1、1专题十六 原子物理与原子核物理挖命题【考情探究】5 年考情考点 考向考题示例 学业水平 关联考点 素养要素预测热度原子核式结构学说原子物理玻尔原子理论 2016 北京理综,13,6 分 4 模型建构天然放射现象 2015 北京理综,17,6 分 4衰变粒子在匀强磁场中的圆周运动运动与相互作用观念2015 北京理综,14,6 分 3 物质观念核反应方程2018 北京理综,13,6 分 3 能量观念原子核核能的释放 2014 北京理综,14,6 分 4 物质观念分析解读 本专题内容是选修 3-5 模块的两个重要内容之一,由原来的选考内容改为必考内容,命题难度不大,但考点较多,主要包括光电效应、氢
2、原子能级、氢原子光谱、原子结构和原子核。复习时应注重四个问题:一是精读教材,熟练掌握教材内容,重视课后习题;二是重视与现代科技相联系的题目;三是把重点放在光电效应、氢原子能级跃迁规律、核反应方程的书写及结合能和质量亏损的计算上;四是动量守恒定律在核反应过程中的应用。【真题典例】2破考点【考点集训】考点一 原子物理1.卢瑟福通过对 粒子散射实验结果的分析,提出了( )A.原子的核式结构模型B.原子核内有中子存在C.电子是原子的组成部分D.原子核是由质子和中子组成的答案 A2.许多情况下光是由原子内部电子的运动产生的,因此光谱研究是探索原子结构的一条重要途径。利用氢气放电管可以获得氢原子光谱,根据
3、玻尔理论可以很好地解释氢原子光谱的产生机理。已知氢原子的基态能量为 E1,激发态能量为 En= ,其中 n=2,3,4,。1885 年,巴耳E1n2末对当时已知的在可见光区的四条谱线做了分析,发现这些谱线的波长能够用一个公式表示,这3个公式写做 =R( - ),n=3,4,5,。式中 R 叫做里德伯常量,这个公式称为巴耳末公式。用1 1221n2h 表示普朗克常量,c 表示真空中的光速,则里德伯常量 R 可以表示为( )A.- B. C.- D.E12hc E12hc E1hc E1hc答案 C考点二 原子核3.用中子 n)轰击铝 27 Al),产生钠 24 Na)和 X,则 X 是( )(1
4、0 (2713 (2411A.电子 B.质子 C.正电子 D. 粒子答案 D4.关于 、 三种射线,下列说法正确的是( )A.三种射线都带电B.三种射线都是电磁波C. 射线的电离能力最强D. 射线的穿透能力最强答案 C5.碳 12 的原子核是由 6 个质子和 6 个中子构成的,各质子之间存在着三种相互作用力,万有引力、库仑力和核力。这三种相互作用力的大小由弱到强的顺序是( )A.万有引力、库仑力、核力B.万有引力、核力、库仑力C.库仑力、万有引力、核力D.核力、万有引力、库仑力答案 A6.一个氘核与一个氚核结合成一个氦核同时放出中子,释放 17.6MeV 的能量。已知氘核、氚核、氦核和中子的质
5、量分别为 m1、m 2、m 3和 m4。下列说法正确的是 ( )A.该核反应方程是 H H He+ n 21 +31 42 210B.该核反应中的核燃料是当前核电站采用的核燃料C.m1+m2m3+m4D.该核反应可以在常温下进行4答案 C7.下列说法中正确的是( )A.放射性元素的半衰期随温度的升高而变短B. 射线是原子被电离后核外电子形成的电子流C.同种元素的两种同位素具有相同的核子数D.大量处于 n=2 能级的氢原子自发跃迁发光时只能发出一种频率的光答案 D8 核反应方程 U n Ba+ Kr+ n 表示中子轰击 U 原子核可能发生的一种 23592+10 X56 8936 310 235
6、92核反应,该核反应释放出的核能为 E。关于这个核反应,下列说法中正确的是( )A.该反应属于核聚变B Ba 中的 X 为 146.X56C Ba 中含有 56 个中子.X56D.该反应的质量亏损为 Ec2答案 D9.图为一放射源发出的 、 射线进入同一匀强磁场(磁场未画出)中的径迹。表中列出了三种射线的本质和特性。由此可知( )种类 本质 质量(u)电荷量(e)速度(c) 射线 氦核流 4 +2 0.1 射线 电子流 1/1840 -1 0.99 射线 光子流 0 0 1A.磁场方向垂直纸面向里,a 为 射线,b 为 射线B.磁场方向垂直纸面向里,a 为 射线,b 为 射线5C.磁场方向垂直
7、纸面向外,a 为 射线,b 为 射线D.磁场方向垂直纸面向外,b 为 射线,c 为 射线答案 A炼技法【方法集训】方法 1 应用玻尔理论分析氢原子的能级、轨道及氢原子光谱的方法1.氢原子部分能级的示意图如图所示。不同色光的光子能量如表所示。色光 红 橙 黄 绿 青蓝 紫光子能量范围(eV)1.612.002.002.072.072.142.142.532.532.762.763.10处于某激发态的氢原子,发射的光的谱线在可见光范围内仅有 2 条,其颜色分别为( )A.红、青蓝 B.黄、绿C.红、紫 D.青蓝、紫答案 A2.1885 年瑞士的中学教师巴耳末发现,氢原子光谱中可见光部分的四条谱线的
8、波长可归纳成一个简单的经验公式 =R( - ),n 为大于 2 的整数,R 为里德伯常量。1913 年,丹麦物理1 1221n2学家玻尔受到巴耳末公式的启发,同时还吸取了普朗克的量子假说、爱因斯坦的光子假说和卢瑟福的核式结构原子模型,提出了自己的原子理论。根据玻尔理论,推导出了氢原子光谱谱线的波长公式 =R( - ),m 与 n 都是正整数,且 nm。当 m 取定一个数值时,不同数值的 n1 1m21n2得出的谱线属于同一个线系。如:6m=1,n=2、3、4、组成的线系叫赖曼系;m=2,n=3、4、5、组成的线系叫巴耳末系;m=3,n=4、5、6、组成的线系叫帕邢系;m=4,n=5、6、7、组
9、成的线系叫布喇开系;m=5,n=6、7、8、组成的线系叫逢德系。以上线系只有一个在紫外光区,这个线系是( )A.赖曼系 B.帕邢系C.布喇开系 D.逢德系答案 A方法 2 核反应中的能量和动量综合分析法3.在微观领域,动量守恒定律和能量守恒定律依然适用。在轻核聚变的核反应中,两个氘核H)以相同的动能 E0=0.35MeV 做对心碰撞,假设该反应中释放的核能全部转化为氦核 He)(21 (32和中子 n)的动能。已知氘核的质量 mD=2.0141u,中子的质量 mn=1.0087u,氦核的质量(10mHe=3.0160u,其中 1u 相当于 931MeV。在上述轻核聚变的核反应中生成的氦核和中子
10、的动能各是多少 MeV(结果保留 1 位有效数字)?答案 1MeV 3MeV4.运动的原子核 X 放出 粒子后变成静止的原子核 Y。已知 X、Y 和 粒子的质量分别 AZ是 M、m 1和 m2,真空中的光速为 c, 粒子的速度远小于光速。求反应后与反应前的总动能之差以及 粒子的动能。答案 (M-m 1-m2)c2 c2M(M-m1-m2)M-m2过专题【五年高考】A 组 基础题组1.(2016 北京理综,13,6 分)处于 n=3 能级的大量氢原子,向低能级跃迁时,辐射光的频率有( )A.1 种 B.2 种C.3 种 D.4 种7答案 C2.(2018 北京理综,13,6 分)在核反应方程 H
11、e N O+X 中,X 表示的是( ) 42 +147 178A.质子 B.中子C.电子 D. 粒子答案 A3.(2015 北京理综,14,6 分)下列核反应方程中,属于 衰变的是 ( )A N He O HB U Th He.147 +42 178 +11 .23892 23490 +42C H H He n D Th Pa e.21 +31 42 +10 .23490 23491 + 0-1答案 B4.(2014 北京理综,14,6 分)质子、中子和氘核的质量分别为 m1、m 2和 m3。当一个质子和一个中子结合成氘核时,释放的能量是(c 表示真空中的光速)( )A.(m1+m2-m3)c
12、 B.(m1-m2-m3)cC.(m1+m2-m3)c2 D.(m1-m2-m3)c2答案 C5.(2015 北京理综,17,6 分)实验观察到,静止在匀强磁场中 A 点的原子核发生 衰变,衰变产生的新核与电子恰在纸面内做匀速圆周运动,运动方向和轨迹示意如图。则( )A.轨迹 1 是电子的,磁场方向垂直纸面向外B.轨迹 2 是电子的,磁场方向垂直纸面向外C.轨迹 1 是新核的,磁场方向垂直纸面向里D.轨迹 2 是新核的,磁场方向垂直纸面向里答案 D6.(2017 北京理综,23,18 分)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 衰变。放射出的 粒子 He)在与磁场垂
13、直的平面内做圆周运动,其轨道半径(42为 R。以 m、q 分别表示 粒子的质量和电荷量。8(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 衰变的核反应方程。 AZ(2) 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 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 m。答案 本题考查了原子核的衰变、动量和能量守恒、带电粒子在匀强磁场中的运动、质能方程等多个考点,是一道综合题,难度中等。(1 X Y He)AZ A-4Z-2 +42(2)设 粒子的速度大小为 v,由 qvB=m ,T= ,得v2R 2Rv
14、粒子在磁场中运动周期 T=2mqB环形电流大小 I= =qTq2B2m(3)由 qvB=m ,得 v=v2R qBRm设衰变后新核 Y 的速度大小为 v,系统动量守恒Mv-mv=0v= =mvMqBRM由 mc 2= Mv2+ mv212 12得 m=(M+m)(qBR)22mMc2说明:若利用 M= m 解答,亦可。A-44B 组 提升题组1.(2015 广东理综,18,6 分)(多选)科学家使用核反应获取氚,再利用氘和氚的核反应获得能量。核反应方程分别为:X+Y H+4.9MeV 和 H H He+X+17.6MeV。下列表述 42He+31 21 +31 42正确的有( )A.X 是中子
15、9B.Y 的质子数是 3,中子数是 6C.两个核反应都没有质量亏损D.氘和氚的核反应是核聚变反应答案 AD2.(2018 课标,14,6 分)1934 年,约里奥-居里夫妇用 粒子轰击铝核 Al,产生了第一 2713个人工放射性核素 X: Aln+X。X 的原子序数和质量数分别为( )+2713A.15 和 28 B.15 和 30 C.16 和 30 D.17 和 31答案 B3.(2018 天津理综,1,6 分)国家大科学工程中国散裂中子源(CSNS)于 2017 年 8 月 28 日首次打靶成功,获得中子束流,可以为诸多领域的研究和工业应用提供先进的研究平台。下列核反应中放出的粒子为中子
16、的是 ( )A N 俘获一个 粒子,产生 O 并放出一个粒子.147 178B Al 俘获一个 粒子,产生 P 并放出一个粒子.2713 3015C B 俘获一个质子,产生 Be 并放出一个粒子.115 84D Li 俘获一个质子,产生 He 并放出一个粒子.63 32答案 B4.(2017 课标,17,6 分)大科学工程“人造太阳”主要是将氘核聚变反应释放的能量用来发电。氘核聚变反应方程是: H n。已知 H 的质量为 2.0136u He 的质 21H+21 32He+10 21 ,32量为 3.0150u n 的质量为 1.0087u,1u=931MeV/c2。氘核聚变反应中释放的核能约
17、为( ),10A.3.7MeV B.3.3MeVC.2.7MeV D.0.93MeV答案 B105.(2017 课标,15,6 分)一静止的铀核放出一个 粒子衰变成钍核,衰变方程为 U 23892Th He。下列说法正确的是( ) 23490 +42A.衰变后钍核的动能等于 粒子的动能B.衰变后钍核的动量大小等于 粒子的动量大小C.铀核的半衰期等于其放出一个 粒子所经历的时间D.衰变后 粒子与钍核的质量之和等于衰变前铀核的质量答案 B6.(2017 天津理综,1,6 分)我国自主研发制造的国际热核聚变核心部件在国际上率先通过权威机构认证,这是我国对国际热核聚变项目的重大贡献。下列核反应方程中属
18、于聚变反应的是 ( )A H H He n B N He O H.21 +31 42 +10 .147 +42 178 +11C He Al P n D U n Ba Kr+ n.42 +2713 3015+10 .23592+10 14456 +8936 310答案 AC 组 教师专用题组1.(2012 北京理综,13,6 分)一个氢原子从 n=3 能级跃迁到 n=2 能级,该氢原子( )A.放出光子,能量增加 B.放出光子,能量减少C.吸收光子,能量增加 D.吸收光子,能量减少答案 B 2.(2011 北京理综,13,6 分)表示放射性元素碘 131 I) 衰变的方程是( )(13153A
19、 I Sb He B I Xe e.13153 12751 +42 .13153 13154 + 0-1C I I n D I Te H.13153 13053+10 .13153 13052 +11答案 B113.(2010 北京理综,15,6 分)太阳因核聚变释放出巨大的能量,同时其质量不断减少。太阳每秒钟辐射出的能量约为 41026J,根据爱因斯坦质能方程,太阳每秒钟减少的质量最接近 ( )A.1036kg B.1018kg C.1013kg D.109kg答案 D4.2016 课标,35(1),5 分(多选)一静止的铝原子核 Al 俘获一速度为 1.0107m/s 的 2713质子 p
20、 后,变为处于激发态的硅原子核 Si*。下列说法正确的是( ) 2814A.核反应方程为 p Al Si*+2713 2814B.核反应过程中系统动量守恒C.核反应过程中系统能量不守恒D.核反应前后核子数相等,所以生成物的质量等于反应物的质量之和E.硅原子核速度的数量级为 105m/s,方向与质子初速度的方向一致答案 ABE5.2016 课标,35(1),5 分在下列描述核过程的方程中,属于 衰变的是 ,属于 衰变的是 ,属于裂变的是 ,属于聚变的是 。(填正确答案标号) A C N e B P S e.146 147 + 0-1 .3215 3216+ 0-1C U Th He D N He
21、 O H.23892 23490 +42 .147 +42 178 +11E U n Xe Sr+ n F H H He n.23592+10 14054 +9438 210 .31 +21 42 +10答案 C AB E F【三年模拟】时间:45 分钟 分值:70 分一、选择题(本题 6 分,共 54 分)1.(2017 丰台一模,13)根据卢瑟福提出的原子核式结构模型解释 粒子散射实验,使极少数 粒子发生大角度偏转的作用力是( )A.原子核对 粒子的库仑引力12B.原子核对 粒子的库仑斥力C.核外电子对 粒子的库仑引力D.核外电子对 粒子的库仑斥力答案 B2.(2018 房山一模,15)下
22、列表述正确的是( )A. 粒子散射实验结果说明原子内部正电荷是均匀分布的B. 衰变说明原子的原子核外部存在自由电子C.玻尔认为,原子中电子轨道是量子化的,能量也是量子化的D.轻核聚变更为清洁、安全,目前大型核电站都是利用轻核的聚变发电的答案 C3.(2018 海淀二模,14)下列说法正确的是( )A.爱因斯坦提出的光子假说,成功解释了光电效应现象B.氢原子的电子由激发态向基态跃迁时,向外辐射光子,原子能量增加C.卢瑟福通过 粒子的散射实验发现了质子并预言了中子的存在D.汤姆孙发现了电子并提出了原子核式结构模型答案 A4.(2017 海淀二模,15)下列说法中正确的是( )A.天然放射现象的发现
23、,揭示了原子核是由质子和中子组成的B.氢原子的能级理论是玻尔在卢瑟福核式结构模型的基础上提出来的C.汤姆孙通过对阴极射线的研究提出了原子核具有复杂的结构D.卢瑟福的 粒子散射实验揭示了原子只能处于一系列不连续的能量状态中答案 B5.(2017 朝阳一模,13)开发更为安全、清洁的能源是人类不懈的追求。关于核反应H H He n,下列说法正确的是( ) 21 +31 42 +10A.该核反应属于重核的裂变B.该核反应属于轻核的聚变C.该核反应过程没有质量亏损D.目前核电站就是利用该核反应所释放的能量发电13答案 B6.(2017 朝阳二模,13)根据玻尔的原子模型,一个氢原子从 n=3 能级跃迁
24、到 n=1 能级时,该氢原子( )A.吸收光子,能量减小B.放出光子,能量减小C.放出光子,核外电子动能减小D.吸收光子,核外电子动能不变答案 B7.(2018 房山二模,14)如图所示为氢原子的能级示意图,大量氢原子处于 n=3 能级的激发态,在向较低能级跃迁的过程中向外发出光子,用这些光照射逸出功为 2.29eV 的金属钠,下列说法中正确的是( )A.这些氢原子能发出两种不同频率的光子B.从 n=3 能级跃迁到 n=2 能级所发出光子的波长最短C.金属钠发出的光电子的最大初动能为 9.80eVD.从 n=3 能级跃迁到 n=1 能级所发出的光子频率最低答案 C8.(2017 东城一模,20
25、)宇宙线是来自宇宙空间的高能粒子流,由各种原子核以及非常少量的电子、光子和中微子等组成,它可能携带着宇宙起源、天体演化的信息,一直吸引着科学家的关注。宇宙线粒子的能量范围非常大,有的可以高达 51019eV。宇宙线逃逸出宇宙线源在星际空间中传播时,会与磁场发生相互作用,导致一系列复杂的物理效应产生。利用空间探测器可以得到宇宙线在银河系中传播的一些数据,比如:铍 10 铍 9 比( ),Be10Be9其中铍 9 是宇宙线中原有的铍 10 在传播过程中衰变产生的。据此材料,以下叙述正确的是( )A.宇宙线粒子的能量可以高达 81038JB.宇宙线中的电子不会受到星际磁场的影响14C.根据 可以得到
26、宇宙线在银河系中平均传播时间的相关信息Be10Be9D.根据宇宙线到达探测器时的方向可以得到宇宙线源方位的相关信息答案 C9.(2017 海淀查缺补漏,20)一对正、负电子可形成一种寿命比较短的称为“电子偶素”的新粒子。电子偶素中的正电子与负电子都以速率 v 绕它们连线的中点做圆周运动。假定玻尔关于氢原子的理论可用于电子偶素,电子的质量 m、速率 v 和正、负电子间的距离 r 的乘积也满足量子化条件,即 mvnrn=n ,式中 n 称为量子数,可取整数值 1、2、3、,h 为普朗h2克常量。已知静电力常量为 k,电子质量为 m、电荷量为 e,当它们之间的距离为 r 时,电子偶素的电势能 Ep=
27、- ,则关于电子偶素处在基态时的能量 ,下列说法中正确的是( )ke2rA. B. C.- D.- 2k2e4mh2 2k2e2mh2 2k2e4mh2 2k2e2mh2答案 C二、非选择题(16 分)10.(2017 海淀一模,24)(16 分)(1)科学家发现,除了类似太阳系的恒星行星系统,还存在许多双星系统,通过对它们的研究,使我们对宇宙有了较深刻的认识。双星系统是由两个星体构成的,其中每个星体的线度(直径)都远小于两星体间的距离,一般双星系统距离其他星体很远,可以当做孤立系统处理。已知某双星系统中每个星体的质量都是 M0,两者相距 L,它们正围绕两者连线的中点做匀速圆周运动,引力常量为
28、 G。求:该双星系统中星体的加速度大小 a;该双星系统的运动周期 T。(2)微观世界与宏观世界往往存在奇妙的相似性。对于氢原子模型,因为原子核的质量远大于电子的质量,可以忽略原子核的运动,形成类似天文学中的恒星行星系统,记为模型。另一种模型认为氢原子的核外电子并非绕核旋转,而是类似天文学中的双星系统,核外电子和原子核依靠库仑力作用使它们同时绕彼此连线上某一点做匀速圆周运动,记为模型。已知核外电子的质量为 m,氢原子核的质量为 M,二者相距为 r,静电力常量为 k,电子和氢原子核的电荷量大小均为 e。模型、中系统的总动能分别用 Ek 、E k 表示,请推理分析,比较 Ek 、E k 的大小关系;
29、15模型、中核外电子做匀速圆周运动的周期分别用 T 、T 表示,通常情况下氢原子的研究采用模型的方案,请从周期的角度分析这样简化处理的合理性。答案 (1) 2GM0L2 L32GM0(2)模型中,设电子的速度为 v,对于电子绕核的运动,根据库仑定律和牛顿第二定律有=ke2r2mv2r解得:E k = mv2=12 ke22r模型中,设电子和原子核的速度分别为 v1、v 2,电子的运动半径为 r1,原子核的运动半径为 r2。根据库仑定律和牛顿第二定律对电子有: = ,解得 Ek1= m = r1ke2r2mv21r1 12v21ke22r2对原子核有: = ,解得 Ek2= M = r2ke2r
30、2Mv22r2 12v22ke22r2系统的总动能:E k =Ek1+Ek2= (r1+r2)=ke22r2 ke22r即在这两种模型中,系统的总动能相等。模型中,根据库仑定律和牛顿第二定律有=m r,解得 =ke2r2 4 2T2 T2 4 2mr3ke2模型中,电子和原子核的周期相同,均为 T根据库仑定律和牛顿第二定律对电子有: =m r1,解得:r 1=ke2r2 4 2T2 ke2T24 2r2m对原子核有: =M r2,解得:r 2=ke2r2 4 2T2 ke2T24 2r2M因 r1+r2=r,将以上两式代入,可解得: =T24 2mMr3ke2(M+m)所以有: =TT M+mM因为 Mm,可得 T T ,所以采用模型 更简单方便。16
