2020-2022近三年高考物理真题汇编（山东专用）专题13原子结构、原子核和波粒二象性+答案解析

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2020-2022年三年山东卷高考汇编专题13原子结构、原子核和波粒二象性【考纲定位】内容要求 1.原子核式结构和能级结构了解人类探索原子及其结构的历史．知道原子的核式结构模型．通过对氢原子光谱的分析，了解原子的能级结构. 2.原子核与核反应了解原子核的组成和核力的性质．知道四种基本相互作用．能根据质量数守恒、电荷数守恒写出核反应方程. 3.放射性和原子核衰变了解放射性和原子核衰变．知道半衰期及其统计意义．了解放射性同位素的应用，知道射线的危害与防护.2022·山东·高考T12020·山东·高考T24.原子核的结合能　核裂变反应和核聚变反应认识原子核的结合能，了解核裂变反应和核聚变反应．关注核技术应用对人类生活和社会发展的影响．了解人类对物质结构的探索历程.2021·山东·高考T15.光电效应现象通过实验，了解光电效应现象．知道爱因斯坦光电效应方程及其意义．能根据实验结论说明光的波粒二象性. 6.波粒二象性　量子化知道实物粒子具有波动性，了解微观世界的量子化特征．体会量子论的建立对人们认识物质世界的影响.  【知识重现】一、波粒二象性1．光电效应(1)光电效应的规律①任何一种金属都有一个截止频率，低于这个截止频率则不能发生光电效应．②光电子的最大初动能与入射光的强度无关，随入射光频率的增大而增大．③光电效应的发生几乎是瞬时的．④大于截止频率的光照射金属时，光电流强度与入射光强度成正比．(2)光电流与电压的关系给光电管加反向电压时，随电压的增大，光电流逐渐减小，当电压大于或等于遏止电压时，光电流为0.如图所示，给光电管加正向电压时，随电压的增大光电流逐渐增大，当电压增大到某一值时，光电流达到饱和值，再增大电压，光电流不再增加．2．光子说(1)光子：在空间传播的光是不连续的，而是一份一份的，每一份称为一个光量子，简称光子．(2)光子的能量：E＝hν，h为普朗克常量，h＝6.63×10－34 J·s.每个光子的能量只取决于光的频率．3．光电效应方程(1)最大初动能与入射光子频率的关系：Ek＝hν－W0.(2)若入射光子的能量恰等于金属的逸出功W0，则光电子的最大初动能为零，入射光的频率就是金属的截止频率．此时有hνc＝W0，即νc＝，可求出截止频率．(3)Ek－ν曲线：如图所示，由Ek＝hν－W0可知，横轴上的截距是金属的截止频率或极限频率，纵轴上的截距是金属的逸出功的负值，斜率为普朗克常量h.4．光的波粒二象性 实验基础表现光的波动性干涉和衍射①光是概率波，即光子在空间各点出现的概率可用波动规律来描述；②足够数量的光子在传播时，表现出波的性质.说明：光的波动性不同于宏观概念的波光的粒子性光电效应和康普顿效应①当光同物质发生作用时，这种作用是“一份一份”进行的，表现出粒子的性质；②少量或个别光子显示出光的粒子性.说明：光子不同于宏观概念的粒子波动性和粒子性的对立与统一①大量光子易显示出波动性，而少量光子易显示出粒子性；②波长长(频率低)的光波动性强，而波长短(频率高)的光粒子性强；③光子说并未否定波动性，光子能量E＝hν＝中，ν和λ就是与波有关的物理量；④波和粒子在宏观世界是不能统一的，而在微观世界却是统一的5.物质波(德布罗意波)由光的波粒二象性的思想推广到微观粒子和任何运动着的物体上去，得出物质波(德布罗意波)的概念：任何一个运动着的物体都有一种波与它对应，该波的波长λ＝.二、原子的结构1．原子的核式结构(1)电子的发现汤姆孙发现了电子，并提出了原子的枣糕式模型．(2)α粒子散射实验1909～1911年，英国物理学家卢瑟福和他的助手进行了用α粒子轰击金箔的实验，发现绝大多数α粒子穿过金箔后基本上仍沿原来方向前进，但有少数α粒子发生了大角度偏转，偏转的角度甚至大于90°，也就是说它们几乎被“撞”了回来．为了解释α粒子的大角度散射，卢瑟福提出了原子的核式结构模型：在原子中心有一个很小的核，原子全部正电荷和几乎全部的质量都集中在核里，带负电的电子在核外空间绕核旋转．2．玻尔原子模型(1)玻尔假说的内容①轨道量子化：原子的不同能量状态跟电子在不同的圆轨道绕核运动相对应．原子的定态是不连续的，因此电子的轨道也是不连续的．②能量状态量子化：原子只能处于一系列不连续的能量状态中，在这些能量状态中原子是稳定的，电子虽然绕核运动，但并不向外辐射能量．③跃迁假说：原子从一种定态跃迁到另一种定态时，它辐射或吸收一定频率的光子，光子的能量由这两个定态的能量差决定，即hν＝Em－En.(2)氢原子的能级结构及能级公式①原子各定态的能量值叫原子的能级．对于氢原子，其能级公式为En＝，对应的轨道半径公式为rn＝n2r1.其中，n为量子数，只能取正整数；E1＝－13.6 eV，r1＝0.53×10－10 m.②原子的最低能量状态为基态，对应电子在离核最近的轨道上运动；较高的能量状态称为激发态，对应电子在离核较远的轨道上运动．氢原子的能级图如图所示．(3)氢原子光谱氢原子光谱的实验规律：氢原子光谱线是最早被发现、研究的光谱线，这些光谱线可用一个统一的公式表示：＝R，式中R叫里德伯常量，R＝1.10×107 m－1，m＝1，2，3，…对每一个m，有n＝m＋1，m＋2，m＋3，…构成一个谱线系．三、核反应1．衰变：原子核自发地放出某种粒子而转变成新核的变化．可分为α衰变、β衰变，并伴随着γ射线放出．2．α衰变和β衰变的比较 α衰变β衰变衰变方程X→Y＋HeX→Y＋e典例U→Th＋HeTh→Pa＋e衰变实质2H＋2n→Hen→H＋e衰变规律电荷数守恒，质量数守恒　　注意：γ射线是伴随α衰变或β衰变产生的，不改变原子核的核电荷数和质量数，其实质是产生的某些新核由于具有过多的能量而辐射出的光子．3．半衰期(1)半衰期：放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间．半衰期由原子核内部的因素决定，跟原子所处的物理、化学状态无关．(2)半衰期公式：N余＝N原，m余＝m原.式中N原、m原表示衰变前放射性元素的原子数和质量，N余、m余表示衰变后尚未发生衰变的放射性元素的原子数和质量，t表示衰变时间，τ表示半衰期．4．核反应类型核反应有4种类型，即衰变、人工核转变、聚变及裂变.4种核反应类型对比如下：种类可控性核反应方程典例衰变α衰变自发U→Th＋Heβ衰变自发Th→Pa＋e人工转变人工控制N＋He→O＋H(卢瑟福发现质子)(约里奥·居里夫妇发现放射性同位素，同时探测到正电子)重核裂变较容易人工控制U＋n→Ba＋Kr＋3nU＋n→Xe＋Sr＋10n轻核聚变无法控制H＋H→He＋n　　注意：4种核反应都遵循质量数守恒和电荷数守恒的规律．四、核能1．核力及其特点原子核里的核子间存在着相互作用的核力，核力把核子紧紧地束缚在核内，形成稳定的原子核．核力具有以下特点：(1)核力是强相互作用(强力)的一种表现，在它的作用范围内，核力比库仑力大得多．(2)核力是短程力，作用范围在1.5×10－15 m之内．(3)每个核子只跟相邻的核子发生核力作用，这也称为核力的饱和性．2．结合能(1)结合能：克服核力束缚，使原子核分解为单个核子时需要的能量，或若干个核子在核力作用下结合成原子核时放出的能量．(2)比结合能：原子核的结合能与核子数之比，也叫平均结合能．比结合能越大，表示原子核、核子结合得越牢固，原子核越稳定．3．质量亏损(1)爱因斯坦质能方程：E＝mc2.(2)质量亏损：原子核的质量小于组成它的核子的质量之和的现象．4．裂变与聚变(1)重核裂变：重核俘获一个中子后分裂成为两个中等质量的核的反应过程．重核裂变的同时放出几个中子，并释放出大量核能．为了使铀235裂变时发生链式反应，铀块的体积应大于它的临界体积．裂变的应用：原子弹、原子反应堆．(2)轻核聚变：某些轻核结合成质量较大的核的反应过程，反应时释放出大量的核能．要想使氘核和氚核合成氦核，必须达到几百万摄氏度以上的高温，因此聚变反应又叫热核反应．聚变的应用：氢弹．【真题汇编】1.（2022·山东·高考真题）碘125衰变时产生射线，医学上利用此特性可治疗某些疾病。碘125的半衰期为60天，若将一定质量的碘125植入患者病灶组织，经过180天剩余碘125的质量为刚植入时的（　　）A． B． C． D．【答案】B【详解】设刚植入时碘的质量为，经过180天后的质量为m，根据代入数据解得故选B。2．（2021·山东·高考真题）在测定年代较近的湖泊沉积物形成年份时，常利用沉积物中半衰期较短的，其衰变方程为。以下说法正确的是（　　）A．衰变方程中的X是电子B．升高温度可以加快的衰变C．与的质量差等于衰变的质量亏损D．方程中的X来自于内质子向中子的转化【答案】A【解析】A．根据质量数守恒和电荷数守恒可知，X是电子，A正确；B．半衰期非常稳定，不受温度，压强，以及该物质是单质还是化合物的影响，B错误；C．与和电子X的质量差等于衰变的质量亏损，C错误；D．方程中的X来自于内中子向质子的转化，D错误。故选A。3．（2020·山东·高考真题）氚核发生β衰变成为氦核。假设含氚材料中发生β衰变产生的电子可以全部定向移动，在3.2104 s时间内形成的平均电流为5.010-8 A。已知电子电荷量为1.610-19 C，在这段时间内发生β衰变的氚核的个数为（　　）A． B． C． D．【答案】B【解析】根据可得产生的电子数为个因在β衰变中，一个氚核产生一个电子，可知氚核的个数为1.0×1016个。故选B。【突破练习】1．（2022·山东·高三学业考试）在超导托卡马克实验装置中，质量为m1的与质量为m2的发生核聚变反应，生成质量为m3的新核，同时放出质量为m4的X，若已知真空中的光速为c，下列说法正确的是（　　）A．该反应属于a衰变B．该反应释放的核能为（m1+m2-m3-m4）c2C．X为电子，最早由查德威克通过实验发现的D．该核反应是目前利用核能的主要方式【答案】B【解析】A．该反应属于轻核的聚变，A错误；B．根据质能方程，该反应释放的核能为（m1+m2-m3-m4）c2，B正确；C．根据核反应方程X为中子，中子最早由查德威克通过实验发现的，电子是汤姆生发现的，C错误；D．该核反应不是目前利用核能的主要方式，目前利用核能的主要方式为核裂变，D错误。故选B。2．（2022·山东·泰安一中模拟预测）中国的第一艘核潜艇安全航行近30年。中国是世界上唯一的一个核潜艇未发生过事故的国家，这证明了中国核潜艇的动力运行系统及核安全在国际上处于领先地位。为核动力潜艇所用燃料的一种核反应方程。关于该核反应，下列说法正确的是（　　）A．X的质子数为141B．X的中子数为87C．核反应前后核子的总质量不变D．X比更稳定【答案】D【解析】AB．根据质量数守恒和电荷数守恒可知，X的质量数为X的电荷数为则X的质子数为，中子数为故AB错误；C．核反应遵循的是质量数守恒而非质量守恒，则核反应前后核子数相等，但核子的总质量不相等，故C错误；D．核反应过程中释放能量，因此生成的X的比结合能比的比结合大，则X更稳定，故D正确。故选D。3．（2022·山东临沂·三模）三星堆遗址考古新发现被誉为“20世纪人类最伟大的考古发现之一”。考古学家利用放射性元素的半衰期可以确定文物的年代。碳元素能自发释放射线，衰变方程为，其半衰期约为5730年．则下列说法正确的是（　　）A．衰变的实质是碳原子失去核外电子B．当数量是数量的3倍时，衰变所经历时间约为17190年C．随着文物的出土，文物所在环境温度升高，衰变速度也会增大D．静止的原子核在某匀强磁场中自发释放射线，和粒子作匀速圆周运动，其半径之比为【答案】D【解析】A．衰变的实质是碳原子核中的一个中子转化为一个质子和一个电子，A错误；B．根据半衰期公式根据题意可得解得B错误；C．半衰期由原子核内部决定，与外界环境温度无关，可知随着文物的出土，文物所在环境温度升高，衰变速度不变，C错误；D．静止的原子核在某匀强磁场中自发释放射线，设和粒子的质量分别为，，电荷量大小分别为和，速度大小分别为和，根据动量守恒可得根据衰变过程电荷数守恒可得粒子在磁场由洛伦兹力提供向心力，可得解得可得和粒子作匀速圆周运动，其半径之比为D正确。故选D。4．（2022·山东·模拟预测）在核反应堆中，吸收一个中子后生成，衰变方程为。以下说法正确的是（　　）A．衰变方程中的X是β粒子B．降低温度可以减缓的衰变C．衰变过程中产生的质量亏损D．是α衰变【答案】C【解析】A．根据核反应过程中质量数守恒和核电荷数守恒可知X是α粒子，A错误；B．的衰变周期不会受温度影响，B错误；C．由题意衰变过程中产生的质量亏损为C正确；D．根据核反应过程中质量数守恒和核电荷数守恒可知Y是β粒子，结合α衰变特点可知，该反应方程不属于α衰变。D错误。故选C。5．（2022·山东枣庄·模拟预测）在一次核反应中变成和，同时释放出若干X粒子。的平均结合能约为7.6MeV，的平均结合能约为8.4MeV，的平均结合能约为8.7MeV，下列说法正确的是（　　）A．X粒子为电子B．一个核分解为核子时要释放的能量约为1786MeVC．核子结合成一个核吸收的能量约为783MeVD．一个该核反应能释放出的能量约为139.4MeV【答案】D【解析】A．根据核反应过程电荷数守恒和质量数守恒知，X粒子的电量数为0，所以只能为中子，A错误；B．一个分解成核子时，要吸收的能量为B错误；C．使相应的核子结合成要放出的能量为C错误；D．这个核反应放出的能量为D正确。故选D。6．（2022·山东潍坊·二模）在火星上，太阳能电池板的发电能力有限，因此科学家用放射性材料作为发电能源为火星车供电。中的Pu元素是，具有天然放射性，半衰期为87.7年。已知的衰变方程为：，则下列说法正确的是（　　）A．X原子核的中子数为144B．的比结合能大于的比结合能C．衰变过程中质量守恒D．Pu元素的半衰期跟原子所处的化学状态和外部条件有关【答案】B【解析】A．由电荷数守恒可知X原子核的质子数为92，则X原子核的中子数为故A错误；B．核反应方程式中，生成物为比反应物稳定，则的比结合能大于的比结合能，故B正确；C．衰变过程中质量数守恒，放出能量，可知有质量亏损，故C错误；D．Pu元素的半衰期跟原子所处的化学状态和外部条件无关，故D错误。故选B。7．（2022·山东德州·二模）福岛第一核电站的核污水含铯、锶、氚等多种放射性物质，一旦排海将对太平洋造成长时间的污染。氚（）有放射性，会发生β衰变并释放能量，其半衰期为12.43年，衰变方程为，以下说法正确的是（　　）A．的中子数为3B．衰变前的质量与衰变后和的总质量相等C．自然界现存在的将在24.86年后衰变完毕D．在不同化合物中的半衰期相同【答案】D【解析】A．根据核电荷守恒和质量数守恒，可得核反应方程为衰变产物有，中子数为1，A错误；B．氚（）有放射性，会发生β衰变并释放能量，故反应会亏损质量，衰变前的质量大于衰变后和的总质量，B错误；C．自然界现存在的将，在24.86年后即两个半衰期，衰变剩下，未衰变完毕，C错误；D．半衰期与化学状态无关，在不同化合物中的半衰期相同，D正确。故选D。8．（2022·山东·模拟预测）日本福岛核废水中含有氚、锶、铯、碘等放射性元素，如果将该废水倒入大海将对海洋生态造成恶劣影响。其中锶（）半衰期为30年，它通过衰变变为钇核，下列说法正确的是（　　）A．钇核的质量数为89B．钇核的比结合能比锶核大C．衰变产生的射线比射线穿透本领强D．如果核废水不排入大海，人们可以通过改变储藏环境缩短其放射性持续的时间【答案】B【解析】A．衰变过程满足质量数守恒，电子的质量数为，故钇核的质量数为A错误；B．原子核的比结合能越大，原子核就越稳定，锶核通过衰变变为钇核，说明钇核比锶核更稳定，故钇核的比结合能比锶核大，B正确；C．衰变产生的三种射线中，射线的穿透本领最强，射线的穿透本领最弱，即衰变产生的射线比射线穿透本领弱，C错误；D．原子核衰变的半衰期只由原子核内部决定，与外界环境没有关系，故人们不可以通过改变储藏环境缩短其放射性持续的时间，D错误；故选B。9．（2022·山东·模拟预测）科学研究表明，香烟会释放一种危险的放射性元素钋（），如果每天抽2包香烟，一年后累积的辐射量相当于400次胸透的辐射量。的半衰期是138天，可以连续发生一次α衰变和一次β衰变后产生新核X。下列说法正确的是（　　）A．制做香烟时可以通过升高温度减小的半衰期，从而减小辐射对人体的伤害B．吸烟时因为发生化学反应，所以的半衰期会减小C．发生衰变时，会发生质量亏损D．新核X的中子数是206，电荷数是83【答案】C【解析】AB．半衰期是由原子核内部自身的因素决定的，与原子所处的化学状态和外部条件没有关系，AB错误；C．发生衰变时，会放出能量，根据质能方程可知有质量亏损，C正确；D．连续发生一次α衰变和一次β衰变后产生新核X的质量数为206，电荷数为83，则新核X的中子数为123，D错误。故选C。10．（2021·山东·临沂市兰山区教学研究室高三开学考试）室内过度装修可能会带来安全隐患，像花岗岩就是一种含放射性元素氡的石材，氡发生衰变产生的粒子可在人的呼吸系统造成辐射损伤，引发肺癌。一静止的氡核发生一次衰变生成新核钋，已知、、，且1u相当于931MeV的能量。则此过程释放的能量约（　　）A．3733MeV B．3726MeV C．6.89MeV D．8.69MeV【答案】C【解析】一静止的氡核发生一次衰变生成新核钋质量亏损为则释放的能量为故C正确，ABD错误。故选C。