原子核物理.doc

内部资料原子核物理专题讲练一、 考纲要求内容要求说明102粒子散射实验原子的核式结构103氢原子的能级结构光子的发射和吸收104氢原子的电子云105原子核的组成天然放射现象射线、射线、射线衰变半衰期106原子核的人工转变 核反应方程，放射性同位素及其应用107放射性污染和防护108核能质量亏损受因斯坦的质能方程109重核的裂变链式反应核反应堆110轻核的聚变可控热核反应 111人类对物质结构的认识 原子核物理部分在高考理综中以选择题的形式进行考察，分值：6分。主要考察内容为：能级、玻尔氢原子理论、衰变规律、核反应和核反应方程、核能计算、重核裂变和轻核聚变。二、典例分类评析1、粒子散射实验和原子的核式结构（1）粒子散射实验（1909-1911年英国物理学家卢瑟福和他的助手盖革，学生马斯登等做了用粒子轰击薄金箔的实验）绝大数粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进，但有少数粒子发生了较大的偏转。散射的粒子的数目随着角的增大而很快地减少。有极少数粒子的偏转角超过了900，有的甚至几乎达到1800，象是被金箔弹回来。（2）原子的核式结构汤姆生原子模型不能解释粒子的散射实验结果中的大角度散射现象，因而被否定。为了解释粒子的散射实验结果，卢瑟福在1911年提出了原子的核式结构学说：在原子的中心有一个很的核，叫做原子核，原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里，带负电的电子在核外空间里绕着核旋转。例1、（2001夏季高考物理上海卷）卢瑟福原子核式结构理论的主要内容有 （ ） A原子的中心有个核，叫做原子核B原子的正电荷均匀分布在整个原子中C原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里D带负电的电子在校外绕着核旋转例2、下图为在粒子散射实验中，一束粒子在穿越金箔内一个金原子的轨迹示意图，正确的是 ( )例3、在粒子散射实验中，如果只考虑粒子与金原子核的相互作用.则一个粒子在穿越金原子的过程中，以下说法正确的是 （ ）A.粒子的动能逐渐减小B.粒子的势能逐渐增大C.粒子与金原子核组成的系统能量逐渐减小D.粒子的加速度大小先增大后减小2、玻尔氢原子理论与能级（1）玻尔氢原子理论主要包括三方面内容定态假设：原子只能处于一系列不连续的能量状态之中，在这些状态中能量是稳定的，电子虽然做加速运动，但并不向外辐射能量。这些状态叫定态。跃迁假设：原子从一种定态（设能量为E2）跃迁到另一种假定态（设能量为E1）时，它辐射或吸收一定频率的光子，光子的能量由这两种定态的能量差决定，即 h=E2-E1轨道假设：原子的不同能量状态对应于电子的不同运行轨道，由于原子的能量状态是不连续的，因此电子的可能轨道也是不连续的，即电子不能在任意半径的轨道上运行。（2）能级与能级图原子在各个定态时的能量值En称为原子的能级。它对应电子在各条可能轨道上运动时的能量En（包括动能和势能） En=E1/n2 n=1,2,3, E1代表电子在第一条可能轨道上运动时的能量基态和激发态基态：在正常状态下，原子处于最低能级，这时电子在离核最近的轨道上运动，这种定态，叫基态激发态：原子处于较高能级时，电子在离核较远的轨道上运动，这种定态，叫激发态原子发光：原子从基态向激发态跃迁的过程是吸收能量的过程。原子从较高的激发态向较低的激发态或基态跃迁的过程，是辐射能量的过程，这个能量以光子的形式辐射出去，吸收或辐射的能量恰等于发生跃迁的两能级之差。能级图一群氢原子从量子数为n能级跃迁发出的谱线频率数为：n（n-1）/2例1、根据玻尔理论，某原子的电子从能量为E的轨道跃迁到能量为的轨道，辐射出波长为l的光以h表示普朗克常量，C表示真空中的光速，则等于 （ ） AB CD例2、原子从一个能级跃迁到一个较低的能级时，有可能不发射光子，例如在某种条件下，铬原子的n2能级上的电子跃迁到n1能级上时并不发射光子，而是将相应的能量转交给n4能级上的电子，使之能脱离原子，这一现象叫做俄歇效应，以这种方式脱离了原子的电子叫做俄歇电子，已知铬原子的能级公式可简化表示为En，式中n1，2，3表示不同能级，A是正的已知常数，上述俄歇电子的动能是 （ ）AA BA CA DA例3、图中画出了氢原子的4个能级，并注明了相应的能量E。处在n=4的能级的一群氢原子向低能级跃迁时，能够发出若干种不同频率的不波。已知金属钾的逸出功为2.22eV。在这些光波中，能够从金属钾的表面打出光电子的总共有（ ）A二种 B三种 C四种 D五种例4、氢原子的能级是氢原子处于各个定态时的能量值，它包括氢原子系统的电势能和电子在轨道上运动的动能，氢原子的电子由外层轨道跃迁到内层轨道时 （ ）A氢原子的能量减小，电子的动能增加 B氢原子的能量增加，电子的动能增加C氢原子的能量减小，电子的动能减小 D氢原子的能量增加，电子的动能减小例5、处于基态的一群氢原子受某种单色光的照射时，只发射波长为、的三种，单色光，且，则照射光的波长为 ( )A BC D3、天然放射性现象天然放射现象：物质放射出射线、射线、射线的性质，叫做放射性，具有放射性的元素叫放射性元素。三种射线的本质及特性：射线：氦核流速度约为光速的 1/10。贯穿本领最小，但有很强的电离作用，很容易使空气电离，使照相底片感光的作用也很强；射线:高速运动的电子流。速度接近光速，贯穿本领很强。很容易穿透黑纸，甚至能穿透几毫米厚的铝板，但它的电离作用比较弱。射线：为波长极短的电磁波。性质非常象射线，只是它的贯穿本领比射线大的多，甚至能穿透几厘米厚的铅板，但它的电离作用却很小。衰变规律： 衰变：衰变：衰变内因：射线、射线、射线是由原子核中放射出来的。 在放射性元素的原子核中，由于两个中子和两个质子结合的比较紧密，往往会作为一个整体从较大的原子核中被放射出来而形成衰变. 原子核内虽然没有电子，但核内的的质子和中子是可以相互转化的.当核内的中子转化为质子时同时要产生一个电子，这个电子从核内释放出来，就形成了衰变.衰变或衰变后产生的新核往往处于高能级，不稳定，要向低能级跃迁放出光子射线是伴随着射线和射线产生的放射性物质发生衰变时，有的发生衰，有的发生衰变，同时伴随射线这时三种射线都有放射性元素的原子核衰变掉一半所用时间，叫放射性元素的半衰期.半衰期是对大量放射性原子核的统计规律，对单个或少量原子核无意义，元素的半衰期由原子核内部的因素决定，只与元素的种类有关，跟元素所处的物理或化学状态无关. 放射性同位素的应用：利用放射线的贯穿本领或电离作用；作为示踪原子。例1、下列说法正确的是 （ ）A.衰变为要经过1次a衰变和1次衰变B.衰变为要经过1次a衰变和1次衰变C.衰变为要经过6次a衰变和4次衰变D.衰变为要经过4次a衰变和4次衰变例2、本题中用大写字母代表原子核。E经衰变成为F，再经衰变成为G，再经衰变成为H。上述系列衰变可记为下式：另一系列衰变如下： 已知P是F的同位素，则 （ ）AQ是G的同位素，R是H的同位素BR是E的同位素，S是F的同位素CR是G的同位素，S是H的同位素DQ是E的同位素，R是F的同位素例3、钍核经过6次a衰变和4次b衰变后变成铅核，则 （ ） A铅核的符号为，它比少8个中子 B铅核的符号为，它比少16个中子 C铅核的符号为，它比少16个中子 D铅核的符号为，它比少12个中子例4、一个氡核衰变成钋核并放出一个粒子，其半衰期为3.8天。1 g氡经过7.6天衰变掉氡的质量，以及衰变成的过程放出的粒子是 （ ）A.0.25g，粒子 B.0.75g，粒子C.0.25g，粒子 D.0.75g，粒子例5、14C是一种半衰期为5730年的放射性同位素。若考古工作者探测到某古木中14C的含量为原来的，则该古树死亡时间距今大约 （ ）A.22920年 B.11460C.5730年 D.2865年 4、核反应与核能的计算在核物理学中,原子核在其他粒子的轰击下产生新原子核的过程,称为核反应. 原子核的人工转变（1）卢瑟福发现质子的核反应（1919年） （2）查德威克发现中子的核反应（1932年）高中阶段的核反应分成四类：衰变反应、人工转变、重核裂变和轻核聚变。质量亏损：组成原子核的核子的质量与原子核的质量之差(或者参加核反应的原子核总质量与生成新原子核的总质量之差)叫质量亏损.质能方程：爱因斯坦质能方程 质量亏损放出能量 原子质量单位u 1u.66061027kg 相当于931.5Mev的能量例1、下列核反应或核衰变方程中，符号“X”表示中子的是 （ ）A BC D例2、下面列出的是一些核反应方程 ( )PSiX BeHBY HeHeLiZ 其中AX是质子，Y是中子，Z是正电子 BX是正电子，Y是质子，Z是中子CX是中子，Y是正电子，Z是质子 DX是正电子，Y是中子，Z是质子例3、为纪念爱因斯坦对物理学的巨大贡献，联合国将2005年定为“国际物理年”。对于爱因斯坦提出的质能方程E2=mc2，下列说法中不正确的是 （ ）AE2=mc2表明物体具有的能量与其质量成正比B根据E2=mc2可以计算核反应中释放的核能C一个中子和一个质子结合成氘核时，释放出核能，表明此过程中出现了质量亏损DE=mc2中的E是发生核反应中释放的核能例4、下面是一核反应方程用c表示光速，则 （ ）AX是质子，核反应放出的能量等于质子质量乘c2BX是中子，核反应放出的能量等于质子质量乘c2CX是质子，核反应放出的能量等于氘核与氚核的质量和减去氦核与质子的质量和，再乘c2D X是中子，核反应放出的能量等于氘核与氚核的质量和减去氦核与中子的质量和，再乘c2例5、雷蒙德戴维斯因研究来自太阳的电子中徽子(ve)而获得了2002年度诺贝尔物理学奖他探测中徽子所用的探测器的主体是一个贮满615t四氯乙烯(C2Cl4)溶液的巨桶电子中微子可以将一个氯核转变为一个氩核，其核反应方程式为 已知核的质量为36.95658u，核的质量为36.95691u， 的质量为0.00055u，1u质量对应的能量为931.5MeV根据以上数据，可以判断参与上述反应的电子中微子的最小能量为 （ ） A0.82 MeV B0.31 MeV C1.33 MeV D0.51 MeV5、重核裂变与轻核聚变裂变:重核分裂成质量较小的核释放出核能的反应,称为裂变。如上图示：A核的核子平均质量大，B、C核的核子平均质量小，故A核分裂成B核和C核会放出能量物理学中把这样的过程叫做裂变。1939年12月，德国物理学家哈恩和他的助手斯特拉斯曼发现，用中子轰击铀核时，铀核发生了裂变，铀核裂变的产物是多种多样的，其中一种典型的反应是 轻核的聚变：把轻核结合成质量较大的核，释放出核能的反应叫做轻核的聚变，简称聚变。常见的聚变反应有H+HH+H+ 4 MeV H+HHe+n+ 17.6 MeV 产生轻核聚变的条件：要使轻核发生聚变，必须使它们核子之间的距离接近到 10-15 m。聚变必须在高温下才能发生，所以轻核聚变又叫做热核反应。例1、三个核反应：NaMge UnBaKr3n HHHen下列说法正确的是 （ ）A 是裂变，是衰变，是聚变 B 是聚变，是裂变，是衰变C 是衰变，是裂变，是聚变 D 是衰变，是聚变，是裂变例2、某核反应方程为H+HHe+X.已知H的质量为2.0136u. H的质量为3.018u, He的质量为4.0026u,X的质量为1.0087u.则下列说法中正确的是 ( )A.X是质子，该反应释放能量 B.X是中子，该反应释放能量C.X是质子，该反应吸收能量 D. X是中子，该反应吸收能量6、人类对物质结构的认识例1、已知+介子、介子都是由一个夸克（夸克u或夸克d）和一个反夸克（反夸克或反夸克）组成的，它们的带电量如下表所示，表中e为元电荷。+ud带电量+ee+ 下列说法正确的是 （ ）A+由u和组成 B+由d和组成C由u和组成 D由d和组成例2、最近几年，原子核科学在超重元素岛的探测方面取得重大进展，1996年科学家们在研究某两个重离子结合成超重元素的反应时，发现生成的超重元素的核经过6次衰变后的产物是，由此，可以判定生成的超重元素的原子序数和质量数分别是 ( )A124、259 B124、265 C112、265 D112、277DU OU0 rr1r2AU OU0 rr1r2BU OU0 rr1r2CU OU0 rr1r2例3、质子和中于是由更基本的粒子即所谓“夸克”组成的两个强作用电荷相反（类似于正负电荷）的夸克在距离很近时几乎没有相互作用（称为“渐近自由”）；在距离较远时，它们之间就会出现很强的引力（导致所谓“夸克禁闭”）作为一个简单的模型，设这样的两夸克之间的相互作用力F与它们之间的距离r的关系为：式中F0为大于零的常量，负号表示引力用U表示夸克间的势能，令U0F0(r2r1)，取无穷远为势能零点下列Ur图示中正确的是 （ ）原子核物理专题演练1、在卢瑟福的a粒子散射实验中，有少数a粒子发生大角度偏转，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.正电荷在原子中是均匀分布的 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 2如图所示为卢瑟福和他的同事们做粒子散射实验的装置示意图，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，下面关于观察到的现象的说法中正确的是 （ ）A放在A位置时，相同时间内观察到荧光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只比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，屏上仍能观察一些闪光，但次数极少3用紫外线照射一些物质时会发生荧光效应，即物质发出可见光，这些物质中的原子先后发生两次跃迁，其能量变化分别为和，下列关于原子这两次跃迁的说法中正确的是 （ ）A两次均向高能级跃迁，且B两次均向低能级跃迁，且C先向高能级跃迁，再向低能级跃迁，且4氦原子被电离一个核外电子，形成类氢结构的氦离子.已知基态的氦离子能量为E1=-54.4 eV，氦离子能级的示意图如图所示.在具有下列能量的光子中，不能被基态氦离子吸收而发生跃迁的是( ) A.40.8 eV B.43.2 eV C.51.0 eV D.54.4 eV 5、（2006江苏 ）氢原子的能级如图所示，已知可见的光的光子能量范围约为 1.62eV 3.11eV.下列说法错误的是 ( )A处于 n = 3能级的氢原子可以吸收任意频率的紫外线，并发 发电离 B大量氢原子从高能级向 n = 3 能级跃迁时，发出的光具有显 著的热效应 C大量处于 n = 4能级的氢原子向低能级跃迁时，可能发出 6 种不同频率的光 D大量处于 n = 4是能级的氢原子向低能级跃迁时，可能发出 3种不同频率的可见光6.光子的能量为E的一束单色光照射到容器中氢气上，氢原子吸收光子后处于激发态，并能发射光子，现测得这氢气发射频率分别为1、2、3的三种光子123，那么，入射光光子能量E的能量值是 （ ）A B C D7.下列说法正确的是 ( ) A当氢原子从n = 2的状态跃迁到n = 6的状态时，发射出光子 B放射性元素的半衰期是指大量该元素的原子核中有半数发生衰变需要的时间 C同一元素的两种同位素具有相同的质子数 D中子与质子结合成氘核时要吸收能量8. 目前，在居室装修中经常用到花岗岩、大理石等装修材料，这些岩石都不同程度地含有放射性元素，比如，有些含有铀、钍的花岗岩等岩石会释放出放射性惰性气体氡，而氡会发生放射性衰变，放出、射线，这些射线会导致细胞发生癌变及呼吸道等方面的疾病，根据有关放射性知识可知，下列说法正确的是 （ ）A. 氡的半衰期为3.8天，若取4个氡原子核，经7. 6天后就一定剩下一个原子核了B. 衰变所释放的电子是原子核内的中子转化成质子和电子所产生的C. 射线一般伴随着或射线产生，在这三种射线中，射线的穿透能力最强，电离能力也最强D. 发生衰变时，生成核与原来的原子核相比，中子数减少了49某原子核的衰变过程为：，则 （ ）AX的中子数比P的中子数少2BX的质量数比P的质量数多5CX的质子数比P的质子数少1DX的质子数比P的质子数多110.三个原子核X、Y、Z，X核放出一个正电子后变为Y核，Y核与质子发生核反应后生成Z核并放出一个个氦（42He）,则下面说法正确的是 ( )A.X核比Z核多一个原子B.X核比Z核少一个中子C.X核的质量数比Z核质量数大3D.X核与Z核的总电荷是Y核电荷的2倍11. 关于放射性同位素应用的下列说法中正确的有 （ ） A.放射线改变了布料的性质使其不再因摩擦而生电，因此达到消除有害静电的目的B.利用射线的贯穿性可以为金属探伤，也能进行人体的透视C.用放射线照射作物种子能使其DNA发生变异，其结果一定是成为更优秀的品种D.用射线治疗肿瘤时一定要严格控制剂量，以免对人体正常组织造成太大的危害12. 下列关于放射性元素的半衰期的几种说法正确的是 （ ）A.同种放射性元素，在化合物中的半衰期比在单质中长B.放射性元素的半衰期与元素所处的物理和化学状态无关，它是一个统计规律，只对大量的原子核才适用C.氡的半衰期是3.8天，若有4 g氡原子核，则经过7.6天就只剩下1 gD.氡的半衰期是3.8天，若有4个氡原子核，则经过7.6天就只剩下一个13. 铀裂变的产物之一氪90（）是不稳定的，它经过一系列衰变最终成为稳定的锆90（），这些衰变是 （ ）A1次衰变，6次衰变 B4 次衰变C2次衰变 D2次衰变，2次衰变14. “轨道电子俘获”也是放射性同位素衰变的一种形式，它是指原子核（称为母核）俘获一个核外电子，其内部一个质子变为中子，从而变成一个新核（称为子核），并且放出一个中微子的过程中徽子的质量很小，不带电，很难被探测到，人们最早就是通过子核的反冲而间接证明中微子的存在的一个静止的原子的原子核发生“轨道电子俘获”，衰变为子核并放出中微子下面的说法中正确的是 （ ）A母核的质量数等于子核的质量数B母核的电荷数大于子核的电荷数C子核的动量与中徽子的动量相同D子核的动能大于中微子的动能 15. 目前普遍认为，质子和中子都是由被称为u夸克和d夸克的两类夸克组成u夸克带电量为e，d夸克带电量为e，e为基元电荷下列论断可能正确的是 ( ) A质子由1个u夸克和1个d夸克组成，中子由1个u夸克和2个d夸克组成 B质子由2个u夸克和1个d夸克组成，中子由1个u夸克和2个d夸克组成 C质子由1个u夸克和2个d夸克组成，中子由2个u夸克和1个d夸克组成 D质子由2个u夸克和1个d夸克组成，中子由1个u夸克和1个d夸克组成16. 在匀强磁场中有一个静止的氡原子核（），由于衰变它放出一个粒子，此粒子的径迹与反冲核的径迹是两个相外切的圆，大圆与小圆的直径之比为421，如图所示。那么氡核的衰变方程应是下列方程的哪一个 ( )BA. B.C. D.A17. 原来静止在匀强磁场中的原子核A发生衰变后放出的射线粒子和新生成的反冲核都以垂直于磁感线的方向运动，形成如图所示的8字型轨迹，已知大圆半径是小圆半径的n倍，且绕大圆轨道运动的质点沿顺时针方向旋转。下列判断正确的是A.该匀强磁场的方向一定是垂直于纸面向里的B.原子核A的原子序数是2n+2C.沿小圆运动的是放出的射线粒子，其旋转方向为顺时针D.沿小圆运动的是反冲核，其旋转方向为逆时针18. 北京奥委会接受专家的建议，大量采用对环境有益的新技术。如奥运会场馆周围80%90%的路灯将利用太阳能发电技术、奥运会90%的洗浴热水将采用全玻真空太阳能集热技术。太阳能的产生是由于太阳内部高温高压条件下的热核聚变反应形成的，其核反应方程是 ( )A、 B、C、 D、19. 已知汞原子可能的能级为E110. 4 eV, E25.5 eV, E3=2.7 eV, E41. 6 eV。一个自由电子的总能量为9 eV，与处于基态的汞原子发生碰撞，已知碰撞过程中不计汞原子动量的变化，则电子可能剩余的能量为 （ ）A. 0. 2 eV B. 1. 4 eV C. 2. 3 eV D. 5. 5 eV20一个电子（质量为m、电荷量为e)和一个正电子（质量为m、电荷量为e），以相等的初动能Ek相向运动，并撞到一起发生“湮灭”，产生两个频率相同的光子，设产生光子的频率为若这两个光子的能量都为h，动量分别为p和p，下面关系正确的是 （ ）A. h=mc2 ，p= pB. h=mc2，p= pC. h= mc2Ek，p=pD. h= (mc2Ek )，p=p21.中子n、质子p、氘核D的质量分别为现用光子能量为E的射线照射静止氘核使之分解，反应的方程为.若分解后中子、质子的动能可视为相等，则中子的动能是 （ ）A BC D22. 一个原子核在中子的轰击下发生一种可能的裂变反应，其裂变方程为。则下列叙述正确的是 ( )A.X原子核中含有86个中子B.X原子核中含有141个核子C.因为裂变时释放能量，根据E=mc2，所以裂变后的总质量增加D.因为裂变时释放能量，出现质量亏损，所以生成物的总质量数减少 D.上述6种原子核中Y核的质量数最大23.光子的能量为h，动量的大小为h/c。如果一个静止的放射性元素的原子核在发生衰变时只发出一个光子，则衰变后的原子核 ( ) A.仍然静止 B.沿着与光子运动方向相同的方向运动 C.沿着与光子运动方向相反的方向运动 D.可能向任何方向运动24.据新华社报道，由我国自行设计、研制的世界第一套全超导核聚变实验装置（又称“人造太阳”）已完成了首次工程调试。下列关于“人造太阳”的说法正确的是 ( )A“人造太阳”的核反应方程是B“人造太阳”的核反应方程是C“人造太阳”释放的能量大小的计算公式是E=mc2D“人造太阳”核能大小的计算公式25. 2006年2月4日,由中科院等离子体物理研究所设计、制造的EAST全超导非圆截面托卡马克实验装置大部件已安装完毕,进入抽真空降温试验阶段.其目的是建成一个受控核聚变反应堆,届时就相当于人类为自己制造了一个小太阳,可以得到无穷尽的清洁能源.据专家介绍,今年七、八月份如能按期完成首次放电实验,合肥将成为世界上第一个建成此类全超导非圆截面核聚变实验装置并能实际运行的地方.核聚变的主要原料是氘,在海水中含量极其丰富.已知氘核()的质量为2.0136u,中子()的质量为1.0087u,的质量为3.0150u, 1u=931.5MeV,则下列说法中正确的是 ( )A.两个氘核聚变成一个所释放的核能为B.两个氘核聚变成一个所释放的核能为C.两个氘核聚变成一个所释放的核能为D.与这种受控核聚变比较,核裂变反应堆产生的废物具有放射性26. 一个中子和一个质子相结合生成一个氘核，若它们的质量分别是m1、m2、m3，则 （ ）A.由于反应前后质量数不变，所以m1+m2=m3B.由于反应时释放出了能量，所以m1+m2m3C.由于反应在高温高压下进行,从而吸收能量，所以m1+m2m3D.反应时放出了频率为的光子，式中c是光速，h是普朗克常量 27. 在匀强磁场中，一个静止的原子核只放出一个粒子变成新核，若放出来的粒子的速度方向与磁场方向垂直，其运动的轨道半径为R，则新核的 （ ） A. 动能是粒子的倍 B. 动能是粒