第16章　近代物理第2讲　原子结构　原子核-【人教版】2025新教材高考物理一轮基础练习

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基础对点练
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辽宁沈阳模拟)霓虹灯发光原理是不同气体原子从高能级向低能级跃迁时发出能量各异的光子而呈现五颜六色,氢原子的能级示意图如图所示,已知可见光光子能量范围为1.63~3.10 eV,若一群氢原子处于n=4能级,则下列说法正确的是( )
A.这群氢原子自发跃迁时能辐射出6种不同频率的可见光
B.氢原子从n=4能级向n=1能级跃迁过程中发出的光为可见光
C.辐射出的光中从n=2能级跃迁到n=1能级发出光的频率最大
D.用氢原子从n=4能级向n=2能级跃迁过程中发出的光照射逸出功为3.2 eV的金属钙,不能使金属钙发生光电效应
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 612C+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 12H+13HHe+-1 0e
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 94238Pu衰变释放的核能一部分转化成电能。 94238Pu的衰变方程为 94238PuU+24He,则( )
A.衰变方程中的X等于233
B.24He的穿透能力比γ射线强
C.94238Pu比 92XU的比结合能小
D.月夜的寒冷导致 94238Pu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.A、B是两种放射性元素的原子核,原来都静止在同一匀强磁场中,其中一个放出α粒子,另一个放出β粒子,运动方向都与磁场方向垂直,图中a、b与c、d分别表示各粒子的运动轨迹,下列说法正确的是( )
A.A放出的是α粒子,B放出的是β粒子
B.a为α粒子的运动轨迹,d为β粒子的运动轨迹
C.a轨迹中的粒子比b轨迹中的粒子动量小
D.磁场方向一定垂直纸面向外
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(24He)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 ZAX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=10-5 eV=10-5×1.6×10-19 J=1.6×10-24 J,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=εℎ=1.6×10-246.63×10-34 Hz≈2.4×109 Hz,跃迁发射的光子的频率量级为109 Hz。故选C。
4.D 解析 这群氢原子自发跃迁时能发出光子频率的种类为C42=6,即能辐射出6种不同频率的光子,而这6种光子中从n=4能级跃迁到n=3能级、从n=4能级跃迁到n=1能级、从n=3能级跃迁到n=1能级、从n=2能级跃迁到n=1能级时辐射出的能量不在可见光光子能量范围之内,A错误;氢原子从n=4能级跃迁到n=1能级时辐射出的光的光子能量为12.75 eV,不在可见光光子能量范围之内,B错误;辐射出的光中从n=4能级跃迁到n=1能级发出光的频率最大,C错误;氢原子从n=4能级跃迁到n=2能级时辐射出的光的光子能量为2.55 eV,小于金属钙的逸出功3.2 eV,所以不能使金属钙发生光电效应,D正确。
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ΔmΔt=ΔEc2Δt=1048(3×108)2×60 kg/s≈2×1029 kg/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;24He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,94238Pu比 92XU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C42=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=hcλ,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.A 解析 放射性元素放出α粒子时,α粒子与反冲核的速度方向相反,但电性相同,则两个粒子受到的洛伦兹力方向相反,两个粒子的运动轨迹应为外切圆;而放射性元素放出β粒子时,β粒子与反冲核的速度方向相反,且电性相反,则两个粒子受到的洛伦兹力方向相同,两个粒子的运动轨迹应为内切圆,所以B放出的是β粒子,A放出的是α粒子,故A正确;根据带电粒子在磁场中的运动半径r=mvqB,放出的粒子与反冲核的动量相等,而反冲核的电荷量大,故轨迹半径小,故b为α粒子的运动轨迹,c为β粒子的运动轨迹,故B、C错误;粒子在磁场中做匀速圆周运动,磁场方向不同,粒子运动的方向相反,由于α粒子和β粒子的速度方向未知,不能判断磁场的方向,故D错误。
12.答案 (1)ZAXY+24He
(2)2πmqB q2B2πm
(3)q2B2R2(m'+m)2m'mc2
解析 (1)由题意可知,α衰变的核反应方程为 ZAXY+24He。
(2)洛伦兹力提供向心力,有qvαB=mvα2R
所以vα=qBRm,T=2πRvα=2πmqB
环形电流大小I=qT=q2B2πm。
(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=12mv2,所以Ek=p22m
即EkY∶Ekα=m∶m'
由能量守恒得Δmc2=EkY+Ekα
Δm=Ekαc2m'+mm',其中Ekα=12mvα2=q2B2R22m
所以Δm=q2B2R2(m'+m)2m'mc2。