m M m.5(1)放射性物质84210Po和2760Co 的核衰变方程分别为：84210Po 82206PbX12760Co2860NiX2方程中的 X1代表的是 _，X2代表的是 _(2)如图 1521 所示，铅盒内装有能释放、和 射线的放射性物质，在靠近铅盒的顶部加上电场E 或磁场 B，在图(a)、(b)中分别画出射线运动轨迹的示意图(在所画轨迹上须标明是、和 中的哪种射线)解析：(1)由质量数守恒可知X1、X2的质量数分别为4、0，由电荷数守恒可知 X1、X2的电荷数分别为2、1，故 X1是24He，X2是10e.(2)粒子带正电，在图(a)电场中向右偏，在图(b)的磁场受到指向左侧的洛伦兹力向左偏，粒子带负电，故在图(a)中向左偏而在图(b)中向右偏，粒子不带电，故不发生偏转，如图所示(曲率半径不作要求，每种射线可只画一条轨迹)答案：(1)24He10e(2)见解析图名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页，共 9 页 -6一个钚的同位素94239Pu 的原子核静止在匀强磁场中某时刻该原子核垂直于磁场方向放射出一个粒子，变成铀的同位素，同时辐射出能量为E0.09 MeV 的光子已知钚原子核的质量M0238.999655 u，粒子的质量m4.001509 u，反冲核的质量M234.993470 u取 1 u c2931 MeV.(1)写出衰变的核反应方程(2)粒子和反冲核的动能各是多少？(3)画出 粒子和反冲核在垂直于纸面向里的匀强磁场中运动轨迹的示意图解析：(1)由题意根据质量数和电荷数守恒可得核反应方程为94239Pu 92235U24HeE.(2)设衰变后粒子的速度为v，反冲核的速度为v，根据动量守恒和能量守恒，有mv Mv(M0Mm)c2EEkEkU4.26 MeV 由 Ekp22m，可整理得EkEkUMm所以 EkMMm4.26 MeV 23523544.26 MeV 4.19 MeV EkUmMm4.26 MeV 423544.26 MeV 0.07 MeV.(3)如图所示答案：(1)94239Pu 92235U24HeE(2)4.19 MeV0.07 MeV(3)见解析图7钚的放射性同位素23994Pu静止时衰变为铀核激发态23592U*和 粒子，而铀核激发态23592U*立即衰变为铀核23592U，并放出能量为0.097 MeV 的 光子已知：23994Pu、23592U 和 粒子的质量分别为mPu 239.0521 u、mU235.0439 u 和 m4.0026 u，1 u931.5 MeV/c2.(1)写出衰变方程；(2)已知衰变放出的光子的动量可忽略，求粒子的动能解析：(1)衰变方程为23994Pu23592U42He(2)上述衰变过程的质量亏损为 mmPumUm放出的能量为 Ec2m 这些能量是铀核23592U 的动能 EU、粒子的动能E和 光子的能量E之和 EEUEEEUE(mPumUm)c2E设衰变后的铀核和粒子的速度分别为vU和 v，则由动量守恒有mUvU mv又由动能的定义知EU12mUv2U，E12mv2得EUEmmUEmUmUm(mPumUm)c2E 代入题给数据得E5.034 MeV.1关于 粒子的散射实验，下述不正确的是(A)A 粒子发生大角度散射的主要原因是原子中有正电荷B 粒子发生大角度散射的主要原因是原子中原子核的作用C只有少数粒子发生大角度散射的原因是原子的全部正电荷和几乎全部质量集中在一个很小的核上D相同条件下，换用原子序数越小的物质做实验，沿同一偏转角散射的粒子就越少2放射性同位素钴60 能放出较强的 射线，其强度容易控制，这使得 射线得到广泛应用。下列选项中，属于 射线的应用的是(AD)A医学上制成 刀，无需开颅即可治疗脑肿瘤名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 3 页，共 9 页 -B机器运转时常产生很多静电，用 射线照射机器可将电荷导入大地C铝加工厂将接收到的 射线信号输入计算机，可对薄铝板的厚度进行自动控制D用 射线照射草莓、荔枝等水果，可延长保存期3.人类认识原子结构和开发利用原子能经历了十分曲折的过程.卢瑟福、玻尔、查德威克等科学家在原子结构或原子核的研究方面做出了卓越的贡献.他们的主要成绩，下列说法中正确的是（AD）A.卢瑟福提出了原子的核式结构B.查德威克发现了质子C.卢瑟福把量子理论引入原子模型D.玻尔提出自己的原子结构假说，成功的解释了氢原子光谱4下列说法正确的是(BD)A.157N11H 126C42He 是 衰变方程B.11H21H32He 是核聚变反应方程C.23892U23490Th42He 是核裂变反应方程D.42He2713Al 3015P10n 是原子核的人工转变方程5(2009 福建高考)随着现代科学的发展，大量的科学发现促进了人们对原子、原子核的认识，下列有关原子、原子核的叙述正确的是_(填选项前的编号)卢瑟福粒子散射实验说明原子核内部具有复杂的结构天然放射现象表明原子核内部有电子轻核聚变反应方程有：12H13H24He01n氢原子从n3 能级跃迁到n1 能级和从n2 能级跃迁到n 1 能级，前者跃迁辐射出的光子波长比后者的长6.某考古队发现一古生物骸骨考古专家根据骸骨中 614C的含量推断出了该生物死亡的年代已知此骸骨中 614C的含量为活着的生物体中 614C的 1/4,614C的半衰期为5730 年，该生物死亡时距今约_11460_年92009 年高考天津理综卷下列说法正确的是()BD A.157N11H 126C42He 是 衰变方程B.11H21H 32He 是核聚变反应方程C.23892U23490Th42He 是核裂变反应方程D.42He2713Al 3015P10n 是原子核的人工转变方程14.(5 分)在 衰变中常伴有一种称为“中微子”的粒子放出。中微子的性质十分特别，因此在实验中很难探测。1953 年，莱尼斯和柯文建造了一个由大水槽和探测器组成的实验系统，利用中微子与水中11H的核反应，间接地证实了中微子的存在。(1)中微子与水中的11H 发生核反应，产生中子(10n)和正电子(01e)，即中微子11H 10n01e，可以判定，中微子的质量数和电荷数分别是_。(填写选项前的字母)A0 和 0 B0 和 1 C1 和 0 D1 和 1(2)上述核反应产生的正电子与水中的电子相遇，与电子形成几乎静止的整体后，可以转变为两个光子()，即01e01e2。已知正电子和电子的质量都为9.11031kg，反应中产生的每个光子的能量约为名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 4 页，共 9 页 -_ J。正电子与电子相遇不可能只转变为一个光子，原因是_。14.(5 分)解析：(1)由质量数守恒和电荷数守恒，可判断中微子的质量数和电荷数均为零。(2)正负电子相遇转变为一对光子，由能量守恒和质能方程得2mec22E故 Emec29.11031321016 J 8.21014 J 相遇前总动量为零，相遇后总动量也为零，故不可能转变为一个光子。答案：(1)A(2)8.2 1014总动量为零19(7 分)一个容器中有2g 氢气，假设所有氢原子均处于第5 能级，在向低能级跃迁时，求：(1)一共能辐射几种光子？(2)若阿伏加德罗常数用NA表示，当所有氢原子都跃迁到基态时，辐射的光子总数为多少？20(7 分)2009 年 12 月 28 日，山东海阳核电站一期工程举行开工仪式。工程规划建设两台125 万千瓦的 AP1 000 三代核电机组。如果铀235 在中子的轰击下裂变为9038Sr 和13654Xe，质量 mu235.043 9 u，mn1.008 7 u，mSr89.907 7 u，mXe135.907 2 u。(1)写出裂变方程：(2)求出一个铀核裂变放出的能量；(3)若铀矿石的浓度为3%，一期工程建成后，一年将消耗多少吨铀矿石？19(7 分)解析：(1)辐射的光子种类N5(51)2种 10 种；(2)2 g 氢气共含有2NA个氢原子如图所示，处于第5 能级时，有4 种跃迁方式，每种跃迁方式各放出142NA12NA个光子；处于第 4 能级的原子数为12NA，有 3 种跃迁方式，各放出1312NA16NA个光子；处于第 3 能级的原子数为12NA16NA23NA，有两种跃迁方式，各放出1223NA13NA个光子；处于第 2 能级的原子数为12NA16NA13NANA，只有一种跃迁方式，放出NA个光子；放出的光子总数为N总412NA316NA213NANA256NA。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 5 页，共 9 页 -答案：(1)10 种(2)256NA20(7 分)解析：(2)裂变过程的质量亏损 mmUmnmSr mXe10mn0.150 7 u，释放的能量 E mc20.150 7931 MeV 140.3 MeV。(3)核电站一年的发电量EPt2 125107365246060 J 7.8841016 J，由 EN Em 3%MNA E，得 mEM3%NA E7.88410162353%6.021023140.31061.610194.57107 g45.7 t。答案：(1)23592U10n9038Sr13654Xe 1010n(2)140.3 MeV(3)45.7 t 1(2008 海南高考)某考古队发现一古生物骸骨考古专家根据骸骨中614C 的含量推断出了该生物死亡的年代已知此骸骨中614C 的含量为活着的生物体中614C 的 1/4,614C 的半衰期为5730 年，该生物死亡时距今约_年解析：根据公式 m m0(12)t(其中 m、m0分别是现在与原来的质量，t 为距今的时间，为半衰期)得mm0(12)t573014，所以 t11460 年答案：11460 2(2009 福建高考)随着现代科学的发展，大量的科学发现促进了人们对原子、原子核的认识，下列有关原子、原子核的叙述正确的是_(填选项前的编号)卢瑟福粒子散射实验说明原子核内部具有复杂的结构天然放射现象表明原子核内部有电子轻核聚变反应方程有：12H13H24He01n氢原子从n3 能级跃迁到n 1 能级和从 n2 能级跃迁到n1 能级，前者跃迁辐射出的光子波长比后者的长解析：卢瑟福 粒子散射实验说明的是原子内部的结构而不是原子核内部的结构；天然放射现象说明原子核具有复杂的结构；氢原子从n 3 能级跃迁到n1 能级放出的光子能量大于从n 2 能级跃迁到n1 能级放出的光子能量，故前者波长小于后者答案：3某核反应方程为12H13H24HeX.已知12H 的质量为 2.0136 u,13H 的质量为3.0180 u,24He 的质量为4.0026 u，X 的质量为 1.0087 u则名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 6 页，共 9 页 -(1)X 是什么粒子？(2)该反应释放能量还是吸收能量？解析：根据核反应前后质量数及电荷数守恒可得X 为01n(中子)反应前的总质量为m12.0136 u3.0180 u 5.0316 u，反应后的总质量为m24.0026 u1.0087 u 5.0113 u，由于 m1m2，故反应过程中释放能量答案：(1)中子(01n)(2)释放能量6一个静止的氡核86222Rn，放出一个粒子后衰变为钋核84218Po，同时放出能量为E 0.26 MeV 的光子假设放出的核能完全转变为钋核与粒子的动能，不计光子的动量已知M氡222.08663 u、m4.0026 u、M钋 218.0766 u，1 u 相当于 931.5 MeV 的能量(1)写出上述核反应方程；(2)求出发生上述核反应放出的能量；(3)确定钋核与粒子的动能解析：(1)86222Rn 84218Po24He(2)质量亏损 m222.08663 u4.0026 u218.0766 u 0.00743 u E mc26.92 MeV(3)设 粒子、钋核的动能分别为Ek、Ek钋，动量分别为p、p钋，由能量守恒定律得：EEk Ek钋E不计光子的动量，由动量守恒定律得：0pp钋又 Ekp22m故 EkEk钋2184 联立上面式子解得Ek钋0.21 MeV，Ek 6.54 MeV.答案：见解析(全国卷 1)14原子核23892经放射性衰变变为原子23490Th，继而经放射性衰变变为原子核23491Pa，再经放射性衰变变为原子核23492。放射性衰变、和依次为A衰变、衷变和 衰变B衰变、衷变和 衰变C 衰变、衰变和 衰变D衰变、衰变和 衰变【答案】A【解析】2382349290UTh，质量数少4,电荷数少 2，说明为衰变238234492902UThHe。2342349091ThPa,质子数加1，说明为衰变，中子转化成质子234234090911ThPae。2342349192PaU，质子数加1，说明名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 7 页，共 9 页 -为 衰变，中子转化成质子234234091921PaUe。【考点】考查根据原子核的衰变反应方程，应用质量数与电荷数的守恒分析解决问题。（全国卷2）14原子核AZX与氘核21H反应生成一个粒子和一个质子。由此可知AA=2，Z=1 B.A=2，Z=2 C.A=3，Z=3 D.A=3，Z=2【答案】D【解析】核反应方程为241121AZXHHeH，应用质量数与电荷数的守恒A+2=4+1，Z+1=2+1，解得A=3，Z=2，选项 D 正确。【考点】核反应方程，质量数与电荷数的守恒（广东卷）关于核衰变和核反应的类型，下列表述正确的有A238234492902UThHe是 衰变B1441717281NHeOH是 衰变C23411120HHHen是轻核聚变D82820343612SeKre是重核裂变【答案】AC【解析】B 选项的核反应方程是卢瑟福发现质子的核反应方程，B 错误。选项 D 核反应方程是衰变，D 错误（上海卷）1卢瑟福提出原子的核式结构模型。这一模型建立的基础是（）（A）粒子的散射实验（B）对阴极射线的研究（C）天然放射性现象的发现（D）质子的发现【答案】A.【解析】卢瑟福根据粒子的散射实验结果，提出了原子的核式结构模型：原子核聚集了原子的全部正电荷和几乎全部质量，电子在核外绕核运转。4现已建成的核电站发电的能量来自于（）（A）天然放射性元素放出的能量（B）人工放射性同位素放出的能量（C）重核裂变放出的能量（D）化学反应放出的能量【答案】C【解析】核电站发电的能量来自于重核的裂变，选项C 正确。8某放射性元素经过114 天有 7/8 的原子核发生了衰变，该元素的半衰期为（）（A）11.4 天（B）7.6 天（C）5.7 天（D）3.8 天【答案】D【解析】根据t11()28，3t，因为11.4t天，所以11.43.83天，选项D 正确。（四川卷）15.下列说法正确的是A粒子大角度散射表明粒子很难进入原子内部B氢原子跃迁发出的光从空气射入水时可能发生全反射C裂变反应有质量亏损，质量数不守恒D 射线是一种波长很短的电磁波名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 8 页，共 9 页 -【答案】D【解析】粒子散射实验现象表明大多数粒子不发生偏转，说明穿过了原子，少数粒子发生偏转，说明无法穿过原子核，A 错误。光只有从光密介质进入光疏介质才可能发生全反射，空气和水比较水是光密介质，B 错误。裂变反应有质量亏损是由于核子的平均密度变化引起的，但核子的总数不变，即质量数守恒，C 错误。射线是频率很大、波长很短的电磁波，D 正确。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 9 页，共 9 页 -