【物理】2020届二轮复习专题八光电效应　原子结构与原子核学案

【物理】2020届二轮复习专题八光电效应　原子结构与原子核学案

专题八　光电效应　原子结构与原子核 ‎『相关知识链接』‎ ‎1．光电效应的实验规律 ‎(1)任何一种金属都有一个极限频率，入射光的频率低于这个频率时不发生光电效应．‎ ‎(2)光电子的最大初动能与入射光的强度无关，只随入射光频率的增大而增大．‎ ‎(3)入射光照射到金属板上时，光电子的发射几乎是瞬时的，一般不会超过10－9 s.‎ ‎(4)当入射光的频率大于极限频率时，饱和光电流的大小与入射光的强度成正比．‎ ‎2．光电效应方程 ‎(1)光电子的最大初动能Ek跟入射光子的能量hν和逸出功W0的关系为：Ek＝hν－W0.‎ ‎(2)极限频率νc＝.‎ ‎3．氢原子能级图 ‎(1)氢原子能级图如图所示．‎ ‎(2)一群氢原子处于量子数为n的激发态时，最多可能辐射出的光谱线条数：N＝C＝.‎ ‎4．原子核的衰变 衰变类型 α衰变 β衰变 衰变方程 X→Y＋He X→Y＋ 0－1e 衰变实质 ‎2个质子和2个中子结合成一整体射出 核内的中子转化成一个质子和一个电子 ‎2H＋2n→He n→H＋ 0－1e 衰变规律 电荷数守恒、质量数守恒 ‎5.核能 ‎(1)原子核的结合能：克服核力做功，做原子核分解为单个核子时吸收的能量，或若干单个核子在核力的作用下结合成原子核时放出的能量．‎ ‎(2)质量亏损：原子核的质量小于组成它的核子的质量之和的现象．注意质量数与质量是两个不同的概念．‎ ‎(3)质能方程：E＝mc2，即一定的能量和一定的质量相联系，物体的总能量与它的质量成正比．‎ ‎『备考策略锦囊』‎ ‎1．必须掌握的“方法技巧”‎ ‎(1)看到“谱线条数”想到N＝C＝.‎ ‎(2)看到“遏止电压”，想到“与光电子最大初动能的关系：Ek＝eUc”．‎ ‎(3)看到“逸出功”，想到“与极限频率的关系：W0＝hνc”．‎ ‎(4)计算核能时：‎ 看到“核质量单位是kg”，‎ 想到“用ΔE＝Δmc2计算，ΔE的单位是J”；‎ 看到“核质量单位是u”，‎ 想到“用ΔE＝Δm×931.5 MeV计算，ΔE的单位是MeV”．‎ ‎2．必须明确的“3个易错易混点”‎ ‎(1)能级跃迁时吸收光子的能量和吸收实物粒子的能量是相同的．‎ ‎(2)半衰期是统计规律，对单个原子核无意义．‎ ‎(3)γ射线是伴随着α衰变、β衰变而产生的能量形式．‎ 高考考向1　氢原子能级跃迁和光电效应 ‎[例1]　[2019·全国卷Ⅲ，16]氢原子能级示意图如图所示. 光子能量在1.63 eV～3.10 eV的光为可见光. 要使处于基态(n＝1)的氢原子被激发后可辐射出可见光光子，最少应给氢原子提供的能量为(　　)‎ A．12.09 eV B．10.20 eV C．1.89 eV D．1.51 eV ‎【命题意图】　本题考查原子的能级跃迁问题，体现了模型建构的核心素养．‎ ‎【解析】　由题图数据分析可知，只有氢原子从n＝3能级跃迁到n＝2能级辐射出的光子能量在可见光光子能量范围内，所以处于基态(n＝1)的氢原子最少也要跃迁到n＝3能级，氢原子吸收的能量最小为ΔE＝E3－E1＝12.09 eV，故选A.‎ ‎【答案】　A ‎[例2]　[2019·北京卷，19]光电管是一种利用光照射产生电流的装置，当入射光照在管中金属板上时，可能形成光电流．表中给出了6次实验的结果．‎ 组 次 入射光子的 能量/eV 相对光强 光电流 大小/mA 逸出光电子的 最大动能/eV 第一组 ‎1‎ ‎2‎ ‎3‎ ‎4.0‎ ‎4．0‎ ‎4．0‎ 弱 中 强 ‎29‎ ‎43‎ ‎60‎ ‎0.9‎ ‎0．9‎ ‎0．9‎ 第二组 ‎4‎ ‎5‎ ‎6.0‎ ‎6．0‎ 弱 中 ‎27‎ ‎40‎ ‎2.9‎ ‎2．9‎ ‎6‎ ‎6．0‎ 强 ‎55‎ ‎2．9‎ 由表中数据得出的论断中不正确的是(　　)‎ A．两组实验采用了不同频率的入射光 B．两组实验所用的金属板材质不同 C．若入射光子的能量为5.0 eV，逸出光电子的最大动能为1.9 eV D．若入射光子的能量为5.0 eV，相对光强越强，光电流越大 ‎【命题意图】　本题考查了光电管在光照下产生光电流的现象和考生的实验数据分析能力，培养了考生的科学探究素养．‎ ‎【解析】　表格中入射光子的能量不同，根据光子的能量E＝hυ可知两组实验采用的入射光的频率不同，再由光电效应方程解得两组实验中金属的逸出功都是3.1 eV，所以A选项正确，B选项不正确．当入射光子的能量为5.0 eV时，Ekm＝hυ－W＝1.9 eV，故C选项正确．当入射光子的能量为5.0 eV时，相对光强越强，单位时间内飞出的光电子越多，光电流越大，所以D项正确．‎ ‎【答案】　B ‎『多维训练』‎ ‎1．如图所示为氢原子的能级图，下列说法正确的是(　　)‎ A．欲使处于基态的氢原子被激发，可用12.09 eV的光子照射 B．处于n＝1能级的氢原子可以吸收13 eV的光子的能量 C．当氢原子从n＝5能级跃迁到n＝2能级时，要吸收光子 D．一群处于n＝4能级的氢原子向低能级跃迁，辐射的光子频率最多有12种 解析：根据玻尔理论，用12.09 eV的光子照射时，吸收光子后氢原子的能量为－13.6 eV＋12.09 eV＝－1.51 eV，所以能从基态发生跃迁，跃迁到n＝3能级，选项A正确；由于氢原子的能级图中，不存在能量为13 eV的能级差，所以处于n＝1能级的氢原子不可能吸收13 eV的光子的能量，选项B错误；氢原子从高能级跃迁到低能级时，放出光子，选项C错误；根据C＝6可知，一群处于n＝4能级的氢原子向低能级跃迁，辐射的光子频率最多有6种，选项D错误．‎ 答案：A ‎2．(多选)如图是分别对两种金属甲和乙用不同频率的光照射发生光电效应时，光电子的最大初动能与入射光频率间的函数图象，下列判断正确的是(　　)‎ A．甲与乙不一定平行 B．乙金属的极限频率大 C．图象纵轴截距由入射光强度决定 D．甲与乙的斜率是固定值，与入射光和金属材料皆无关系 解析：根据光电效应方程Ekm＝hν－W0＝hν－hνc知，图线的斜率表示普朗克常量，根据图线斜率可得出普朗克常量，因此甲与乙一定平行，且两斜率是固定值，与入射光和金属材料皆无关系，故A错误、D正确；横轴截距表示最大初动能为零时的入射光频率，此时的频率等于金属的极限频率，由图可知乙金属的极限频率大，故B正确；纵截距对应ν＝0的时候，此时纵截距就是逸出功的相反数，根据W0＝hνc可求出，与入射光强度无关，故C错误．‎ 答案：BD ‎3．(多选)在光电效应实验中，分别用频率为νa、νb的单色光a、b照射到同种金属上，测得相应的遏止电压分别为Ua和Ub、光电子的最大初动能分别为Eka和Ekb.h为普朗克常量．下列说法正确的是(　　)‎ A．若νa>νb，则一定有Uaνb，则一定有Eka>Ekb C．若Uaνb，则一定有hνa－Eka>hνb－Ekb 解析：光电效应中遏止电压与最大初动能之间的关系为eU＝Ek，根据光电效应方程可知Ek＝hν－W0，若 νa>νb，则Eka>Ekb，Ua>Ub，选项A错误，选项B正确；若Uaλ)的光照射阴极K时，电路中一定没有光电流 B．换用波长为λ2(λ2<λ)的光照射阴极K时，电路中一定有光电流 C．增大电路中电源的路端电压，电路中的光电流一定增大 D．将电路中电源的极性反接，电路中一定没有光电流 解析：当入射光的频率大于截止频率时，就会发生光电效应，换用波长为λ1(λ1>λ)的光照射阴极K时，由于频率变小，不一定发生光电效应，电路中不一定有光电流，选项A错误；换用波长为λ2(λ2<λ)的光照射阴极K时，频率变大，一定能发生光电效应，电路中一定有光电流，选项B正确；若电路中已达到饱和电流，增加电路中电源的路端电压，电路中的光电流不再增大，选项C错误；将电路中电源的极性反接，若电源电压小于遏止电压，光电子可以到达阳极，电路中有光电流，选项D错误．‎ 答案：B ‎4．下列四幅图的有关说法中正确的是(　　)‎ A．若两球质量相等，碰后m2的速度一定为v B．射线甲由α粒子组成，每个粒子带两个单位正电荷 C．在光颜色保持不变的情况下，入射光越强，饱和光电流越大 D．该链式反应属于原子核的衰变 解析：两球质量相等，若发生的碰撞为弹性正碰，即动量守恒、能量守恒，可知两球的速度交换．若发生的碰撞为非弹性碰撞，则碰后m2的速度不为v，A错误；根据左手定则，甲向左偏，知甲带负电荷，B错误；光的颜色决定了光的频率，颜色相同，则频率相同，根据光电效应方程，遏止电压相等，则最大初动能相同，入射光强度越强，饱和光电流越大，C正确；该链式反应属于重核裂变，D错误．‎ 答案：C ‎5．如图为氢原子的能级示意图，一群氢原子处于n＝3的激发态，在向较低能级跃迁的过程中向外发出光子，用这些光照射逸出功为2.25 eV的金属钾，下列说法正确的是(　　)‎ A．这群氢原子能发出3种频率不同的光，其中从n＝3跃迁到n＝2所发出的光波长最短 B．这群氢原子能发出2种频率不同的光，其中从n＝3跃迁到n＝1所发出的光频率最小 C．金属钾表面所发出的光电子的最大初动能为9.84 eV D．金属钾表面所发出的光电子的最大初动能为12.86 eV 解析：‎ 一群处于第n能级的氢原子向低能级跃迁时，向外辐射光的种类有种，则一群氢原子从n＝3能级向较低能级跃迁时能辐射3种光，由hν＝Em－En可知从n＝3跃迁到n＝2能级所发出的光能级差最小，即频率最小，由λ＝知波长最长，选项A、B错误；所发出的3种光中频率最大的是从n＝3能级跃迁到n＝1能级的光，即hν＝E3－E1＝12.09 eV，由光电效应方程可得Ek＝hν－W0＝12.09 eV－2.25 eV＝9.84 eV，选项C正确，D错误．‎ 答案：C ‎6．有人设想在遥远的宇宙探测时，给探测器安上面积极大、反射率极高(可认为100%)的薄膜，并让它正对太阳，用光压为动力推动探测器加速．已知探测器在某轨道上运行时，每秒每平方米面积获得的太阳光能为E＝1.5×104 J，薄膜面积为S＝6.0×‎102 m2‎，若探测器总质量为M＝‎60 kg，光速c＝3.0×‎108 m/s，那么探测器得到的加速度大小最接近(根据量子理论，光子不但有能量，而且有动量．光子动量的计算式为p＝.其中h是普朗克常量，λ是光子的波长)(　　)‎ A．1.0×10－‎3 m/s2 B．1.0×10－‎2 m/s2‎ C．1.0×10－‎1 m/s2 D．‎1 m/s2‎ 解析：设探测器在某轨道上运行时，每秒每平方米薄膜面积上有n个光子被反射，则有n·h＝E，面积为S的薄膜受到光子的压力为F，由动量定理可知Ft＝2Np＝2N，其中总光子数N＝nS，取t＝1 s，加速度为a＝，由以上各式可得a＝＝1.0×10－‎3 m/s2.选项A正确．‎ 答案：A ‎7．在家居装饰中常用到花岗岩、大理石等天然石材，这些岩石都含有不同程度的放射性元素．下列说法正确的是(　　)‎ A．放射性元素U发生α衰变的方程是U→Th＋He B．α衰变中，α粒子获得的能量越大，其德布罗意波波长越短 C．β衰变中产生的电子来源于原子核的内部，故半衰期会受元素化学状态的影响 D．若某一原子核衰变辐射出一个频率为ν的γ光子，该过程质量亏损为Δm，则hν>Δmc2‎ 解析：该反应方程质量数、电荷数都守恒，选项A正确；由λ＝‎ 知，选项B正确；放射性元素的半衰期不受化学状态的影响，选项C错误；光子是能量，由能量守恒和质能亏损方程知二者相等，选项D错误．‎ 答案：AB ‎8．下列说法正确的是(　　)‎ A．温度越低，压强越大，放射性元素的半衰期越小 B．原子核的比结合能大，其核子结合得越牢固，原子核越稳定 C．玻尔认为，氢原子核外电子从某能级向另一能级跃迁的过程中原子的能量不变 D．两个质子和两个中子结合成一个α粒子，则质子与中子的质量之和一定大于α粒子的质量 解析：放射性元素的半衰期由元素本身决定，与温度和压强无关，选项A错误；原子核的比结合能越大，核子结合越牢固，原子核越稳定，选项B正确；氢原子的核外电子从某能级向另一能级跃迁的过程中原子的能量发生变化，选项C错误；两个质子和两个中子结合成一个α粒子，一定放出能量，一定发生质量的亏损，故两个质子与两个中子的质量之和一定大于α粒子的质量，选项D正确．‎ 答案：BD ‎9．某次用中子轰击U原子核的核反应方程为U＋n―→Y＋Xe＋10n，U、n、Y、Xe的质量分别为m1、m2、m3、m4，真空中的光速为c.下列说法正确的是(　　)‎ A．该反应过程中的质量亏损为m1－‎9m2‎－m3－m4‎ B．该反应过程中释放的能量为(m1－‎9m2‎－m3－m4)c2‎ C．该核反应属于聚变 D．Y原子核中含有36个中子 解析：该过程中，质量亏损为m1＋m2－‎10m2‎－m3－m4＝m1－‎9m2‎－m3－m4，选项A正确；根据爱因斯坦质能方程，该反应过程中释放的能量为(m1－‎9m2‎－m3－m4)c2，选项B错误；该反应属于裂变反应，选项C错误；Y原子核中含有的中子数为235－92＋1－(136－38)－10＝36，选项D正确．‎ 答案：AD ‎10．下列说法正确的是(　　)‎ A．铀核裂变的核反应是U→Ba＋Kr＋2n B．原子从低能级向高能级跃迁，不一定通过吸收光子来实现 C．根据爱因斯坦的“光子说”可知光的波长越大，光子的能量越小 D．氕和氚结合成氦原子核时，其质量亏损所对应的能量等于该氦原子核的结合能 解析：铀核裂变的核反应是用一个中子轰击铀核得到三个中子，但是方程式中中子不能约去，故A错误；从低能级向高能级跃迁时，可能通过粒子的碰撞获得能量来实现，故B正确；根据E＝hν＝，可知，光的波长越大，光子的能量越小，故C正确；氚核本身有一定的结合能，所以氕和氚结合成氦原子核时，其质量亏损所对应的能量小于该氦原子核的结合能，故D错误．‎ 答案：BC ‎11．金属钙的逸出功为4.3×10－19 J，普朗克常量h＝6.6×10－34 J·s，光速c＝3.0×‎108 m/s，以下说法正确的是(　　)‎ A．用波长为400 nm的单色光照射金属钙，其表面有光电子逸出 B．用波长为400 nm的单色光照射金属钙，不能产生光电效应现象 C．若某波长的单色光能使金属钙产生光电效应现象，则增大光的强度将会使光电子的最大初动能增大 D．若某波长的单色光能使金属钙产生光电效应现象，则减小光的强度将会使单位时间内发射的光电子数减少 解析：波长为400 nm的单色光的光子能量为E＝h＝4.95×10－19 J，大于金属钙的逸出功，可以产生光电效应现象，选项A正确，B错误．根据光电效应规律，光电子的最大初动能决定于入射光的频率而与其强度无关，光照强度决定了单位时间内发射的光电子数的数目，选项D正确，C错误．‎ 答案：AD ‎12．[2019·浙江卷]静止在匀强磁场中的原子核X发生α衰变后变成新原子核Y.已知核X的质量数为A，电荷数为Z，核X、核Y和α粒子的质量分别为mX、mY和mα，α粒子在磁场中运动的半径为R.则(　　)‎ A．衰变方程可表示为X→Y＋He B．核Y的结合能为(mX－mY－mα)c2‎ C．核Y在磁场中运动的半径为 D．核Y的动能为EkY＝ 命题意图：本题考查原子核衰变、动量守恒定律和带电粒子在磁场中的运动．‎ 解析：衰变过程中质量数和电荷数均守恒，故该衰变方程为X→Y＋He，故A正确；结合能是把核子分开而需要的能量，而(mX－mY－mα)c2是衰变过程中释放的能量，故B错误；衰变过程中满足动量守恒定律，即有0＝mYvY－mαvα，又粒子在磁场中做圆周运动的半径r＝，故核Y与α粒子在磁场中做圆周运动的半径之比＝＝，故rY＝，C正确；衰变过程中根据能量守恒定律，若释放的核能全部转化为动能，则EkY＋Ekα＝(mX－mY－mα)c2，而＝＝，联合上述二式可得，EkY＝，若释放的核能不完全转化为动能，则无法计算，故D错误．‎ 答案：AC ‎13．如图是用不同频率的光照射某金属后，得到的关于光电子最大初动能Ekm与入射光频率ν的关系图象．下表中列出了可见光中几种颜色的光的频率及光子的能量情况．普朗克常量取h＝6.6×10－34 J·s，下列说法正确的是(　　)‎ 红 橙 黄 绿 蓝 靛 频率范 围/1014 Hz ‎3.9～‎ ‎4．8‎ ‎4.8～‎ ‎5．0‎ ‎5.0～‎ ‎5．3‎ ‎5.3～‎ ‎6．0‎ ‎6.0～‎ ‎7．0‎ ‎7.0～‎ ‎7．5‎ 光子能 量范围/eV ‎1.61～‎ ‎1．98‎ ‎1.98～‎ ‎2．06‎ ‎2.06～‎ ‎2．19‎ ‎2.19～‎ ‎2．48‎ ‎2.48～‎ ‎2．89‎ ‎2.89～‎ ‎3．09‎ A．表中列出的可见光中任意一种颜色的光照射该金属时，该金属都能发生光电效应 B．根据Ekm－ν图象可求出该金属的逸出功 C．当用蓝光照射该金属时发出的光电子的最大初动能范围为0.45 eV≤Ekm≤0.93 eV D．光电效应是由于金属原子核外的电子在光照射下脱离原子核引力束缚产生的 解析：由Ekm－ν图象可知，该金属的极限频率为νc＝5.0×1014 Hz，由表中的数据可知红光的频率小于该金属的极限频率，选项A错误；该金属的逸出功为W0＝hνc＝2.06 eV，选项B正确；由表格知蓝光光子能量范围为2.48～2.89 eV，又该金属的逸出功为2.06 eV，故0.42 eV≤Ekm≤0.83 eV，选项C错误；根据光电效应的产生原理可知选项D正确．‎ 答案：BD 二、非选择题 ‎14．[2019·安徽合肥模拟]太阳中含有大量的氘核，因氘核不断发生核反应释放大量的核能，以光和热的形式向外辐射．已知氘核质量为2.013 6 u，氦核质量为3.015 0 u，中子质量为1.008 7 u,1 u的质量相当于931.5 MeV的能量．‎ ‎(1)完成核反应方程：H＋H→________＋n；‎ ‎(2)求核反应中释放的核能；‎ ‎(3)两氘核以相等的动能0.35 MeV进行对心碰撞，发生上述核反应，并且核能全部转化为机械能，求反应中产生的中子和氦核的动能．‎ 解析：(1)由核反应中质量数守恒与核电荷数守恒可知，核反应方程是H＋H→He＋n，所以答题线处应填写He.‎ ‎(2)核反应过程中的亏损质量Δm＝2×2.013 6 u－1.008 7 u－3.015 u＝0.003 5 u 反应过程中释放的核能ΔE＝0.003 5 u×931.5 MeV≈3.26 MeV.‎ ‎(3)设n和He的动量分别是p1和p2‎ 由动量守恒可得，p1和p2大小相等 又由动能和动量的关系Ek＝可知Ekn：EkHe＝3：1‎ 由能量守恒得Ekn＋EkHe＝ΔE＋2EkH 解得中子的动能Ekn＝2.97 MeV，He的动能EkHe＝0.99 MeV.‎ 答案：(1)He　(2)3.26 MeV　(3)2.97 MeV　0.99 MeV