2022年高考物理二輪復(fù)習(xí) 專題六 原子物理與物理學(xué)史 第15講 原子與原子核練案

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1、2022年高考物理二輪復(fù)習(xí) 專題六 原子物理與物理學(xué)史 第15講 原子與原子核練案 一、選擇題(本題共12小題，其中1～9題為單選，10～12題為多選) 1．(2018·四川省涼山州高三第三次診斷試題)關(guān)于近代物理學(xué)，下列說法正確的是(　A　) A．氫核聚變過程釋放能量，一定伴隨著質(zhì)量虧損 B．放射性物質(zhì)的半衰期受環(huán)境溫度的影響 C．α粒子散射實(shí)驗(yàn)揭示了原子核是可分的 D．能量為4.0eV的光子射到某一金屬表面時(shí)，從金屬表面逸出的電子最大初動(dòng)能為0.5eV，為使該金屬發(fā)生光電效應(yīng)，入射光的能量可以為1.5eV [解析]　根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程ΔE＝Δmc2，聚變過程釋放能量，一定伴

2、隨著質(zhì)量虧損，故A正確；放射性物質(zhì)的半衰期與一切物理變化，化學(xué)變化無關(guān)，故B錯(cuò)誤；α粒子散射實(shí)驗(yàn)揭示了原子的核式結(jié)構(gòu)模型，天然放射現(xiàn)象揭示了原子核是可分的，故C錯(cuò)誤；根據(jù)Ek＝hν－h(huán)ν0，hν0＝4.5eV－1.5eV＝3eV，可知為使該金屬發(fā)生光電效應(yīng)，入射光的能量要大于3eV。 2．(2018·福建省莆田市高三下學(xué)期模擬)下列說法正確的是(　C　) A．組成原子核的核子越多，原子核越穩(wěn)定 B．U衰變?yōu)镽n經(jīng)過2次α衰變、4次β衰變 C．診斷甲狀腺疾病時(shí)，給病人注射放射性同位素的目的是將其作為示蹤原子 D．結(jié)合能越大，原子核中核子結(jié)合得越牢固，原子核越穩(wěn)定 [解析]　原子比結(jié)合

3、能越大，原子核越穩(wěn)定，核子越多的原子核不一定穩(wěn)定，選項(xiàng)A錯(cuò)誤；因?yàn)棣滤プ儠r(shí)質(zhì)量數(shù)不變，所以α衰變的次數(shù)n＝＝4，在α衰變的過程中電荷數(shù)總共少4×2＝8，則β衰變的次數(shù)m＝＝2，故B錯(cuò)誤；診斷甲狀腺疾病時(shí)，給病人注射放射性同位素的目的是將其作為示蹤原子，選項(xiàng)C正確；比結(jié)合能越大，原子核中核子結(jié)合得越牢固，原子核越穩(wěn)定，選項(xiàng)D錯(cuò)誤；故選C。 3．(2018·山東省濰坊市高三下學(xué)期一模)2017年12月29日，中國首個(gè)快堆核電示范工程在福建霞浦開工建設(shè)?！翱於选焙朔磻?yīng)進(jìn)程依次為U→U→Np→Pu，下列說法正確的是(　D　) A．U和U是同位素，其原子核內(nèi)中子數(shù)相同 B．U變?yōu)閁發(fā)生了α衰變

4、C．U變?yōu)閁發(fā)生了β衰變 D．1gU經(jīng)過一個(gè)半衰期，U原子核數(shù)目變?yōu)樵瓉淼囊话? [解析]　U的質(zhì)子數(shù)為92，質(zhì)量數(shù)為238，則中子數(shù)為146，U的質(zhì)子數(shù)為92，質(zhì)量數(shù)為239，則中子數(shù)為147，所以U和U是同位素，其原子核內(nèi)中子數(shù)不相同，故A錯(cuò)誤；經(jīng)過1次α衰變，電荷數(shù)少2，質(zhì)量數(shù)少4，發(fā)生1次β衰變，電荷數(shù)多1，質(zhì)量數(shù)不變，U→U反應(yīng)過程中，質(zhì)子數(shù)不變，質(zhì)量數(shù)增加1，既不是α衰變也不是β衰變，故BC錯(cuò)誤；1gU經(jīng)過一個(gè)半衰期，U原子核數(shù)目變?yōu)樵瓉淼囊话?，故D正確；故選D。 4．(2018·陜西省西交大附中高三下學(xué)期期中)下列描繪兩種溫度下黑體輻射強(qiáng)度與頻率關(guān)系的圖中，符合黑體輻射實(shí)驗(yàn)規(guī)

5、律的是(　B　) [解析]　根據(jù)黑體輻射實(shí)驗(yàn)規(guī)律，黑體熱輻射的強(qiáng)度與波長的關(guān)系為：隨著溫度的升高，一方面，各種波長的輻射強(qiáng)度都有增加，則各種頻率的輻射強(qiáng)度也都增加，另一方面，輻射強(qiáng)度的極大值向波長較短的方向移動(dòng)，即頻率較大的方向移動(dòng)，分析圖象，只有B項(xiàng)符合黑體輻射實(shí)驗(yàn)規(guī)律，故B項(xiàng)正確。故選B。 5．(2018·北京市平谷區(qū)高三下學(xué)期理綜模擬)2017年11月30日，國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然》發(fā)表了中國首顆暗物質(zhì)探測衛(wèi)星“悟空”的首批成果：發(fā)現(xiàn)太空中的反常電子信號(hào)。“悟空”采用的是由中國科學(xué)家自主提出的分辨粒子種類的新探測技術(shù)方法，既能探測低能區(qū)，也能探測高能區(qū)，特別是首次走進(jìn)能量為1Te

6、V(1TeV＝1.0×1012eV，e＝1.6×10－19C)以上的“無人區(qū)”，“悟空”首次直接測量到了能譜在1TeV處的“拐折”及在1.4TeV處的“尖峰”。從目前數(shù)據(jù)分析來看，產(chǎn)生“奇異”電子信號(hào)的來源很可能是暗物質(zhì)湮滅或衰變。如果進(jìn)一步證實(shí)了這種觀點(diǎn)，人們就可以根據(jù)“悟空”的探測結(jié)果獲知暗物質(zhì)粒子的質(zhì)量和湮滅率。結(jié)合上述信息，下列說法正確的是(　B　) A．“拐折”處的電子宇宙射線粒子的能量高達(dá)1.6×1031J B．電子宇宙射線從地球赤道上空垂直射向地面時(shí)，在地球磁場的作用下會(huì)向西偏轉(zhuǎn) C．假設(shè)暗物質(zhì)湮滅虧損的質(zhì)量為Δm，則湮滅過程中釋放的能量為ΔE＝Δmc(c為光在真空中的傳播

7、速度) D．若暗物質(zhì)衰變的規(guī)律與普通放射性元素相同，則其半衰期隨溫度的升高而減小 [解析]　“拐折”處的電子宇宙射線粒子的能量高達(dá)1.0×1012eV＝1.0×1012×1.6×10－19J＝1.6×10－7J，故A錯(cuò)誤；根據(jù)左手定則，電子宇宙射線從地球赤道上空垂直射向地面時(shí)，在地球磁場的作用下會(huì)向西偏轉(zhuǎn)，故B正確；假設(shè)暗物質(zhì)湮滅虧損的質(zhì)量為Δm，根據(jù)質(zhì)能方程則湮滅過程中釋放的能量為ΔE＝Δmc2，故C錯(cuò)誤；若暗物質(zhì)衰變的規(guī)律與普通放射性元素相同，衰變是由原子核內(nèi)部因素決定的，與外界環(huán)境無關(guān)，故D錯(cuò)誤；故選B。 6．(2018·廣東省汕頭市高三下學(xué)期4月模擬)紫外光電管是利用光電效應(yīng)原理

8、對油庫等重要場所進(jìn)行火災(zāi)報(bào)警的裝置，其工作電路如圖所示，其中A為陽極，K為陰極，只有當(dāng)明火中的紫外線照射到K極時(shí)，c、d端才會(huì)有信號(hào)輸出，已知地球表面太陽光中紫外線波長主要在3l5nm～400nm之間。而明火中的紫外線波長主要在200nm～280nm之間，下列說法正確的是(　C　) A．要實(shí)現(xiàn)有效報(bào)警，照射光電管的紫外線波長應(yīng)大于280nm B．明火照射到K極時(shí)間要足夠長，c、d端才會(huì)有輸出電壓 C．僅有太陽光照射光電管時(shí)，c、d端輸出的電壓為零 D．火災(zāi)報(bào)警時(shí)，照射光電管的紫外線波長越大，逸出的光電子最大初動(dòng)能越大 [解析]　根據(jù)題意要實(shí)現(xiàn)有效報(bào)警，照射光電管的紫外線波長應(yīng)介于

9、200nm－280nm之間，故A錯(cuò)；光電效應(yīng)的發(fā)生具有瞬時(shí)性，故B錯(cuò)；僅有太陽光照射光電管時(shí)，由于波長大于明火的波長即頻率小于明火的頻率，所以不能發(fā)生光電效應(yīng)，回路中沒有電流，c、d端也就沒有電壓，故C正確；火災(zāi)報(bào)警時(shí)，照射光電管的紫外線波長越大，則頻率越小，那么逸出的光電子最大初動(dòng)能就越小，故D錯(cuò)誤；故選C。 7．(2018·廈門市高三下學(xué)期第二次質(zhì)量檢測)根據(jù)玻爾原子理論，氫原子的能級(jí)公式為En＝(E1為氫原子在基態(tài)時(shí)的能量)，一群氫原子從n＝4能級(jí)向低能級(jí)躍遷時(shí)，輻射出的光子中能量最大值為(　B　) A．　　 B．－　　　　 C．　　 D．－ [解析]　從n＝4能級(jí)躍遷到n＝1能

10、級(jí)光子能量最大，最大為E＝E4－E1＝－E1＝－，B正確。 8．(2018·全國押題卷二)在垂直于紙面的勻強(qiáng)磁場中，有一原來靜止的原子核，該核衰變后，放出的帶電粒子和反沖核的運(yùn)動(dòng)軌跡分別如圖中a、b所示，由圖可以判定(　B　) A．該核發(fā)生的是α衰變 B．該核發(fā)生的是β衰變 C．a(chǎn)表示反沖核的運(yùn)動(dòng)軌跡 D．磁場方向一定垂直紙面向里 [解析]　放射性元素放出α粒子時(shí)，α粒子與反沖核的速度相反，而電性相同，則兩個(gè)粒子受到的洛倫茲力方向相反，兩個(gè)粒子的軌跡應(yīng)為外切圓。而放射性元素放出β粒子時(shí)，β粒子與反沖核的速度相反，而電性相反，則兩個(gè)粒子受到的洛倫茲力方向相同，兩個(gè)粒子的軌跡應(yīng)為內(nèi)

11、切圓，故放出的是β粒子A錯(cuò)誤，B正確；根據(jù)動(dòng)量守恒定律，質(zhì)量大的速度小，而速度小的，運(yùn)動(dòng)半徑較小，而b的質(zhì)量較大，因此b是反沖核的運(yùn)動(dòng)軌跡，故C錯(cuò)誤；粒子在磁場中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，磁場方向不同，粒子旋轉(zhuǎn)的方向相反，由于粒子的速度方向未知，不能判斷磁場的方向，故D錯(cuò)誤。故選B。 9．(2018·北京市平谷區(qū)高三下學(xué)期理綜模擬)LED，英文lightemittingdiode的簡稱，又稱發(fā)光二極管。LED的心臟是一個(gè)半導(dǎo)體的晶片，它由兩部分組成，一部分是P型半導(dǎo)體，里面擁有多余的帶正電荷的空穴，另一端是N型半導(dǎo)體，里面擁有多余的電子。電流通過導(dǎo)線作用于這個(gè)晶片，自由電子在通過二極管時(shí)會(huì)陷入P型層中

12、的空穴，這一過程中電子會(huì)從傳導(dǎo)帶向低軌道躍遷，因而電子會(huì)以光子的形式釋放出能量。晶片材料的傳導(dǎo)帶與低軌道之間的能級(jí)差，決定光子的頻率，當(dāng)二極管由某些特定材料制成時(shí)，就能發(fā)出可見光子。LED因其獨(dú)特的構(gòu)造，多數(shù)光子不會(huì)被半導(dǎo)體材料自身吸收，因而能向外釋放大量的光子。根據(jù)以上信息，下列說法正確的是(　C　) A．白熾燈是通過加熱燈絲發(fā)光的，LED燈也需要通過加熱才能發(fā)光，它們工作時(shí)都會(huì)散發(fā)大量的熱 B．傳導(dǎo)帶與低軌道之間的能級(jí)差越大，電子躍遷時(shí)輻射出光子的波長越長 C．普通硅二極管工作時(shí)不能產(chǎn)生可見光，而只會(huì)發(fā)出紅外線，是由于該材料的傳導(dǎo)帶與低軌道之間的能級(jí)差太小 D．LED燈與普通燈泡一

13、樣，沒有正負(fù)極 [解析]　熒光燈的發(fā)光效率比白熾燈高，用起來比白熾燈省電，其原因在于熒光燈和白熾燈的發(fā)光方式不同，熒光燈的發(fā)光原理就有所不同，故A錯(cuò)誤；傳導(dǎo)帶與低軌道之間的能級(jí)差越大，電子躍遷時(shí)輻射出光子的頻率越高，電子躍遷時(shí)輻射出光子的波長越短，故B錯(cuò)誤；普通硅二極管工作時(shí)不能產(chǎn)生可見光，而只會(huì)發(fā)出紅外線，是由于該材料的傳導(dǎo)帶與低軌道之間的能級(jí)差太小，電子躍遷時(shí)輻射出光子的頻率太低，故C正確；單個(gè)LED燈是分正負(fù)極的，反向不能發(fā)光，LED節(jié)能燈就不分正負(fù)，直接用在交流電上，故D錯(cuò)誤；故選C。 10．(2018·山東省歷城高三下學(xué)期模擬)下列四幅圖的有關(guān)說法中正確的是(　BC　) A

14、．圖(1)中的人用大錘連續(xù)敲打，小車能在光滑的水平面上持續(xù)向右運(yùn)動(dòng) B．圖(2)中若改用綠光照射，驗(yàn)電器金屬箔可能不張開 C．圖(3)為氫原子能級(jí)示意圖，一群氫原子處于n＝4的激發(fā)態(tài)，當(dāng)它們自發(fā)地躍遷到較低能級(jí)時(shí)，能使逸出功為2.21eV的金屬鉀發(fā)生光電效應(yīng)的光譜線有4條 D．圖(4)可以得知原子核F的比結(jié)合能小于原子核E的比結(jié)合能，原子核D和E聚變成原子核F時(shí)會(huì)有質(zhì)量虧損，要釋放能量 [解析]　用錘打車，是人(包括鐵錘)和車系統(tǒng)的內(nèi)力，系統(tǒng)在水平方向所受的外力之和為零，所以系統(tǒng)的總動(dòng)量守恒，人和車的初動(dòng)量為零，根據(jù)動(dòng)量守恒定律，如果錘頭打下去時(shí)錘頭向右運(yùn)動(dòng)，車就向左運(yùn)動(dòng)，舉起錘頭時(shí)錘

15、頭向左運(yùn)動(dòng)，車就向右運(yùn)動(dòng)，用錘頭連續(xù)敲擊時(shí)，車只是左右運(yùn)動(dòng)，錘頭不動(dòng)，車就停下來，故A項(xiàng)錯(cuò)誤；紫光燈照射時(shí)，金屬板產(chǎn)生光電效應(yīng)，換用頻率更小的綠光照射，可能不產(chǎn)生光電效應(yīng)，驗(yàn)電器金屬箔可能不張開，故B項(xiàng)正確；一群氫原子處于n＝4的激發(fā)態(tài)，當(dāng)它們自發(fā)地躍遷到較低能級(jí)時(shí)，一共能產(chǎn)生6條光譜線，其中n＝4到n＝3的光子能量不能使鉀發(fā)生光電效應(yīng)，還有n＝3到n＝2的光子能量不能使鉀發(fā)生光電效應(yīng)，其余4種光子能量都大于2.21eV能使鉀發(fā)生光電效應(yīng)，故C項(xiàng)正確；原子核F的平均核子質(zhì)量小于原子核E的平均核子質(zhì)量，原子核F的比結(jié)合能大于原子核E的比結(jié)合能，原子核D和E聚變成原子核F時(shí)核子平均質(zhì)量減小，會(huì)有質(zhì)

16、量虧損，要釋放能量，故D項(xiàng)錯(cuò)誤。 11．(2018·湖北省襄陽市高三下學(xué)期模擬)用甲、乙兩種單色光照射同一金屬做光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)光電流與電壓的關(guān)系如圖所示。已知普朗克常量為h，被照射金屬的逸出功為W0，遏止電壓為Uc，電子的電荷量為e，則下列說法正確的是(　AD　) A．甲光的強(qiáng)度大于乙光的強(qiáng)度 B．甲光的頻率大于乙光的頻率 C．甲光照射時(shí)產(chǎn)生的光電子初動(dòng)能均為eUc D．乙光的頻率為 [解析]　根據(jù)光的強(qiáng)度越強(qiáng)，則光電子數(shù)目越多，對應(yīng)的光電流越大，可判定甲光的強(qiáng)度較大，選項(xiàng)A正確；由光電效應(yīng)方程Ekm＝hν－W0，Ekm＝Uce，結(jié)合題圖可知，甲、乙光的遏止電壓相同，故甲、

17、乙光的頻率相同，選項(xiàng)B錯(cuò)誤；甲光照射時(shí)產(chǎn)生的光電子的最大初動(dòng)能均為eUc，選項(xiàng)C錯(cuò)誤；根據(jù)Ekm＝hν－W0＝Uce，可得ν＝，選項(xiàng)D正確。 12．(2018·浙江省杭州市高三下學(xué)期預(yù)測卷)氫原子的部分能級(jí)如圖所示，現(xiàn)有大量的氫原子處于n＝4的激發(fā)態(tài)，當(dāng)向低能級(jí)躍遷時(shí)輻射出不同頻率的光。已知可見光的光子能量在1.62eV到3.11eV之間。由此可推知(　BCD　) A．從高能級(jí)向n＝3能級(jí)躍遷時(shí)發(fā)出的光的頻率比可見光的高 B．從高能級(jí)向n＝2能級(jí)躍遷時(shí)發(fā)出的光均為可見光 C．用n＝2能級(jí)躍遷到n＝1能級(jí)輻射出的光照射逸出功為6.34eV的金屬鉑能發(fā)生光電效應(yīng) D．頻率最小的光是由

18、n＝4能級(jí)躍遷到n＝3能級(jí)產(chǎn)生的 [解析]　能級(jí)間躍遷時(shí)輻射的光子能量等于兩能級(jí)間的能級(jí)差，即Em－En＝hν。從高能級(jí)向n＝3能級(jí)躍遷時(shí)發(fā)出的光的頻率最大為1.51eV，小于可見光的光子能量，A錯(cuò)誤；從高能級(jí)向n＝2能級(jí)躍遷時(shí)輻射的光子能量在1.62eV到3.11eV之間，故B正確；從n＝2能級(jí)躍遷到n＝1能級(jí)輻射出的光子的能量E＝E2－E1＝－3.4eV－(－13.6)eV＝10.2eV>6.34eV，而使金屬發(fā)生光電效應(yīng)的條件是光子的能量大于金屬的逸出功，故可以發(fā)生光電效應(yīng)，故C正確；由n＝4能級(jí)躍遷到n＝3能級(jí)產(chǎn)生的光，能量最小，頻率最小，故D正確。 二、計(jì)算題(本題共1小題，需寫

19、出完整的解題步驟) 13．(2018·安徽省蚌埠市高三第三次教學(xué)質(zhì)量檢測)某勻強(qiáng)磁場方向垂直于紙面向里，磁感應(yīng)強(qiáng)度B＝0.05T，磁場區(qū)域足夠大。磁場中某點(diǎn)有一個(gè)Ra核處于靜止?fàn)顟B(tài)，某時(shí)刻Ra核沿平行紙面的方向放出一個(gè)粒子后衰變成Rn核。 (1)寫出上述衰變方程； (2)若衰變后，質(zhì)量較小的粒子在磁場中做半徑為r＝10m的勻速圓周運(yùn)動(dòng)，已知1u＝1.6×10－27kg，e＝1.6×10－19C，求Rn核做圓周運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能大小。(結(jié)果保留兩位有效數(shù)字) [解析]　(1)根據(jù)質(zhì)量數(shù)與電荷數(shù)守恒，寫出衰變方程；(2)衰變后兩個(gè)粒子動(dòng)量大小相等，方向相反，動(dòng)量守恒，由質(zhì)量較小的粒子在磁場中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)求其速度，根據(jù)動(dòng)量守恒求Rn的速度，根據(jù)動(dòng)能表達(dá)式求出動(dòng)能的大小。 (1)根據(jù)質(zhì)量數(shù)與電荷數(shù)守恒，可得衰變的方程：Ra→Rn＋He (2)衰變過程中釋放的α粒子在磁場中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，半徑R＝10m，由2evB＝ 解得：α粒子的速度v＝ 衰變過程中系統(tǒng)動(dòng)量守恒，Rn、He質(zhì)量分別為222u、4u 由動(dòng)量守恒得：222u×v′＝4u×v 解得Rn速度為v′＝ 故Rn動(dòng)能為Ek＝×222u×v′2 代入數(shù)據(jù)解得：Ek＝3.6×10－16J