高中物理原子与原子核问题含答案

1、原子和原子核问题一、氢原子光谱与能级跃迁1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 R () (n3,4,5，R是里德伯常量，R1.10×107 m1)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，它的优点是灵敏度高，样本中一种元素的含量达到10-10 g时就可以被检测到，这种方法称为光谱分析。(4) 在发现和鉴别化学元素上有着重大的意义2氢原子的能级结构、能级公式(1) 玻尔理论 定态：原子

2、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 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h的光子，这个光子的能量由前后两个能级的能量差决定，即hEmEn.(h是普朗克常量，h6.63×1034 J·s) 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 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 基态：原子能量最低的状态 激发态：在原子能量状态中除基态之外的其他的状态 量子数：原子的状态

3、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：EnE1(n1,2,3，)，其中E1为基态能量，其数值为E113.6 eV.(4) 氢原子的半径公式：rnn2r1(n1,2,3，)，其中r1为基态半径，又称玻尔半径，其数值为r10.53×1010 m.3氢原子的能级图【例题】1 当用具有1.87eV能量的光子照射n3激发态的氢原子时，氢原子（ ）A. 不会吸收这个光子B. 吸收该光子后被电离，电离后的动能为0.36eVC. 吸收该光子后被电离，电离后电子的动能为零D. 吸收该光子后不会被电离解析：当n3时，氢原子的能量，所以处于n3激发态的氢原子的电离能是1.51eV，

4、当该原子吸收具有1.87eV能量的光子后被电离，电离后电子的动能是，所以选项B正确。2 如图为氢原子的能级示意图的部分，氢原子光谱在可见光部分只有四条谱线，一条红色、一条蓝色、两条紫色，它们分别是从n=3、4、5、6能级向n=2能级跃迁时产生的，则下列说法中正确的是（）A 红色光谱是氢原子从n =6能级向n =2能级跃迁时产生的B蓝色光谱是氢原子从n =6能级或n =5能级向n =2能级跃迁时产生的C若从n =7能级向n =3能级跃迁时，则能够产生紫外线D若原子从n =6能级向n =1能级跃迁时所产生的辐射不能使某金属发生光电效应，则原子从n =6能级向n =2能级跃迁时所产生的辐射将不可能使

5、该金属发生光电效应【答案】D【解析】A、四条谱线中，红色光谱的频率最小，知红色光谱是氢原子从 n=3 能级向 n=2 能级跃迁时产生的故A错误B、蓝色谱线频率大于红色谱线，小于紫色谱线，知蓝色光谱是氢原子从n=4能级或 n=5能级向 n=2能级跃迁时产生的故B错误C、从 n=7能级向 n=3能级跃迁时，辐射的光子能量小于n=6能级向n=2能级跃迁时辐射的光子能量，即辐射的光子频率小于紫光的频率，不可能是紫外线故C错误D、若原子从 n=6 能级向 n=1 能级跃迁时所产生的辐射不能使某金属发生光电效应，知光子频率小于金属的极限频率，而原子从 n=6 能级向 n=2 能级跃迁时辐射的光子

6、频率更小于金属的极限频率，不可能发生光电效应故D正确故选D3 【2014·浙江卷】玻尔氢原子模型成功解释了氢原子光谱的实验规律，氢原子能级图如图2所示，当氢原子从n4的能级跃迁到n2的能级时，辐射出频率为_Hz的光子用该频率的光照射逸出功为2.25eV的钾表面，产生的光电子的最大初动能为_eV. （电子电荷量e1.60×1019 C， 普朗克常量h6.63×10 34 J·s) 【解析】由跃迁条件，可知hE4E2(3.400.85) eV4.08×10 19J，解得辐射出的光子的频率为6.2×1014Hz，根据爱因斯坦光电效应方程Ek

7、hW，计算可得产生电子的最大初动能为0.3eV.4 用总能量为13eV的一个自由电子与处于基态的氢原子发生碰撞（不计氢原子的动量变化），则电子可能剩余的能量（碰撞中无能量损失）是（ ）A. 10.2eV B. 2.8eV C. 0.91eV D. 12.75eV【解析】：根据光子说，每一个光子的能量均不可“分”，也只有频率的光子才能使k态的原子跃迁到n态。实物粒子与光子不同，其能量不是一份一份的。实物粒子使原子发生能级跃迁是通过碰撞来实现的。当实物粒子速度达到一定数值，具有一定的动能时，实物粒子与原子发生碰撞，其动能可全部或部分地被原子吸收，使原子从一个较低的能级跃迁到另一个较高的能级，原子从

8、实物粒子所处获得的能量只是两个能级的能量之差。只要入射粒子的能量大于或等于两个能级的能量差值，均可使原子发生能级跃迁。本题母氢原子各级能量由低到高分别用E1、E2、E3、E4表示，则，因射电子的能量大于任一激发态与基态的能量差，处于基态的氢原子可能分别跃迁到n2、3、4能级，而电子可能剩余的能量分别为2.8eV、0.91eV、0.25eV，故正确选项为B、C。【练习】1如图为氢原子的能级图，A、B、C分别表示电子在三种不同能级跃迁时放出的光子，其中（）A频率最大的是B B波长最长的是CC频率最大的是A D波长最长的是B【解析】：选A,B2如图所示是氢原子的能级图，大量处于n=4激发态的氢原子向

9、低能级跃时，一共可以辐射出6种不同频率的光子其中巴耳末系是指氢原子由高能级n=2能级跃迁时释放的光子，则（）A6种光子中波长最长的是n=4激发态跃迁到基态时产生的B6种光子中有2种属于巴耳末系C使n=4能级的氢原子电离至少要0.85eV的能量D从n=2能级跃迁到基态释放光子的能量小于n=3能级跃迁到n=2能级释放光子的能量解：A、n=4激发态跃迁到基态时产生光子的能量最大，根据E=h知，波长最短，故A错误；B、6中巴耳末系是指氢原子由高能级向n=2能级跃迁时释放的光子，6种光子中从n=42与n=32的属于巴耳末系，即2种，故B正确；C、n=4能级的氢原子具有的能量为-0.85ev，故要使其发生

10、电离能量变为0，至少需要0.85eV的能量，故C正确；D、从n=2能级跃迁到基态释放的光子能量为13.6-3.4=10.2ev，若能使某金属板发生光电效应，从n=3能级跃迁到n=2能级释放的光子能量3.4-1.51=1.89ev10.2ev，不一定能使该板发生光电效应，故D错误故选：BC3 有一个处于量子数n4的激发态的氢原子，它向低能级跃迁时，最多可能发出几种频率的光子？【解析】：对于一个氢原子，它只能是多种可能的跃迁过程的一种，如图所示，由能级跃迁规律可知：处于量子数n4的氢原子跃迁到n3，n2，n1较低能级，所以最多的谱线只有3条。4 已知氢原子的能级公式为：，其中E1=-13.6eV现

11、让一束单色光照射一群处于基态的氢原子，受照射后的氢原子能自发地发出3种不同频率的光，则该照射单色光的光子能量为（）A 13.6eV B 12.75eV C 12.09eV D 10.2eV【解析】：选C 根据氢原子能自发的发出3种不同频率的光，可得：，解得：n=3，此时氢原子处于第3能级，有：能级差为：E=E3-E1=-1.51-（-13.6）=12.09eV，故ABD错误，C正确5 已知氢原子的能级规律为E1=-13.6eV、E2=-3.4eV、E3=-1.51eV、E4=-0.85eV现用光子能量介于11eV12.5eV范围内的光去照射一大群处于基态的氢原子，下列说法中正确的是（）A 照射

12、光中可能被基态的氢原子吸收的光子只有一种B 照射光中可能被基态的氢原子吸收的光子有无数种C 激发后的氢原子发射的不同能量的光子最多有三种D 激发后的氢原子发射的不同能量的光子最多有两种【解析】：选AC6 氢原子能级图的一部分如图所示，a、b、c分别表示在不同能级之间的三种跃迁途径，设在a、b、c三种跃迁过程中，放出光子的能量和波长分别是和，则（ ）A. B. C. D. 【解析】：由能量关系可知，由代入上式有，即。所以选项B、D正确。7用大量具有一定能量的电子轰击大量处于基态的氢原子，观测到了一定数目的光谱线。调高电子的能量再此进行观测，发现光谱线的数目比原来增加了5条。用n表示两次观测中最高

13、激发态的量子数n之差，E表示调高后电子的能量。根据氢原子的能级图可以判断，n和E的可能值为（）An=1，13.22 eV<E<13.32 eVBn=2，13.22 eV<E<13.32 eVCn=1，12.75 eV<E<13.06 eVDn=2，12.75 eV<E<13.06 eV【解析】：本题由于是电子轰击,存在两种可能：第一种n=2到n=4，所以电子的能量必须满足13.6-0.85<E，故D选项正确；第二种可能是n=5，n=6，电子能量必须满足13.6-0.38<E，故A选项正确。 所以答案应选AD。8一个氢原子从n3能级跃迁

14、到n2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) X元素的原子核的符号为X，A质量数核子数质子数中子数，Z核电荷数质子数(Z)元素的原子序数核外电子数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射

15、线氦核He2e4 u最强最弱射线电子ee u较强较强射线光子00最弱最强(3) 放射性同位素的应用与防护 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 应用：消除静电、工业探伤、做示踪原子等 防护：防止放射性对人体组织的伤害3核反应类型及核反应方程类型可控性核反应方程典例衰变衰变自发UThHe衰变自发ThPae人工转变人工控制NHeOH (卢瑟福发现质子)HeBeCn (查德威克发现中子)AlHePn约里奥·居里夫妇发现 放射性同位素，同时发现正电子PSie重核裂变比较容易进行人工控制UnBaKr3nUnXeSr10n轻核聚变除氢弹外无

16、法控制HHHen 衰变：原子核放出粒子或粒子，变成另一种原子核的变化称为原子核的衰变衰变：XYHe 衰变：XYe当放射性物质连续发生衰变时，原子核中有的发生衰变，有的发生衰变，同时伴随着辐射 两个典型的衰变方程 衰变：UThHe衰变：ThPae. 核反应遵从的规律质量数守恒 电荷数守恒动量守恒；能量守恒.4. 半衰期 定义：放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间 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·， m余m原·.5核力：原子核内部，核子间所特有的相互作用力6核能(1) 核子在结合成原

17、子核时出现质量亏损m，其对应的能量Emc2.(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m，吸收的能量为Emc2.7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【例题】1 贝可勒尔在120年前首先发现了天然放射现象，如今原子核的放射性在众多领域中有着广泛应用下列属于放射性衰变的是( )A.CNeB.UnIY2nC.HHHenD.HeAlPn答案 A解析 A属于衰变，B属于重核裂变，C是轻核聚变，D是原子核的人工转变，故选A项2一个静止的氮核N俘获一个速度为1.1×107 m/s的氦

18、核变成B、C两个新核设B的速度方向与氦核速度方向相同、大小为4×106 m/s，B的质量数是C的17倍，B、C两原子核的电荷数之比为81.(1)写出核反应方程；(2)估算C核的速度大小答案 (1)NHeOH (2)2.4×107 m/s解析 (2)由动量守恒定律：mHevHemOvOmHvHvH2.4×107 m/s即C核的速度大小为2.4×107 m/s【练习】1下列有关原子结构和原子核的认识，其中正确的是( )A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DBi的半衰期是5天，100

19、克 Bi经过10天后还剩下50克答案 B解析 射线是高速电子流，而射线是一种电磁波，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Bi为100×g100×()2 g25 g，选项D错误2核反应方程BeHeCX中的X表示( )A质子 B电子 C光子 D中子答案 D3 C能自发地进行衰变，下列判断正确的是( )AC经衰变后变成CBC经衰变后变成NCC发生衰变时，原子核内一个质子转化成中子DC发生衰变时，原子核内一个中子转化成质子答案 BD4 科学家使用核反应获取氚，再利用

20、氘和氚的核反应获得能量，核反应方程分别为：XYHeH4.9 MeV和HHHeX17.6 MeV.下列表述正确的有( )AX是中子BY的质子数是3，中子数是6C两个核反应都没有质量亏损D氘和氚的核反应是核聚变反应答案 AD解析 根据核反应方程：HHHeX，X的质量数：m12341，核电荷数：z11120，所以X是中子，故A正确；根据核反应方程：XYHeH，X是中子，所以Y的质量数：m24316，核电荷数：z22103，所以Y的质子数是3，中子数是3，故B错误；根据两个核反应方程可知，都有大量的能量释放出来，所以一定都有质量亏损，故C错误；氘和氚的核反应过程中是质量比较小的核生成质量比较大的新核，

21、所以是核聚变反应，故D正确5关于天然放射现象，以下叙述正确的是( )A若使放射性物质的温度升高，其半衰期将变大B衰变所释放的电子是原子核内的质子转变为中子时产生的C在、这三种射线中，射线的穿透能力最强，射线的电离能力最强D铀核(U)衰变为铅核(Pb)的过程中，要经过8次衰变和6次衰变答案 D6（2018年模拟卷）目前核电站都是利用铀核裂变释放大量核能进行发电，其发生的核反应方程是一座发电功率为P1.00×106kW的核电站，核能转化为电能的效率50%， 每次核反应过程中放出的核能E2.78×1011 J，铀核的质量mU390×1027kg，则下列说法正确的是（ ）A.X=3 B. 每年核电站消耗 的能量约为6.3× 1016JC. 每年消耗的数目约为2.27×1024 个D. 每年消耗的质量