上海市北虹高中2019-2020学年高中物理沪科版选修3-5：原子世界探秘 单元测试题（含解析）

原子世界探秘
1．处于激发状态的原子，如果在入射光的电磁场的影响下，引起高能态向低能态跃迁，同时在两个状态之间的能量差以辐射光子的形式发射出去，这种辐射叫做受激辐射，原子发生受激辐射时，发出的光子的频率、发射方向等，都跟入射光子完全一样，这样使光得到加强，这就是激光产生的机理，那么发生受激辐射时，产生激光的原子的总能量、电子的电势能、电子动能的变化关系是( )
A．增大、减小、减小 B．减小、增大、减小
C．增大、增大、增大 D．减小、增大、不变
2．天文物理学大师霍金曾表示，探测到引力波是科学史上非常重要的一刻。人类科学史上有过许多重要的事件。下列叙述中错误的是( )
A．伽利略做了“铜球从阻力很小的斜槽上由静止滚下”的实验，证实了“距离与时间平方成正比”的关系
B．开普勒研究了第谷20余年的行星观测记录，提出了“所有行星绕太阳做椭圆运动”等行星运动规律
C．奥斯特发现电流磁效应，导致法拉第发现电磁感应现象，后来他又研究得出感应电动势和磁通量的变化率成正比，使人们对电与磁内在联系的认识更加完善
D．汤姆孙通过实验对“阴极射线在电场和磁场中偏转情况”进行研究发现了电子，否定了2000多年来“原子是物质的不可分割的最小单元”这一传统观念
3．氢原子能级图如图所示，大量处于n=3激发态的氢原子向低能级状态跃迁辐射出的光子中，发现有两种频率的光子能使金属A产生光电效应，则下列说法正确的是
A．大量处于n=3激发态的氢原子向低能级状态跃迁时，只辐射两种频率的光子
B．从n=3激发态直接跃迁到基态时放出的光子一定能使金属A发生光电效应
C．一个氢原子从n=3激发态跃到基态时，该氢原子能量增大
D．一个氢原子从n=3激发态跃到基态时该氢原子核外电子动能减小
4．氢原子的能级图如图所示，不同色光的光子能量如下表所示．
一群处于某激发态的氢原子，发射的光的谱线在可见光范围内只有1条，其颜色为
A．红色
B．黄色
C．绿色
D．蓝靛
5．利用氢原子能级跃迁时辐射出来的电磁波去控制校准石英钟，可以制成氢原子钟．如图所示为氢原子的能级图，一群处于n=4能级的氢原子向低能级跃迁，能辐射出波长最短的电磁波的频率为(已知普朗克常数为6.63×10－34J·s)
A．3.08×1014Hz B．3.08×1015Hz C．1.93×1014Ihz D．1.93×1014Hz
6．氢原子处于量子数n=2的激发态时能量E2=-3.4 eV，则
A．辐射出一个能量为3.4 eV的光子后跃迁到基态
B．辐射出一个能量为10.2 eV的光子后跃迁到基态
C．用光子能量为3.4 eV的光照射后将跃迁到n=3的激发态
D．用光子能量为13.6 eV的光照射后将跃迁到n=3的激发态
7．下列说法正确的是（ ）
A．原子核发生衰变时要遵守电荷守恒和质量守恒的规律
B．射线、射线、射线都是高速运动的带电粒子流
C．氢原子从激发态向基态跃迁只能辐射特定频率的光子
D．发生光电效应时光电子的动能只与入射光的强度有关
8．图示为氢原子能级示意图，己知大量处于n＝2能级的氢原子，当它们受到某种频率的光线照射后，可辐射出6种频率的光子，下面说法中正确的是（ ）
A．n＝2能级氢原子受到照射后跃迁到n＝5能级
B．这6种光子有3种可以让逸出功为10ev的某金属发生光电效应
C．频率最高的光子是氢原子从n＝3能级跃迁到n＝l能级放出的
D．波长最大的光子是氢原子从n＝4能级跃迁到n＝1能级放出的
9．在粒子散射实验中，电子对粒子运动的影响可以忽略，这是因为与粒子相比，电子
A．电量太小 B．速度太小 C．体积太小 D．质量太小
10．以下说法符合物理学史的是_______
A．普朗克引入能量子的概念，得出黑体辐射的强度按波长分布的公式，与实验符合得非常好，并由此开创了物理学的新纪元
B．康普顿效应表明光子具有能量
C．德布罗意把光的波粒二象性推广到实物粒子，认为实物粒子也具有波动性
D．汤姆逊通过α粒子散射实验，提出了原子具有核式结构
E. 卢瑟福利用α粒子轰击氮核发现了质子，并预言了中子的存在
11．如图所示为氢原子的能级图，用光子能量为12.75eV的光照射一群处于基态的氢原子，下列说法正确的是

A．氢原子可以辐射出6种波长的光
B．氢原子跃迁时辐射光的最大能量小于吸收的光子能量
C．辐射光中，光子能量为0.66eV的光波长最长
D．用光子能量为14.2eV的光照射基态的氛原子
12．下列说法中正确的是(　　)
A．康普顿发现了电子
B．卢瑟福提出了原子的核式结构模型
C．密立根提出原子的枣糕模型
D．密立根通过“油滴实验”测出了电子的电荷量
13．大量处于某激发态的氢原子辐射出多条谱线，其中最长和最短波长分别为和，则该激发态与基态的能量差为_____，波长为的光子的动量为_____。（已知普朗克常量为h，光速为c）
14．氢原子的能级图如图所示，现让光子能量为E的一束光照射到大量处于基态的氢原子上，氢原子能发出3种不同频率的光，那么入射光光子的能量E为________eV.若某种金属的逸出功为3.00 eV，则用上述原子发出的三种光照射该金属，产生的光电子的最大初动能的最大值为________eV.
15．为了测定带电粒子的比荷，让这个带电粒子垂直电场方向飞进平行金属板间，已知匀强电场的场强为E，在通过长为L的两金属板间后，测得偏离入射方向的距离为d，如果在两板间加垂直于电场方向的匀强磁场，磁场方向垂直于粒子的入射方向，磁感应强度为B，则粒子恰好不偏离原来的方向，求为多少？
16．原子的能级如图所示，有一群处于n=4能级的氢原子．如果原子n=2向n=1跃迁所发出的光正好使某种金属材料产生光电效应，则：
①这群氢原子发出的光谱中共有几条谱线能使该金属产生光电效应？
②从能级n=4向n=1发出的光照射该金属材料，所产生的光电子的最大初动能为多少？
参考答案
1．B
【解析】
发生受激辐射时，向外辐射能量，知原子总能量E减小，轨道半径减小，根据知，电子的动能增大，由于能量减小，则电势能减小，B正确．
2．C
【解析】
【详解】
伽利略做了数百次“铜球从阻力很小的斜槽上由静止滚下”的实验，证实了“运动距离与时间的平方成正比”的关系，他首先采用了以实验检验猜想和假设的科学方法，奠定了现代科学的基础，故A说法正确；开普勒研究了第谷20余年的行星观测记录，提出了“所有行星绕太阳在椭圆轨道上运动”等行星运动规律，澄清了许多年来人们对天体运动的神秘、模糊认识，也为牛顿创立天体力学理论奠定了观测基础，故B说法正确；奥斯特发现的电流磁效应，震动了整个科学界，引起了科学家们关于“磁也能生电”的对称性的思考，最终导致法拉第发现电磁感应现象，使人们对电与磁内在联系的认识更加完善，但是纽曼和韦伯先后研究得出感应电动势和磁通量的变化率成正比，故C说法错误；汤姆孙通过实验对“阴极射线在电场和磁场中偏转情况”进行研究发现了电子，否定了2000多年来“原子是物质的不可分割的最小单元”这一传统观念，标志着人类对物质结构的认识进入了一个崭新的阶段，故D说法正确。所以选C。
3．B
【解析】
发生光电效应的条件是入射光的频率大于极限频率，大量处于n=3激发态的氢原子向基态跃迁过程所放出的光子中，有两种光子能使某金属A产生光电效应，则由跃迁到一定能使金属A发生光电效应，然后根据波尔理论分析即可；
【详解】
A、大量处于n=3激发态的氢原子向低能级状态跃迁时，有3→1，3→2，和2→1，三种情况，所以跃迁过程中将释放出3种频率的光子，故A错误；
B、由题可知：有两种频率的光子能使金属A产生光电效应，大量处于n=3激发态的氢原子向低能级状态跃迁过程所放出的光子中，跃迁到辐射的光子频率最大，则一定能使金属A发生光电效应，故选项B正确；
C、根据玻尔理论，氢原子从激发态跃到基态时，放出能量，电子的动能增大，电势能减小，导致原子总能量减小，故选项CD错误。
【点睛】
解决本题的关键掌握发生光电效应的条件，以及知道能级间跃迁时，哪个能级间跃迁发出的光子能量最大，哪个能级间跃迁发出的光子能量最小。
4．A
【解析】
当原子从高能级向低能级跃迁时，发射的光子数目为：，同时计算出各种光子能量然后和表格中数据进行对比，便可解决本题．
【详解】
如果激发态的氢原子处于第二能级，能够发出10.2 eV的光子，不属于可见光；如果激发态的氢原子处于第三能级，能够发出12.09 eV、10.2 eV、1.89 eV的三种光子，只有1.89 eV属于红色可见光；如果激发态的氢原子处于第四能级，能够发出12.75 eV、12.09 eV、10.2 eV、2.55 eV、1.89 eV、0.66 eV的六种光子，1.89 eV和2.55 eV属于可见光，1.89 eV的光子为红光，2.55 eV的光子为蓝-靛。则由题意，由于一群处于某激发态的氢原子，发射的光的谱线在可见光范围内只有1条，则一定对应着从第三能级到低能级的跃迁，其可见光的颜色为红光，故选A。
5．B
【解析】
辐射出的波长最短的电磁波为频率最高的电磁波，即为能量最大的电磁波，根据波尔理论可知：，解得，故选B.
6．B
【解析】
氢原子处于量子数n=1的基态时能量E1=-136. eV，处于量子数n=2的激发态时能量E2=-3.4 eV则辐射出一个能量为（-3.4 eV）-（-13.6 eV）=10.2 eV的光子后跃迁到基态，选项B正确，A错误；n=3的激发态时能量E3=-1.51 eV，则用光子能量为（-1.51eV）-（-3.4 eV）=1.89 eV的光照射后将跃迁到n=3的激发态，选项C错误；用光子能量为13.6 eV的光照射后将使氢原子电离，选项D错误；故选B.
【点睛】
解决本题的关键知道能级间跃迁辐射或吸收光子的能量等于两能级间的能级差，即Em-En=hv．
7．C
【解析】
试题分析：原子核发生衰变时，电荷守恒，但会有质量亏损，遵循的是爱因斯坦的质能方程而非质量守恒规律，故A错误；射线和射线分别是带正电的氦核流和带负电的电子流，而射线不带电，故B错误；根据玻尔氢原子模型的相关理论，电子轨道和能量都是量子化的，而在“跃迁”过程中要遵循，故只能辐射特定频率的光子，故C正确；由光电效应的方程可知，光电子的动能由入射光频率决定，故D错误．
考点：氢原子的能级公式和跃迁
【名师点睛】本题主要考察原子结构和原子核的相关知识．选项的迷惑性大，关键要熟悉教材，牢记这些基本的知识点，以及加强训练．
8．B
【解析】
【分析】
【详解】
根据知，n=2能级氢原子受到照射后跃迁到n=4能级，故A错误；根据能级差公式可得：从n=2能级跃迁到n=1发出的光的能量为，从n=3能级跃迁到n=1发出的光的能量为：，从n=4能级跃迁到n=1发出的光的能量为：，可知以上3种可以让逸出功为10eV的某金属发生光电效应，故B正确；氢原子由n=4向n=1能级跃迁时辐射的光子能量最大，频率最大，最大能量为13.6-0.85eV=12.75eV，故C错误；由图可知当核外电子从n=4能级跃迁到n=3能级时，能级差最小，所以放出光子的能量最小，频率最小，波长最大，故D错误．所以B正确，ACD错误．
9．D
【解析】
【分析】
【详解】
在α粒子散射实验中，由于电子的质量太小，电子的质量只有α粒子的，它对α粒子速度的大小和方向的影响就像灰尘对枪弹的影响，完全可以忽略．故D正确，A、B、C错误．
10．ACE
【解析】
【详解】
A项：普朗克引入能量子的概念，得出黑体辐射的强度按波长分布的公式，与实验符合得非常好，并由此开创了物理学的新纪元，故A正确；
B项：康普顿效不仅表明了光子具有能量，还表明了光子具有动量，故B错误；
C项：德布罗意把光的波粒二象性推广到实物粒子，认为实物粒子也具有波动性，故C正确；
D、E项：卢瑟福利用α粒子轰击氮核发现了质子，并预言了中子的存在，提出了原子具有核式结构，故D错误，E正确。
故选：ACE。
11．CD
【解析】
【分析】
【详解】
A、用光子能量为12.75eV的光照射一群处于基态的氢原子，跃迁到第4能级，根据知，可以辐射出6种波长的光；故A正确．
B、氢原子跃迁时辐射的光最大能量等于吸收的光子能量；故B错误．
C、从n=4跃迁到n=3辐射的光子能量最小，波长最长，光子能量为0.66eV；故C正确．
D、用光子能量为14.2eV的光照射基态的氢原子，因电离能为13.6eV，则原子被电离，还剩下0.6eV是自由电子的动能；故D正确．
故选ACD．
【点睛】
本题考查了能级跃迁的基本运用，知道能级差越大，辐射的光子能量越大，波长越小，以及知道电离的条件，
12．BD
【解析】汤姆孙研究阴极射线时发现了电子；卢瑟福分析α粒子散射实验结果提出了原子的核式结构模型；汤姆孙提出原子的“枣糕”模型；密立根用“油滴实验”测出了电子的电荷量，BD正确．
13．
【解析】
【分析】
【详解】
[1]根据可知波长越短，对应光子的频率越大，对应跃迁的能级差越大；可知最短波长对应基态到激发态的能量差最大，结合得
[2]波长为对应的光子动量为
14．12.09 9.09
【解析】
【详解】
根据题意可知，氢原子能发出3种不同频率的光，所以光子的照射使基态的氢原子跃迁到3能级上，所以光子的能量；根据光电效应方程可知，，若某种金属的逸出功为3.00 eV，则用上述原子发出的三种光照射该金属，产生的光电子的最大初动能的最大值为9.09eV
15．
【解析】
【分析】
带电粒子在电场中做类平抛运动，根据平抛运动公式和牛顿第二定律列式，粒子在磁场中作匀速直线运动，洛伦兹力与电场力平衡，列式求出v，联立即可求解。
【详解】
设带电粒子以速度v0垂直电场方向进入匀强电场，
则d＝at2＝
此带电粒子垂直入射到正交的电磁场区域时不发生偏转，
由平衡条件qE＝qv0B，
解得：v0＝
可得：＝
联立解得：＝
【点睛】
本题主要考查了电场中类平抛运动采用运动的分解法处理，电磁场中匀速直线运动，类似于速度选择器，运用平衡条件研究。
16．(1) 3条 (2)
【解析】
【详解】
①一群处于n=4能级的氢原子向基态跃迁时，因为n=2向n=1跃迁所发生的光正好使某种金属材料产生光电效应，所以只有n=4跃迁到n=1，n=3跃迁到n=1，n=2跃迁到n=1的光子能够使金属发生光电效应，即3条．
②逸出功等于-3.40+13.6=10.2eV，从而n=4跃迁到n=1辐射的光子能量最大，为-0.85+13.6eV=12.75eV，根据光电效应方程知，光电子的最大初动能Ekm=hv-W0=12.75-10.2eV=2.55eV．