第5章 原子与原子核 水平测评+知识网络构建-【金版教程】2024-2025学年高中物理选择性必修第三册创新导学案word（粤教版2019）

享学科网书城国 品牌书店·知名教辅·正版资源 b.zxxk.com 您身边的互联网+教辅专家 第五章 知识网络构建 电子的发现一」.」.汤姆孙 「a粒子散射实验 原子结构模型 卢瑟福的原子四核式结构模型 特点：分立谱线 氢原子光谱 经典理论的困难 原子的结构 ☑轨道量子化 玻尔的三个基本假设☒能量量子化 玻尔的原子模型 能级跃迁：hv=4Em一En(n<m) 玻尔理论对圆氢原子光谱的解释 玻尔理论的局限性 天然放射现象：三种射线（α射线、B射线，Y射线）的本质及性质 「a衰变：衰变方程为2X→国2-Y+He 原子核衰变 B衰变：衰变方程为2X→☑2+1Y十-9e 放射性元素的衰变 半衰期：原子核数目因衰变减少到原来的圆一半所经过的时间，它由 原子核 核圆本身的因素决定，与原子所处的物理状态或化学状态@无关 半套期公式m=回m,(侵)产，N=园N。(侵》产 原子核的组成：☒质子(H)和国中子()，统称核子 衰变及核反应过程：国电荷数守恒，国质量数守恒 核力：属于强相互作用，作用范围为⑦2×10一15m内 结合能：核子结合成原子核时，因释放的能量，等于把原 核力与核反应方程 子核拆散成核子四需要提供的能量 核力与核能 比结合能（平均结合能）：比结合能越@大，原子核中核子 结合得越牢固，原子核越稳定 用爱因斯坦质能方程计算核能：△E=回△mc2 放射性同位素和正电子的发现：He+3Al→？P+bn:P→Si+9e+v 重核的裂变：dn+U-→Ba+器Kr+☑3n 裂变和聚变 轻核的聚变：H+H→He+☒n 1 第五章　水平测评 本试卷分第Ⅰ卷(选择题)和第Ⅱ卷(非选择题)两部分，满分100分，考试时间75分钟． 第Ⅰ卷(选择题，共50分) 一、选择题(本题共10小题，每小题5分，共50分．在每小题给出的四个选项中，第1～7题只有一项符合题目要求，第8～10题有多项符合题目要求．全部选对的得5分，选对但不全的得3分，有选错的得0分) 1．若用x代表一个中性原子的核外电子数，y代表此原子核内的质子数，z代表此原子核内的中子数，则对Th的原子来说(　　) A．x＝90，y＝90，z＝234 B．x＝90，y＝90，z＝144 C．x＝144，y＝144，z＝90 D．x＝234，y＝234，z＝324 答案　B 解析　在Th的原子中，左下角标为质子数，左上角标为质量数，则y＝90；中性原子的核外电子数等于质子数，所以x＝90；中子数等于质量数减去质子数，即z＝234－90＝144，故B正确． 2．下列表示某种元素的各同位素的质量数(A)、质子数(Z)和中子数(N)三者间关系的图像正确的是(　　) 答案　B 解析　各同位素的质子数Z相同，为一定值，质量数A不同，则中子数N＝A－Z不同，故B正确，C错误．由N＝A－Z，A＝N＋Z，且质子数不可能为零，即Z＞0，可知A­N图像和N­A图像均为直线且在A轴正半轴有截距，故A、D错误． 3．家庭装修中释放的甲醛和射线是白血病的重要诱因．家庭装修中的射线来源往往是不合格的瓷砖、洁具等，瓷砖、洁具释放的氡气(Rn)具有放射性，氡222衰变为钋218(Po)的半衰期为3.8天，则氡222衰变释放出的粒子和密闭房间中氡气浓度减小87.5%需要的时间分别为(　　) A．电子，11.4天 B．质子，7.6天 C．中子，19天 D．α粒子，11.4天 答案　D 解析　氡222衰变为钋218的过程，质量数减少4，质子数减少2，可判断发生了α衰变，放出的粒子为α粒子；根据半衰期公式N余＝N0，氡气浓度减小87.5%时有＝12.5%，解得：t＝3T＝11.4天，故A、B、C错误，D正确． 4．下列说法中正确的是(　　) A．U的半衰期约为7亿年，随着地球环境的不断变化，其半衰期可能变短 B．某原子核经过一次α衰变和两次β衰变后，核内中子数减少4 C．10个放射性元素的原子核经过一个半衰期后，一定有5个原子核发生衰变 D．γ射线的电离能力比α射线的大 答案　B 解析　半衰期的长短是由原子核内部本身的因素决定的，与原子所处的物理环境、化学状态无关，故A错误；某原子核经过一次α衰变电荷数减小2，质量数减小4，再经过两次β衰变后，质量数不变，电荷数要增加2，所以整个过程质量数减小4，电荷数不变，所以核内中子数减少4，故B正确；半衰期是统计规律，仅对大量的原子核适用，故C错误；三种射线中γ射线的穿透能力最强，α射线的电离能力最强，故D错误． 5．钴60是金属元素钴的放射性同位素之一，其半衰期为5.27年．它会通过β衰变放出能量高达315 keV的高速电子并衰变为镍60，同时会放出两束γ射线，其能量分别为1.17 MeV及1.33 MeV.钴60的应用非常广泛，几乎遍及各行各业．在农业上，常用于辐射育种、食品辐射保藏与保鲜等；在工业上，常用于无损探伤、辐射消毒、辐射加工、辐射处理废物以及自动控制等；在医学上，常用于癌和肿瘤的放射治疗．关于钴60，下列说法正确的是(　　) A．衰变方程为Co→Ni＋e B．利用钴60对人体肿瘤进行放射治疗是利用其衰变放出的电子流 C．钴60可以作为示踪原子研究人体对药物的吸收 D．钴60衰变过程中不会有质量亏损 答案　A 解析　根据原子核衰变的电荷数守恒、质量数守恒，知钴60发生β衰变的方程为Co→Ni＋e，故A正确；钴60对人体肿瘤进行放射治疗是利用其衰变放出的γ射线，故B错误；钴60半衰期太长，且衰变放出的高能粒子对人体伤害太大，不能作为药品的示踪原子，故C错误；所有衰变都会有质量亏损，故D错误． 6.如图所示为氢原子的能级结构示意图，一群氢原子处于n＝3的激发态，在向较低能级跃迁的过程中向外辐射出光子，用这些光子照射逸出功为2.29 eV的金属钠．下列说法正确的是(　　) A．这群氢原子能辐射出三种不同频率的光，其中从n＝3能级跃迁到n＝2能级所发出的光波长最短 B．这群氢原子在辐射光子的过程中电子绕核运动的动能减少，电势能增加 C．能发生光电效应的光有一种 D．金属钠表面所发出的光电子的最大初动能是9.80 eV 答案　D 解析　一群氢原子由n＝3的激发态向低能级跃迁时，向外辐射出不同频率的光子种类为C＝3，由玻尔理论知，三种光子的能量分别为12.09 eV、1.89 eV、10.2 eV，其中由n＝3能级跃迁到基态的光子的能量最大，波长最短，A错误；氢原子在不稳定的激发态向低能级跃迁时，库仑力做正功，由动能定理知电子绕核运动的速度增大，则动能增大，电势能减小，B错误；用三种光子去照射逸出功为2.29 eV的金属钠，只有两种光子的能量大于2.29 eV，这两种光子能使钠发生光电效应，C错误；由光电效应方程，可知金属钠表面所发出的光电子的最大初动能为Ek＝12.09 eV－2.29 eV＝9.80 eV，D正确． 7．U(铀核)经过一系列的α衰变和β衰变变为Rn(氡核)，已知U核的比结合能为E1，Rn核的比结合能为E2，α粒子的比结合能为E3，每次β衰变释放的能量为E4(计算结果不计E4)，则U(铀核)衰变为Rn(氡核)共释放的能量为(　　) A．E1－E2－E3 B．E2＋E3－2E1 C．238E1－222E2－16E3 D．222E2＋16E3－238E1 答案　D 解析　设U经过x次α衰变和y次β衰变后变为Rn，衰变过程中质量数与电荷数守恒，所以238＝222＋4x，92＝86＋2x－y，解得x＝4，y＝2，所以衰变过程中共释放的能量为ΔE＝222E2＋16E3＋2E4－238E1，计算结果不计E4，所以有ΔE＝222E2＋16E3－238E1，故选D. 8．一静止的铝原子核Al俘获一速度为1.0×107 m/s的质子p后，变为处于激发态的硅原子核Si*.下列说法正确的是(　　) A．核反应方程为p＋Al→Si* B．核反应过程中系统动量守恒 C．核反应过程中系统能量不守恒 D．核反应前后核子数相等，所以生成物的质量等于反应物的质量之和 答案　AB 解析　质子p即H，核反应方程为p＋Al→Si*，A正确；核反应过程遵循动量守恒定律，B正确；核反应过程中系统能量守恒，C错误；在核反应中质量数守恒，但会发生质量亏损，所以D错误． 9.为了解决光信号长距离传输中的衰减问题，常常在光纤中掺入铒元素．如图所示的是铒离子的能级示意图，标识为4I13/2的铒离子处在亚稳态，不会立即向下跃迁；如果用光子能量约为2.03×10－19 J的激光把处于基态能级4I15/2的铒离子激发到4I11/2能级，再通过“无辐射跃迁”跃迁到能级4I13/2，从而使该能级积聚的离子数远超过处于基态的离子数．当光纤中传输某波长的光波时，能使处在亚稳态能级的离子向基态跃迁，产生大量能量约为1.28×10－19 J的光子，于是输出的光便大大加强了．根据上述资料，你认为下列说法正确的是(　　) A．无辐射跃迁中一个铒离子放出的能量约为7.50×10－20 J B．这种光纤传输任何频率的光信号衰减都能得到有效补偿 C．大量处在4I11/2能级的铒离子向下跃迁能产生4种频率的光子 D．上述情景发生时，光纤中传输的光信号波长约为1.55 μm 答案　AD 解析　设处于4I11/2能级的电子的能量为ε3，4I13/2能级的电子的能量为ε2，4I15/2能级的电子的能量为ε1，则有ε1＋2.03×10－19 J＝ε3，ε2－1.28×10－19 J＝ε1，解得无辐射跃迁中一个铒离子放出的能量为ε3－ε2＝7.50×10－20 J，故A正确；由ε＝hν可得，这种光纤只有传输频率为的光信号衰减才能得到有效补偿，故B错误；因为4I11/2能级跃迁到4I13/2能级是无辐射跃迁，所以不会放出光子，故大量处在4I11/2能级的铒离子向下跃迁能产生2种频率的光子，故C错误；由ε＝，可得λ＝，代入数据ε＝1.28×10－19 J，可解得光纤中传输的光信号波长约为1.55 μm，故D正确． 10．2020年12月17日，“嫦娥五号”携在月球采集的约2 kg的月壤返回地球．从月球带来“土”特产中有地球上含量极少且被誉为“月壤宝藏”的氦­3，它是发电效率极高、既环保又安全的核反应原料，可将氦­3原子核与氘原子核结合时释放的能量用来发电，其核反应方程是：He＋H→Y＋H，则下列说法正确的是(　　) A．氦­3是Y的同位素 B．该反应为原子核的衰变 C．He、H、Y三者相比，Y的结合能最大 D．He、H、Y三者相比，Y的比结合能最小 答案　AC 解析　根据核反应方程的质量数和电荷数守恒可知Y为He，所以氦­3是Y的同位素，A正确；题中核反应是两个较轻的原子核聚合成一个较重的原子核，并释放能量，所以属于核聚变，B错误；因为该反应释放能量，则反应后的原子核更稳定，而H没有结合能，故He比结合能最大，D错误；结合能等于比结合能与核子数的乘积，因为He的比结合能最大，核子数也最多，故He的结合能最大，C正确． 第Ⅱ卷(非选择题，共50分) 二、填空和实验题(本题共2小题，共10分) 11．(4分)在下列描述核过程的方程中，属于α衰变的是________，属于β衰变的是________，属于核裂变的是________，属于核聚变的是________．(填正确答案标号) A.C→N＋e B.P→S＋e C.U→Th＋He D.N＋He→O＋H E.U＋n→Xe＋Sr＋2n F.H＋H→He＋n 答案　C　AB　E　F 解析　天然放射性元素自发地放出α粒子(氦核He)的衰变属于α衰变，放出β粒子(电子e)的衰变属于β衰变；重核分裂成几个中等质量原子核的反应为核裂变；两个轻核结合成质量较大的原子核的反应为核聚变． 12．(6分)如图所示是英国物理学家卢瑟福用α粒子轰击金箔的实验装置示意图． (1)下列关于该实验的描述正确的是________． A．α粒子轰击金箔的实验需要在真空条件下完成 B．该实验揭示了原子具有核式结构 C．实验结果表明绝大多数α粒子穿过金箔后发生大角度偏转 D．该实验证实了J.J.汤姆孙原子模型的正确性 (2)关于α粒子散射实验的下述说法中正确的是________． A．实验表明原子的中心有一个很大的核，它占有原子体积的绝大部分 B．实验表明原子的中心有个很小的核，集中了原子的全部正电荷 C．实验表明原子核集中了原子几乎全部的质量 D．实验表明原子核是由质子和中子组成的 (3)有关α粒子散射实验的图中，O点表示金原子核的位置，则能正确表示该实验中经过金原子核附近的α粒子的运动轨迹的是下图中的________． 答案　(1)AB　(2)BC　(3)B 解析　(1)α粒子轰击金箔的实验需要在真空条件下完成，避免α粒子和空气中的原子碰撞影响实验结果，故A正确；α粒子的散射实验揭示了原子具有核式结构，故B正确；实验结果表明绝大多数α粒子穿过金箔后不发生偏转，只有极少数α粒子穿过金箔后发生大角度偏转，故C错误；该实验否定了J.J.汤姆孙原子模型的正确性，故D错误． (2)α粒子散射实验说明占原子质量绝大部分的核是一个极小的核，并带有原子的全部正电荷，故A错误，B、C正确；该实验不能探究出原子核的组成，故D错误． (3)在α粒子的散射实验现象中，粒子所受原子核的作用力为库仑斥力．A项中虚线下方射来的α粒子应向下偏转，故A错误；C项中离金原子核越近的α粒子偏转程度应越大，故C错误；D项中虚线上方射来的α粒子应向上偏转，故D错误；只有B正确． 三、论述、计算题(本题共3小题，共40分．解答应写出必要的文字说明、方程式和重要的演算步骤．只写出最后答案的不能得分．有数值计算的题，答案中必须明确写出数值和单位) 13．(9分)用中子轰击铀核(U)，其中的一个可能反应是分裂成钡(Ba)和氪(Kr)两部分，放出3个中子．各个核和中子的质量如下： (计算结果保留两位小数) mU＝390.3139×10－27 kg，mn＝1.6749×10－27 kg，mBa＝234.0016×10－27 kg，mKr＝152.6047×10－27 kg. (1)试写出核反应方程； (2)求出核反应中释放的核能； 答案　(1)U＋n→Ba＋Kr＋3n (2)3.22×10－11 J 解析　(1)核反应方程为U＋n→Ba＋Kr＋3n. (2)核反应中的质量亏损为Δm＝mU＋mn－mBa－mKr－3mn＝mU－mBa－mKr－2mn＝390.3139×10－27 kg－234.0016×10－27 kg－152.6047×10－27 kg－2×1.6749×10－27 kg＝0.3578×10－27 kg 释放的能量为ΔE＝Δmc2＝0.3578×10－27×(3×108)2 J≈3.22×10－11 J. 14．(13分)钋210(Po)是一种放射性很强的同位素，为了探测射线的性质，真空室中在放射源钋210的对侧放置一荧光屏，可以根据荧光屏上的打点情况来检测射线的强弱． (1)在放射源与荧光屏之间不加任何场时发现荧光屏的中间有闪光产生，当施加一垂直的匀强磁场时，发现荧光屏的闪光都向一侧偏移，撤去磁场，在放射源与荧光屏中间放一厚纸，发现荧光屏上没有闪光产生，请你根据上面的情况分析判断是什么射线，同时写出衰变方程．(新原子核用Y表示) (2)α粒子以初速度v0轰击静止的氮14原子核打出一种新的粒子，同时产生一个新的原子核，新的原子核速度为3v0，且方向不变，反应过程中释放的能量完全转化为系统的动能，已知中子质量为m，质子质量和中子质量相等，光速为c，试计算此反应过程中的质量亏损． 答案　(1)α射线　Po→Y＋He　(2) 解析　(1)因为α粒子的贯穿本领较小，一张纸即可把它挡住，而β射线和γ射线都可以穿透纸，所以该射线是α射线，该衰变为α衰变，衰变方程为Po→Y＋He. (2)根据物理学史可知，用α粒子轰击静止的氮14原子核打出一种新的粒子，即质子，则新原子核的质量数为A＝14＋4－1＝17，电荷数为Z＝7＋2－1＝8，核反应方程为He＋N→O＋H， 则α粒子、新核的质量分别为4m、17m，设质子的速度为v，选取α粒子运动的方向为正方向，由动量守恒定律得 4mv0＝17m·3v0＋mv， 解得v＝－47v0， 释放的核能为ΔE＝·17m(3v0)2＋m·(47v0)2－·4mv＝1179mv， 由质能方程得ΔE＝Δm·c2， 所以Δm＝. 15．(18分)He＋离子的能级En与n的关系和氢原子能级公式类似，为En＝E1，已知基态He＋的电离能为E＝54.4 eV.He＋的质量可看作2个质子和2个中子质量之和，质子和中子的质量均取1.67×10－27 kg. (1)不考虑He＋离子因入射光子动量引起的运动，为使处于基态的静止的He＋跃迁到激发态，入射光子所需的最小能量为多少？ (2)静止的He＋从第一激发态跃迁到基态时，如果考虑到离子的反冲，与不考虑反冲相比，发射出的光子波长相差的百分比为多少？[可能用到的数学近似公式：当x≪1时，(1＋x)n≈1＋nx] 答案　(1)40.8 eV　(2)5.4×10－7% 解析　(1)根据题意得，He＋的基态能量为E1＝－54.4 eV He＋的能级公式为En＝E1 故E2＝E1＝－13.6 eV 所以不考虑He＋离子因入射光子动量引起的运动时，为使He＋从基态跃迁到激发态，入射光子所需的最小能量为ΔE＝E2－E1＝40.8 eV. (2)静止的He＋从第一激发态跃迁到基态时，如果不考虑离子的反冲，设发射出的光子波长为λ1，则有 E2－E1＝h 解得λ1＝ 如果考虑到离子的反冲，反冲核是氦核，共两个质子和两个中子，设氦核的反冲速度大小为ν，发射出的光子波长为λ2， 根据动量守恒定律，有4mv＝ 根据能量守恒定律，有 E2－E1＝×4mv2＋h 联立得λ2＝ 所以两种情况下发射的光子波长相差的百分比为 ×100%＝×100% 其中E2－E1＝40.8 eV＝6.53×10－18 J 2mc2＝3.006×10－10 J 因E2－E1≪2mc2，利用x≪1时(1＋x)n≈(1＋nx)，则有≈×100%＝5.4×10－7%. [名师点拨]　从计算结果可知，原子辐射光子或吸收光子时，实际的数值计算中一般可认为原子的运动状态不变，不考虑原子的反冲．而原子核辐射的γ光子或吸收的γ光子波长极短，动量、能量很大，则原子核辐射γ光子或吸收γ光子时，原子核的反冲一般不能忽略． 1 学科网（北京）股份有限公司 $$