阶段质量检测(三)　原子结构（含解析）高中物理鲁科版（2019）选择性必修第三册

阶段质量检测(三)　原子结构
(本试卷满分：100分)
一、单项选择题(本题共8小题，每小题3分，共24分。每小题只有一个选项符合题目要求)
1．英国物理学家汤姆孙通过对阴极射线的实验研究发现(　　)
A．阴极射线在电场中偏向正极板一侧
B．阴极射线在磁场中受力情况跟正电荷受力情况相同
C．不同材料所产生的阴极射线的比荷不同
D．汤姆孙并未得出阴极射线粒子的电荷量
2．卢瑟福和他的合作者做α粒子轰击金箔实验，获得了重大发现，关于α粒子散射实验的结果，下列说法正确的是(　　)
A．证明了质子的存在
B．证明了原子核是由质子和中子组成的
C．证明了原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在一个很小的核里
D．说明了原子中的电子只能在某些轨道上运动
3．如图所示是α粒子(氦原子核)被重金属原子核散射的运动轨迹，M、N、P、Q是轨迹上的四点，在散射过程中可以认为重金属原子核静止。图中所标出的α粒子在各点处的加速度方向正确的是(　　)
A．M点　　　　　　　 B．N点
C．P点 D．Q点
4．按照玻尔理论，下列表述正确的是(　　)
A．核外电子运动轨道半径可取任意值
B．氢原子中的电子离原子核越远，氢原子的能量越小
C．电子跃迁时，辐射或吸收光子的能量由能级的能量差决定，即hν＝Em－En(m>n)
D．氢原子从激发态向基态跃迁的过程中，可能辐射能量，也可能吸收能量
5．假设处在同一激发态的氢原子向各较低能级跃迁的概率相同。现有1 200个处在n＝4能级的氢原子，最后都回到基态，则在这个过程中发出的光子总个数是(　　)
A．2 400 B．2 200
C．2 000 D．1 200
6．我国自主研发的“夸父一号”太阳探测卫星搭载的莱曼阿尔法太阳望远镜可用于探测太阳中氢原子谱线，该谱线来源于氢原子从n＝2能级到n＝1能级之间的跃迁。已知普朗克常量h＝6.63×10－34 J·s,1 eV＝1.6×10－19 J，根据如图所示氢原子能级图，可知该谱线的波长为(　　)
A．1.2×10－6 m B．1.2×10－7 m
C．1.2×10－8 m D．1.2×10－9 m
7．假设在NaCl蒸汽中存在由钠离子(Na＋)和氯离子(Cl－)靠电磁相互作用构成的单个氯化钠分子，若取Na＋和Cl－相距无限远时的电势能为零，一个NaCl分子的电势能为－6.1 eV。已知使一个中性钠原子最外层电子脱离原子核的束缚而形成钠离子所需的能量(电离能)为5.1 eV，使一个中性氯原子结合一个电子形成氯离子所放出的能量(电子亲和能)为3.8 eV。由此可算出，在将一个NaCl分子分解成彼此远离的中性钠原子和中性氯原子的过程中，外界提供的总能量为(　　)
A．4.8 eV B．15 eV
C．2.8 eV D．7.4 eV
8．“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，然后自发辐射出频率为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－ν3
C．ν0－ν1＋ν3 D．ν0－ν1－ν3
二、多项选择题(本题共4小题，每小题4分，共16分。在每小题给出的四个选项中，有多项符合题目要求。全部选对的得4分，选对但不全的得2分，有选错的得0分)
9．关于α粒子散射实验现象的分析，下列说法正确的是(　　)
A．绝大多数α粒子沿原方向运动，说明正电荷在原子内均匀分布，使α粒子受力平衡的结果
B．绝大多数α粒子沿原方向运动，说明这些α粒子未受到明显的力的作用，说明原子内大部分空间是空的
C．极少数α粒子发生大角度偏转，说明原子内质量和电荷量比α粒子大得多的粒子在原子内分布空间很小
D．极少数α粒子发生大角度偏转，说明原子内的电子对α粒子的吸引力很大
10．关于原子的能级，下列说法正确的是(　　)
A．原子从基态跃迁到激发态要放出光子，放出光子的能量等于前后两个能级的能量差
B．原子不能从低能级向高能级跃迁
C．原子吸收能量后可以从低能级跃迁到高能级
D．原子放出光子，放出的光子的能量恒等于前后两个能级的能量差
11.氢原子的能级图如图所示，大量氢原子从n＝4的能级向低能级跃迁时，则(　　)
A．核外电子绕核运动的轨道半径减小
B．最多能够辐射3种频率的光子
C．氢原子辐射出0.66 eV的光子后，能够稳定在n＝3的能级，不再往低能级跃迁
D．氢原子从n＝4的能级直接跃迁到n＝1 的能级，发出的光子频率最大
12．氢原子的部分能级图如图所示，氢原子从n＝3能级跃迁到n＝2能级时，释放的光子的波长为λ1，从n＝2能级跃迁到n＝1能级时，释放的光子的波长为λ2。下列说法正确的是(　　)
A．用动能为11 eV的电子碰撞处于基态的氢原子时，氢原子不可能会发生跃迁
B．用11 eV的光子照射大量处于基态的氢原子时，氢原子可能跃迁并发出一种频率的光
C．氢原子从n＝3能级跃迁到n＝1能级时，释放的光子的波长为
D．氢原子从n＝3能级跃迁到n＝2能级后，电子的动能增加，氢原子的能量减少
三、非选择题(本题共4小题，共60分)
13．(14分)已知金的原子序数为79，α粒子离金原子核的最近距离设为10－13 m，则α粒子离金原子核最近时受到的库仑斥力是多大？对α粒子产生的加速度是多大？(已知α粒子的电荷量q＝2e，质量m＝6.64×10－27 kg，静电力常量k＝9.0×109 N·m2/C2，电子电荷量e＝1.6×10－19 C，结果均保留三位有效数字)
14．(14分)氢原子处于基态时，原子的能量为E1＝－13.6 eV，当处于n＝3的激发态时，能量为E3＝－1.51 eV，则：
(1)当氢原子从n＝3的激发态跃迁到n＝1的基态时，向外辐射的光子的波长是多少？(结果保留三位有效数字)
(2)若要使处于基态的氢原子电离，至少要用多大频率的电磁波照射原子？(结果保留三位有效数字)
(3)若有大量的氢原子处于能级n＝3的激发态，则在跃迁过程中可能释放出几种不同频率的光子？
　　　　　　　　　　　　　　　　
15.(16分)将氢原子电离，就是从外部给电子以能量，使其从基态或激发态脱离原子核的束缚而成为自由电子(电子电荷量e＝1.6×10－19 C，电子质量m＝0.91×10－30 kg，普朗克常量h＝6.63×10－34 J·s)。
(1)若要使n＝2激发态的氢原子电离，至少要用多大频率的电磁波照射该氢原子？(结果保留三位有效数字)
(2)若用波长为200 nm的紫外线照射n＝2激发态的氢原子，则电子飞到离核无穷远处时的速度为多大？
16．(16分)英国科学家汤姆孙以及他所带领的一批学者对原子结构的研究奠定了近代物理学的基石，其中他对阴极射线粒子比荷测定的实验最为著名，实验装置如图甲所示。某学校的学生在实验室重做该实验，装置如图乙所示，在玻璃管内的阴极K发射的射线被加速后，沿直线到达荧光屏上。在上下正对的平行金属极板上加上电压，在板间形成电场强度为E的匀强电场，射线向上偏转；再给玻璃管前后的励磁线圈加上适当的电压，在线圈之间形成磁感应强度为B的匀强磁场，使射线沿直线运动，不发生偏转。之后再去掉平行板间的电压，射线向下偏转，打在屏上A点，在玻璃管侧面观察到射线轨迹如图丙所示。(不计射线的重力，匀强电场、匀强磁场范围限定在刻度“1”和“7”所在的竖直直线之间，且射线由刻度“1”所在位置进入该区域)。
(1)求该射线进入场区时的初速度v；
(2)已知图丙中正方形方格边长为d，求该射线粒子的比荷；
(3)求带电粒子在磁场中运动到A点的时间？
阶段质量检测(三)
1．选A　汤姆孙利用其设计的阴极射线管，将不同的气体充入管内，用多种不同的金属分别制成阴极，结果证明比荷大体相同，C错误；汤姆孙通过测量得出阴极射线粒子的电荷量与氢离子的电荷量大小基本相同，D错误；阴极射线带负电，A正确，B错误。
2．选C　α粒子散射实验发现了原子内存在一个集中了全部正电荷和几乎全部质量的核。数年后卢瑟福发现核内有质子并预测核内存在中子，所以C正确，A、B错误；玻尔提出了电子轨道量子化，D错误。
3．选C　α粒子(氦原子核)和重金属原子核都带正电，互相排斥，加速度方向与α粒子所受斥力方向相同。α粒子加速度方向沿相应点与重金属原子核连线指向轨迹曲线的凹侧，故只有选项C正确。
4．选C　按照玻尔理论，核外电子只能在一些分立的特定轨道上绕核运动，轨道半径不能取任意值，A错误；氢原子中的电子离原子核越远，氢原子能量越大，B错误；电子从高能级向低能级跃迁时会辐射光子，从低能级向高能级跃迁时会吸收光子，辐射或吸收光子的能量等于相应的能级的能量差，即hν＝Em－En(m>n)，C正确；氢原子从激发态向基态跃迁的过程中会辐射能量，D错误。
5．选B　根据氢原子从某一激发态跃迁到较低能级的概率相等，可得从n＝4能级向n＝1、2、3能级跃迁的氢原子均有400个；此时n＝3能级的氢原子有400个，向n＝1、2能级跃迁的氢原子均有200个；从n＝2能级开始跃迁的氢原子共有400个＋200个＝600个，均向n＝1能级跃迁。发出的光子总数为400×3个＋200×2个＋600个＝2 200个。故选B。
6．选B　该谱线的能量为E＝hν＝E2－E1＝10.2 eV，又λ＝，代入数据联立解得λ≈1.2×10－7 m，故选B。
7．选A　设每一过程中，吸收能量为正值(即E>0)，放出能量为负值(即E<0)，则把一个NaCl分子分解成Na＋和Cl－吸收能量，E1＝6.1 eV，一个Na＋变成中性钠原子放出能量，E2＝－5.1 eV，一个Cl－变成中性氯原子吸收能量，E3＝3.8 eV，故全过程中外界提供的总能量E＝E1＋E2＋E3＝4.8 eV，故A正确，B、C、D错误。
8．选D　
设各能级的能量值如图所示，则hν0＝EⅡ－EⅠ，hν1＝EⅡ－E2，hν2＝E2－E1，hν3＝E1－EⅠ，综上所述得ν0＝ν1＋ν2＋ν3，则ν2＝ν0－ν1－ν3，故D正确。
9．选BC　在α粒子散射实验中，绝大多数α粒子沿原方向运动，说明这些α粒子未受到原子核明显的力的作用，也说明原子核相对原子来讲很小，原子内大部分空间是空的，故A错误，B正确；极少数α粒子发生大角度偏转，说明α粒子会受到原子核明显的力的作用的空间在原子内很小，α粒子偏转而原子核未动，说明原子核的质量和电荷量远大于α粒子的质量和电荷量，电子的质量远小于α粒子的质量，α粒子打在电子上，不会有明显偏转，故C正确，D错误。
10．选CD　原子从基态跃迁到激发态要吸收光子，吸收光子的能量等于前后两个能级的能量差，故A错误；原子吸收能量后可以从低能级跃迁到高能级，故B错误，C正确；原子放出光子，放出的光子的能量恒等于前后两个能级的能量差，故D正确。
11．选AD　氢原子从n＝4的能级向低能级跃迁时，核外电子绕核运动的轨道半径减小，故A正确；大量氢原子最多能够辐射C42＝6种频率的光子，故B错误；氢原子辐射出0.66 eV的光子后，能量为E＝－0.85 eV－0.66 eV＝－1.51 eV，跃迁到n＝3的能级，还可以继续往低能级跃迁，故C错误；氢原子从n＝4的能级直接跃迁到n＝1 的能级，释放的能量最多，根据E＝hν可知发出的光子频率最大，故D正确。
12．选CD　用动能为11 eV的电子碰撞处于基态的氢原子时，氢原子可以吸收10.2 eV的能量，可能会发生跃迁，故A错误；用11 eV的光子照射大量处于基态的氢原子时，由于光子能量不等于能级的能量差，则不能被吸收，所以氢原子不能发生跃迁，故B错误；根据Em－En＝hν＝h，可知E31＝E32＋E21，有h＝h＋h，解得氢原子从n＝3能级跃迁到n＝1能级时，释放的光子的波长为λ3＝，故C正确；氢原子从n＝3能级跃迁到n＝2能级时，释放能量，则电子的势能减小，电子的动能增加，氢原子的能量减少，故D正确。
13．解析：α粒子离金原子核最近时受到的库仑斥力为F＝k＝k＝9.0×109× N
≈3.64 N
金原子核的库仑斥力对α粒子产生的加速度大小为
a＝＝ m/s2≈5.48×1026 m/s2。
答案：3.64 N　5.48×1026 m/s2
14．解析：(1)辐射出的光子的能量为hν＝E3－E1①
频率ν＝②
由①②代入数据解得λ≈1.03×10－7 m。
(2)若要将基态原子电离，则hν＝0－E1，
代入数据解得ν≈3.28×1015 Hz。
(3)光子种数N＝C32＝＝3种。
答案：(1)1.03×10－7 m　(2)3.28×1015 Hz　(3)3种
15．解析：(1)要使处于n＝2激发态的氢原子电离，照射光的光子的能量应能使电子从第2能级跃迁到无限远处，最小的电磁波的光子能量应为E＝0－(－3.4 eV)＝3.4 eV
则所用电磁波的频率为ν＝≈8.21×1014 Hz。
(2)波长为200 nm的紫外线一个光子所具有的能量为
E0＝h＝9.95×10－19 J
电离能为ΔE＝3.4×1.6×10－19 J＝5.44×10－19 J
由能量守恒定律有E0－ΔE＝Ek
解得Ek＝4.51×10－19 J
又Ek＝mv2，解得v≈9.96×105 m/s。
答案：(1)8.21×1014 Hz　(2)9.96×105 m/s
16．解析：(1)射线被加速后在电场力和洛伦兹力的共同作用下做匀速直线运动，根据平衡条件得qE＝qvB，解得射线被加速后的速度为v＝。
(2)去掉金属板间电压后，粒子不再受到电场力，只在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动，经过A点，设轨迹圆心为O，半径为r，如图所示
则有(4d)2＝r2－(r－2d)2，
解得r＝5d，
因为洛伦兹力提供向心力，则r＝，
联立解得＝。
(3)设粒子轨迹对应的圆心角为θ，根据几何关系可得
sin θ＝＝0.8，解得θ＝53°，
带电粒子在磁场中运动到A点的时间为
t＝×＝。
答案：(1)　(2)　(3)