原子物理作业

一、单选题(共9小题,每小题5.0分,共45分)1.汞原子的能级如图，现一束单色光照射到大量处于基态的汞原子，汞原子只发出三种不同频率的单色光．关于入射光的能量下列说法正确的是()A．等于4.9 eV B．等于7.7 eV C．等于8.8 eV D．大于或等于10.4 eV2.汞原子的能级图如上中图所示，现让一束光子能量为8.8 eV的单色光照射到大量处于基态(能级数n ＝1)的汞原子上，能发出6种不同频率的色光．下列说法中正确的是()A．最长波长光子的能量为1.1 eV B．最长波长光子的能量为2.8 eVC．最大频率光子的能量为2.8 eV D．最大频率光子的能量为4.9 eV3.氦原子的一个核外电子被电离，会形成类似氢原子结构的氦离子．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上右图所示．可以推知，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 eV4.下列说法中正确的是()A．卢瑟福在α粒子散射实验中发现了电子和质子，因此，电子和质子是基本粒子B．玻尔理论能成功解释各种原子发射光谱现象，巴尔末线系的氢原子光谱一定是可见光C．玛丽·居里首先提出原子的核式结构学说，并发现镭和钋具有放射性D．查德威克用α粒子轰击Be的实验中发现了中子，它是质量数与质子相同的不带电的粒子5.天然放射现象的发现揭示了()A．原子不可再分B．原子的核式结构C．原子核还可再分D．原子核由质子和中子组成6.关于天然放射现象，下列说法正确的是()A．α射线是由氦原子核衰变产生B．β射线是由原子核外电子电离产生C．γ射线是由原子核外的内层电子跃迁产生D．通过化学反应不能改变物质的放射性7.放射性元素放出的射线，在电场中分成A、B、C三束，如图所示，其中()A．C为氦原子核组成的粒子流B．B为比X射线波长更长的光子流C．B为比X射线波长更短的光子流D．A为高速电子组成的电子流8.关于半衰期，下面各种说法中正确的是()A．所有放射性元素都有一定的半衰期，半衰期的长短与元素的质量有关B．半衰期是放射性元素的原子核有半数发生衰变需要的时间C．一块纯净的放射性元素的矿石，经过一个半衰期以后，它的总质量仅剩下一半D．放射性元素在高温和高压的情况下，半衰期要变短，但它与其他物质化合后，半衰期要变长9.下列关于放射性元素半衰期的几种说法中，正确的是()A．利用半衰期，我们能预言某个原子核何时发生衰变B．我们不能预计为数很少的原子核(如几个或几十个)衰变掉一半需要多少时间C．同种放射性元素在化合物中的半衰期比在单质中长D．升高温度可以使半衰期缩短二、多选题(共5小题,每小题5.0分,共25分)10.(多选)关于电子的发现，下列说法中正确的是()A．电子是由英国物理学家汤姆孙发现的B．电子的比荷最早是由英国物理学家密立根测定的C．认定阴极射线是电子流即可确定电子是原子的组成部分，是比原子更基本的物质单元D．精确测定电子的比荷是由密立根用著名的“油滴实验”完成的11.(多选)氦原子被电离出一个核外电子，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．在具有下列能量的粒子中，能被基态氦离子吸收而发生跃迁的是()A． 54.4 eV(光子)B． 50.4 eV(光子)C． 48.4 eV(电子)D． 42.8 eV(光子)12.(多选)氢原子能级如上右图所示，已知可见光的光子能量在1.62 eV到3.11 eV之间，当氢原子从n ＝3跃迁到n＝2的能级时，辐射光的波长为656 nm.以下判断正确的是()A．氢原子从n＝3能级向n＝2能级跃迁时发出的光为可见光B．用波长为502 nm的光照射，能使氢原子从n＝2跃迁到n＝3的能级C．氢原子从n＝2能级跃迁到n＝1的能级时，辐射光的波长大于656 nmD．处于n＝3能级的氢原子吸收1.51 eV的能量会发生电离13.(多选)下列说法正确的是()A．黑体辐射的实验结果表明光的传播是量子化的B．天然放射现象说明原子内部有复杂结构C．在α、β、γ这三种射线中，γ射线的穿透能力最强D．电子束的衍射实验说明实物粒子具有波动性14.(多选)天然放射性物质的放射线包括三种成分，下列说法正确的是()A．一张厚的黑纸能挡住α射线，但不能挡住β射线和γ射线B．某原子核在放出γ射线后会变成另一种元素的原子核C．三种射线中对气体电离作用最强的是α射线D．β粒子是电子，但不是原来绕核旋转的核外电子分卷II15.如图所示，电子由静止从O点经电场U加速后垂直射入匀强磁场B，经偏转后打在MN板的P 点，射入点到P点的距离为d ，求电子的比荷的表达式．(不考虑电子的重力)16.汤姆孙1897年用阴极射线管测量了电子的比荷(电子电荷量与质量之比)，其实验原理如图所示．电子流平行于极板射入，极板P、P′间同时存在匀强电场E和垂直纸面向里的匀强磁场B时，电子流不发生偏转；极板间只存在垂直纸面向里的匀强磁场B时，电子流穿出平行板电容器时的偏转角θ＝rad.已知极板长L＝3.0×10－2m，电场强度大小为E＝1.5×104V/m，磁感应强度大小为B＝5.0×10－4T，求电子的比荷．17.如图甲所示为汤姆孙在1897年测量阴极射线(电子)的比荷时所用实验装置的示意图．K为阴极，A1和A2为连接在一起的中心空透的阳极，电子从阴极发出后被电场加速，只有运动方向与A1和A2的狭缝方向相同的电子才能通过，电子被加速后沿OO′方向垂直进入方向互相垂直的电场、磁场的叠加区域．磁场方向垂直纸面向里，电场极板水平放置，电子在电场力和磁场力的共同作用下发生偏转．已知圆形磁场的半径为r，圆心为C.某校物理实验小组的同学们利用该装置，进行了以下探究测量：第一步：调节两种场的强弱．当电场强度的大小为E，磁感应强度的大小为B时，使得电子恰好能够在复合场区域内沿直线运动．第二步：撤去电场，保持磁场和电子的速度不变，使电子只在磁场力的作用下发生偏转，打在荧屏上出现一个亮点P，通过推算得到电子的偏转角为α(CP与OO′下之间的夹角)．求：(1)电子在复合场中沿直线向右飞行的速度；(2)电子的比荷；(3)有位同学提出了该装置的改造方案，把球形荧屏改成平面荧屏，并画出了如图乙所示的示意图．已知电场平行金属板长度为L1，金属板右则到荧屏垂直距离为L2.实验方案的第一步不变，可求出电子在复合场中沿直线向右飞行的速度．第二步撤去磁场，保持电场和电子的速度不变，使电子只在电场力的作用下发生偏转，打在荧屏上出现一个亮点Q，通过屏上刻度可直接读出电子偏离屏中心点的距离＝y.同样可求出电子的比荷.请你判断这一方案是否可行？并说明相应的理由．18.如图是密立根油滴实验装置．在A板上方用喷雾器将油滴喷出，若干油滴从板上的一个小孔中落下，喷出的油滴因摩擦而带负电．已知A、B板间的电压为U、间距为d时，油滴恰好静止．撤去电场后油滴徐徐下落，最后测出油滴以速度v匀速运动，已知空气阻力正比于速度：F f＝kv，则油滴所带的电荷量q＝________.某次实验得到q的测量值见下表(单位：10－19C)分析这些数据可知：________.19.根据玻尔原子结构理论，氦离子(He＋)的能级图如图所示．电子处在n＝3轨道上比处在n＝5轨道上离氦核的距离________(填“近”或“远”)．当大量He＋处在n＝4的激发态时，由于跃迁所发射的谱线有________条．答案解析1.【答案】B【解析】汞原子只发出三种不同频率的单色光，知汞原子跃迁到第3能级，则吸收的光子能量ΔE＝－2.7 eV＋10.4 eV＝7.7 eV.故B正确，A、C、D错误．2.【答案】A【解析】由题意知，吸收光子后汞原子处于n＝4的能级，向低能级跃迁时，最大频率的光子能量为(－1.6＋10.4) eV＝8.8 eV，最长波长(即最小频率)的光子能量为(－1.6＋2.7) eV＝1.1 eV，故A正确．3.【答案】B【解析】基态氦离子吸收40.8 eV能量，能量变为－54.4 eV＋40.8 eV＝－13.6 eV，跃迁到第二能级，A正确；基态氦离子吸收43.2 eV能量，能量变为－54.4 eV＋43.2 eV＝－11.2 eV，不能跃迁，B错误；基态氦离子吸收51.0 eV能量，能量变为－54.4 eV＋51.0 eV＝－3.4 eV，跃迁到第四能级，C正确；基态氦离子吸收54.4 eV能量，能量变为－54.4 eV＋54.4 eV＝0，氦离子发生电离，该光子能被吸收，D正确．4.【答案】D【解析】卢瑟福通过α粒子轰击金箔的实验提出原子核式结构学说，玛丽·居里通过对天然放射性的研究，发现了放射性元素钋(Po)和镭(Ra)，故A、C错误；玻尔建立了量子理论，成功解释了氢原子发光现象，故B错误；查德威克用α粒子轰击Be的实验中发现了中子，它是质量数与质子相同不带电荷的粒子，故D正确．5.【答案】C【解析】汤姆孙发现了电子说明原子可再分；卢瑟福通过α粒子散射实验提出了原子的核式结构，贝克勒尔发现了天然放射现象，说明了原子核也有着复杂的结构；天然放射现象的发现揭示了原子核还可再分；卢瑟福用α粒子轰击氮核，发现了质子，查德威克用α粒子轰击铍核打出了中子，使人们认识到原子核是由质子和中子组成的．所以正确选项为C.6.【答案】D【解析】α射线是具有放射性的元素的原子核在发生衰变时两个中子和两个质子结合在一起而从原子核中释放出来，A错误；β射线是具有放射性的元素的原子核中的一个中子转化成一个质子同时释放出一个高速电子即β粒子，B错误；γ射线是原子核在发生α衰变和β衰变时产生的能量以γ光子的形式释放，C错误；放射性元素的放射性是原子核自身决定的，而化学反应不能改变原子的原子核，故化学反应并不能改变物质的放射性，D正确．7.【答案】C【解析】根据射线在电场中的偏转情况，可以判断，A射线向电场线方向偏转，应为带正电的粒子组成的射线，所以是α射线；B射线在电场中不偏转，所以是γ射线；C射线在电场中受到与电场方向相反的作用力，应为带负电的粒子，所以是β射线．8.【答案】B【解析】半衰期是放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间，是表明放射性元素原子核衰变快慢的物理量，与元素的质量及其所处的物理化学状态无关，故B项正确．9.【答案】B【解析】半衰期是大量放射性原子核衰变的统计规律，对某个原子核或少数原子核不成立，其半衰期与其存在形式、环境、温度无关．10.【答案】ACD【解析】11.【答案】AC【解析】由玻尔理论知，基态的氦离子要实现跃迁，入射光子的能量(光子能量不可分)应该等于氦离子在某激发态与基态的能量差，因此只有能量恰好等于两能级差的光子才能被氦离子吸收；而实物粒子(如电子)只要能量不小于两能级差，均可能被吸收．氦离子在图示的各激发态与基态的能量差为：ΔE1＝E∞－E1＝0－(－54.4 eV)＝54.4 eVΔE2＝E4－E1＝－3.4 eV－(54.4 eV)＝51.0 eVΔE3＝E3－E1＝－6.0 eV－(－54.4 eV)＝48.4 eVΔE4＝E2－E1＝－13.6 eV－(54.4 eV)＝40.8 eV可见，42.8 eV和50.4 eV的光子不能被基态氦离子吸收而发生跃迁．12.【答案】AD【解析】13.【答案】CD【解析】14.【答案】ACD【解析】由三种射线的本质和特点可知，α射线贯穿本领最弱，一张黑纸都能挡住，而挡不住β射线和γ射线，故A正确；γ射线是伴随α、β衰变而产生的一种电磁波，不会使原核变成新核，故B错误；三种射线中α射线电离作用最强，故C正确；β粒子是电子，来源于原子核，故D正确．15.【答案】【解析】设电子的电荷量为e、质量为m，在加速电场U中加速的过程，根据动能定理，有eU＝mv2解得v ＝垂直进入磁场后，电子受到的洛伦兹力提供向心力，电子做匀速圆周运动，故有qBv＝m由题意知：R ＝由以上各式整理可得电子的比荷为＝16.【答案】1.33×1011C/kg【解析】无偏转时，有eE＝evB只存在磁场时，有eBv＝m，由几何关系得r ＝偏转角很小时，r ≈，联立并代入数据得＝≈1.33×1011C/kg17.【答案】(1)(2)tan(3)此方案可行如图设电子在电场中偏转的侧向位移为y′，有＝⑦电子通过水平电场的时间为：t1＝电子在电场中偏转的加速度为：a ＝⑧则侧向位移为y′＝at⑨联立⑦⑧⑨式得：＝y【解析】(1)电子在复合场中受力平衡，即：evB＝eE①得：v ＝②(2)如图所示：其中R为电子在磁场中做圆周运动的轨道半径．所以：θ＝－③tan ＝④又因：eBv＝m⑤联解以上②③④⑤式得：＝tan⑥(3)此方案可行，原因如下．如图设电子在电场中偏转的侧向位移为y′，有＝⑦电子通过水平电场的时间为：t1＝电子在电场中偏转的加速度为：a ＝⑧则侧向位移为y′＝at⑨联立⑦⑧⑨式得：＝y18.【答案】油滴的带电荷量是1.6×10－19C的整数倍，故电荷的最小电荷量为1.6×10－19C【解析】mg－qE＝0，mg－kv＝0，E ＝解得q ＝；油滴的带电荷量是1.6×10－19C的整数倍，故电荷的最小电荷量为1.6×10－19C.19.【答案】近6【解析】由玻尔理论知，能级越低，电子的轨道半径越小，电子离核越近；当大量的氦离子处在n＝4的激发态时，由于跃迁所发射的谱线条数为C＝6.。