2012年高考复习专题——原子物理（二）

原子物理
【】
【考试说明】
新课程标准 考试说明 要求
1通过对氢原子光谱的分析，了解原子的能级结构。2知道原子核的组成。知道放射性和原子核的衰变。知道半衰期的统计意义。3知道核力的性质。会根据质量数守恒和电荷守恒写出核反应方程。4认识原子核的结合能。知道裂变反应和聚变反应。关注受控聚变反应研究的进展。5知道链式反应的发生条件。了解裂变反应堆的工作原理。了解常用裂变反应堆的类型。6了解放射性同位素的应用。知道射线的危害和防护。 氢原子光谱 Ⅰ
氢原子的能级结构及公式 Ⅰ
原子核的组成、放射性原子核的衰变、半衰期 Ⅰ
放射性同位素 Ⅰ
核力、核反应方程 Ⅰ
结合能、质量亏损 Ⅰ
裂变和聚变反应、裂变反应堆 Ⅰ
射线的危害与防护 Ⅰ
【复习策略】
本章知识点较多，理论性强，比较抽象。由于涉及的微观领域较多，因此，在复习时，要从实验出发，弄清每个概念、规律和现象，主要有：光电效应、光的波粒二象性、波尔原子结构模型，在习题处理方面，重点放在轨道量子化、能量量子化上。
【疑难应用】
例1．（2011年高考·上海卷）卢瑟福利用α粒子轰击金箔的实验研究原子结构，正确反映实验结果的示意图是
A． B． C． D．
解析：本题考查α粒子散射实验的原理，主要考查学生对该实验的轨迹分析和理解。由于α粒子轰击金箔时，正对金箔中原子核打上去的一定原路返回，故排除A、C选项；越靠近金原子核的α粒子受力越大，轨迹弯曲程度越大，故D正确。
例2．（2011年高考·上海卷）用一束紫外线照射某金属时不能产生光电效应，可能使该金属产生光电效应的措施是（ ）
A．改用频率更小的紫外线照射 B．改用X射线照射
C．改用强度更大的原紫外线照射 D．延长原紫外线的照射时间
解析：本题考查光电效应现象，要求学生知道光电效应发生的条件。根据爱因斯坦对光电效应的研究结论可知光子的频率必须大于金属的极限频率，A错；与光照射时间无关，D错；与光强度无关，C错；X射线的频率比紫外线频率较高，故B对。
例3．（2011年高考·上海卷）在存放放射性元素时，若把放射性元素①置于大量水中；②密封于铅盒中；③与轻核元素结合成化合物。则（ ）
A．措施①可减缓放射性元素衰变 B．措施②可减缓放射性元素衰变
C．措施③可减缓放射性元素衰变 D．上述措施均无法减缓放射性元素衰变
解析：本题考查衰变及半衰期，要求学生理解半衰期。原子核的衰变是核内进行的，故半衰期与元素处于化合态、游离态等任何状态无关，与外界温度、压强等任何环境无关，故不改变元素本身，其半衰期不会发生变化，A、B、C三种措施均无法改变，故D对。
例4．8.（2010年 四川）15．下列说法正确的是
A．α粒子大角度散射表明α粒子很难进入原子内部
B． 氨原子跃迁发出的光从空气射入水时可能发生全反射
C． 裂变反应有质量亏损，质量数不守恒
D．γ射线是一种波长很短的电磁波
解析：α粒子的散射学习现象表明大多数α粒子不发生偏转，说明穿过了原子，少数α粒子发生偏转，说明无法穿过原子核，A错误。任何光只有在从光密介质进入光疏介质时才能发生全反射，B错误。裂变有质量亏损是因为核子的平均密度变化引起的，但是核子的总数并未改变，C错误。γ射线是频率很大波长很短的电磁波，答案 D
例5．（2010年 全国1）14.原子核经放射性衰变①变为原子，继而经放射性衰变②变为原子核，再经放射性衰变③变为原子核。放射性衰变①、②和③依次为
A.. 衰变、衷变和衰变 B. 衰变、衷变和衰变
C. 衰变、衰变和衰变 D. 衰变、衰变和衰变
解析：A
例6．（2010年 全国2）14.原子核与氘核反应生成一个α粒子和一个质子。由此可知（ ）
A．A=2，Z=1 B. A=2，Z=2 C. A=3，Z=3 D. A=3，Z=2
解析：答案D
例7．（2009年 浙江）15．氮原子核由两个质子与两个中子组成，这两个质子之间存在着万有引力、库伦力和核力，则3种力从大到小的排列顺序是（ ）
A．核力、万有引力、库伦力 B．万有引力、库伦力、核力
C．库伦力、核力、万有引力 D．核力、库伦力、万有引力
解析：核力是强力，它能将核子束缚在原子核内。万有引力最弱，研究核子间相互作用时万有引力可以忽略。答案D
例8．（2009年 重庆）16.某科学家提出年轻热星体中核聚变的一种理论，其中的两个核反应方程为：++ ++X+，方程式中1、表示释放的能量，相关的原子核质量见下表：
原子核
质量/u 1.0078 3.0160 4.0026 12.0000 13.0057 15.0001
以下推断正确的是
A. X是， B. X是，
C. X是， D. X是，
解析：+中质量亏损为Δm1＝1.0078＋12.0000－13.0057＝0.0021,
根据根据电荷数守恒和质量数守恒可知++X中X的电荷数为2、质量数为4，质量亏损为Δm2＝1.0078＋15.0001－12.0000－4.0026＝0.0053，根据爱因斯坦的质能方程可知＝Δm1C2、＝Δm2C2，则＜。答案：B
例9．（2009年 广东）2．科学家发现在月球上含有丰富的（氦3），它是一种高效、清洁、安全的核聚变燃料，其参与的一种核聚变反应的方程式为+→+，关于聚变下列表述正确的是（ ）
A．聚变反应不会释放能量 B．聚变反应产生了新的原子核
C．聚变反应没有质量亏损 D．目前核电站都采用聚变反应发电
解析：答案，B
【疑难检测】
1．（2011年高考·北京理综卷）表示放射性元素碘131（）β衰变的方程是
A． B． C． D．
2．（2011年高考·全国大纲版理综卷）已知氢原子的基态能量为E1，激发态能量En=E1/n2，其中n=2，3，…。用h表示普朗克常量，c表示真空中的光速。能使氢原子从第一激发态电离的光子的最大波长为
A． B． C． D．
3．（2011年高考·重庆理综卷）核电站核泄漏的污染物中含有碘131和铯137。碘131的半衰期约为8天，会释放β射线；铯137是铯133的同位素，半衰期约为30年，发生衰变期时会辐射γ射线。下列说法正确的是
A．碘131释放的β射线由氦核组成
B．铯137衰变时辐射出的γ光子能量小于可见光光子能量
C．与铯137相比，碘131衰变更慢
D．铯133和铯137含有相同的质子数
4．（2011年高考·福建理综卷）爱因斯坦提出了光量子概念并成功地解释光电效应的规律而获得1921年的诺贝尔物理学奖。某种金属逸出光电子的最大初动能Ekm与入射光频率ν的关系如图所示，其中ν0为极限频率。从图中可以确定的是______。（填选项前的字母）
A．逸出功与ν有关 B．Ekm与入射光强度成正比
C．ν<ν0时，会逸出光电子 D．图中直线的斜率与普朗克常量有关
5．（2011年高考·广东理综卷）光电效应实验中，下列表述正确的是
A．光照时间越长光电流越大 B．入射光足够强就可以有光电流
C．遏止电压与入射光的频率有关 D．入射光频率大于极限频率才能产生光电子
6．（2011年高考·天津理综卷）下列能揭示原子具有核式结构的实验是
A．光电效应实验 B．伦琴射线的发现
C．α粒子散射实验 D．氢原子光谱的发现
7．（2011年高考·天津理综卷）甲、乙两单色光分别通过一双缝干涉装置得到各自的干涉图样，设相邻两个亮条纹的中心距离为Δx，若Δx甲 >Δx乙 ，则下列说法正确的是
A．甲光能发生偏振现象，乙光则不能发生
B．真空中甲光的波长一定大于乙光的波长
C．甲光的光子能量一定大于乙光的光子能量
D．在同一均匀介质中甲光的传播速度大于乙光
8．（2011年高考·浙江理综卷）关于天然放射现象，下列说法正确的是
A．α射线是由氦原子核衰变产生
B．β射线是由原子核外电子电离产生
C．γ射线是由原子核外的内层电子跃迁产生
D．通过化学反应不能改变物质的放射性
9．（2011年高考·上海卷）天然放射性元素放出的三种射线的穿透能力实验结果如图所示，由此可推知
A．②来自于原子核外的电子
B．①的电离作用最强，是一种电磁波
C．③的电离作用较强，是一种电磁波
D．③的电离作用最弱，属于原子核内释放的光子
10．（2011年高考·四川理综卷）氢原子从能级m跃迁到能级n时辐射红光的频率为ν1，从能级n跃迁到能级k时吸收紫光的频率为ν2。已知普朗克常量为h，若氢原子从能级k跃迁到能级m，则
A．吸收光子的能量为hν1+hν2 B．辐射光子的能量为hν1+hν2
C．吸收光子的能量为hν2-hν1 D．辐射光子的能量为hν2-hν1
11．（2011年高考·上海卷）17.用极微弱的可见光做双缝干涉实验，随着时间的增加，在屏上先后出现如图(a)、(b)、(c)所示的图像，则（ ）
A．图像(a)表明光具有粒子性 B．图像(c)表明光具有波动性
C．用紫外光观察不到类似的图像
D．实验表明光是一种概率波
12．（2010年 广东）18.关于核衰变和核反应的类型，下列表述正确的有
A． 是α衰变 B． 是β衰变
C． 是轻核聚变 D ． 是重核裂变
13．（2010年 北京）15．太阳因核聚变释放出巨大的能量，同时其质量不断减少。太阳每秒钟辐射出的能量约为４×1026Ｊ，根据爱因斯坦质能方程，太阳每秒钟减少的质量最接近
Ａ．1036Ｋｇ　　　Ｂ．1018Ｋｇ　　　Ｃ．1013Ｋｇ Ｄ．109Ｋｇ
14．（2010年 福建）29．（1）测年法是利用衰变规律对古生物进行年代测定的方法。若以横坐标t表示时间，纵坐标m表示任意时刻的质量，为t＝0时的质量。下面四幅图中能正确反映衰变规律的是 。（填选项前的字母）
15．（2010年 天津）2.下列关于原子和原子核的说法正确的是
A．β衰变现象说明电子是原子核的组成部分
B．波尔理论的假设之一是原子能量的量子化
C．放射性元素的半衰期随温度的升高而变短
D．比结合能越小表示原子核中的核子结合得越牢固
16．（2010年 新课标）35．（1）(5分)用频率为的光照射大量处于基态的氢原子，在所发射的光谱中仅能观测到频率分别为的三条谱线，且，则 。(填入正确选项前的字母)
A． B． C． D.
17．(2010年 重庆)19.氢原子部分能级的示意图如题19图所示，不同色光的光子能量如下所示：
色光光子能量范围（） 红 橙 黄 绿 蓝—靛 紫
1.61---2.00 2.00—2.07 2.07—2.14 2.14—2.53 2.53—2.76 2.76—3.10
处于某激发态的氢原子，发射的光的谱线在可见光范围内仅有2条，其颜色分别为
A．红、蓝、靛
B．黄、绿
C．红、紫
D．蓝—靛、紫
18．（2010年 上海）1．卢瑟福提出了原子的核式结构模型，这一模型建立的基础是
A.粒子的散射实验 B.对阴极射线的研究
C.天然放射性现象的发现 D.质子的发现
19．（2010年 上海）4.现已建成的核电站的能量来自于
A.天然放射性元素衰变放出的能量 B.人工放射性同位素放出的的能量
C.重核裂变放出的能量 D.化学反应放出的能量
20.（2009年 安徽）14. 原子核聚变可望给人类未来提供丰富的洁净能源。当氖等离子体被加热到适当高温时，氖核参与的几种聚变反应可能发生，放出能量。这几种反应的总效果可以表示为，由平衡条件可知（ ）
A. k=1, d=4 B. k=2, d=2 C. k=1, d=6 D. k=2, d=3
21．（2009年 北京）14．下列现象中，与原子核内部变化有关的是
A．粒子散射现象 B．天然放射现象
C．光电效应现象 D．原子发光现象
22．（2009年 宁夏）36． （1）（5分）关于光电效应，下列说法正确的是_______（填入选项前的字母，有填错的不得分）
A．极限频率越大的金属材料逸出功越大
B．只要光照射的时间足够长，任何金属都能产生光电效应
C．从金属表面出来的光电子的最大初动能越大，这种金属的逸出功越小
D．入射光的光强一定时，频率越高，单位时间内逸出的光电子数就越多
23．（2009年 全国1）16. 氦氖激光器能产生三种波长的激光，其中两种波长分别为=0.6328 m，=3.39 m，已知波长为的激光是氖原子在能级间隔为=1.96eV的两个能级之间跃迁产生的。用表示产生波长为的激光所对应的跃迁的能级间隔，则的近似值为（ ）
A.10.50eV B.0.98eV C. 0.53eV D. 0.36eV
24．（2009年 全国2）18. 氢原子的部分能级如图所示。已知可见光的光子能量在1.62eV到3.11eV之间。由此可推知, 氢原子
A. 从高能级向n=1能级跃迁时了出的光的波长比可见光的短
B. 从高能级向n=2能级跃迁时发出的光均为可见光
C. 从高能级向n=3能级跃迁时发出的光的频率比可见光的高
D. 从n=3能级向n=2能级跃迁时发出的光为可见光
25．（2009年 上海）1．放射性元素衰变时放出三种射线，按穿透能力由强到弱的排列顺序是（ ）
A.α射线，β射线，γ射线 B.γ射线，β射线，α射线www.
C.γ射线，α射线，β射线 D.β射线，α射线，γ射线
26．（2009年 上海）6．光电效应的实验结论是：www.对于某种金属（ ）
A.无论光强多强，只要光的频率小于极限频率就不能产生光电效应
B.无论光的频率多低，只要光照时间足够长就能产生光电效应
C.超过极限频率的入射光强度越弱，所产生的光电子的最大初动能就越小
D.超过极限频率的入射光频率越高，所产生的光电子的最大初动能就越大
27．（2009年 四川）18.氢原子能级的示意图如图所示，大量氢原子从n＝4的能级向
n＝2的能级跃迁时辐射出可见光a，从n＝3的能级向n＝2的能级跃迁时辐射出可见光b，则
A.氢原子从高能级向低能级跃迁时可能会辐射出射线
B.氢原子从n＝4的能级向n＝3的能级跃迁时会辐射出紫外线
C.在水中传播时，a光较b光的速度小
D.氢原子在n＝2的能级时可吸收任意频率的光而发生电离
28．（2009年 天津）6.下列说法正确的是w.w.w.k.s.5.u.c.o.m
A.是衰变方程
B.是核聚变反应方程
C.是核裂变反应方程
D.是原子核的人工转变方程
二．填空题
29．（2011年高考·海南理综卷）19．（1）2011年3月11日，日本发生九级大地震，造成福岛核电站的核泄漏事故。在泄露的污染物中含有131I和137Cs两种放射性核素，它们通过一系列衰变产生对人体有危害的辐射。在下列四个式子中，有两个能分别反映131I和137Cs衰变过程，它们分别是_______和__________（填入正确选项前的字母）。131I和137Cs原子核中的中子数分别是________和_______.
A． B． C． D．
30．（2011年高考·山东理综卷）碘131核不稳定，会发生β衰变，其半衰变期为8天。
（1）碘131核的衰变方程： ______________（衰变后的元素用X表示）。
（2）经过________天有75%的碘131核发生了衰变。
31．（2011年高考·全国卷新课标版）在光电效应试验中，某金属的截止频率相应的波长为λ0，该金属的逸出功为______。若用波长为λ（λ<λ0）的单色光做该实验，则其遏止电压为______。已知电子的电荷量、真空中的光速和布朗克常量分别为e、c和h。
32．（2011年高考·江苏理综卷）（选修模块3－5）⑴下列描绘两种温度下黑体辐射强度与波长关系的图中，符合黑体辐射规律的是
A． B． C． D．
⑵按照玻尔原子理论，氢原子中的电子离原子核越远，氢原子的能量__________（选填“越大”或“越小”）。已知氢原子的基态能量为E1（E1<0），电子质量为m，基态氢原子中的电子吸收一频率为ν的光子被电离后，电子速度大小为_______________（普朗克常量为h）。
⑶有些核反应过程是吸收能量的。例如在中，核反应吸收的能量，在该核反应方程中，X表示什么粒子？X粒子以动能Ek轰击静止的，若Ek=Q，则该核反应能否发生？请简要说明理由。
33．（2010年 安徽）21.Ⅱ．太阳能是一种清洁“绿色”能源。在我国上海举办的2010年世博会上，大量利用了太阳能电，太阳能电在光照时，可以将光能转化为电能，在没有光照时，可以视为一个电学器件，某实验小组根据测绘小灯炮伏安特性曲线的实验方法，探究一个太阳能电能在没有光照时（没有储存电能）的I-U特性。所用的器材包括：太阳能电能，电测Ek电流表A。电压表V，滑动变阻器R，开关S及导线若干．
（1）为了达到上述目的，请将图1连成一个完整的实验电路图。
（2）该实验小组根据实验得到的数据，描点绘出了如图2的I-U图象，由图可知，当电压小于2．00 V时，太阳能电池的电阻 （填“很大”或“很小”）;当电压为2．80 V时，太阳能电池的电阻约为 ．
34．（2010年 山东）38．（1）大量氢原子处于不同能量激发态，发生跃迁时放出三种不同能量的光子，其能量值分别是：1.89eV、10.2eV、12.09eV。跃迁发生前这些原子分布在 个激发态能级上，其中最高能级的能量值是 eV（基态能量为－13.6eV）
35．（2009年 福建）29.[物理——选修3-5]（1）随着现代科学的发展，大量的科学发展促进了人们对原子、原子核的认识，下列有关原子、原子核的叙述正确的是 。（填选项前的编号）
①卢瑟福α粒子散射实验说明原子核内部具有复杂的结构
②天然放射现象标明原子核内部有电子
③轻核骤变反应方程有：
④氢原子从n=3能级跃迁到n=1能级和从n=2能级跃迁到n=1能级，前者跃迁辐射出的光子波长比后者的长
36．（2009年 江苏）12．C．（选修模块3—5）在衰变中常伴有一种称为“中微子”的例子放出。中微子的性质十分特别，因此在实验中很难探测。1953年，莱尼斯和柯文建造了一个由大水槽和探测器组成的实验系统，利用中微子与水中的核反应，间接地证实了中微子的存在。
（1）中微子与水中的发生核反应，产生中子（）和正电子（），即
中微子+→+可以判定，中微子的质量数和电荷数分别是 ▲ 。（填写选项前的字母）
（A）0和0 （B）0和1 （C）1和 0 （D）1和1
（2）上述核反应产生的正电子与水中的电子相遇，与电子形成几乎静止的整体后，可以转变为两个光子（），即 +2，已知正电子和电子的质量都为9.1×10-31㎏，反应中产生的每个光子的能量约为 ▲ J.正电子与电子相遇不可能只转变为一个光子，原因是 ▲ 。
（3）试通过分析比较，具有相同动能的中子和电子的物质波波长的大小。
37.（2009年 山东）38．(1)历史中在利用加速器实现的核反应，是用加速后动能为0.5MeV的质子H轰击静止的X,生成两个动能均为8.9MeV的He.（1MeV=1.6×-13J）
①上述核反应方程为___________。
②质量亏损为_______________kg。
三．计算题
38.（2010年 海南）19．（1）（4分）能量为Ei的光子照射基态氢原子，刚好可使该原子中的电子成为自由电子，这一能量Ei称为氢的电离能。现用一频率为v的光子从基态氢原子中击出了一电子，该电子在远离核以后速度的大小为 （用光子频率v、电子质量m、氢的电离能Ei与普朗克常量h表示）
（2）（8分）在核反应堆中，常用减速剂使快中子减速。假设减速剂的原子核质量是中子的k倍，中子与原子核的每次碰撞都可看成是弹性正磁。设每次碰撞前原子核可认为是静止的，求N次碰撞后中子速率与原速率之比。
39．（2009年 海南）19． (II)（7分）钚的放射性同位素静止时衰变为铀核激发态和粒子，而铀核激发态立即衰变为铀核，并放出能量为的光子。已知：、和粒子的质量分别为=239.0521u、=235.0439u和 =4.0026u，
（1）写出衰变方程；
（2）已知衰变放出的光子的动量可忽略，求粒子的动能。
【试题答案】
一．选择题
题号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
答案 B C D D CD C BD D D D ABD AC D C
题号 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28
答案 B B A A C B B A D AD B AD C B
二．填空题
29．解析：（1）由质量数和核电荷数守恒可以得出正确选项 B C 78 82
30．解析：（1）核衰变遵守电荷量和质量数守恒，所以
（2）根据半衰期概念，得 即 解得t=16天。
31．解析：由和得，由爱因斯坦质能方程和得。；
32．解析：（1）黑体辐射规律：随着温度的升高，一方面，各种波长的辐射强度都有增加，另一方面，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动，A图正确。
（2）根据及，越远，n越大，En越大（注意En为负值）。电阻动能（注意E1为负值），可解得：。
（3）根据核反应的质量数和电荷数守恒，可得：X粒子的质量数为4，电荷数为2，是。
答案（1）A （2）越大； （3）；不能实现，因为不能同时满足能量守恒和动量守恒的要求。
33．解析：II．（6分）（1）连线如右图。
（2）很大；（965—1040）
34．解析：（1）①2；②－1.5
35.解析：（1）卢瑟福通过α粒子散射实验提出原子核式结构模型，天然放射现象说明原子核内部具有复杂的结构①错
天然放射线中放出的β粒子是原子核中的一个中子衰变为质子放出的电子，原子核内并没有电子。②错
氢原子从n=3能级跃迁到n=1能级放出的光子能量比从n=2能级跃迁到n=1能级大，由公式可知，前者跃迁辐射出的光子波长比后者的短，④错。答案（1）③
36．解析：（1）A
（2） 遵循动量守恒
（3）粒子的动量 ，物质波的波长，由，知，则
37.解析：
（1）或，.
三．计算题
38．解析：（1） （4分）
（2）设中子和作减速剂的物质的原子核A的质量分别为和，碰撞后速度分别为，碰撞前后的总动量和总能量守恒，有
①
②
式中为碰撞前中子速度，由题设
③
由①②③式，经1次碰撞后中子速率与原速率之比为
④
经N次碰撞后，中子速率与原速率之比为
⑤
39．解析：（1）衰变方程为
①
②
或合起来有
③
（2）上述衰变过程的质量亏损为
④
放出的能量为
⑤
这能量是轴核的动能、粒子的动能和光子的能量之和
⑥
由④⑤⑥式得
⑦
设衰变后的轴核和粒子的速度分别为和，则由动量守恒有
⑧
又由动能的定义知
⑨
由⑧⑨式得
⑩
由⑦⑩式得
代入题给数据得
原子和原子核
核力
质量亏损、爱因斯坦质能方程
核反应中释放的核能
核能
原子核
天然放射现象
α、β、γ三种射线及其本质、特性
原子核的衰变及核反应方程
半衰期
原子核的组成：质子和中子的发现
原子核的人工转变
放射性同位素及其应用
原子核的组成
原子结构
波尔原子模型
波尔理论
波尔的氢原子模型
波尔理论的局限性
卢瑟福的核式结构学说
α粒子散射实验
核式结构
原子核大小
O
ν
ν0
Ekm
纸
铝
铅
三种射线
①
②
③
辐射强度
λ
O
1700k
1300k
辐射强度
λ
O
1300k
1700k
辐射强度
λ
O
1700k
1300k
辐射强度
λ
O
1300k
1700k