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16.2 原子结构与原子核
考点一 原子结构................................................................................................................................................................... 1
题组1：原子结构模型..................................................................................................................................................1
题组2：α 粒子散射实验.............................................................................................................................................. 1
考点二 氢原子能级与能级跃迁........................................................................................................................................2
题组1：氢原子能级跃迁..............................................................................................................................................2
题组2：谱线条数的确定..............................................................................................................................................4
题组3：受激辐射与电离..............................................................................................................................................5
考点三 原子核的衰变及半衰期........................................................................................................................................6
题组1：射线及其性质..................................................................................................................................................6
题组2：衰变次数的确定..............................................................................................................................................7
题组3：半衰期的计算..................................................................................................................................................8
题组4：衰变与动量守恒..............................................................................................................................................9
考点四 核反应与核能..........................................................................................................................................................9
题组1：核反应方程.......................................................................................................................................................9
题组2：核反应类型.......................................................................................................................................................9
题组3：结合能与比结合能.......................................................................................................................................10
题组4：核能的计算.................................................................................................................................................... 11
16.2 原子结构与原子核
考点一 原子结构
题组1：原子结构模型
1.（单选）下列叙述符合史实的是( )
A. J.汤姆孙通过对阴极射线的研究发现电子，并提出了原子的核式结构模型
B. 卢瑟福猜想原子核内存在不带电的中子，查德威克通过α粒子轰击铍原子核实验证明了这个猜想
C. 居里夫人用α粒子轰击氮原子核，打出氧原子核和一种粒子，这种粒子为质子
D. 卢瑟福通过α粒子散射实验提出了原子核内部具有复杂结构
题组2：α 粒子散射实验
2.（单选）α粒子散射实验被评为世界十大经典物理实验之一，此实验开创了原子结构研究的先河，为建
立现代原子核理论打下了基础。关于α粒子散射实验，下列说法正确的是( )
A. 汤姆孙的α粒子散射实验结果表明原子具有核式结构
B. 该实验的数据否定了卢瑟福的“西瓜模型”，并估算了原子的大小
C. 该实验表明原子中心有一个极大的核，它占有原子体积极大的部分
D. 该实验表明原子中心的核带有原子的全部正电和绝大部分质量
1
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3. （单选）一束α粒子撞击一静止的金原子核，它们的运动轨迹如图所示。图中虚线是以金原子核为圆心
的圆。已知静电力常量k =9.0×10
9 N ⋅m
2/C
2，元电荷e =1.6×10
−19C，金原子序数为79，不考虑α粒
子间的相互作用，则( )
A. 沿轨迹1运动的α粒子受到的库仑力先做正功，后做负功
B. 沿轨迹2运动的α粒子到达P时动能为零、电势能最大
C. 位于图中虚线圆周上的3个α粒子的电势能不相等
D. 若α粒子与金原子核距离为10
−14m，则库仑力数量级为10
2 N
4. （单选）分析物理学发展史中实验的关键作用，考察不同时期的经典实验及其对物理学的贡献，探讨实
验是如何推动理论发展，能够为解决现代实验中的物理学难题提供思路和方法。下列叙述不符合物理学史
实的是( )
A. 卡文迪什通过在实验室中测量几个铅球之间的万有引力，比较准确地测出引力常量的数值，引力常量
的普适性为证明万有引力定律的正确性提供了有力的证据
B. 通过阴极射线在电场和磁场中的偏转，汤姆孙发现阴极射线由带负电的粒子组成，并成功测量了这种粒
子的比荷，这一实验结果为我们理解基本粒子的性质提供了关键信息
C. 法拉第于1831年首次观察到了电磁感应现象，他发现只要穿过闭合电路的磁通量发生变化，闭合电路
中就会产生感应电流，电磁感应现象的发现是法拉第通过理想实验法得到的
D. 开普勒在哥白尼日心说观点和第谷对行星运动观测数据的基础上，通过数学推导发现了开普勒行星运
动定律，提出所有行星绕太阳运动的轨道都是椭圆
考点二 氢原子能级与能级跃迁
题组1：氢原子能级跃迁
1. （单选）玻尔在他提出的原子模型中所作的假设不包括( )
A. 原子处于称为定态的能量状态时，电子在轨道上绕核转动，但并不向外辐射能量
B. 原子的不同能量状态与电子沿不同的圆轨道绕核运动相对应，而电子的可能轨道的分布是不连续的
C. 电子从一个轨道跃迁到另一个轨道时，辐射(或吸收)一定频率的光子
D. 电子跃迁时辐射的光子的频率等于电子绕核做圆周运动的频率
2. （单选）玻尔原子理论描述的氢原子的电子轨道示意图如图所示，E1、E2、E3分别表示电子处于轨道
1、2、3时原子具有的能量，Ek 1、Ek 2、Ek 3分别表示电子处于轨道1、2、3时具有的动能，则( )
2
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A. E1> E2> E3
B. Ek 3> Ek 2> Ek 1
C. E2−E1> E3−E2
D. |Ek 3−Ek 2|>|Ek 2−Ek 1|
3. （单选）氢原子光谱是由氢原子的核外电子从高能级向低能级跃迁产生的。如图所示是氢原子电子轨道
示意图，a、b两束光分别由处在n=5能级和n= 4能级的氢原子跃迁到n=2能级时产生，下列说法错误的
是( )
A. 氢原子的光谱是分立谱
B. 大量处于n= 4能级的氢原子向n=2能级跃迁时，能产生3种不同频率的光子
C. 氢原子不可以自发地从基态向n=5能级跃迁
D. 已知b光是蓝光，则a光可能是红光
题组2：谱线条数的确定
4. （单选）氢原子能级示意如图。现有大量氢原子处于n=3能级上，下列说法正确的是( )
A. 这些原子跃迁过程中最多可辐射出2种频率的光子
3
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B. 从n=3能级跃迁到n=1能级比跃迁到n=2能级辐射的光子频率低
C. 从n=3能级跃迁到n= 4能级需吸收0.66eV 的能量
D. n=3能级的氢原子电离至少需要吸收13.6eV 的能量
5. （单选）如图为氢原子能级的示意图，现有一个氢原子处于n= 4的激发态，当向低能级跃迁时辐射出
若干不同频率的光。关于这些光，下列说法正确的是( )
A. 该氢原子最多可辐射出6种不同频率的光
B. 用n=2能级跃迁到n=1能级辐射出的光照射逸出功为6.34 eV 的金属铂能发生光电效应
C. 波长最大的光是由n= 4能级跃迁到n=1能级产生的
D. 频率最小的光是由n=2能级跃迁到n=1能级产生的
6. （多选）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❑
4 I 13/2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❑
4 I 15/2的铒离子激发到❑
4 I 11/2能级，再通过“无辐射跃迁”跃迁到能
级❑
4 I 13/2，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
−19J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❑
4 I 11/2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
题组3：受激辐射与电离
7. （单选）如图为氢原子的能级示意图，已知可见光光子能量范围为1.63eV ∼3.10eV ，大量处于n=3
能级的氢原子向低能级跃迁时，会产生三种波长为λ31, λ32, λ21的光，下标数字表示相应的能级，下列说法
正确的是( )
4
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A. λ31= λ32+ λ21
B. 这群氢原子自发向低能级跃迁时能辐射出3种可见光
C. 用能量为2eV 的电子轰击氢原子，可以使氢原子发生电离
D. 金属钠的逸出功为2.3eV ，这三种光都可以使金属钠发生光电效应
8. （单选） μ子与氢原子核(质子)构成的原子称为μ氢原子(hydrogenmuon atom)，它在原子核物理的
研究中有重要作用．右图为μ氢原子的能级示意图，假定光子能量为E的一束光照射容器中大量处于n=2
能级的μ氢原子，μ氢原子吸收光子后，发出频率为ν1、ν2、ν3、ν4、ν5、和ν6的光，且频率依次增大，则
E等于( )
A. h(ν3−ν1)
B. h(ν5+ ν6) C. h ν3
D. h ν4
9. （多选）波长为λ1和λ2的两束可见光入射到双缝，在光屏上观察到干涉条纹，其中波长为λ1的光的条纹
间距大于波长为λ2的条纹间距。则(下列表述中，脚标“1”和“2”分别代表波长为λ1和λ2的光所对应的物理量)
( )
A. 这两束光的光子的动量p1> p2
B. 这两束光从玻璃射向真空时，其临界角C1>C2
C. 这两束光都能使某种金属发生光电效应，则遏止电压U 1>U 2
D. 这两束光由氢原子从不同激发态跃迁到n=2能级时产生，则相应激发态的电离能△E1>△E2
考点三 原子核的衰变及半衰期
题组1：射线及其性质
1. （单选）在人类对微观世界进行探索的过程中，科学实验起到了非常重要的作用。下列说法正确的是
( )
A. 查德威克用α粒子轰击铍原子核，发现了质子
B. 卢瑟福通过对α粒子散射实验的研究，揭示了原子核有复杂的结构
C. 汤姆孙通过对阴极射线的研究，发现阴极射线是原子核中的中子变为质子时产生的β射线
D. 居里夫妇从沥青铀矿中分离出了钋( Po)和镭( Ra)两种新元素
2. （单选）天然放射现象放出的三种射线的穿透能力如图所示.下列说法中正确的是( )
5
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A. 三种射线的本质都是电磁波
B. ①射线通过气体时很难把气体分子中的电子剥离
C. ②射线是高速运动的电子，速度可以接近光速
D. ③射线是原子内层电子跃迁时发射的波长很短的电磁波
3. （多选）根据相对论效应，运动粒子的质量
m=
m0
√1−(
v
c)
2，m0为粒子的静止质量。把放射源铀、钋或
镭放入用铅做成的容器中，射线只能从容器的小孔射出，成为细细的一束。已知α粒子的速度约为光速的
1
10，β粒子的速度接近光速。若在射线经过的空间施加匀强磁场，可观察到分裂成三束的实际射线轨迹，
如图所示，设α粒子的偏转半径为rα，β粒子的偏转半径为r β。若不考虑相对论效应，只根据经典物理学理
论计算出α粒子的偏转半径为r 'α，计算出β粒子的偏转半径为r ' β，以下说法正确的是( )
A. 向左偏转的是α射线
B. 向左偏转的是β射线
C. ra
r 'α
< r β
r ' β
D. ra
r 'α
> r β
r ' β
题组2：衰变次数的确定
4.（单选）2023年12月，江南造船(集团)有限责任公司正式发布全球首型、世界最大核动力集装箱船船型
设计，它采用了第四代钍基堆型熔盐反应堆，具有更高的安全性、更少的核废料、更长的使用寿命和更广
泛的能源应用前景。在该反应堆中，钍(❑90
232Th)核经过一系列的衰变最终变成了铅(❑82
208 Pb)核，下列说
法正确的是( )
A. 钍核包含有90个质子和140个中子
B. 钍核的结合能小于铅核的结合能
C. 钍核衰变为铅核经历了6次α衰变和4次β衰变
6
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D. 钍核衰变为铅核需要吸收能量
5. （单选）放射性同位素的应用非常广泛，几乎遍及各行各业。钴60的半衰期为5.27年，它发生β衰变变
成镍60，而钍❑90
232Th则会经一系列α、β衰变后生成氡❑86
220 Rn。下列说法正确的是( )
A. 10 g钴60经过10.54年全部发生衰变
B. 钴60可以作为示踪原子研究人体对药物的吸收
C. 钍❑90
232Th原子核比氡❑86
220 Rn原子核的中子数多8
D. 钍❑90
232Th衰变成氡❑86
220 Rn一共经过2次α衰变和3次β衰变
6. （单选）自然界里有一些放射性元素会发生一系列连续衰变，形成放射系。如图所示为锕系图的一部分，
纵坐标N表示中子数，横坐标Z表示质子数。则图中U衰变成Po的过程中经历α衰变和β衰变的次数分别
为( )
A. 4，3 B. 5，2 C. 6，4 D. 3，5
题组3：半衰期的计算
7. （单选）一物理学习小组研究可作为核电池材料的❑94
238 Pu衰变为 92
234U的过程，根据测量数据，用横
坐标表示时间，用纵坐标表示任意时刻❑94
238 Pu的质量m与初始时刻(t =0时)的质量m0的比值，得出的图像
如图所示。下列说法正确的是( )
A. ❑94
238 Pu衰变为 92
234U释放的α射线电离作用很弱
B. ❑94
238 Pu衰变为 92
234U释放的α射线在电场中不会偏转
C. 图像中的a=87.7
D. 图像中的b= 1
8
7
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8. （单选）碳14是碳的一种放射性同位素，在多个领域有重要应用，如呼气试验、标记化合物、测量生
物基含量等，碳14的衰变方程为
6
14C →7
14 N + X + γ，半衰期为5730年，下列说法正确的是( )
A. X为来自原子核外的电子
B. ❑7
14 N比 6
14C结合能大
C. 该衰变为α衰变
D. 5730年后，100个碳14原子只剩50个
题组4：衰变与动量守恒
9. （单选）实验观察到，静止在匀强磁场中A点的原子核发生β衰变，衰变产生的新核与电子恰在纸面内
做匀速圆周运动，运动方向和轨迹示意如图。则 ( )
A. 轨迹1是电子的，磁场方向垂直纸面向外
B. 轨迹2是电子的，磁场方向垂直纸面向外
C. 轨迹1是新核的，磁场方向垂直纸面向里
D. 轨迹2是新核的，磁场方向垂直纸面向里
10. （单选）一个原子序数为Z的静止的放射性原子核，在垂直纸面方向的匀强磁场中发生了衰变，衰变
出的粒子可能是β粒子，也可能是正电子(❑1
0e)，衰变后产生的粒子和新核都在纸面内做匀速圆周运动，
其运转方向如图中的箭头所示。若衰变产生的新核与射出的粒子圆周运动半径之比为k，下列判断正确的
是( )
A. 甲图可能符合事实，且k =(Z −1):1
B. 乙图可能符合事实，且k =1:(Z −1)
C. 丙图可能符合事实，且k =1:(Z −1)
D. 丁图可能符合事实，且k =(Z +1):1
考点四 核反应与核能
题组1：核反应方程
1.（单选）❑6
11C常被作为示踪原子，在医疗诊断等方面有很多的应用。获得❑6
11C的核反应方程为：
❑7
14 N +1
1 H →❑6
11C + X，已知❑6
11C的半衰期为20min。下列说法正确的是( )
A. 获得❑6
11C的核反应为核聚变
B. X是中子
8
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C. X的电离作用比β射线强
D. 经过40min，❑6
11C会全部发生衰变
2. （单选）氘核可通过一系列聚变反应释放能量，总的反应效果可用
61
2 H →22
4 He+ x0
1n+ y1
1 p+ 43.15 MeV 表示，式中x、y的值分别为( )
A. x =1，y =2
B. x =1，y =3
C. x =2，y =2
D. x =3，y =1
题组2：核反应类型
3. （单选）下列核反应中属于核裂变的是( )
A. 11
24 Na→12
24 Mg+−1
0 e
B. 92
235U +0
1n→54
140 Xe+38
94 Sr +20
1n
C. 9
19 F +2
4 He→10
22 Ne+1
1 H
D. 1
2 H +1
3 H →2
4 He+0
1n
4. （单选）太阳是一个巨大的热核反应堆，通过质子−质子链反应实现(如图)，第二步核反应方程为
❑1
2 H + 1
1 H →X + γ。下列说法正确的是( )
A. 该反应为衰变，X是He核
B. 该反应为聚变，X是He核
C. 该反应为衰变，X是Li核
D. 该反应为聚变，X是Li核
题组3：结合能与比结合能
5. （单选）温州三澳核电站是浙江省首个采用“华龙一号”三代核电技术的项目，核电站是利用重核裂变
发电的，其中一种裂变方程是❑92
235U +0
1n→56
144 Ba+36
89 Kr +30
1n，❑92
235U还可以自发进行α衰变
❑92
235U →90
231Th+2
4 He，已知❑92
235U、❑90
231Th、❑2
4 He的相对原子质量分别为235.0439u、231.0363u、
4.0026u，1u相当于931.5 MeV 的能量，下列关于这两个核反应的说法正确的是( )
9
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A. 衰变中❑92
235U的比结合能大于❑90
231Th的比结合能
B. 裂变反应中❑36
89 Kr的结合能大于❑92
235U的结合能
C. 升高环境温度，可使❑92
235U的半衰期变短
D. 1个❑92
235U发生一次α衰变，其释放的能量约4.66 MeV
6. （单选）钇−90具有放射性，其原子核 39
90Y 发生β衰变后能生成无辐射的 Z
90 Zr(锆−90)。t =0时钇
−90的质量为m0，经时间t后剩余钇−90的质量为m，其m
m0
−t图线如图所示。已知光在真空中的速度为c，
下列说法正确的是( )
A. Z
90 Zr中的Z =38
B. 若m
m0
= 1
8，则t =192.3h
C. 39
90Y 的比结合能大于 Z
90 Zr的比结合能
D. 质量为m0
的钇−90在时间t内放出的核能为(m0−m)c
2
题组4：核能的计算
7. （单选）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
41
1 H →2
4 He+21
0e+2v，已知❑1
1 H和❑2
4 He的质量分别为mp=1.0078u和mα = 4.0026u，
1u=931 MeV /c
2，c为光速。在4个❑1
1 H转变成1个❑2
4 He的过程中，释放的能量约为( )
A. 8 MeV
B. 16 MeV
C. 26 MeV
D. 52 MeV
10
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8. （单选）中国核工业集团有限公司研发的“华龙一号”主要是利用重核的裂变释放出大量的能量，其中
一个典型的核反应方程为❑92
235U +0
1n→56
144 Ba+36
89 Kr + x0
1n。已知铀、钡、氪的比结合能分别为E1、E2、
E3，下列说法正确的是( )
A. x等于2
B. ❑92
235U具有天然放射性，可以通过升高温度缩短其半衰期
C. 该反应过程释放的能量为235 E1−144 E2−89 E3
D. ❑92
235U在中子的轰击下发生裂变反应的过程中有质量亏损
11
