备战2025届新高考物理一轮总复习练习第16章近代物理第2讲原子结构原子核

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题组一 原子结构和氢原子光谱
1.(2022湖南卷)关于原子结构和微观粒子波粒二象性,下列说法正确的是( )
A.卢瑟福的核式结构模型解释了原子光谱的分立特征
B.玻尔的原子理论完全揭示了微观粒子运动的规律
C.光电效应揭示了光的粒子性
D.电子束穿过铝箔后的衍射图样揭示了电子的粒子性
2.α粒子散射实验的示意图如图所示,放射源发出α射线打到金箔上,带有荧光屏的放大镜转到不同位置进行观察,图中1、2、3为其中的三个位置。下列对实验结果的叙述或依据实验结果做出的推理正确的是( )
A.在位置2接收到的α粒子最多
B.在位置1接收到α粒子说明正电荷不可能均匀分布在原子内
C.位置2接收到的α粒子一定比位置1接收到的α粒子所受金原子核斥力的冲量更大
D.若正电荷均匀分布在原子内,则1、2、3三个位置接收到α粒子的比例应相差不多
题组二 玻尔理论 能级跃迁
3.(2023山西卷)铯原子基态的两个超精细能级之间跃迁发射的光子具有稳定的频率,铯原子钟利用的两能级的能量差量级为10-5 eV,跃迁发射的光子的频率量级为(普朗克常量h=6.63×10-34 J·s,元电荷e=1.60×10-19 C)( )
A.103 HzB.106 Hz
C.109 HzD.1012 Hz
4.(2024广东深圳一模)有些金属原子受激后,从某激发态跃迁回基态时,会发出特定颜色的光。钠原子和锂原子分别从激发态跃迁回基态的能级差值如图甲所示,钠原子发出频率为5.09×1014 Hz的黄光,可见光谱如图乙所示。锂原子从激发态跃迁回基态发光颜色为( )
A.红色B.橙色
C.绿色D.青色
题组三 原子核的衰变及半衰期
5.(2023广东卷)理论认为,大质量恒星塌缩成黑洞的过程,受核反应C+YO的影响。下列说法正确的是( )
A.Y是β粒子,β射线穿透能力比γ射线强
B.Y是β粒子,β射线电离能力比γ射线强
C.Y是α粒子,α射线穿透能力比γ射线强
D.Y是α粒子,α射线电离能力比γ射线强
6.(2023全国乙卷)2022年10月,全球众多天文设施观测到迄今最亮伽马射线暴,其中我国的“慧眼”卫星、“极目”空间望远镜等装置在该事件观测中作出重要贡献。由观测结果推断,该伽马射线暴在1分钟内释放的能量量级为1048 J。假设释放的能量来自物质质量的减少,则每秒钟平均减少的质量量级为(光速为3×108 m/s)( )
A.1019 kgB.1024 kg
C.1029 kgD.1034 kg
7.(2023湖南卷)2023年4月13日,中国“人造太阳”反应堆中科院环流器装置(EAST)创下新纪录,实现403秒稳态长脉冲高约束模等离子体运行,为可控核聚变的最终实现又向前迈出了重要的一步,下列关于核反应的说法正确的是( )
A.相同质量的核燃料,轻核聚变比重核裂变释放的核能更多
B.氘氚核聚变的核反应方程为HHee
C.核聚变的核反应燃料主要是铀235
D.核聚变反应过程中没有质量亏损
综合提升练
8.(2023浙江卷)“玉兔二号”装有核电池,不惧漫长寒冷的月夜。核电池将Pu衰变释放的核能一部分转化成电能。Pu的衰变方程为PuUHe,则( )
A.衰变方程中的X等于233
BHe的穿透能力比γ射线强
CPu比U的比结合能小
D.月夜的寒冷导致Pu的半衰期变大
9.(2023辽宁卷)原子处于磁场中,某些能级会发生劈裂。某种原子能级劈裂前后的部分能级图如图所示,相应能级跃迁放出的光子分别设为①②③④。若用①照射某金属表面时能发生光电效应,且逸出光电子的最大初动能为Ek,则( )
A.①和③的能量相等
B.②的频率大于④的频率
C.用②照射该金属一定能发生光电效应
D.用④照射该金属逸出光电子的最大初动能小于Ek
10.氢原子的能级图如图甲所示,一群处于n=4能级的氢原子,用其向低能级跃迁过程中发出的光照射图乙电路中的阴极K,其中只有a、b两种频率的光能使之发生光电效应。分别用这两种频率的光照射阴极K,测得图乙中电流表示数随电压表示数变化的图像如图丙所示。下列说法正确的是( )
A.题中的氢原子跃迁共能发出3种不同频率的光
B.a光是从n=4能级向n=1能级跃迁产生的
C.a光的波长大于b光的波长
D.b光照射阴极K时逸出的光电子的最大初动能比a光照射时的小
11.(多选)(2024广东模拟)如图所示,人工元素原子核Nh开始静止在匀强磁场B1、B2的边界MN上,某时刻发生衰变生成一个氦原子核He和一个Rg原子核,两原子核的质量之比几乎等于质量数之比,衰变后的微粒速度方向均垂直B1、B2的边界MN。氦原子核通过B1区域第一次经过MN边界时,距出发点的距离为l,Rg原子核第一次经过MN边界距出发点的距离也为l。则下列有关说法正确的是( )
A.该衰变方程可表示为NhHeRg
B.两磁场的磁感应强度之比为B1∶B2=111∶2
C.衰变后瞬间氦原子核和Rg原子核的速度大小之比为111∶2
D.氦原子核和Rg原子核各自旋转第一个半圆的时间之比为2∶141
12.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,其轨迹半径为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(光速为c)。
参考答案
第2讲 原子结构 原子核
1.C 解析 卢瑟福的核式结构模型解释了α粒子散射实验,故A错误;玻尔的原子理论解释了氢原子光谱,故B错误;光电效应揭示了光的粒子性,故C正确;电子的衍射揭示了电子的波动性,故D错误。
2.B 解析 由于原子中大部分是空的,故大部分α粒子会沿直线通过,所以在位置3接收到的α粒子最多,故A错误;在位置1接收到α粒子,说明α粒子发生了大角度偏折,可以推出正电荷不可能均匀分布在原子内,故B正确;由图看出,位置2接收到的α粒子偏折程度没有位置1的大,所以位置1接收到的α粒子比位置2接收到的α粒子所受金原子核斥力的冲量大,故C错误;若正电荷均匀分布在原子内,则1、2位置几乎接收不到α粒子,3位置接收得最多,故D错误。
3.C 解析 铯原子钟利用的两能级的能量差量级对应的能量为ε=10-5eV=10-5×1.6×10-19J=1.6×10-24J,由光子能量的表达式ε=hν可得,跃迁发射的光子的频率量级为ν=Hz≈2.4×109Hz,跃迁发射的光子的频率量级为109Hz。故选C。
4.A 解析 由玻尔理论结合普朗克的量子假说,即E=hν,根据图甲可得ENa=hνNa,ELi=hνLi,代入数据可得νLi≈4.48×1014Hz,对照图乙可知,锂原子从激发态跃迁回基态发光颜色为红色。故选A。
5.D 解析 根据质量数守恒、电荷数守恒可判断Y粒子质量数为4,电荷数为2,故为α粒子。三种射线中,α射线电离能力最强、穿透能力最弱。故D正确。
6.C 解析 由爱因斯坦质能方程E=mc2可得kg/s≈2×1029kg/s,选项C正确。
7.A 解析 核聚变是轻核的聚变,相同质量的核燃料,轻核聚变比重核裂变释放的核能更多,A正确,C错误;氘氚核聚变反应遵守电荷数守恒和质量数守恒,B错误;核聚变反应有质量亏损,D错误。
8.C 解析 根据质量数守恒,得238=X+4,解得X=234,选项A错误He为α射线,α射线比γ射线的穿透能力弱,选项B错误;该核反应为放能反应Pu比U的比结合能小,选项C正确;半衰期不随元素所处的物理状态和化学状态的变化而变化,选项D错误。
9.A 解析 ①和③光子跃迁能级差相等,故①和③的能量相等,选项A正确;②光子跃迁能级差小于④光子跃迁能级差,根据E=hν,可得②的频率小于④的频率,选项B错误;同理②光子的频率小于①光子的频率,用②照射该金属不一定能发生光电效应,选项C错误;④光子的频率大于①光子的频率,用④照射该金属逸出光电子的最大初动能大于Ek,选项D错误。
10.C 解析 一群处于n=4能级的氢原子向低能级跃迁过程中,共能发出=6种不同频率的光,故A错误;依题意,6种不同频率的光中只有2种能够使阴极K发生光电效应,可知这两种光的光子能量是较大的,那么这两种光是n=3能级向n=1能级跃迁和n=4能级向n=1能级跃迁产生的。图丙中的图线a所对应的遏止电压较小,则光电子的最大初动能较小,根据Ekm=hν-W0,可知对应的光子能量较小,原子跃迁对应的能级差较小,即a光是氢原子从n=3能级向n=1能级跃迁产生的,故B错误;根据上述分析,a光的光子能量小于b光的光子能量,根据E=hν=h,可知a光的波长大于b光的波长,故C正确;根据Ekm=hν-W0,由于b光的光子能量大于a光的光子能量,则b光照射阴极K时逸出的光电子的最大初动能比a光照射时的大,故D错误。
11.ABD 解析 根据质量数和电荷数守恒,该衰变的核反应方程为NhHeRg,A正确;由题意知带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动,偏转半径为r=,由题意可知二者偏转半径相等,由于氦核与Rg原子核动量大小相等,即m1v1=m2v2,可得B1∶B2=q2∶q1=111∶20,v1∶v2=m2∶m1=141∶2,B正确,C错误;由于T=,由前面可知q1B1=q2B2,所以,粒子在第一次经过MN边界时,运动了半个圆周,所以t1∶t2==m1∶m2=2∶141,D正确。
12.答案 (1XYHe
(2)
(3)
解析 (1)由题意可知,α衰变的核反应方程为XYHe。
(2)洛伦兹力提供向心力,有qvαB=m
所以vα=,T==
环形电流大小I==。
(3)衰变过程动量守恒,有0=pY+pα
所以pY=-pα,“-”表示方向相反
因为p=mv,Ek=mv2,所以Ek=
即EkY∶Ekα=m∶m'
由能量守恒得Δmc2=EkY+Ekα
Δm=,其中Ekα=m=
所以Δm=。