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第68 讲 原子结构与原子核
目
录
01 课标达标练..................................................................................................................................................................................1
01
子
原
结构与玻尔理论...................................................................................................................................................1
02
子
原
核的衰变.................................................................................................................................................................4
03
能
能
核
与核
...................................................................................................................................................................6
02 核心突破练..................................................................................................................................................................................7
03 真题溯源练...............................................................................................................................................................................13
01 原子结构与玻尔理论
1．（2025·湖南郴州·模拟预测）物理学家通过对实验的深入观察和研究，获得了正确的科学认知，进而推
动了物理学的发展。下列说法符合事实的是（ ）
A．洛伦兹通过一系列实验证实了麦克斯韦关于光的电磁理论
B．查德威克用
粒子轰击
，获得反冲核
，发现了中子
C．贝克勒尔发现的天然放射现象，说明原子核有复杂结构
D．汤姆孙通过对阴极射线的研究，提出了原子核式结构模型
2.（24-25 高三下·湖北·阶段练习）我国基于量子力学原理研制的超导置子计算机“祖冲之三号”是目前该
领域的新标杆。量子化是量子力学的基础，下列选项中体现了量子化的是（ ）
A．原子核式结构模型
B．氢原子能级
C．结合能
D．质量亏损
3.（2025·山东·三模）光子能量处在
范围内的光为可见光。氢原子的能级图如图所示，现
1
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有大量处于
能级的氢原子，这些氢原子向低能级跃迁可辐射出可见光光子的种类最多为（ ）
A．1 种
B．2 种
C．3 种
D．6 种
4．（2025·湖北十堰·模拟预测）如图所示为氢原子能级的示意图。现有大量处于
能级的氢原子向低
能级跃迁并辐射出光子。已知紫外线的光子的能量大于
，金属钠的逸出功为
。下列说法
正确的是（ ）
A．氢原子从
能级跃迁到基态辐射出的光波长最长
B．氢原子从
能级跃迁到
能级辐射出的光属于紫外线
C．氢原子从
能级跃迁到
能级辐射出的光照射金属钠时能发生光电效应
D．氢原子从
能级跃迁到
能级辐射出的光照射处于
能级的氢原子，可使其发生电离
5．（2025·甘肃平凉·模拟预测）用激光照射基态氢原子，使氢原子处于激发态，激发态氢原子跃迁产生6
种谱线，用6 种谱线分别照射某金属材料，只有三种谱线能使金属发生光电效应，对应光电子最大初动能
之比的最大比值为2，已知氢原子基态能量为
；下列说法正确的是（ ）
2
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A．激光能量为12.09
B．金属逸出功为7.65
C．所有光电子的最大初动能为2.55
D．光电管的遏止电压最大值为10.2V
6．（2025 高三下·河北·学业考试）氢原子能级图如图所示，大量处于n＝4 能级的氢原子向低能级跃迁时，
辐射出的光子中，发现有两种频率的光子能使金属P 发生光电效应，则下列说法正确的是（ ）
A．金属P 的逸出功一定大于10.2eV
B．辐射出的光子一共有5 种频率
C．辐射出的光子中，从n＝4 能级跃迁到n＝3 能级对应的波长最短
D．氢原子从高能级跃迁到低能级后，氢原子的能量增大
02 原子核的衰变
7.（2025·浙江·模拟预测）静止在
点的碘
原子核发生衰变的同时，在空间中外加一个如图所示的匀
强电场。之后衰变产物A、B 两粒子的运动轨迹OA、OB 如图虚线所示，不计重力和两粒子间的相互作用，
3
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下列说法正确的是（ ）
A．碘131 原子核发生的是
衰变
B．两个粒子的轨迹为两个外切的圆弧
C．A 粒子初动能小于B 粒子初动能
D．两粒子初速度大小相同
8.（2025·河北沧州·三模）原子和原子核物理在近一百年取得了很大的成就。关于这一领域，下列说法正确
的是（ ）
A．
粒子散射现象说明原子核具有复杂的结构
B．由
可知，在密闭容器中混合存放一定比例的氦气和
，几天后将有
生成
C．碘
的半衰期为
天，则
个碘原子核经
天后一定剩下一个原子核
D．光电效应和康普顿效应都说明光具有粒子性
9.（2025·湖北·二模）硼中子俘获疗法是目前治疗癌症最先进的手段之一，其治疗原理是先向患者体内注射
含硼
药物，药物很快聚集在肿瘤细胞内，再用中子束照射肿瘤部位，当中子被肿瘤细胞中的
俘获时发生核反应
，产生的
粒子可以精确地杀死肿瘤细胞而不会对相邻
的正常细胞产生过多影响。已知
、
、
粒子的比结合能分别为
、
、
。以下说法正确的
是（ ）
A．该反应属于
衰变
B．该核反应无
射线产生
C．反应前后质量数守恒，质量也守恒
D．该核反应释放的能量为
4
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10.（2025·辽宁本溪·二模）2025 年3 月4 日《新浪网》消息，内蒙古发现22 万吨“钍”矿，够14 亿中国
人使用2 万年！钍（Th）原子序数90，原子量232.04，为银白色重金属，熔点1690~1750，沸点
，化学活性与镁相似。钍是长寿命天然放射性元素，在自然界中有6 种天然同位素，其中
232Th 几乎占钍的天然同位素丰度的100%，其他同位素丰度很低。232Th 为放射性元素，可发生
衰变，
半衰期为139 亿年，其衰变方程为
，则下列说法正确的是（ ）
A．原子核X 为
B．
粒子来自原子核X
C．温度升高232Th 的半衰期变小
D．含232Th 的化合物比232Th 单质衰变得可能慢些
11.（24-25 高三下·甘肃·期中）
是一种具有放射性的磷的同位素，它能衰变成为一种稳定的硫的同位
素
，同时产生高频电磁波。下列说法正确的是（ ）
A．
比
的质量大
B．
比
的结合能小
C．
发生的是
衰变
D．如果加热含有器
的物体，将会缩短器
的半衰期
03 核反应与核能
12.（2025·湖南长沙麓山外国语实验中学·一模）下列四幅图分别对应四种说法，其中正确的是（ ）
A．图甲中铀238 的半衰期是45 亿年，经过45 亿年，10 个铀238 必定有5 个发生衰变
B．图乙中氘核的比结合能小于氦核的比结合能
C．图丙中一个氢原子从n=4 的能级向基态跃迁时，最多可以放出6 种不同频率的光
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D．图丁中为光电效应实验，用不同光照射某金属得到的
关系图，则a 光频率最高
13.（2025·河南·模拟预测）中国环流二号“人造太阳”装置中的核反应方程为
，已
知
、
、X 的比结合能分别为
、
、
，下列说法正确的是（ ）
A．该核反应也叫链式反应，是目前核电站的主要核反应
B．X 为
C．
、
、
中
最小
D．该核反应释放的能量为
14.（2025·重庆·三模）中国参与全球最大“人造太阳”国际热核聚变实验堆（ITER）研制，它利用氘
和氚
聚变生成氦
并释放能量，则（ ）
A．核反应方程为：
B．核反应方程为：
C．
的比结合能比
的比结合能大
D．核聚变相比核裂变产能效率更低一些
15.（2025·湖北孝感·三模）新华社合肥2024 年1 月14 日电，每平方米每秒钟可极速喷射出亿亿亿个粒子！
记者从中国科学院合肥物质科学研究院获悉，该院大科学团队成功研制强流直线等离子体装置“赤霄”，
如同一把性能超强的“激光剑”，为研制“人造太阳”核心材料提供科技利器，14 日经专家组鉴定，“赤
霄”参数达到设计指标，整体性能国际先进。中国的“人造太阳”成功实现稳态高约束模式等离子体运行
时间403 s，创造了世界纪录。“人造太阳”在工作时进行两种热核聚变反应：
H＋H→
He＋X＋17.6
MeV 和
He＋
He→
He＋2Y＋
M
12.86
ev，其内部结构如图，下列说法正确的是（ ）
6
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A．目前主流核电站都在利用热核聚变进行发电
B．反应中释放出的X 粒子会受到线圈磁场的磁约束力
C．反应中释放出的Y 粒子为中子
D．
He 核子平均质量大于
He 核子平均质量
16.（2025·辽宁沈阳·二模）铯137 是铯133 的同位素，其衰变方程为
，其中
的质量为
，
的质量为
，X 的质量为
，光在真空中的传播速度为c。下列说法正确的是（
）
A．X 为中子
B．铯137 比铯133 多4 个核子
C．一个
衰变释放的核能为
D．铯137 的半衰期会随着原子核数量的减少而变长
17.（2025·江苏苏州·三模）我国首座钍基熔盐实验堆采用钍
作为燃料，并使用熔盐冷却剂，避免了
核污水排放。
吸收中子后会发生的一系列核反应：
。
已知
的半衰期为16 万年，某次实验中生成0.5g 的
。下列说法正确的是（ ）
A．
衰变为
衰变
B．
比
多1 个质子
C．
的比结合能小于
的比结合能
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D．经过32 万年，剩余
质量为0.125g
18.（2025·山西·模拟预测）钷（
）可用作密度计、测厚仪的放射源，钷
发生β 衰变，生成
并产生
射线。则下列说法正确的是（ ）
A．钷
发生β 衰变时，释放的β 射线来自
核外
B．钷
发生β 衰变时，释放的
射线由
释放
C．
比
的比结合能大
D．
射线比β 射线的电离能力强
19．（2024·辽宁鞍山·一模）已知氘核
质量为2.0141u，氦核
质量为4.0026u，1u 相当于
M
931.5
eV
的能量，则两个氘核结合成一个氦核时（ ）
A．释放
M
24
eV 的能量
B．释放
M
1852
eV 的能量
C．吸收
M
24
eV 的能量
D．吸收
M
1852
eV 的能量
1.（2025·重庆北碚·模拟预测）巴耳末系是指氢原子从n=3，4，5，6 能级跃迁到n=2 能级时
发出的光谱线系如图甲所示，因瑞士数学教师巴耳末于1885 年总结出其波长通项公式(巴耳
末公式)而得名。图乙中给出了巴耳末谱线对应的波长，其中
、
、
谱线均在可见光
区，可见光的光子能量在
到
之间，则下列说法正确的是（ ）
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A．
谱线对应光子的能量大于
谱线对应光子的能量
B．
、
谱线分别用于同一套双缝干涉仪器，屏上观察到的
谱线的条纹间宽更大
C．巴耳末系可见光区的三条谱线中，
谱线在水中传播速度最大
D．
谱系的光照射逸出功为
的钨，能发生光电效应现象
2.（2025·四川巴中·三模）某高校开展氢谱实验，研究团队利用不同能量的电子与光子轰击基
态氢原子以观察能级跃迁现象。氢原子能级如图所示，则下列说法正确的是（ ）
A．用光子能量为13.2eV 的光照射基态氢原子，光子能被吸收使其跃迁到n=2 能级
B．动能为13.2eV 的电子轰击氢原子时，原子不可能发生跃迁
C．用光子能量为1.75eV 的光照射n=3 状态的氢原子时，氢原子不能电离
D．氢原子越高，电子动能越小，轨道半径越大
3.（2025·湖北武汉·三模）钋核（
）和钍核（
）的衰变方程分别为：
，
已知Po 的半衰期约为102 年，下列说法正确的是（
）
A．Y 是来自于原子核外的电子
9
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B．
核的比结合能小于
核
C．10 个
核经过102 年后不一定还剩5 个
核
D．
的衰变过程吸收能量，
的衰变过程释放能量
4．（2025·辽宁·模拟预测）用光照射金属钠时逸出的光电子的最大初动能
随入射光频率
变化的图像如图（a）所示，氢原子的能级图如图（b）所示。下列说法正确的是（ ）
A．金属钠的极限频率为
B．金属钠的逸出功约为2.29eV
C．逸出的光电子的最大初动能与入射光的频率成正比
D．若用氢原子从
能级跃迁到
能级时辐射的光照射金属钠，将有光电子逸出
5．（2025·河北·模拟预测）与天然的粒子类似，人造的量子比特通常也由不同的能级组成，
其中能量较低的能级为基态，能量较高的能级为激发态。已知某量子比特的两个能级能量分
别为E1和E2（E2>E1），其能级差为
。若用微波光子激发该量子比特从E1跃迁
至E2，普朗克常量为h。关于此过程，下列说法正确的是（ ）
A．微波光子的频率必须严格等于
B．微波光子的频率只需略大于
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C．量子比特跃迁时会释放能量为
的光子
D．能级差
越大，所需微波光子的波长越长
6．（2025·辽宁沈阳·三模）巴耳末系在可见光区的四条谱线及相应的氢原子能级图分别如图
和图
所示。谱线
、
、
和
按波长依次排列，其中
是红光谱线，则下列说法
正确的是（ ）
A．原子内部电子的运动是原子发光的原因
B．
对应的光子能量比
对应的光子能量大
C．
可能是氢原子从
能级向
能级跃迁时产生的
D．处于
能级的氢原子能吸收2eV 的光子，跃迁到
能级
7．（2025·四川·模拟预测）飞秒激光是一种具有超短脉冲持续时间的激光技术，可用于近视
手术。某飞秒激光器可产生波长
约为10-6m 的近红外激光，单脉冲能量
约为
。普朗克常量
，光速
，
，
如图为氢原子能级图。下列说法正确的是（ ）
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A．激光器发出的单个光子能量为
B．一次单脉冲过程发出的激光光子数为
C．该激光能使逸出功小于脉冲能量
的所有金属发生光电效应
D．该激光能使处于基态的氢原子发生跃迁
8.（2025·北京海淀·二模）对于静止的自由原子，当其从高能级向低能级跃迁发射光子时，原
子会因反冲而获得一定的能量，该能量远小于原子两能级之差，所以可认为光子的能量等于
两能级之差。对于静止的自由原子核，当其从高能级向低能级跃迁发出高能
射线时，原子
核也会因反冲而获得一定的能量。通常情况下，与
射线的能量相比，原子核因反冲而获得
的能量不可忽略。若将放射源和吸收源进行冷却，部分原子核被严格束缚在晶体的晶格位置，
这些原子核在发射或吸收
射线时，反冲可以被完全抑制。根据以上信息，对于两能级差仅
为E 的原子核，下列说法错误的是（ ）
A．自由原子核在发射或吸收
射线的过程中，原子核和
射线组成的系统动量守恒
B．单个静止的自由原子核发射的
射线的能量一定小于E
C．单个静止的自由原子核吸收的
射线的能量一定大于E
D．单个被严格束缚在晶格位置的原子核吸收的
射线的能量小于E
9．（2025·贵州遵义·模拟预测）郭守敬望远镜是我国建造的全球最大光谱巡天望远镜，通过
观测并获取了氢原子光谱中巴耳末系的谱线信息。已知巴耳末系中的四条谱线
的波长依次减小，则这四条谱线所对应的单个光子能量最高的是（ ）
A．
B．
C．
D．
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10．（2025·吉林通化·一模）某静止的原子核发生核反应且释放出能量Q。其方程为
，并假
设释放的能量全都转化为新核Y 和Z 的动能，其中Z 的速度为v，以下结论正确的是（ ）
A．Y 原子核的动能是Z 原子核的动能的
倍
B．Y 原子核的速度大小为
C．Y 原子核和Z 原子核的质量之和比X 原子核的质量大
（
为光速）
D．中核核电站产生的核能与该核反应属于同种类型
11．（2025·辽宁丹东·二模）如图，卢瑟福用
粒子轰击氮原子核产生了氧原子核和一个质子，这是人类
第一次实现了原子核的人工转变。若利用速度为
的
粒子去轰击静止的氮原子核，该反应过程遵循动量
守恒定律，忽略粒子间的作用力和相对论效应，且反应前后粒子都在一条直线上运动，已知
粒子、氮原
子核、氧原子核和质子的质量分别为
、
、
、
，核反
应时质量亏损1u 释放的核能约为
M
931.5
eV，若反应后氧原子核与质子同向运动且速度大小之比为1∶50。
以下说法正确的是（ ）
A．该核反应方程是
B．反应后氧原子核的速度大小约为
C．核反应中释放的能量约为
M
2.23
eV
D．该反应中的质量亏损
12．（2024·辽宁·模拟预测）2023 年12 月14 日，中核集团核工业西南物理研究院与国际热核聚变实验堆
ITER 总部签署协议，宣布新一代人造太阳“中国环流三号”面向全球开放，邀请全世界科学家来中国集智
公关，共同追逐“人造太阳”梦想。该“人造太阳”中的一种核反应是一个氘核与一个氚核结合成一个氦
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核并释放出一个粒子，同时释放能量用来发电。氘核的质量为m1，氚核的质量为m2，氦核的质量为m3，
反应中释放的核能为ΔE，光速为c。
（1）写出上述“人造太阳”核反应方程；
（2）求出释放出的粒子的质量m4；
（3）若此装置中的另一种核反应的方程是
，已知
、
核的比结合能分别为
，试求此核反应过程中释放的核能。
1．（2025·湖南高考真题）关于原子核衰变，下列说法正确的是（ ）
A. 原子核衰变后生成新核并释放能量，新核总质量等于原核质量
B. 大量某放射性元素的原子核有半数发生衰变所需时间，为该元素的半衰期
C. 放射性元素的半衰期随环境温度升高而变长
D. 采用化学方法可以有效改变放射性元素的半衰期
2．（2025·北京·高考真题）自然界中物质是常见的，反物质并不常见。反物质由反粒子构成，它是科学研
究的前沿领域之一。目前发现的反粒子有正电子、反质子等；反氢原子由正电子和反质子组成。粒子与其
对应的反粒子质量相等，电荷等量异种。粒子和其反粒子碰撞会湮灭。反粒子参与的物理过程也遵守电荷
守恒、能量守恒和动量守恒。下列说法正确的是（ ）
A．已知氢原子的基态能量为
，则反氢原子的基态能量也为
B．一个中子可以转化为一个质子和一个正电子
C．一对正负电子等速率对撞，湮灭为一个光子
D．反氘核和反氘核的核聚变反应吸收能量
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5．（2025·河南·高考真题）由于宇宙射线的作用，在地球大气层产生有铍的两种放射性同位素
和
。
测定不同高度大气中单位体积内二者的原子个数比，可以研究大气环境的变化。已知
和
的半衰期
分别约为53 天和139 万年。在大气层某高度采集的样品中，研究人员发现
和
的总原子个数经过
106 天后变为原来的
，则采集时该高度的大气中
和
的原子个数比约为（ ）
A．
B．
C．
D．
4．（2025·湖北·高考真题） PET（正电子发射断层成像）是核医学科重要的影像学诊断工具，其检查原理
是将含放射性同位素（如：
）的物质注入人体参与人体代谢，从而达到诊断的目的。
的衰变方程为
，其中
是中微子。已知
的半衰期是110 分钟。下列说法正确的是（ ）
A． X 为
B．该反应为核聚变反应
C．1 克
经110 分钟剩下0.5 克
D．该反应产生的
在磁场中会发生偏转
5．（2025·重庆·高考真题）在科学实验中可利用激光使原子减速，若一个处于基态的原子朝某方向运动，
吸收一个沿相反方向运动的能量为E 的光子后跃迁到相邻激发态，原子速度减小，动量变为P。普朗克常
量为h，光速为c，则（ ）
A．光子的波长为
B．该原子吸收光子后质量减少了
C．该原子吸收光子后德布罗意波长为
D．一个波长更长的光子也能使该基态原子跃迁到激发态
6．（2025·甘肃·高考真题）利用电子与离子的碰撞可以研究离子的能级结构和辐射特性。
离子相对
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基态的能级图（设基态能量为0）如图所示。用电子碰撞
离子使其从基态激发到可能的激发态，若所
用电子的能量为
，则
离子辐射的光谱中，波长最长的谱线对应的跃迁为（ ）
A．
能级
B．
能级
C．
能级
D．
能级
7．（2024·浙江·高考真题）玻尔氢原子电子轨道示意图如图所示，处于n =3 能级的原子向低能级跃迁，
会产生三种频率为
、
、
的光，下标数字表示相应的能级。已知普朗克常量为h，光速为c。正
确的是（ ）
A．频率为
的光，其动量为
B．频率为
和
的两种光分别射入同一光电效应装置，均产生光电子，其最大初动能之差为
C．频率为
和
的两种光分别射入双缝间距为d，双缝到屏的距离为L 的干涉装置，产生的干涉条
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纹间距之差为
。
D．若原子n=3 跃迁至 n=4 能级，入射光的频率
8．（2024·江苏·高考真题）如图所示，纳原子在几个能级间跃迁时辐射的光的波长分别为
、
、
和
。其中只有一种波长的光能使某种金属发生光电效应，该光的波长为（ ）
A．λ1
B．λ2
C．λ3
D．λ4
9．（2025·浙江·高考真题）同位素
相对含量的测量在考古学中有重要应用，其测量系统如图1 所示。
将少量古木样品碳化、电离后，产生的离子经过静电分析仪ESA-I、磁体-I 和高电压清除器，让只含有三
种碳同位素
、
、
的
离子束（初速度可忽略不计）进入磁体-Ⅱ．磁体-Ⅱ由电势差为U 的加
速电极P，磁感应强度为B、半径为R 的四分之一圆弧细管道和离子接收器F 构成。通过调节U，可分离
、
、
三种同位素，其中
、
的
离子被接收器F 所接收并计数，它们的离子数百分比与U
之间的关系曲线如图2 所示，而
离子可通过接收器F，进入静电分析仪ESA-Ⅱ，被接收器D 接收并计
算。
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(1)写出中子与
发生核反应生成
，以及
发生
衰变生成
的核反应方程式：
(2)根据图2 写出
的
离子所对应的U 值，并求磁感应强度B 的大小（计算结果保留两位有效数字。已
知
，原子质量单位
，元电荷
）；
(3)如图1 所示，ESA-Ⅱ可简化为间距
两平行极板，在下极板开有间距
的两小孔，仅允许
入射角
的
离子通过。求两极板之间的电势差U：
(4)对古木样品，测得
与
离子数之比值为
；采用同样办法，测得活木头中
与
的比值为
，由于它与外部环境不断进行碳交换，该比例长期保持稳定。试计算古木被砍伐距今的时间（已
知
的半衰期约为5700 年，
）
18
