高中物理高考 专题14 原子结构和原子核-2021年高考物理真题与模拟题分类训练（教师版含解析）

专题14  原子结构和原子核

1．(2021·山东高考真题）在测定年代较近的湖泊沉积物形成年份时，常利用沉积物中半衰期较短的，其衰变方程为。以下说法正确的是(　　）

A．衰变方程中的X是电子

B．升高温度可以加快的衰变

C．与的质量差等于衰变的质量亏损

D．方程中的X来自于内质子向中子的转化

【答案】A

【解析】A．根据质量数守恒和电荷数守恒可知，X是电子，A正确；

B．半衰期非常稳定，不受温度，压强，以及该物质是单质还是化合物的影响，B错误；

C．与和电子X的质量差等于衰变的质量亏损，C错误；

D．方程中的X来自于内中子向质子的转化，D错误。故选A。

2．(2021·浙江高考真题）已知普朗克常量，电子的质量为，一个电子和一滴直径约为的油滴具有相同动能，则电子与油滴的德布罗意波长之比的数量级为(　　）

A． B． C． D．

【答案】C

【解析】根据德布罗意波长公式

解得

由题意可知，电子与油滴的动能相同，则其波长与质量的二次方根成反比，所以有

代入数据解得

所以C正确；ABD错误；故选C。

3．(2021·广东高考真题）科学家发现银河系中存在大量的放射性同位素铝26，铝26的半衰期为72万年，其衰变方程为，下列说法正确的是(　　）

A．Y是氦核

B．Y是质子

C．再经过72万年，现有的铝26衰变一半

D．再经过144万年，现有的铝26全部衰变

【答案】C

【解析】AB．根据核反应的质量数和电荷数守恒可知，该核反应是

即Y是正电子，选项AB错误；

CD．因72万年是一个半衰期，可知再过72万年，现有的铝26衰变一半；再过144万年，即两个半衰期，现有的铝26衰变四分之三，选项C正确，D错误；故选C。

4．(2021·全国高考真题）如图，一个原子核X经图中所示的一系列、衰变后，生成稳定的原子核Y，在此过程中放射出电子的总个数为(　　）

A．6 B．8 C．10 D．14

【答案】A

【解析】由图分析可知，核反应方程为

设经过次衰变，次衰变。由电荷数与质量数守恒可得

；

解得

，

故放出6个电子。故选A。

5．(2021·河北高考真题）银河系中存在大量的铝同位素，核衰变的衰变方程为，测得核的半衰期为72万年，下列说法正确的是(　　）

A．核的质量等于核的质量

B．核的中子数大于核的中子数

C．将铝同位素放置在低温低压的环境中，其半衰期不变

D．银河系中现有的铝同位素将在144万年后全部衰变为

【答案】C

【解析】A．和的质量数均为相等，但是二者原子核中的质子数和中子数不同，所以质量不同，A错误；

B．核的中子数为个，核的中子数为个，B错误；

C．半衰期是原子核固有的属性，与外界条件无关，C正确；

D．质量为的的半衰期为万年，经过万年为个半衰期，剩余质量为，不会全部衰变为，D错误。故选C。

6．(2021·浙江高考真题）2020年12月我国科学家在量子计算领域取得了重大成果，构建了一台76个光子100个模式的量子计算机“九章”，它处理“高斯玻色取样”的速度比目前最快的超级计算机“富岳”快一百万亿倍。关于量子，下列说法正确的是(　　）

A．是计算机运算的一种程序

B．表示运算速度的一个单位

C．表示微观世界的不连续性观念

D．类似于质子、中子的微观粒子

【答案】C

【解析】量子是不可分割的最小的单元，体现了物质的不连续性，即通常所说的“量子化”。故选C。

7．(2021·浙江高考真题）下列说法正确的是(　　）

A．光的波动性是光子之间相互作用的结果

B．玻尔第一次将“量子”入原子领域，提出了定态和跃迁的概念

C．光电效应揭示了光的粒子性，证明了光子除了能量之外还具有动量

D．α射线经过置于空气中带正电验电器金属小球的上方，验电器金属箔的张角会变大

【答案】B

【解析】A．在光的双缝干涉实验中，减小光的强度，让光子通过双缝后，光子只能一个接一个地到达光屏，经过足够长时间，仍然发现相同的干涉条纹。这表明光的波动性不是由光子之间的相互作用引起的，故A错误；

B．玻尔第一次将量子观念引入原子领域，提出了定态和跃迁的概念，故B正确；

C．光电效应揭示了光的粒子性，但是不能证明光子除了能量之外还具有动量，选项C错误；

D．α射线经过置于空气中带正电验电器金属小球的上方时，会使金属球附近的空气电离，金属球吸引负离子而使验电器金属箔的张角会变小，选项D错误。故选B。

8．(2021·湖南高考真题）核废料具有很强的放射性，需要妥善处理。下列说法正确的是(　　）

A．放射性元素经过两个完整的半衰期后，将完全衰变殆尽

B．原子核衰变时电荷数守恒，质量数不守恒

C．改变压力、温度或浓度，将改变放射性元素的半衰期

D．过量放射性辐射对人体组织有破坏作用，但辐射强度在安全剂量内则没有伤害

【答案】D

【解析】A．放射性元素的半衰期是大量的放射性元素衰变的统计规律，对少量的个别的原子核无意义，则放射性元素完全衰变殆尽的说法错误，故A错误；

B．原子核衰变时满足电荷数守恒，质量数守恒，故B错误；

C．放射性元素的半衰期是由原子核的自身结构决定的，而与物理环境如压力、温度或浓度无关，与化学状态无关，故C错误；

D．过量放射性辐射包含大量的射线，对人体组织有破坏作用，但辐射强度在安全剂量内则没有伤害，故D正确；故选D。

9．(2021·全国高考真题）医学治疗中常用放射性核素产生射线，而是由半衰期相对较长的衰变产生的。对于质量为的，经过时间t后剩余的质量为m，其图线如图所示。从图中可以得到的半衰期为(　　）

A． B． C． D．

【答案】C

【解析】由图可知从到恰好衰变了一半，根据半衰期的定义可知半衰期为，故选C。

10．(2021·浙江高考真题）如图所示是我国全超导托卡马克核聚变实验装置。2018年11月，该装置实现了1×108℃等离子体运行等多项重大突破，为未来和平利用聚变能量迈出了重要一步。关于核聚变，下列说法正确的是(　　）

A．聚变又叫热核反应

B．太阳就是一个巨大的热核反应堆

C．高温能使原子核克服核力而聚变

D．对相同质量的核燃料，轻核聚变比重核裂变产能多

【答案】ABD

【解析】A．聚变又叫热核反应，选项A正确；

B．太阳就是一个巨大的热核反应堆，选项B正确；  

C．要使轻核发生聚变，必须使它们的距离达到10-15m以内，核力才能起作用，那么热核反应时要将轻核加热到很高的温度，使它们具有足够的动能来克服核力而聚变在一起形成新的原子核，即高温能使轻核克服核力而聚变，但不是能使所有的原子核克服核力而聚变，选项C错误；D．对相同质量的核燃料，轻核聚变比重核裂变产能多，选项D正确；故选ABD。

11．(2021·浙江高考真题）对四个核反应方程(1）；(2）；(3）；(4）。下列说法正确的是(　　）

A．(1）(2）式核反应没有释放能量

B．(1）(2）(3）式均是原子核衰变方程

C．(3）式是人类第一次实现原子核转变的方程

D．利用激光引发可控的(4）式核聚变是正在尝试的技术之一

【答案】CD

【解析】A．(1）是 衰变，(2）是 衰变，均有能量放出，故A错误；

B．(3）是人工核转变，故B错误；

C．(3）式是人类第一次实现原子核转变的方程，故C正确；

D．利用激光引发可控的(4）式核聚变是正在尝试的技术之一，故D正确。故选CD。

1．下列叙述正确的是(　　）

A．“牛顿”是物理学中的基本单位

B．10个核经过一个半衰期后，一定剩下5个没有衰变的核

C．高处跳下的人总有屈膝动作，这是利用增加作用时间来减小所受的冲击力

D．以卵击石，卵破而石不破，可见石对卵的力大于卵对石的力

【答案】C

【解析】A．“牛顿”是导出单位，而非基本单位，A错误；

B．半衰期是一个宏观量，满足统计规律，对大量(可与阿伏伽德罗常数相比）的核而言才有意义，10个核不符合“大量”这一条件，经过一个半衰期后，不一定剩下5个核没有衰变，B错误；C．高处跳下的人利用屈膝动作增加了作用时间，根据动量定理，在动量变化一定的情况下，减小了冲击力，C正确；D．以卵击石，相互作用力的大小是相等的，卵破而石不破只是因为卵的承受能力小而已，D错误。故选C。

2．如图所示为氢原子的能级图，下列说法正确的是(　　）

A．用能量为的电子激发能级的大量氢原子，可以使氢原子跃迁到高能级

B．能级的氢原子可以吸收能量为的光子而发生电离

C．大量处于能级的氢原子跃迁到基态放出的所有光子中，能级跃迁到能级释放的光子的粒子性最显著

D．大量处于基态的氢原子吸收的光子后，只可以放出两种频率的光子

【答案】A

【解析】A．能级与能级的能量差为，由于

因此用能量为的电子激发能级的大量氢原子，可以使氢原子跃迁到高能级，故A正确；

B．能级的氢原子的能量为，因此欲使其发生电离，吸收的能量至少为，故B错误；C．光子的波长越长波动性越显著，光子的频率越高，粒子性越显著，由玻尔理论可知，从能级跃迁到能级的粒子能量最大，由，可知，该光子的频率最高，该光子的粒子性最显著，故C错误；D．大量处于基态的氢原子吸收的光子后，由跃迁规律可知，大量的氢原子可以跃迁到能级，则放出的光子数为，故D错误。故选A。

3．关于衰变方程，下列说法正确的是(　　）

A．X是质子

B．衰变前后总质量保持不变

C．X的穿透能力比α粒子强

D．100个经过一个半衰期还剩下50个

【答案】C

【解析】A．根据电荷数和质量数守恒，X是电子，选项A错误；

B．衰变过程释放能量，根据质能方程，衰变过程总质量减小，选项B错误；

C．X是电子，其穿透能力比α粒子强，选项C正确；

D．衰变是针对大量元素而言，少数无意义，选项D错误。故选C。

4．图甲为某实验小组探究光电效应规律的实验装置，使用a、b、c三束单色光在同一光电管中实验，得到光电流与对应电压之间的关系图像如图乙所示，下列说法正确的是(　　）

A．a光频率最大，c光频率最小

B．a光与c光颜色不同，但a光的光照强度大

C．a光波长大于b光波长

D．a光与c光照射同一金属，逸出光电子的初动能都相等

【答案】C

【解析】AB．根据

因为b光的截止电压最大，则频率最大，ac截止电压相同，则频率相同，故ac颜色相同，选项AB错误；

C．根据

可知a光波长大于b光波长，选项C正确；

 D．因ac的频率相等，则a光与c光照射同一金属，逸出光电子的最大初动能都相等，注意是“最大初动能”而不是“初动能”，选项D错误。故选C。

5．下列说法正确的是(　　）

A．卢瑟福的α粒子散射实验证明了原子核是由质子和中子组成的

B．发生光电效应现象时，只增大照射光的照射时间，光电子的最大初动能不变

C．钍的半衰期为24天，1g钍经过120天后还剩0.2g

D．Np发生β衰变说明Np原子核内有电子

【答案】B

【解析】A．卢瑟福通过α粒子散射实验提出了原子的核式结构模型，说明了原子是由原子核和核外电子构成，并不是证明了原子核由质子和中子组成的，故A错误；

B．发生光电效应现象时，根据爱因斯坦光电效应方程得：光电子的最大初动能

显然与照射光的照射时间无关，所以不会改变光电子的最大初动能，故B正确；

C．钍的半衰期为24天，1g钍经过120天后还剩

故C错误；D．发生β衰变的过程是：一个中子转变为质子时同时放出一个电子，并非原子核内有电子存在，即Np发生β衰变不能说明Np原子核内有电子，故D错误。故选B。

6．关于天然放射现象，下列说法正确的是(　　）

A．正是对天然现象的研究使我们意识到原子核是可分的，有质子和中子组成。

B．β射线是电子流，是由原子核外电子电离产生的，其电离性比α粒子弱。

C．γ射线不显电性，其穿透力在三种射线里是最强的。

D．放射现象是原子的行为，所以和其化学性质有关。

【答案】C

【解析】A．正是对天然现象的研究使我们意识到原子核有复杂结构，但没有得出内部组成成分，后来通过卢瑟福以及他的学生共同努力，用粒子轰击原子核，才找到原子核的组成，A错误；

B．β射线是电子流，是由原子核内部放出的，在原子核内中子放出电子后变成质子，B错误；

C．γ射线不显电性是光子，其穿透力在三种射线里是最强的，但电离本领最弱，C正确；

D．放射现象是原子核的行为，而化学性质是核外电子的行为，因此放射现象与化学性质无关，D错误。故选C。

7．氢原子的部分能级如图所示，大量的激发态的氢原子从能级直接跃迁到能级，辐射的光记为光，从能级跃迁到能级，辐射的光记为光，下列说法正确的是(　　）

A．从玻璃射向空气发生全反射时，光的临界角较小

B．光的传播速度小于光的传播速度

C．用同一装置进行双缝干涉实验，光的条纹间距较大

D．用光照射某金属，不能发生光电效应，用光照射有可能发生光电效应

【答案】A

【解析】A．a光对应的能级差较大，则a光的能量大，说明a光的频率大，折射率大，在玻璃中对应的临界角小，选项A正确；

B．没有说明是在某一种介质中，因为在真空中的传播速度是相同的，选项B错误；

C．根据条纹间距表达式

可知， a光的波长短，对应的条纹间距小，选项C错误；

D．a光的能量大，用光照射某金属，不能发生光电效应，用光照射更不可能发生光电效应，选项D错误。故选A。

8．下列说法不正确的是(　　）

A．把放射性元素同其他稳定元素结合成化合物，放射性元素的半衰期不变

B．裂变反应式中，Y是中子

C．卢瑟福用粒子轰击氮核的实验发现了质子，从而提出原子的核式结构

D．各种原子的发射光谱都是线状谱，这些亮线为原子的特征谱线

【答案】C

【解析】A．放射性元素的半衰期与放射性元素是否处于单质或化合物无关，选项A正确，不符合题意；

B．根据核反应的质量数和电荷数守恒可知，裂变反应式中，Y是中子，选项B正确，不符合题意；

C．卢瑟福用粒子轰击金箔实验，即粒子散射实验，提出原子的核式结构理论，选项C错误，符合题意；

D．各种原子的发射光谱都是线状谱，这些亮线为原子的特征谱线，选项D正确，不符合题意。故选C。

卢瑟福从α粒子散射实验，提出了原子具有核式结构模型，其他都对。

9．2020年6月23日北斗全球组网卫星的收官之星发射成功，其中“北斗三号”采用星载氢原子钟，通过氢原子的能级跃迁而产生的电磁波校准时钟。氢原子的部分能级结构如图所示，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．用11eV的光子照射，能使处于基态的氢原子跃迁到激发态

D．由n=2能级向n= 1能级跃迁时会辐射10.2eV能量的光子，氢原子中电子的动能增加

【答案】D

【解析】A．氢原子由基态跃迁到激发态后，核外电子动能减小，原子的电势能增大，故A错误；

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的光子的频率种类为

种

故B错误；

C．处于基态的氢原子跃迁到第一激发态需要吸收的能量为

跃迁到第二激发态需要吸收的能量为

故C错误；

D．由n=2能级向n= 1能级跃迁时会辐射10.2eV能量的光子，电场力做正功，氢原子中电子的动能增加，故D正确。故选D。

10．用同一实验装置如图甲研究光电效应现象，分别用A、B、C三束光照射光电管阴极，得到光电管两端电压与相应的光电流的关系如图乙所示，其中A、C两束光照射时对应的遏止电压相同，均为Uc1，下列论述正确的是(　　）

A．B光束光子的能量最小

B．A、C两束光的波长相同，且比B光的波长短

C．三个光束中B光束照射时单位时间内产生的光电子数量最多

D．三个光束中B光束照射时光电管发出的光电子最大初动能最大

【答案】D

【解析】A．当光电流为零时，光电管两端的电压为遏止电压，对应光的频率为截止频率，由

知，入射光的频率越高，对应的遏止电压Uc越大，A光、C光的遏止电压相等，故A光、C光的频率相等，它们的最大初动能也相等，而B光的频率最大，能量

A错误；

B．A光、C光的频率相等，B光的频率最大，根据

则A、C两束光的波长相同，B光的波长最短，B错误；

C．A光对应的饱和电流最大，因此A光照射时单位时间内产生的光电子数量最多，C错误；

D．光电子最大初动能

由图可知B光对应的遏止电压最大，因此三个光束中B光束照射时光电管发出的光电子最大初动能最大，D正确。故选D。

11．2020年11月27月0时4分，华龙一号核电5号机组首次并网成功，标志着我国正式进入核电技术先进国家行列。华龙一号发电机利用的是铀核裂变释放的核能，则下列叙述正确的是(　　）

A．太阳辐射能量的主要来源也是重核裂变

B．典型的裂变方程为

C．裂变过程中释放核能是因为产物中新核的比结合能大

D．锶90是铀235的裂变产物，其半衰期为28年，那么经过56年锶90便衰变没了

【答案】C

【解析】A．太阳内部发生聚变， A错误；

B．典型的裂变方程为

B错误；

C．裂变释放核能是因为新核的比结合能大于原来重核的比结合能，C正确；

D．经过56年锶90剩下原来的四分之一，D错误。故选C。

12．如图所示是描述原子核核子的平均质量m与原子序数Z的关系曲线，由图可知下列说法正确的是(　　）

A．原子核A比原子核F的比结合能大

B．原子核D比原子核F更稳定

C．由原子核A分裂出原子核B、C的过程一定释放能量

D．由原子核D、E结合出原子核F的过程一定吸收能量

【答案】C

【解析】AB．平均质量越小，则比结合能越大，原子核越稳定，则原子核A比原子核F的比结合能小，原子核F比原子核D更稳定，AB错误；C．若原子核A分裂成B、C，有质量亏损，根据爱因斯坦质能方程，有能量释放，C正确；D．原子核D、E结合成F，有质量亏损，根据爱因斯坦质能方程，有能量释放，D错误。故选C。

13．据报道，2020年1月到11月，我国运行核电机组共49台(不含台湾地区核电信息）核能发电量约为3309.7亿千瓦时，约占全国累计发电量的5%，为我国绎济建设提供了重要的能源保障。关于核电发电，下列说法正确的是(　　）

A．核反应方程可能是∶

B．核反应过程中质量和质量数均减少

C．现有核电站核反应的类型包含核聚变和核裂变两种类型

D．低于临界体积的铀块无法发生链式反应

【答案】D

【解析】A．核电发电，核反应方程是

故A错误；

B．核反应过程中，要释放能量，根据爱因斯坦质能方程

可知质量是减少的，但反应前后质量数保持不变，故B错误；

C．现有核电站核反应的类型主要是核裂变，核聚变还没有应用于核电站发电，故C错误；D．低于临界体积时，铀块无法发生链式反应，故D正确。故选D。

14．硼中子俘获治疗(BNCT技术）是一种生物靶向放射治疗模式，其原理是利用超热中子(）束照射富集含硼药物的肿瘤组织部位，与硼(）发生核反应生成锂(）并放出一种射线，利用该射线杀灭癌细胞。超热中子束的来源之一是加速后的质子(）轰击铍(）产生的。根据以上信息可以推断(　　）

A．这种生物靶向治疗用到的杀灭癌细胞的射线是射线

B．中子与硼(）发生的核反应属于衰变

C．产生超热中子束的核反应方程是

D．质子与铍(）发生的核反应属于轻核聚变

【答案】AC

【解析】AB．根据题意可知，利用超热中子束照射富集含硼药物的肿瘤组织部位，并与硼10发生反应放出的粒子(锂7和另一种射线）杀灭癌细胞，其核反应方程为

所以这种生物靶向治疗用到的射线是α射线，由于衰变是自发的，而该反应属于人工转变，故A正确，B错误；

CD．依题意可知，产生超热中子束的核反应方程是

超热中子束的来源之一是加速后的质子(）轰击铍(）产生的，则属于人工转变，故C正确，D错误。故选AC。

15．如图甲所示是研究光电效应规律的光电管。用强度一定的波长 λ=0.50μm 的单色光照射阴极 K，实验测得流过G表的电流 I 与 AK 之间电势差 UAK满足如图乙所示规律，取 e=1.6×10-19 C，h=6.63×10-34 J·s。，下列说法正确的是(　　）

A．若用波长λ=0.30μm的单色光照射阴极 K，则乙图图线与横轴的交点会向右移动

B．若只增大入射光的强度，则乙图图线与横轴的交点会向左移动

C．每秒钟阴极发射的光电子数约为 4.0×1012 个

D．光电子飞出阴极 K 时的最大初动能约为 9.6×10-20 J

【答案】CD

【解析】A．根据

波长越大频率越小，则波长 λ=0.30μm 的单色光比波长 λ=0.50μm 的单色光的频率大，根据

增大入射光的频率，则遏止电压增大，图像与横轴交点会向左侧，A错误；

B．根据光电效应方程可知，仅增大入射光的强度，光电子的最大初动能不变，则遏止电压不变，乙图图线与横轴的交点不移动，B错误；

C．每秒发射光电子个数

C正确；

D．光电子飞出阴极K时的最大动能

D正确。

故选CD。