专题14-1 原子结构原子核（精讲深剖）-2018领军高考物理真题透析

专题14-1 原子结构原子核（精讲深剖）-2018领军高考物理真题透析

（一）真题速递 1．（2017 全国Ⅰ，17）大科学工程“人造太阳”主要是将氚核聚变反应释放的能量用来发电，氚核聚变反 应方程是 2 2 3 1 1 1 2 0H H He n → ，已知 2 1 H 的质量为 2.0136u，3 2 He 的质量为 3.0150u，1 0 n 的质量为 1.0087u， 1u＝931MeV/c2。氚核聚变反应中释放的核能约为 A．3.7MeV B．3.3MeV C．2.7MeV D．0.93MeV 【答案】B 【解析】根据质能方程，释放的核能 2mcE  ， ummmm nHeH 0035.02  ，则 MeV3.3MeV26025.3MeV5.9310035.0 E ，故 B 正确，A、C、D 错误。 【考点定位】质能方程 【名师点睛】本题考查质能方程，注意原子核的质量单位不是 kg，在是由质能方程求核能时要小心。 2．（2017 天津卷，1）我国自主研发制造的国际热核聚变核心部件在国际上率先通过权威机构认证，这是 我国对国际热核聚变项目的重大贡献。下列核反应方程中属于聚变反应的是 A． 2 3 4 1 1 1 2 0H H He n   B． 14 4 17 1 7 2 8 1N He O H   C． 4 27 30 1 2 13 15 0He Al P n   D． 235 1 144 89 1 92 0 56 36 0U n Ba Kr 3 n    【答案】A C 错误； 235 1 144 89 1 92 0 56 36 0U n Ba Kr 3 n    是一种典型的铀核裂变，属于裂变反应，故 D 错误。 【考点定位】核反应的种类 【名师点睛】本题的关键是知道核反应的分类，区别衰变和核反应。 3.（2017 新课标Ⅱ 15）一静止的铀核放出一个 α 粒子衰变成钍核，衰变方程为 238 234 4 92 90 2U Th He  ，下 列说法正确的是 A. 衰变后钍核的动能等于 α 粒子的动能 B. 衰变后钍核的动量大小等于 α 粒子的动量大小 C. 铀核的半衰期等于其放出一个 α粒子所经历的时间 D. 衰变后 α粒子与钍核的质量之和等于衰变前铀核的质量 【答案】B 【考点定位】半衰期；动量守恒定律；质能方程 【名师点睛】此题考查了原子核的反冲问题以及对半衰期的理解；对于有能量放出的核反应，质量数守恒， 但是质量不守恒；知道动量和动能的关系 2 2k PE m  . 4.（2017 江苏卷，12C（1））原子核的比结合能曲线如图所示，根据该曲线，下列判断中正的有 ． （A） 4 2 He 核的结合能约为 14 MeV （B） 4 2 He 核比 6 3 Li 核更稳定 （C）两个 2 1H 核结合成 4 2 He 核时释放能量 （D） 235 92 U 核中核子的平均结合能比 89 36 Kr 核中的大 【答案】BC 【考点定位】比结合能 结合能 【名师点睛】本题主要是要理解比结合能的含义，知道结合能与比结合能的区分与关系。以及在核反应过 程中由比结合能小的反应生成比结合能大的要释放能量。 （二）考纲解读 主题 内 容 要求 说 明 原子结构 氢原子光谱 I 氢原子的能级结构、能级公式 I 原子核 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 裂变反应和聚变反应、裂变反应堆 I 射线的危害与防护 I 本讲有 8 个一级考点，是 2018 年新增必考考点，要格外重视。 （三）考点精讲 命题点一 原子的核式结构 【例 1】 (多选)如图 3 所示为卢瑟福和他的同事们做α粒子散射实验装置的示意图，荧光屏和显微镜一起 分别放在图中的 A、B、C、D 四个位置时观察到的现象，下述说法中正确的是( ) 图 3 A．放在 A 位置时，相同时间内观察到屏上的闪光次数最多 B．放在 B 位置时，相同时间内观察到屏上的闪光次数比 A 位置时稍少些 C．放在 C、D 位置时，屏上观察不到闪光 D．放在 D 位置时，屏上仍能观察到一些闪光，但次数极少 【答案】ABD 【解析】根据α粒子散射现象，绝大多数α粒子沿原方向前进，少数α粒子发生较大偏转，A、B、D 正确． 阶梯练习 1．(多选)下列说法正确的是( ) A．汤姆孙首先发现了电子，并测定了电子电荷量，且提出了“枣糕模型” B．卢瑟福做α粒子散射实验时发现绝大多数α粒子穿过金箔后基本上仍沿原来的方向前进，只有少数α粒 子发生大角度偏转 C．α粒子散射实验说明了原子的正电荷和绝大部分质量集中在一个很小的核上 D．卢瑟福提出了原子核式结构模型，并解释了α粒子发生大角度偏转的原因 【答案】BCD 2．(多选)在物理学的发展过程中，许多物理学家的科学发现推动了人类历史的进步．下列表述符合物理学 史实的是( ) A．普朗克为了解释黑体辐射现象，第一次提出了能量量子化理论 B．爱因斯坦为了解释光电效应的规律，提出了光子说 C．卢瑟福通过对α粒子散射实验的研究，提出了原子的核式结构模型 D．玻尔大胆提出假设，认为实物粒子也具有波动性 【答案】ABC 【解析】普朗克为了解释黑体辐射现象，第一次提出了能量量子化理论，A 正确．爱因斯坦为了解释光电效 应的规律，提出了光子说，B 正确．卢瑟福通过对α粒子散射实验的研究，提出了原子的核式结构模型，C 正确．德布罗意大胆提出假设，认为实物粒子也具有波动性，D 错误． 3．(多选)物理学家通过对实验的深入观察和研究，获得正确的科学认知，推动物理学的发展，下列说法符 合事实的是( ) A．赫兹通过一系列实验，证实了麦克斯韦关于光的电磁理论 B．查德威克用α粒子轰击 14 7N 获得反冲核 17 8O，发现了中子 C．贝克勒尔发现的天然放射性现象，说明原子核有复杂结构 D．卢瑟福通过对阴极射线的研究，提出了原子核式结构模型 【答案】AC 4．图 4 中曲线 a、b、c、d 为气泡室中某放射物发生衰变放出的部分粒子的径迹，气泡室中磁感应强度方 向垂直于纸面向里．以下判断可能正确的是( ) 图 4 A．a、b 为β粒子的径迹 B．a、b 为γ粒子的径迹 C．c、d 为α粒子的径迹 D．c、d 为β粒子的径迹 【答案】D 【解析】γ粒子是不带电的光子，在磁场中不偏转，选项 B 错误；α粒子为氦核带正电，由左手定则知向 上偏转，选项 A、C 错误；β粒子是带负电的电子，应向下偏转，选项 D 正确． 命题点二 玻尔理论和能级跃迁 【例 2】 (多选)有关氢原子光谱的说法正确的是( ) A．氢原子的发射光谱是连续谱 B．氢原子光谱说明氢原子只发出特定频率的光 C．氢原子光谱说明氢原子能级是分立的 D．氢原子光谱线的频率与氢原子能级的能量差无关 【答案】BC 阶梯练习 5．(多选)如图 5 是氢原子的能级图，一群氢原子处于 n＝3 能级，下列说法中正确的是( ) 图 5 A．这群氢原子跃迁时能够发出 3 种不同频率的波 B．这群氢原子发出的光子中，能量最大为 10.2 eV C．从 n＝3 能级跃迁到 n＝2 能级时发出的光波长最长 D．如果发出的光子中只有一种能使某金属产生光电效应，那一定是由 n＝3 能级跃迁到 n＝1 能级发出的 【答案】ACD 【解析】根据 C23＝3 知，这群氢原子能够发出 3 种不同频率的光子，故 A 正确；由 n＝3 能级跃迁到 n＝1 能级，辐射的光子能量最大，ΔE＝(13.6－1.51) eV＝12.09 eV，故 B 错误；从 n＝3 能级跃迁到 n＝2 能 级辐射的光子能量最小，频率最小，则波长最长，故 C 正确；如果发出的光子中只有一种能使某金属产生 光电效应，知这种光子为能量最大的一种，即为从 n＝3 能级跃迁到 n＝1 能级发出的，故 D 正确． 6．一群处于 n＝4 的激发态的氧原子，向低能级跃迁时，最多发射出的谱线为( ) A．3 种 B．4 种 C．5 种 D．6 种 【答案】D 【解析】一群处于 n＝4 的激发态的氧原子，向低能级跃迁时，最多发射出的谱线为 C24＝6 种，选 D. 7．一群氢原子处于同一较高的激发态，它们向较低激发态或基态跃迁的过程中( ) A．可能吸收一系列频率不同的光子，形成光谱中的若干条暗线 B．可能发出一系列频率不同的光子，形成光谱中的若干条亮线 C．只吸收频率一定的光子，形成光谱中的一条暗线 D．只发出频率一定的光子，形成光谱中的一条亮线 【答案】B 8． (多选)如图 6 所示为氢原子的能级图．氢原子从 n＝5 的能级跃迁到 n＝3 的能级时辐射出 a 光子，从 n ＝4 的能级跃迁到 n＝2 的能级时辐射出 b 光子．下列说法正确的是( ) 图 6 A．a 光子的能量比 b 光子的能量大 B．若 a、b 两种光在同一种均匀介质中传播，则 a 光的传播速度比 b 光的传播速度大 C．若 b 光能使某种金属发生光电效应，则 a 光一定能使该金属发生光电效应 D．若用同一双缝干涉装置进行实验，用 a 光照射双缝得到相邻亮条纹的间距比用 b 光照射双缝得到的相邻 亮条纹的间距大 【答案】BD 命题点三 原子核及核反应 【例 3】在下列描述核过程的方程中，属于α衰变的是__________，属于β衰变的是__________，属于裂变 的是________，属于聚变的是________．(填正确答案标号) A.14 6C→14 7N＋ 0 －1e B.32 15P→32 16S＋ 0 －1e C. 238 92U→234 90Th＋4 2He D.14 7N＋4 2He→17 8O＋1 1H E.235 92U＋1 0n→140 54Xe＋94 38Sr＋21 0n F.3 1H＋2 1H→4 2He＋1 0n 【答案】C AB E F 【解析】β衰变生成的是电子，α衰变生成的是α粒子；裂变是重核裂变成轻核，聚变是轻核生成重核， 据此分析即可 9．(多选)关于核反应方程 234 90Th→234 91Pa＋X＋ΔE(ΔE 为释放的核能，X 为新生成的粒子)，已知 23490Th 的半 衰期为 1.2 min，则下列说法正确的是( ) A．此反应为β衰变 B.234 91Pa 核和 234 90Th 核具有相同的质量 C.234 91Pa 具有放射性 D．64 g 的 234 90Th 经过 6 min 还有 1 g 234 90Th 尚未衰变 【答案】AC 【解析】根据核反应方程质量数和电荷数守恒可判断出 X 为 0－1e，所以此反应为β衰变，A 正确；23491Pa 核与 23490Th 核质量不相同，B 错误；根据化学元素周期表及化学知识知，23491Pa 为放射性元素，C 正确；利 用半衰期公式 m 余＝(1 2 ) t τ m 原，可得 m 余＝2 g，则 D 错误． 10．(多选)下列说法正确的是( ) A．天然放射现象的发现揭示了原子的核式结构 B．一群处于 n＝3 能级激发态的氢原子，自发跃迁时能发出 3 种不同频率的光 C．放射性元素发生一次β衰变，原子序数增加 1 D.235 92U 的半衰期约为 7 亿年，随着地球环境的不断变化，半衰期可能变短 【答案】BC （四）知识还原 第 3 讲 原子结构和原子核 基础知识 一、原子结构 光谱和能级跃迁 1．电子的发现 英国物理学家汤姆孙在研究阴极射线时发现了电子，提出了原子的“枣糕模型”． 2．原子的核式结构 (1)1909～1911 年，英国物理学家卢瑟福进行了α粒子散射实验，提出了核式结构模型． 图 1 (2)α粒子散射实验的结果：绝大多数α粒子穿过金箔后，基本上仍沿原来的方向前进，但有少数α粒子发 生了大角度偏转，偏转的角度甚至大于 90°，也就是说它们几乎被“撞了回来”，如图 1 所示． (3)原子的核式结构模型：原子中带正电部分的体积很小，但几乎占有全部质量，电子在正电体的外面运动． 3．氢原子光谱 (1)光谱：用光栅或棱镜可以把各种颜色的光按波长展开，获得光的波长(频率)和强度分布的记录，即光谱． (2)光谱分类 (3)氢原子光谱的实验规律：巴耳末系是氢光谱在可见光区的谱线，其波长公式 1 λ ＝R(1 22－1 n2)(n＝3,4,5，…， R 是里德伯常量，R＝1.10×107 m－1)． (4)光谱分析：利用每种原子都有自己的特征谱线可以用来鉴别物质和确定物质的组成成分，且灵敏度很 高．在发现和鉴别化学元素上有着重大的意义． 4．氢原子的能级结构、能级公式 (1)玻尔理论 ①定态：原子只能处于一系列不连续的能量状态中，在这些能量状态中原子是稳定的，电子虽然绕核运动， 但并不向外辐射能量． ②跃迁：电子从能量较高的定态轨道跃迁到能量较低的定态轨道时，会放出能量为 hν的光子，这个光子的 能量由前后两个能级的能量差决定，即 hν＝Em－En.(h 是普朗克常量，h＝6.63×10－34 J·s) ③轨道：原子的不同能量状态跟电子在不同的圆周轨道绕核运动相对应．原子的定态是不连续的，因此电 子的可能轨道也是不连续的． (2)几个概念 ①能级：在玻尔理论中，原子的能量是量子化的，这些量子化的能量值，叫做能级． ②基态：原子能量最低的状态． ③激发态：在原子能量状态中除基态之外的其他的状态． ④量子数：原子的状态是不连续的，用于表示原子状态的正整数． (3)氢原子的能级公式：En＝1 n2E1(n＝1,2,3，…)，其中 E1 为基态能量，其数值为 E1＝－13.6 eV. (4)氢原子的半径公式：rn＝n2r1(n＝1,2,3，…)，其中 r1 为基态半径，又称玻尔半径，其数值为 r1＝0.53 ×10－10 m. 5．氢原子的能级图(如图 2 所示) 图 2 二、原子核 核反应和核能 1．原子核的组成 (1)原子核由质子和中子组成，质子和中子统称为核子．质子带正电，中子不带电． (2)基本关系 ①核电荷数＝质子数(Z)＝元素的原子序数＝核外电子数． ②质量数(A)＝核子数＝质子数＋中子数． (3)X 元素的原子核的符号为 A ZX，其中 A 表示质量数，Z 表示核电荷数． 2．天然放射现象 (1)天然放射现象 元素自发地放出射线的现象，首先由贝可勒尔发现．天然放射现象的发现，说明原子核具有复杂的结构． (2)三种射线 名称 构成 符号 电荷量 质量 电离能力 贯穿本领 α射线 氦核 4 2He ＋2e 4 u 最强 最弱 β射线 电子 0 －1 e －e 1 1 840 u 较强 较强 γ射线 光子 γ 0 0 最弱 最强 (3)放射性同位素的应用与防护 ①放射性同位素：有天然放射性同位素和人工放射性同位素两类，放射性同位素的化学性质相同． ②应用：消除静电、工业探伤、做示踪原子等． ③防护：防止放射性对人体组织的伤害． 3．原子核的衰变、半衰期 (1)原子核的衰变 ①原子核放出α粒子或β粒子，变成另一种原子核的变化称为原子核的衰变． ②分类 α衰变：A ZX→A－4 Z－2Y＋4 2He β衰变：A ZX→ AZ＋1Y＋__ 0 －1 e γ衰变：当放射性物质连续发生衰变时，原子核中有的发生α衰变，有的发生β衰变，同时伴随着γ辐射． ③两个典型的衰变方程 α衰变：238 9292U→234 90Th＋4 2He β衰变：234 91Th→234 91Pa＋ 0－1e. (2)半衰期 ①定义：放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间． ②影响因素：放射性元素衰变的快慢是由核内部自身的因素决定的，跟原子所处的化学状态和外部条件没 有关系． (3)公式：N 余＝N 原·(1 2 ) t  4．核力 原子核内部，核子间所特有的相互作用力． 5．核能 (1)核子在结合成原子核时出现质量亏损Δm，其对应的能量ΔE＝Δmc2. (2)原子核分解成核子时要吸收一定的能量，相应的质量增加Δm，吸收的能量为ΔE＝Δmc2. 6．核能释放的两种途径的理解 (1)使较重的核分裂成中等大小的核； (2)较小的核结合成中等大小的核．核子的比结合能都会增大，都可以释放能量． 基础试题 1．判断下列说法是否正确． (1)原子光谱是不连续的，是由若干种频率的光组成的．( √ ) (2)电子跃迁时辐射的光子的频率等于电子绕核做圆周运动的频率．( × ) (3)氢原子吸收光子后，将从高能级向低能级跃迁．( × ) (4)原子的能量量子化现象是指原子在不同状态中具有不同的能量．( √ ) 2．在卢瑟福α粒子散射实验中，有少数α粒子发生了大角度偏转，其原因是( ) A．原子的正电荷和绝大部分质量集中在一个很小的核上 B．正电荷在原子内是均匀分布的 C．原子中存在着带负电的电子 D．原子只能处于一系列不连续的能量状态中 【答案】A 3．一个氢原子从 n＝3 能级跃迁到 n＝2 能级，该氢原子( ) A．放出光子，能量增加 B．放出光子，能量减少 C．吸收光子，能量增加 D．吸收光子，能量减少 【答案】B 【解析】氢原子从高能级向低能级跃迁时，放出光子，能量减少，故选项 B 正确，选项 A、C、D 错误． 4．核反应方程 9 4Be＋4 2He→12 66C＋X 中的 X 表示( ) A．质子 B．电子 C．光子 D．中子 【答案】D 【解析】据核反应方程前后质量数守恒、电荷数守恒判断出生成物的成分，然后再找质子 5．下列有关原子结构和原子核的认识，其中正确的是( ) A．γ射线是高速运动的电子流 B．氢原子辐射光子后，其绕核运动的电子动能增大 C．太阳辐射能量的主要来源是太阳中发生的重核裂变 D．210 83Bi 的半衰期是 5 天，100 克 210 83Bi 经过 10 天后还剩下 50 克 【答案】B 【解析】β射线是高速电子流，而γ射线是一种电磁波，选项 A 错误．氢原子辐射光子后，绕核运动的电 子距核更近，动能增大，选项 B 正确．太阳辐射能量的主要来源是太阳内部氢核的聚变，选项 C 错误.10 天 为两个半衰期，剩余的 210 83Bi 为 100×(1 2 ) t  g＝100×(1 2 )2 g＝25 g，选项 D 错误.