原子與原子核綜合檢測

《原子與原子核》綜合檢測(時間:90分鐘滿分:100分)一、選擇題(本題共12小題,每題4分,共48分.在每小題給出的四個選項中,第1～7題只有一個選項正確,第8～12題有多項正確,全部選對得4分,選對但不全得2分,有選錯或不選的得0分)1.人們對“光的本性”的認(rèn)識,經(jīng)歷了漫長的發(fā)展過程.下列符合物理學(xué)史實(shí)的是(C)A.牛頓提出光是一種高速粒子流,并能解釋一切光的現(xiàn)象B.惠更斯認(rèn)為光是機(jī)械波,并能解釋一切光的現(xiàn)象C.為了解釋光電效應(yīng),愛因斯坦提出了光子說D.為了說明光的本性,麥克斯韋提出了光的波粒二象性解析:牛頓認(rèn)為光是一種粒子流,他的觀點(diǎn)支持了光的微粒說,能解釋光的直線傳播與反射現(xiàn)象,故A錯誤;惠更斯認(rèn)為光是一種機(jī)械波,并能解釋光的反射、折射和衍射,但不能解釋光的直線傳播和光電效應(yīng)等現(xiàn)象,故B錯誤;為了解釋光電效應(yīng),愛因斯坦提出光子說,認(rèn)為光的發(fā)射、傳播和吸收不是連續(xù)的,而是一份一份的,每一份就是一個光子,故C正確;麥克斯韋認(rèn)為光是一種電磁波,康普頓效應(yīng)證明光具有波粒二象性,故D錯誤.2.下列說法正確的是(D)A.中子與質(zhì)子結(jié)合成氘核時吸收能量B.盧瑟福的α粒子散射實(shí)驗(yàn)證明了原子核是由質(zhì)子和中子組成的C.入射光照射到某金屬表面發(fā)生光電效應(yīng),若僅減弱該光的強(qiáng)度,則可能不發(fā)生光電效應(yīng)D.根據(jù)玻爾理論,氫原子的電子由外層軌道躍遷到內(nèi)層軌道,原子的能量減少,電子的動能增加解析:中子與質(zhì)子結(jié)合成氘核時放出能量,選項A錯誤;盧瑟福的α粒子散射實(shí)驗(yàn)證明了原子具有核式結(jié)構(gòu),選項B錯誤;入射光照射到某金屬表面發(fā)生光電效應(yīng),若僅減弱該光的強(qiáng)度,根據(jù)光電效應(yīng)產(chǎn)生條件,仍可發(fā)生光電效應(yīng),選項C錯誤;根據(jù)玻爾理論,氫原子的電子由外層軌道躍遷到內(nèi)層軌道,原子的能量減少,電子的動能增加,選項D正確.3.下列說法正確的是(D)A.光電效應(yīng)揭示了光的粒子性,康普頓效應(yīng)揭示了光的波動性B.玻爾原子理論提出了定態(tài)和躍遷的概念,能解釋任何原子的光譜現(xiàn)象C.90232Th(釷核)經(jīng)過6次α衰變和2次β衰變后變成D.一群處在n=4能級的氫原子,最多可能向外輻射6種不同頻率的光子解析:光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)都揭示了光的粒子性,故A錯誤;玻爾利用定態(tài)概念和能級躍遷的規(guī)律,很好地解釋了氫原子光譜的實(shí)驗(yàn)規(guī)律,但是無法解釋其他原子的光譜現(xiàn)象,故B錯誤;釷核質(zhì)量數(shù)為232,鉛核質(zhì)量數(shù)為208,則α衰變次數(shù)為x=232-2084次=6次,β年至1934年間,約里奧居里夫婦用α粒子轟擊鋁箔時,發(fā)生的核反應(yīng)方程為

1327Al+24He→1530P+01n,反應(yīng)生成物

1530P像天然放射性元素一樣衰變,放出正電子

10e,且伴隨產(chǎn)生中微子A.當(dāng)溫度、壓強(qiáng)等條件變化時,放射性元素

15B.中微子的質(zhì)量數(shù)A=0,電荷數(shù)Z=0C.正電子產(chǎn)生的原因可能是核外電子轉(zhuǎn)變成的D.兩個質(zhì)子和兩個中子結(jié)合成一個α粒子,則質(zhì)子與中子的質(zhì)量之和一定等于α粒子的質(zhì)量解析:元素的半衰期與元素所處的物理化學(xué)狀態(tài)無關(guān),選項A錯誤;由質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒可知,中微子的質(zhì)量數(shù)A=0,電荷數(shù)Z=0,選項B正確;核反應(yīng)中釋放出的正電子是原子核內(nèi)的質(zhì)子轉(zhuǎn)化為中子和正電子時釋放出來的,選項C錯誤;兩個質(zhì)子和兩個中子結(jié)合成一個α粒子,釋放出能量,一定有質(zhì)量虧損,兩個質(zhì)子和兩個中子質(zhì)量之和一定大于α粒子的質(zhì)量,選項D錯誤.5.我國科幻電影《流浪地球》講述的是由于太陽即將毀滅,人類帶著地球一起逃離太陽系,尋找人類新家園的故事.該片劇情的背景是由于太陽內(nèi)部的熱核反應(yīng),釋放大量能量,導(dǎo)致太陽質(zhì)量虧損.若太陽每秒釋放的能量為×1026J,則一年內(nèi)太陽質(zhì)量虧損的數(shù)量級是(C)A.1015kgC.1017kg解析:若太陽每秒釋放的能量為×1026J,一年內(nèi)釋放能量E=365×24×3600××1026J≈×1034J,由質(zhì)能方程ΔE=Δmc2可知,太陽一年內(nèi)虧損的質(zhì)量Δm≈ΔEc2=6.氫原子能級圖如圖所示,用大量處于n=2能級的氫原子躍遷到基態(tài)時,發(fā)射出的光照射光電管陰極K,測得光電管電流的遏止電壓為V.已知普朗克常量h=×10-34J·s,電子電荷量e=×10-19CA.電子從陰極K表面逸出的最大初動能為eVB.陰極K材料的逸出功為eVC.陰極K材料的截止頻率為×1014HzD.氫原子從n=4躍遷到n=2能級,發(fā)射出的光照射該光電管陰極K時能發(fā)生光電效應(yīng)解析:光電管電流的遏止電壓為V,根據(jù)Ekm=eUc,可知電子從陰極K表面逸出的最大初動能為eV,選項A錯誤;大量處于n=2能級的氫原子躍遷到基態(tài)時,輻射光子的能量ΔE=eV)-eV)=eV,則陰極K材料的逸出功W0=ΔE-Ekm=eV=eV,選項B錯誤;陰極K材料的截止頻率為νc=W0h=2.6×1.67.下列說法正確的是(D)A.陰極射線和β射線的本質(zhì)都是電子流,在原子內(nèi)的來源是相同的B.太陽輻射的能量主要來源于太陽中的裂變反應(yīng)C.用頻率大于某金屬截止頻率的單色光照射該金屬,若增大入射光的頻率,則單位時間內(nèi)逸出的光電子一定增多D.放射性元素的半衰期,與該元素所處的物理化學(xué)狀態(tài)無關(guān)解析:β射線是高速運(yùn)動的電子流,是發(fā)生β衰變時產(chǎn)生的,陰極射線也是電子流,是核外電子被電離產(chǎn)生的,故A錯誤;太陽輻射的能量主要來源是太陽中發(fā)生的輕核聚變,故B錯誤;單位時間內(nèi)逸出的光電子數(shù)目還與光的強(qiáng)度有關(guān),故C錯誤;放射性元素的半衰期,是由放射性元素本身決定的,與該元素所處的物理化學(xué)狀態(tài)無關(guān),故D正確.8.以下說法中正確的是(ACD)A.圖(甲)是α粒子散射實(shí)驗(yàn)示意圖,當(dāng)顯微鏡在A,B,C,D中的A位置時熒光屏上接收到的α粒子數(shù)最多B.圖(乙)是氫原子的能級示意圖,氫原子從n=3能級躍遷到n=1能級時會吸收一定頻率的光子C.圖(丙)是光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)示意圖,當(dāng)光照射鋅板時驗(yàn)電器的指針發(fā)生了偏轉(zhuǎn),則此時驗(yàn)電器的金屬桿帶的是正電荷D.圖(丁)是電子束穿過鋁箔后的衍射圖樣,該實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象說明實(shí)物粒子也具有波動性解析:在α粒子散射實(shí)驗(yàn)中,絕大多數(shù)α粒子穿過金箔后,基本上仍沿原來的方向前進(jìn),故A正確;圖(乙)是氫原子的能級示意圖,氫原子從n=3能級躍遷到n=1能級時會釋放出一定頻率的光子,選項B錯誤;當(dāng)光照射鋅板時,有電子在鋅板逸出,故鋅板帶正電,則驗(yàn)電器的金屬桿帶的也是正電,故C正確;圖(丁)是電子束穿過鋁箔后的衍射圖樣,該實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象說明實(shí)物粒子也具有波動性,選項D正確.9.如圖為氫原子的能級示意圖,鋅的逸出功是eV,那么對氫原子在能量躍遷過程中發(fā)射或吸收光子的特征認(rèn)識正確的是(BC)A.用氫原子從高能級向基態(tài)躍遷時發(fā)射的光照射鋅板一定不能產(chǎn)生光電效應(yīng)B.一群處于n=3能級的氫原子向基態(tài)躍遷時,能放出3種不同頻率的光C.一群處于n=3能級的氫原子向基態(tài)躍遷時,發(fā)出的光照射鋅板,鋅板表面所發(fā)出的光電子的最大初動能為eVD.用能量為eV的光子照射,可使處于基態(tài)的氫原子躍遷到激發(fā)態(tài)解析:氫原子從高能級向基態(tài)躍遷時發(fā)出的光子的最小能量為eV,照射鋅板一定能產(chǎn)生光電效應(yīng)現(xiàn)象,故A錯誤;一群處于n=3能級的氫原子向基態(tài)躍遷時,根據(jù)C32=3可知,能放出3種不同頻率的光,故B正確;氫原子從n=3能級向基態(tài)躍遷時發(fā)出的光子的能量為E=eV+eV=eV,因鋅的逸出功是eV,鋅板表面所發(fā)出的光電子的最大初動能為Ekm=eV=eV,故C正確;用能量為10.在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場中,一個靜止的放射性原子核(ZAX)發(fā)生了一次α衰變.放射出的α粒子(2A.新核Y在磁場中圓周運(yùn)動的半徑為RY=2ZB.α粒子的圓周運(yùn)動可以等效成一個環(huán)形電流,且電流大小為I=BC.若衰變過程中釋放的核能都轉(zhuǎn)化為α粒子和新核的動能,則衰變過程中的質(zhì)量虧損為Δm=AD.發(fā)生衰變后產(chǎn)生的α粒子與新核Y在磁場中運(yùn)動的軌跡正確的是圖(丙)解析:由于衰變過程動量守恒,所以α粒子與新核Y的動量大小相等,方向相反,由圓周運(yùn)動的半徑公式R=mvqB可知,RYR=2Z-2,選項A正確;圓周運(yùn)動周期T=2πmqB,環(huán)形電流I=qT=Bq22πm,選項B正確;對α粒子,由qvB=mv2ΔE=12Mv′2+12mv2④,由質(zhì)能方程得ΔE=Δmc2⑤,聯(lián)立①②③④⑤可得Δm=A(qBR)22,b是兩種單色光,其光子能量分別為εa,εb.若εa,b光子動量之比pap,b兩種單色光的波長之比λaλC.若a,b都能使某種金屬發(fā)生光電效應(yīng),則光電子最大初動能之差Eka-Ekb=εb(k-1)D.若a,b是由處在同一激發(fā)態(tài)的原子躍遷到a態(tài)和b態(tài)時產(chǎn)生的,則a,b兩態(tài)能級之差Ea-Eb=εb(k-1)解析:根據(jù)德布羅意波的波長λ=hp,以及光子能量公式ε=hcλ可得p=εc,故papb=εaεb=k,A錯誤;λaλb=pbpa=1k,B正確;根據(jù)電子最大初動能Ek=hν-W0可知Ek=ε-W0,故可得Eka-Ekb=εa-εb=(k-1)εb,C正確;根據(jù)公式ε=hν=E初-E末12.圖1所示為氫原子能級圖,大量處于n=4激發(fā)態(tài)的氫原子向低能級躍遷時能輻射出多種不同頻率的光,其中用從n=4能級向n=2能級躍遷時輻射的光照射圖2所示光電管的陰極K時,電路中有光電流產(chǎn)生,則(BC)A.若將滑片右移,電路中光電流增大B.若將電源反接,電路中可能有光電流產(chǎn)生C.若陰極K的逸出功為eV,則逸出的光電子最大初動能為×10-19JD.大量處于n=4激發(fā)態(tài)的氫原子向低能級躍遷時輻射的光中只有4種光子能使陰極K發(fā)生光電效應(yīng)解析:將滑片右移,光電管兩端的電壓增大,但之前光電流是否達(dá)到飽和并不清楚,因此光電管兩端的電壓增大,光電流不一定增大,A錯誤;將電源極性反接,所加電壓阻礙光電子向陽極運(yùn)動,但若eU<Ekm,仍會有一定數(shù)量的光電子到達(dá)陽極而形成光電流,B正確;若陰極K的逸出功為eV,由光電效應(yīng)方程知,逸出的光電子最大初動能Ekm=hν-W0=eV-eV)eV=eV=×10-19J,C正確;由于陰極K的逸出功未知,能使陰極K發(fā)生光電效應(yīng)的光子種數(shù)無法確定,D錯誤.二、非選擇題(共52分)13.(6分)雷蒙德·戴維斯因研究來自太陽的電子中微子(νe)而獲得了諾貝爾物理學(xué)獎,他探測電子中微子所用的探測器的主體是一個貯滿615t四氯乙烯(C2Cl4)溶液的巨桶,電子中微子可以將一個氯核轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€氬核,其核反應(yīng)方程為νe+1737Cl→1837Ar+-10e,已知

1u質(zhì)量對應(yīng)的能量為MeV.根據(jù)以上數(shù)據(jù),求參與上述反應(yīng)的電子中微子的最小能量.解析:核反應(yīng)過程增加的質(zhì)量Δm=91+58)u=88u(2分)根據(jù)質(zhì)能方程可知,核反應(yīng)過程應(yīng)吸收能量,即電子中微子的最小能量ΔE=Δm×MeV(2分)=88×MeV≈MeV(2分)答案:MeV14.(6分)已知?dú)湓拥幕鶓B(tài)能量為E1,激發(fā)態(tài)能量En=E1n2(1)基態(tài)能量E1的絕對值;(2)發(fā)出的光子頻率最大值.解析:(1)光子能量為E的單色光照射一群基態(tài)氫原子能發(fā)出6種不同頻率的光子,根據(jù)CnE=E4-E1=-1516E1解得|E1|=1615(2)氫原子從n=4能級躍遷到n=1能級時放出的光子能量最大,頻率最大,則有hν=E4-E1,解得ν=Eh答案:(1)1615E(2)15.(6分)2022年1月,中國散裂中子源加速器打靶束流功率超過50kW,技術(shù)水平達(dá)到世界前列,散裂中子源是由加速器提供高能質(zhì)子轟擊重金屬靶而產(chǎn)生中子的裝置,一能量為109eV的質(zhì)子打到汞、鎢等重核后,導(dǎo)致重核不穩(wěn)定而放出20～30個中子,大大提高了中子的產(chǎn)生效率.一個高能質(zhì)子的動量為p0,打到質(zhì)量為M、原來靜止的鎢核內(nèi),形成瞬時的復(fù)合核,然后再散裂出若干中子,已知質(zhì)子質(zhì)量為m,普朗克常量為h.(1)求復(fù)合核的速度v;(2)設(shè)復(fù)合核釋放的某個中子的動量為p,求此中子的物質(zhì)波波長λ.解析:(1)質(zhì)子打到鎢核上的過程系統(tǒng)動量守恒,以質(zhì)子的初速度方向?yàn)檎较?由動量守恒定律得p0=(m+M)v,(2分)解得v=p0(2)由德布羅意關(guān)系式可知,波長λ=hp答案:(1)p0M16.(10分)用速度大小為v的中子轟擊靜止的鋰核(36Li),發(fā)生核反應(yīng)后生成氚核和α粒子.生成的氚核速度方向與中子的速度方向相反,氚核與α粒子的速度之比為7(1)寫出核反應(yīng)方程;(2)求氚核和α粒子的速度大小;(3)若核反應(yīng)過程中放出的核能全部轉(zhuǎn)化為α粒子和氚核的動能,求出質(zhì)量虧損.解析:(1)根據(jù)質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒,有

01n+36Li(2)由動量守恒定律得mnv=-mHv1+mHev2.(2分)由題意得v1∶v2=7∶8,解得v1=7v11,v2=(3)氚核和α粒子的動能之和為Ek=12·3mv12+12·4mv2釋放的核能為ΔE=Ek-Ekn=403242mv2-12mv2=141121由愛因斯坦質(zhì)能方程得,質(zhì)量虧損為Δm=ΔEc2=141答案:(1)01n+36Li→(2)7v11817.(12分)1909年～1911年,英籍物理學(xué)家盧瑟福和他的學(xué)生做了用α粒子轟擊固定金箔的實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)α粒子穿過金箔后仍沿原來的方向前進(jìn),少數(shù)α粒子卻發(fā)生了較大的偏轉(zhuǎn),并且還有極少數(shù)α粒子偏轉(zhuǎn)角度超過了90°,有的甚至被彈回,偏轉(zhuǎn)角幾乎達(dá)到180°,這就是α粒子散射實(shí)驗(yàn).為了解釋這個結(jié)果,盧瑟福在1911年提出了原子的核式結(jié)構(gòu)學(xué)說:在原子的中心有一個很小的核,叫做原子核,原子的全部正電荷和幾乎全部質(zhì)量都集中在原子核上,帶負(fù)電的電子在核外空間繞著核旋轉(zhuǎn).設(shè)某一次實(shí)驗(yàn),有一初速度為v0的α粒子正對著金箔中某一金原子核Q運(yùn)動,結(jié)果被反向彈回.已知在點(diǎn)電荷Q的電場中,α粒子在距離Q為r的點(diǎn)的電勢能W=kQ金qαr,k=×109N·m2/C2,金的原子序數(shù)為79,α粒子質(zhì)量mα=×10-27kg,α粒子初速度v0=×(1)若該α粒子距離這個金核r1時,其速度為v1,加速度為a1,則在距離這個金核r2時,其速度v2,加速度a2各為多少?(金核近似認(rèn)為始終靜止)(2)請估算出金原子核的直徑d.解析:(1)由牛頓第二定律得a∝F,(1分)由庫侖定律知F∝1r故有a2a1解得a2=r1r2忽略金原