2020高考備考物理重難點(diǎn)《原子結(jié)構(gòu)和原子核》(附答案解析版)

1、重難點(diǎn)10原子結(jié)構(gòu)和原子核【知識(shí)梳理】一、氫原子光譜、氫原子的能級(jí)、能級(jí)公式1.原子的核式結(jié)構(gòu)(1)電子的發(fā)現(xiàn)：英國(guó)物理學(xué)家湯姆孫發(fā)現(xiàn)了電子。(2) “粒子散射實(shí)驗(yàn)：19091911年，英國(guó)物理學(xué)家盧瑟福和他的助手進(jìn)行了用“粒子轟擊金箔的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù) “粒子穿過(guò)金箔后基本上仍沿原來(lái)方向前進(jìn)，但有少數(shù)“粒子發(fā)生了大角度偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)的角度甚至大于 90。，也就是說(shuō)它們幾乎被 撞”了回來(lái)。(3)原子的核式結(jié)構(gòu)模型：在原子中心有一個(gè)很小的核，原子全部的正電荷和幾乎全部質(zhì)量都集中在核里，帶負(fù)電的電子在核外空間繞核旋轉(zhuǎn)。2.光譜(1)光譜用光柵或棱鏡可以把光按波長(zhǎng)展開(kāi)，獲得光的波長(zhǎng)(頻率)和強(qiáng)度分

2、布的記錄，即光譜。(2)光譜分類(lèi)有些光譜是一條條的亮線(xiàn)，這樣的光譜叫做線(xiàn)狀譜。有的光譜是連在一起的光帶，這樣的光譜叫做連續(xù)譜。(3)氫原子光譜的實(shí)驗(yàn)規(guī)律11 1巴耳末線(xiàn)系是氫原子光譜在可見(jiàn)光區(qū)的譜線(xiàn)，其波長(zhǎng)公式一kR5 不，(n= 3,4,5,)，R是里德伯常量，R= 1.10107 m 1, n為量子數(shù)。3 .玻爾理論(1)定態(tài)：原子只能處于一系列不連續(xù)的能量狀態(tài)中，在這些能量狀態(tài)中原子是穩(wěn)定的，電子雖然 繞核運(yùn)動(dòng)，但并不向外輻射能量。(2)躍遷：原子從一種定態(tài)躍遷到另一種定態(tài)時(shí)，它輻射或吸收一定頻率的光子，光子的能量由這兩個(gè)定態(tài)的能量差決定，即hkEm-Eno (h是普朗克常量，h=6.6

3、3 1034 Js)(3)軌道：原子的不同能量狀態(tài)跟電子在不同的圓周軌道繞核運(yùn)動(dòng)相對(duì)應(yīng)。原子的定態(tài)是不連續(xù)的，因此電子的可能軌道也是不連續(xù)的。4 .氫原子的能級(jí)、能級(jí)公式(1)氫原子的能級(jí)能級(jí)圖如圖所示(2)氫原子的能級(jí)和軌道半徑1氫原子的能級(jí)公式：En=n2Ei (n=1,2,3,)，其中Ei為基態(tài)能量，其數(shù)值為 Ei=13.6 eV。氫原子的半徑公式：rn= n2ri (n = 1,2,3,)，其中ri為基態(tài)半徑，又稱(chēng)玻爾半徑，其數(shù)值為ri= 0.53 M0 i0 m。二、原子核的組成、放射性、原子核的衰變、半衰期、放射性同位素1 .原子核的組成：原子核是由質(zhì)子和中子組成的，原子核的電荷數(shù)

4、等于核內(nèi)的質(zhì)子數(shù)。2 .天然放射現(xiàn)象(i)天然放射現(xiàn)象元素自發(fā)地放出射線(xiàn)的現(xiàn)象，首先由貝克勒爾發(fā)現(xiàn)。天然放射現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，說(shuō)明原子核具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。(2)放射性和放射性元素物質(zhì)發(fā)射某種看不見(jiàn)的射線(xiàn)的性質(zhì)叫放射性。具有放射性的元素叫放射性元素。(3)三種射線(xiàn)：放射性元素放射出的射線(xiàn)共有三種，分別是“射線(xiàn)、3射線(xiàn)、丫射線(xiàn)。(4)放射性同位素的應(yīng)用與防護(hù)放射性同位素：有天然放射性同位素和人工放射性同位素兩類(lèi)，放射性同位素的化學(xué)性質(zhì)相同。應(yīng)用：消除靜電、工業(yè)探傷、作示蹤原子等。防護(hù)：防止放射性對(duì)人體組織的傷害。3 .原子核的衰變(i)衰變：原子核放出 a粒子或3粒子，變成另一種原子核的變化稱(chēng)為原子核的衰

5、變。(2)分類(lèi)a 衰變：AX- A 1 2Y + 4He3 衰變：AXf z?iY+0e（ 3）半衰期：放射性元素的原子核有半數(shù)發(fā)生衰變所需的時(shí)間。半衰期由原子核內(nèi)部的因素決定，跟原子所處的物理、化學(xué)狀態(tài)無(wú)關(guān)。三、核力、結(jié)合能、質(zhì)量虧損1 核力（ 1）定義：原子核內(nèi)部，核子間所特有的相互作用力。（ 2）特點(diǎn)：核力是強(qiáng)相互作用的一種表現(xiàn)；核力是短程力，作用范圍在1.5X015m之內(nèi)；每個(gè)核子只跟它的相鄰核子間才有核力作用。2結(jié)合能核子結(jié)合為原子核時(shí)釋放的能量或原子核分解為核子時(shí)吸收的能量，叫做原子核的結(jié)合能，亦稱(chēng)核能。3比結(jié)合能（ 1）定義：原子核的結(jié)合能與核子數(shù)之比，稱(chēng)做比結(jié)合能，也叫平均結(jié)合

6、能。（ 2）特點(diǎn)：不同原子核的比結(jié)合能不同，原子核的比結(jié)合能越大，表示原子核中核子結(jié)合得越牢固，原子核越穩(wěn)定。4質(zhì)能方程、質(zhì)量虧損愛(ài)因斯坦質(zhì)能方程 E=mc2,原子核的質(zhì)量必然比組成它的核子的質(zhì)量和要小淅，這就是質(zhì)量虧損。由質(zhì)量虧損可求出釋放的核能AE= Amc2。四、裂變反應(yīng)和聚變反應(yīng)、裂變反應(yīng)堆核反應(yīng)方程2 重核裂變（ 1）定義：質(zhì)量數(shù)較大的原子核受到高能粒子的轟擊而分裂成幾個(gè)質(zhì)量數(shù)較小的原子核的過(guò)程。（ 2）典型的裂變反應(yīng)方程：235u + 0nKr+15a+30no（ 3）鏈?zhǔn)椒磻?yīng)：由重核裂變產(chǎn)生的中子使裂變反應(yīng)一代接一代繼續(xù)下去的過(guò)程。(4)臨界體積和臨界質(zhì)量：裂變物質(zhì)能夠發(fā)生鏈?zhǔn)椒?/p>

7、應(yīng)的最小體積及其相應(yīng)的質(zhì)量。(5)裂變的應(yīng)用：原子彈、核反應(yīng)堆。(6)反應(yīng)堆構(gòu)造：核燃料、減速劑、鎘棒、防護(hù)層。3 .輕核聚變(1)定義：兩輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核的反應(yīng)過(guò)程。輕核聚變反應(yīng)必須在高溫下進(jìn)行，因此又叫熱核反應(yīng)。(2)典型的聚變反應(yīng)方程：汨+4 2He + 0n+ 17.6 MeV【限時(shí)檢測(cè)】(建議用時(shí)： 30分鐘)1. (2019新課標(biāo)全國(guó)I卷)氫原子能級(jí)示意圖如圖所示。光子能量在1.63 eV3.10 eV的光為可見(jiàn)光。要使處于基態(tài)(n=1)的氫原子被激發(fā)后可輻射出可見(jiàn)光光子，最少應(yīng)給氫原子提供的能量 為n氏%V. 01 41 S5工1511 -34小113.641A. 12.0

8、9 eV B. 10.20 eV C. 1.89 eV D. 1.5l eV【答案】A【解析】由題意可知，基態(tài)(n=1)氫原子被激發(fā)后，至少被激發(fā)到n=3能級(jí)后，躍遷才可能產(chǎn)生能量在1.63eV3.10eV的可見(jiàn)光。故E 1.51 (13.60)eV 12.09eV。故本題選Ao2. (2019新課標(biāo)全國(guó)n卷)太陽(yáng)內(nèi)部核反應(yīng)的主要模式之一是質(zhì)子一質(zhì)子循環(huán)，循環(huán)的結(jié)果可表示為 41H ；He+2；e+2v,已知；H 和；He 的質(zhì)量分別為 mp 1.0078u 和 m 4.0026u , 1u=931MeV/c2, c 為光速。在4個(gè)1H轉(zhuǎn)變成1個(gè)；He的過(guò)程中，釋放的能量約為A. 8 MeV

9、B. 16 MeV C. 26 MeV D. 52 MeV【答案】C【解析】由 E mC2知E 4 mpm2me c2, m -E c一一. 一 6 .一 一 19 .3110 kg ,忽略電子質(zhì)量，則:931 10_1.66 10J 1.7 10 27kg ? 0.99 10E 4 1.0078u 4.0026u c2 26MeV ,故 C 選項(xiàng)符合題意;3.（2019天津卷）如圖為a、b、c三種光在同一光電效應(yīng)裝置中測(cè)得的光電流和電壓的關(guān)系。由a、b、c組成的復(fù)色光通過(guò)三棱鏡時(shí)，下述光路圖中正確的是hv【解析】由光電效應(yīng)的萬(wàn)程 Ek hv W,動(dòng)能定理eU Ek,兩式聯(lián)立可得U e截止電壓

10、越大說(shuō)明光的頻率越大，則有三種光的頻率vb vc va ,則可知三種光的折射率的關(guān)系為nb nc na,因此光穿過(guò)三棱鏡時(shí) b光偏折最大，c光次之，a光最小，故選C, ABD錯(cuò)誤。4.（2019天津卷）我國(guó)核聚變反應(yīng)研究大科學(xué)裝置人造太陽(yáng)” 201孫獲得重大突破，等離子體中心電子溫度首次達(dá)到 1億度，為人類(lèi)開(kāi)發(fā)利用核聚變能源奠定了重要的技術(shù)基礎(chǔ)。下列關(guān)于聚變的說(shuō)法正確的是A.核聚變比核裂變更為安全、清潔B.任何兩個(gè)原子核都可以發(fā)生聚變C.兩個(gè)輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核，總質(zhì)量較聚變前增加D.兩個(gè)輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核，核子的比結(jié)合能增加【答案】AD【解析】核聚變的最終產(chǎn)物時(shí)氨氣無(wú)污染，而核裂變會(huì)產(chǎn)

11、生固體核廢料，因此核聚變更加清潔和安全，A正確；發(fā)生核聚變需要在高溫高壓下進(jìn)行，大核不能發(fā)生核聚變，故 B錯(cuò)誤；核聚變反 應(yīng)會(huì)放出大量的能量， 根據(jù)質(zhì)能關(guān)系可知反應(yīng)會(huì)發(fā)生質(zhì)量虧損， 故C錯(cuò)誤；因聚變反應(yīng)放出能量，因此反應(yīng)前的比結(jié)合能小于反應(yīng)后的比結(jié)合能，故D正確。5 .下列說(shuō)法正確的是A .某種金屬能否發(fā)生光電效應(yīng)取決于照射光的強(qiáng)度B.盧瑟福通過(guò)“粒子轟擊氮核實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了在原子核內(nèi)部存在中子C.一個(gè)29；U原子核衰變?yōu)橐粋€(gè) Pb原子核的過(guò)程中，發(fā)生 8次衰變D.大量處于基態(tài)的氫原子在單色光的照射下，發(fā)出多種頻率的光子，其中一種必與入射光頻率相同【答案】D【解析】某種金屬能否發(fā)生光電效應(yīng)取決于照

12、射光的頻率，選項(xiàng) A錯(cuò)誤；盧瑟福通過(guò) “粒子轟 擊氮核實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了在原子核內(nèi)部存在質(zhì)子，而查彳韋克通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)中子，故 B錯(cuò)誤；由質(zhì)量 數(shù)與質(zhì)子數(shù)守恒，一個(gè)238U原子核衰變?yōu)橐粋€(gè)206 P）原子核的過(guò)程中，發(fā)生 8次a衰變，發(fā)生6 次3衰變，故C錯(cuò)誤；處于基態(tài)的氫原子在某單色光束照射下，先吸收能量向高能級(jí)躍遷，然后再?gòu)母吣芗?jí)向低能級(jí)躍遷， 其中從吸收光子后的最高的能級(jí)向基態(tài)躍遷時(shí)發(fā)出的光子的能量與吸 收的光子的能量是相等的。故 D正確；故選D.6 .下列說(shuō)法正確的是A.用同一頻率的光照射不同的金屬表面時(shí)均有光電子逸出，從金屬表面逸出的光電子的最大初動(dòng)能Ek越大，則這種金屬的逸出功 W越小10

13、種頻率的光子137c13755 cs 56 Ba+X ,B. 一個(gè)氫原子處在 n=5的能級(jí)，當(dāng)它躍遷到較低能級(jí)時(shí)，最多可發(fā)出C. Csl37是核泄漏時(shí)對(duì)人體產(chǎn)生有害輻射的重要污染物，其核反應(yīng)方程式為其中的X為質(zhì)子D.每個(gè)核子只與鄰近核子產(chǎn)生核力作用，比結(jié)合能越大的原子核越穩(wěn)定【答案】AD【解析】A .據(jù)光電效應(yīng)方程Ekm hW可知，用同種頻率的光照射不同的金屬表面，從金屬表面逸出的光電子的最大初動(dòng)能越大，則這種金屬的逸出功越小，故選項(xiàng)A正確；B. 一個(gè)氫原子處在n=5的能級(jí)，由較高能級(jí)躍遷到較低能級(jí)時(shí)，最多可以發(fā)出54、4-3、3-2和2一1四種頻率的光，故選項(xiàng)B錯(cuò)誤；C.核泄漏污染物 Cs1

14、37能夠產(chǎn)生對(duì)人體有害的輻射 .其核反應(yīng)方程 式為155cs 15；Ba+X ,由此可以判斷X質(zhì)量數(shù)為零，電荷數(shù)為-1,則為負(fù)電子，故選項(xiàng) C錯(cuò) 誤；D,原子核內(nèi)每個(gè)核子只跟鄰近的核子發(fā)生核力作用，且比結(jié)合能越大的原子核，原子核越 穩(wěn)定，故選項(xiàng) D正確；故選 AD。7 .如圖所示為氫原子的能級(jí)示意圖，一群氫原子處于n=3的激發(fā)態(tài)，在向較低能級(jí)躍遷的過(guò)程中向外輻射能量。下列說(shuō)法正確的是nHrVH 。4。息、3I-J.40IA.這群氫原子能發(fā)出三種頻率不同的光B.從n=3能級(jí)躍遷到n=1能級(jí)發(fā)出的光最容易發(fā)生衍射現(xiàn)象C.從n=3能級(jí)躍遷到n=1能級(jí)發(fā)出的光子動(dòng)量最大D.從n=3能級(jí)躍遷到n=1能級(jí)

15、發(fā)出的光照射逸出功為 2.49eV的金屬鈉，產(chǎn)生的光電子初動(dòng)能 一定為 9.60eV【答案】AC【解析】一群處于激發(fā)態(tài)的氫原子在向低能級(jí)躍遷時(shí)，放出C；種光子頻率，頻率最大的光子，波長(zhǎng)最短；結(jié)合發(fā)生明顯衍射的條件分析；根據(jù)光電效應(yīng)方程求出光電子的最大初動(dòng)能，要理解發(fā)生光電效應(yīng)時(shí)產(chǎn)生的光電子的初動(dòng)能不一定都是最大。因?yàn)閏233 ,所以這群氫原子能發(fā)出三種頻率不同的光,A正確；這群氫原子能發(fā)出三種頻率不同的光，其中從n=3躍遷到n=1所發(fā)出的光子頻率最高，根據(jù) c ,知頻率最高的光子，波長(zhǎng)最短，最不容易發(fā)生衍射現(xiàn)象，B錯(cuò)誤；從n=3躍遷到n=1所發(fā)出的光子頻率最高，根據(jù)：h P其動(dòng)量也最大，C正確

16、；氫原子躍遷時(shí)產(chǎn)生的最大光子能量E h 13.6 1.51 eV 12.09 eV ,根據(jù)光電效應(yīng)方程知，產(chǎn)生的光電子最大初動(dòng)能為EKm hW0 12.09 2.49 eV 9.60 eV ,但不一定都是 9.60eV, D 錯(cuò)誤。8 .關(guān)于原子和原子核，下列說(shuō)法中正確的是A ,粒子散射實(shí)驗(yàn)揭示了原子核內(nèi)部的復(fù)雜性B.根據(jù)玻爾理論可知，一個(gè)氫原子核外電子從 n=4能級(jí)向低能級(jí)躍遷最多可輻射3種頻率的光子234234 、C.已知90 Th的半盤(pán)期是24d, 48g的90 Th經(jīng)過(guò)72d后暴變了 42gD.氫原子由低能級(jí)向高能級(jí)躍遷時(shí)，吸收光子的能量可以稍大于兩能級(jí)間能量差【答案】BC【解析】A.

17、 “粒子散射實(shí)驗(yàn)中沒(méi)有涉及原子核內(nèi)部問(wèn)題，是提出了原子核式結(jié)構(gòu)模型的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，故A錯(cuò)誤；B. 一個(gè)氫原子核外電子從 n= 4能級(jí)向低能級(jí)躍遷最多只能輻射n1=3種頻722341率的光子，故B正確；C.經(jīng)過(guò)72 =3個(gè)半盤(pán)期后，48g的234Th還剩下48X-)3g=6g,衰變 242了 48g 6g= 42g,故C正確；D,氫原子由低能級(jí)向高能級(jí)躍遷時(shí)，吸收光子的能量等于兩能級(jí)間能量差，故D錯(cuò)誤。9 .氨3與笊的核聚變發(fā)電不產(chǎn)生溫室氣體，不產(chǎn)生放射性物質(zhì)，是一種十分清潔、安全和環(huán)保的能源，開(kāi)發(fā)月壤中蘊(yùn)藏豐富的氨3資源，對(duì)人類(lèi)社會(huì)今后的可持續(xù)發(fā)展具有深遠(yuǎn)意義。該核反2432.4應(yīng)可表本為2He+

18、 iH - 3Li +X(X 表布某種粒子),右2He、iH和3Li、X的質(zhì)重分別為 m1、m2、m3、m4,則下列選項(xiàng)正確的是A .該反應(yīng)釋放的核能 AE=(m+m 2 m 3m 4)c24B. 3He的核子比結(jié)合能小于3Li的比結(jié)合能C.高速的X粒子具有很強(qiáng)的穿透能力，可以用來(lái)工業(yè)探傷D .核聚變的實(shí)現(xiàn)為人類(lèi)尋找到突破能量守恒定律的可能【答案】AB【解析】A .根據(jù)質(zhì)能方程可知該反應(yīng)放出的核能為= (mi+m2-m3-m4)c2,故A正確；B.反4.應(yīng)過(guò)程放出能量，說(shuō)明后面的能量低，更穩(wěn)定，而比結(jié)合能越大，越穩(wěn)定，說(shuō)明；3口的比結(jié)3合能大于2 He的核子比結(jié)合能，故 B正確；C.根據(jù)質(zhì)量數(shù)

19、和電荷數(shù)守恒可知X的質(zhì)量數(shù)為1,電荷 數(shù)為0,所以X為中子，不是丫射線(xiàn)，不可以用來(lái)工業(yè)探傷，故 C錯(cuò)誤；D.能量守恒定 律是自然 界遵守的規(guī)律，無(wú)法突破，故D錯(cuò)誤。10.現(xiàn)有兩動(dòng)能均為 Eo= 0.35 MeV的2H在一條直線(xiàn)上相向運(yùn)動(dòng)，兩個(gè) 2H發(fā)生對(duì)撞后能發(fā)生核反應(yīng)，得到；He和新粒子，且在核反應(yīng)過(guò)程中釋放的能量完全轉(zhuǎn)化為；He和新粒子的動(dòng)能.已知的2H質(zhì)量為2.014 1 u, 3He的質(zhì)量為3.016 0 u,新粒子的質(zhì)量為1.008 7 u,核反應(yīng)時(shí)質(zhì)量虧損1 u釋放的核能約為931 MeV(如果涉及計(jì)算，結(jié)果保留整數(shù) )。則下列說(shuō)法正確的是 2231 .A.核反應(yīng)方程為iH+ 1 H2He+HB.核反應(yīng)前后滿(mǎn)足能量守恒定律C.新粒子的動(dòng)能約為 3 MeVD. 23He的動(dòng)能約為4 MeV【答案】BC【解析】A.由核反應(yīng)過(guò)程中的質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒可知2H+2H2He+0n ,則新粒子為中子10n ,所以A錯(cuò)誤；B.核反應(yīng)過(guò)程中質(zhì)量虧損，釋放能量，但仍然滿(mǎn)足能量守恒定律，B正確；CD.由題意可知