高考物理一轮复习第12章波粒二象性原子结构与原子核第34讲原子结构与原子核练习(含解析)

第34讲 原子结构与原子核

[解密考纲]综合考查氢原子能级的跃迁、放射性元素的衰变、半衰期、核反应，以及质能方程、核反应方程的有关计算．

1．(2019·黄山质检)关于下列四幅图的说法正确的是(　　)

A．图甲中A处能观察到大量的闪光点，B处能看到较多的闪光点，C处观察不到闪光点

B．图乙中1为α射线，它的电离作用很强可消除静电

C．图丙中处于基态的氢原子能吸收能量为10.4 eV的光子而发生跃迁

D．图丁中用弧光灯照射原来就带电的锌板时，发现验电器的张角变大，说明锌板原来带负电

B　解析 图甲中A处能观察到大量的闪光点，B处能看到较多的闪光点，在C处也可以观察到很少的闪光点，选项A错误；根据左手定则可知，1带正电，为α射线，α射线的电离作用很强，可消除静电，选项B正确；吸收光子能量发生跃迁，吸收的光子能量需等于两能级间的能级差，从基态氢原子发生跃迁到n＝2能级，需要吸收的能量最小，吸收的能量为－3.4 eV－(－13.6 eV)＝10.2 eV，即受10.2 eV光子照射，可以从基态氢原子发生跃迁到n＝2能级，10.4 eV的光子不能被吸收，不能发生跃迁，选项C错误；图中用弧光灯照射锌板，锌板上的电子逸出，锌板带上正电，发现验电器的张角变大，说明原来就带正电，选项D错误．

2．(2019·河南天一大联考高三期末)(多选)根据国家科技部2017年3月6日报道，迄今为止，科学家已经成功检测定位了纳米晶体结构中的氢原子，按玻尔氢原子理论，氢原子的能级如图所示，下列判断正确的是(　　)

A．用光子能量为13.01 eV的光照射一群处于基态的氢原子，可观测到多种不同频率的光

B．大量处于n＝4激发态的氢原子向基态跃迁时，可能发出6条光谱线

C．氢原子从第4激发态跃迁到第2激发态需要吸收光子

D．氢原子的核外电子由高能级跃迁到低能级时，氢原子的电势能减小，电子的动能增大

BD　解析 氢原子发生能级跃迁吸收或放出的光子能量等于两能级的能量差，选项A错误；大量处于在n＝4激发态的氢原子向基态跃迁时可发出的光谱线条数为＝6条，选项B正确；第4激发态是n＝5的能级态，第2激发态为n＝3的能级态，氢原子由高能级态向低能级态跃迁时辐射光子，选项C错误；氢原子的核外电子由高能级跃迁到低能级时，轨道半径减小，因电场力做正功，故氢原子电势能减小，电子的动能增大，选项D正确．

3．(2019·烟台一模)下列说法正确的是 (　　)

A．玻尔通过对氢原子光谱的研究建立了原子的核式结构模型

B．某些原子核发生衰变时能够放出β粒子，说明原子核内有β粒子

C．原子核反应中的质量亏损现象违反了能量守恒定律

D．某种单色光照射某种金属发生光电效应，若增大光照强度，则单位时间内发射的光电子数增加

D　解析 卢瑟福通过α粒子散射实验建立了原子核式结构模型，玻尔将量子观念引入原子领域，其理论能够解释氢原子光谱的特征，故选项A错误；β衰变中产生的β射线实际上是原子核中的中子转变成质子，而放出电子，故选项B错误；核反应中的质量亏损现象遵循能量守恒定律，故选项C错误；发生光电效应时，单位时间内发射的光电子数随入射光强度的增加而增加，故选项D正确．

4．(2019·南平高三一模)下列说法正确的是 (　　)

A．—束光照射到某种金属上不能发生光电效应，可能是因为这束光的光照强度太弱

B．氢原子核外电子从半径较大的轨道跃迁到半径较小的轨道，电子的动能增大，但原子的能量减小

C．原子核发生一次β衰变，该原子外层就失去一个电子

D．铀核裂变产物多样，其中一种核反应方程为U＋n→Ba＋Kr＋2n

B　解析 能不能发生光电效应，和入射光的频率有关，和入射光的强度无关，选项A错误；按照玻尔理论，氢原子核外电子从半径较大的轨道跃迁到半径较小的轨道时，释放光子，原子的能量减小，电子受到的库仑力提供向心力，则＝⇒Ek＝mv2＝，r越小，动能越大，选项B正确；β衰变的实质是原子核内一个中子转变为一个质子和一个电子，电子释放出来，不是来自核外电子，选项C错误；U＋n→Ba＋Kr＋3n，选项D错误．

5．(2019·聊城一模)下列说法正确的是(　　)

A．铀核裂变的某种核反应方程是U→Ba＋Kr＋3n

B．已知质子、中子、α粒子的质量分别为m1、m2、m3，那么2个质子和2个中子结合成一个α粒子，释放的能量是(2m1＋2m2－m3)c2

C．卢瑟福通过α粒子散射实验验证了在原子核内部存在质子

D．一群处于n＝4能级态的氢原子，自发向低能级跃迁的过程中能辐射12种不同频率的电磁波

B　解析 铀核裂变的核反应是U＋n→Ba＋Kr＋3n，选项A错误；已知质子、中子、α粒子的质量分别为m1、m2、m3，那么2个质子和2个中子结合成一个α粒子，根据质能方程可得释放的能量是(2m1＋2m2－m3)c2，选项B正确；卢瑟福通过α粒子散射实验验证了原子核式结构模型，选项C错误；一群处于n＝4能级态的氢原子，自发向低能级跃迁的过程中能辐射C＝6 种不同频率的电磁波，选项D错误．

6．(2019·苏北四市高三调研)(多选)下列说法正确的有 (　　)

A．比结合能大的原子核分解成比结合能小的原子核时要吸收能量

B．用紫光照射某金属表面时发生光电效应，改用红光照射时也一定能发生光电效应

C．黑体辐射的强度随温度的升高而变大，且最大值向波长较短的方向移动

D．改变压强、温度可改变放射性元素的半衰期

AC　解析 比结合能大的原子核分解为比结合能小的原子核时，核子的总结合能减小，一定要吸收核能才能完成，选项A正确；用紫光照射某种金属可以发生光电效应，可知紫光的频率大于金属的极限频率，红光的频率小于紫光的频率，用红光照射不一定能产生光电效应，选项B错误；随温度升高，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动，选项C正确；半衰期由原子核本身决定，与外界因素无关，选项D错误．

7. (多选)原子核的比结合能曲线如图所示．根据该曲线，下列判断正确的有 (　　)

A.He核的结合能约为14 MeV

B.He核比Li核更稳定

C．两个H核结合成He核时释放能量

D. U核中核子的平均结合能比Kr核中的大

BC　解析 由题图可知，He的比结合能为7 MeV，因此它的结合能为7 MeV×4＝28 MeV，选项A错误；比结合能越大，表明原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定，结合题图可知，选项B正确；两个比结合能小的H核结合成比结合能大的He时，会释放能量，选项C正确；由题图可知，U的比结合能(即平均结合能)比Kr的小，选项D错误．

8．(2019·南昌重点中学模拟)下列说法正确的是 (　　)

A．光子像其他粒子一样，不但具有能量，也具有动量

B．比结合能越大，原子核越不稳定

C．将由放射性元素组成的化合物进行高温分解，会改变放射性元素的半衰期

D．原子核的质量大于组成它的核子的质量之和，这个现象叫做质量亏损

A　解析 光子像其他粒子一样，不但具有粒子性，而且也有波动性，则不但具有能量，也具有动量，选项A正确；比结合能越大的原子核越稳定，选项B错误；放射性元素的半衰期与外界因素没有任何关系，只和本身性质有关，选项C错误；原子核的质量小于组成它的核子的质量之和，这个现象叫做质量亏损，选项D错误．

9．(2019·承德期末)(多选)一个氘核(H)与氚核(H)反应生成一个新核同时放出一个中子，并释放能量．下列说法正确的是(　　)

A．该核反应为裂变反应

B．该新核的中子数为2

C．氘核(H)与氚核(H)是两种不同元素的原子核

D．若该核反应释放的核能为ΔE，真空中光速为c，则反应过程中的质量亏损为

BD　解析 一个氘核和一个氚核经过核反应后生成一个氦核和一个中子，是质量数小的原子核聚变生成质量数大的原子核的过程，属于轻核聚变，选项A错误；当一个氘核和一个氚核经过核反应后生成一个氦核和一个中子时，由质量数守恒和电荷数守恒可知，核反应方程是H＋H→He＋n，新核的中子数为2，选项B正确；氘核(H)与氚核(H)是同种元素，不同中子数的原子核，是同位素，选项C错误；根据爱因斯坦质能方程ΔE＝Δmc2，因此核反应过程中的质量亏损为，选项D正确．

10．(2019·丹东高三一模)下列说法错误的是(　　)

A．核反应方程 Be＋He→C＋X中的“X”为中子

B．在光电效应中，饱和电流的大小与入射光的频率有关，与入射光的强度无关

C．释放核能时必伴随质量亏损，因为质量和能量有对应关系

D．玻尔将量子观念引入原子领域，其理论能够解释氢原子光谱的特征

B　解析 根据质量数和电荷数守恒，知该核反应方程中的X电荷数为零，质量数为1，是中子，选项A正确；发生光电效应后，增加照射光电管的入射光的强度，电路中的光电流就一定增加，则饱和光电流的大小取决于入射光的强度，选项B错误；根据爱因斯坦质能方程ΔE＝Δmc2，可知释放核能的核反应必伴随着质量亏损，选项C正确；玻尔将量子观念引入原子领域，能够很好解释氢原子光谱，但不能解释氦原子光谱特征，这就是玻尔理论的局限性，选项D正确．

11．(2019·石家庄高三二模)如图所示为氢原子的部分能级图，则下列说法正确的是 (　　)

A．氢原子由基态跃迁到激发态后，核外电子动能增大，原子的电势能减小

B．大量处于n＝3激发态的氢原子，向低能级跃迁时可辐射出2种不同频率的光

C．处于基态的氢原子可吸收能量为12.09 eV的光子发生跃迁

D．用氢原子n＝2跃迁到n＝1能级辐射出的光照射金属铂(逸出功为6.34 eV)时不能发生光电效应

C　解析 氢原子从基态跃迁到激发态时，总能量变大，电子的轨道半径变大，电子的速度减小，动能减小，电势能增大，选项A错误；大量的氢原子处于n＝3的激发态，向低能级跃迁时可辐射出n＝C＝3种不同频率的光，选项B错误；大量处于基态的氢原子吸收了能量为12.09 eV的光子后，氢原子能量为－1.51 eV，跃迁到第3能级，选项C正确；用氢原子n＝2跃迁到n＝1能级，辐射出的光(10.20 eV)照射金属铂(逸出功为6.34 eV)时能发生光电效应，选项D错误．

12．(2019·北京师大附中期末)太阳中含有大量的氘核，氘核不断发生核反应放出核能，以光和热的形式向外辐射．已知两个氘核发生核反应可以产生一个新核，并放出一个中子．该新核质量为3.0150u，氘核质量为2.0136u，中子质量为1.0087u,1u的质量相当于931.5 MeV的能量．

(1)写出该核反应方程式；

(2)求核反应中释放的核能；(结果保留三位有效数字)

(3)若两氘核以相等的动能0.35 MeV进行对心碰撞，假设核能全部转化为机械能，求反应后新核的动能．(结果保留两位有效数字)

解析 (1)由质量数和核电荷数守恒，写出核反应方程为H＋H→He＋n.

(2)反应过程中质量减少了

Δm＝2×2.013 6u－1.008 7u－3.015 0u＝0.003 5u，

反应过程中释放的核能

ΔE＝0.003 5×931.5MeV＝3.26MeV.

(3)设n核和He的动量分别为p1和p2，由动量守恒定律得0＝p1＋p2，

由此得p1和p2大小相等，

由动能和动量关系E＝及He核和n质量关系得，中子的动能E1是He核动能E2的3倍，即E1∶E2＝3∶1，

由能量守恒定律得E1＋E2＝ΔE＋2×0.35，

由以上可以算出E2＝0.99 MeV.

答案 (1)H＋H→He＋n　(2)3.26 MeV　(3)0.99 MeV

13．(2019·衡水中学期末)一个静止的铀核U(原子质量为232.037 2u)放出一个α粒子(原子质量为4.002 6u)后衰变成钍核Th(原子质量为228.028 7u)．已知：原子质量单位1u＝1.67×10－27kg,1u相当于931 MeV(计算结果均保留两位小数)．

(1)写出核衰变反应方程并计算该核反应释放出的核能；

(2)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，请计算钍核的动能大小．

解析 (1)U→Th＋He，

质量亏损Δm＝0.005 9u，

由爱因斯坦质能方程得ΔE＝Δmc2，

ΔE ≈ 5.50 MeV.

(2)系统动量守恒，钍核和α粒子的动量大小相等，即pTh＝pα，

由EkTh＝，Ekα＝，得EkTh＋Ekα＝ΔE，

所以钍核获得的动能EkTh＝ΔE＝≈0.09 MeV.

答案 (1)5.50 MeV　(2)0.09 MeV

14．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 (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＝0，

解得v′＝＝，

由Δmc2＝Mv′2＋mv2，

得Δm＝.

(若利用M＝m解答，亦可)

答案 (1)X→Y＋He　(2)　

(3)