2025 选考专题高考 物理 （川陕青宁蒙新晋豫）第13讲　原子物理含答案

2025选考专题高考物理（川陕青宁蒙新晋豫）第13讲原子物理含答案第13讲原子物理【网络构建】【关键能力】紧扣课本,加强对相关概念和规律的理解和记忆.重点掌握原子核式结构的建立过程、原子能级跃迁、核反应、半衰期与质量亏损;也要加强原子物理涉及的物理学史和物理学方法.对结合能和比结合能的理解、半衰期、核能的相关计算是近些年的热点问题.题型1原子结构能级跃迁1.汤姆孙发现电子之后,提出的原子模型被称为“西瓜模型”或“枣糕模型”.2.卢瑟福根据α粒子散射实验的结果提出原子核式结构模型.3.玻尔提出了量子化的能级理论,原子能级跃迁发射或吸收的光子频率一定且光子能量等于两个能级的能量差,一群能级为n的原子向基态跃迁时发射光子的种类N=Cn2=例1[2024·湖北武汉模拟]下列四幅图涉及不同的物理知识,其中说法不正确的是 ()A.图甲:爱因斯坦通过研究黑体辐射提出能量子的概念,成为量子力学的奠基人之一B.图乙:康普顿效应说明光子具有粒子性,光子不但具有能量,还有动量C.图丙:卢瑟福研究α粒子散射实验,提出了原子的核式结构模型D.图丁:汤姆孙研究阴极射线管证实了阴极射线是带电粒子流[反思感悟]

例2[2024·福建福州模拟]图甲是氢原子能级图,图乙中的Hα、Hβ、Hγ、Hδ是氢原子从较高能级向n=2能级跃迁时产生的在可见光区域的四条谱线,其中谱线Hδ是氢原子从n=6能级向n=2能级跃迁时产生的,则 ()A.图乙中的氢原子光谱是连续光谱B.四条谱线中Hα对应的光子能量最大C.谱线Hδ对应的光子能量是3.02eVD.谱线Hγ是氢原子从n=7能级向n=2能级跃迁时产生的

【迁移拓展】1.[2024·山东济宁模拟]2023年诺贝尔物理学奖颁发给了为研究阿秒激光脉冲做出贡献的科学家.已知1阿秒为10-18s,光在真空中的速度为3.0×108m/s,某种光的波长为该光在真空中2187.7阿秒运动的距离,若该光是由氢原子能级跃迁发出的,根据如图所示的氢原子能级图和表格中不同光的波长与能量的对应关系,可知此光来源于氢原子()波长/(10-9m)能量/eV656.31.89486.42.55121.610.2102.612.09A.n=2和n=1能级之间的跃迁B.n=3和n=1能级之间的跃迁C.n=3和n=2能级之间的跃迁D.n=4和n=3能级之间的跃迁2.(多选)[2024·河北石家庄模拟]氢原子跃迁与巴耳末系的对比图像如图所示,已知光速为c,普朗克常量为h,下列说法正确的是 ()A.巴耳末系就是氢原子从n=3,4,5,…能级跃迁到基态时辐射出的光谱B.气体的发光原理是气体放电管中原子受到高速电子的撞击跃迁到激发态,再向低能级跃迁,放出光子C.氢原子从n=3能级跃迁到n=2能级时辐射出的光是可见光,但不属于巴耳末系D.若处于某个激发态的几个氢原子,只发出λ1、λ2、λ3三种波长的光,当λ1>λ2>λ3,则有λ1+λ2λ3=题型2原子核核反应1.核衰变问题(1)核衰变规律:m=12tTm0,N=1(2)α衰变和β衰变次数的确定方法①方法一:由于β衰变不改变质量数,故可以先由质量数改变确定α衰变的次数,再根据电荷数守恒确定β衰变的次数.②方法二:设α衰变次数为x,β衰变次数为y,根据质量数守恒和电荷数守恒列方程组求解.2.核能的计算方法(1)根据ΔE=Δmc2计算时,Δm的单位是“kg”,c的单位是“m/s”,ΔE的单位是“J”.(2)根据ΔE=Δm×931.5MeV/u计算时,Δm的单位是“u”,ΔE的单位是“MeV”.(3)根据比结合能来计算核能:原子核的结合能=比结合能×核子数.例3[2024·山东卷]2024年是中国航天大年,神舟十八号、嫦娥六号等已陆续飞天,部分航天器装载了具有抗干扰性强的核电池.已知

3890Sr衰变为

3990Y的半衰期约为29年;94238Pu衰变为

92234U的半衰期约87年.现用相同数目的A.

3890Sr衰变为B.

94238Pu衰变为C.50年后,剩余的

3890Sr数目大于D.87年后,剩余的

3890Sr数目小于

例4[2024·辽宁抚顺模拟]放射性同位素热电机是各种深空探测器中最理想的能量源,它不受温度及宇宙射线的影响,使用寿命可达十几年.用大量氘核轰击

92234U时可产生放射性元素

94238Pu,94238Pu的半衰期为87.74年,含有

94238Pu的化合物核电池的原理是其发生α衰变时将释放的能量转化为电能,我国的火星探测车用放射性材料PuOA.氘核轰击

92234U的核反应方程为

12HB.

94238U发生α衰变的核反应方程为

C.

94238Pu的比结合能大于D.1kg化合物

94238PuO2经过87.74年后剩余0.5kg

【迁移拓展】1.[2024·湖北卷]硼中子俘获疗法是目前治疗癌症最先进的手段之一.510B+01n→3aXA.a=7,b=1 B.a=7,b=2C.a=6,b=1 D.a=6,b=22.[2024·湖南长沙模拟]我国自主三代核电技术“华龙一号”全球首堆示范工程—福清核电5、6号机组正式通过竣工验收,设备国产化率达到90%,反映我国建立起了更加成熟完备的核科技工业体系.根据如图所示的原子核的比结合能曲线,以下判断中正确的是 ()A.

816O核的结合能比B.两个

12H核结合成C.两个

12H结合成D.

92235U中核子的平均质量比3.[2024·安徽合肥模拟]2024年2月,日本福岛第一核电站核污染水净化装置中,含有放射性物质的大量核污染水发生泄漏.核污水中包含多种放射性元素,如氚、锶、钚、碘等,其中碘的衰变方程为

53131I→54131Xe+-10e,已知mI=131.03721u,mXe=131.03186u,mA.衰变产生的β射线来自于

53B.放射性元素经过两个完整的半衰期后,将完全衰变殆尽C.原子核衰变时质量亏损,质量数减少D.该核反应要释放能量第13讲原子物理题型1例1A[解析]普朗克通过研究黑体辐射提出能量子的概念,成为量子力学的奠基人之一,故A说法错误;康普顿效应、光电效应说明光具有粒子性,光子具有能量,康普顿效应还表明光子具有动量,故B说法正确;卢瑟福研究α粒子散射实验,提出了原子的核式结构模型,故C说法正确;汤姆孙研究阴极射线管证实了阴极射线是带电粒子流,故D说法正确.例2C[解析]图乙中的氢原子光谱是线状谱,故A错误;光子能量为E=hν=hcλ,可知波长越长,光子能量越小,故四条谱线中Hα对应的光子能量最小,故B错误;谱线Hδ对应的光子能量是ΔE=E6-E2=[-0.38-(-3.4)]eV=3.02eV,故C正确;根据光子能量EHδ>EHγ>EHβ>EHα,可知谱线Hγ是氢原子从n=5能级向n=2能级跃迁时产生的,故D错误【迁移拓展】1.C[解析]该种光的波长为λ=ct=3.0×108×2187.7×10-18m=656.31×10-9m,由表格可知该光的能量为1.89eV,根据氢原子能级图可知n=3和n=2能级间的能量差为ΔE=E3-E2=[-1.51-(-3.40)]eV=1.89eV,故此光来源于氢原子n=3和n=2能级之间的跃迁,故C正确.2.BD[解析]由图可知,巴耳末系就是氢原子从n=3,4,5,6能级跃迁到n=2能级时辐射出的光谱,故A、C错误;通常情况下,原子处于基态,非常稳定,气体放电管中的原子受到高速运动的电子的撞击,有可能向上跃迁到激发态,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,最终回到基态,故B正确;根据题意,能级跃迁时,能级差与光子的能量关系有ΔE=Em-En=hν=ℎcλ,若处于某个激发态的几个氢原子,只发出λ1、λ2、λ3三种波长的光,且λ1>λ2>λ3,则有E3-E2=ℎcλ1,E2-E1=ℎcλ2,E3-E1=ℎcλ3,可得ℎcλ3=ℎcλ2+ℎc题型2例3D[解析]由质量数守恒和电荷数守恒可知,3890Sr→3990Y+-10e⇒β衰变,94238Pu→92234U+例4D[解析]大量氘核轰击

92234U时产生

94238Pu的核反应方程为212H+92234U→94238Pu,A错误;

94238Pu衰变时的核反应方程为

94238Pu→92234U+2【迁移拓展】1.B[解析]由质量数守恒和电荷数守恒可得10+1=a+4,5+0=3+b,解得a=7,b=2,故B正确.2.B[解析]由题图可知,36Li核的比结合能约为5MeV,则

36Li核的结合能约为30MeV,816O核的比结合能约为8MeV,则

816O核的结合能约为128MeV,所以

816O核的结合能比

36Li核的结合能更大,A错误;

12H的比结合能约为1eV,则两个

12H的结合能约为4eV,24He的比结合能约为7eV,则

3.D[解析]

53131I衰变时,原子核内中子转化为质子和电子,大量电子从原子核释放出来形成β射线,故A错误;半衰期是放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间,经过两个完整的半衰期后,还剩四分之一的原子核没有衰变,故B错误;原子核衰变时满足电荷数守恒,质量数守恒,故C错误;该反应质量亏损为Δm=mI-mXe-me=131.03721u-131.03186u-0.000549u=0.第13讲原子物理时间|40min1.α粒子散射实验被评为世界十大经典物理实验之一,此实验开创了原子结构研究的先河,为建立现代原子核理论打下了基础,关于α粒子散射实验,下列说法正确的是 ()A.汤姆孙的α粒子散射实验,证明了原子核是可以再分的B.该实验的数据否定了卢瑟福的“西瓜模型”,并估算了原子的大小C.该实验表明原子中心有一个极大的核,它占有原子体积的极大部分D.在其他条件相同情况下,只改变金箔的厚度,对实验结果会有影响2.[2023·山东卷]“梦天号”实验舱携带世界首套可相互对比的冷原子钟组发射升空,对提升我国导航定位、深空探测等技术具有重要意义.如图所示为某原子钟工作的四能级体系,原子吸收频率为ν0的光子从基态能级Ⅰ跃迁至激发态能级Ⅱ,然后自发辐射频率为ν1的光子,跃迁到钟跃迁的上能级2,并在一定条件下可跃迁到钟跃迁的下能级1,实现受激辐射,发出钟激光,最后辐射出频率为ν3的光子回到基态.该原子钟产生的钟激光的频率ν2为 ()A.ν0+ν1+ν3 B.ν0+ν1-ν3C.ν0-ν1+ν3 D.ν0-ν1-ν33.科学研究发现,钚(Pu)是一种具有放射性的超铀元素,其衰变方程为94239Pu→X+24He+γ,该衰变过程中产生的γ光子照射到逸出功为W0的金属上,逸出光电子的最大初动能为Ek0.已知普朗克常量为h,下列说法正确的是 A.X原子核中含有92个中子B.衰变产生的γ光子具有很强的电离作用C.衰变产生的γ光子的频率为WD.钚(Pu)核的比结合能大于X原子核的比结合能4.[2024·河北邢台模拟]我国第一台空间莱曼阿尔法太阳望远镜可探测波长为121.6nm的氢原子谱线,该谱线对应的光子能量为10.2eV.根据如图所示的氢原子能级图,可知此谱线来源于太阳中氢原子()A.n=4和n=1能级之间的跃迁B.n=3和n=1能级之间的跃迁C.n=2和n=1能级之间的跃迁D.n=3和n=2能级之间的跃迁5.(多选)[2024·湖北襄阳模拟]Hδ、Hγ、Hβ、Hα是氢原子的可见光谱线.这四条谱线分别为氢原子从n=6,5,4,3能级向n=2能级跃迁时发出的,波长关系为λHδ<λHγ<λHβ<λHα.下列说法正确的是 ()A.Hδ是氢原子从n=3能级向n=2能级跃迁时产生的B.Hδ是氢原子从n=6能级向n=2能级跃迁时产生的C.若用Hγ照射某种金属能发生光电效应,则用Hα照射这种金属一定也能发生光电效应D.若用Hα照射某种金属能发生光电效应,则用Hγ照射这种金属一定也能发生光电效应6.[2024·湖南长沙模拟]2024年2月29日,国际热核聚变实验堆(ITER)组织与中核集团牵头的中法联合体正式签署真空室模块组装合同,中国将再次为ITER计划顺利推进贡献智慧和力量.下列核反应方程中,属于热核反应的是 ()A.

12H+13HB.

714N+24HeC.

92238U→90D.

92235U+01n→567.[2024·山东济南模拟]2023年11月6日,全球首座第四代核电站在山东石岛湾并网发电,这标志着我国在高温气冷堆核电技术领域领先全球.当前广泛应用的第三代核电站主要利用铀(92235U)裂变产能,铀(92235U)的一种典型裂变产物是钡(56144Ba)和氪(36A.

92235U有92个中子B.铀原子核

92235U的结合能大于钡原子核

C.重核裂变成中等大小的核,核的比结合能减小D.上述裂变反应方程为

92235U→56144Ba8.[2024·福建莆田模拟]2023年,某造船公司正式发布全球首型、世界最大核动力集装箱船,它采用了第四代钍基堆型熔盐反应堆.其涉及的核反应包含

90233Th(钍)衰变为

91233Pa(镤),A.衰变方程为

90233Th→91B.钍核含有90个质子和140个中子C.衰变放出的电子来自原子的核外电子D.

91233Pa核的平均结合能小于

9.[2024·山东青岛模拟]玻尔氢原子电子轨道示意图如图所示,处于n=3能级的原子向低能级跃迁,会产生频率为ν31、ν32、ν21的三种光,下标数字表示相应的能级.已知普朗克常量为h,光速为c,下列选项中,正确的是 ()A.频率为ν31的光,其光子动量为EB.频率为ν31和ν21的两种光分别射入同一光电效应装置,均产生光电子,其最大初动能之差为hν32C.频率为ν31和ν21的两种光分别射入双缝间距为d、双缝到屏的距离为l的干涉装置,产生的干涉条纹间距之差为lcD.若原子从n=3跃迁至n=4能级,入射光的频率ν34'>E10.[2024·北京丰台区模拟]如图甲所示,中国工程物理研究院建立的“聚龙一号”实现了我国磁化套筒惯性约束聚变装置零的突破.该装置实现聚变的核心区域为一个半径为r(大约为1cm)、类似指环的金属套筒.套筒放在轴向的匀强磁场B中,内部空间充满固定体积的氘氚气体(如图乙阴影部分).当沿轴向通入大电流I后,金属套筒迅速在100ns时间内汽化成等离子体.在洛伦兹力的作用下,等离子体向中心汇聚,压缩氘氚气体发生聚变反应释放出能量.大电流产生的磁场提供给套筒侧面的压强满足关系:pm=μ0I28π2r2,其中μA.该装置将电能全部转化成聚变反应的核能B.外加磁场的作用是保证汽化后的等离子体受到轴向洛伦兹力的作用C.施加在套筒上的电流越大,越有利于聚变的发生D.套筒的厚度越大,汽化后的等离子体越容易向轴向运动,越有利于聚变的发生11.[2024·河北邯郸模拟]已知氘核质量为2.0141u,氚核质量为3.0161u,氦核质量为4.0026u,中子质量为1.0087u,阿伏加德罗常数NA取6.0×1023mol-1,氘核摩尔质量为2g/mol,1u相当于931.5MeV.关于氘与氚聚变成氦,下列说法正确的是 ()A.核反应方程式为

12H+13HB.氘核的比结合能比氦核的大C.氘核与氚核的间距达到10-10m就能发生核聚变D.4g氘完全参与聚变释放出能量的数量级为1025MeV12.[2024·黑龙江齐齐哈尔模拟]在火星上太阳能电池板发电能力有限,因此科学家们用放射性材料PuO2作为发电能源为火星车供电(PuO2中的Pu是

94238Pu).已知

94238Pu衰变后变为

92234U和一个X粒子.若静止的

94238Pu在磁感应强度大小为B的匀强磁场中发生衰变,X粒子的速度大小为v,方向与匀强磁场的方向垂直,在磁场中做匀速圆周运动(1)写出

94238Pu(2)92234U在磁场中的圆周运动可等效成一个环形电流,求

92234U做圆周运动的周期(3)磁矩是描述环形电流特征的物理量,把粒子做圆周运动形成的环形电流与圆环面积的乘积叫作粒子的回旋磁矩,用符号μ表示.试推导

92234U粒子回旋磁矩μ第13讲原子物理1.D[解析]卢瑟福的α粒子散射实验,证明了原子是可以再分的,故A错误;卢瑟福用α粒子散射实验的数据否定了汤姆孙的“西瓜模型”,并估算了原子核的大小,故B错误;从绝大多数α粒子几乎不发生偏转,可以推测使α粒子受到排斥力的核体积极小,表明原子中心有一个极小的核,它占有原子体积的极小部分,故C错误;在相同的条件下,改变金箔的厚度对实验结果有影响,故D正确.2.D[解析]原子吸收频率为ν0的光子从基态能级Ⅰ跃迁至激发态能级Ⅱ时有EⅡ-EⅠ=hν0,且从激发态能级Ⅱ向下跃迁到基态Ⅰ的过程有EⅡ-EⅠ=hν1+hν2+hν3,联立解得ν2=ν0-ν1-ν3,故选D.3.C[解析]由核反应过程的质量数守恒和电荷数守恒可知X的质量数为A=239-4=235,电荷数为Z=94-2=92,则X原子核中含有中子为n=235-92=143,故A错误;根据γ射线的特点可知,γ射线不带电,其电离能力很弱,故B错误;γ光子照射到逸出功为W0的金属上,逸出光电子的最大初动能为Ek0,由光电效应方程得Ek0=hν-W0,γ光子的频率为ν=W0+Ek0h,故C正确;钚(Pu)核的比结合能小于X原子核的比结合能4.C[解析]根据氢原子能级图可得E2-E1=-3.40eV-(-13.6)eV=10.2eV,可知此谱线来源于太阳中氢原子n=2和n=1能级之间的跃迁,故C正确.5.BD[解析]由于四条谱线中,Hδ谱线光子波长最小,其频率最大,所以Hδ是氢原子从n=6能级向n=2能级跃迁时产生的,故A错误,B正确;由于Hγ谱线光子波长小于Hα谱线的波长,则Hγ光子频率大于Hα的光子频率,若用Hγ照射某种金属能发生光电效应,则用Hα照射这种金属不一定能发生光电效应,但若用Hα照射某种金属能发生光电效应,则用Hγ照射这种金属一定能发生光电效应,故C错误,D正确.6.A[解析]太阳内部的两个轻核结合成质量较大的核,可在瞬间产生大量热能,发生的反应是热核反应,核反应方程为

12H+13H→+24He7.B[解析]

92235U有92个质子,143个中子,A错误;原子序数越大的原子核的结合能越大,所以铀原子核

92235U的结合能大于钡原子核

56144Ba的结合能,B正确;重核裂变成中等大小的核,中等大小的核更稳定,核的比结合能变大,C错误;根据质量数和电荷数守恒可知裂变反应方程为

92235U+8.A[解析]根据反应过程满足质量数和电荷数守恒可知,衰变方程为

90233Th→91233Pa+-10e,A正确;90233Th核含有90个质子和143个中子,B错误;衰变放出的电子来自原子核内,C错误;衰变后,91233Pa核比

902339.B[解