2020年高考物理素养提升专题16 原子结构与原子核(解析版)

素养提升微突破16 原子结构与原子核——认知物体的微观结构原子结构与原子核原子结构与原子核是最近两年调整为必考考点，考试中一般以选择题形式出现，难度不高，属于理解记忆为主，但微观结构看不见，需要考生有丰富的想象能力建模能力。

【2019·新课标全国Ⅰ卷】氢原子能级示意图如图所示。

光子能量在1.63 eV~3.10 eV 的光为可见光。

要使处于基态（n =1）的氢原子被激发后可辐射出可见光光子，最少应给氢原子提供的能量为A ．12.09 eVB ．10.20 eVC ．1.89 eVD ．1.5l eV【答案】A【解析】由题意可知，基态（n=1）氢原子被激发后，至少被激发到n=3能级后，跃迁才可能产生能量在1.63eV~3.10eV 的可见光。

故 1.51(13.60)eV 12.09eV E ∆=---=。

故本题选A 。

【素养解读】本题考查波尔原子理论和能级跃迁，意在考查考生的理解能力。

一、原子的核式结构1．电子的发现英国物理学家汤姆孙在研究阴极射线时发现了电子，提出了原子的“枣糕模型”。

2．α粒子散射实验 (1)α粒子散射实验装置(2)α粒子散射实验的结果：绝大多数α粒子穿过金箔后基本上仍沿原来的方向前进，但少数α粒子穿过金箔后发生了大角度偏转，极少数α粒子甚至被“撞了回来”。

【典例1】【2019·江苏卷】100年前，卢瑟福用α粒子轰击氮核打出了质子．后来，人们用α粒子轰击6028Ni 核也打出了质子：460621228291He+Ni Cu+H X →+；该反应中的X 是 （选填“电子”“正电子”或“中子”）．此后，对原子核反应的持续研究为核能利用提供了可能．目前人类获得核能的主要方式是 （选填“核衰变”“核裂变”或“核聚变”）。

【答案】中子 核裂变【解析】由质量数和电荷数守恒得：X 应为：10n 即为中子，由于衰变是自发的，且周期与外界因素无关，核聚变目前还无法控制，所以目前获得核能的主要方式是核裂变；【素养解读】本题通过原子核的人工转变考查了核反应方程中的质量数守恒、电荷数守恒等规律。

考察考生的理解能力，体现了物理观念中的物质观念要素。

二、能级跃迁氢原子的能级图【典例2】如图是氢原子的能级示意图。

当氢原子从n＝4能级跃迁到n＝3能级时，辐射出光子a；从n＝3能级跃迁到n＝2能级时，辐射出光子b。

以下判断正确的是A．在真空中光子a的波长大于光子b的波长B．光子b可使氢原子从基态跃迁到激发态C．光子a可能使处于n＝4能级的氢原子电离D．大量处于n＝3能级的氢原子向低能级跃迁时最多辐射2种不同的谱线【答案】A【解析】氢原子从n＝4能级跃迁到n＝3能级的能级差小于从n＝3能级跃迁到n＝2能级时的能级差，根据E m－E n＝hν知，光子a的能量小于光子b的能量，所以光子a的频率小于光子b的频率，在真空中光子a的波长大于光子b的波长，故A正确；光子b的能量小于基态与任一激发态的能级差，所以不能被基态的原子吸收，故B错误；根据E m－E n＝hν可知光子a的能量小于n＝4能级氢原子的电离能，所以不能使处于n＝4能级的氢原子电离，C错误；大量处于n＝3能级的氢原子向低能级跃迁时最多辐射3种不同的谱线，故D错误。

【素养解读】本题考查波尔原子理论和能级跃迁，是对物质微观结构认知和物理模型构建能力要求的体现。

三、原子核的衰变规律1．原子核的组成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．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3.原子核的衰变(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。

(2)分类α衰变：A Z X→A－4Y＋42HeZ－2β衰变：A Z X→A Z＋1Y＋0－1e。

(3)半衰期：放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间。

半衰期由原子核内部自身的因素决定，跟原子所处的物理、化学状态无关。

【典例3】【2017·全国卷Ⅱ】一静止的铀核放出一个α粒子衰变成钍核，衰变方程为238 92U→234 90Th＋42He。

下列说法正确的是A．衰变后钍核的动能等于α粒子的动能B．衰变后钍核的动量大小等于α粒子的动量大小C．铀核的半衰期等于其放出一个α粒子所经历的时间D．衰变后α粒子与钍核的质量之和等于衰变前铀核的质量【答案】B【解析】静止的铀核在衰变过程中遵循动量守恒定律，由于系统的总动量为零，因此衰变后产生的钍核和α粒子的动量等大反向，即p Th＝pα，B项正确；因此有2m Th E kTh＝2mαE kα，由于钍核和α粒子的质量不等，因此衰变后钍核和α粒子的动能不等，A项错误；根据半衰期的定义可知，C项错误；由于衰变过程释放能量，根据爱因斯坦质能方程可知，衰变过程有质量亏损，D项错误。

【素养解读】本题考查原子核的衰变及动量守恒知识。

原子核衰变过程中，可以认为系统的合外力为零，因此系统的动量守恒，衰变过程中释放能量，根据爱因斯坦质能方程可知，此过程有质量亏损。

四、核反应方程与核能计算1．核反应的四种类型2.核反应方程式的书写(1)熟记常见基本粒子的符号，是正确书写核反应方程的基础。

如质子(11H)、中子(10n)、α粒子(42He)、β粒子(－1 0e)、正电子(+1 0e)、氘核(21H)、氚核(31H)等。

(2)掌握核反应方程遵守的规律，是正确书写核反应方程或判断某个核反应方程是否正确的依据，由于核反应不可逆，所以书写核反应方程式时只能用“→”表示反应方向。

(3)核反应过程中质量数守恒，电荷数守恒。

3．对质能方程的理解(1)一定的能量和一定的质量相联系，物体的总能量和它的质量成正比，即E＝mc2。

方程的含义：物体具有的能量与它的质量之间存在简单的正比关系，物体的能量增大，质量也增大；物体的能量减少，质量也减少。

(2)核子在结合成原子核时出现质量亏损Δm，其能量也要相应减少，即ΔE＝Δmc2。

(3)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。

4．核能的计算方法(1)应用质能方程解题的流程图：正确书写核反应方程→计算质量亏损Δm→利用ΔE＝Δmc2计算释放的核能(2)核反应遵守动量守恒定律和能量守恒定律，因此我们可以结合动量守恒定律和能量守恒定律来计算核能。

在动量守恒方程中，各质量都可用质量数表示。

(3)根据核子比结合能来计算结合能：原子核的结合能＝核子比结合能×核子数。

【典例4】【2018·全国卷Ⅲ】1934年，约里奥—居里夫妇用α粒子轰击铝核2713Al，产生了第一个人工放射性核素X：α＋2713Al→n＋X。

X的原子序数和质量数分别为A．15和28B．15和30C．16和30 D．17和31【答案】B【解析】将核反应方程式改写成42He＋2713Al→10n＋X，由电荷数守恒和质量数守恒知，X应为3015X，B正确。

【素养解读】本题考查核反应方程中的质量数守恒和电荷数守恒，意在考查考生的记忆和运算能力。

1．【2018·天津高考】氢原子光谱在可见光区域内有四条谱线Hα、Hβ、Hγ和Hδ，都是氢原子中电子从量子数n>2的能级跃迁到n＝2的能级时发出的光，它们在真空中的波长由长到短，可以判定A．Hα对应的前后能级之差最小B．同一介质对Hα的折射率最大C．同一介质中Hδ的传播速度最大D．用Hγ照射某一金属能发生光电效应，则Hβ也一定能2．【2019·东北三校模拟】如图所示为查德威克发现中子的实验示意图，利用钋(21084Po)衰变放出的α粒子轰击铍(94Be)，产生的粒子P能将石蜡中的质子打出来，下列说法正确的是A．α粒子是氦原子B．粒子Q的穿透能力比粒子P的强C．钋的α衰变方程为21084Po→20882Pb＋42HeD．α粒子轰击铍的核反应方程为42He＋94Be→126C＋10n3．“慧眼”观测的范围是美丽的银河系，γ射线暴是主要研究的对象之一。

γ射线暴是来自天空中某一方向的γ射线强度在短时间内突然增强，随后又迅速减弱的现象，它是仅次于宇宙大爆炸的爆发现象。

下列关于γ射线的论述中正确的是A．γ射线同α、β射线一样，都是高速带电粒子流B．γ射线的穿透能力比α射线强，但比β射线弱C．γ射线是原子核能级跃迁时产生的D．利用γ射线可以使空气电离，消除静电4．【2018·江苏高考】已知A和B两种放射性元素的半衰期分别为T和2T，则相同质量的A和B经过2T后，剩有的A和B质量之比为()A．1∶4 B．1∶2C．2∶1 D．4∶15．【2018·天津高考】国家大科学工程——中国散裂中子源(CSNS)于2017年8月28日首次打靶成功，获得中子束流，可以为诸多领域的研究和工业应用提供先进的研究平台。

下列核反应中放出的粒子为中子的是A.14 7N俘获一个α粒子，产生17 8O并放出一个粒子B.2713Al俘获一个α粒子，产生3015P并放出一个粒子C.11 5B俘获一个质子，产生84Be并放出一个粒子D.63Li俘获一个质子，产生32He并放出一个粒子6．如图所示是氢原子从n＝3、4、5、6能级跃迁到n＝2能级时辐射的四条光谱线，其中频率最大的是A．HαB．HβC．HγD．Hδ7．【2019·周口模拟】(多选)卢瑟福通过用α粒子(42He)轰击氮核(147N)的实验，首次实现了原子核的人工转变，则下列说法中正确的是A．该核反应的方程为42He＋147N→178O＋11HB．通过此实验发现了质子C．原子核在人工转变的过程中，电荷数可以不守恒D．在此实验中，核子反应前的总质量一定等于反应后的总质量1．A 根据ν＝cλ，可得να＜νβ＜νγ＜νδ，由E m －E n ＝hν，知H α对应的两能级之差最小，故A 正确；光在同一介质中传播，频率越高，折射率越大，而传播速度v ＝cn ，则H α的折射率最小，H δ的传播速度最小，故B 、C 错误；光的频率达到截止频率才能发生光电效应，所以用H γ照射某一金属能发生光电效应，而H β则不一定能2．D α粒子是氦原子核，选项A 错误；粒子P 是中子，粒子Q 是质子，由于质子带正电，当质子射入物体时，受到库仑力的作用会阻碍质子的运动，而中子不带电，不受库仑力作用，粒子P 的穿透能力比粒子Q 的强，选项B 错误；在钋衰变中，根据质量数守恒知产生的是206 82Pb ，选项C 错误；42He ＋94Be →126C ＋10n 是查德威克发现中子的核反应方程，选项D 正确。

3．C γ射线是电磁波，不是高速带电粒子流，A 错误；α、β、γ三种射线中，γ射线能量最高，穿透能力最强，B 错误；利用α射线的电离作用可以使空气电离，将静电泄出，从而消除有害静电，D 错误；γ射线是原子核能级跃迁时产生的，C 正确。