专题18 原子物理--2023高考物理分类解析

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2023高考物理分类解析
专题18 原子物理
1．（2023年6月高考浙江选考科目）有一种新型光电效应量子材料，其逸出功为W0。当紫外光照射该材料时，只产生动能和动量单一的相干光电子束。用该电子束照射间距为d的双缝，在与缝相距为L的观测屏上形成干涉条纹，测得条纹间距为 x。已知电子质量为m，普朗克常量为h，光速为c，则（ ）
A．电子的动量
B．电子的动能
C．光子的能量
D．光子的动量
【参考答案】.AD
【名师解析】根据双缝干涉条纹间隔公式△x=Lλ/d，可得λ=d△x/L。电子动量p=h/λ=，A正确；电子动能Ek===，B错误；根据爱因斯坦光电效应方程，Ek=E-W0，解得光子能量E=W0+，C错误；由E=cp可得光子动量p= W0/c+，D正确。
2. （2023学业水平等级考试上海卷）关于α粒子散射实验，下列说法正确的是
A. 实验必须在真空中进行
B. 荧光屏的作用是为了阻挡α粒子
C. 实验用显微镜必须正对放射源
D. 证明了原子核内有质子存在
【参考答案】A
【名师解析】由于α粒子具有很强的电离作用，所以α粒子散射实验装置必须在真空中进行，否则α粒子会电离空气，影响实验结果，A正确；α粒子打在荧光屏上产生荧光，所以荧光屏的作用是为了便于观察，B错误； 为了观察射向不同方向的α粒子数目，显微镜要更换不同位置观察，C错误；卢瑟福利用α粒子散射实验， 证明了原子的有核模型，不能证明核内有质子存在，D错误。
3. （2023高考山东高中学业水平等级考试）“梦天号”实验舱携带世界首套可相互比对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，原子吸收频率为的光子从基态能级I跃迁至激发态能级Ⅱ，然后自发辐射出频率为的光子，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，最后辐射出频率为的光子回到基态。该原子钟产生的钟激光的频率为（ ）
A. B.
C. D.
【参考答案】D
【名师解析】
原子吸收频率为光子从基态能级I跃迁至激发态能级Ⅱ时有
且从激发态能级Ⅱ向下跃迁到基态I的过程有
联立解得，D正确。
4．（2023年6月高考浙江选考科目）“玉兔二号”装有核电池，不惧漫长寒冷的月夜。核电池将衰变释放的核能一部分转换成电能。的衰变方程为，则（ ）
A．衰变方程中的X等于233
B．的穿透能力比γ射线强
C．比的比结合能小
D．月夜的寒冷导致的半衰期变大
【参考答案】.C
【名师解析】根据核反应方程遵循质量数守恒和电荷数守恒，可知X=238-4=234，A错误；γ射线的穿透能力比α射线穿透能力强，B错误；根据原子核衰变的产物的比结合能大于放射性原子核可知，Pu比U的比结合能小，C正确；半衰期与原子核所处的物理化学状态无关，D错误。
5. （2023高考全国甲卷）在下列两个核反应方程中
X+N→Y+O
Y+Li→2X
X和Y代表两种不同的原子核，以Z和A分别表示X的电荷数和质量数，则
A. Z=1，A=1，
B. Z=1，A=2，
C. Z=2，A=3，
D. Z=2，A=4，
【参考答案】D
【命题意图】本题考查核反应方程及其相关知识点。
【解题思路】设Y的电荷数为Z’, 质量数为A’，根据核反应方程满足的质量数守恒和电荷数守恒，Z+7=Z’+8，A+14=A’+17，Z’+3=2Z，A’+7=2A，联立解得：Z=2，A=4，Z’=1，A’=1，即Y为质子，X为氦核，D正确。
6. （2023高考全国乙卷） 2022年10月，全球众多天文设施观测到迄今最亮伽马射线暴，其中我国的“慧眼”卫星、“极目”空间望远镜等装置在该事件观测中作出重要贡献。由观测结果推断，该伽马射线暴在1分钟内释放的能量量级为 。假设释放的能量来自于物质质量的减少，则每秒钟平均减少的质量量级为（光速为）
A. B.
C. D.
【参考答案】C
【命题意图】本题考查平抛运动及其相关知识点。
【解题思路】1s时间内释放的能量为△E=1.6×1046J，由质能方程可得△E=△mc2，解得△m=1029kg，C正确。
【易错提醒】注意1分钟释放的能量要转化为1s时间内释放的能量。
7. （2023高考选择性考试辽宁卷）原子处于磁场中，某些能级会发生劈裂。某种原子能级劈裂前后的部分能级图如图所示，相应能级跃迁放出的光子分别设为①②③④。若用①照射某金属表面时能发生光电效应，且逸出光电子的最大初动能为Ek，则（　　）
A. ①和③的能量相等
B. ②的频率大于④的频率
C. 用②照射该金属一定能发生光电效应
D. 用④照射该金属逸出光电子的最大初动能小于Ek
【参考答案】A
【名师解析】
由图可知①和③对应的跃迁能级差相同，可知①和③的能量相等，选项A正确；
因②对应的能级差小于④对应的能级差，可知②的能量小于④的能量，根据可知②的频率小于④的频率，选项B错误；因②对应的能级差小于①对应的能级差，可知②的能量小于①，②的频率小于①，则若用①照射某金属表面时能发生光电效应，用②照射该金属不一定能发生光电效应，选项C错误；因④对应的能级差大于①对应的能级差，可知④的能量大于①，即④的频率大于①，因用①照射某金属表面时能逸出光电子的最大初动能为Ek，根据
则用④照射该金属逸出光电子的最大初动能大于Ek，选项D错误。
8. （2023学业水平等级考试上海卷）单光子能量为8eV的一种光的波长是 ；下一代超高精度原子钟中，发生如下核反应：U→Th+ 。已知普朗克常数h=6.63×10-34Js，e=1.6×10-19C。
【参考答案】1.55×10-7m He。
【名师解析】先把单光子能量8eV变换成8×1.6×10-19 J=12.8×10-19J，由E=hc/λ得出光的波长λ=1.55×10-7m。根据核反应方程遵循质量数守恒和电荷数守恒，可知释放出的粒子为质量数4，电荷数2的氦核。
9.（2023高考海南卷） 钍元素衰变时会放出β粒子，其中β粒子是（ ）
A. 中子 B. 质子 C. 电子 D. 光子
【参考答案】C
【名师解析】
放射性元素衰变时放出的三种射线α、β、γ分别是氦核流、电子流和光子流。其中β粒子是电子，C正确。
10．（2023全国高考新课程卷）铯原子基态的两个超精细能级之间跃迁发射的光子具有稳定的频率，铯原子钟利用的两能级的能量差量级为10-5eV，跃迁发射的光子的频率量级为（普朗克常量，元电荷）（ ）
A．103Hz B．106Hz C．109Hz D．1012Hz
【参考答案】.C
【名师解析】能级差量级为10-5eV，跃迁发射的光子能量E=10-5eV=1.6×10-19×10-5J=1.6×10-24J，根据光子能量公式E=hv，解得v的数量级为109Hz，C正确。
11. （2023高考湖南卷）2023年4月13日，中国“人造太阳”反应堆中科院环流器装置（EAST）创下新纪录，实现403秒稳态长脉冲高约束模等离子体运行，为可控核聚变的最终实现又向前迈出了重要的一步，下列关于核反应的说法正确的是（ ）
A. 相同质量的核燃料，轻核聚变比重核裂变释放的核能更多
B. 氘氚核聚变的核反应方程为
C. 核聚变的核反应燃料主要是铀235
D. 核聚变反应过程中没有质量亏损
【参考答案】A
【名师解析】相同质量的核燃料，轻核聚变比重核裂变释放的核能更多，A正确；根据核反应方程满足的质量数守恒和电荷数守恒可知，氘氚核聚变的核反应方程为，B错误；核裂变的核反应燃料主要是铀235，而核聚变的核反应燃料主要是氘和氚，C错误；根据质能方程，任何释放能量的核反应都有质量亏损，所以核聚变反应过程中有质量亏损，D错误。
12. （2023高考湖北卷）2022年10月，我国自主研发的“夸父一号”太阳探测卫星成功发射。该卫星搭载的莱曼阿尔法太阳望远镜可用于探测波长为的氢原子谱线（对应的光子能量为）。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. 和能级之间的跃迁 B. 和能级之间的跃迁
C. 和能级之间的跃迁 D. 和能级之间的跃迁
【参考答案】A
【名师解析】由图中可知n=2和n=1能级差之间的能量差值为
与探测器探测到的谱线能量相等，故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。A正确。
13. （2023高考海南卷） 已知一个激光发射器功率为，发射波长为的光，光速为，普朗克常量为，则（ ）
A. 光的频率为
B. 光子的能量为
C. 光子的动量为
D. 在时间内激光器发射的光子数为
【参考答案】AC
【名师解析】
光的频率 ，选项A正确；
光子的能量 ，选项B错误；
光子的动量 ，选项C正确；
在时间t内激光器发射的光子数 ，选项D错误。
14. （2022天津学业水平选择性考试）不同波长的电磁波具有不同的特性，在科研、生产和生活中有广泛的应用。a、b两单色光在电磁波谱中的位置如图所示。下列说法正确的是（　　）
A. 若a、b光均由氢原子能级跃迁产生，产生a光的能级能量差大
B. 若a、b光分别照射同一小孔发生衍射，a光的衍射现象更明显
C. 若a、b光分别照射同一光电管发生光电效应，a光的遏止电压高
D. 若a、b光分别作为同一双缝干涉装置光源时，a光的干涉条纹间距大
【参考答案】BD
【命题意图】本题以电磁波谱切入，考查能级、光电效应、双缝干涉、光的衍射及其相关知识点。
【名师解析】
由图中a、b两单色光在电磁波谱中的位置，判断出a光的波长大于b光的波长，a光的频率小于b光的频率。若a、b光均由氢原子能级跃迁产生，根据玻尔原子理论的频率条件
可知产生a光的能级能量差小，故A错误；
若a、b光分别照射同一小孔发生衍射，根据发生明显衍射现象的条件，a光的衍射现象更明显，故B正确；
在分别照射同一光电管发生光电效应时，根据爱因斯坦光电效应方程
可知a光的遏止电压低，故C错误；
a、b光分别作为同一双缝干涉装置光源时，相邻两条亮纹或暗纹的中心间距
可知a光的干涉条纹间距大，故D正确。
15. （2022天津学业水平选择性考试）从夸父逐日到羲和探日，中华民族对太阳求知探索从未停歇。2021年10月，我国第一颗太阳探测科学技术试验卫星“羲和号”顺利升空。太阳的能量由核反应提供，其中一种反应序列包含核反应：，下列说法正确的是（ ）
A. X是中子 B. 该反应有质量亏损
C. 比的质子数多 D. 该反应是裂变反应
【参考答案】B
【命题意图】本题考查核反应及其相关知识点。
【名师解析】根据核反应过程满足质量数和电荷数守恒可知，X的质量数为1，电荷数为1，可知X是质子，故A错误；两个轻核结合成质量较大的核，核反应属于聚变反应，反应过程存在质量亏损，释放能量，故B正确，D错误；与的质子数相同，均为2个质子，故C错误。
16. （2022新高考福建卷）2011年3月，日本发生的大地震造成了福岛核电站核泄漏。在泄露的污染物中含有大量放射性元素，其衰变方程为，半衰期为8天，已知，，，则下列说法正确的是（　　）
A. 衰变产生的射线来自于原子的核外电子
B. 该反应前后质量亏损
C. 放射性元素发生的衰变为衰变
D. 经过16天，75%的原子核发生了衰变
【参考答案】D
【命题意图】此题考查放射性元素衰变、质量亏损、半衰期及其相关知识点。
【名师解析】
根据题述，放射性元素的衰变方程为，释放出的是电子，所以放射性元素发生的衰变为衰变，选项C错误；发射β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射线，选项A错误；该反应前后质量亏损为，选项B错误；
由于半衰期为8天，可知经过16天，即经过两个半衰期，没有衰变的放射性元素只剩下1/4,即75%的原子核发生了衰变，故D正确。
17. （2023高考江苏学业水平选择性考试） “夸父一号”太阳探测卫星可以观测太阳辐射的硬X射线。硬X射线是波长很短的光子，设波长为。若太阳均匀地向各个方向辐射硬X射线，卫星探测仪镜头正对着太阳，每秒接收到N个该种光子。已知探测仪镜头面积为S，卫星离太阳中心的距离为R，普朗克常量为h，光速为c，求：
（1）每个光子的动量p和能量E；
（2）太阳辐射硬X射线的总功率P。
【参考答案】（1），；（2）
【名师解析】
（1）由题意可知每个光子的动量为
每个光子的能量为
（2）太阳均匀地向各个方向辐射硬X射线，根据题意设t秒发射总光子数为n，则
可得
所以t秒辐射光子的总能量
太阳辐射硬X射线的总功率
18．（2023高考北京卷）在发现新的物理现象后，人们往往试图用不同的理论方法来解释，比如，当发现光在地球附近的重力场中传播时其频率会发生变化这种现象后，科学家分别用两种方法做出了解释．
现象：从地面P点向上发出一束频率为的光，射向离地面高为H（远小于地球半径）的Q点处的接收器上，接收器接收到的光的频率为．
方法一：根据光子能量（式中h为普朗克常量，m为光子的等效质量，c为真空中的光速）和重力场中能量守恒定律，可得接收器接收到的光的频率．
方法二：根据广义相对论，光在有万有引力的空间中运动时，其频率会发生变化，将该理论应用于地球附近，可得接收器接收到的光的频率，式中G为引力常量，M为地球质量，R为地球半径．下列说法正确的是（ ）
A．由方法一得到，g为地球表面附近的重力加速度
B．由方法二可知，接收器接收到的光的波长大于发出时光的波长
C．若从Q点发出一束光照射到P点，从以上两种方法均可知，其频率会变小
D．通过类比，可知太阳表面发出的光的频率在传播过程中变大
【参考答案】B
【名师解析】方法一中，由能量守恒定律，hν0=mgH+ hν，解得v=ν0（1-），A错误；根据方法二接收器接收到的光的频率公式，可知，接收到的光的频率小于发出时光的频率，利用波长与频率成反比可知，接收器接收到的光的波长大于发出时光的波长，B正确；若从Q点发出一束光折射到P点，从以上两种方法均可知，其频率会变大，C错误；通过类比，可知，由于太阳质量远大于地球质量，太阳表面发出的光的频率在传播过程中需要克服太阳引力做功，所以太阳表面发出的光的频率在传播过程中变小，D错误。
19．（2023高考北京卷）下列核反应方程中括号内的粒子为中子的是（ ）
A． B．
C． D．
【参考答案】A
【名师解析】根据核反应方程遵循质量数守恒和电荷数守恒，可知A选项括号中为2个中子，B选项括号中为氦核，C选项括号中为质子，D选项括号中为电子，A正确。
20．（2023广东卷）理论认为，大质量恒星塌缩成黑洞的过程，受核反应的影响．下列说法正确的是（ ）
A．Y是粒子，射线穿透能力比射线强
B．Y是粒子，射线电离能力比射线强
C．Y是粒子，射线穿透能力比射线强
D．Y是粒子，射线电离能力比射线强
【参考答案】D
【名师解析】根据核反应方程遵循的质量数守恒和电荷数守恒可知Y是粒子，由于α粒子带两个正电荷，所以射线射线电离能力比射线强，D正确。
21. （2023天津卷）关于太阳上进行的核聚变，下列说法正确的是（　　）
A. 核聚变需要在高温下进行
B. 核聚变中电荷不守恒
C. 太阳质量不变
D. 太阳核反应方程式：
【参考答案】A
【名师解析】
因为高温时才能使得粒子的热运动剧烈，才有可能克服他们自身相互间的排斥力，使得它们间的距离缩短，才能发生聚变，故A正确；核聚变中电荷是守恒的，故B错误；
因为太阳一直在发生核聚变，需要放出大量能量，根据质能方程可知是要消耗一定的质量的，故C错误；太阳中的核聚变的方程为，题中D选项核反应为核裂变方程，故D错误。
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