2013高考原子物理试题赏析

2013高考原子物理试题赏析

宁夏银川市第九中学　马亚鹏

原子物理研究微观粒子的运动规律和物质的基本结构，是近代物理学的重要组成部分，自20世纪以来有了长足的发展，已成为现代科学技术的基础。高中物理课程标准加强了这部分内容的教学，充分体现了物理课程的时代性特征。

 

微观世界的运动规律与宏观世界有着根本的不同，科学家对原子结构、波粒二象性的认识过程，充分展示了人类认识自然规律的科学方法，同时又是培养学生科学精神的重要内容。2013年高考物理试题对原子物理部分的考察独具特点，现选几例赏析如下。

 

一、波粒二象性

 

光子、微观粒子（如质子、中子、电子等）既具有波动性，又具有粒子性，即具有波粒二象性，其运动方式显示波动性，与实物相互作用时又显示粒子性。爱因斯坦的光电效应方程和德布罗意物质波假说分别说明了光的粒子性和微粒的波动性。光电效应现象历来都是高考考察的重点。

 

例1．（江苏卷）如果一个电子的德布罗意波长和一个中子的相等，则它们的____也相等

 

A．速度    B．动能    C．动量    D．总能量

 

解析：根据可知，波长相等时，微粒的动量大小相等。

 

答案：C

 

例2．（上海卷）当用一束紫外线照射锌板时，产生了光电效应，这时（ ）

 

A．锌板带负电           B．有正离子从锌板逸出

 

C．有电子从锌板逸出     D．锌板会吸附空气中的正离子

 

解析：光电效应是指在光的照射下金属中的电子从金属表面逸出的现象，所以产生光电效应，指有电子从锌板逸出。

 

答案：C

 

例3．（北京卷）以往我们认识的光电效应是单光子光电效应，即一个电子在短时间内能吸收到一个光子而从金属表面逸出。强激光的出现丰富了人们对于光电效应的认识，用强激光照射金属，由于其光子密度极大，一个电子在短时间内吸收多个光子成为可能，从而形成多光子电效应，这已被实验证实。

 

光电效应实验装置示意如图。用频率为的普通光源照射阴极k，没有发生光电效应，换同样频率为的强激光照射阴极k，则发生了光电效应；此时，若加上反向电压U，即将阴极k接电源正极，阳极A接电源负极，在kA之间就形成了使光电子减速的电场，逐渐增大U，光电流会逐渐减小；当光电流恰好减小到零时，所加反向电压U可能是下列的（其中W为逸出功，h为普朗克常量，e为电子电量）

 

 

A．        B．

 

C．       D．

 

解析：这是一道考查学生迁移能力的好题，题目立意新颖，紧贴现代技术。依题意，设电子吸收n个激光光子的能量发生光电效应，根据爱因斯坦光电效应方程有：，当反向电压为U时，光电流恰好为零，根据功能关系有：，两式联立，得：；又由“用频率为的普通光源照射阴极k，没有发生光电效应”可知，，故只有B选项正确。

 

答案：B

 

二、原子核式结构模型

 

人类对原子结构的认识，经历了汤姆孙的“枣糕”模型、卢瑟福的核式结构模型、玻尔模型再到量子模型的过程，其中粒子散射实验是卢瑟福提出核式结构模型的实验基础，这个实验中，用粒子轰击金箔，发现有1/8000的粒子发生了大角度偏转，对这一实验事实的细致考察，终于使卢瑟福认识到，原子是由原子核和核外电子构成的，并且原子核占据了原子几乎所有的质量和全部正电荷，但原子核的核的半径只为原子半径的十万分之一。

 

例4．（福建卷）在卢瑟福粒子散射实验中，金箔中的原子核可以看作静止不动，下列各图画出的是其中两个粒子经历金箔散射过程的径迹，其中正确的是____。（填选图下方的字母）

 

 

解析：粒子带正电，因此其靠近原子核时，会受到原子核对它的斥力作用，根据曲线运动合力和轨迹弯曲方向的关系，合力总是指向轨迹的凹侧，可判定C选项正确。

 

答案：C

 

例5．（重庆卷）如图所示，高速运动的α粒子被位于O点的重原子核散射，实线表示α粒子运动的轨迹，M、N和Q为轨迹上的三点，N点离核最近，Q点比M点离核更远，则（ ）

 

 

 A．α粒子在M点的速率比在Q点的大

 

B．三点中，α粒子在N点的电势能最大

 

C．在重核产生的电场中，M点的电势比Q点的低

 

D．α粒子从M点运动到Q点，电场力对它做的总功为负功

 

解析：本题以粒子散射实验为背景，考查带电粒子在点电荷电场中的运动。粒子带正点，在重核的电场中，离重核越近，电势能越大，动能越少，故A、D错误，B正确。正电荷的电场中，离电荷越远，电势越低，故C错误。

 

答案：B

 

三、玻尔理论与氢原子跃迁

 

玻尔的原子结构模型是中学物理教学的重点，也是学生学习的难点。玻尔模型是一个半经典半量子化的模型，认为原子只能处于一系列不连续的能量状态中，在这些能量状态中原子是稳定的，不向外辐射能量。原子只能从一种定态跃迁到另一种定态时，会辐射或吸收一定频率的光子，光子的能量由两个定态的能量差决定，即。原子的不同能量状态跟电子在不同的圆周轨道绕核运动相对应，即电子的轨道半径是量子化的，且半径越大，能级越高。

 

例6．（江苏卷）根据玻尔原子结构理论，氦离子（）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_____ （选填“近”或“远”）。 当大量处在n=4的激发态时，由于跃迁所发射的谱线有_____条。

 

 

解析：由玻尔模型可知，能级高的电子所处的轨道半径也大，故电子处在n=3轨道上比处在n=5轨道上离氦核的距离近。若大量原子处于能级n，发生跃迁时能够发射的谱线条数为，故当大量处在n=4的激发态时，由于跃迁所发射的谱线有6条。

 

例7．（上海卷）17．某半导体激光器发射波长为1.5×10^-6m，功率为5.0×10^-3W的连续激光。已知可见光波长的数量级为10^-7m，普朗克常量h＝6.63×10^-34J·s，该激光器发出的

 

A．是紫外线

 

B．是红外线

 

C．光子能量约为1.3×10^-18J

 

D．光子数约为每秒3.8×10¹⁶个

 

解析：激光器发射激光的波长比可见光的波长大，该激光器发出的激光为红外线。光子的能量，带入数据得，光子能量约为，每秒发射的光子数个。

 

答案：B、D

 

四、对核力与结合能的考查

 

核力和结合能是高中物理新课程新增的知识点。核子结合成原子核时放出能量或原子核分解成核子时要吸收能量，都叫原子核的结合能。结合能与核能的利用有重大的关系。原子核越大，它的结合能越高。因此，有意义的是它的结合能与核子数之比，称做比结合能，比结合能越大，表示原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定。比结合能小的原子核转化为比结合能大的原子核时，就会释放核能。实际测得，中等大小的核的比结合能最大，即平均每个核子的质量亏损越大，这些核最稳定。

 

例8．（新课标全国卷Ⅱ）关于原子核的结合能，下列说法正确的是（ ）

 

A．原子核的结合能等于使其完全分解成自由核子所需的最小能量

 

B．一重原子核衰变成α粒子和另一原子核，衰变产物的结合能之和一定大于原来重核的结合能

 

C．铯原子核()的结合能小于铅原子核()的结合能

 

D．比结合能越大，原子核越不稳定

 

E．自由核子组成原子核时，其质量亏损所对应的能量大于该原子核的结合能

 

解析：由结合能的定义分析可知原子核的结合能等于使其完全分解成自由核子所需的最小能量，A正确；一重原子核衰变成α粒子和另一原子核，衰变产物的核子的比结合能增加，又衰变过程质量数守恒，故衰变产物核子的结合能之和一定大于原来重核的结合能，B正确；组成原子的核子越多，原子的结合能越高，故C正确；比结合能越大，原子核越稳定，D错误；自由核子组成原子核时，其质量亏损所对应的能量等于该原子核的结合能，E错误。

 

答案：A、B、C

 

五、核反应

 

对核反应的考查是高考原子物理试题的重要题型，主要包括核反应方程的书写，原子核的衰变反应和核的人工转变，以及核物理与科技、社会相结合的题目。

 

例9．（海南卷）原子核Th具有天然放射性，它经过若干次α衰变和β衰变后会变成新的原子核。下列原子核中，有三种是Th衰变过程中可以产生的，它们是     

 

A．Pb    B．Pb    C．Po    D．Ra    E．Ra

 

解析：设进行了n次α衰变和m次β衰变后，新的原子核为，则衰变方程为：

，衰变过程中，电荷数和质量数守恒，即：

 

，

 

将选项中新原子核的电荷数核质量数带入上式，解得m和n都为自然数的符合题意。

 

答案：A、C、D

 

例10．（重庆卷）铀是常用的一种核燃料，若它的原子核发生了如下的裂变反应：则a+b可能是（ ）

 

A．                B．

 

C．                 D．

 

解析：根据核裂变反应中电荷数和质量数守恒，可知只有D选项符合题意。

 

答案：D

 

例11．（上海卷）在一个原子核衰变为一个原子核的过程中，发生β衰变的次数为（ ）

 

A．6次    B．10次    C．22次    D．32次

 

解析：设原子核衰变为一个原子核的过程中，进行了n次α衰变和m次β衰变，则衰变方程为：，根据电荷数和核子数守恒，得：，即6次β衰变。

 

答案：A

 

例12．（上海卷）放射性元素衰变为，此衰变过程的核反应方程是＿＿＿；用此衰变过程中发出的射线轰击，可得到质量数为22的氖(Ne)元素和另一种粒子，此核反应过程的方程是＿＿＿。

 

解析：根据核反应过程中质量数守恒和电荷数守恒，可写出核反应方程。

 

答案： →+He   He+→Ne+H。

 

例13．（大纲全国卷）放射性元素氡（）经α衰变成为钋，半衰期为3.8天；但勘测表明，经过漫长的地质年代后，目前地壳中仍存在天然的含有放射性元素的矿石，其原因是（    ）

 

A．目前地壳中的主要来自于其它放射元素的衰变

 

B．在地球形成的初期，地壳中元素的含量足够高

 

C．当衰变产物积累到一定量以后，的增加会减慢的衰变进程

 

D．主要存在于地球深处的矿石中，温度和压力改变了它的半衰期

 

解析：由于的半衰期较短，可推知目前地壳中的主要来自于其它放射元素的衰变产生，放射性元素的半衰期不因物理、化学条件的变化而变化，故只有A符合题意。

 

答案：A

 

例14．（广东卷）铀核裂变是核电站核能的重要来源，其一种裂变反应，下列说法正确的有（ ）

 

A．上述裂变反应中伴随着中子放出

 

B．铀块体积对链式反应的发生无影响

 

C．铀核的链式反应可人工控制

 

D．铀核的半衰期会受到环境温度的影响

 

解析：上述裂变反应伴随着中子的放出，这些中子继续与其他铀核发生反应，再引起新的裂变，使核裂变反应不断地进行下去，这种反应称之为链式反应。铀块的大小是能否发生链式反应的重要因素，这是因为原子核的体积非常小，原子内部空隙很大，如果铀块不够大，中子在铀块中通过，就有可能碰不到铀核而跑到铀块的外面去，链式反应不能继续。只有当铀块足够大时，裂变产生的中子才有足够的概率打中某个铀核，使链式反应继续下去。通常把裂变物质能够发生链式反应的最小体积叫做它的临界体积，相应的质量叫做临界质量。在现代的技术条件下，原子核的裂变反应可以再人工控制下进行，其释放的核能可以为人类的和平建设服务。放射性元素的半衰期由核内部自身的因素决定，跟原子所处的化学状态和外部条件没有关系。

 

答案：A、C

 

例15．（山东卷）恒星向外辐射的能量来自于其内部发生的各种热核反应，当温度达到10⁸K时，可以发生“氦燃烧”。①完成“氦燃烧”的核反应方程：。

 

②是一种不稳定的粒子，其半衰期为2.6×10^-16s。一定质量的，经7.8×10^-16s后所剩下的占开始时的       。

 

解析：核反应过程中电荷数核质量数守恒可知，①空应填。剩余原子核质量m与参加衰变原子质量之间的关系为，为半衰期。带入数据，可得：

 

答案：，1/8

 

例16．（新课标全国卷Ⅰ）一质子束入射到能止靶核上，产生如下核反应:

 

                     

 

式中P代表质子，n代表中子，X代表核反应产生的新核.由反应式可知，新核X的质子数为          ，中子数为          。

 

解析：核反应过程中电荷数核质量数守恒，可知新核X中的质子数为14，中子数等于质量数减质子数，可得中子数为13。

 

答案：14，13

 

例17．（天津卷）下列说法正确的是（ ）

 

A．原子核发生衰变时要遵守电荷守恒和质量守恒的规律

 

B. α射线、β射线、γ射线都是高速运动的带电粒子流

 

C．氢原子从激发态向基态跃迁只能辐射特定频率的光子

 

D．发生光电效应时光电子的动能只与入射光的强度有关

 

解析：核反应过程中，遵循电荷数守恒和质量数守恒。但质量不守恒，这是因为衰变过程中会以γ射线的形式释放能量，根据爱因斯坦质能方程，释放的能量是核反应过程中质量亏损转化而来的，故A选项错误。γ射线是高能电磁波，故B选项错。C选项为正确选项。光电效应中，光电子的初动能由入射光的频率决定。

2013-10-09  人教网

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