2022届高三物理一轮复习 微专题24 原子物理（全国通用）

这是一份2022届高三物理一轮复习 微专题24 原子物理（全国通用），共15页。
微专题24 原子物理
解决目标及考点：
1. 原子物理学史
2. 氢原子能级图
3. 核子、衰变与射线
4. 核力、核能

【例题1】如图所示为氢原子能级示意图，现有大量的氢原子处于n＝4的激发态，当向低能级跃迁时辐射出若干不同频率的光，下列说法正确的是

A．这些氢原子总共可辐射出3种不同频率的光
B．由n＝2能级跃迁到n＝1能级产生的光频率最小
C．由n＝4能级跃迁到n＝1能级产生的光最容易表现出衍射现象
D．用n＝2能级跃迁到n＝1能级辐射出的光照射逸出功为6.34 eV的金属铂能发生光电效应
【答案】D
【解析】这些氢原子向低能级跃迁时可辐射出C＝＝6种光子，选项A错误；由n＝4能级跃迁到n＝3能级产生的光子能量最小，所以频率最小，选项B错误；由n＝4能级跃迁到n＝1能级产生的光子能量最大，频率最大，波长最小，最不容易表现出衍射现象，选项C错误；从n＝2能级跃迁到n＝1能级辐射出的光子能量为10.20 eV>6.34 eV，所以能使金属铂发生光电效应，选项D正确。
【例题2】(多选)由于放射性元素Np的半衰期很短，所以在自然界一直未被发现，只是在使用人工的方法制造后才被发现。已知Np经过一系列α衰变和β衰变后变成Bi，下列论断中正确的是
A.Bi的原子核比Np的原子核少28个中子
B.Bi的原子核比Np的原子核少18个中子
C．衰变过程中共发生了7次α衰变和4次β衰变
D．衰变过程中共发生了4次α衰变和7次β衰变
【答案】BC　
【解析】Bi的中子数为209－83＝126，Np的中子数为237－93＝144，Bi的原子核比Np的原子核少18个中子，A错、B对；衰变过程中共发生了α衰变的次数为＝7次，β衰变的次数是2×7－(93－83)＝4(次)，C对、D错。

一、 物理学史
年份
人物
实验/现象
成就/成果
1858年
普里克
低压气体放电研究
发现阴极射线
1897年
汤姆孙
利用阴极射线发现电子
说明原子有内部结构，提出枣糕模型
1896年
贝克勒尔
天然放射现象
说明原子核内部有复杂结构
1909年
卢瑟福
α粒子散射实验
提出原子的核式结构
1913年
密立根
油滴实验
测定元电荷的电荷量，且带电物体的电荷量都是e的整数倍
1919年
卢瑟福
α粒子轰击氮核，实现原子核人工转变
发现质子，并预言还有一种不带电的粒子在核内
1932年
查德威克
α粒子轰击铍核
发现中子
1911年
居里夫妇
提炼沥青铀矿石的发射成分
发现放射性强的新元素镭、钋
1933年
居里夫妇
用钋放射出的α粒子轰击铝和钠元素
发现正电子
二、 波尔理论
(1)定态：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.
(2)跃迁：电子从能量较高的定态轨道跃迁到能量较低的定态轨道时，会放出能量为hν的光子，这个光子的能量由前后两个能级的能量差决定，即hν＝Em－En.(h是普朗克常量，h＝6.63×10－34 J·s)
(3)轨道：原子的不同能量状态跟电子在不同的圆周轨道绕核运动相对应.原子的定态是不连续的，因此电子的可能轨道也是不连续的.
三、原子核的组成
1.原子核由质子和中子组成，质子和中子统称为核子.质子带正电，中子不带电.
2.基本关系
①核电荷数(Z)＝质子数＝元素的原子序数＝核外电子数.
②质量数(A)＝核子数＝质子数＋中子数.
3.X元素的原子核的符号为X，其中A表示质量数，Z表示核电荷数.
四、原子核的衰变、半衰期
1.原子核的衰变
①原子核放出α粒子或β粒子，变成另一种原子核的变化称为原子核的衰变.
②分类
α衰变：X→Y＋He
β衰变：X→Y＋
当放射性物质连续发生衰变时，原子核中有的发生α衰变，有的发生β衰变，同时伴随着γ辐射.
③两个典型的衰变方程
α衰变：U→ Th＋He
β衰变：Th→Pa＋
2.半衰期
(1) 定义：放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间.
(2) 影响因素：放射性元素衰变的快慢是由核内部自身的因素决定的，跟原子所处的化学状态和外部条件没有关系.
(3) 公式：N余＝N原·，m余＝m原·.
3.核力和核能
(1)原子核内部，核子间所特有的相互作用力.
(2)核子在结合成原子核时出现质量亏损Δm，其对应的能量ΔE＝Δmc2.
(3)原子核分解成核子时要吸收一定的能量，相应的质量增加Δm，吸收的能量为ΔE＝Δmc2.

考点： 物理学史
【例题3】(多选)下列说法中正确的是
A．卢瑟福的α粒子散射实验揭示了原子核有复杂的结构
B.Th衰变成Pb要经过6次α衰变和4次β衰变
C．β衰变中产生的β射线实际上是原子的核外电子挣脱原子核的束缚而形成的
D．升高放射性物质的温度，不可缩短其半衰期
E．对于某种金属，超过极限频率的入射光频率越高，所产生的光电子的最大初动能就越大
【答案】BDE　
【解析】卢瑟福的α粒子散射实验揭示了原子具有核式结构，但并不能说明原子核有复杂的结构，A错；据α衰变、β衰变的实质可知Th―→Pb＋nHe＋me，得n＝6，m＝4，故B正确；β衰变中β射线是由原子核中的中子转变形成的，C错；放射性物质的半衰期只由其本身决定，与外界环境无关，D正确；据光电效应方程Ek＝hν－ W0得入射光频率ν越高，所产生的光电子的最大初动能Ek就越大，E正确。
【对点练习】
1．下列说法中正确的是( )
A. 为了解释光电效应规律，爱因斯坦提出了光子说
B. 在完成a粒子散射实验后，卢瑟福提出了原子的能级结构
C. 玛丽·居里首先发现了放射现象
D. 在原子核人工转变的实验中，查德威克发现了质子
【答案】A
【解析】A、爱因斯坦通过光电效应现象，提出了光子说，故A正确；B、卢瑟福通过α粒子散射实验，提出原子的核式结构，而玻尔提出原子的能级结构，故B错误；C、贝克勒尔首先发现了放射现象，故C错误；D、原子核人工转变的实验中，查德威克发现了中子，故D错误；
2．下列说法不正确的是（ ）
A. 密立根通过对阴极射线研究发现了电子
B. 卢瑟福通过a粒子散射实验的研究发现了原子的核式结构；
C. 普朗克在研究黑体辐射问题提出了能量子假说；
D. 玻尔的理论假设之一是原子能量的量子化；
【答案】A
【解析】A、汤姆孙通过对阴极射线的研究发现了电子，而密立根测出了电子电量，故A错误；B、卢瑟福通过a粒子散射实验的研究发现了原子的核式结构，故B正确；C、普朗克在研究黑体辐射问题提出了能量子假说，认为能量是一份份的，故C正确；D、玻尔的理论假设之一包括：轨道半径的量子化和原子能量的量子化，故D正确
3．在人类对微观世界进行探索的过程中，科学实验起到了非常重要的作用。下列说法与历史事实不符的是（ ）
A. 密立根通过油滴实验测出了基本电荷的数值
B. 康普顿效应表明光子只具有能量，不具有动量
C. 居里夫妇从沥青铀矿中分离出钋（Po）和镭（Ra）两种新元素
D. 爱因斯坦在光电效应的基础上，提出了光子说
3.【答案】B
【解析】康普顿效应表明光子只具有能量，还具有动量
考点： 波尔能级图
【例题4】如图所示，为氢原子能级图，A、B、C分别表示电子三种不同能级跃迁时放出的光子，其中（　　）
A． 频率最大的是B
B． 波长最长的是C
C． 频率最大的是A
D． 波长最长的是B
【解析】根据hν＝ΔE和c＝λν可知，ΔE大，频率就大，波长就小。
【答案】AB

光速=波长*频率。所有光的光速不变，波长越长，其频率越低，反之，频率越高，波长越短。频率越高，光的能量越大。
两个能级的能级差就是所需要吸收或者所要释放的能量。并且只吸收或只释放对应的能量。
需要注意的点：
1、 若是一个电子往下跃迁，则最多n-1种光线。
2、若是一群电子往下跃迁，则有种光线。
【对点练习】
1.如图所示是氢原子的能级图，现有大量处于n＝3激发态的氢原子向低能级跃迁，所辐射的光子中只有一种能使某金属产生光电效应.以下判断正确的是（　　）

A.该光子一定是氢原子从激发态n＝3跃迁到基态时辐射的光子
B.若大量氢原子从激发态n＝3跃迁到低能级，可辐射出3种频率的光子
C.若氢原子从激发态n＝4跃迁到基态，辐射出的光子一定能使该金属产生光电效应
D.若大量氢原子从激发态n＝4跃迁到低能级，则会有3种光子使该金属产生光电效应
【答案】　ABC
2.(多选)如图是氢原子的能级图，一群氢原子处于n＝3能级，下列说法中正确的是（　　）
A.这群氢原子跃迁时能够发出3种不同频率的波
B.这群氢原子发出的光子中，能量最大为10.2 eV
C.从n＝3能级跃迁到n＝2能级时发出的光波长最长
D.这群氢原子能够吸收任意光子的能量而向更高能级跃迁
【答案】AC
【解析】根据C＝3知，这群氢原子能够发出3种不同频率的光子，故A正确；由n＝3跃迁到n＝1，辐射的光子能量最大，ΔE＝(13.6－1.51) eV＝12.09 eV，故B错误；从n＝3跃迁到n＝2辐射的光子能量最小，频率最小，则波长最长，故C正确；一群处于n＝3能级的氢原子发生跃迁，吸收的能量必须等于两能级的能级差，故D错误.
3.(1)关于核衰变和核反应的类型，下列表述正确的有________.
A.U→Th＋He是重核裂变
B.N＋He→O＋H是轻核聚变
C.H＋H→He＋n是α衰变
D.Se→Kr＋2e是β衰变
(2)现有四个核反应：
A.H＋H→He＋n
B.U＋n→X＋Kr＋3n
C.Na→Mg＋
D.He＋Be→C＋n
①________是发现中子的核反应方程，________是研究原子弹的基本核反应方程，________是研究氢弹的基本核反应方程.
②B项中X的质量数为________，中子数为________.
3.【答案】　(1)D　(2)①D　B　A　②144　88
【解析】　(1)A为α衰变，B为原子核的人工转变，C为轻核聚变，D为β衰变，故只有D正确.
(2)①D为查德威克发现中子的核反应方程；B是研究原子弹的基本核反应方程；A是研究氢弹的基本核反应方程；C是一种衰变反应.
②X的质量数为(235＋1)－(89＋3)＝144
X的质子数为92－36＝56
X的中子数为144－56＝88.
考点： 核子、衰变、射线
【例题5】碘131的半衰期约为8天，若某药物含有质量为m的碘131，经过32天后，该药物中碘131的含量大约还有（　　）
A. B. C. D.
【解析】由半衰期公式m′＝m（）可知，m′＝m（）＝m，故选项C正确。
【答案】C

(1)α衰变、β衰变的比较
衰变类型
α衰变
β衰变
衰变过程
X→Y＋He
X→Y＋e
衰变实质
2个质子和2个中子结合成一个整体射出
1个中子转化为1个质子和1个电子
2H＋2n→He
n→H＋e
匀强磁场中轨迹形状


衰变规律
电荷数守恒、质量数守恒、动量守恒
(2)γ射线：γ射线经常伴随着α衰变或β衰变同时产生.其实质是放射性原子核在发生α衰变或β衰变的过程中，产生的新核由于具有过多的能量(原子核处于激发态)而辐射出光子.
2.确定衰变次数的方法
因为β衰变对质量数无影响，所以先由质量数的改变确定α衰变的次数，然后再根据衰变规律确定β衰变的次数.
3.半衰期
(1)公式：N余＝N原，m余＝m原.
(2)影响因素：放射性元素衰变的快慢是由原子核内部自身因素决定的，跟原子所处的物理状态(如温度、压强)或化学状态(如单质、化合物)无关.
【对点练习】
1.一个静止的铀核，放在匀强磁场中，它发生一次α衰变后变为钍核，α粒子和钍核都在匀强磁场中做匀速圆周运动.某同学作出如图6所示运动径迹示意图，以下判断正确的是（　　）
A.1是α粒子的径迹，2是钍核的径迹
B.1是钍核的径迹，2是α粒子的径迹
C.3是α粒子的径迹，4是钍核的径迹
D.3是钍核的径迹，4是α粒子的径迹
【答案】B
【解析】由动量守恒可知，静止的铀核发生α衰变后，生成的均带正电的α粒子和钍核的动量大小相等，但方向相反，由左手定则可知它们的运动轨迹应为“外切”圆，又R＝＝，在p和B大小相等的情况下，R∝，因q钍>qα，则R钍1）的原子核发生弹性正碰。若碰前原子核静止，则碰撞前与碰撞后中子的速率之比为（　　）
A. B.
C. D.
6.核能作为一种新能源在现代社会中已不可缺少，我国在完善核电安全基础上将加大核电站建设。核泄漏中的钚（Pu）是一种具有放射性的超铀元素，它可破坏细胞基因，提高罹患癌症的风险。已知钚的一种同位素Pu的半衰期为24 100年，其衰变方程为Pu→X＋He＋γ，下列说法中正确的是（　　）
A．X原子核中含有92个中子
B．100个Pu经过24 100年后一定还剩余50个
C．由于衰变时释放巨大能量，根据E＝mc2，衰变过程总质量增加
D．衰变发出的γ射线是波长很短的光子，具有很强的穿透能力

7.(多选)关于核反应方程Th→Pa＋X＋ΔE(ΔE为释放的核能，X为新生成的粒子)，已知Th的半衰期为1.2 min，则下列说法正确的是（　　）
A.此反应为β衰变
B.Pa核和Th核具有相同的质量
C.Pa具有放射性
D.64 g的Th经过6 min还有1 g Th尚未衰变
8.用频率为ν0的光照射大量处于基态的氢原子，在所发射的光谱中仅能观测到频率分别为ν1、ν2和ν3的三条谱线，且ν3＞ν2＞ν1，则（　　）
A.ν0＜ν1 B.ν3＝ν2＋ν1
C.ν0＝ν1＋ν2＋ν3 D.＝＋
9.处于激发状态的原子，在入射光的电磁场的影响下，从高能态向低能态跃迁，两个状态之间的能量差以辐射光子的形式发射出去，这种辐射叫做受激辐射.原子发生受激辐射时，发出的光子频率、发射方向等都跟入射光子完全一样，这样使光得到加强，这就是激光产生的机理.那么，发生受激辐射时，产生激光的原子的总能量E、电势能Ep、电子动能Ek的变化情况是（　　）
A.Ep增大、Ek减小，E减小
B.Ep减小、Ek增大，E减小
C.Ep增大、Ek增大，E增大
D.Ep减小、Ek增大，E不变
10.(多选)以下有关近代物理内容的若干叙述，正确的是（　　）
A.紫外线照射到金属锌板表面时能发生光电效应，则当增大紫外线的照射强度时，从锌板表面逸出的光电子的最大初动能也随之增大
B.玻尔认为，原子中电子轨道是量子化的，能量也是量子化的
C.光子不仅具有能量，也具有动量
D.根据玻尔能级理论，氢原子辐射出一个光子后，将由高能级向较低能级跃迁，核外电子的动能增加

1．科学家使用核反应获取氚，再利用氘和氚的核反应获得能量，核反应方程分别为：X＋Y→He＋H＋4.9 MeV和H＋H→He＋X＋17.6 MeV，下列表述正确的有（　　）
A．X是中子
B．Y的质子数是3，中子数是6
C．两个核反应都没有质量亏损
D．氘和氚的核反应是核聚变反应
2.用速度大小为v的中子轰击静止的锂核(Li)，发生核反应后生成氚核和α粒子，生成的氚核速度方向与中子的初速度方向相反，氚核与α粒子的速度之比为7∶8，中子的质量为m，质子的质量可近似看做m，光速为c.
(1)写出核反应方程.
(2)求氚核与α粒子的速度大小.
(3)若核反应过程中放出的核能全部转化为α粒子和氚核的动能，求出质量亏损.
参考答案

1.【解析】卢瑟福的α粒子散射实验揭示了原子具有核式结构，但并不能说明原子核有复杂的结构，A错；据α衰变、β衰变的实质可知Th→Pb＋n He＋m e，得n＝6，m＝4，故B正确；β衰变中β射线是由原子核中的中子转变形成的，C错；据光电效应方程Ek＝hν－W0得入射光频率ν越高，所产生的光电子的最大初动能Ek就越大，D正确。
【答案】BD
2.【解析】因α衰变的本质是发生衰变的核中减少2个质子和2个中子形成氦核，所以一次α衰变，新核与原来的核相比，中子数减少了2，A项错；太阳辐射的能量是太阳内部核聚产生的，所以B项正确；半衰期由核内部自身因素决定，与其他因素无关，所以C项错；因为氢原子基态的能量为－13.6 eV，所以用14 eV光子照射一定能电离，D项正确。
【答案】BD
3.【解析】β衰变时释放出电子（　0－1e），α衰变时释放出氦原子核（He），可知选项B、D错误；选项A中一个氚核和一个氘核结合成一个氦核并释放出一个中子是典型的核聚变反应；选项C中一个235U原子核吸收一个中子，生成一个Ba原子核和一个Kr原子核并释放出三个中子是核裂变反应，A、C正确。
【答案】AC
4.【解析】氢原子从高能级向低能级跃迁时放出的光子的能量等于前后两个能级之差，当氢原子从高能级跃迁到基态时放出的光子的能量最小值为－3.4 eV－（－13.6 eV）＝10.2 eV，大于3.34 eV，所以一定能使逸出功为3.34 eV的金属发生光电效应，A错误；大量处于n＝4能级的氢原子向基态跃迁时，辐射光子的种类为C＝＝6，B正确；大量处于n＝3能级的氢原子向n＝1能级跃迁时，辐射出的光子能量最大为－1.51 eV－（－13.6 eV）＝12.09 eV，用此光子照射逸出功为3.34 eV的金属，由爱因斯坦光电效应方程可得该金属的最大初动能为12.09 eV－3.34 eV＝8.75 eV，C正确；当氢原子由低能级向高能级跃迁时，氢原子吸收的光子能量一定等于两能级之间的能量差，而由氢原子的能级图可知任何两能级间的能量差都不等于10.3 eV，因此不能使n＝1能级的氢原子跃迁到较高的能级，D错误。
【答案】BC
5.【解析】设中子质量为m，则原子核的质量为Am。设碰撞前、后中子的速度分别为v0、v1，碰后原子核的速度为v2，由弹性碰撞可得mv0＝mv1＋Amv2，mv＝mv＋Amv，解得v1＝v0，故||＝，A正确。
【答案】A
6.【解析】根据核反应过程中质量数守恒和电荷数守恒可得，X原子核中含有92个质子，235个核子，则中子数为235－92＝143（个），选项A错误；半衰期是大量原子核衰变时的统计规律，100个Pu经过24 100年后不一定还剩余50个，选项B错误；由于衰变时释放巨大能量，衰变过程总质量减少，选项C错误；衰变发出的γ射线是波长很短的光子，具有很强的穿透能力，选项D正确。
【答案】D

7.【答案】AC
【解析】根据核反应方程质量数和电荷数守恒可判断出X为e，所以此反应为β衰变，A正确；Pa核与Th核质量并不同，B错误；根据化学元素周期表及化学知识知，Pa为放射性元素，C正确；利用半衰期公式m余＝m原，解得m余＝2 g，则D错误.
8.【答案】B
9.【答案】B
10.【答案】BCD

1.【解析】根据核反应中质量数和电荷数守恒，可知X是X，所以为中子，A正确；Y应为Y，所以Y的质子数为3，核子数为6，中子数为3，B错误；两核反应均有能量释放，根据爱因斯坦质能方程，两核反应都有质量亏损，C错误；由聚变反应概念知，D正确。
【答案】AD
2.【答案】(1)n＋Li→H＋He (2)v　v　 (3)
【解析】(1)由题意可知，核反应方程为n＋Li→H＋He.
(2)设中子的初速度方向为正方向，
由动量守恒定律得mv＝－3mv1＋4mv2
由题意得v1∶v2＝7∶8
解得v1＝v，v2＝v.
(3)氚核和α粒子的动能之和为Ek＝×3mv12＋×4mv22＝mv2
释放的核能为ΔE＝Ek－Ekn＝mv2－mv2＝mv2
由爱因斯坦质能方程得，质量亏损为Δm＝＝.