原子物理
1．关于天然放射现象，下列说法正确的是
A．放射性元素的原子核内的核子有半数发生变化所需的时间就是半衰期 B．放射性物质放出的射线中，α粒子动能很大．因此贯穿物质的本领很强 C．当放射性元素的原子的核外电子具有较高能量时，将发生β哀变
D．放射性的原子核发生衰变后产生的新核从高能级向低能级跃迁时，辐射出γ射线 2. 氢原子的部分能级如图所示。已知可见光的光子能量在
1.62eV 到3.11eV 之间。由此可推知, 氢原子 A. 从高能级向n=1能级跃迁时了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均为可见光 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
3．一个铍原子核（74Be ）从最靠近核的K 层电子轨道上俘获一
7个电子后发生衰变，生成一个锂核（3，并放出一个不带电的中微子νe （质量不计），人Li ）
07们把这种衰变叫铍核的EC 衰变。核反应方程为：74Be +-1e →3Li +v e 。已知一个铍原子质量
为m 1，一个锂原子质量为m 2，一个电子质量为m e ，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．(m 1—m 2) c C．(m 1＋m e —m 2) c
2
2
B ．(m 1＋m e ＋m 2) c D ．(m 2—m 1—m e ) c
2
2
4. 下列现象中，与原子核内部变化有关的是 A ．α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
5．二十世纪初，为了研究物质的内部结构，物理学家做了大量的实验，揭示了原子内部的结构，发现了电子、中子和质子，如图所示是
A. 卢瑟福的α粒子散射实验装置 B. 卢瑟福发现质子的实验装置
C. 汤姆逊发现电子的实验装置 D. 查德威克发现中子的实验装置
6. 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 ．α射线，β射线，γ射线 C ．γ射线，α射线，β射线
B ．γ射线，β射线，α射线， D ．β射线，α射线，γ射线
7．一个质子和一个中子聚变结合成一个氘核，同时辐射一个γ光子。已知质子、中子、氘核的质量分别为m 1、m 2、m 3, 普朗克常量为h , 真空中的光速为c 。下列说法正确的是
13
A ．核反应方程是11H+0n →1H+γ
B ．聚变反应中的质量亏损∆m =m 1+m 2-m 1 C ．辐射出的γ光子的能量E=(m 3-m 1-m 2)c D ．γ光子的波长λ=
h
2
(m 1+m 2-m 3) c
3
8. 科学家发现在月球上含有丰富的2。它是一种高效、清洁、安全的核聚变燃料其He （氦3）3314参与的一种核聚变反应的方程式为2He +2He →21H +2He 。关于23He 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
3C ．聚变反应没有质量亏损 D.目前核电站都采用2He 聚变反应发电
9．已知π介子、π介子都是由一个夸克（夸克u 或夸克d ）和一个反夸克（反夸克或反夸克
+
－
）组成的，它们的带电量如下表所示，表中e 为元电荷。
下列说法正确的是 A. π由u 和C. π由u 和
－+
组成 B. π由d 和组成 组成 D. π由d 和组成
－
＋
10. 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
411
62H →k He +d H +21210n +43.15MeV ，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 11．在下列4个核反应方程中，x 表示质子的是
30A. 3015P →14Si+x 234B. 238U →9292Th+x 127C. 2713Al+0n →12Mg+x 430D. 2713Al+2He →15P+x
12. 下列说法正确的是 1124A. 15N +H →C +7162He 是α衰变方程 23B. 11H +1H →2He +γ是核聚变反应方程 2344C. 23892U →90Th +2He 是核裂变反应方程
27301D. 4He +Al →P +213150n 是原子核的人工转变方程
13. 在β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
1微子与水中1H 的核反应，间接地证实了中微子的存在。
11（1）中微子与水中的1），即中微子+H 发生核反应，产生中子（01n ）和正电子（0e +11H →10
（填写选项前的字母） n +0+1e ，可以判定，中微子的质量数和电荷数分别是 。
（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
00
为两个光子（γ），即+1e +-1e →2γ。已知正电子和电子的质量都为9.1×10㎏，反应中产
-31
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 。
（3）试通过分析比较，具有相同动能的中子和电子的物质波波长的大小。
正电子与水中的电子相遇，与电子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。
14．放射性元素的原子核在α衰变或β衰变生成新原子核时，往往会同时伴随＿＿＿＿＿辐射。已知A 、B 两种放射性元素的半衰期分别为T 1和T 2，经过t ＝T 1·T 2时间后测得这两种放射性元素的质量相等，那么它们原来的质量之比m A ：m B ＝＿＿＿＿＿。
15．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。请按要求回答下列问题。⑪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。请选择其中的两位，指出他们的主要成绩。
①___________________________________________________。 ②___________________________________________________。 在贝克勒尔发现天然放射现象后，人们对放射线的性质进行了深入研究，如图为三种射线在同一磁场中的运动轨迹，请从三种射线中任选一种，写出它的名称和一种用途。_________，
_______________________。
⑫在可控核反应堆中需要给快中子减速，轻水、重水和石墨等常
用作减速剂。中子在重水中可与1H 核碰撞减速，在石墨中与126C 核碰撞减速。上述碰撞可简化为弹性碰撞模型。某反应堆中快中子与静止的靶核发生对心正碰，通过计算说明，仅从一次碰撞考虑，用重水和石墨作减速剂，哪种减速效果更好？
[1**********]. 钚的放射性同位素94而铀核激发态92Pu 静止时衰变为铀核激发态92U *和α粒子，U *立235239235即衰变为铀核92U ，并放出能量为0.097MeV 的γ光子。已知：94Pu 、92U 和α粒子的质
2
量分别为m Pu =239.0521u 、m u =235.0439u 和m α=4.0026u 1u =931.5MeV/c （1）写出衰变方程；
（2）已知衰变放出的光子的动量可忽略，球α粒子的动能。
17．一个静止的铀核23292U （原子质量为232.0372u ）放出一个α粒子（原子质量为4.0026u ）后衰变成钍核228。（已知：原子质量单位1u=1.67×1090Th （原子质量为228.0287u ）相当于931MeV ）
（1）写出核衰变反应方程；
—27
2
kg ，1u
（2）算出该核衰变反应中释放出的核能；
（3）假设反应中释放出的核能全部转化为钍核和α粒子的动能，则钍核获得的动能有多大？
4
18．太阳现正处于主序星演化阶段。它主要是由电子和11H 、2He 等原子核组成。维持太阳辐4射的是它内部的核聚变反应，核反应方程是2e +411H →2He +释放的核能，这些核能最后转
化为辐射能。根据目前关于恒星演化的理论，若由于聚变反应而使太阳中的11H 核数目从现有数减少10％，太阳将离开主序星阶段而转入红巨星的演化阶段。为了简化，假定目前太阳全部由电子和11H 核组成。
（1）为了研究太阳演化进程，需知道目前太阳的质量M 。已知地球半径R ＝6.4×10m ，地球质量m ＝6.0×10 kg，日地中心的距离r ＝1.5×10 m，地球表面处的重力加速度 g＝10 m/s ，1年约为3.2×10 秒，试估算目前太阳的质量M 。
（2）已知质子质量m p ＝1.6726×10m e ＝0.9×10
-30
8
2
7
24
11
6
-27
kg，42He 质量m α＝6.6458×10
-27
kg，电子质量
kg ，光速c ＝3×10 m/s。求每发生一次题中所述的核聚变反应所释放的核能。
3
（3）又知地球上与太阳垂直的每平方米截面上，每秒通过的太阳辐射能w ＝1.35×10 W/m。试估算太阳继续保持在主序星阶段还有多少年的寿命。（估算结果只要求一位有效数字。）
2
参考答案及解析
1．【答案】D
【解析】由三种射线的特点和半衰期的含义不难判断选项D 正确。 2. 【答案】AD
【解析】本题考查玻尔的原理理论. 从高能级向n=1的能级跃迁的过程中辐射出的最小光子能量为9.20ev, 不在1.62eV 到3.11eV 之间,A 正确. 已知可见光子能量在1.62eV 到3.11eV 之间从高能级向n=2能级跃迁时发出的光的能量≤3.40ev ，B 错. 从高能级向n=3能级跃迁时发出的光的频率只有能量大于3.11ev 的光的频率才比可见光高,C 错. 从n=3到n=2的过程中释放的光的能量等于1.89ev 介于1.62到3.11之间, 所以是可见光D 对。 3．【答案】A
【解析】已知一个铍原子质量为m 1，则铍核的质量为m 1－4m e 。一个锂原子质量为m 2，则锂核的质量为m 1－3m e 。题述核反应的质量亏损Δm ＝[(m1－4m e ) ＋m e ]－(m1－3m e ) ＝m 1—m 2，故题述核反应释放的能量为ΔE ＝Δmc ＝(m1—m 2)c ，A 正确。 4. 【答案】B
【解析】α粒子散射实验表明了原子内部有一个很小的核，并没有涉及到核内部的变化，故A 项错误；天然放射现象是原子核内部发生变化自发的放射出α粒子或电子，从而发生α衰变或β衰变，故B 项正确；光电效应是原子核外层电子脱离原子核的束缚而逸出，没有涉及到原子核的变化，故C 项错误；原子发光是原子跃迁形成的也没有涉及到原子核的变化，故D 项错误。 5. 【答案】A
【解析】题目中所给装置是卢瑟福研究α粒子散射实验装置，故选项A 正确。 6. 【答案】B
【解析】解析：由于三种射线的能量不同，所以贯穿能力最强的是γ射线，β射线次之，α射线最弱，故正确答案选B 。 7. 【答案】B
12
γγγ【解析】核反应方程是11H+0n →1H+；辐射出的光子的能量E=(m 1+m 2-m 3)c ；光子的
2
2
2
波长λ=
h
。
(m 1+m 2-m 3) c 3
8. 【答案】B
【解析】聚变反应时将质量较小的轻核聚变成质量较大的核，聚变过程会有质量亏损，要放出大量的能量。但目前核电站都采用采用铀核的裂变反应。因此B 正确。 9．【答案】AD
2121
【解析】u 带+e 电量，带+e 电量，（+e ）+（+e ）=＋e ，而π+带+e电量，带
3333
电量守恒，所以A 选项正确，同理，D 选项正确。
10. 【答案】B
【解析】由质量数守恒和电荷数守恒，分别有4k +d =10，2k +d =6，解得 k =2，d=2。正确选项为B 。 11. 【答案】C
【解析】由核反应方程的质量数和电荷数守恒，可得各个选项中的x 分别为正电子、α粒子、质子、中子。 12. 【答案】BD
【解析】A 选项中157N 在质子的轰击下发生的核反应，属于人工转变，A 错；C 选项是α衰变，不是裂变，C 错。
13. 【答案】C. （1）A ； (2)8. 2⨯10
-14
，遵循动量守恒。
【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，由E =∆mc ，故一个光子的能量为
2
E E -14
，带入数据得=8. 2⨯10J 。 22
正电子与水中的电子相遇，与电子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。 14．【答案】γ，2 : 2
【解析】放射性元素的原子核在α衰变或β衰变生成新原子核时，往往以γ光子的形式释放能量，即伴随γ辐射；根据半衰期的定义，经过t ＝T 1·T 2时间后剩下的放射性元素的T 2T 1 ，故m A ：m B ＝2 : 2
22
15．【答案】（1）卢瑟福提出了原子的核式结构模型；玻尔把量子理论引入原子模型，并成功解释了氢光谱；查德威克发现了中子 （2）重水减速效果更好
【解析】(1)卢瑟福提出了原子的核式结构模型；玻尔把量子理论引入原子模型，并成功解释了氢光谱；查德威克发现了中子（或其他成就）。
(2)设中子质量为M n 靶核质量为M ，由动量守恒定律M n v 0=Mn v 1+Mv2 解得：v 1=
T 2
T 1
m A m B
T 2T 1
M n -M
v 0在重水中靶核质量：M H =2Mn ，v 1H =1v 0；在石墨中靶核质量：M c =12M
3M n +M
v 1C =
11
v 0与重水靶核碰后中子速度较小，故重水减速效果更好。 13
16. 【解析】
239235
（1）衰变方程为 94Pu →92U *+α 235*235
92U →92U +λ
或合起来有
239235 94Pu →92U +α+γ
（2）上述衰变过程的质量亏损为 ∆m =m Pu -m U -m α 放出的能量为
∆E =c ⋅∆m
235这能来那个是轴核92U 的动能E U 、α粒子的动能E a 和y 光子的能量E y 之和
2
∆E =E U +E α+E y 由④⑤⑥式得
E U +E α=(m Pu -m U -m α) c -E y
设衰变后的轴核和α粒子的速度分别为v U 和v α，则由动量守恒有 m U v U =m αv α 又由动能的定义知 E U =由⑧⑨式得
2
1122
m U v U , E α=m αv a 22
E U m a = E a m y
由⑦⑩式得 E a =代入题给数据得
m U 2
⎡(m -m +m ) c -E γ⎤ Pu U α⎣⎦m U -m α
E α=5.034MeV
17. 【解析】
2284
（1）23292U →90Th +2He
（2）质量亏损 △m=0.0059u △E=△mc =0.0059×931MeV=5.49MeV
（3）系统动量守恒，钍核和α粒子的动量大小相等，即
2
p Th +(-p α) =0⎫
⎬
p Th =p α⎭
2
p Th ⎫
E kTh =⎪
2m Th ⎪
⎬ 2
p
E k α=α⎪
2m α⎪⎭
E k Th +E k α=∆E
所以钍核获得的动能 E kTh =18. 【解析】
（1）要估算太阳的质量M ，研究绕太阳运动的任一颗行星的公转均可，现取地球为研究
对象。设T 为地球绕日心运动的周期，则由万有引力定律和牛顿定律可知
m α4
⨯∆E =⨯∆E =0. 09MeV
m α+m Th 4+228
G
mM 2π2
=m () r
T r 2
地球表面处的重力加速度 g =G
m
R 2
2π2r 3
得 M =m () 2
T R g
以题给数值代入，得 M＝2×10 kg
（2）根据质量亏损和质能公式，该核反应每发生一次释放的核能为 △E ＝（4m p ＋2m e －m α）c
代入数值，得 △E ＝4.2×10 J
-12
2
30
（3）根据题给假设，在太阳继续保持在主序星阶段的时间内，发生题中所述的核聚变反应的次数为 N =
M
⨯10% 4m p
因此，太阳总共辐射出的能量为 E＝N ·△E
设太阳辐射是各向同性的，则每秒内太阳向外放出的辐射能为 ε＝4πr w 所以太阳继续保持在主星序的时间为 t =
2
E
ε
由以上各式解得 t =
0. 1M (4m p +2m e -m α) c 2
4m p ⨯4πr 2w
10
以题给数据代入，并以年为单位，可得t ＝1×10年＝1百亿年