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 章末综合复习题（含解析）

原子世界探秘
1．一对正、负电子可形成一种寿命比较短的称为“电子偶素”的新粒子。电子偶素中的正电子与负电子都以速率v绕它们连线的中点做圆周运动。假定玻尔关于氢原子的理论可用于电子偶素，电子的质量m、速率v和正、负电子间的距离r的乘积也满足量子化条件，即 ，式中n称为量子数，可取整数值1、2、3、，h为普朗克常量。已知静电力常量为k，电子质量为m、电荷量为e，当它们之间的距离为r时，电子偶素的电势能，则关于电子偶素处在基态时的能量，下列说法中正确的是（ ）
A． B． C． D．
2．氢原子第n能级的能量为En＝(n＝l，2，3…），若一个处于第n1能级的氢原子跃迁过程中发射能量为2.55eV的光子后处于比基态能量高出10.2eV的第n2能级．下列说法中正确的是
A．n1＝5
B．n2＝3
C．用能量为l0.2eV的光子照射氢原子，就可以使处于基态的氢原子电离
D．一个处于第n1能级的氢原子向低能级跃迁过程中最多可能辐射出3种不同频率的光子
3．关于光谱的下列说法中,正确的是
A．用光栅或棱镜的色散作用，可以把光按波长展开，获得光的波长和强度分布的纪录叫光谱
B．氢光谱证实了玻尔提出的“原子核的能级量子化的假说”
C．白炽灯和霓虹灯光的光谱是明线光谱，都能用来做光谱分析
D．太阳光谱是吸收光谱，暗线说明太阳的内部存在着与这些暗线对相应的元素
4．关于图中四个示意图所表示的实验,下列说法中正确的是
A．图①实验使人类第一次发现原子内部还有结构
B．图②实验说明光是横波
C．图③实验中，从锌板射出的是光子，它来自于原子核的内部
D．图④实验中所示的三种射线是从原子核内部释放的，说明原子核有复杂的结构
5．下列关于物理规律和理论的叙述正确的是（ ）
A．无论是宏观物体还是微观粒子，都可以用牛顿运动定律和动量守恒定律去研究它们的运动和相互作用
B．物体受到的合外力不为0时，机械能可能守恒；物体受到的合外力为0时，机械能一定守恒
C．万有引力定律和库仑定律具有相似的表达式，这两个定律分别是由牛顿和库仑经过多次实验探究总结归纳出来的
D．玻尔理论是玻尔结合普朗克的量子观念、爱因斯坦的光子学说和卢瑟福的原子结构模型而提出的原子结构理论，它成功地解释了氢原子的发光现象
6．下列说法正确的是( )
A．的半衰期会随着周围环境温度的变化而改变
B．爱因斯坦为解释光的干涉现象提出了光子说
C．处于n＝3能级状态的大量氢原子自发跃迁时，能发出3种频率的光子
D．普朗克在研究黑体辐射问题时提出了光子说
7．以下是有关近代物理内容的若干叙述，其中正确的有（　　）
A．一个处于第四能级的氢原子向基态跃迁时，将最多向外辐射3种不同频率的光子
B．20个U的原子核经过两个半衰期后剩下5个U
C．轻核聚变反应方程中，X表示电子
D．一个光子与一个静止的电子碰撞而散射，其频率会发生改变
8．关于光谱，下列说法正确的是
A．发射光谱一定是连续谱
B．利用线状谱可以鉴别物质和确定物质的组成成分
C．各种原子的原子结构不同，所以各种原子的光谱也是不同的
D．太阳光谱中的暗线，说明太阳中缺少与这些暗线相对应的元索
9．根据玻尔的氢原子模型,氢原子的核外电子在核的静电力作用下绕核做匀速圆周运动,那么
A．若该原子由基态巧迁到激发态，则电势能升高，电子运动的周期增大
B．若该原子由激发态跃迁到基态，则电子的轨道半径增大，电子运动的加速度也增大
C．若该原子吸收光子能量而跃迁，则原子的能级增大，电子运动的动能减小
D．若该原子跃迁而向外辐射光子，则电子形成的等效电流增大，电子运动的线速度减小
10．氢原子的能级如图所示,已如可见光的光子的能量范围为1.62~3.11eV,那么对氢原子在能级跃注的过程中辐射成吸收光子的特征认识正确的是( )
A．大量氢原子处于n=4能级时向低能级跃迁能发出6种领率的可见光
B．氢原子从高能级向n=3能级跃迁时,发出的光是不可见光
C．处于n=3能级的氢原子可以吸收任意频率的可见光,并发生电离
D．用能量为12.5eV的光子照射处与基态的氢原子,可以使氢原子跃迁到更高的能级
11．以下有关近代物理内容的若干叙述，其中正确的是( )
A．原子核发生一次β衰变，该原子外层就失去一个电子
B．天然放射现象中发出的三种射线本质都是电磁波
C．对不同的金属，若照射光频率不变，光电子的最大初动能与金属的逸出功成线性关系
D．按玻尔理论，大量的氢原子从第4能级向低能级跃迁时会发出6种不同频率的光子
12．处于第2激发态的大量氢原子向低能级跃迁辐射多种频率的光子，已知普朗克常量为h，氢原子能级公式为E=，不同轨道半径为rn=n2r1，E1为基态能量，r1为第Ⅰ轨道半径，n=1，2，3…．则下列说法中正确的是（　　）
A．共产生3种频率的光子
B．产生光子最大波长为λm=
C．处于第2激发态和处于基态电子做圆周运动速度之比为1：2
D．电子由第2激发态跃迁到基态时，电势能减小，动能增加，总能量减小
13．用能量为l5eV的光子照到某种金属上，能发生光电效应，测得其光电子的最大初动能为12.45eV，该金属的逸出功为________eV．氢原子的能级如图所示，现有一群处于n=3能级的氢原子向低能级跃迁，在辐射出的各种频率的光子中，能使该金属发生光电效应的频率共有_______种．
14．如图所示，是20世纪初伟大的物理学家卢瑟福在研究物质结构时的实验装置，请根据物理学史的知识完成下题：
(1)卢瑟福用这个实验装置发现了______________；
(2)图中的放射源发出的是___________粒子；
(3)图中的金箔是_____层分子膜（填单或多）；
(4)如图位置的四个显微镜中，闪光频率最高的是___显微镜；
(5)除上述实验成就外，卢瑟福还发现了______的存在；（填电子、质子、中子中的一项）
(6)最终卢瑟福__________诺贝尔奖（填是否获得了）。
15．氢原子处于基态的能级值为，普朗克常量为h。原子从能级n＝2向n＝1跃迁所放出的光子，正好使某种金属材料产生光电效应。有一群处于n＝4能级的氢原子向较低能级跃迁时所发出的光照射该金属。求：
(1)该金属的截止频率；
(2)产生光电子最大初动能。
16．在巴耳末系中波长最长的光子能量约为多少？
参考答案
1．C
【解析】
【分析】
正电子与负电子都以速率v绕它们连线的中点做圆周运动，两者间的库仑力充当向心力；结合题中量子化的条件，可得n=1时正、负电子间的距离、电子的速率。求出n=1时两个电子的动能和电子偶素的电势能可得电子偶素处在基态时的能量。
【详解】
设n=1时正、负电子间的距离为、电子的速率为，则，由量子化条件可得，联立解得：、。每个电子的动能，系统的电势能，则电子偶素处在基态时的能量，解得：。故C项正确，ABD三项错误。
2．D
【解析】
【详解】
AB、基态的能量为-13.6eV，根据氢原子发射能量为2.55eV的光子后处于比基态能量高出l0.2eV的激发态，得出氢原子发射光子前后所具有的能量，再依据氢原子第n能级的能量为：（n=l，2，3…），则有：，，联立解得：n1=4；n1=2；故AB错误。
C、用能量为l3.6eV的光子照射氢原子，才可以使处于基态的氢原子电离，故C错误；
D、一个处于n=4能级的氢原子，跃迁到基态的过程中，释放出的光子光子最多由3种，分别是从n=4→3→2→1放出的，故D正确。
故选D。
3．A
【解析】
光谱是按一定次序排列的彩色光带．每一种元素都有自己的特征谱线，因此可以根据光谱来鉴别物质和确定它的化学组成．这种方法叫做光谱分析；氢光谱证实了玻尔提出的“原子核的能级量子化的假说”；白炽灯的光谱是连续谱；太阳光谱中的暗线，说明太阳大气中存在与这些暗线相对应的元素．
【详解】
用光栅或棱镜的色散作用，可以把光按波长展开，获得光的波长和强度分布的纪录的彩色光带叫光谱；故A正确；为解释氢光谱，波尔提出的“原子的能级量子化的假说”，不是提出的“原子核的能级量子化的假说”。故B错误；白炽灯的光谱是连续谱，不能用来做光谱分析。故C错误；太阳光谱是吸收光谱，其中的暗线，说明太阳大气中存在与这些暗线相对应的元素。故D错误。故选A。
4．D
【解析】
少数α粒子发生了较大偏转，说明原子的质量绝大部分集中在很小空间范围；天然放射现象说明原子核有复杂的结构．
【详解】
少数α粒子发生了较大偏转，说明原子的几乎全部质量和所有正电荷主要集中在很小的核上，否则不可能发生大角度偏转。故A错误。双缝干涉现象说明了光的波动性，不能说明光的横波。故B错误。光电效应实验说明了光具有粒子性，从锌板射出的是电子，它来自于原子的核外电子。故C错误。三种射线是从原子核内部释放的，说明原子核有复杂的结构。故D正确。故选D。
5．D
【解析】
（1）动量守恒定律具有普适性，但经典力学使用条件为：宏观，低速，对微观，高速度运动不再适用；
（2）在一个只有重力做功的系统，只有动能和重力势能的相互转化，机械能守恒；
（3）万有引力定律和库仑定律具有相似的表达式，这两个定律分别并非经过多次实验探究总结归纳出来的；
（4）玻尔理论是玻尔结合普朗克的量子观念、爱因斯坦的光子学说和卢瑟福的原子结构模型而提出的原子结构理论，它成功地解释了氢原子的发光现象．
【详解】
A、动量守恒定律具有普适性，但经典力学使用条件为：宏观，低速，对微观，高速度运动不再适用，A错误；
B、物体受到的合外力不为零时，机械能可能守恒，例如平抛运动或自由落体运动；但物体受到的合外力为0时，机械能不一定守恒，比如匀速上升的电梯，机械能增加，B错误；
C、万有引力定律不是建立在多次实验的基础上的，而是以开普勒行星运动定律为基础，利用大量数学推理推导出来的，库伦定律的得出类比了万有引力定律，利用库伦扭秤进行探究得出，C错误；
D、玻尔理论是玻尔结合普朗克的量子观念、爱因斯坦的光子学说和卢瑟福的原子结构模型而提出的原子结构理论，它成功地解释了氢原子的发光现象，D正确．
故本题选D．
【点睛】
本题考查学生对物理学史的掌握程度，研究物理学的探究过程和历史，用助于提高物理思维，产生浓厚的学习兴趣．
6．C
【解析】
放射性元素的半衰期与外界环境无关，选项A错误；爱因斯坦为解释光电效应现象提出了光子说，选项B错误；处于n＝3能级状态的大量氢原子自发跃迁时，能发出种频率的光子，选项C正确；普朗克在研究黑体辐射问题时提出了能量子假说，建立了量子论，选项D错误；故选C.
7．AD
【解析】
(1)根据玻尔理论确定可能释放光子频率的种数；
(2)半衰期是大量放射性元素的原子核衰变的统计规律；
(3)根据质量数守恒与电荷数守恒判断；
(4)光子与电子碰撞后，光子的频率变小，波长变长．
【详解】
A．一个处于第四能级的氢原子向基态跃迁时，根据玻尔理论，辐射的光子频率最多时，辐射的途径为：
n＝4→3→2→1
最多将向外辐射3种不同频率的光子；故A正确．
B．半衰期是大量放射性元素的原子核衰变的统计规律，对个别的放射性原子没有意义；故B错误．
C．根据质量数守恒可知X的质量数：
m＝2+3﹣4＝1
电荷数：
z＝1+1﹣2＝0
可知X是中子；故C错误；
D．光子与一静止的电子碰撞后光子的动量减小，则光子的能量减小，光子的频率变小，故D正确．
8．BC
【解析】
【分析】
【详解】
A.发射光谱有两种类型：连续光谱和明线光谱，故A错误；
BC.各种原子的发射光谱都是线状谱，都有一定的特征，也称特征谱线，是因原子结构不同，导致原子光谱也不相同，因而可以通过原子发光谱线来确定和鉴别物质，对此称为光谱分析，故BC正确；
D.太阳光谱是吸收光谱，其中的暗线，说明太阳中存在与这些暗线相对应的元素，故D错误。
故选BC。
点晴：原子的发射光谱都是线状谱，也叫特征谱线，各种不同的原子的光谱各不相同，是因原子中电子结合不同．因此可通过原子发光来确定物质的组成．
9．AC
【解析】
【分析】
根据库仑定律求出原子核与核外电子的库仑力．根据原子核对电子的库仑力提供向心力，由牛顿第二定律求出角速度，加速度，周期，线速度进行比较．
【详解】
根据原子核对电子的库仑力提供向心力，由牛顿第二定律得：，可得，且， ；若该原子由基态跃迁到激发态，则半径增大，电场力做负功，电势能变大，周期也增大，故A正确；若该原子由激发态跃迁到基态，则半径减小，加速度增大，故B错误；若该原子吸收光子能量而跃迁，则半径越大，线速度越小，电子运动的动能减小，而原子的能级增大，故C正确；若该原子跃迁而向外辐射光子，则半径增大，周期变大，根据可知，电子形成的等效电流减小，线速度也减小，故D错误。故选AC。
【点睛】
能够根据题意找出原子核与核外电子的库仑力提供向心力，并列出等式求解．对于等效环形电流，以一个周期为研究过程求解．
10．BC
【解析】
【分析】
【详解】
A．大量氢原子处于n=4能级时向低能级跃迁能发出种频率的光，其中4→3放出光子的能量：（-0.85）-（-1.51）=0.66eV；其中3→2放出光子的能量：（-1.51）-（-3.4）=1.89eV；其中4→2放出光子的能量：（-0.85）-（-3.4）=2.55eV；则只有三种是可见光，选项A错误；
B．氢原子从高能级向n=3能级跃迁时，发出的光的能量小于1.51 eV，则属于不可见光，选项B正确；
C．处于n=3能级的氢原子电离需要的最小能量为1.51 eV，则处于n=3能级的氢原子可以吸收任意频率的可见光，并发生电离，选项C正确；
D．12.5eV的光不等于任何能级差，则能量为12.5eV的光子照射处与基态的氢原子，不能被氢原子吸收，不可以使氢原子跃迁到更高的能级，选项D错误；
故选BC.
11．CD
【解析】
【详解】
β衰变的实质是原子核内的一个中子转变为一个质子和一个电子，电子释放出来，故A错误；α、β、γ三种射线分别是氦核、电子、电磁波，故B错误；根据爱因斯坦光电效应方程Ekm=hγ-W0，对于不同种金属，若照射光频率不变，Ek与金属的逸出功成线性关系，故C正确；处于n=4能级的激发态氢原子向低能级跃迁时，能产生种不同频率的光，故D正确。所以CD正确，AB错误。
12．AD
【解析】
【分析】
基态的氢原子吸收的能量必须等于两能级间的能级差时，才能被吸收，根据该关系，确定出吸收光子后跃迁的第几能级，根据数学组合公式求出激发后发射光子的种类，依据库仑引力提供向心力，再结合半径之比，即可判定圆周运动速度之比。
【详解】
A、大量处于第3能级的氢原子向低能级跃迁放出若干频率的光子，能产生3种不同频率的光子，故A正确；
B、产生的光子的最小频率为 ，则最大波长为，故B错误；
C、依据库仑引力提供向心力，即为，及rn=n2r1，则有第2激发态，即n=3和处于基态，即n=1，电子做圆周运动速度之比为1：3，故C错误；
D、当氢原子从能级n=3跃迁到n=1时，速率增大，动能增加，电势能减小，而总能量，因向外辐射光子，而减小，故D正确。
故选：AD。
【点睛】
解决本题的关键知道辐射或吸收光子的能量等于两能级间的能级差，即Em﹣En=hv，同时掌握牛顿第二定律的内容，及库仑定律，与向心力表达式。
13．2.55 2
【解析】
【分析】
【详解】
[1]用能量为15eV的光子照到某种金属上，能发生光电效应，测得其光电子的最大初动能为12.45eV，根据光电效应方程得
[2]现有一群处于n=3能级的氢原子向低能级跃迁，根据
知该群氢原子可能发射3种不同频率的光子，但是n=3能级跃迁到n=2能级的光子能量小于2.55eV，所以能使该金属发生光电效应的频率共有2种．
14．核式结构模型 粒子 单 A 质子 获得了
【解析】
【分析】
【详解】
(1)[1]该图显示的是卢瑟福的粒子散射实验，该实验的结果推翻了原有的原子“枣糕状”模型概念，卢瑟福在其实验现象的基础上提出了“核式结构”的原子模型观点。
(2)[2]该图显示的是卢瑟福的粒子散射实验，因此放射源发出的是粒子。
(3)[3]选择单层分子膜的金箔是为了尽量保证粒子只与一个金箔原子发生碰撞。
(4)[4]放在A位置时，相同时间内观察到屏上的闪光次数最多，说明大多数射线基本不偏折，可知金箔原子内部很空旷，因此A位置的显微镜闪光频率最高。
(5)[5]1919年，卢瑟福做了用粒子轰击氮原子核的实验，发现了质子的存在。
(6)[6]卢瑟福于1908年获得诺贝尔化学奖。
15．(1)；(2)
【解析】
【分析】
【详解】
(1)氢原子处于能级n=2的能级值
根据跃迁规律有
解得
(2)氢原子处于能级n=4的能级值
从n=4能级跃迁到基态所发出的光能量最大，根据爱因斯坦光电效应方程有
解得
16．
【解析】
【详解】
由巴耳末公式可知，n取3的时候波长最长，
光子的频率：
由光子能量知：
.