【物理】2019届二轮复习波粒二象性原子与原子核学案（江苏专用）

【物理】2019届二轮复习波粒二象性原子与原子核学案（江苏专用）

‎1．能级跃迁 ‎(1)辐射条件：hν＝Em－En. ‎ ‎(2)辐射光谱线条数：一群处于量子数为n的激发态的氢原子，可辐射出的光谱线条数N＝C.‎ ‎2．光电效应 ‎(1)光电效应规律：①每种金属都有一个极限频率．‎ ‎②光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光电流的强度与入射光的强度成正比．‎ ‎(2)光电效应方程：hν＝Ek＋W0. ‎ ‎3．核反应与核能的计算 ‎(1)两个守恒：质量数守恒、电荷数守恒．‎ ‎(2)质能方程：E＝mc2. ‎ 高考题型1　光电效应与光的粒子性 ‎1．处理光电效应问题的两条线索：‎ 一是光的频率，二是光的强度，两条线索对应的关系是：(1)光照强度大→光子数目多→发射光电子数多→光电流大．(2)光子频率高→光子能量大→产生光电子的最大初动能大．‎ ‎2.爱因斯坦光电效应方程Ek＝hν－W0‎ ‎(1)研究对象是金属表面的电子．‎ ‎(2)意义：光电子的最大初动能随入射光频率的增大而增大(如图1所示)，直线的斜率为h，直线与ν轴的交点的物理意义是极限频率νc，直线与Ek轴交点的物理意义是逸出功的负值．‎ 图1‎ 例1　(2018·江苏单科·12C(2))光电效应实验中，用波长为λ0的单色光A照射某金属板时，刚好有光电子从金属表面逸出．当波长为的单色光B照射该金属板时，光电子的最大初动能为________，A、B两种光子的动量之比为________．(已知普朗克常量为h，光速为c)‎ 答案　　1∶2‎ 解析　根据光电效应方程Ek＝hν－W0，又ν＝，所以有0＝－W0，Ek＝－W0，解得Ek＝，又光子动量p＝，所以A、B两种光子的动量之比为1∶2.‎ 拓展训练1　下列关于物理史实与物理现象的说法正确的是(　　)‎ A．光电效应现象由德国物理学家赫兹发现，爱因斯坦对其做出了正确的解释 B．只有入射光的频率低于截止频率，才会发生光电效应 C．根据爱因斯坦的光电效应方程可知，光电子的最大初动能与入射光的频率成正比 D．光电效应现象证明光是一种波 答案　A 解析　1887年德国物理学家赫兹发现了光电效应现象，爱因斯坦对光电效应的实验规律做出了正确的解释，故A正确；每种金属都有一个截止频率，只有入射光的频率高于截止频率，才会发生光电效应，故B错误；爱因斯坦的光电效应方程Ek＝hν－W0，光电子的最大初动能与入射光的频率不成正比，故C错误；光电效应现象证明光具有粒子性，故D错误．‎ 拓展训练2　(2018·第二次全国大联考(江苏卷))在研究光电效应中入射光的频率、强弱与光电子发射情况的实验中．发现光电流与电压的关系如图2所示，由图可知，__________(选填“甲”或“乙”)光的频率高，________(选填“甲”或“丙”)光的强度大．‎ 图2‎ 答案　乙　甲 解析　根据光电效应方程，可得光电子的最大初动能为hν－W0，频率越高，则最大初动能越大，反向遏止电压越高，由Uc1大于Uc2，可得乙光的频率高；发生光电效应时，光照强度越强，光电流越大，由图象知，甲光的强度大．‎ 拓展训练3　如图3所示，在研究光电效应的实验中，保持P的位置不变，用单色光a照射阴极K，电流计G的指针不发生偏转；改用另一频率的单色光b照射K，电流计的指针发生偏转．那么(　　)‎ 图3‎ A．增加a的强度一定能使电流计的指针发生偏转 B．用b照射时通过电流计的电流由d到c C．只增加b的强度一定能使通过电流计的电流增大 D．a的波长一定小于b的波长 答案　C 解析　用单色光a照射阴极K，电流计G的指针不发生偏转，说明a的频率低于阴极K的截止频率，增加a的强度无法使电流计的指针发生偏转，A错误；电子运动方向从d到c，电流方向从c到d，B错误；只增加b的强度可以使光电流强度增大，使通过电流计的电流增大，C正确；b能使阴极K发生光电效应，b的频率高于a的频率，b的波长一定小于a的波长，D错误．‎ 拓展训练4　(2018·南通市、泰州市一模)利用如图4甲所示电路研究光电效应中金属的遏止电压Uc与入射光频率ν的关系，描绘出图乙中的图象，由此算出普朗克常量h.图乙中U1、ν1、ν0均已知，电子电荷量用e表示．当入射光的频率增大时，为了测定遏止电压，滑动变阻器的滑片P应向________(选填“M”或“N”)端移动，由Uc－ν图象可求得普朗克常量h＝________(用题中字母表示)．‎ 图4‎ 答案　N　 高考题型2　原子结构和能级跃迁 ‎1．在原子的中心有一个体积很小、带正电荷的核，叫做原子核，而电子在核外绕核运动；原子的全部正电荷和几乎全部的质量都集中在原子核上，带负电的电子在核外空间绕核旋转．‎ ‎2．原子能级跃迁问题的解题技巧 ‎(1)原子跃迁时，所吸收或释放的光子能量只能等于两能级之间的能量差，即ΔE＝hν＝|E初－E末|.‎ ‎(2)原子电离时，所吸收的能量可以大于或等于某一能级能量的绝对值．‎ ‎(3)一群氢原子和一个氢原子不同，氢原子核外只有一个电子，这个电子在某时刻只能处在某一个确定的轨道上，在某段时间内，由这一轨道跃迁到另一轨道时，可能的情况只有一种，但是如果有大量的氢原子，它们的核外电子向基态跃迁时就会有各种情况出现了，发射光子的种类N＝C＝.‎ 例2　(2018·南京市、盐城市一模)氦原子的一个核外电子被电离，形成类氢结构的氦离子．如图5所示为氦离子能级的示意图．现有氦离子从n＝4能级到n＝_____能级辐射出的光子能量为10.2 eV；用该光照射逸出功为2.29 eV的金属钠，产生的光电子的最大初动能为_____ eV.‎ 图5‎ 答案　2　7.91‎ 解析　放出的光子能量等于两能级间的能量差，才能发生跃迁，氦离子从n＝4能级辐射出的光子能量为10.2 eV后的能级E′＝－3.4 eV－10.2 eV＝－13.6 eV，可知跃迁到n＝2的能级．根据光电效应方程，产生的光电子的最大初动能为：Ekm＝hν－W0＝10.2 eV－2.29 eV＝7.91 eV.‎ 拓展训练5　对玻尔理论的下列说法中，不正确的是(　　)‎ A．继承了卢瑟福的原子模型，但对原子能量和电子轨道引入了量子化假设 B．原子只能处于一系列不连续的状态中，每个状态都对应一定的能量 C．用能量转化与守恒建立了原子发光频率与原子能量变化之间的定量关系 D．氢原子中，能级数n越大，核外电子的速率越大 答案　D 拓展训练6　(多选)(2018·扬州中学5月模拟)如图6所示是氢原子的能级图．下列判断正确的是(　　)‎ 图6‎ A．E1>E2 B．E1E3>E2‎ B．E3－E2＝E2－E1‎ C．b光的波长最长 D．c光的频率最高 答案　D 解析　结合题图和电子跃迁时发出的光子的能量为E＝Em－En可知，Ec＝Ea＋Eb，能量差E3－E2等于光子a的能量，能量差E2－E1等于光子b的能量，能量差E3－E1等于光子c 的能量，那么c对应的能量最大，而a对应的能量最小，因为E1＜E2＜E3，且En＝，则有E3－E2＜E2－E1，故A、B错误；又E＝，可知c光的频率最高，a光的波长最长，故C错误，D正确．‎ ‎9．下列说法中正确的是(　　)‎ A．天然放射现象中产生的α射线速度与光速相同，穿透能力很强 B.U(铀238)核放出一个α粒子后就变为Th(钍234)‎ C．高速α粒子轰击氮核可从氮核中打出中子，核反应方程为He＋7N→8O＋n D．丹麦物理学家玻尔发现了放射性元素钋和镭 答案　B 解析　天然放射现象中产生的α射线速度只有光速的十分之一，穿透能力很弱，选项A错误；U(铀238)核放出一个α粒子后就变为Th(钍234)，故B正确；高速α粒子轰击氮核可从氮核中打出质子，核反应方程为He＋N→O＋H，故C错误；居里夫妇发现了放射性元素钋和镭，故D错误．‎ ‎10．2017年量子通信卫星“墨子号”首席科学家潘建伟获得“物质科学奖”，对于有关粒子的研究，下列说法正确的是(　　)‎ A．在铀核的裂变中，当铀块的体积小于“临界体积”时，不能发生链式反应 B．铀元素的半衰期为T，当温度发生变化时，铀元素的半衰期也发生变化 C．轻核聚变的过程质量增大，重核裂变的过程有质量亏损 D．比结合能小的原子核结合成(或分裂成)比结合能大的原子核时一定吸收能量 答案　A 解析　在铀核的裂变中，当铀块的体积小于“临界体积”时，不能发生链式反应，故A正确；半衰期的大小与温度无关，由原子核内部因素决定，故B错误；重核裂变和轻核聚变都有质量亏损，向外辐射能量，故C错误；比结合能小的原子核结合成(或分裂成)比结合能大的原子核时有质量亏损，释放能量，故D错误．‎ ‎11.光电效应实验装置如图5所示．用频率为ν 的光源照射阴极K产生了光电效应，已知阴极材料的逸出功为W，普朗克常量为h，电子电荷量为e.调节滑动变阻器滑片，使光电流逐渐减小；当电流表示数恰好减小到零时，电压表的示数为(　　)‎ 图5‎ A．U＝－ B．U＝－ C．U＝2hν－W D．U＝－ 答案　A 解析　根据光电效应方程可知光电子的最大初动能为：Ek＝hν－W 根据动能定理可得：eU＝Ek＝hν－W 解得：U＝－，故A正确，B、C、D错误．‎ ‎12.某同学在研究光电效应时，不同光照射到同一光电管时得到的光电流与电压的关系图象如图6所示．则下列有关说法中正确的是(　　)‎ 图6‎ A．光线1、3为同一色光，光线3的光照强度更强 B．光线1、2为同一色光，光线1的光照强度更强 C．光线1、2为不同色光，光线2的频率较大 D．保持光线1的强度不变，光电流强度将随加速电压的增大一直增大 答案　C 解析　由题图图象可知，光线1和光线3的遏止电压相同，所以它们是同一色光，电压相同时，光线1对应的光电流更大，说明单位时间内照射的光电子数更多，即光线1的光照强度更强，A错误；光线1和光线2的遏止电压不同，所以它们是不同色光，B错误；由于光线2的遏止电压较大，由eUc＝mvm2，mvm2＝hν－W可知，光线2的频率较大，C正确；由题图可知，在光照条件不变的情况下，随着所加电压的增大，光电流趋于一个饱和值(饱和电流)，D错误．‎ ‎13．(多选)(2018·江苏省高考压轴卷)关于原子核的结合能，下列说法正确的是(　　)‎ A．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 B．铯原子核(Cs)的结合能小于铅原子核(Pb)的结合能 C．比结合能越大，原子核越不稳定 D．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 答案　AB 解析　比结合能越大，原子核越稳定，重核衰变放出能量，转化为比结合能更大的衰变产物，A项正确，C项错误；组成原子核的核子越多，它的结合能越高，故铯原子核的结合能小于铅原子核的结合能，B项正确；自由核子组成原子核时，放出的能量与组成的原子核的结合能相等，D项错误．‎ ‎14．(多选)如图7所示是原子核的核子平均质量与原子序数Z的关系图象，下列说法中正确的是(　　)‎ 图7‎ A．若原子核D和E结合成F，结合过程一定会释放核能 B．若原子核A分裂成B和C，分裂过程一定会吸收核能 C．若原子核A分裂成B和C，分裂过程一定会释放核能 D．在核反应堆的铀棒之间插入镉棒是为了控制核反应速度 答案　ACD 解析　D和E结合成F，属于轻核的聚变，有质量亏损，根据爱因斯坦质能方程知，有能量释放，A正确；若A能分裂成B和C，则属于重核的裂变，分裂过程有质量亏损，一定要释放能量，B错误，C正确；在核反应堆的铀棒之间插入镉棒是为了吸收裂变过程中释放的一部分中子，控制核反应速度，D正确. ‎ ‎15．(多选)目前核电站都是利用铀核裂变释放大量核能进行发电，其发生的核反应方程是U＋n→Ba＋Kr＋Xn，一座发电功率为P＝1.00×106 kW的核电站，核能转化为电能的效率η＝50%，每次核反应过程中放出的核能ΔE＝2.78×10－11 J，铀核的质量mU＝390×10－27 kg，则下列说法正确的是(　　)‎ A．X＝3‎ B．每年核电站消耗U的能量约为6.3×1016 J C．每年消耗U的数目约为2.27×1024个 D．每年消耗U的质量约为885 kg 答案　ABD 解析　根据核反应方程遵循质量数和电荷数守恒知，X＝3，A正确；因核电站发电效率为50%，核电站每年消耗U的能量为W＝t＝2.00×109×365×24×3 600 J≈6.3×1016 J，B正确；产生这些能量消耗的铀核的数目n＝＝≈2.27×1027(个)，C错误；每年消耗U的质量为M＝nmU＝2.27×1027×390×10－27 kg＝885.3 kg，D正确．‎