高中物理原子与原子核问题(含答案)Word文档格式.doc
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(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×
10-10m..
3.氢原子的能级图
【例题】
1当用具有1.87eV能量的光子照射n=3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0.36eV
C.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n=3时,氢原子的能量,所以处于n=3激发态的氢原子的电离能是1.51eV,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D.
3【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n=4的能级跃迁到n=2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2.25 eV的钾表面,产生的光电子的最大初动能为_____eV.(电子电荷量e=1.60×
10-19C,普朗克常量h=6.63×
10-34J·
s)
【解析】由跃迁条件,可知
hν=E4-E2=(3.40-0.85)eV=4.08×
10-19 J,
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=hν-W,计算可得产生电子的最大初动能为0.3 eV.
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.10.2eVB.2.8eVC.0.91eVD.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n=2、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BB波长最长的是C
C频率最大的是AD波长最长的是B
选A,B
2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=4→2与n=3→2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=1.89ev<10.2ev,不一定能使该板发生光电效应,故D错误.
故选:
BC
3有一个处于量子数n=4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?
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n=4的氢原子跃迁到n=3,n=2,n=1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( )
A13.6eVB12.75eVC12.09eVD10.2eV
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11eV~12.5eV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
选AC
6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.
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( )
A.△n=1,13.22eV<
E<
13.32eV B.△n=2,13.22eV<
13.32eV C.△n=1,12.75eV<
13.06eV D.△n=2,12.75eV<
13.06eV
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<
13.6-0.54,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<
13.6-0.28,故A选项正确。
所以答案应选AD。
8 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.
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
α射线
氦核
2(4)He
+2e
4u
最强
最弱
β射线
电子
-1(0)e
-e
1840
(1)
u
较强
γ射线
光子
γ
(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.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
α衰变
自发
92(238)U→90(234)Th+2(4)He
β衰变
90(234)Th→91(234)Pa+-1(0)e
人工转变
人工控制
7(14)N+2(4)He→8(17)O+1
(1)H(卢瑟福发现质子)
2(4)He+4(9)Be→6(12)C+0
(1)n(查德威克发现中子)
13(27)Al+2(4)He→15(30)P+0
(1)n
约里奥·
居里夫妇发现放射性同位素,同时发现正电子
15(30)P→14(30)Si++1(0)e
重核裂变
比较容易进行人工
控制
92(235)U+0
(1)n→56(144)Ba+36(89)Kr+30
(1)n
92(235)U+0
(1)n→54(136)Xe+38(90)Sr+100
(1)n
轻核聚变
除氢弹外
无法控制
1
(2)H+1(3)H→2(4)He+0
(1)n
①衰变:
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.
α衰变:
Z(A)X→Z-2(A-4)Y+2(4)Heβ衰变:
Z(A)X→Z+1(A)Y+-1(0)e
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.
两个典型的衰变方程α衰变:
β衰变:
90(234)Th→91(234)Pa+-1(0)e.
②核反应遵从的规律 ①
质量数守恒 电荷数守恒 动量守恒;
能量守恒.
4.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·
,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.
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.
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.6(14)C→7(14)N+-1( 0)e
B.92(235)U+0
(1)n→53(139)I+39(95)Y+20
(1)n
C.1
(2)H+1(3)H→2(4)He+0
(1)n
D.2(4)He+13(27)Al→15(30)P+0
(1)n
答案A
解析A属于β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7(14)N俘获一个速度为1.1×
107m/s的氦核变成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×
106m/s,B的质量数是C的17倍,B、C两原子核的电荷数之比为8∶1.
(1)写出核反应方程;
(2)估算C核的速度大小.
答案
(1)7(14)N+2(4)He→8(17)O+1
(1)H
(2)2.4×
107m/s
解析
(2)由动量守恒定律:
mHevHe=mOvO+mHvH
vH=-2.4×
即C核的速度大小为2.4×
1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.83(210)Bi的半衰期是5天,100克83(210)Bi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83(210)Bi为100×
g=100×
(2
(1))2g=25g,选项D错误.
2核反应方程4(9)Be+2(4)He→6(12)C+X中的X表示()
A.质子B.电子C.光子D.中子
答案D
36(14)C能自发地进行β衰变,下列判断正确的是()
A.6(14)C经β衰变后变成6(12)C
B.6(14)C经β衰变后变成7(14)N
C.6(14)C发生β衰变时,原子核内一个质子转化成中子
D.6(14)C发生β衰变时,原子核内一个中子转化成质子
答案BD
4科学家使用核反应获取氚,再利用氘和氚的核反应获得能量,核反应方程分别为:
X+Y→2(4)He+1(3)H+4.9MeV和1
(2)H+1(3)H→2(4)He+X+17.6MeV.下列表述正确的有()
A.X是中子
B.Y的质子数是3,中子数是6
C.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:
1
(2)H+1(3)H→2(4)He+X,X的质量数:
m1=2+3-4=1,核电荷数:
z1=1+1-2=0,所以X是中子,故A正确;
根据核反应方程:
X+Y→2(4)He+1(3)H,X是中子,所以Y的质量数:
m2=4+3-1=6,核电荷数:
z2=2+1-0=3,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,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.β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α、β、γ这三种射线中,α射线的穿透能力最强,γ射线的电离能力最强
D.铀核(92(238)U)衰变为铅核(82(206)Pb)的过程中,要经过8次α衰变和6次β衰变
6(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P=1.00×
106 kW的核电站,核能转化为电能的效率η=50%,每次核反应过程中放出的核能ΔE=2.78×
10-11 J,铀核的质量mU=390×
10-27 kg,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×
1016 J
C. 每年消耗的数目约为2.27×
1024个
D. 每年消耗的质量约为885kg
【解析】选ABD根据核反应方程遵循质量数和电荷数守恒知,X=3,A正确;
因核电站发电效率为50%,则核电站消耗的功率为
P′=2.00×
106 kW
核电站年消耗的能量W=P′t=2.00×
109×
365×
24h≈6.3×
1016 J,B正确;
产生这些能量消耗的铀核的数目:
n==≈2.27×
1027(个),C错误;
每年消耗的质量为M=nmU=2.27×
1027×
390×
10-27 kg=885.3 kg,D正确;
7太阳现在正处于主序星演化阶段.它主要是由电子和H、He等原子核组成.维持太阳辐射的是它内部的核聚变反应,核反应方程是:
2e+4H→He+释放核能,这些核能最后转化为辐射能.
(1)已知质子质量mp,氦核的质量mα,电子质量me,光速c.试求每发生一次上述核反应所释放的核能;
(2)用上述辐射中产生的波长为400nm某一单色光去照射逸出功为3.0×
10-19J金属材料铯时,能否产生光电效应?
若能,试求出产生的光电子的最大初动能.(保留三位有效数字,普朗克常量h=6.63×
答案
(1)(4mp+2me-mα)c2
(2)能 1.97×
10-19J
解析
(1)根据爱因斯坦质能方程得,ΔE=Δmc2=(4mp+2me-mα)c2
(2)单色光的能量为E=h=6.63×
10-34×
J=4.97×
10-19J>
3.0×
所以可以产生光电效应,最大初动能为Ekm=hν-W0=4.97×
10-19J-3.0×
10-19J=1.97×
10-19J.
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