2009年高考试题中的原子核问题分类解析

陕西省宝鸡市陈仓区教育局教研室　邢彦君

　　一、核反应类型及核反应方程式问题

 

　　1．天然放射现象

 

　　例1（北京理综-14）下列现象中，与原子核内部变化有关的是（　　）

 

　　A．粒子散射现象  

 

　　B．天然放射现象

 

　　C．光电效应现象    

 

　　D．原子发光现象

 

　　解析：B项所述天然放射现象是某些元素的原子核在天然情况下自发进行的核反应，是原子核内部的质子、中子的重组过程，是原子核内部发生的变化。其它三项所述变化均是在原子系统中，原子核外发生的。故本题选B。

 

　　例2（上海物理-1）放射性元素衰变时放出三种射线，按穿透能力由强到弱的排列顺序是（　　）

 

　　A．a射线，b射线，g射线

 

　　B．g射线，b射线，a射线

 

　　C．g射线，a射线，b射线

 

　　D．b射线，a射线，g射线

 

　　解析：衰变时产生的射线中，按穿透能力由强到弱排序，依次是g射线、b射线、a射线。本题选B。

 

　　2．核反应类型

 

　　例3（天津理综-6）下列说法正确的是（　　）

 

　　A．是衰变方程

 

　　B．是核聚变反应方程

 

　　C．是核裂变反应方程

 

　　D．是原子核的人工转变方程

 

　　解析：A选项中在质子的轰击下发生的核反应，用质子轰击氮核人是工诱变措施，属于人工转变，A错；C选项所述核反应中无人工诱变措施有α粒子射出，属于α衰变，不是裂变，C错；B选项所述是轻核聚变，B对；D项所述是用α粒子轰击铝核，属于原子核的人工转变，D对。所以本题选B、D。

 

　　3．核反应方程式

 

　　例4（安徽理综-14）原子核聚变可望给人类未来提供丰富的洁净能源。当氖等离子体被加热到适当高温时，氖核参与的几种聚变反应可能发生，放出能量。这几种反应的总效果可以表示为：，由平衡条件可知（　　）

 

　　A．k=1，d=4     B．k=2，d=2     C．k=1，d=6      D．k=2，d=3

 

　　解析：由质量数守恒和电荷数守恒，分别有：，，解得k=2，d=2。正确选项为B。

 

　　点评：核反应中参与反应的是原子核，是原子核内的质子、中子的重组过程，常见的核反应形式有：（1）天然放射现象（原子核的衰变）：是一种原子核在无人工诱变条件下自发进行的核反应，其特征是原子核放出α（粒子流，带正电）、β（，电子流，带负电）、γ（光子，不带电）射线，这三种射线中速度最大的是γ射线（真空中的光速），穿透能力最强的是γ射线，电离能力最强的是α射线。这种现象叫天然放射现象，由这些原子核组成的元素，称为放射性元素。利用放射性元素可作为示踪原子，利用其射线可进行工业透视(γ射线)、使中性气体电离(α射线)、诱发植物中子变异(γ射线)等。（2）人工转变：是指用高能α（）粒子、质子（）、中子（）轰击中等质量的原子核使其产生新核的核反应。（3）裂变：是指质量较大的原子核在人工条件下（比如中子轰击）分裂为中等质量的核的核反应。（4）聚变：质量较小的原子核在高温高压条件下结合成质量较大原子核的核反应。

 

　　不管是哪一种核反应，都遵从质量数（核子数）守恒和电荷数（质子数）守恒，这是书写和检验核反应方程式的原则。

 

　　二、核能释放问题

 

　　例5（广东物理-2）科学家发现在月球上含有丰富的（氦3），它是一种高效、清洁、安全的核聚变燃料，其参与的一种核聚变反应的方程式为+→+，关于聚变，下列表述正确的是（　　）

 

　　A．聚变反应不会释放能量

 

　　B．聚变反应产生了新的原子核

 

　　C．聚变反应没有质量亏损

 

　　D．目前核电站都采用聚变反应发电

 

　　解析：核能释放的两种途径是重核裂变与轻核聚变，氦核聚变属于轻核聚变，会放出大量的能量，故肯定会有质量亏损，所以A、C错误；核反应是参与反应的原子核内的质子、中子的重组过程，会生成新的原子核，故B对；目前我们核电站利用核能的主要方式为重核裂变，所以D错误。本题选B。

 

　　例6（山东理综38-1)历史中在利用加速器实现的核反应，是用加速后动能为0．5MeV的质子H轰击静止的X，生成两个动能均为8．9MeV的He。（1MeV=1．6×^-13J）

 

　　①上述核反应方程为___________。

 

　　②质量亏损为_______________kg。

 

　　解析：依据电荷数、质量数守恒可写出和反应方程式为：_（或_），有爱因斯坦质能关系有：。

 

　　点评：核能释放的两条主要途径是轻核聚变和重核裂变两种形式，如反应前参与反应的核的总质量与反应后新核的总质量之差为，则释放的能量为（c为真空中的光速）。对核能释放的两种途径中，人类控制与应用技术比较成熟的是重核（铀核）的裂变。

 

　　三、能级跃迁

 

　　例7（全国理综I-16）氦氖激光器能产生三种波长的激光，其中两种波长分别为。λ₁=0．6328μm，λ₂=3．39μm。已知波长为λ₁的激光是氖原子在能级间隔为ΔE₁=1．96eV的两个能级之间跃迁产生的。用ΔE₂表示产生波长为λ₂的激光所对应的跃迁的能级间隔，则ΔE₂的近似值为（　　）

 

　　A．10．50eV     B．0．98eV    C．0．53eV     D．0．36eV

 

　　解析：原子由较高能量能级向能量较低能级跃迁时放出光子（发光），光子的能量等于两能级能量之差，所以有：，。而，代入已知数据解得：。故本题选D。

 

　　例8（全国理综II-18）氢原子的部分能级如图所示，已知可见光子能量在1．62eV到3．11eV之间。由此可推知，氢原子（　　）

 

 

　　A．从高能级向n=1能级跃迁时放出的光的波长比可见光的短

 

　　B．从高能级向n=2能级跃迁时发出的光为可见光

 

　　C．从高能级向n=3能级跃迁时发出的光的频率比可见光的高

 

　　D．从n=3能级向n=2能级跃迁时发出的光为可见光

 

　　解析：从其它高能像n=1能级跃迁时，放出的光子的能量分别为0-（-13．6eV）=13．6eV，-5．4eV-（-13．6eV）=8．2eV，-0．85eV-(-13．6eV)=12．75eV，-1．51eV-(-13．6eV)=12．09eV，-3．40eV-(-13．6eV)=10．20eV，均大于可见光能量，其频率比高于可见光频率，波长小于可见光频率。从其它高能级向n=2能级跃迁放出的光子的能量分别为0-（-3．40eV）=3．40eV，-0．54eV-(-3．40eV)=2．86eV，-0．85eV-(-3．40eV)=2．55eV，-1．51eV-（-3．40eV）=1．89eV，其中，有些在可见光范围内，有些不在可见光范围内。从其它高能级向n=3能级跃迁时，放出的光子的能量分别是0-(-1．51eV)=1．51eV，-0．54eV-(-1．51eV)=0．97eV，-0．85eV-(-1．51eV)=0．66eV，均比可见光能量小，频率比可见光低。从n=3跃迁到n=2时，放出的光子的能量为-1．51eV-(-3．4eV)=1．89eV，属于可见光。故本题选A、D。

 

　　点评：原子由能量较高能级向能量较低能级跃迁时放出光子（能量），跃迁规律为：。对于光子来说，它的频率与波长间有关系：。原子系统一般处在能量最低能级（基态），要使其发光（放出光子）就必须先将原子系统激发到能量较高能级（激发态），这有两种办法，一是吸收光子（光照），光子能量必须等于两能级能量之差；二是电子撞击，电子动能应不小于两能级能量之差。

 

　　 四、原子核与力学综合问题

 

　　例9(海南物理19-II)钚的放射性同位素静止时衰变为铀核激发态和粒子，而铀核激发态立即衰变为铀核，并放出能量为的光子。已知：、和粒子的质量分别为、、

 

　　（1）写出衰变方程；

 

　　（2）已知衰变放出的光子的动量可忽略，球粒子的动能。

 

　　解析：（1）衰变方程为：  ，，或合起来有：

 

　　（2）上述衰变过程的质量亏损为：，放出的能量为：，有能量转化余守恒定律可知，释放的能量应等于轴核的动能、粒子的动能和光子的能量之和，即：，由以上几式可得：

 

　　设衰变后的轴核和粒子的速度分别为和，由动量守恒有：

 

　　又由动能的定义知：

 

　　代入已知数据解得：

 

　　例10（江苏物理12-C）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，利用中微子与水中的核反应，间接地证实了中微子的存在。

 

　　（1）中微子与水中的发生核反应，产生中子（）和正电子（），即：

 

　　中微子+→+，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）

 

　　A．0和0        B．0和1        C．1和 0       D．1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：+2 。已知正电子和电子的质量都为9．1×10^-31㎏，反应中产生的每个光子的能量约为      J。正电子与电子相遇不可能只转变为一个光子，原因是        。

 

　　解析：（1）发生核反应前后，粒子的质量数和核电荷数均不变，据此可知中微子的质量数和电荷数分都是0，A项正确。

 

　　（2）产生的能量是由于质量亏损。两个电子转变为两个光子之后，质量变为零，，一个光子的能量为，带入数据得，每个光子的能量为：=J。

 

　　正电子与水中的（负）电子相遇，形成几乎静止的整体，故系统总动量为零，故如果只产生一个光子是不可能的，因为此过程遵循动量守恒。

 

　　点评：核反应中，均有能量放出，这些能量以新核动能，辐射能（电磁能）形式出现。能量守恒与动量守恒是核反应过程遵循的基本规律。

陕西省宝鸡市陈仓区教育局教研室　邢彦君

　　一、核反应类型及核反应方程式问题

 

　　1．天然放射现象

 

　　例1（北京理综-14）下列现象中，与原子核内部变化有关的是（　　）

 

　　A．粒子散射现象  

 

　　B．天然放射现象

 

　　C．光电效应现象    

 

　　D．原子发光现象

 

　　解析：B项所述天然放射现象是某些元素的原子核在天然情况下自发进行的核反应，是原子核内部的质子、中子的重组过程，是原子核内部发生的变化。其它三项所述变化均是在原子系统中，原子核外发生的。故本题选B。

 

　　例2（上海物理-1）放射性元素衰变时放出三种射线，按穿透能力由强到弱的排列顺序是（　　）

 

　　A．a射线，b射线，g射线

 

　　B．g射线，b射线，a射线

 

　　C．g射线，a射线，b射线

 

　　D．b射线，a射线，g射线

 

　　解析：衰变时产生的射线中，按穿透能力由强到弱排序，依次是g射线、b射线、a射线。本题选B。

 

　　2．核反应类型

 

　　例3（天津理综-6）下列说法正确的是（　　）

 

　　A．是衰变方程

 

　　B．是核聚变反应方程

 

　　C．是核裂变反应方程

 

　　D．是原子核的人工转变方程

 

　　解析：A选项中在质子的轰击下发生的核反应，用质子轰击氮核人是工诱变措施，属于人工转变，A错；C选项所述核反应中无人工诱变措施有α粒子射出，属于α衰变，不是裂变，C错；B选项所述是轻核聚变，B对；D项所述是用α粒子轰击铝核，属于原子核的人工转变，D对。所以本题选B、D。

 

　　3．核反应方程式

 

　　例4（安徽理综-14）原子核聚变可望给人类未来提供丰富的洁净能源。当氖等离子体被加热到适当高温时，氖核参与的几种聚变反应可能发生，放出能量。这几种反应的总效果可以表示为：，由平衡条件可知（　　）

 

　　A．k=1，d=4     B．k=2，d=2     C．k=1，d=6      D．k=2，d=3

 

　　解析：由质量数守恒和电荷数守恒，分别有：，，解得k=2，d=2。正确选项为B。

 

　　点评：核反应中参与反应的是原子核，是原子核内的质子、中子的重组过程，常见的核反应形式有：（1）天然放射现象（原子核的衰变）：是一种原子核在无人工诱变条件下自发进行的核反应，其特征是原子核放出α（粒子流，带正电）、β（，电子流，带负电）、γ（光子，不带电）射线，这三种射线中速度最大的是γ射线（真空中的光速），穿透能力最强的是γ射线，电离能力最强的是α射线。这种现象叫天然放射现象，由这些原子核组成的元素，称为放射性元素。利用放射性元素可作为示踪原子，利用其射线可进行工业透视(γ射线)、使中性气体电离(α射线)、诱发植物中子变异(γ射线)等。（2）人工转变：是指用高能α（）粒子、质子（）、中子（）轰击中等质量的原子核使其产生新核的核反应。（3）裂变：是指质量较大的原子核在人工条件下（比如中子轰击）分裂为中等质量的核的核反应。（4）聚变：质量较小的原子核在高温高压条件下结合成质量较大原子核的核反应。

 

　　不管是哪一种核反应，都遵从质量数（核子数）守恒和电荷数（质子数）守恒，这是书写和检验核反应方程式的原则。

 

　　二、核能释放问题

 

　　例5（广东物理-2）科学家发现在月球上含有丰富的（氦3），它是一种高效、清洁、安全的核聚变燃料，其参与的一种核聚变反应的方程式为+→+，关于聚变，下列表述正确的是（　　）

 

　　A．聚变反应不会释放能量

 

　　B．聚变反应产生了新的原子核

 

　　C．聚变反应没有质量亏损

 

　　D．目前核电站都采用聚变反应发电

 

　　解析：核能释放的两种途径是重核裂变与轻核聚变，氦核聚变属于轻核聚变，会放出大量的能量，故肯定会有质量亏损，所以A、C错误；核反应是参与反应的原子核内的质子、中子的重组过程，会生成新的原子核，故B对；目前我们核电站利用核能的主要方式为重核裂变，所以D错误。本题选B。

 

　　例6（山东理综38-1)历史中在利用加速器实现的核反应，是用加速后动能为0．5MeV的质子H轰击静止的X，生成两个动能均为8．9MeV的He。（1MeV=1．6×^-13J）

 

　　①上述核反应方程为___________。

 

　　②质量亏损为_______________kg。

 

　　解析：依据电荷数、质量数守恒可写出和反应方程式为：_（或_），有爱因斯坦质能关系有：。

 

　　点评：核能释放的两条主要途径是轻核聚变和重核裂变两种形式，如反应前参与反应的核的总质量与反应后新核的总质量之差为，则释放的能量为（c为真空中的光速）。对核能释放的两种途径中，人类控制与应用技术比较成熟的是重核（铀核）的裂变。

 

　　三、能级跃迁

 

　　例7（全国理综I-16）氦氖激光器能产生三种波长的激光，其中两种波长分别为。λ₁=0．6328μm，λ₂=3．39μm。已知波长为λ₁的激光是氖原子在能级间隔为ΔE₁=1．96eV的两个能级之间跃迁产生的。用ΔE₂表示产生波长为λ₂的激光所对应的跃迁的能级间隔，则ΔE₂的近似值为（　　）

 

　　A．10．50eV     B．0．98eV    C．0．53eV     D．0．36eV

 

　　解析：原子由较高能量能级向能量较低能级跃迁时放出光子（发光），光子的能量等于两能级能量之差，所以有：，。而，代入已知数据解得：。故本题选D。

 

　　例8（全国理综II-18）氢原子的部分能级如图所示，已知可见光子能量在1．62eV到3．11eV之间。由此可推知，氢原子（　　）

 

 

　　A．从高能级向n=1能级跃迁时放出的光的波长比可见光的短

 

　　B．从高能级向n=2能级跃迁时发出的光为可见光

 

　　C．从高能级向n=3能级跃迁时发出的光的频率比可见光的高

 

　　D．从n=3能级向n=2能级跃迁时发出的光为可见光

 

　　解析：从其它高能像n=1能级跃迁时，放出的光子的能量分别为0-（-13．6eV）=13．6eV，-5．4eV-（-13．6eV）=8．2eV，-0．85eV-(-13．6eV)=12．75eV，-1．51eV-(-13．6eV)=12．09eV，-3．40eV-(-13．6eV)=10．20eV，均大于可见光能量，其频率比高于可见光频率，波长小于可见光频率。从其它高能级向n=2能级跃迁放出的光子的能量分别为0-（-3．40eV）=3．40eV，-0．54eV-(-3．40eV)=2．86eV，-0．85eV-(-3．40eV)=2．55eV，-1．51eV-（-3．40eV）=1．89eV，其中，有些在可见光范围内，有些不在可见光范围内。从其它高能级向n=3能级跃迁时，放出的光子的能量分别是0-(-1．51eV)=1．51eV，-0．54eV-(-1．51eV)=0．97eV，-0．85eV-(-1．51eV)=0．66eV，均比可见光能量小，频率比可见光低。从n=3跃迁到n=2时，放出的光子的能量为-1．51eV-(-3．4eV)=1．89eV，属于可见光。故本题选A、D。

 

　　点评：原子由能量较高能级向能量较低能级跃迁时放出光子（能量），跃迁规律为：。对于光子来说，它的频率与波长间有关系：。原子系统一般处在能量最低能级（基态），要使其发光（放出光子）就必须先将原子系统激发到能量较高能级（激发态），这有两种办法，一是吸收光子（光照），光子能量必须等于两能级能量之差；二是电子撞击，电子动能应不小于两能级能量之差。

 

　　 四、原子核与力学综合问题

 

　　例9(海南物理19-II)钚的放射性同位素静止时衰变为铀核激发态和粒子，而铀核激发态立即衰变为铀核，并放出能量为的光子。已知：、和粒子的质量分别为、、

 

　　（1）写出衰变方程；

 

　　（2）已知衰变放出的光子的动量可忽略，球粒子的动能。

 

　　解析：（1）衰变方程为：  ，，或合起来有：

 

　　（2）上述衰变过程的质量亏损为：，放出的能量为：，有能量转化余守恒定律可知，释放的能量应等于轴核的动能、粒子的动能和光子的能量之和，即：，由以上几式可得：

 

　　设衰变后的轴核和粒子的速度分别为和，由动量守恒有：

 

　　又由动能的定义知：

 

　　代入已知数据解得：

 

　　例10（江苏物理12-C）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，利用中微子与水中的核反应，间接地证实了中微子的存在。

 

　　（1）中微子与水中的发生核反应，产生中子（）和正电子（），即：

 

　　中微子+→+，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）

 

　　A．0和0        B．0和1        C．1和 0       D．1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：+2 。已知正电子和电子的质量都为9．1×10^-31㎏，反应中产生的每个光子的能量约为      J。正电子与电子相遇不可能只转变为一个光子，原因是        。

 

　　解析：（1）发生核反应前后，粒子的质量数和核电荷数均不变，据此可知中微子的质量数和电荷数分都是0，A项正确。

 

　　（2）产生的能量是由于质量亏损。两个电子转变为两个光子之后，质量变为零，，一个光子的能量为，带入数据得，每个光子的能量为：=J。

 

　　正电子与水中的（负）电子相遇，形成几乎静止的整体，故系统总动量为零，故如果只产生一个光子是不可能的，因为此过程遵循动量守恒。

 

　　点评：核反应中，均有能量放出，这些能量以新核动能，辐射能（电磁能）形式出现。能量守恒与动量守恒是核反应过程遵循的基本规律。