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

北京高考物理真题分类汇编之原子物理与核物理

选择题（共6小题）

I.（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〜10nm,对应

能量范围约为10」eV〜l（）5ev）、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

104eVo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lO^m,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（）

1--------------------13.6

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=l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a粒子和锂

（U）离子。这个核反应的方程是（）

A.10B+1L7u+4He

5032

B.llB+4Hef14N+ln

5270

C.14N+4He-17o+lH

7281

D.14N+l-l4C+lH

70n61

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。

组次入射光子的能相对光强光电流大小逸出光电子的

量/eV/mA最大动能/eV

第一组14.0弱290.9

24.0中430.9

34.0强600.9

第二组46.0弱272.9

56.0中402.9

66.0强552.9

由表中数据得出的论断中未定福的是（）

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4He+14N-17（＞x中，X表示的是（）

278

A.质子B.中子C.电子D.a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（lnm=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

X10-34J*s,真空光速c=3Xl（）8m/s）（）

A.10-2lJB.10l8JC.1015JD.1012J

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a

衰变。放射出的a粒子（4Re）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a粒子的质量和电荷量。

（1）放射性原子核用卷X表示，新核的元素符号用丫表示，写出该a衰变的核反应方

程。

（2）a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a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107m〜i07m,对应

能量范围约为101eV~l（）5eV）、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

104eVo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lO4eV,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I3.6eV,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lO^m〜

蛋白质分子的线度约为10-m,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（）

1--------------------13.6

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=l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C2；利用公式hv=Em

n

-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=l最多可辐射出C2=3种不同频

3

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=l能级辐射的光子能量为：hvi=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=l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-L51eV,故要使其电离至少需要吸

收1.5leV的能量，故D错误。

故选：Co

【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a粒子和锂

（Li）离子。这个核反应的方程是（)

A.10B+ln-7Li+4He

5032

B.11B+4HLMN+ln

5270

C.ldN+4Hef170+1H

7281

D.14N+l-14C+1H

70n61

【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a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a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：lOB+ln-

50

7Li+4He,故A正确、BCD错误。

32

故选：Ao

【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。

组次入射光子的能相对光强光电流大小逸出光电子的

量/eV/mA最大动能/eV

第一组14.0弱290.9

24.0中430.9

34.0600.9

强

第二组46.0弱272.9

56.0中402.9

66.0552.9

强

由表中数据得出的论断中未定阖的是（）

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=

W1,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：Bo

【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4He+14N-Ig+X中，X表示的是（）

278

A.质子B.中子C.电子D.a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,4He+17O+以，X表示的是质子,

2781

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（lnm=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

-34

X10J«s,真空光速c=3X108m/s）（）

A.10-2lJB.10l8JC.10l5JD.10l2J

【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=味-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。

-34

【解答】解：能够电离一个分子的能量为E=h_"=66X10X--J=1.98

入100X10-9

X1OI8J,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。

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a

衰变。放射出的a粒子（4Re）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a粒子的质量和电荷量。

（1）放射性原子核用垓X表示，新核的元素符号用丫表示，写出该a衰变的核反应方

程。

（2）a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a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am。

【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；带电粒子在磁场中的运动专题.

【分析】（1）由质量数守恒及电荷守恒写出核反应方程；

（2）由粒子做圆周运动，洛伦兹力做向心力求得运动周期，进而根据一个周期通过的电

量为粒子所带电荷量得到等效电流；

（3）由（2）求得a粒子的速度，再通过动量守恒求得新核的速度，进而求得两粒子的

动能，即可得到衰变过程的核能，再由爱因斯坦质能方程即可求得质量亏损。

【解答】解：Q）由质量数守恒及电荷守恒可得该a衰变的核反应方程为Ax-

:He；

（2）a粒子做圆周运动，洛