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课时跟踪检测(三十九)　原子结构　原子核

1．(2020·天津等级考)在物理学发展的进程中，人们通过对某些重要物理实验的深入观察和研究，获得正确的理论认识。下列图示的实验中导致发现原子具有核式结构的是(　　)

解析：选D　发现原子具有核式结构的是卢瑟福的α粒子轰击金箔发生散射的实验，选项D正确。
2．如图所示，放射性元素镭衰变过程中释放出α、β、γ三种射线，分别进入匀强电场和匀强磁场中，下列说法正确的是(　　)

A．①表示γ射线，③表示α射线
B．②表示β射线，③表示α射线
C．④表示α射线，⑤表示γ射线
D．⑤表示β射线，⑥表示α射线
解析：选C　γ射线为电磁波，在电场、磁场中均不偏转，故②和⑤表示γ射线，A、B、D项错误；α射线中的α粒子为氦的原子核，带正电，在匀强电场中，沿电场方向偏转，故③表示α射线，由左手定则可知在匀强磁场中α射线向左偏，故④表示α射线，C项正确。
3．(多选)图中有四幅图片，涉及有关物理学发展历史的四个重大发现，则下列有关说法正确的是(　　)

A．甲图片与居里夫人有关
B．乙图片所反映的现象是贝克勒尔最先发现的
C．丙图片是法拉第研究阴极射线并发现电子的装置
D．丁图片与爱因斯坦的质能方程有关
解析：选BD　结合教材史料，应用物理规律。甲图为伦琴发现X射线后，照射的伦琴夫人手的照片，与居里夫人无关，故选项A错误；乙图中反映的天然放射性现象是贝克勒尔最先发现的，故选项B正确；丙图的现象是法拉第研究电磁感应规律时的装置，与阴极射线及电子的发现无关，故选项C错误；原子弹的能量来源于核能，与爱因斯坦的质能方程ΔE＝Δmc2有关，故选项D正确。
4.氢原子的能级示意图如图所示。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种不同谱线
解析：选A　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Em－En＝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，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Em－En＝hν，可求光子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种不同谱线，故D错误。
5.(2020·四川绵阳市模拟)氢原子的能级图如图所示，一个处于n＝3能级的氢原子向低能级跃迁，下列说法正确的是(　　)
A．氢原子可能发出3种不同频率的光子
B．已知钾的逸出功为2.22 eV，则氢原子从n＝3能级跃迁到n＝2能级释放的光子可以从金属钾的表面打出光电子
C．氢原子从n＝2能级跃迁到n＝1能级释放的光子能量最小
D．氢原子由n＝3能级跃迁到n＝1能级时，辐射出的光的频率最高，波长最短
解析：选D　一个处于n＝3能级的氢原子向低能级跃迁，最多可辐射出两种频率的光子，即3→2，2→1，选项A错误；氢原子从n＝3能级跃迁到n＝2能级释放的光子能量为E32 ＝－1.51 eV－(－3.40 eV)＝1.89 eV<2.22 eV，故不能从金属钾的表面打出光电子，选项B错误；氢原子从n＝3能级跃迁到n＝2能级，能级差最小，释放的光子能量最小，选项C错误；氢原子由n＝3能级跃迁到n＝1能级时，能级差最大，辐射出的光的频率最高，波长最短，故D正确。
6．(多选)(2019·天津高考)我国核聚变反应研究大科学装置“人造太阳”2018年获得重大突破，等离子体中心电子温度首次达到1亿摄氏度，为人类开发利用核聚变能源奠定了重要的技术基础。下列关于聚变的说法正确的是(　　)

A．核聚变比核裂变更为安全、清洁
B．任何两个原子核都可以发生聚变
C．两个轻核结合成质量较大的核，总质量较聚变前增加
D．两个轻核结合成质量较大的核，核子的比结合能增加
解析：选AD　核聚变没有放射性污染，安全、清洁，A对。只有原子序数小的“轻”核才能发生聚变，B错。轻核聚变成质量较大的原子核，核子的比结合能增加，总质量减小，C错，D对。
7．(2019·全国卷Ⅱ)太阳内部核反应的主要模式之一是质子—质子循环，循环的结果可表示为411H→42He＋201e＋2γ。已知11H和42He的质量分别为mp＝1.007 8 u和mα＝4.002 6 u，1 u＝931 MeV/c2，c为光速。在4个11H转变成1个42He的过程中，释放的能量约为(　　)
A．8 MeV　　　　　　　　 B．16 MeV
C．26 MeV D．52 MeV
解析：选C　因电子的质量远小于质子的质量，计算中可忽略不计。质量亏损Δm＝4mp－mα，由质能方程得ΔE＝Δmc2＝(4×1.007 8－4.002 6)×931 MeV≈26.6 MeV，选项C正确。
8．大科学工程“人造太阳”主要是将氘核聚变反应释放的能量用来发电。氘核聚变反应方程是：21H＋21H→32He＋10n。已知21H的质量为2.013 6 u，32He的质量为3.015 0 u，10n的质量为1.008 7 u,1 u＝931 MeV/c2。氘核聚变反应中释放的核能约为(　　)
A．3.7 MeV B．3.3 MeV
C．2.7 MeV D．0.93 MeV
解析：选B　氘核聚变反应的质量亏损为Δm＝2×2.013 6 u－(3.015 0 u＋1.008 7 u)＝0.003 5 u，释放的核能为ΔE＝Δmc2＝0.003 5×931 MeV≈3.3 MeV，选项B正确。

9．He­Ne激光器产生的波长为6.33×10－7 m的谱线是Ne原子从能量较高的激发态能级(用E1表示)向能量较低的激发态能级(用E2表示)跃迁时发生的；波长为3.39×10－6 m的谱线是Ne原子从能级E1向能量较低的激发态能级(用E3表示)跃迁时发生的。已知普朗克常量h与光速c的乘积hc＝1.24×10－6 m·eV。由此可知Ne的激发态能级E3与E2的能量差为(结果保留2位有效数字)(　　)
A．1.6 eV B．2.6 eV
C．3.6 eV D．4.0 eV
解析：选A　根据公式Em－En＝hcλ ，则有E1－E2＝hcλ1 ，E1－E3＝hcλ2 ；则有ΔE＝E3－E2＝hcλ1 －hcλ2 。代入数据，解得ΔE＝1.24×10－6×16.33×10－7－13.39×10－6eV ≈1.6 eV，故A正确，B、C、D错误。
10．(多选)(2020·北京海淀区模拟)钍234 90Th具有放射性，它能放出一个新的粒子而变为镤234 91Pa，同时伴随有γ射线产生，其方程为234 90Th→234 91Pa＋X，钍的半衰期为24天。则下列说法正确的是(　　)
A．X为质子
B．X是钍核中的一个中子转化成一个质子时产生的
C．γ射线是镤原子核放出的
D．1 g钍234 90Th经过120天后还剩0.312 5 g
解析：选BC　根据电荷数和质量数守恒知，钍核衰变过程中放出了一个电子，即X为电子，故A错误；发生β衰变时释放的电子是由核内一个中子转化成一个质子时产生的，故B正确；γ射线是镤原子核放出的，故C正确；钍的半衰期为24天，1 g钍234 90Th经过120天即经过5个半衰期，故经过120天后还剩0.031 25 g，故D错误。
11．某核电站遭受严重破坏，产生了严重的核泄漏，从核电站周围一定范围内的空气中和核电站排出的废水中分别检测出了放射性物质碘131和钚239，严重危及了人们的生命安全。已知该核电站采用的是重水反应堆，用238 92U(铀)吸收中子后生成239 94Pu(钚)，碘131的半衰期为8天，下列说法正确的是(　　)
A．排出的废水中的钚239是铀核裂变的生成物
B．若238 92U吸收中子后变成239 92U，239 92U很不稳定，则经过2次β衰变后变成239 94Pu
C．核电站的核废料可直接堆放在露天垃圾场
D．碘131的半衰期只有8天，因此16天后会全部消失
解析：选B　裂变是重核生成几个中等质量原子核的过程，铀238的质量数比钚239的小，因此钚不是铀核裂变的生成物，选项A错误；发生β衰变时质量数不发生改变，根据电荷数守恒可知239 92U发生2次β衰变后变成239 94Pu，选项B正确；核电站的核废料中具有很多的放射性物质，不可以直接堆在露天垃圾场，选项C错误；碘131的半衰期是8天，它是一个统计规律，大量的碘131在8天后会剩一半，16天后会剩四分之一，因此选项D错误。
12．现有两动能均为E0＝0.35 MeV的21H在一条直线上相向运动，两个21H发生对撞后能发生核反应，得到32He和新粒子，且在核反应过程中释放的能量完全转化为32He和新粒子的动能。已知21H的质量为2.014 1 u，32He的质量为3.016 0 u，新粒子的质量为1.008 7 u，核反应时质量亏损1 u释放的核能约为931 MeV(如果涉及计算，结果保留整数)。则下列说法正确的是(　　)
A．核反应方程为21H＋21H→32He＋11H
B．核反应前后不满足能量守恒定律
C．新粒子的动能约为3 MeV
D.32He的动能约为4 MeV
解析：选C　由核反应过程中的质量数和电荷数守恒可知21H＋21H→32He＋10n，则新粒子为中子10n，所以A错误；核反应过程中质量亏损，释放能量，亏损的质量转变为能量，仍然满足能量守恒定律，B错误；由题意可知ΔE＝(2.014 1 u×2－3.016 0 u－1.008 7 u)×931 MeV/u＝3.3 MeV，根据核反应中系统的能量守恒有EkHe＋Ekn＝2E0＋ΔE，根据核反应中系统的动量守恒有pHe－pn＝0，由Ek＝p22m，可知EkHeEkn＝mnmHe，解得EkHe＝mnmn＋mHe(2E0＋ΔE)＝1 MeV，Ekn＝mHemn＋mHe(2E0＋ΔE)＝3 MeV，所以C正确，D错误。
13．在匀强磁场中，一个原来静止的原子核，由于放出一个α粒子，结果得到一张两个相切圆的径迹照片(如图所示)，今测得两个相切圆半径之比r1∶r2＝1∶44。则

(1)图中哪一个圆是α粒子的径迹？(说明理由)
(2)这个原子核原来所含的质子数是多少？
解析：(1)因为动量守恒，所以轨道半径与粒子的电荷量成反比，所以圆轨道2是α粒子的径迹，圆轨道1是新生核的径迹，两者电性相同，运动方向相反。
(2)设衰变后新生核的电荷量为q1，α粒子的电荷量为q2＝2e，它们的质量分别为m1和m2，衰变后的速度分别为v1和v2，所以原来原子核的电荷量q＝q1＋q2。
根据轨道半径公式有r1r2＝m1v1Bq1m2v2Bq2＝m1v1q2m2v2q1，
又由于衰变过程中遵循动量守恒定律，则
m1v1＝m2v2，
以上三式联立解得q＝90e。
即这个原子核原来所含的质子数为90。
答案：(1)圆轨道2是α粒子的径迹，理由见解析　
(2)90
14．(2020·深圳模拟)某些建筑材料可产生放射性气体——氡，氡可以发生α或β衰变，如果人长期生活在氡浓度过高的环境中，那么，氡经过人的呼吸道沉积在肺部，并放出大量的射线，从而危害人体健康。原来静止的氡核(222 86Rn)发生一次α衰变生成新核钋(Po)，并放出一个能量为E0＝0.09 MeV的光子。已知放出的α粒子动能为Eα＝5.55 MeV。忽略放出光子的动量，但考虑其能量。1 u＝931.5 MeV/c2。
(1)写出衰变的核反应方程；
(2)衰变过程中总的质量亏损为多少？(保留3位有效数字)。
解析：(1)衰变方程为222 86Rn→218 84Po＋42He＋γ；
(2)忽略放出光子的动量，根据动量守恒定律，0＝pα＋pPo，
即新核钋(Po)的动量与α粒子的动量大小相等，又Ek＝p22m，
可求出新核钋(Po)的动能为EPo＝4218Eα
由题意知，质量亏损对应的能量以光子的能量和新核、α粒子动能形式出现，衰变时释放出的总能量为ΔE＝Eα＋EPo＋E0＝Δmc2
故衰变过程中总的质量亏损是Δm＝111Eα＋109E0109c2＝6.16×10－3 u。
答案：(1)222 86Rn→218 86Po＋42He　(2)6.16×10－3 u