2023版高考物理专题82原子结构和原子核练习含解析

专题82　原子结构和原子核

1．氢原子能级之间跃迁时放出(吸收)光子的频率，由hν＝Em－En求得．若求波长可由公式c＝λf求得.2.核反应中核能由ΔE＝Δmc2计算或根据核子比结合能来计算．

1．(2020·福建福州市3月质检)下列有关原子结构和原子核的认识，其中正确的是(　　)

A．γ射线是高速运动的电子流

B．太阳辐射能量的主要来源是太阳中发生的重核裂变

C．氢原子辐射光子后，其绕核运动的电子动能增大

D．结合能越大说明原子核越稳定

答案　C

解析　γ射线是高速运动的光子流，不是电子流，故A错误；太阳辐射能量的主要来源是太阳中发生的聚变反应，故B错误；氢原子辐射光子后，电子轨道半径减小，根据k＝m得电子动能增大，故C正确；比结合能越大说明原子核越稳定，故D错误．

2.(2020·百师联盟模拟四)1896年法国科学家贝可勒尔发现了放射性元素能够自发地发出射线的现象，即天然放射现象．让放射性元素镭衰变过程中释放出的α、β、γ三种射线，经小孔垂直进入匀强电场中，如图1所示．下列说法正确的是(　　)

图1

A．③是α射线，α粒子的电离能力最强，穿透能力也最强

B．①是β射线，是高速电子流，来自于原子的核外电子

C．原子核发生一次衰变的过程中，不可能同时产生α、β两种射线

D．原子序数大于83的元素，都具有放射性，原子序数小于或等于83的元素，都不具有放射性

答案　C

解析　由射线的带电性质可知，①是β射线，②是γ射线，③是α射线，α粒子的电离能力最强，穿透能力最弱，A不正确；β射线是原子核发生β衰变时产生的，是高速电子流，来自于原子核，B不正确；原子核发生一次衰变的过程中，只能发生α衰变或β衰变，不能同时发生α衰变和β衰变，故不可能同时产生α、β两种射线，C正确；原子序数大于83的元素，都具有放射性，原子序数小于或等于83的元素，有的也具有放射性，D不正确．

3．(2020·陕西西安市西安中学第六次模拟)关于放射性元素的衰变，下列说法中正确的是(　　)

A．氡Rn经一系列衰变变成稳定的Pb，要经过4次α衰变和4次β衰变

B．原子核发生一次β衰变，原子核内的一个质子转变为一个中子

C．三种天然放射线中，电离能力和穿透能力最强的是α射线

D．天然放射现象说明原子具有核式结构

答案　A

解析　氡Rn经一系列衰变变成稳定的Pb，由222＝206＋4X,86＝82＋2X－Y，联立解得：X＝4次，Y＝4次，要经过4次α衰变和4次β衰变，选项A正确；原子核发生一次β衰变，原子核内的一个中子转变为一个质子，选项B错误；三种天然放射线中，电离能力最强的是α射线，穿透能力最强的是γ射线，选项C错误；天然放射现象说明原子核具有复杂结构，选项D错误．

4．(2020·山东青岛市期末)房屋装修中释放的甲醛和射线是白血病的重要诱因，其中射线的来源往往是不合格的瓷砖、洁具等．瓷砖、洁具释放的氡气(Rn)具有放射性，氡222衰变为钋218(Po)的半衰期为3.8天，则氡222衰变释放出的粒子以及密闭房间中氡气浓度减小87.5%需要的时间分别为(　　)

A．电子，11.4天   B．质子，7.6天

C．中子，19天   D．α粒子，11.4天

答案　D

解析　氡222衰变为钋218的过程中，质量数减少4，质子数减少2，可判断发生了α衰变，放出的粒子为α粒子；氡气浓度减小87.5%时有＝12.5%，结合公式N余＝N0可知，解得t＝3T＝11.4天，故D正确．

5．(2020·新疆克拉玛依市四模)为了直接验证爱因斯坦狭义相对论中著名的质能方程E＝mc2，科学家用中子轰击硫原子，分别测出原子捕获中子前后质量的变化以及核反应过程中放出的热量，然后进行比较，精确验证了质能方程的正确性．设捕获中子前的原子质量为m1，捕获中子后的原子质量为m2，被捕获的中子质量为m3，核反应过程放出的能量为ΔE，则这一实验需验证的关系是(　　)

A．ΔE＝(m1－m2－m3)c2 B．ΔE＝(m1＋m3－m2)c2

C．ΔE＝(m2－m1－m3)c2 D．ΔE＝(m2－m1＋m3)c2

答案　B

解析　反应之前的质量为：m1＋m3，反应后的质量为：m2，因此质量亏损为：Δm＝m1＋m3－m2，因此需要验证的关系式为：ΔE＝(m1＋m3－m2)c2，故B正确，A、C、D错误．

6．(2020·广西桂林市第一次联合调研)一个中子与某原子核发生核反应，生成一个氘核，该反应放出的能量为Q，则氘核的比结合能为(　　)

A.  B．Q  C.  D．2Q

答案　A

解析　一个中子与某原子核发生核反应生成一个氘核的核反应方程为n＋H→H，自由核子组合释放的能量Q就是氘核的结合能，而氘核由两个核子组成，则它的比结合能为，故A正确，B、C、D错误．

7.(多选)μ子与氢原子核(质子)构成的原子称为μ氢原子，它在原子核物理的研究中有重要作用．图2为μ氢原子的能级示意图．假定光子能量为E的一束光照射容器中大量处于n＝2能级的μ氢原子，μ氢原子吸收光子后，发出频率为f1、f2和f3的光，且频率依次增大，则E等于(　　)

图2

A．h(f2－f1)   B．h(f3－f2)

C．hf3 D．hf1

答案　BD

解析　根据题意，μ氢原子吸收光子后，发出3种不同频率的光，即μ氢原子吸收光子后，从n＝2能级跃迁到n＝3能级，然后μ氢原子从n＝3能级向低能级跃迁，有hf3＝E3－E1，hf2＝E2－E1，hf1＝E3－E2，E＝E3－E2＝(E3－E1)－(E2－E1)＝hf3－hf2＝hf1，故B、D正确．

8．(2020·百师联盟模拟四)欧内斯特·卢瑟福是JJ·汤姆孙的弟子，他培养了十一个获得诺贝尔奖的学生和助手，被称为“原子核物理之父”，他于1919年用α粒子轰击氮核(N)时发现质子并预言了中子的存在，1932年他的学生查德威克利用α粒子轰击铍核(Be)发现了中子，证实了他的猜想．下列核反应中放出的粒子为中子的是(　　)

A.B俘获一个质子，产生Be并放出一个粒子

B.Li俘获一个质子，产生He并放出一个粒子

C.Al俘获一个α粒子，产生P并放出一个粒子

D.Na俘获一个α粒子，产生Mg并放出一个粒子

答案　C

解析　根据核反应方程：B＋H→Be＋He知，B俘获一个质子后，放出的粒子是α粒子，A不正确；据Li＋H→He＋He知，Li俘获一个质子，产生He并放出的粒子是α粒子，B不正确；据Al＋He→P＋n可得Al获得一个α粒子，产生P并放出的粒子是中子，C正确；据Na＋He→Mg＋H知，Na俘获一个α粒子后，放出的粒子是质子，D不正确．

9.(2020·湖北武汉市五月质检)如图3为氢原子能级示意图，已知可见光的能量范围是1.63～3.10 eV，为使氢原子能辐射出红外线，至少应给处于基态的氢原子提供的能量为(　　)

图3

A．2.55 eV

B．10.20 eV

C．12.75 eV

D．13.06 eV

答案　C

解析　如果氢原子能辐射出红外线，也就是两个能级间的能量差小于1.63 eV，因此至少从基态跃迁到第4能级，吸收的能量等于这两个能级间的能量差，即－0.85 eV－(－13.6 eV)＝12.75 eV，因此C正确，A、B、D错误．

10.如图4所示为氦离子的能级图，一群氦离子处于基态，用某种频率的光照射后，跃迁到n＝k能级，处于n＝k能级的氦离子向低能级跃迁时，放出的光子的最大能量为48.4 eV，则下列说法正确的是(　　)

图4

A．该群处于基态的氦离子吸收的光子的能量大于48.4 eV

B．该群处于基态的氦离子吸收光子后，处在n＝4能级

C．处于n＝k能级的氦离子共可以辐射出3种不同频率的光子

D．处于n＝k能级的氦离子至少需要吸收3.4 eV的能量才能电离

答案　C

解析　这群处于n＝k能级的氦离子向低能级跃迁时，直接跃迁到基态时放出的光子的能量最大，由于放出的光子的最大能量为48.4 eV，因此k＝3，故处于基态的氦离子跃迁到n＝3能级时，吸收的光子的能量为48.4 eV，A、B错误；由C＝3可知，一群处于n＝3能级的氦离子共可以辐射出3种不同频率的光子，C正确；处于n＝3能级的氦离子至少需要吸收6.0 eV的能量才能电离，D错误．

11.(2020·河北石家庄市检测)氢原子的能级图如图5所示，下列说法正确的是(　　)

图5

A．氢原子从高能级向低能级跃迁时吸收光子

B．处于n＝2能级的氢原子可以吸收能量为2 eV的光子

C．一个氢原子从n＝4能级向基态跃迁时，可发出6种不同频率的光子

D．处于n＝1能级的氢原子可以吸收能量为14 eV的光子

答案　D

解析　根据玻尔理论可知，氢原子从高能级向低能级跃迁时向外辐射光子，故A错误；处于n＝2能级的氢原子吸收2 eV的光子后的能量为E＝ΔE＋E2＝2 eV＋(－3.4 eV)＝－1.4 eV，结合氢原子的能级图可知，没有该能级，可知处于n＝2能级的氢原子不能吸收能量为2 eV的光子，故B错误；一个处于n＝4能级的氢原子向低能级跃迁时，最多能发出3种不同频率的光，故C错误；氢原子的能级中能量值最小为－13.6 eV，不存在能量为14 eV的能级差，但处于n＝1能级的氢原子可以吸收能量为14 eV的光子的能量，从而发生电离现象，故D正确．

12．(多选)(2020·河南名师联盟入学调研)钚(Pu)是一种具有放射性的元素，它可破坏细胞基因，增加患癌的风险．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，则下列说法中正确的是(　　)

A．衰变发出的γ射线是波长很短的光子，穿透能力很强

B．上述衰变方程中的X含有143个中子

C．8个Pu经过24 100年后一定还剩余4个

D．衰变过程中总质量不变

答案　AB

解析　衰变发出的γ射线是频率很大的电磁波，所以其波长很短，同时具有很强的穿透能力，不带电，A正确；根据电荷数守恒和质量数守恒得，X的电荷数为92，质量数为235，则中子数为235－92＝143，B正确；半衰期具有统计规律，对大量的原子核适用，C错误；在衰变的过程中，根据质能方程知，有能量产生，则有质量亏损，不过质量数不变，D错误．

13．如图6所示为氢原子能级图，表中给出了六种金属的逸出功，已知可见光光子的能量范围为1.62～3.11 eV，下列说法正确的是(　　)

图6

A.用能量为11.0 eV的光子照射氢原子，可使处于基态的氢原子跃迁到激发态

B．处于n＝2能级的氢原子能吸收任意频率的紫外线

C．大量氢原子由n＝4能级向基态跃迁时可能放出6种不同频率的可见光

D．用大量氢原子由n＝5能级向基态跃迁时放出的可见光照射表中金属，能发生光电效应的只有金属铯

答案　D

解析　氢原子跃迁时吸收的能量由两个能级间的能级差决定，故A错误；处于n＝2能级的氢原子的电离能为3.40 eV，紫外线光子的最小能量为3.11 eV，能量大于3.40 eV的紫外线可以任意被吸收并且使氢原子电离，能量在3.11 eV和3.40 eV之间的紫外线能使氢原子跃迁且氢原子只能吸收满足能级差的紫外线，故n＝2能级的氢原子不能吸收任意频率的紫外线，故B错误；大量氢原子由n＝4能级向基态跃迁时最多放出6种不同频率的光，但在可见光范围内的只有2种，从3→2,4→2，能量差分别为1.89 eV和2.55 eV，故C错误；大量氢原子由n＝5能级向基态跃迁时最多放出10种不同频率的光，但在可见光范围内的只有3种，即从能级3→2,4→2,5→2，即金属的逸出功应该在1.89～2.86 eV之间，故只能使金属铯发生光电效应，D正确．

14．(多选)(2020·河南新乡市开学考试)1956年吴健雄用半衰期为5.27年的Co放射源对李政道和杨振宁提出的在弱相互作用中宇称不守恒进行实验验证，Co的衰变方程式为Co→Ni＋X＋e(其中e是反中微子，它的电荷为零，质量可认为等于零)．下列说法正确的是(　　)

A．X是电子

B．增大压强，可使Co的半衰期变为6年

C.Co衰变能释放出X，说明了原子核中有X

D．若该衰变过程中的质量亏损为Δm，真空中的光速为c，则该反应释放的能量为Δmc2

答案　AD

解析　根据质量数和电荷数守恒可知，在Co的衰变方程中，X是电子，A正确；半衰期是由原子核内部自身决定的，与外界的物理和化学状态无关，B错误；衰变时释放的电子是由核内一个中子转化成一个质子的同时释放出来的，Co衰变能释放出X(电子)，但原子核中并没有X(电子)，C错误；根据爱因斯坦质能方程，若该衰变过程中的质量亏损为Δm，则该反应释放的能量为Δmc2，D正确．

15．(多选)如图7所示为氢原子能级图以及氢原子从n＝3、4、5、6能级跃迁到n＝2能级时辐射的四条光谱线，已知氢原子从n＝3能级跃迁到n＝2能级时辐射光子的波长为656 nm，下列叙述正确的有(　　)

图7

A．四条谱线中频率最大的是Hδ

B．用633 nm的光照射能使氢原子从n＝2能级跃迁到n＝3能级

C．一群处于n＝3能级上的氢原子向低能级跃迁时，最多产生3种谱线

D．如果用能量为10.3 eV的电子轰击，可以使基态的氢原子受激发

答案　ACD

解析　频率最大的光子对应的能量最大，即跃迁时能量差最大，故氢原子从n＝6能级跃迁到n＝2能级时辐射光子的频率最大，选项A正确；在氢原子跃迁过程中，吸收光子的能量应刚好等于两能级的能量差，波长为633 nm的光子能量E＝h＝1.96 eV，大于n＝2能级与n＝3能级之间的能量差，选项B错误；一群处于n＝3能级上的氢原子向低能级跃迁时，可以是3→2、2→1或者是3→1，即有3种频率不同的谱线，选项C正确；如果用10.3 eV的电子轰击，基态氢原子吸收部分能量而受激发，选项D正确．