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第14讲 原子物理
题型1 原子结构、氢原子能级问题
题型2 原子核、核反应
网络构建
备用习题
【关键能力】
紧扣课本,加强对相关概念和规律的
理解和记忆.重点掌握原子核式结构
的建立过程、原子能级跃迁、核反
应、半衰期与质量亏损;也要加强原
子物理涉及的物理学史和物理学方
法.对结合能和比结合能的理解、半衰期、核能的相关计算是近些年的热
点问题.
题型1 原子结构、氢原子能级问题
例1 [2022·浙江6月选考] 如图为氢原子的能级图.大量氢原子处于 的
激发态，在向低能级跃迁时放出光子，用这些光子照射逸出功为
的金属钠.下列说法正确的是( )
A.逸出光电子的最大初动能为
B.跃迁到 放出的光子动量最大
C.有3种频率的光子能使金属钠产生光电效应
D.用的光子照射，氢原子跃迁到 激
发态
√
[解析] 能级跃迁到 能级释放光子的能
量最大，
，照射
逸出功为 的金属钠，最大初动能为
，选项A错误；根据 ，
且，联立得 ，因此光子能量
越大，动量越大，选项B正确；
跃迁到
放出的光子能量为 ，
该光子不能使金属钠产生光电效应，故有2种频率的光子能使金属钠产生光电效应，选项C错误；由于从跃迁到 能级需要吸收的光子能量
为 ，所以
用的光子照射，不能使氢原子跃迁到
激发态，故D错误.
技法点拨
1.原子跃迁的几种方法:光照、碰撞等
(1)光照情况下原子吸收能量发生跃迁,要求照射光子的能量必须等于原子
的某两个能级差.
(2)入射电子与原子碰撞下引起的跃迁,可吸收部分电子的能量,要求电子的
能量必须大于或等于原子的某两个能级差,往往满足动量守恒.
2.原子辐射发光产生的电磁波:红外线、可见光、紫外线与 射线,其中可见
光产生时,电子基本上在中部轨道间转移,能级差在 (红光到紫光)
之间;不同能级差产生电磁波的频率不同,可对比红光与紫光的差异进行相
关知识的分析.
3.一群原子和一个原子不同,一群原子向基态跃迁时发射光子的种类
.
例2 [2024·浙江1月选考] 氢原子光谱按频率展开的谱线如图所示，此四条
谱线满足巴耳末公式，，4，5，6.用 和 光进
行如下实验研究，则( )
A.照射同一单缝衍射装置， 光的中央明条纹宽度宽
B.以相同的入射角斜射入同一平行玻璃砖， 光的侧移量小
C.以相同功率发射的细光束，真空中单位长度上 光的平均光子数多
D.相同光强的光分别照射同一光电效应装置， 光的饱和光电流小
√
[解析] 由图可知 光频率较大、波长较短，则衍射现象
较不明显，所以照射同一单缝衍射装置， 光的中央明
条纹较窄，选项A错误；由图可知 光频率较大，则介
质对其折射率较大，所以以相同的入射角斜射入同一平行
玻璃砖， 光的侧移量较大，选项B错误；以相同功率发
射的细光束，单位长度上光的能量相同，频率越大，则光子数越少，所以
真空中单位长度上 光的平均光子数较少，选项C正确；光强由光子数
量和光子能量共同决定,光强相同时， 光的光子能量较小，光子数量较
多,可以让金属逸出更多的光电子,饱和光电流较大，选项D错误.
【迁移拓展】
1.[2024·开化中学模拟] 目前科学家已经能够制备出量子数 较大的氢原子，
已知氢原子第能级的能量为，金属钨的逸出功为 ，
如图是按能量排列的电磁波谱，则( )
A.紫外线波段的光子均不能使基态氢原子电离
B.氢原子跃迁时可能会辐射 射线波段的光子
C.足够长时间红外线照射能使金属钨产生光电效应
D.可见光能使 的氢原子失去一个电子变成氢离子
√
[解析] 基态氢原子具有的能量为 ，若基态氢原子电离，则
需要吸收的光子能量 ，由题图可知紫外线波段中存在能量
的光子，这些光子可以使基态氢原子电离，A错误；氢原子跃
迁时辐射的光子能量不超过，由题图可知， 射线的光子能量均大
于，故氢原子跃迁时不会辐射 射线波段的光子，B错误；金属钨
的逸出功为，由题图可知，红外线的光子能量小于 ，故不
能让金属钨产生光电效应，C错误； 的氢原子能量为
，由题图可知可见光的光子能量大
于，故可见光可以使 的氢原子失去一个电子变成氢离子，
D正确.
题型2 原子核、核反应
例3 [2024·嘉兴模拟] 如图所示的射线测厚仪采用放射性元素 作为放
射源，其发生 衰变的半衰期为 .则该测厚仪( )
A.衰变产物为
B. 衰变的原因是弱相互作用
C.用于监测与控制钢板厚度的最佳选择是 射线
D.放射源经后剩余物质的质量为
[解析] 衰变放出的粒子是电子 ，根据质量数和电荷数守恒可知，
衰变产物为，故A错误；发生 衰变的原因是弱相互作用，
故B正确；用于监测与控制钢板厚度的最佳选择是 射线，故C错误；
放射源经后剩余的 未发生衰变，但剩余物质的质量大
于 ，故D错误.
√
技法点拨
衰变规律及实质
(1)核衰变规律:,.
(2) 衰变和 衰变次数的确定方法
①方法一:由于 衰变不改变质量数,故可以先由质量数改变确定 衰变的
次数,再根据电荷数守恒确定 衰变的次数.
②方法二:设 衰变次数为, 衰变次数为,根据质量数守恒和电荷数守
恒列方程组求解.
例4 [2024·浙江1月选考] 已知氘核质量为，氚核质量为 ，
氦核质量为，中子质量为，阿伏加德罗常数 取
，氘核摩尔质量为，相当于 .关于氘
与氚聚变成氦，下列说法正确的是( )
A.核反应方程式为
B.氘核的比结合能比氦核的大
C.氘核与氚核的间距达到 就能发生核聚变
D.氘完全参与聚变释放出能量的数量级为
√
[解析] 根据核反应中质量数守恒、电荷数守恒，可知核反应方程式为
，选项A错误；生成物比反应物更稳定，因此生成物
的比结合能更大，即氦核的比结合能比氘核的大，选项B错误；发生轻核
聚变的条件是原子核之间距离达到原子核的尺度，即达到 ，选项
C错误；根据核反应可知，每次核聚变反应后质量亏损为
， 氘参加反应，含有氘核个数
，质量亏损产生的核能为， 选项D正确.
技法点拨
概念辨析:结合能、比结合能、质量亏损、核能
(1)结合能两种理解,一种是把所有核子分开所做的功,另一种是用比结合能
乘核子数.
(2)比结合能大表示核子结合强度大,结合能大不表示结合的强度大,中等大
小的核最稳定.
(3)核能不是结合能,只是对应质量亏损释放的能量.
(4)质子与中子发生核反应形成氘核的过程结合能等于核能,这是一个特例.
【迁移拓展】
1.[2023·浙江1月选考] 宇宙射线进入地球大气层与大气作用会产生中子，
中子与大气中的氮14会产生以下核反应： ，产生的
能自发进行 衰变，其半衰期为5730年，利用碳14的衰变规律可推断
古木的年代.下列说法正确的是( )
A.发生 衰变的产物是
B. 衰变辐射出的电子来自碳原子的核外电子
C.近年来由于地球的温室效应，引起 的半衰期发生微小变化
D.若测得一古木样品的含量为活体植物的 ，则该古木距今约为11 460年
√
[解析] 根据衰变过程中的质量数、电荷数守恒规律可知，发生 衰变后
质量数不变，电荷数增加1，即产生 ，选项A错误；原子核衰变的电子
由原子核内部的中子产生，选项B错误；半衰期不受外界因素干扰，所以
不会因为温室效应改变，选项C错误；若测得一古木样品的 含量为活体
植物的，说明经过了2个半衰期，因此大约距今时间为
年，选项D正确.
2.(不定项)核能已广泛应用于清洁电力、热力生产等领域，成为全球能源
供应的重要组成部分，应进一步扩大核能利用，以减少碳排放，实现可持
续发展和气候变化目标.目前核能的利用主要是人工控制下进行的核裂变
的链式反应.关于核裂变的链式反应，已知阿伏加德罗常数
,元电荷 ，下列说法正确的是
( )
A.裂变产生的快中子，速度越大越有利于反应的进行，无需设法使快中子
减速
B.铀核裂变的产物是多样的，比如核反应方程可以是
C.一个铀235核裂变可释放的能量， 标准煤完全燃烧时放出
的热量，则铀235全部裂变时就相当于 标准煤完全燃烧
时释放的化学能
D.秦山核电站利用的是核裂变产生的能量，裂变比聚变产能效率更高，更
为安全、清洁
√
√
[解析] 裂变产生的快中子要经过与减速剂中的原子核碰撞，速度减小，
变成慢中子，才容易被铀核吸收，故A错误；利用中子轰击铀核可以发生
裂变反应，核反应方程式可以为 ，故B正
确； 标准煤完全燃烧时释放的化学能为
， 铀235的物质的量为
，个数为个 个，全部裂变时释放
的能量为
，故
铀235全部裂变时就相当于 标准煤完全燃烧时释放的化学能，故C正确；
裂变产生的核废料放射性极强，难以处理，聚变原料好获取，产能效率更
高,更为安全、清洁，故D错误.
1. 下列四幅图涉及不同的物理知识,其中说法不正确的是 (　　)
A.图甲:爱因斯坦通过研究黑体辐射提出能量子的概念,成为量子力学的奠基人之一
B.图乙:康普顿效应说明光子具有粒子性,光子不但具有能量,还有动量
C.图丙:卢瑟福研究α粒子散射实验,提出了原子的核式结构模型
D.图丁:汤姆孙研究阴极射线管证实了阴极射线是带电粒子流
√
[解析] 普朗克通过研究黑体辐射提出能量子的概念,成为量子力学的奠基人之一,故A说法错误;
康普顿效应、光电效应说明光具有粒子性,光子具有能量,康普顿效应还表明光子具有动量,故B说法正确;
卢瑟福研究α粒子散射实验,提出了原子的核式结构模型,故C说法正确;
汤姆孙研究阴极射线管证实了阴极射线是带电粒子流,故D说法正确.
2. (多选) 2021年12月15日秦山核电站迎来了安全发电30周年,核电站累计发电约6.9×1011 kW·h,相当于减排二氧化碳六亿多吨.为了提高能源利用率,核电站还将利用冷却水给周围居民供热.下列说法正确的是(　　)
A.秦山核电站利用的是核聚变释放的能量
B.秦山核电站发电使原子核亏损的质量约为27.6 kg
C.核电站反应堆中需要用镉棒控制链式反应的速度
D.反应堆中存在UnBaKr+n的核反应
√
√
[解析] 秦山核电站利用的重核裂变释放的能量,选项A错误;
如果不考虑核能与电能转化效率,则根据爱因斯坦质能方程E=mc2可以推算,原子核亏损的质量Δm= kg≈27.6 kg,但核能转化为电能的效率不可能为100%,所以亏损的质量应该超过27.6 kg,选项B错误;
核电站反应堆中需要用镉棒来吸收中子,从而控制链式反应的速度,选项C正确;
根据核反应中质量数守恒和电荷数守恒及链式反应中的中子数增加的特点,可知反应堆中存在U+nBa+Kr+n的核反应,选项D正确.

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