高中物理原子与原子核问题(含答案)

原子和原子核问题⑵光谱分类⑵光谱分类一、氢原子光谱与能级跃迁1.氢原子光谱(1)光谱：用光栅或棱镜可以把各种颜色的光按波长展开，获得光的波长(频率)和强度分布的记录，即光谱.⑶氢原子光谱的实验规律：巴耳末系是氢光谱在可见光区的谱线，⑷111其波长公式^=R(22_n2)(n=3,4,5,…，R是里德伯常量，R=x107m-1).—红外光谱分析：利用每种原子都有自己的特征谱线，可以用来鉴别物质和确定物质的组成成分，它的优点是灵敏度高，样本中一种元素的含量达到10-10g时就可以被检测到，这种方法称为光谱分析。(5)在发现和鉴别化学元素上有着重大的意义.2•氢原子的能级结构、能级公式(1)玻尔理论定态：原子只能处于一系列丕连续的能量状态中，在这些能量状态中原子是稳定的，电子虽然绕核运动，但并不向外辐射能量.跃迁：电子从能量较高的定态轨道跃迁到能量较低的定态轨道时，会放出能量为hv的光子，这个光子的能量由前后两个能级的能量差决定，即hv=Em_En.(h是普朗克常量，h=x10-34J・s)'③轨道：原子的不同能量状态跟电子在不同的圆周轨道绕核运动相对应.原子的定态是不连续的，因此电子的可能轨道也是不连续的.(2)几个概念能级：在玻尔理论中，原子的能量是量子化的，这些量子化的能量值，叫做能级.基态：原子能量最低的状态.激发态：在原子能量状态中除基态之外的其他的状态.量子数：原子的状态是不连续的，用于表示原子状态的正整数.1⑶氢原子的能级公式：En=n2E](n=123,…)，其中E]为基态能量,其数值为E]=二eV.⑷氢原子的半径公式：rn=n2r^(n=1,2,3,…)，其中q为基态半径,又称玻尔半径，其数值为G=xlO二om..3•氢原子的能级图【例题】1当用具有能量的光子照射n=3激发态的氢原子时，氢原子()不会吸收这个光子吸收该光子后被电离，电离后的动能为吸收该光子后被电离，电离后电子的动能为零吸收该光子后不会被电离解析：当n=3时，氢原子的能量迅=-1-弘卩，所以处于n=3激发态的氢原子的电离能是，当该原子吸收具有能量的光子后被电离,电离后电子的动能是(1.87-1.51>T=D.北护，所以选项B正确。2如图为氢原子的能级示意图的部分，氢原子光谱在可见光部分只有四条谱线，一条红色、一条蓝色、两条紫色，它们分别是从n=3、4、5、6能级向n=2能级跃迁时产生的，则下列说法中正确的是()?1=斗—O.85eVh=3—L.SlcVm=2—3.4CeVn=1—13.MeVA红色光谱是氢原子从n=6能级向n=2能级跃迁时产生的B蓝色光谱是氢原子从n=6能级或n=5能级向n=2能级跃迁时产生的C若从n=7能级向n=3能级跃迁时，则能够产生紫外线(D若原子从n=6能级向n=1能级跃迁时所产生的辐射不能使某金属发生光电效应，则原子从n=6能级向n=2能级跃迁时所产生的辐射将不可能使该金属发生光电效应【答案】D【解析】A、四条谱线中，红色光谱的频率最小，知红色光谱是氢原子从n=3能级向n=2能级跃迁时产生的.故A错误.B、蓝色谱线频率大于红色谱线，小于紫色谱线，知蓝色光谱是氢原子从n=4能级或n=5能级向n=2能级跃迁时产生的.故B错误.C、从n=7能级向n=3能级跃迁时，辐射的光子能量小于n=6能级向n=2能级跃迁时辐射的光子能量，即辐射的光子频率小于紫光的频率，不可能是紫外线.故C错误.D、若原子从n=6能级向n=1能级跃迁时所产生的辐射不能使某金属发生光电效应，知光子频率小于金属的极限频率，而原子从n=6能级向n=2能级跃迁时辐射的光子频率更小于金属的极限频率，不可能发生光电效应•故D正确.故选D.3【2014•浙江卷】玻尔氢原子模型成功解释了氢原子光谱的实验规律，氢原子能级图如图2所示，当氢原子从n=4的能级跃迁到n=2的能级时，辐射出频率为Hz的光子.用该频率的光照射TOC\o"1-5"\h\z逸出功为eV的钾表面，产生的光电子的最大初动能为eV.（电子电荷量e=xl0-i9C，普朗克常量h=xl0-34j・s）nZ/eVCO■■■■■■■»»[>■![I&-5-054q-0迸3512-3d：Im【解析】由跃迁条件，可知hv=E4_E2=—eV=x10-19J，解得辐射出的光子的频率为x1014Hz,根据爱因斯坦光电效应方程Ek=hv—W，计算可得产生电子的最大初动能为eV.4用总能量为13eV的一个自由电子与处于基态的氢原子发生碰撞（不计氢原子的动量变化），则电子可能剩余的能量（碰撞中无能量损失）是（）B.C.D.【解析】：根据光子说，每一个光子的能量沟卜均不可"分”，也只有频率的光子才能使k态的原子跃迁到n态。实物粒子与h光子不同，其能量不是一份一份的。实物粒子使原子发生能级跃迁是通过碰撞来实现的。当实物粒子速度达到一定数值，具有一定的动能时，实物粒子与原子发生碰撞，其动能可全部或部分地被原子吸收，使原子从一个较低的能级跃迁到另一个较高的能级，原子从实物粒子所处获得的能量只是两个能级的能量之差。只要入射粒子的能量大于或等于两个能级的能量差值,均可使原子发生能级跃迁。本题母氢原子各级能量由低到高分别用E］、E2、E3、E4表示，则虽-比=1%厂，迅~^=1鬼严，因几射电子的能量大于任一激发态与基态的能量差，处于基态的氢原子可能分别跃迁到n=2、3、4能级,而电子可能剩余的能量分别为、、，故正确选项为B、C。【练习】

1如图为氢原子的能级图，A、B、C分别表示电子在三种不同能级跃迁时放出的光子，其中（）A频率最大的是BA频率最大的是BB波长最长的疋CC频率最大的是AD波长最长的疋BZ/eV06-0.385—0.54A—0.853-1.512—3.40【解析】：选A,B2如图所示是氢原子的能级图，大量处于n=4激发态的氢原子向低能级跃时，一共可以辐射出6种不同频率的光子.其中巴耳末系是指氢原子由高能级n=2能级跃迁时释放的光子，则（）A6种光子中波长最长的是n=4激发态跃迁到基态时产生的B6种光子中有2种属于巴耳末系C使n=4能级的氢原子电离至少要的能量D从n=2能级跃迁到基态释放光子的能量小于n=3能级跃迁到n=2能级释放光子的能量£/ev2113,6£/ev2解:A、n=4激发态跃迁到基态时产生光子的能量最大，根据E=h~知,A波长最短，故A错误；B、6中巴耳末系是指氢原子由高能级向n=2能级跃迁时释放的光子,6种光子中从n=4T2与n=3T2的属于巴耳末系，即2种，故B正确；C、n=4能级的氢原子具有的能量为，故要使其发生电离能量变为0，至少需要的能量，故C正确；D、从n=2能级跃迁到基态释放的光子能量为，若能使某金属板发生光电效应，从n=3能级跃迁到n=2能级释放的光子能量，不一定能使该板发生光电效应，故D错误.故选：BC3有一个处于量子数n=4的激发态的氢原子，它向低能级跃迁时,最多可能发出几种频率的光子【解析】：对于一个氢原子，它只能是多种可能的跃迁过程的一种,如图所示，由能级跃迁规律可知：处于量子数n=4的氢原子跃迁到n=3,n=2,n=1较低能级，所以最多的谱线只有3条。

□=斗n=3n=24已知氢原子的能级公式为：几二二，其中E1=.现让一束单色光照射一群处于基态的氢原子，受照射后的氢原子能自发地发出3种不同频率的光，则该照射单色光的光子能量为（）ABCD【解析】：选C根据氢原子能自发的发出3种不同频率的光，I.）_得：，解得：n=3，此时氢原子处于第3能级，£|有：「尸•32能级差为：△e=e3-e1=（）=，故ABD错误，C正确.5已知氢原子的能级规律为E厂、E2=、E3=、E4=.现用光子能量介于11eV〜范围内的光去照射一大群处于基态的氢原子，下列说法中正确的是（）A照射光中可能被基态的氢原子吸收的光子只有一种B照射光中可能被基态的氢原子吸收的光子有无数种C激发后的氢原子发射的不同能量的光子最多有三种D激发后的氢原子发射的不同能量的光子最多有两种【解析】：选AC6氢原子能级图的一部分如图所示，a、b、c分别表示在不同能级之间的三种跃迁途径，设在a、b、c三种跃迁过程中，放出光子的能量和波长分别是备爲、民和心為、兀，则（）I#【解析】：由能量关系可知，由代入上式A111即。所以选项B、D正确。g7用大量具有一定能量的电子轰击大量处于基态的氢原子，观测到了一定数目的光谱线。调高电子的能量再此进行观测，发现光谱线的数目比原来增加了5条。用表示两次观测中最高激发态的量子数n之差，E表示调高后电子的能量。根据氢原子的能级图可以判断，和E的可能值为（）A.^n=1，eVvEveVB.An=2，eVvEveVC.An=1，eVvEveVD.An=2，eVvEveV【解析】:本题由于是电子轰击，存在两种可能：第一种n=2到n=4，所以电子的能量必须满足，故D选项正确；第二种可能是n=5,n=6，电子能量必须满足，故A选项正确。所以答案应选AD。8一个氢原子从n=3能级跃迁到n=2能级，该氢原子（）放出光子，能量增加B.放出光子，能量减少吸收光子，能量增加D.吸收光子，能量减少答案B解析氢原子从高能级向低能级跃迁时，放出光子，能量减少，故选项B正确，选项A、C、D错误.二、原子核核反应和核能原子核的组成(1)原子核由质子和中子组成，质子和中子统称为核子.质子带正电，中子不带电.⑵X元素的原子核的符号为aX,Z人一质量数=核子数=质子数+中子数，Z—核电荷数=质子数(Z)=元素的原子序数=核外电子数.天然放射现象(1)天然放射现象：元素自发地放出射线的现象，首先由贝可勒尔发现.天然放射现象的发现，说明原子核具有复杂的结构.⑵三种射线名称构成符号电荷量质量电离能力贯穿本领a射线氨核2He+2e4u最强最'弱B射线电子0-ie—e1^40u较强较强Y身丁线、【丄P儿JY00最弱最强

⑶放射性同位素的应用与防护放射性同位素：有天然放射性同位素和人工放射性同位素两类,放射性同位素的化学性质相同•应用：消除静电、工业探伤、做示踪原子等.防护：防止放射性对人体组织的伤害.核反应类型及核反应方程类型可控性核反应方程典例衰变a袅变自发238234492U—90Th+2HeB辰变自发234234090Th—91Pa—le人工转变人工控制144171一7N+2He—8O+1H（卢瑟福发现质子）491212He+4Be-6C+0n（查德威克发现中子）27430113AI+2He^l5P+0n%约里奥•居里夫妇发现放射性同位素，同时发现正电子3030015P—14Si++le重核裂变比较容易进行人工控制235922351144S9192U+On-56Ba+36Kr+30n235113690192U+On—54Xe+38Sr+100n轻核聚变除氢弹外无法控制23411H+1H—2He+0n①衰变：原子核放出a粒子或B粒子，变成另一种原子核的变化称为原子核的衰变.a衰变:ZxtZ二2y+2hcB衰变:ZXTz+AlY+'le当放射性物质连续发生衰变时，原子核中有的发生a衰变，有的发生B衰变，同时伴随着Y辐射.两个典型的衰变方程a衰变：29?U^2934Th+2HeB衰变:2904Th^2934Pa+-()1e.②核反应遵从的规律①质量数守恒电荷数守恒动量守恒；能量守恒.半衰期定义：放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间.影响因素：放射性元素衰变的快慢是由核内部自身的因素决定的，跟原子所处的化学状态和外部条件没有关系.⑶公式：N余二N原•〔》：，m余=m原•〔》［核力：原子核内部，核子间所特有的相互作用力.核能⑴核子在结合成原子核时出现质量亏损Am，其对应的能量△mc2.(2)原子核分解成核子时要吸收一定的能量，相应的质量增加Am，吸收的能量为AE=Amc2.核能释放的两种途径的理解(1)使较重的核分裂成中等大小的核；⑵较小的核结合成中等大小的核.核子的比结合能都会增大，都可以释放能量.>【例题】1贝可勒尔在120年前首先发现了天然放射现象，如今原子核的放射性在众多领域中有着广泛应用.下列属于放射性衰变的是()侍一甲“+―0e巒+0n-揺1+39丫+20n+齐-加+0n4+2§A|f30P+0n答案A解析A属于B衰变，B属于重核裂变，C是轻核聚变，D是原子核的人工转变，故选A项.一个静止的氮核Fn俘获一个速度为x107m/s的氦核变成B、C两个新核.设B的速度方向与氦核速度方向相同、大小为4x106m/s，B的质量数是C的17倍，B、C两原子核的电荷数之比为8:1.⑴写出核反应方程；⑵估算C核的速度大小.答案（1）7^+2日6980+1日（2）x107m/s解析（2）由动量守恒定律：mHevHe=mOvO+mHvH兀=一灯07m/sH即C核的速度大小为x107m/s%【练习】1下列有关原子结构和原子核的认识，其中正确的是（）Y射线是高速运动的电子流氢原子辐射光子后，其绕核运动的电子动能增大太阳辐射能量的主要来源是太阳中发生的重核裂变的半衰期是5天，100克綁Bi经过10天后还剩下50克答案B解析B射线是高速电子流，而Y射线是一种电磁波，选项A错误.氢原子辐射光子后，绕核运动的电子距核更近，动能增大，选项B正确.太阳辐射能量的主要来源是太阳内部氢核的聚变，选项C错误.10天为两个半衰期，剩余的WBi为100x（护g=100x（2）2g=25g,选项D错误.2核反应方程4Be+2He—6c+X中的X表示（）质子B.电子C.光子D.中子答案D3^C能自发地进行B衰变，下列判断正确的是（）^C经B衰变后变成6c^C经B衰变后变成¥nc.6c发生B衰变时，原子核内一个质子转化成中子6C发生B衰变时，原子核内一个中子转化成质子答案BD4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，核反应方程分另U为：X+YT2He+3H+MeV和1H+1hT2He+X+MeV.下列表述正确的有（）X是中子Y的质子数是3,中子数是6两个核反应都没有质量亏损氘和氚的核反应是核聚变反应答案AD解析根据核反应方程：?H+?H^2He+X，X的质量数：mx=2+3—4=1，核电荷数：Z]=1+1—2=0，所以X是中子，故A正确；根据核反应方程：X+Y^2He+?H，X是中子，所以Y的质量数：m2=4+3—1=6，核电荷数：z2=2+1—0=3，所以Y的质子数是3,中子数是3,故B错误；根据两个核反应方程可知，都有大量的能量释放出来，所以一定都有质量亏损，故C错误；氘和氚的核反应过程中是质量比较小的核生成质量比较大的新核，所以是核聚变反应，故D正确.5关于天然放射现象，以下叙述正确的是（）若使放射性物质的温度升高，其半衰期将变大B衰变所释放的电子是原子核内的质子转变为中子时产生的在a、B、Y这三种射线中，a射线的穿透能力最强，Y射线的电离能力最强铀核（巒U）衰变为铅核（2826Pb）的过程中，要经过8次a衰变和6次B衰变答案D6（2018年模拟卷）目前核电站都是利用铀核裂变释放大量核能进行发电，其发生的核反应方程是：匚r一座发电功率为p=x106kw的核电站，核能转化为电能的效率n=50%,每次核反应过程中放出的核能AE=X1O-11J，