2017-2021年（5年）北京高考物理真题分类汇编：原子物理与核物理

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北京高考物理真题分类汇编之原子物理与核物理

一．选择题（共6小题）

1．（2021•北京）北京高能光源是我国首个第四代同步辐射光源，计划于2025年建成。同步辐射光具有光谱范围宽（从远红外到X光波段，波长范围约为10﹣5m～10﹣11m，对应能量范围约为10﹣1eV～105eV）、光源亮度高、偏振性好等诸多特点，在基础科学研究、应用科学和工艺学等领域已得到广泛应用。速度接近光速的电子在磁场中偏转时，会沿圆弧轨道切线发出电磁辐射，这个现象最初是在同步加速器上观察到的，称为“同步辐射”。以接近光速运动的单个电子能量约为109eV，回旋一圈辐射的总能量约为104eV。下列说法正确的是（）

A．同步辐射的机理与氢原子发光的机理一样

B．用同步辐射光照射氢原子，不能使氢原子电离

C．蛋白质分子的线度约为10﹣8m，不能用同步辐射光得到其衍射图样

D．尽管向外辐射能量，但电子回旋一圈后能量不会明显减小

2．（2020•北京）氢原子能级示意如图。现有大量氢原子处于n＝3能级上，下列说法正确的是（）

A．这些原子跃迁过程中最多可辐射出2种频率的光子

B．从n＝3能级跃迁到n＝1能级比跃迁到n＝2能级辐射的光子频率低

C．从n＝3能级跃迁到n＝4能级需吸收0.66eV的能量

D．n＝3能级的氢原子电离至少需要吸收13.6eV的能量

3．（2021•北京）硼（B）中子俘获治疗是目前最先进的癌症治疗手段之一。治疗时先给病人注射一种含硼的药物，随后用中子照射，硼俘获中子后，产生高杀伤力的α粒子和锂（Li）离子。这个核反应的方程是（）

A．B+n→Li+He

B．B+He→N+n

C．N+He→O+H

D．N+n→C+H

4．（2019•北京）光电管是一种利用光照射产生电流的装置，当入射光照在管中金属板上时，可能形成光电流。表中给出了6次实验的结果。

组

次

入射光子的能量/eV

相对光强

光电流大小/mA

逸出光电子的最大动能/eV

第一组

1

2

3

4.0

4.0

4.0

弱

中

强

29

43

60

0.9

0.9

0.9

第二组

4

5

6

6.0

6.0

6.0

弱

中

强

27

40

55

2.9

2.9

2.9

由表中数据得出的论断中不正确的是（）

A．两组实验采用了不同频率的入射光

B．两组实验所用的金属板材质不同

C．若入射光子的能量为5.0eV，逸出光电子的最大动能为1.9eV

D．若入射光子的能量为5.0eV，相对光强越强，光电流越大

5．（2018•北京）在核反应方程He+N→O+X中，X表示的是（）

A．质子 B．中子 C．电子 D．α粒子

6．（2017•北京）2017年年初，我国研制的“大连光源”﹣﹣极紫外自由电子激光装置，发出了波长在100nm（1nm＝10﹣9m）附近连续可调的世界上首个最强的极紫外激光脉冲，大连光源因其光子的能量大、密度高，可在能源利用、光刻技术、雾霾治理等领域的研究中发挥重要作用。一个处于极紫外波段的光子所具有的能量可以电离一个分子，但又不会把分子打碎。据此判断，能够电离一个分子的能量约为（取普朗克常量h＝6.6×10﹣34J•s，真空光速c＝3×108m/s）（）

A．10﹣21J B．10﹣18J C．10﹣15J D．10﹣12J

二．计算题（共1小题）

7．（2017•北京）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（）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△m。

2017-2021年北京高考物理真题分类汇编之原子物理与核物理

参考答案与试题解析

一．选择题（共6小题）

1．（2021•北京）北京高能光源是我国首个第四代同步辐射光源，计划于2025年建成。同步辐射光具有光谱范围宽（从远红外到X光波段，波长范围约为10﹣5m～10﹣11m，对应能量范围约为10﹣1eV～105eV）、光源亮度高、偏振性好等诸多特点，在基础科学研究、应用科学和工艺学等领域已得到广泛应用。速度接近光速的电子在磁场中偏转时，会沿圆弧轨道切线发出电磁辐射，这个现象最初是在同步加速器上观察到的，称为“同步辐射”。以接近光速运动的单个电子能量约为109eV，回旋一圈辐射的总能量约为104eV。下列说法正确的是（）

A．同步辐射的机理与氢原子发光的机理一样

B．用同步辐射光照射氢原子，不能使氢原子电离

C．蛋白质分子的线度约为10﹣8m，不能用同步辐射光得到其衍射图样

D．尽管向外辐射能量，但电子回旋一圈后能量不会明显减小

【考点】氢原子的能级公式和跃迁．

【专题】定量思想；推理法；原子的能级结构专题；分析综合能力．

【分析】根据题中叙述分析“同步辐射”的原理，再结合能级跃迁分析A选项；

使基态的氢原子电离需要的能量是13.6eV，由此分析B选项；

比较光的波长与蛋白质分子的线度分析C选项；

回旋一圈辐射的总能量约为104eV，占单个电子能量的十万分之一，由此分析D选项。

【解答】解：A、速度接近光速的电子在磁场中偏转时，会沿圆弧轨道切线发出电磁辐射，这是“同步辐射”。处于激发态的原子是不稳定的，会自发地向能量较低的能级跃迁，放出光子，这是原子发光的机理，二者发光的机理不同，故A错误；

B、使基态的氢原子电离需要的能量是13.6eV，单个电子回旋一圈辐射的总能量约为104eV＞13.6eV，所以用同步辐射光照射氢原子，能使氢原子电离，故B错误；

C、同步辐射光具有光谱范围宽（从远红外到X光波段，波长范围约为10﹣5m～10﹣11m，蛋白质分子的线度约为10﹣8m，可以用同步辐射光得到其衍射图样，故C错误；

D、回旋一圈辐射的总能量约为104eV，占单个电子能量的十万分之一，所以电子回旋一圈后能量不会明显减小，故D正确。

故选：D。

【点评】本题主要是考查“同步辐射”和“能级跃迁”的区别，关键是知道二者产生的机理不同，知道光子能量的计算公式。

2．（2020•北京）氢原子能级示意如图。现有大量氢原子处于n＝3能级上，下列说法正确的是（）

A．这些原子跃迁过程中最多可辐射出2种频率的光子

B．从n＝3能级跃迁到n＝1能级比跃迁到n＝2能级辐射的光子频率低

C．从n＝3能级跃迁到n＝4能级需吸收0.66eV的能量

D．n＝3能级的氢原子电离至少需要吸收13.6eV的能量

【考点】氢原子的能级公式和跃迁．

【专题】定性思想；推理法；原子的能级结构专题；推理能力．

【分析】一群氢原子，向低能级跃迁时最多发出的光子种数为C；利用公式hν＝Em﹣En计算辐射出去的光子频率，然后比较频率大小；n＝3能级的氢原子电离至少需要吸收1.51eV的能量。

【解答】解：A．大量氢原子处于n＝3能级跃迁到n＝1最多可辐射出C＝3种不同频率的光子，故A错误；

B．根据能级图可知从n＝3能级跃迁到n＝1能级辐射的光子能量为：hv1＝13.6eV﹣1.51eV＝12.09eV

从n＝3能级跃迁到n＝2能级辐射的光子能量为：hv2＝3.4eV﹣1.51eV＝1.89eV

比较可知从n＝3能级跃迁到n＝1能级比跃迁到n＝2能级辐射的光子频率高，故B错误；

C．根据能级图可知从n＝3能级跃迁到n＝4能级，需要吸收的能量为：E＝1.51eV﹣0.85eV＝0.66eV，故C正确；

D．根据能级图可知氢原子处于n＝3能级的能量为﹣1.51eV，故要使其电离至少需要吸收1.51eV的能量，故D错误。

故选：C。

【点评】本题考查了氢原子的能级公式和跃迁。轨道量子化和能量量子化是量子力学的基础，是近代物理学的巨大飞跃，学生要能通过简单的计算理解其意义。

3．（2021•北京）硼（B）中子俘获治疗是目前最先进的癌症治疗手段之一。治疗时先给病人注射一种含硼的药物，随后用中子照射，硼俘获中子后，产生高杀伤力的α粒子和锂（Li）离子。这个核反应的方程是（）

A．B+n→Li+He

B．B+He→N+n

C．N+He→O+H

D．N+n→C+H

【考点】爱因斯坦质能方程．

【专题】定性思想；推理法；重核的裂变和轻核的聚变专题；理解能力．

【分析】硼俘获中子后，产生高杀伤力的α粒子和锂（Li）离子，由此进行分析。

【解答】解：根据题意可知，硼俘获中子后，产生高杀伤力的α粒子和锂（Li）离子，核反应过程中满足质量数守恒和电荷数守恒，所以该核反应方程为：B+n→Li+He，故A正确、BCD错误。

故选：A。

【点评】本题主要是核反应方程的书写方法，关键是根据题意弄清楚核反应情况，根据质量数守恒、电荷数守恒分析。

4．（2019•北京）光电管是一种利用光照射产生电流的装置，当入射光照在管中金属板上时，可能形成光电流。表中给出了6次实验的结果。

组

次

入射光子的能量/eV

相对光强

光电流大小/mA

逸出光电子的最大动能/eV

第一组

1

2

3

4.0

4.0

4.0

弱

中

强

29

43

60

0.9

0.9

0.9

第二组

4

5

6

6.0

6.0

6.0

弱

中

强

27

40

55

2.9

2.9

2.9

由表中数据得出的论断中不正确的是（）

A．两组实验采用了不同频率的入射光

B．两组实验所用的金属板材质不同

C．若入射光子的能量为5.0eV，逸出光电子的最大动能为1.9eV

D．若入射光子的能量为5.0eV，相对光强越强，光电流越大

【考点】光电效应．

【专题】信息给予题；学科综合题；定性思想；定量思想；推理法；方程法；光电效应专题；理解能力；推理能力．

【分析】根据光子能量的大小分析是否为同频率的光子；根据光电效应方程求出两组实验中金属板的逸出功，从而确定是否为同种金属；根据光电效应方程分析光电子的最大初动能；根据表格数据分析光电流的大小与光的强度的关系。

【解答】解：A．第一组实验时，光子能量为4.0eV，第二组实验时，光子能量为6.0eV，可知两组实验采用了不同频率的入射光，故A正确；

B．根据光电效应方程Ek＝hv﹣W，可得第一组实验对应金属板的逸出功为W＝4.0eV﹣0.9eV＝3.1eV，第二实验对应金属板的逸出功为W'＝6.0eV﹣2.9eV＝3.1eV，有W＝W'，则可知两组实验所用的金属板材质相同，故B错误；

C．若入射光子的能量为5.0eV，根据光电效应方程Ek＝hv﹣W，可得逸出光电子的最大动能为Ek＝5.0eV﹣3.1eV＝1.9eV，故C正确；

D．由表格中的数据可知，在产生光电效应的前提下，对同种频率的入射光而言，入射光的强度越大，光电流越大，所以若入射光子的能量为5.0eV，相对光强越强，光电流越大，故D正确。

本题选不正确的，故选：B。

【点评】解决本题的关键掌握光电效应方程，知道同一种金属，逸出功相同，知道最大初动能与遏止电压的关系，并能灵活运用，掌握光电流的大小与光的强度的大小关系。

5．（2018•北京）在核反应方程He+N→O+X中，X表示的是（）

A．质子 B．中子 C．电子 D．α粒子

【考点】原子核的人工转变．

【专题】定性思想；推理法；衰变和半衰期专题．

【分析】根据质量数和电荷数守恒求出x的电荷数和质量数，即可判断x是否表示电子、质子、还是中子。

【解答】解：根据质量数和电荷数守恒，He+N→O+X，X表示的是质子，故A正确，BCD错误。

故选：A。

【点评】本题比较简单，考查了核反应方程中的质量数和电荷数守恒的应用。

6．（2017•北京）2017年年初，我国研制的“大连光源”﹣﹣极紫外自由电子激光装置，发出了波长在100nm（1nm＝10﹣9m）附近连续可调的世界上首个最强的极紫外激光脉冲，大连光源因其光子的能量大、密度高，可在能源利用、光刻技术、雾霾治理等领域的研究中发挥重要作用。一个处于极紫外波段的光子所具有的能量可以电离一个分子，但又不会把分子打碎。据此判断，能够电离一个分子的能量约为（取普朗克常量h＝6.6×10﹣34J•s，真空光速c＝3×108m/s）（）

A．10﹣21J B．10﹣18J C．10﹣15J D．10﹣12J

【考点】光的波粒二象性．

【专题】定量思想；推理法；光的波粒二象性和物质波专题．

【分析】根据光子波长，结合E＝求出光子具有的能量，确定能够电离一个分子能量的数量级。

【解答】解：能够电离一个分子的能量为E＝＝J＝1.98×10﹣18J，故B正确，A、C、D错误。

故选：B。

【点评】解决本题的关键知道光子能量与光子波长的关系，结合公式分析求解，基础题。

二．计算题（共1小题）

7．（2017•北京）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（）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△m。

【考点】带电粒子在匀强磁场中的运动．

【专题】计算题；学科综合题；定量思想；推理法；带电