专题15 原子结构与原子核（教学案）-2017年高考物理二轮复习精品资料 Word版含解析

本专题的内容主要是动量及其守恒定律和原子物理学部分．高考对本部分内容的唯一Ⅱ级要求是动量守恒定律．用动量守恒定律解决碰撞或原子核衰变类问题是近几年新课标地区的命题热点．
高考对本部分内容考查的重点和热点有以下几个方向：①动量守恒定律及其应用；②原子的能级跃迁；③原子核的衰变规律；④核反应方程的书写；⑤质量亏损和核能的计算；⑥原子物理部分的物理学史和α、β、γ三种射线的特点及应用等．
选修命题会涉及有关原子、原子核或量子理论、动量问题，且动量问题一般以计算题的形式，其它问题则以填空或选择性填空形式出现．
一、原子结构模型
项目
内容
汤姆生模型
实验基础,电子的发现
内容:原子是一个球体,正电荷均匀分布在整个球内,电子像枣糕里的枣子样镶嵌在原子里面
核式结构
实验基础：α粒子散射实验
内容:(1)原子的中心有一个很小的核,它集中了全部正电荷和几乎所有质量;(2)电子绕核运动
玻尔模型
轨道量子化:核外电子只能在一些分立的轨道上运动,rn＝n2r1(n＝1、2、3…)
能量量子化:原子只能处于一系列不连续的能量状态中,En＝
E1(n＝1、2、3…)
跃迁:原子从一个定态跃迁至另一个定态时辐射或吸收能量,hν＝Em－En
特别提醒:(1)原子的跃过条件:hν＝E初－E终只适用于光子和原子作用而使原子在各定态之间跃迁的情况．
(2)至于实物粒子和原子碰撞情况,由于实物粒子的动能可全部或部分地被原子吸收,所以只要入射粒子的动能大于或等于原子某两定态能量之差,也可以使原子受激发而向较高能级跃迁.
二、原子核的变化
1．几种变化方式的比较
项目
内容
衰变
α衰变:放出α粒子,是速度约为0.1c的氦核,贯穿本领最弱,电离作用最强
β衰变:放出β粒子,是速度约为0.99c的电子,贯穿本领较强,电离作用较弱
衰变
γ衰变：放出γ光子，贯穿本领最强，电离作用最弱
规律：经一个半衰期质量减半，m＝m0()t/τ
重核裂变
原料:铀U,用慢中子打击时发生链式反应
反应条件:(1)铀浓度足够大；(2)体积大于临界体积
轻核聚变
反应方程:H＋H→He＋n
反应条件:温度达到几百万度
2.各种放射线性质的比较
3.三种射线在电磁场中的偏转情况比较
图13－1
如图13－1所示，在匀强磁场和匀强电场中都是β比α的偏转大，γ不偏转；区别是：在磁场中偏转轨迹是圆弧，在电场中偏转轨迹是抛物线．如图13－1丙图中γ肯定打在O点；如果α也打在O点，则β必打在O点下方；如果β也打在O点，则α必打在O点下方．
三、核力与质能方程的理解
1．核力的特点
(1)核力是强相互作用的一种表现，在它的作用范围内，核力远大于库仑力．
(2)核力是短程力,作用范围在1.5×10－15
m之内.
(3)每个核子只跟相邻的核子发生核力作用,这种性质称为核力的饱和性.
2．质能方程E＝mc2的理解
(1)质量数与质量是两个不同的概念.核反应中质量数、电荷数都守恒,但核反应中依然有质量亏损.
(2)核反应中的质量亏损,并不是这部分质量消失或质量转化为能量,质量亏损也不是核子个数的减少,核反应中核子的个数是不变的.
(3)质量亏损不是否定了质量守恒定律，生成的γ射线虽然静质量为零，但动质量不为零，且亏损的质量以能量的形式辐射出去．
特别提醒：在核反应中，电荷数守恒，质量数守恒，质量不守恒，核反应中核能的大小取决于质量亏损的多少，即ΔE＝Δmc2.
考点一
　原子结构　氢原子光谱
例1．2015·福建理综，30(1)，6分](难度★★))下列有关原子结构和原子核的认识，
其中正确的是(　　)
A．γ射线是高速运动的电子流
B．氢原子辐射光子后，其绕核运动的电子动能增大
C．太阳辐射能量的主要来源是太阳中发生的重核裂变
D.
Bi的半衰期是5天，100克Bi经过10天后还剩下50克
答案　B
【变式探究】(2014·天津理综，6，6分)(难度★★)(多选)下列说法正确的是(　　)
A．玻尔对氢原子光谱的研究导致原子的核式结构模型的建立
B．可利用某些物质在紫外线照射下发出荧光来设计防伪措施
C．天然放射现象中产生的射线都能在电场或磁场中发生偏转
D．观察者与波源互相远离时接收到波的频率与波源频率不同
答案　BD
考点二　天然放射现象　核反应　核能
例2．(2015·北京理综，14，6分)(难度★★)下列核反应方程中，属于α衰变的是(　　)
A.N＋He→O＋H
B.U→Th＋He
C.H＋H→He＋n
D.Th→Pa＋e
解析　α衰变是重核自发的发出α粒子的天然放射现象，其中α粒子是He，
所以B正确；A为人工转变,C为轻核的聚变，D是β衰变，故A、C、D皆错误．
答案　B
【变式探究】2014·新课标全国Ⅰ，35(1)，6分](难度★★)(多选)关于天然放射性，下列说
法正确的是________．
A．所有元素都可能发生衰变
B．放射性元素的半衰期与外界的温度无关
C．放射性元素与别的元素形成化合物时仍具有放射性
D．α、β和γ三种射线中，γ射线的穿透能力最强
E．一个原子核在一次衰变中可同时放出α、β和γ三种射线
解析　原子序数大于或等于83的元素，都能发生衰变，而原子序数小于83
的部分元素能发生衰变，故A错；放射性元素的衰变是原子核内部结构的变
化，与核外电子的得失及环境温度无关，故B、C项正确；在α、β、γ三种
射线中，α、β为带电粒子，穿透本领较弱，γ射线不带电，具有较强的穿
透本领，故D项正确；一个原子核不能同时发生α和β衰变，故E项错误．
答案　BCD
1．2016·全国Ⅰ，35(1)，5分](多选)现用一光电管进行光电效应实验，当用某一频率的光入射时，有光电流产生．下列说法正确的是(　　)
A．保持入射光的频率不变，入射光的光强变大，饱和光电流变大
B．入射光的频率变高，饱和光电流变大
C．入射光的频率变高，光电子的最大初动能变大
D．保持入射光的光强不变，不断减小入射光的频率，始终有光电流产生
E．遏止电压的大小与入射光的频率有关，与入射光的光强无关
2．(2016·北京理综，13，6分)处于n＝3能级的大量氢原子，向低能级跃迁时，辐射光的频率有(　　)
A．1种
B．2种
C．3种
D．4种
1．C　n＝3能级的大量氢原子向低能级跃迁时，辐射光子可能为3→1，3→2，2→1，故种类为N＝C＝3种，C正确．
3．(2016·天津理综，6，6分)(多选)物理学家通过对实验的深入观察和研究，获得正确的科学认知，推动物理学的发展，下列说法符合事实的是(　　)
A．赫兹通过一系列实验，证实了麦克斯韦关于光的电磁理论
B．查德威克用α粒子轰击N获得反冲核O，发现了中子
C．贝克勒尔发现的天然放射性现象，说明原子核有复杂结构
D．卢瑟福通过对阴极射线的研究，提出了原子核式结构模型
1．AC　赫兹通过著名的电火花实验证实了电磁波的存在，并通过一系列实验证明了电磁波的波速为光速等麦克斯韦关于光的电磁理论，A正确．查德威克通过α粒子轰击铍核(Be)获得碳核(6C)
的实验发现了中子，B错误．C项与事实相符是正确的．卢瑟福是根据α粒子的散射实验提出的原子核式结构模型，D错误．
4．2016·全国Ⅲ，35(1)，5分]一静止的铝原子核
Al俘获一速度为1.0×107
m/s的质子p后，变为处于激发态的硅原子核
Si
.下列说法正确的是(　　)
A．核反应方程为p＋Al→Si
B．核反应过程中系统动量守恒
C．核反应过程中系统能量不守恒
D．核反应前后核子数相等，所以生成物的质量等于反应物的质量之和
E．硅原子核速度的数量级为105
m/s，方向与质子初速度的方向一致
5．2016·江苏物理，12C(1)]贝克勒尔在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(　　)
A.C→N＋e
B.U＋n→I＋Y＋2n
C.H＋H→He＋n
D.He＋Al→P＋n
3．A　一个放射性原子核自发地放出一个粒子变成新的原子核的过程是原子核的衰变，A为原子核衰变，B为重核的裂变，C为轻核的聚变，D为原子核的人工转变，A正确．
6．2016·全国Ⅱ，35(1)，5分]在下列描述核过程的方程中，属于α衰变的是________，属于β衰变的是________，属于裂变的是________，属于聚变的是________．(填正确答案标号)
A.C→N＋e
B.P→S＋e
C.U→Th＋He
D.N＋He→O＋H
E.U＋n→Xe＋Sr＋2n
F.H＋H→He＋n
【解析】　α衰变是一种放射性衰变，α粒子(He)会从原子核中射出，C项符合要求．β衰变是指自原子核内自发地放出一个电子(e)，同时原子序数加1的过程，A、B两项符合要求．裂变是指一些质量非常大的原子核，像铀、钍和钚等在吸收一个中子后分裂成两个或更多质量较小的原子核，同时放出两个或三个中子和很大能量的过程，只有E项符合要求．聚变是指由两个轻原子核(一般是氘和氚)结合成较重原子(如氦)并放出大量能量的过程，F项符合要求．
【答案】　C　AB　E　F
7．2016·江苏物理，12C(3)]几种金属的逸出功W0见下表：
金属
钨
钙
钠
钾
铷
W0(×10－19
J)
7.26
5.12
3.66
3.60
3.41
由一束可见光照射上述金属的表面，请通过计算说明哪些能发生光电效应．已知该可见光的波长的范围为4.0×10－7～7.6×10－7
m，普朗克常数
h＝6.63×10－34
J·s.
1．(2015·重庆理综，1，6分)(难度★★)图中曲线a、b、c、d为气泡室中某放射物发生衰变放出的部分粒子的径迹，气泡室中磁感应强度方向垂直于纸面向里．以下判断可能正确的是(　　)
A．a、b为β粒子的径迹
B．a、b为γ粒子的径迹
C．c、d为α粒子的径迹
D．c、d为β粒子的径迹
解析　γ粒子是不带电的光子，在磁场中不偏转，选项B错误；α粒子为氦核带正电，由左手定则知向上偏转，选项A、C错误；β粒子是带负电的电子，应向下偏转，选项D正确．
答案　D
2．2015·海南单科，17(1)，4分](难度★★★)氢原子基态的能量为E1＝－13.6
eV.
大量氢原子处于某一激发态．由这些氢原子可能发出的所有的光子中，频率
最大的光子能量为－0.96E1，频率最小的光子的能量为______eV(保留2位有
效数字)，这些光子可具有________种不同的频率．
解析　频率最大的光子能量为－0.96E1，即En－E1＝－0.96E1，则En＝E1－0.96E1＝(－13.6
eV)－0.96×(－13.6
eV)＝0.54
eV，即n＝5，从n＝5能级开始跃迁,这些光子能发出的频率数n＝＝10种．频率最小的光子是从n＝5能级跃迁到n＝4能级，其能量为Emin＝－0.54
eV－(－0.85
eV)＝
0.31
eV.
答案　0.31
eV　10
3．(2015·广东理综,18，6分)(难度★★)(多选)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，核反应方程分别为：X＋Y→He＋H＋4.9
MeV
和H＋H→He＋X＋17.6
MeV，下列表述正确的有(　　)
A．X是中子
B．Y的质子数是3，中子数是6
C．两个核反应都没有质量亏损
D．氘和氚的核反应是核聚变反应
解析　根据核反应中质量数和电荷数守恒，可知X是X，所以为中子，A正确；Y应为Y,所以Y的质子数为3，核子数为6，中子数为3，B错误；两核反应均有能量释放，根据爱因斯坦质能方程，两核反应都有质量亏损，C错误；由聚变反应概念知，D正确．
答案　AD
4．(2015·天津理综,1，6分)(难度★★)物理学重视逻辑，崇尚理性，其理论总是建立在对事实观察的基础上．下列说法正确的是(　　)
A．天然放射现象说明原子核内部是有结构的
B．电子的发现使人们认识到原子具有核式结构
C．α粒子散射实验的重要发现是电荷是量子化的
D．密立根油滴实验表明核外电子的轨道是不连续的
答案　A
5．(2015·北京理综，17，6分)(难度★★)实验观察到，静止在匀强磁场中A点的原子核发生β衰变，衰变产生的新核与电子恰在纸面内做匀速圆周运动，运动方向和轨迹示意如图，则(　　)
A．轨迹1是电子的，磁场方向垂直纸面向外
B．轨迹2是电子的，磁场方向垂直纸面向外
C．轨迹1是新核的，磁场方向垂直纸面向里
D．轨迹2是新核的，磁场方向垂直纸面向里
解析　静止的原子核发生β衰变，动量守恒，即MV＝mv，新核和电子在磁
场中做匀速圆周运动,根据qvB＝m知r＝，即r∝，故轨迹1是电子的，轨迹2是新核的，又由左手定则可知磁场的方向为垂直于纸面向里，所以只
有选项D正确．
答案　D
6．2015·山东理综,39(1)](难度★★)(多选)14C发生放射性衰变成为14N，半衰期
约5700年．已知植物存活期间，其体内14C与12C的比例不变；生命活动结
束后,14C的比例持续减少．现通过测量得知，某古木样品中14C的比例正好
是现代植物所制样品的二分之一．下列说法正确的是(　　)
a．该古木的年代距今约5700年
b．12C、13C、14C具有相同的中子数
c．14C衰变为14N的过程中放出β射线
d．增加样品测量环境的压强将加速14C的衰变
答案　ac
7．2015·江苏单科，12C(2)(3)](难度★★)(2)核电站利用原子核链式反应放出的
巨大能量进行发电，U是核电站常用的核燃料.U受一个中子轰击后裂变
成Ba和Kr两部分，并产生________个中子．要使链式反应发生，裂变物质的体积要________(选填“大于”或“小于”)它的临界体积．
(3)取质子的质量mp＝1.672
6×10－27kg，中子的质量mn＝1.674
9×10－27
kg，
α粒子的质量mα＝6.646
7×10－27
kg，光速c＝3.0×108
m/s.请计算α粒子的
结合能．(计算结果保留两位有效数字)
解析　(2)由质量数和电荷数守可知：U＋n→Ba＋Kr＋3n，可见产生
了3个中子，链式反应的一个条件是铀燃料的体积必须大于或等于临界体积．
(3)根据爱因斯坦质能方程ΔE＝Δmc2，可求：ΔE＝(2mp＋2mn－mα)c2＝
4.3×10－12
J.
答案　(2)3　大于　(3)4.3×10－12
J
8．2015·海南单科，17(2)](难度★★)运动的原子核X放出α粒子后变成静止的
原子核Y.已知X、Y和α粒子的质量分别是M、m1和m2,真空中的光速为c，α粒子的速度远小于光速．求反应后与反应前的总动能之差以及α粒子的动能．
解析　反应后由于存在质量亏损，所以反应前、后总动能之差等于质量亏损
而释放出的能量，根据爱因斯坦质能方程可得
m2v－Mv＝(M－m1－m2)c2①
反应过程中三个粒子组成的系统动量守恒，故有
Mvx＝m2vα②
联立①②可得m2v＝(M－m1－m2)c2.
答案　(M－m1－m2)c2　(M－m1－m2)c2
1.【物理——选修3－5]【2014·新课标全国卷Ⅰ】(1)关于天然放射性，下列说法正确的是________．
A．所有元素都可能发生衰变
B．放射性元素的半衰期与外界的温度无关
C．放射性元素与别的元素形成化合物时仍具有放射性
D．α、β和γ三种射线中，γ射线的穿透能力最强
E．一个原子核在一次衰变中可同时放出α、β和γ三种射线
【答案】(1)BCD　
2．【2014·新课标Ⅱ卷】【物理——选修3－5](1)在人类对微观世界进行探索的过程中，科学实验起到了非常重要的作用．下列说法符合历史事实的是________．
A．密立根通过油滴实验测出了基本电荷的数值
B．贝克勒尔通过对天然放射现象的研究，发现了原子中存在原子核
C．居里夫妇从沥青铀矿中分离出了钋(Po)和镭(Ra)两种新元素
D．卢瑟福通过α粒子散射实验证实了在原子核内部存在质子
E．汤姆逊通过阴极射线在电场和磁场中偏转的实验，发现了阴极射线是由带负电的粒子组成的，并测出了该粒子的比荷
【答案】(1)ACE
【解析】(1)密立根通过油滴实验测出了基本电荷的电量，A项正确；卢瑟福通过α粒子散射实验建立了原子核式结构模型，发现了原子中心有一个核，B、D两项错误；居里夫妇从沥青铀矿中分离出了钋和镭两种新元素，并因此获得了诺贝尔奖，C项正确；汤姆逊通过研究阴极射线，发现了电子，并测出了电子的比荷，E项正确．
3.【2014·北京卷】质子、中子和氘核的质量分别为m1、m2和m3.当一个质子和一个中子结合成氘核时，释放的能量是(c表示真空中的光速)(　　)
A．(m1＋m2－m3)c
B．(m1－m2－m3)c
C．(m1＋m2－m3)c2
D．(m1－m2－m3)c2
【答案】C　
【解析】本题考查质能方程，ΔE＝Δmc2，其中Δm＝(m1＋m2－m3)，则ΔE＝(m1＋m2－m3)c2
，C正确，A、B、D错误．
4.【2014·全国卷】一中子与一质量数为A
(A>1)的原子核发生弹性正碰．若碰前原子核静止，则碰撞前与碰撞后中子的速率之比为(　　)
A.
B.
C.
D.
【答案】A　
5.【2014·福建卷Ⅰ】(1)如图所示，放射性元素镭衰变过程中释放出α、β、γ三种射线，分别进入匀强电场和匀强磁场中，下列说法正确的是________．(填选项前的字母)
A．①表示γ射线，③表示α射线
B．②表示β射线，③表示α射线
C．④表示α射线，⑤表示γ射线
D．⑤表示β射线，⑥表示α射线
【答案】(1)C　
【解析】α射线带正电，β射线带负电，γ射线不带电．在匀强电场中，α射线与β射线分别在电场力的作用下发生偏转，α射线偏向负极板，β射线偏向正极板，γ射线不受电场力，不发生偏转；在磁场中，由左手定则可以判断α射线向左偏，β射线向右偏，γ射线不受洛伦兹力，不发生偏转．故C项正确．
6.【2014·广东卷】在光电效应实验中，用频率为ν的光照射光电管阴极，发生了光电效应，下列说法正确的是(　　)
A．增大入射光的强度，光电流增大
B．减小入射光的强度，光电效应现象消失
C．改用频率小于ν的光照射，一定不发生光电效应
D．改用频率大于ν的光照射，光电子的最大初动能变大
【答案】AD　
7.【2014·江苏卷】【选修3－5】(1)已知钙和钾的截止频率分别为7.73×1014Hz和5.44×1014Hz，在某种单色光的照射下两种金属均发生光电效应，比较它们表面逸出的具有最大初动能的光电子，钙逸出的光电子具有较大的________．
A．波长
B．频率
C．能量
D．动量
(2)氡222是一种天然放射性气体，被吸入后，会对人的呼吸系统造成辐射损伤．它是世界卫生组织公布的主要环境致癌物质之一．其衰变方程是86Rn→84Po＋________．已知86Rn的半衰期约为3.8天，则约经过________天，16
g的86Rn衰变后还剩1
g.
【答案】(1)A　
【解析】两种金属的截止频率不同，则它们的逸出功也不同，由W＝hν0可知截止频率大的，逸出功也大．由Ek＝hν－W可知，用同样的单色光照射，钙逸出的光电子的最大初动能较小，由p＝知，其动量也较小，根据物质波p＝知，其波长较长．
【答案】(2)He(或α粒子)　15.2　
【解析】①根据核反应过程中电荷数守恒和质量数守恒可推得该反应的另一种生成物为He.②根据m余＝m原知＝4，解得t＝3.8×4＝15.2天．
8.【2014·山东卷】【物理3 5】
(1)氢原子能级如图所示，当氢原子从n＝3跃迁到n＝2的能级时，辐射光的波长为656
nm.以下判断正确的是________．(双选，填正确答案标号)
a．氢原子从n＝2跃迁到n＝1的能级时，辐射光的波长大于656
nm
b．用波长为325
nm的光照射，可使氢原子从n＝1跃迁到n＝2的能级
c．一群处于n＝3能级上的氢原子向低能级跃迁时最多产生3种谱线
d．用波长为633
nm的光照射，不能使氢原子从n＝2跃迁到n＝3的能级
【答案】(1)cd
9.【2014·天津卷】下列说法正确的是(　　)
A．玻尔对氢原子光谱的研究导致原子的核式结构模型的建立
B．可利用某些物质在紫外线照射下发出荧光来设计防伪措施
C．天然放射现象中产生的射线都能在电场或磁场中发生偏转
D．观察者与波源互相远离时接收到波的频率与波源频率不同
【答案】BD　
【解析】本题是对玻尔理论、天然放射现象及多普勒效应等知识的考查，α粒子散射实验导致原子核式结构模型的建立，A错误；紫外线可以使荧光物质发光，B正确；天然放射现象中产生的γ射线在电场或磁场中不会发生偏转，C错误；观察者和波源发生相对运动时，观察者接收到的频率就会发生改变，D正确．
10.【2014·浙江卷】
(2)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．用该频率的光照射逸出功为2.25
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＝1.60×10－19C，普朗克常量h＝6.63×10－34J·s)
n　　　　　　　E/eV
∞………………
0
6——————
－0.38
5——————
－0.54
4——————
－0.85
3——————
－1.51
2——————
－3.40
1——————
－13.60
　图2
【答案】(2)6.2×1014Hz　0.3
eV
【解析】(2)本题考查能级、光电效应方程等知识．由跃迁条件可知hν＝E4－E2＝(3.40－0.85
)eV＝4.08×10－19
J，解得辐射出的光子的频率为6.2×1014Hz，根据爱因斯坦光电效应方程Ek＝hν－W，计算可得产生电子的最大初动能为0.3
eV.
11.【2014·重庆卷】碘131的半衰期约为8天，若某药物含有质量为m的碘131，经过32天后，该药物中碘131的含量大约还有(　　)
A.
B.
C.
D.