第13講原子物理題型1原子結(jié)構(gòu)能級躍遷1.如圖所示是α粒子散射實(shí)驗(yàn)裝置的示意圖.從α粒子源發(fā)射的α粒子射向金箔,利用觀測裝置觀測發(fā)現(xiàn),絕大多數(shù)α粒子穿過金箔后,基本上仍沿原來的方向前進(jìn),但有少數(shù)α粒子(約占八千分之一)發(fā)生了大角度偏轉(zhuǎn),極少數(shù)α粒子偏轉(zhuǎn)的角度甚至大于90°.下列說法正確的是 (D)A.α粒子是從放射性物質(zhì)中發(fā)射出來的快速運(yùn)動(dòng)的質(zhì)子流B.實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明原子中的正電荷彌漫性地均勻分布在原子內(nèi)C.α粒子發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)是金箔中的電子對α粒子的作用引起的D.α粒子發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)是帶正電的原子核對α粒子的斥力引起的[解析]α粒子是從放射性物質(zhì)中發(fā)射出來的氦核,A錯(cuò)誤;若原子中的正電荷彌漫性地均勻分布在原子內(nèi),α粒子穿過原子時(shí)受到各方向的正電荷的斥力基本上會相互平衡,對α粒子運(yùn)動(dòng)的影響不會很大,不會出現(xiàn)大角度偏轉(zhuǎn),B錯(cuò)誤;電子對α粒子速度的大小和方向的影響可以忽略,C錯(cuò)誤;原子核帶正電,體積很小,但幾乎占有原子的全部質(zhì)量,電子在核外運(yùn)動(dòng),當(dāng)α粒子進(jìn)入原子區(qū)域后,大部分離原子核很遠(yuǎn),受到的庫侖斥力很小,運(yùn)動(dòng)方向幾乎不變,只有極少數(shù)α粒子在穿過原子時(shí)離原子核很近,因此受到很強(qiáng)的庫侖斥力,發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn),D正確.2.(多選)圖甲為氫原子巴耳末線系的光譜圖,圖乙是根據(jù)玻爾原子模型求得的氫原子能級圖,普朗克常量h=6.63×10-34J·s,下列說法正確的是 (CD)A.圖甲中波長為656.3nm的亮線為氫原子從n=4能級向n=2能級躍遷時(shí)產(chǎn)生的B.氫原子從高能級向低能級躍遷時(shí),可能輻射出γ射線C.能量為5eV的光子可使處于n=2能級的氫原子發(fā)生電離D.氫原子從n=4能級躍遷到基態(tài)時(shí)釋放的光子,可使逸出功為4.54eV的金屬鎢發(fā)生光電效應(yīng),產(chǎn)生的光電子最大初動(dòng)能為8.21eV[解析]氫原子從n=4能級向n=2能級躍遷時(shí)釋放的能量為ΔE=E4-E2=-0.85eV-=2.55eV,波長為656.3nm的亮線的能量為E=h=6.63×10-34×eV=1.894eV,因?yàn)棣≠E,所以圖甲中波長為656.3nm的亮線不是氫原子從n=4能級向n=2能級躍遷時(shí)產(chǎn)生的,故A錯(cuò)誤;γ射線是從原子核內(nèi)部放出的,氫原子從高能級向低能級躍遷時(shí)不可能會輻射出γ射線,故B錯(cuò)誤;因?yàn)橐固幱趎=2能級的氫原子發(fā)生電離,所需要的光子能量只要大于或等于3.4eV即可,故C正確;從n=4躍遷到n=1的光子照射金屬鎢,所產(chǎn)生光電子的初動(dòng)能最大為Ekm=E41-W0=E4-E1-W0=-0.85eV-(-13.6eV)-4.54eV=8.21eV,故D正確.3.氫原子的能級圖如圖所示.關(guān)于玻爾理論與氫原子光譜,下列說法正確的是 (D)A.氫原子能級越高越穩(wěn)定B.氫原子由較高能級躍遷到較低能級時(shí)只能在相鄰能級間躍遷C.如果處于激發(fā)態(tài)的氫原子足夠多,則發(fā)出的光就是連續(xù)光譜D.氫原子由n=5能級躍遷到n=4能級發(fā)出的光的波長大于由n=3能級躍遷到n=2能級發(fā)出的光的波長[解析]氫原子能級越低越穩(wěn)定,基態(tài)的能級最低,氫原子在基態(tài)時(shí)最穩(wěn)定,故A錯(cuò)誤;氫原子可以由較高能級躍遷到較低的任何能級,故B錯(cuò)誤;根據(jù)hν=Em-En可知,氫原子躍遷發(fā)出的光都是線狀譜,不是連續(xù)光譜,故C錯(cuò)誤;氫原子由n=5能級躍遷到n=4能級發(fā)出的光的光子能量為-0.54eV-(-0.85eV)=0.31eV,由n=3能級躍遷到n=2能級發(fā)出的光的光子能量為-1.51eV-(-3.40)eV=1.89eV>0.31eV,根據(jù)E=hν=h可知,氫原子由n=5能級躍遷到n=4能級發(fā)出的光的波長大于由n=3能級躍遷到n=2能級發(fā)出的光的波長,故D正確.4.如圖所示是激光產(chǎn)生的原理示意圖,當(dāng)外來光子的能量等于原子相應(yīng)的能級差時(shí),就會把原子從低能態(tài)激發(fā)到高能態(tài),處在激發(fā)態(tài)的原子會自發(fā)躍遷到低能態(tài),同時(shí)發(fā)出光輻射,1916年,愛因斯坦在研究光輻射與原子相互作用時(shí)發(fā)現(xiàn),除了上述兩種過程之外,還存在第三種過程——受激輻射躍遷,即在外來光子的作用下,處在高能態(tài)的原子向低能態(tài)躍遷,并同時(shí)輻射出能量相同的光子,發(fā)出的光就是激光.已知普朗克常量為h,光速為c,下列說法正確的是 (C)A.原子吸收外來光子,從低能態(tài)激發(fā)到高能態(tài)的過程叫自發(fā)輻射躍遷B.處于激發(fā)態(tài)的原子自發(fā)躍遷到低能態(tài)的過程叫受激吸收躍遷C.受激輻射躍遷與受激吸收躍遷的區(qū)別是,一個(gè)是吸收光子從高能態(tài)躍遷到低能態(tài),一個(gè)是吸收光子從低能態(tài)躍遷到高能態(tài)D.若某束激光的動(dòng)量為p,則光子的能量為0.5pc[解析]原子吸收外來光子,從低能態(tài)激發(fā)到高能態(tài)的過程叫受激吸收躍遷,故A錯(cuò)誤;處于低能態(tài)的原子吸收光子躍遷到激發(fā)態(tài)的過程叫受激吸收躍遷,處于激發(fā)態(tài)的原子自發(fā)躍遷到低能態(tài)的過程叫作自發(fā)輻射躍遷,故B錯(cuò)誤;受激輻射躍遷指吸收光子從高能態(tài)躍遷到低能態(tài),受激吸收躍遷指處于低能態(tài)的原子吸收光子躍遷到高能態(tài),故C正確;根據(jù)E=hν=h,p=,得E=pc,故D錯(cuò)誤.5.[2023·遼寧卷]原子處于磁場中,某些能級會發(fā)生劈裂.某種原子能級劈裂前后的部分能級圖如圖所示,相應(yīng)能級躍遷放出的光子分別設(shè)為①②③④.若用①照射某金屬表面時(shí)能發(fā)生光電效應(yīng),且逸出光電子的最大初動(dòng)能為Ek,則 (A)A.①和③的能量相等B.②的頻率大于④的頻率C.用②照射該金屬一定能發(fā)生光電效應(yīng)D.④照射該金屬逸出光電子的最大初動(dòng)能小于Ek[解析]由圖可知①和③對應(yīng)的躍遷能級差相同,可知①和③的能量相等,選項(xiàng)A正確;因②對應(yīng)的能級差小于④對應(yīng)的能級差,可知②的能量小于④的能量,根據(jù)ε=hν可知②的頻率小于④的頻率,選項(xiàng)B錯(cuò)誤;因②對應(yīng)的能級差小于①對應(yīng)的能級差,可知②的能量小于①,②的頻率小于①,則若用①照射某金屬表面時(shí)能發(fā)生光電效應(yīng),用②照射該金屬不一定能發(fā)生光電效應(yīng),選項(xiàng)C錯(cuò)誤;由④對應(yīng)的能級差大于①對應(yīng)的能級差,可知④的能量大于①,即④的頻率大于①,用①照射某金屬表面時(shí)逸出光電子的最大初動(dòng)能為Ek,根據(jù)Ekm=hν-W,則用④照射該金屬逸出光電子的最大初動(dòng)能大于Ek,選項(xiàng)D錯(cuò)誤.6.氦元素對地球來說是一種非常稀少和寶貴的資源.如圖所示為氦離子(He+)的能級圖,根據(jù)玻爾原子理論,關(guān)于氦離子能級躍遷,下列說法正確的是 (B)A.大量處于n=3能級的氦離子向低能級躍遷,最多可輻射2種不同頻率的光子B.從n=4向n=3能級躍遷,要向外輻射光子的能量為2.64eVC.處于n=1能級的氦離子,可以吸收54.0eV的能量而發(fā)生電離D.從n=3躍遷到n=2能級比從n=2躍遷到n=1能級輻射出的光子波長短[解析]大量處于n=3能級的氦離子,最多可輻射=3種不同頻率的光子,故A錯(cuò)誤;因?yàn)閺膎=4向n=3能級躍遷,要向外輻射光子的能量為ΔE43=E4-E3=2.64eV,故B正確;由圖可知,處于n=1能級的氦離子要發(fā)生電離,需要吸收的能量應(yīng)滿足ΔE≥0-E1=54.4eV,故C錯(cuò)誤;因?yàn)閺膎=3躍遷到n=2能級輻射的光子能量為ΔE'=E3-E2=7.56eV,而從n=2躍遷到n=1能級輻射的光子能量為ΔE″=E2-E1=40.8eV,即從n=3躍遷到n=2能級比從n=2躍遷到n=1能級輻射出的光子的能量小,又因?yàn)棣?hν,所以從n=3躍遷到n=2能級比從n=2躍遷到n=1能級輻射出的光子頻率低,波長長,故D錯(cuò)誤.題型2原子核核反應(yīng)1.[2023·全國甲卷]在下列兩個(gè)核反應(yīng)方程中X和Y代表兩種不同的原子核,以Z和A分別表示X的電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù),則 (D)XN→YOYLi→2XA.Z=1,A=1 B.Z=1,A=2C.Z=2,A=3 D.Z=2,A=4[解析]由質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒可得7+3=Z+8,14+7=A+17,解得Z=2,A=4,故D正確.2.(多選)“華龍一號”利用核裂變發(fā)電,其中一種典型的核反應(yīng)方程是U+n→Ba+Kr+aX,X是某種粒子,a是X粒子的個(gè)數(shù),用mU、mBa、mKr分別表示UBaKr核的質(zhì)量,反應(yīng)中釋放的核能為ΔE,c為真空中的光速.關(guān)于該核反應(yīng),下列說法正確的是(AD)A.X為中子,a=3B.X粒子的質(zhì)量為+mBa+mKr-mUC.U的比結(jié)合能比Ba和Kr的都大D.可利用普通水作為慢化劑[解析]由電荷數(shù)守恒、質(zhì)量數(shù)守恒可知核反應(yīng)方程為U+n→BaKr+n,故X為中子,可知a=3,故A正確;由題意知,核反應(yīng)過程中的質(zhì)量虧損Δm=mU-mBa-mKr-2mX,由質(zhì)能方程可知,釋放的核能ΔE=(mU-mBa-mKr-2mX)c2,可得X粒子的質(zhì)量為mX=,故B錯(cuò)誤;核裂變過程釋放能量,比結(jié)合能變大,則U的比結(jié)合能比Ba和Kr的都小,故C錯(cuò)誤;慢化劑使快中子變成慢中子,常用的慢化劑有石墨、重水和普通水,故D正確.3.(多選)2021年4月,中國科學(xué)院近代物理研究所研究團(tuán)隊(duì)首次合成新核素鈾UU能發(fā)生衰變并發(fā)射出γ射線,其衰變方程為U→XTh+γ.以下說法正確的是 (AD)A.X為氦原子核,其電離本領(lǐng)強(qiáng)B.Th的比結(jié)合能小于U的比結(jié)合能C.U同其他穩(wěn)定元素結(jié)合成化合物,其半衰期將增大D.γ射線是衰變產(chǎn)生的新核從高能級向低能級躍遷時(shí)產(chǎn)生的[解析]根據(jù)質(zhì)量數(shù)守恒與電荷數(shù)守恒可知,其衰變方程為UXTh+γ,則可知X為氦原子核,α射線的電離能力強(qiáng),穿透能力弱,A正確;該反應(yīng)是α衰變,并釋放出大量的能量,則由衰變是從比結(jié)合能小的向比結(jié)合能大的方向進(jìn)行Th的比結(jié)合能大于U的比結(jié)合能,B錯(cuò)誤;原子核的半衰期是由原子核本身決定,與原子核所處的物理和化學(xué)狀態(tài)無關(guān),C錯(cuò)誤;放射性的原子核在發(fā)生α衰變時(shí)產(chǎn)生的新核處于高能級,這時(shí)它要向低能級躍遷,并放出γ光子,D正確.4.截至2022年1月6日,玉兔二號月球車行駛里程已達(dá)到1003.9米.月球夜晚溫度低至-180℃,為避免低溫?fù)p壞儀器,月球車攜帶的放射性同位素钚-238Pu)會不斷衰變,釋放能量為儀器設(shè)備供熱Pu可以通過以下反應(yīng)過程得到U+HNp+nNp→XPu.已知的衰變方程為Pu→YU,其半衰期為88年,則 (C)A.UHNp+n為輕核的聚變B.X為質(zhì)子HC.Pu的衰變?yōu)棣了プ僁.白天時(shí),溫度升高Pu的半衰期會減小[解析]UHNp+n不是輕核的聚變,選項(xiàng)A錯(cuò)誤;根據(jù)質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒可判斷X為e,選項(xiàng)B錯(cuò)誤;根據(jù)質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒可判斷Y為He,則Pu的衰變?yōu)棣了プ?選項(xiàng)C正確;放射性元素的半衰期由原子核自身決定,與外界的物理和化學(xué)狀態(tài)無關(guān),選項(xiàng)D錯(cuò)誤.5.(多選)物質(zhì)在β衰變過程中釋放出的電子只帶走了總能量的一部分,還有一部分能量“失蹤”了,著名物理學(xué)家尼爾斯·玻爾據(jù)此認(rèn)為在衰變過程中能量守恒定律是失效的,后來中微子(一種電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)都是零的微觀粒子)的發(fā)現(xiàn)解釋了這一現(xiàn)象.上世紀(jì)四十年代初,我國科學(xué)家,“兩彈一星功勛獎(jiǎng)?wù)隆鲍@得者王淦昌先生提出了證明中微子存在的實(shí)驗(yàn)方案.我們可以將其做如下描述:靜止原子核Be俘獲一個(gè)粒子X,可生成一個(gè)新原子核Li,并放出中微子(用“νe”表示),根據(jù)核反應(yīng)后原子核Li的動(dòng)能和動(dòng)量,可以間接測量中微子的能量和動(dòng)量,進(jìn)而確定中微子的存在.下列說法正確的是 (AD)A.粒子X是電子B.粒子X是質(zhì)子C.核反應(yīng)前后的中子總數(shù)不變D.這個(gè)實(shí)驗(yàn)的思想是能量守恒和動(dòng)量守恒[解析]該核反應(yīng)方程式為BeXLiνe,由質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒有7+A=7+0,4+Z=3+0,解得A=0,Z=-1,因此粒子X是電子,故A正確,B錯(cuò)誤;反應(yīng)前中子總數(shù)n1=7-4=3,反應(yīng)后中子總數(shù)n2=7-3=4,因此中子數(shù)增加1,故C錯(cuò)誤;根據(jù)核反應(yīng)后原子核Li的動(dòng)能和動(dòng)量,可以間接測量中微子的能量和動(dòng)量,體現(xiàn)核反應(yīng)中的守恒思想,即利用能量守恒和動(dòng)量守恒推出中微子的動(dòng)量和能量從而證實(shí)它的存在,故D正確.6.(多選)2021年9月,在甘肅省武威市的全球首臺釷基熔鹽核反應(yīng)堆進(jìn)行試運(yùn)行放電,也標(biāo)志著我國成為世界上第一個(gè)對第四代核電技術(shù)進(jìn)行商業(yè)化試驗(yàn)運(yùn)營的國家.反應(yīng)堆工作原理如圖所示,釷232(Th)吸收一個(gè)中子后會變成釷233,釷233不穩(wěn)定,會變成易裂變核素鈾233(U).下列說法正確的是 (AB)A.釷233變成鈾233的核反應(yīng)方程式是Th→e,PaUeB.中間產(chǎn)生的新核鏷233(Pa)從高能級向低能級躍遷時(shí),會輻射γ射線C.新核鈾233(U)的結(jié)合能小于釷233(Th)的結(jié)合能D.核反應(yīng)堆是通過核裂變把核能直接轉(zhuǎn)化為電能的[解析]根據(jù)核反應(yīng)的電荷數(shù)守恒和質(zhì)量數(shù)守恒可知,釷233變成鈾233的核反應(yīng)方程式是Th→e,Ue,A正確;中間產(chǎn)生的新核鏷233(Pa)從高能級向低能級躍遷時(shí),放出能量,會輻射γ射線,B正確;整個(gè)過程中釋放能量,生成的新核鈾233(U)更穩(wěn)定,則新核鈾233(U)的結(jié)合能大于釷233(Th)的結(jié)合能,C錯(cuò)誤;在核電站的核反應(yīng)堆內(nèi)部,核燃料具有的核能通過核裂變反應(yīng)轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,然后通過發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化為電能,D錯(cuò)誤.7.靜止的Pu核發(fā)生α衰變,產(chǎn)生的新核為U,釋放出的α粒子的動(dòng)能為E,假設(shè)衰變時(shí)能量全部以動(dòng)能形式釋放出來,則衰變過程中總的質(zhì)量虧損是(光速為c) (B)A. B.C. D.[解析]規(guī)定衰變后α粒子的速度方向?yàn)檎较?根據(jù)動(dòng)量守恒定律得pHe+pU=0,而動(dòng)量和動(dòng)能關(guān)系式為p2=2mEk,設(shè)一個(gè)核子的質(zhì)量為m0,則有2×4m0EkHe=2×2