原子結構 原子核
1．(多選)如圖所示是氫原子的能級圖，大量處於n＝4激發態的氫原子向低能級躍遷時，一共可以輻射出6種不同頻率的光子，其中巴耳末系是指氫原子由高能級向n＝2能級躍遷時釋放的光子，則( )
A．6種光子中波長最長的是n＝4激發態躍遷到基態時產生的
B．6種光子中有2種屬於巴耳末系
C．使n＝4能級的氫原子電離至少要0.85 eV的能量
D．若從n＝2能級躍遷到基態釋放的光子能使某金屬板發生光電效應，則從n＝3能級躍遷到n＝2能級釋放的光子也一定能使該金屬板發生光電效應
2．(1)1934年，約里奧—居里夫婦用α粒子轟擊鋁核Al，產生了第一個人工放射性核素X：α＋Al→n＋X。X的原子序數和質量數分別為( )
A．15和28 B．15和30 C．16和30 D．17和31
(2)現有四個核反應：
A．H＋H→He＋n B．U＋n→X＋Kr＋3n
C．Na→Mg＋e D．He＋Be→C＋n
①________是發現中子的核反應方程，________是研究原子彈的基本核反應方程，________是研究氫彈的基本核反應方程。
②B中X的質量數為________，中子數為________。
一、單項選擇題
1．已知Th的半衰期為24天.4 gTh經過72天還剩下( )
A．0 B．0.5 g C．1 g D．1.5 g
2．研究放射性元素射線性質的實驗裝置如圖所示．兩塊平行放置的金屬板A、B分別與電源的兩極a、b連線，放射源發出的射線從其上方小孔向外射出．則( )
A．a為電源正極，到達A板的為α射線
B．a為電源正極，到達A板的為β射線
C．a為電源負極，到達A板的為α射線
D．a為電源負極，到達A板的為β射線
3．下列有關氫原子光譜的說法正確的是( )
A．氫原子的發射光譜是連續譜
B．氫原子光譜說明氫原子只發出特定頻率的光
C．氫原子光譜說明氫原子能量是連續的
D．氫原子光譜線的頻率與氫原子能級的能量差無關
4．如圖所示為盧瑟福α粒子散射實驗裝置的示意圖，圖中的顯微鏡可在圓周軌道上轉動，透過顯微鏡前相連的熒光屏可觀察α粒子在各個角度的散射情況．下列說法正確的是( )
A．在圖中的A、B兩位置分別進行觀察，相同時間內觀察到屏上的閃光次數一樣多
B．在圖中的B位置進行觀察，屏上觀察不到任何閃光
C．盧瑟福選用不同金屬箔片作為α粒子散射的靶，觀察到的實驗結果基本相似
D．α粒子發生散射的主要原因是α粒子撞擊到金原子後產生的反彈
5．一放射性原子核X靜止在與紙面垂直的勻強磁場中，衰變後產生的原子核Y及粒子的運動軌跡如圖，則( )
A．此次衰變可能為β衰變
B．Y的質子數比X的質子數小4
C．Y的中子數比X的中子數小4
D．軌跡2為Y的運動軌跡
6．大科學工程“人造太陽”主要是將氘核聚變反應釋放的能量用來發電．氘核聚變反應方程是：H＋H→He＋n.已知H的質量為2.013 6 u,He的質量為3.015 0 u，n的質量為1.008 7 u，1 u＝931 MeV/c2.氘核聚變反應中釋放的核能約為( )
A．3.7 MeVB．3.3 MeV
C．2.7 MeVD．0.93 MeV
7．如圖所示為氫原子的能級圖，圖中a、b、c、d對應氫原子的四次躍遷，已知可見光光子的能量範圍為1.61～3.10 eV，關於四次躍遷，下列說法正確的是( )
A．經歷a躍遷，氫原子吸收的光子能量為0.66 eV
B．經歷b躍遷，氫原子的軌道半徑增大，原子核外電子的動能增大
C．經歷c躍遷，氫原子放出的光子是可見光光子
D．經歷d躍遷後，再用可見光照射躍遷後的氫原子，可使氫原子發生電離
二、多項選擇題
8．兩個氘核以相等的動能Ek對心碰撞發生核聚變，核反應方程為H＋H→He＋n，其中氘核的質量為m1，氦核的質量為m2，中子的質量為m3.假設核反應釋放的核能E全部轉化為動能，下列說法正確的是( )
A．核反應後氮核與中子的動量相同
B．該核反應釋放的能量為E＝(2m1－m2－m3)c2
C．核反應後氮核的動能為
D．核反應後中子的動能為
9．我國核聚變反應研究大科學裝置“人造太陽”2018年獲得重大突破，等離子體中心電子溫度首次達到 1億度，為人類開發利用核聚變能源奠定了重要的技術基礎．下列關於聚變的說法正確的是( )
A．核聚變比核裂變更為安全、清潔
B．任何兩個原子核都可以發生聚變
C．兩個輕核結合成質量較大的核，總質量較聚變前增加
D．兩個輕核結合成質量較大的核，核子的比結合能增加
10．太陽的能量來源是輕核的聚變，太陽中存在的主要元素是氫，核聚變反應可以看做是4個氫核(H)結合成1個氦核同時放出2個正電子．下表中列出了部分粒子的質量(取1 u＝×10－26 kg)：
粒子名稱
質子(p)
α粒子
正電子(e)
中子(n)
質量/u
1.007 3
4.001 5
0.000 55
1.008 7
以下說法正確的是( )
A．核反應方程為4H→He＋2e
B．4個氫核結合成1個氦核時的質量虧損約為0.026 6 kg
C．4個氫核結合成1個氦核時的質量虧損約為4.43×10－29 kg
D．聚變反應過程中釋放的能量約為4.0×10－12 J
11．氫原子的能級圖如圖所示，現有大量處於n＝4能級的氫原子向低能級躍遷，下列說法正確的是( )
A．這些氫原子可能發出6種不同頻率的光
B．已知鉀的逸出功為2.22 eV，則氫原子從n＝3能級躍遷到n＝2能級釋放的光子可以從金屬鉀的表面打出光電子
C．氫原子從n＝2能級躍遷到n＝1能級釋放的光子能量最小
D．氫原子由n＝4能級躍遷到n＝3能級時，氫原子能量減小，電子的動能增加
三、非選擇題
12．在下列描述核過程的方程中，屬於α衰變的是_________，屬於β衰變的是_________，屬於核裂變的是________，屬於核聚變的是________．(填正確答案標號)
A．C→N＋e B．P→S＋e
C．U→Th＋He D．N＋He→O＋H
E．U＋n→Xe＋Sr＋2nF．H＋H→He＋n
13．(1)100年前，盧瑟福用α粒子轟擊氮核打出了質子．後來，人們用α粒子轟擊Ni核也打出了質子：He＋Ni→Cu＋H＋X，該反應中的X是________(選填“電子”“正電子”或“中子”)．此後，對原子核反應的持續研究為核能利用提供了可能．目前人類獲得核能的主要方式是________(選填“核衰變”“核裂變”或“核聚變”)．
(2)在“焊接”視網膜的眼科手術中，所用鐳射的波長λ＝6.4×10－7 m，每個鐳射脈衝的能量E＝1.5×10－2 J．求每個脈衝中的光子數目．(已知普朗克常量h＝6.63×10－34 J·s，光速c＝3×108 m/s.計算結果保留1位有效數字)
答案與解析
1．【答案】BC
【解析】根據躍遷假說，在躍遷的過程中釋放光子的能量等於兩能級之差，故從n＝4躍遷到n＝3時釋放光子的能量最小，頻率最小，波長最長，A錯誤；由題意知6種光子中有2種屬於巴耳末系，它們分別是從n＝4躍遷到n＝2和從n＝3躍遷到n＝2時釋放的光子，B正確；E4＝－0.85 eV，故n＝4能級的電離能等於0.85 eV，C正確；由題圖知，從n＝3能級躍遷到n＝2能級釋放的光子的能量小於n＝2能級躍遷到基態釋放的光子的能量，D錯誤。
2．【答案】(1)B (2)①D B A ②144 88
【解析】(1)據α粒子和中子的質量數和電荷數寫出核反應方程：He＋Al→n＋X，結合質量數守恆和電荷數守恆得，A＝4＋27－1＝30，Z＝2＋13－0＝15，原子序數等於核電荷數，故B正確。
(2)①D為查德威克發現中子的核反應方程；B是研究原子彈的基本核反應方程；A是研究氫彈的基本核反應方程。
②X的質量數為：(235＋1)－(89＋3)＝144
X的質子數為：92－36＝56
X的中子數為：144－56＝88。
一、單項選擇題
1．【答案】B
【解析】m＝m0＝4× g＝0.5 g，B正確．
2．【答案】B
【解析】從題圖可以看出，到達兩極板的粒子做類平拋運動，到達A極板的粒子在初速度方向的位移小於到達B板的粒子在初速度方向的位移，粒子在初速度方向做勻速直線運動，則根據公式x＝v0t＝v0，兩個粒子初速度v0相差不大，兩極板間電壓U相同，放射源與兩極板的距離也相同，而電子的小得多，所以電子在初速度方向的位移小，故達到A極板的是β射線，A極板帶正電，a為電源的正極，故B正確．
3．【答案】B
【解析】由於氫原子發射的光子的能量E＝En－Em＝E1－E1＝E1，所以發射的光子的能量值E是不連續的，只能是一些特定頻率的譜線，A錯誤，B正確；由於氫原子的軌道是不連續的，根據玻爾原子理論知氫原子的能級也是不連續的，即是分立的，C錯誤；當氫原子從較高軌道第n能級躍遷到較低軌道第m能級時，發射的光子的能量為E＝En－Em＝hν，顯然n、m的取值不同，發射光子的頻率就不同，故氫原子光譜線的頻率與氫原子能級的能量差有關，D錯誤．
4．【答案】C
【解析】放在A位置時，相同時間內觀察到屏上的閃光次數應最多，說明大多數射線基本不偏折，可知金箔原子內部很空曠，故A錯誤；放在B位置時，相同時間內觀察到屏上的閃光次數較少，說明較少射線發生偏折，可知原子內部帶正電的體積小，故B錯誤；選用不同金屬箔片作為α粒子散射的靶，觀察到的實驗結果基本相似，故C正確；α粒子發生散射的主要原因是α粒子受到金原子庫侖力作用，且金原子質量較大，從而出現的反彈，故D錯誤．
5．【答案】D
【解析】衰變瞬間粒子和原子核Y速度方向相反，根據軌跡圖可知，兩者在切點處受到的洛倫茲力方向相反，而兩者處於同一磁場中，根據左手定則可判斷出兩者帶同種電荷，即X發生的是α衰變，A錯誤；Y的質子比X的質子數小2，Y的中子數比X的中子數小2，B、C錯誤；衰變過程遵循動量守恆定律，可得粒子和Y的動量大小相等、方向相反，結合qvB＝m可得電荷量越大，運動半徑越小，故軌跡2為Y的運動軌跡，D正確．
6．【答案】B
【解析】氘核聚變反應的質量虧損為Δm＝2×2.013 6 u－(3.015 0 u＋1.008 7 u)＝0.003 5 u，釋放的核能為ΔE＝Δmc2＝0.003 5×931 MeV/c2×c2≈3.3 MeV，B正確．
7．【答案】D
【解析】經歷a躍遷，氫原子從高能級向低能級躍遷時輻射出的光子的能量為0.66 eV，A錯誤；經歷b躍遷，氫原子吸收能量，軌道半徑增大，但核外電子的動能會減小，B錯誤；經歷c躍遷，氫原子輻射出的光子的能量為0.97 eV，則該光子不是可見光光子，C錯誤；經歷d躍遷後，躍遷後的氫原子的電離能為1.51 eV，因此用可見光光子照射可使其電離，D正確．
二、多項選擇題
8．【答案】BC
【解析】核反應前後兩氘核動量和為零，因而反應後氦核與中子的動量等大反向，故A錯誤；該核反應前後釋放的能量ΔE＝(2m1－m2－m3)c2，故B正確；由能量守恆可得：核反應後的總能量為E＋2Ek，由動能與動量的關係Ek＝，且mHe＝3mn可知，核反應後氦核的動能為，核反應後中子的動能為，故C正確，D錯誤．
9．【答案】AD
【解析】與核裂變相比輕核聚變更為安全、清潔，A正確；自然界中最容易實現的聚變反應是氫的同位素氘與氚的聚變，不是任意兩個原子核都能發生核聚變，B錯誤；兩個輕核發生聚變結合成質量較大的核時，放出巨大的能量，根據E＝mc2可知，聚變反應中存在質量虧損，則總質量較聚變前減少，C錯誤；兩個輕核結合成質量較大的核的過程中要釋放能量，核子的平均質量減少，所以核子的比結合能增加，D正確．
10．【答案】ACD
【解析】由核反應的質量數守恆及電荷數守恆得4H→He＋2e，A正確；反應中的質量虧損為Δm＝4mp－mα－2me＝(4×1.007 3－4.001 5－2×0.000 55) u＝0.026 6 u＝4.43×10－29 kg，C正確，B錯誤；由質能方程得ΔE＝Δmc2＝4.43×10－29×(3×108)2 J≈4×10－12 J，D正確．
11．【答案】AD
【解析】大量的氫原子處於n＝4的激發態，可能發出光的頻率的種數n＝C＝6，故A正確；氫原子從n＝3能級躍遷到n＝2能級，釋放的光子能量為1.89 eV，小於鉀的逸出功2.22 eV，故不能產生光電效應，故B錯誤；由題圖可知，氫原子由n＝2能級躍遷到n＝1能級釋放的光子能量不是最小的，光的頻率不是最小的，故C錯誤；氫原子由n＝4能級躍遷到n＝3能級時，放出能量，故氫原子能量減小，同時電子向原子核靠近，庫侖引力做正功，故電子動能增加，故D正確．
三、非選擇題
12．【答案】CABEF
【解析】一個原子核自發地放出一個α粒子，生成一個新核的過程是α衰變，因此C項是α衰變；一個重核在一個粒子的轟擊下，分裂成幾個中等質量原子核的過程是重核的裂變，因此E項是重核的裂變；兩個較輕的原子核聚合成一個較大的原子核，並放出粒子的過程是輕核的聚變，因此F項是輕核的聚變；另外，A、B項是β衰變，D項是原子核的人工轉變．
13．【答案】(1)中子 核裂變 (2)5×1016
【解析】(1)根據核反應方程遵循質量數守恆和電荷數守恆，可得X的質量數為1，電荷數為0，所以X是中子．目前人類獲得核能的主要方式是核裂變．
(2)光子能量ε＝，光子數目n＝，代入資料得n＝5×1016.
