高考物理一轮复习课件专题十六原子物理与原子核物理 (含解析)

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统一命题、省(区、市)卷题组
1.(2019课标Ⅰ,14,6分)氢原子能级示意图如图所示。光子能量在1.63 eV~3.10 eV的光为可见 光。要使处于基态(n=1)的氢原子被激发后可辐射出可见光光子,最少应给氢原子提供的能量 为 (　　)  eV　　 eV　　 eV　　 eV
答案    A　本题考查原子的能级跃迁问题,体现了模型建构的核心素养。由题图数据分析可知,只有氢原子从n=3能级跃迁到n=2能级辐射出的光子能量在可见光光子 能量范围内,所以处于基态(n=1)的氢原子最少也要跃迁到n=3能级,氢原子吸收的能量最少为 ΔE=E3-E1=12.09 eV,故选A。
易错点拨　本题易错选C,没有注意到氢原子原本处于“基态(n=1)”。
2.(2016北京理综,13,6分,0.93)处于n=3能级的大量氢原子,向低能级跃迁时,辐射光的频率有 (　　)A.1种　    B.2种　    C.3种　    D.4种
答案    C　处于能级为n的大量氢原子向低能级跃迁能辐射光的种类为 ,所以处于n=3能级的大量氢原子向低能级跃迁,辐射光的频率有 =3种,故C项正确。
方法拨归纳    利用能级图,结合排列组合的知识,把氢原子从高能级向低能级跃迁释放光子种 类的规律总结明白,并不断强化。
3.(2012北京理综,13,6分)一个氢原子从n=3能级跃迁到n=2能级,该氢原子 (　　)A.放出光子,能量增加　    B.放出光子,能量减少C.吸收光子,能量增加　    D.吸收光子,能量减少
答案    B　根据玻尔原子理论知,氢原子从高能级n=3向低能级n=2跃迁时,将以光子形式放出 能量,放出光子后原子能量减少,故B选项正确。
4.(2007北京理综,14,6分)下列说法正确的是 (　　)A.太阳辐射的能量主要来自太阳内部的核裂变反应B.汤姆孙发现电子,表明原子具有核式结构C.一束光照射到某种金属上不能发生光电效应,是因为该束光的波长太短D.按照玻尔理论,氢原子核外电子从半径较小的轨道跃迁到半径较大的轨道时,电子的动能减 小,原子总能量增加
答案    D　太阳辐射的能量主要来自太阳内部的热核反应(核聚变反应),所以选项A错误。汤 姆孙发现电子,说明带负电的电子是原子的一部分,因此原子是可分的,并且应该有一定的结 构;又因为电子带负电,而原子呈电中性,所以原子中一定还有带正电的部分。在此后,由卢瑟 福通过α粒子散射实验,根据极少数α粒子几乎被反向弹回,而推断出原子的核式结构,因此选项 B错误。光照射到金属表面上时能否发生光电效应,取决于入射光的能量(E=hν),光的频率越 高(波长越短),其能量越大,越可能在金属表面发生光电效应。因此,一束光照射到某金属上不 能发生光电效应,是由于这束光的能量较小,即频率较小(波长较长),所以选项C错误。氢原子 的核外电子在从离核较近的轨道跃迁到离核较远的轨道过程中,需要吸收一定的能量,所以核 外电子离核越远,原子的总能量越大。设电子的质量为m,电荷量为e,其与原子核之间的距离 为r 时,电子绕核运动的速度大小为v ,则根据库仑定律和牛顿第二定律有 = ,所以电子的动能Ek= ,即轨道半径越大,动能越小,故选项D正确。
考点二　原子核物理A组    自主命题·天津卷题组
1.(2019天津理综,6,6分)(多选)我国核聚变反应研究大科学装置“人造太阳”2018年获得重大 突破,等离子体中心电子温度首次达到1亿摄氏度,为人类开发利用核聚变能源奠定了重要的 技术基础。下列关于聚变的说法正确的是 (　　) A.核聚变比核裂变更为安全、清洁B.任何两个原子核都可以发生聚变C.两个轻核结合成质量较大的核,总质量较聚变前增加D.两个轻核结合成质量较大的核,核子的比结合能增加
答案    AD　本题以“人造太阳”为背景,考查核聚变反应,以及学生的理解能力,体现了科学 态度与社会责任的核心素养,也体现了应用与创新的价值观念。因为重核裂变后,产物中存在不稳定的核,而且放射性产物较多,轻核聚变与之相比更安全、清 洁,所以A项正确。轻原子核才会发生聚变,所以B项错误。核反应过程中存在质量亏损,释放 能量,所以C项错误。核反应后产生的新核相对稳定,比结合能增加,故D项正确。
试题分析　通过科学实践透彻分析了核反应,并考查了重核裂变和轻核聚变的特点、区别 等。
2.(2018天津理综,1,6分)国家大科学工程——中国散裂中子源(CSNS)于2017年8月28日首次打 靶成功,获得中子束流,可以为诸多领域的研究和工业应用提供先进的研究平台。下列核反应 中放出的粒子为中子的是　     (　　) A  N俘获一个α粒子,产生 O并放出一个粒子B Al俘获一个α粒子,产生 P并放出一个粒子C B俘获一个质子,产生 Be并放出一个粒子D Li俘获一个质子,产生 He并放出一个粒子
解题关键　核反应中的两守恒根据核反应过程中质量数和电荷数均守恒的原则,写出核反应方程,同时应熟记几种常用的微 观粒子的表示方法。
3.(2017天津理综,1,6分)我国自主研发制造的国际热核聚变核心部件在国际上率先通过权威 机构认证,这是我国对国际热核聚变项目的重大贡献。下列核反应方程中属于聚变反应的是(　) A H H He n　    B N He O HC He Al P n　    D U n Ba Kr+ n
答案    A　本题考查核反应类型。选项A是质量小的核结合成质量较大的核,属于核聚变。选 项B是卢瑟福发现质子的人工转变方程。选项C是约里奥·居里夫妇发现人工放射性同位素的 人工转变方程。选项D是铀核在中子轰击下分裂为中等质量的核的过程,属于核裂变。
易混点拨　轻核聚变与人工转变从本质过程来看,轻核聚变是质量较小的原子核在高温下或在高压下接近到核力能发生作用 的范围时,在核力作用下结合为质量较大的原子核,同时放出能量;人工转变是在高速粒子的轰 击下使靶核发生转变,同时被击出某种粒子,此过程中通常要吸收能量。从方程形式来看,二者 相近,不易区分。可通过典型人工转变方程的记忆来解决,几种典型人工转变是发现质子、中 子、放射性同位素与正电子的核反应。
4.(2016天津理综,6,6分)(多选)物理学家通过对实验的深入观察和研究,获得正确的科学认知, 推动物理学的发展。下列说法符合事实的是 (　　)A.赫兹通过一系列实验,证实了麦克斯韦关于光的电磁理论B.查德威克用α粒子轰击 N获得反冲核 O,发现了中子C.贝克勒尔发现的天然放射性现象,说明原子核有复杂结构D.卢瑟福通过对阴极射线的研究,提出了原子核式结构模型
答案    AC    1886年,德国科学家赫兹做了《赫兹的电火花》等一系列实验,证实了麦克斯韦 关于光的电磁理论,A项正确;查德威克用α粒子轰击 Be获得反冲核 C,发现了中子,B项错误;贝克勒尔发现天然放射性现象,原子序数大于或等于83的原子核在自然界中自发地发生衰变, 说明原子核有复杂结构,C项正确;卢瑟福通过α粒子散射现象,提出了原子核式结构模型,D项 错。
5.(2015天津理综,1,6分)物理学重视逻辑,崇尚理性,其理论总是建立在对事实观察的基础上。 下列说法正确的是 (　　)A.天然放射现象说明原子核内部是有结构的B.电子的发现使人们认识到原子具有核式结构C.α粒子散射实验的重要发现是电荷是量子化的D.密立根油滴实验表明核外电子的轨道是不连续的
答案    A    α粒子散射实验的重要发现使人们认识到原子具有核式结构,B、C项错误;密立根 的油滴实验测出了电子的电荷量,D项错误。
6.(2014天津理综,6,6分)(多选)下列说法正确的是 (　　)A.玻尔对氢原子光谱的研究导致原子的核式结构模型的建立B.可利用某些物质在紫外线照射下发出荧光来设计防伪措施C.天然放射现象中产生的射线都能在电场或磁场中发生偏转D.观察者与波源互相远离时接收到波的频率与波源频率不同
答案    BD　玻尔对氢原子光谱的研究完善了核式结构模型,选项A错误;紫外线有荧光效应, 故B选项正确;天然放射现象中的γ射线不带电,在电场或磁场中不发生偏转,选项C错误;观察 者与波源互相远离,由多普勒效应可知接收到的频率变小,故选项D正确。
7.(2013天津理综,1,6分)下列说法正确的是 (　　)A.原子核发生衰变时要遵守电荷守恒和质量守恒的规律B.α射线、β射线、γ射线都是高速运动的带电粒子流C.氢原子从激发态向基态跃迁只能辐射特定频率的光子D.发生光电效应时光电子的动能只与入射光的强度有关
答案    C　原子核发生衰变时有质量亏损,质量不守恒,选项A错。γ射线是光子流,不是带电粒 子流,选项B错。氢原子从激发态向基态跃迁,辐射的光子能量hν=Em-En,即只能辐射特定频率 的光子,C项正确。光电效应的光电子动能Ek=hν-W0,与入射光频率有关,而与入射光强度无关, D项错误。
B组    统一命题、省(区、市)卷题组
8.(2019课标Ⅱ,15,6分)太阳内部核反应的主要模式之一是质子—质子循环,循环的结果可表示 为 H He+ e+2ν已知 H和 He的质量分别为mp=1.007 8 u和mα=4.002 6 u,1 u=931 MeV/c2,c为光速。在4个 H转变成 He的过程中,释放的能量约为 (　　)A.8 MeV　　B.16 MeV　　C.26 MeV　　D.52 MeV
答案    C　本题考查了学生对核反应中核能的计算能力,体现了学科素养中的物理观念。由核反应方程可知,4个 H转变成1个 He的过程中的质量亏损Δm≈4×1.007 8 u-4.002 6 u=0.028 6 u,释放的核能ΔE=Δmc2=0.028 6×931 MeV≈26.6 MeV,故选项C正确。
解题关键　本题为估算题,因电子质量很小,约为  u,故在计算的过程中不需纠结,应大胆忽略。
9.(2018北京理综,13,6分)在核反应方程 He N O+X中,X表示的是 (　　)A.质子　    B.中子　    C.电子　    D.α粒子
答案    A　本题考查核反应方程。由核反应中质量数和电荷数均守恒,可判断X为质子 H,故选项A正确。
10.(2018课标Ⅲ,14,6分)1934年,约里奥-居里夫妇用α粒子轰击铝核 Al,产生了第一个人工放射性核素X:α Al→n+X。X的原子序数和质量数分别为 (　　)A.15和28　    B.15和30　    C.16和30　    D.17和31
答案    B　本题考查核反应方程。在核反应过程中,质量数和电荷数分别守恒,则X的原子序 数为2+13=15,X的质量数为4+27-1=30,选项B正确。
规律总结　核反应方程的特点　　核反应过程中,质量数和电荷数分别守恒。
11.(2017课标Ⅰ,17,6分)大科学工程“人造太阳”主要是将氘核聚变反应释放的能量用来发 电。氘核聚变反应方程是: H→ n。已知 H的质量为2.013 6 u He的质量为3.015 0 u n的质量为1.008 7 u,1 u=931 MeV/c2。氘核聚变反应中释放的核能约为 (　　)A.3.7 MeV　　B.3.3 MeVC.2.7 MeV　　 MeV
答案    B　本题考查核能的计算。聚变反应中的质量亏损为Δm=(2×2.013 6-3.015 0-1.008 7) u=0.003 5 u,则释放的核能为ΔE=Δmc2=0.003 5×931 MeV≈3.3 MeV,B正确。
方法技巧　由质量亏损计算核能由Δm计算核反应过程中释放的核能时,若Δm以u为单位,可由1 u=931 MeV/c2,得到释放的以 MeV为单位的核能;若Δm以kg为单位,则由质能方程ΔE=Δmc2获得以J为单位的释放的核能。
12.(2017课标Ⅱ,15,6分)一静止的铀核放出一个α粒子衰变成钍核,衰变方程为 U Th He。下列说法正确的是 (　　)A.衰变后钍核的动能等于α粒子的动能B.衰变后钍核的动量大小等于α粒子的动量大小C.铀核的半衰期等于其放出一个α粒子所经历的时间D.衰变后α粒子与钍核的质量之和等于衰变前铀核的质量
答案    B　本题考查天然放射现象、半衰期、核反应中的动量守恒、质量亏损,考查学生的 理解能力。静止的原子核在衰变前后动量守恒,由动量守恒定律得0=m1v1+m2v2,可知m1v1=-m2v2, 故衰变后钍核的动量大小等于α粒子的动量大小,选项B正确;动能Ek= ,由于钍核的质量(m1)大于α粒子的质量(m2),故动能不等,选项A错误;铀核的半衰期是指大量的铀核半数发生衰变所 用的时间,而不是放出一个α粒子所经历的时间,选项C错误;原子核衰变前后质量数守恒,衰变 时放出核能,质量亏损,选项D错误。
解题关键　原子核衰变前后动量守恒、质量数和电荷数守恒;动能和动量与质量的关系;半衰 期的定义及其含义。
13.(2015北京理综,14,6分,0.89)下列核反应方程中,属于α衰变的是     (　　)A N He O H　    B U Th HeC H H He n　    D Th Pa e
答案    B    A项属于原子核的人工转变,B项属于α衰变,C项属于聚变反应,D项属于β衰变。
思路点拨    α衰变是放出α粒子的过程。
14.(2015北京理综,17,6分,0.45)实验观察到,静止在匀强磁场中A点的原子核发生β衰变,衰变产 生的新核与电子恰在纸面内做匀速圆周运动,运动方向和轨迹示意如图。则 (　　) A.轨迹1是电子的,磁场方向垂直纸面向外B.轨迹2是电子的,磁场方向垂直纸面向外C.轨迹1是新核的,磁场方向垂直纸面向里D.轨迹2是新核的,磁场方向垂直纸面向里
答案    D　由静止的原子核发生β衰变后产生的新核和电子做匀速圆周运动的方向相反及原 子核衰变前后动量守恒得meve-m核v核=0,粒子在磁场中做匀速圆周运动的半径r= ,因为qer核,故轨迹1是电子的,轨迹2是新核的,根据左手定则可判定磁场方向垂直纸面向里,故D 项正确。
思路点拨　衰变过程动量守恒;衰变后的粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的向心力由洛伦 兹力提供。
考查点　衰变、动量守恒、匀速圆周运动。
15.(2014北京理综,14,6分,0.97)质子、中子和氘核的质量分别为m1、m2和m3。当一个质子和一 个中子结合成氘核时,释放的能量是(c表示真空中的光速) (　　)A.(m1+m2-m3)c　    B.(m1-m2-m3)cC.(m1+m2-m3)c2　    D.(m1-m2-m3)c2
答案    C　此核反应方程为 H n H,根据爱因斯坦质能方程得ΔE=Δm·c2=(m1+m2-m3)c2,C正确。
思路点拨　质量亏损是反应物的总质量减去生成物的总质量。
16.(2011北京理综,13,6分)表示放射性元素碘131 I)β衰变的方程是 (　　)A I Sb He　    B I Xe eC I I n　    D I Te H
答案    B    β衰变的实质是放射出电子 e),由核反应过程中的质量数和电荷数守恒可知B正确。
17.[2019江苏单科,12(2)]100年前,卢瑟福用α粒子轰击氮核打出了质子。后来,人们用α粒子轰 击 Ni核也打出了质子 He Ni Cu H+X,该反应中的X是　　　    (选填“电子”“正电子”或“中子”)。此后,对原子核反应的持续研究为核能利用提供了可能。目前人类获得 核能的主要方式是　　　    (选填“核衰变”“核裂变”或“核聚变”)。
解析　本题通过原子核的人工转变考查了核反应方程中的质量数守恒、电荷数守恒等规 律。考查学生的理解能力,体现了物理观念中的物质观念要素。由质量数守恒与电荷数守恒可确定X应是 n,是中子。目前人类对和平利用核聚变获得能量的技术还不成熟,而衰变中能量释放速率太缓慢,故目前利用核能的主要方式是核裂变。
18.(2017北京理综,23,18分)在磁感应强度为B的匀强磁场中,一个静止的放射性原子核发生了 一次α衰变。放射出的α粒子 He)在与磁场垂直的平面内做圆周运动,其轨道半径为R。以m、q分别表示α粒子的质量和电荷量。(1)放射性原子核用 X表示,新核的元素符号用Y表示,写出该α衰变的核反应方程。(2)α粒子的圆周运动可以等效成一个环形电流,求圆周运动的周期和环形电流大小。(3)设该衰变过程释放的核能都转化为α粒子和新核的动能,新核的质量为M,求衰变过程的质 量亏损Δm。
解析　本题考查了原子核的衰变、动量和能量守恒、带电粒子在匀强磁场中的运动、质能 方程等多个考点,是一道综合题,难度中等。(1 X Y He(2)设α粒子的速度大小为v,由qvB=m ,T= ,得α粒子在磁场中运动周期T= 环形电流大小I= = (3)由qvB=m ,得v= 设衰变后新核Y的速度大小为v',系统动量守恒Mv'-mv=0v'= = 由Δmc2= Mv'2+ mv2得Δm= 
说明:若利用M= m解答,亦可。
方法技巧　衰变中的动量和能量守恒在α衰变过程中,静止的原子核放射α粒子,新核与α粒子的总动量保持不变(为零),而衰变释放 的能量与质量亏损之间必然遵循质能方程ΔE=Δmc2。
C组    教师专用题组
19.[2016课标Ⅲ,35(1),5分](多选)一静止的铝原子核 Al俘获一速度为1.0×107 m/s的质子p后,变为处于激发态的硅原子核 Si*。下列说法正确的是 (　　)A.核反应方程为p Al Si*B.核反应过程中系统动量守恒C.核反应过程中系统能量不守恒D.核反应前后核子数相等,所以生成物的质量等于反应物的质量之和E.硅原子核速度的数量级为105 m/s,方向与质子初速度的方向一致
答案    ABE　质子p即 H,核反应方程为p Al Si*,A项正确;核反应过程遵循动量守恒定律,B项正确;核反应过程中系统能量守恒,C项错误;在核反应中质量数守恒,但会发生质量亏 损,所以D项错误;设质子的质量为m,则 Si*质量为28m,由动量守恒定律有mv0=28mv,得v= =  m/s≈3.6×105 m/s,方向与质子的初速度方向相同,故E项正确。
规律总结　核反应过程遵守动量守恒定律,核反应中质量数守恒,电荷数守恒,但会发生质量亏损。
评析　本题考查核反应过程所遵循的规律及动量守恒定律,难度较易。
20.(2010北京理综,15,6分)太阳因核聚变释放出巨大的能量,同时其质量不断减少。太阳每秒 钟辐射出的能量约为4×1026 J,根据爱因斯坦质能方程,太阳每秒钟减少的质量最接近　     (　　)A.1036 kg　　B.1018 kg　　C.1013 kg　　D.109 kg
答案    D    根据爱因斯坦质能方程ΔE=Δmc2,得Δm= =  kg≈109 kg。
21.(2009北京理综,14,6分)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
答案    B　天然放射现象是放射性物质的原子核自发地放射出α、β和γ射线的现象,必然会使 原子核内部发生变化。故选B。
22.(2008北京理综,14,6分)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m1、m2、m3,普朗克常量为h,真空中的光速为c。下列说法 正确的是 (　　)A.核反应方程是 H n H+γB.聚变反应中的质量亏损Δm=m1+m2-m3C.辐射出的γ光子的能量E=(m3-m1-m2)cD.γ光子的波长λ= 
23.(2006北京理综,13,6分)目前核电站利用的核反应是 (　　)A.裂变,核燃料为铀　    B.聚变,核燃料为铀C.裂变,核燃料为氘　    D.聚变,核燃料为氘
答案    A　核裂变和核聚变过程都能释放核能,但目前人类所掌握的技术水平只能对核裂变 的速度进行控制,所以各国的核电站都是以铀为燃料的核裂变电站。
A组 2017—2019年高考模拟·考点基础题组
1.(2019南开二模)已知氦离子(He+)的能级图如图所示,根据能级跃迁理论可知 (　　)A.氦离子(He+)从n=4能级跃迁到n=3能级比从n=3能级跃迁到n=2能级辐射出的光子的频率低B.大量处在n=3能级的氦离子(He+)向低能级跃迁,只能发出2种不同频率的光子C.氦离子(He+)处于n=1能级时,能吸收45 eV的能量跃迁到n=2能级D.氦离子(He+)从n=4能级跃迁到n=3能级,需要吸收能量
答案    A　氦离子由高能级向低能级跃迁,辐射光子的能量等于能级差,对应光子频率ν满足:h ν=En-Em(n>m),A正确。大量处于n=3能级的氦离子向低能级跃迁,能发出3种不同频率的光子,B 错误。氦离子只有吸收能量等于能级差的光子才能跃迁到高能级,C错误。氦离子从高能级 跃迁到低能级,以光子的形式辐射能量,D错误。
2.(2017十二区县一模)(多选)某原子的部分能级图如图所示,大量处于某激发态的该原子向低 能级跃迁时,发出三种波长的光如图所示,它们的波长分别为λa、λb、λc。下列说法正确的是(　　)A.在同种均匀介质中传播时,b光的速度最大B.用同一套装置做双缝干涉实验,a光相邻亮条纹的间距最大C.若b光照射某种金属能发生光电效应,c光照射该金属也能发生光电效应D.三种光的波长关系为 = + 
答案    AC　根据Em-En=hν可知,Ea>Ec>Eb,依据E=hν可知,νa>νc>νb,从而确定a光的频率最高,b光 的频率最低,再由v= 知,当在同种均匀介质中传播时,b光的速度最大,故A正确;由以上分析结合λ= = ,可得λa