【物理】2020届二轮复习专题五原子物理学案

【物理】2020届二轮复习专题五原子物理学案

三年考情分析 高考命题规律 三年考题 考查内容 核心素养 ‎　　从近几年高考题来看，本专题部分命题难度不大，大多直接考查对基本知识点的理解和记忆，用新情境和新名词包装试题，常考点有：①光电效应现象及其规律的认识与理解；②对光的波粒二象性的认识；③卢瑟福的原子核式结构模型；④玻尔的原子结构模型和氢原子光谱；⑤能级及能级跃迁规律；⑥原子核的衰变、人工核转变、裂变和聚变等.‎ ‎2019‎ Ⅰ卷14T 能级跃迁 物理观念 Ⅱ卷15T 原子核 物理观念 ‎2018‎ Ⅱ卷17T 光电效应 物理观念 Ⅲ卷14T 核反应方程 物理观念 ‎2017‎ Ⅰ卷17T 核能计算 能量观念 Ⅱ卷15T α哀变 能量观念 Ⅲ卷19T 光电效应 物理观念 考向一　波粒二象性 ‎[知识必备]——提核心　通技法 ‎1．光的粒子性 ‎(1)光电效应 照射到金属表面的光，能使金属中的电子从表面逸出，这个现象称为光电效应．这种电子常被称为光电子．‎ ‎(2)光子的能量 光子本身具有的能量，光子的能量取决于对应光的频率，即E＝hν.‎ ‎(3)光电效应方程 hν＝W＋Ekm，即入射光的每个光子的能量hν，全部被金属表面的电子吸收，一部分用来克服原子核对电子的引力做功(即逸出功)W，另一部分转化为光电子的动能，‎ 从金属表面脱离的最大初动能Ekm＝mv2.‎ ‎2．粒子的波动性 ‎(1)光的波粒二象性 光既具有波动特性，又具有粒子特性．‎ 光子的能量：E＝hν 光子的动量：p＝.‎ h是架起粒子性与波动性之间的桥梁．‎ ‎(2)粒子的波动性 实物粒子也具有波动性，即每一个运动的粒子都与一个对应的波相联系．这种与实物粒子相联系的波后来称为德布罗意波也叫做物质波．‎ 物质波波长：λ＝，频率ν＝.‎ ‎[跟进题组]——练考题　提能力 ‎1．(2018·全国卷Ⅱ，17T)用波长为300 nm的光照射锌板，电子逸出锌板表面的最大初动能为1.28×10－19J.已知普朗克常量为6.63×10－34J·s，真空中的光速为3.00×‎108m·s－1.能使锌产生光电效应的单色光的最低频率约为(　　)‎ A．1×1014 Hz　　　　　 B．8×1014 Hz C．2×1015 Hz D．8×1015 Hz 解析：B　[由光电效应方程式得：Ekm＝hν－W0①‎ W0＝hν0②‎ 联立①②得：ν0＝ν－＝－＝8×1014Hz.]‎ ‎2．(2017·新课标Ⅲ，19)(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Ua＜Ub B．若νa＞νb，则一定有Eka＞Ekb C．若Ua＜Ub，则一定有Eka＜Ekb D．若νa＞νb，则一定有hν a－Eka＞hνb－Ekb 解析：BC　[由爱因斯坦光电效应方程Ekm＝hν－W，由动能定理可得：Ekm＝eU，所以当νa＞νb时，Ua＞Ub，Eka＞Ekb，故A错误，B正确；若Ua＜Ub，则一定有Eka＜Ekb，故C正确；由光电效应方程可得：金属的逸出功W＝hνa－Eka＝hνb－Ekb，故D错误．]‎ ‎3．如图所示为光电管的使用原理图．已知当有波长为λ0的光照射到阴极K上时，电路中有光电流，则(　　)‎ A．若换用波长为λ1(λ1＞λ0)的光照射阴极K时，电路中一定没有光电流 B．若换用波长为λ2(λ2＜λ0)的光照射阴极K时，电路中光电流一定增大 C．若将电源极性反接，电路中仍可能有光电流产生 D．增加电路中电源两极电压，电路中光电流一定增大 解析：C　[题给条件λ0的光照射阴极K有电流，不是恰有光电流，故A项错；达到饱和值后，光电流与入射光的强度成正比，故B项错；增加电路中电源两极电压达饱和电流后，电流不变，可判断D项错；若将电源极性反接，只要光电子的最大初动能Ek＞eU，就有光电子到达另一极形成光电流，故C项正确．]‎ ‎[规律方法]——知规律　握方法 怎样解决有关光电效应规律应用的题目 解决有关光电效应规律的应用的题目，只需理解并熟记以下规律即可：‎ ‎(1)入射光强度单位时间内发射出来的电子数；‎ ‎(2)入射光的频率 考向二　原子结构与能级 ‎[知识必备]——提核心　通技法 ‎　原子能级跃迁 ‎1．公式 rn＝n2r1　r1＝0.53 ‎ En＝　E1＝－13.6 eV 式中，n＝1,2，…称为量子数 ‎2．公式的适用条件 只适用于氢原子，此即玻尔理论的局限性．‎ ‎3．能级跃迁规律 原子光谱是大量原子的电子跃迁形成的，一个氢原子跃迁只能对应一条特征谱线．一群氢原子处于量子数为n的激发态时，可能辐射出的光谱线条数为N＝＝C.‎ ‎4．原子吸收能量的原则 原子吸收能量的原则是吸收的能量恰好等于某两个能级之差，即hν＝E初－E终，或者是吸收能量大于或等于其电离能，使电子成为自由电子．‎ 当原子吸收光子时，由于光子不可分，故其必须选择能量满足上述原则的光子．‎ 当原子吸收实物粒子(如电子)能量时，原子可以根据“需要”吸收其中的一部分能量，也即对电子的能量没有条件限制．‎ ‎5．能级的理解 主要是以氢原子为例讨论，且认为氢原子核是静止的．原子的能量指电子所具有的动能及电子与原子核共有的电势能之和，即En＝Ek＋Ep，En代表任一条可能轨道的总能量．‎ 由m＝k知Ek＝mv2＝ ‎[跟进题组]——练考题　提能力 ‎1．(2019·课标Ⅰ，14)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 解析：A　[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．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少为ΔE＝E3－E1＝12.09 eV，故选A.]‎ ‎2．氢原子的能级是氢原子处于各个状态时的能量值，它包括氢原子系统的电势能和电子在轨道上运动的动能．氢原子的电子由外层轨道跃迁到内层轨道时(　　)‎ A．氢原子的能量减小，电子的动能增加 B．氢原子的能量增加，电子的动能增加 C．氢原子的能量减小，电子的动能减小 D．氢原子的能量增加，电子的动能减小 解析：B　[由En＝，知n减小，En增大．由Ek＝＝，知n减小，Ek增大，故选B项．]‎ ‎3．(2020·河北石家庄检测)(多选)已知金属钙的逸出功为2.7 eV，氢原子的能级图如图所示，一群氢原子处于量子数为n＝4的能级状态，则下列说法中正确的是(　　)‎ A．氢原子可能辐射6种频率的光子 B．氢原子可能辐射5种频率的光子 C．有3种频率的辐射光子能使钙发生光电效应 D．有4种频率的辐射光子能使钙发生光电效应 解析：AC　[从n＝4能级跃迁可能产生的光子为6种；若产生光电效应，则光子的能量需要大于2.7 eV，此时只有第4能级跃迁到第1能级、第3能级跃迁到第1能级、第2能级跃迁到第1能级，这3种频率的光子能使钙发生光电效应．]‎ ‎[规律方法]——知规律　握方法 能使原子能级跃迁的两种方式 ‎(1)吸收光子能量：原子若是吸收光子能量而被激发，光子的能量必须等于两能级差，否则不被吸收，即hν＝Em－En.‎ ‎(2)吸收外来实物粒子：原子若吸收外来的实物粒子，由于实物粒子的动能可全部或部分地被原子吸收，所以只要实物粒子的能量大于等于两能级差值(E≥Em－En)，均可使原子发生跃迁．‎ 考向三　原子核与核能 ‎[知识必备]——提核心　通技法 ‎1．三种射线的性质 射线 本质 机理 符号 穿透能力 电离 速度 α 高速氦核流 原子核衰变时两个中子和两个质子结合在一起而从原子核中释放出来 He 一张纸就能挡住 最强 最小(‎0.1c)‎ β 高速电子流 核中一个中子转化成一个质子同时释放一个高速电子 e 穿透几毫米厚的铝板 较强 较大(接近c)‎ γ 光子 原子核发生α衰变和β衰变时产生的能量以γ光子的形式释放 γ 穿透几厘米厚的铅板 最弱 光速c ‎2.半衰期公式 式中m0、N0为初态原子核的质量或个数，m余、N余为经t时间后，剩余的原子核的质量或个数，为半衰期的个数，τ为半衰期时间．‎ ‎3．质能方程 E＝mc2即一定的能量和一定的质量相联系，物体的总能量和它的质量成正比．核子在结合成原子核时出现质量亏损Δm，其能量也要相应的减小，即ΔE＝Δmc2.‎ ‎[跟进题组]——练考题　提能力 ‎1．(2019·课标Ⅱ，15)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 ‎4H→He＋2e＋2ν 已知H和He的质量分别为mp＝1.007 8 u和mα＝4.002 6 u，1 u＝931 MeV/c2，c为光速．在4个H转变成1个He的过程中，释放的能量约为(　　)‎ A．8 MeV　　　　　 B．16 MeV C．26 MeV D．52 MeV 解析：C　[本题考查了学生对核反应中核能的计算能力，体现了学科素养中的物理观念．由核反应方程可知，4个H转变成1个He的过程中的质量亏损Δm≈4×1.007 8 u－4.002 6 u＝0.028 6 u，释放的核能ΔE＝Δmc2＝0.028 6×931 MeV≈26.6 MeV，故选项C正确．]‎ ‎2．(2018·全国卷Ⅲ，14T)1934年，约里奥居里夫妇用α粒子轰击铝核Al，产生了第一个人工放射性核素X：α＋Al→n＋X.X的原子序数和质量数分别为(　　)‎ A．15和28 B．15和30‎ C．16和30 D．17和31‎ 解析：B　[α粒子轰击铝核的核反应方程为He＋Al―→n＋X，所以X的原子序数为15，质量数为30，故B对，A、C、D错误．]‎ ‎3．(2020·山西晋城一模，1)一静止的磷原子核P发生β衰变转变成S，核反应方程为P→S＋e，下列说法正确的是(　　)‎ A．核反应产生的S与e动能相等 B．核反应产生的S与e速度等大反向 C．核反应产生的S与e动量等大反向 D．核反应产生的S与e的质量之和与P相等 解析：C　[核反应前后动量守恒，核反应前P是静止的，动量等于零，可知核反应后两生成物的动量等大反向，选项C正确；根据动能和动量的关系Ek＝可知S与e的动能不相等，选项A错误；因为S与 e质量不相等，动量大小相等，所以速度大小不相等，选项B错误；由于核反应存在质量亏损，选项D错误．]‎ ‎[规律方法]——知规律　握方法 核反应方程及核能的计算 ‎(1)掌握核反应方程中的两守恒：‎ ‎①质量数守恒；‎ ‎②电荷数守恒．‎ ‎(2)核能的计算方法．‎ ‎①根据爱因斯坦质能方程，用核反应的质量亏损的千克数乘以真空中光速c的平方，即ΔE＝Δmc2(J)‎ ‎②根据1原子质量单位(u)相当于931.5兆电子伏(MeV)能量，用核反应的质量亏损的原子质量单位数乘以931.5 MeV，即ΔE＝Δm×931.5 (MeV)．‎ ‎③如果核反应时释放的核能是以动能形式呈现，则核反应过程中系统动能的增量即为释放的核能．‎ ‎[A级－对点练]‎ ‎[题组一]　波粒二象性 ‎1．(2019·山西运城三模，1)下列选项中，说法正确的是(　　)‎ A．卢瑟福提出核式结构模型，很好地解释了α粒子散射实验中的现象 B．电子穿过晶体时会产生衍射图样，这证明了电子具有粒子性 C．借助于能量子的假说，爱因斯坦得出了黑体辐射的强度按波长分布的公式，与实验符合得非常好 D．β射线是高速电子流，它的穿透能力比α射线和γ射线都弱 解析：A　[卢瑟福提出核式结构模型，很好地解释了α粒子散射实验中的现象，A正确；衍射是波的特性，故电子穿过晶体时会产生衍射图样，证明了电子具有波动性，B错误；普朗克引入能量子的概念，得出黑体辐射的强度按波长分布的公式，与实验符合得非常好，并由此开创了物理学的新纪元，故C错误；β射线是高速电子流，它的穿透能力比γ射线弱，比α射线强，故D错误．]‎ ‎2．(2020·河北百校联盟一联，1)利用光电管可以把光信号转变为电信号，现把光电管接入如图所示的电路中，闭合开关S，用波长为λ的单色光照射光电管时发生了光电效应，下列说法正确的是(　　)‎ A．照射光电管的单色光越强，光电管中金属的逸出功越大 B．照射光电管的单色光波长越长，光电管中金属的逸出功越大 C．若把滑片c向左滑动，电流表G的示数一定增大 D．若把电源正负极反接，电流表G的示数可能为零 解析：D　[光电管中金属的逸出功与入射光的强弱和波长无关，由金属本身决定，选项A、B错误；若光电流达到了饱和值，把滑片c向左滑动，电流不会随电压的增大而增大，选项C错误；若把电源正负极反接，当光电管两端所加的电压与电子电荷量的乘积大于光电子的最大初动能时，光电子不能到达阳极，光电流为0，选项D正确．故选D.]‎ ‎3.(2019·广西桂林、百色和崇左市第三次联考)某金属在光的照射下产生光电效应，其遏止电压Uc与入射光频率ν的关系图像如图所示．则由图像可知(　　)‎ A．入射光的频率越大，该金属的逸出功越大 B．入射光的频率越大，则遏止电压越大 C．由图可求出普朗克常量h＝ D．光电子的最大初动能与入射光的频率成正比 解析：B　[当遏止电压为零时，最大初动能为零，则入射光的能量等于逸出功，所以W0＝hν0，逸出功与入射光频率无关，是由金属材料决定的，故A错误；根据光电效应方程Ekm＝hν－W0与eUc＝Ekm得：Uc＝－，当入射光的频率大于极限频率时，入射光的频率越大，则遏止电压越大，故B正确；由Uc＝－，知图线的斜率等于，从图像上可以得出斜率的大小，可以求出普朗克常量为：h＝，故C错误；根据光电效应方程Ekm＝hν－W0，得光电子的最大初动能与入射光的频率成线性关系，不是成正比，故D错误．]‎ ‎4.(2020·吉安模拟)(多选)某同学在研究某金属的光电效应现象时，发现该金属逸出光电子的最大初动能Ek与入射光频率ν的关系如图所示．若图线在横、纵坐标轴上的截距分别为a和－b，已知电子所带电荷量为e，由图线可以得到(　　)‎ A．该金属的逸出功为零 B．普朗克常量为，单位为J/Hz C．当入射光的频率为‎2a时，逸出光电子的最大初动能为b D．当入射光的频率为‎3a时，遏止电压为 解析：CD　[根据光电效应方程Ekm＝hν－W0，横截距表示该金属的截止频率，可知该金属的逸出功不为零，故A错误；图线的斜率k＝表示普朗克常量，单位为J/Hz，故B错误；由图可知W0＝b，ha＝W0则当入射光的频率为‎2a时，逸出光电子的最大初动能为Ekm＝h·‎2a－W0＝b，选项C正确；当入射光的频率为‎3a时，则Ekm＝h·‎3a－W0＝2b，由U遏e＝Ekm可得U遏＝，选项D正确；故选CD.]‎ ‎[题组二]　原子结构与能级 ‎5.(2019·陕西省宝鸡市质检)氢原子能级图如图所示，当氢原子从n＝3的能级跃迁到n＝2的能级时，辐射光的波长为656 nm，下列判断正确的是(　　)‎ A．氢原子从n＝2的能级跃迁到n＝1的能级时，辐射光的波长大于656 nm B．当氢原子从n＝4的能级跃迁到n＝2的能级时，辐射出的光子不能使逸出功为2.25 eV的钾发生光电效应 C．一个处于n＝4能级的氢原子向低能级跃迁时最多产生6种谱线 D．用能量为1.0 eV的光子照射处于n＝4能级的氢原子，可以使氢原子电离 解析：D　[氢原子从n＝2的能级跃迁到n＝1的能级时，辐射光的能量大于氢原子从n＝3的能级跃迁到n＝2的能级时辐射光的能量，根据E＝可知，辐射光的波长一定小于656 nm，故A错误；从n＝4的能级跃迁到n＝2的能级时辐射出的光子能量为2.55 eV，大于金属钾的逸出功，能使钾发生光电效应，故B错误；一个处于n＝4能级的氢原子向低能级跃迁时最多产生3种谱线，故C错误；当处于n＝4能级的氢原子吸收的能量大于或等于0.85 eV时，将会被电离，故D正确．]‎ ‎6．(2020·广东省惠州市模拟)氢原子从能级A跃迁到能级B，吸收频率为ν1的光子，从能级A跃迁到能级C释放频率为ν2的光子，若ν2＞ν1则当它从能级C跃迁到能级B将(　　)‎ A．吸收频率为ν2＋ν1的光子 B．吸收频率为ν2－ν1的光子 C．放出频率为ν2＋ν1的光子 D．放出频率为ν2－ν1的光子 解析：A　[从能级A跃迁到能级B，吸收频率为ν1的光子，A、B间的能级差为hν1，且能级B的能量高于能级A的能量；从能级A跃迁到能级C释放频率为ν2的光子，A、C间的能级差为hν2，且能级A的能量高于能级C的能量；所以C的能级低于B的能级，两者的能级差为hν1＋hν2，则从能级C跃迁到能级B时，吸收频率为ν3的光子，有hν3＝hν1＋hν2，所以ν3＝ν1＋ν2，故A正确．]‎ ‎7．(2020·江西盟校一联，17)已知氢原子的基态能量为E1，激发态能量En＝，其中n＝2,3,4…，h表示普朗克常量，c表示真空中的光速．有一氢原子处于n＝3的激发态，在它向低能级跃迁时，可能辐射的光子的最大波长为(　　)‎ A．－　　　　　 B．－ C．－ D．－ 解析：D　[一群氢原子处于n＝3激发态，可释放出的光子频率种类有3种，据玻尔理论在这3种频率光子中，当氢原子从n＝3能级向n＝2能级跃迁时辐射的光子频率最小，波长最长，E2＝，E3＝，＝E3－E2，‎ λ＝＝－，故D正确，A、B、C错误．]‎ ‎[题组三]　原子核与核能 ‎9．(2019·江西红色七校二模，14)“人造太阳”实验中的可控热核反应的聚变方程是H＋‎ H→He＋n，反应原料氘(H)富存于海水中，氚(H)可以用中子轰击锂核(Li)得到，则关于中子轰击锂核(Li)产生一个氚(H)和一个新核，下列说法正确的是(　　)‎ A．该核反应方程为Li＋n→He＋H B．核反应生成物中的α粒子具有很强的电离本领，但穿透能力较弱 C．在中子轰击锂核(Li)的核反应生成物中有α粒子，故该核反应属于α衰变 D．核聚变的条件是要达到高温高压的热核反应状态，故核聚变过程不能释放出核能 解析：B　[根据题意以及质量数守恒和电荷数守恒可得中子轰击锂核的核反应方程为Li＋n→He＋H，A错误；核反应生成物中的α粒子具有很强的电离本领，但穿透能力较弱，B正确；伴随着天然放射现象发生的衰变中产生α粒子，这样的核反应才是α衰变，而中子轰击锂核(Li)的核反应是原子核的人工转变，故C错误；核反应中释放的核能来源于核反应过程中的质量亏损，与核反应的条件无关，故D错误．]‎ ‎[B级－综合练]‎ ‎11．(2020·武汉模拟)(多选)如图所示为氢原子的能级图．用光子能量为12.75 eV的光照射一群处于基态的氢原子，下列说法正确的是(　　)‎ A．原子可以辐射出连续的各种波长的光 B．氢原子从n＝4的能级向n＝3的能级跃迁时辐射光的能量最大 C．辐射光中，光子能量为0.66 eV的光波长最长 D．用光子能量为14.2 eV的光照射基态的氢原子，能够使其电离 解析：CD　[设氢原子吸收该光子后能跃迁到第n能级，根据能级之间能量差可有：12.75 eV＝En－E1其中E1＝－13.6 eV，所以En＝－0.85 eV，故基态的氢原子跃迁到n＝4的激发态．所以辐射出不同频率的光子种数为：n(n－1)/2＝6种，A错误；氢原子从n＝4的能级向n＝3的能级跃迁时辐射光的能量为0.66 eV，最小，波长最长，B错误、C正确；用光子能量为14.2 eV的光照射基态的氢原子，能够使其跃迁到无穷远，发生电离，D正确．故选CD.]‎ ‎12．(2020·哈尔滨模拟)目前，在居室装修中经常用到的花岗岩、大理石等装修材料，都不同程度地含有放射性元素，装修污染已经被列为“危害群众最大的五种环境污染”之一．有关放射性元素的下列说法正确的是(　　)‎ A．放射性元素发出的α、β、γ三种射线的成分均为带电粒子 B．每发生一次α衰变，原子核内的中子数减少4‎ C．β衰变所释放的电子是原子核中的中子转化为质子时所产生的 D．γ射线一般伴随着α或β射线产生，在这三种射线中，γ射线的穿透能力最强，电离能力也最强 解析：C　[γ射线是高频电磁波，不带电，A错误；根据质量数和电荷数守恒可知：发生α衰变放出He，导致质子数减小2个，质量数减小4，故中子数减小2，故B错误；发生β衰变的过程是：一个中子变为质子同时放出一个电子，故C正确；γ射线是在α衰变或β衰变过程中产生的，根据α、β、γ三种射线特点可知，γ射线穿透能力最强，电离能力最弱，α射线电离能量最强，穿透能力最弱，故D错误．故选C.]‎ ‎14．(2020·郑州模拟)(多选)1905年，爱因斯坦把普朗克的量子化概念进一步推广，成功地解释了光电效应现象，提出了光子说．在给出与光电效应有关的四个图像中，下列说法正确的是(　　)‎ A．图甲中，当紫外线照射锌板时，发现验电器指针发生了偏转，说明锌板带正电，验电器带负电 B．图乙中，从光电流与电压的关系图像中可以看出，电压相同时，光照越强，光电流越大，说明遏止电压和光的强度有关 C．图丙中，若电子电量用e表示，ν1、νc、U1已知，由Uc－ν 图像可求得普朗克常量的表达式为h＝ D．图丁中，由光电子最大初动能Ek与入射光频率ν的关系图像可知该金属的逸出功为E或hν0‎ 解析：CD　[图甲中用紫外线灯发出的紫外线照射锌板，锌板失去电子带正电，验电器与锌板相连，则验电器的金属球和金属指针带正电，故选项A错误；‎ 由图乙可知电压相同时，光照越强，光电流越大，只能说明光电流强弱与光的强度有关，遏止电压只与入射光的频率有关，与入射光的强度无关，故选项B错误；‎ 图丙中根据爱因斯坦光电效应方程Uce＝hν－W0，可知Uc＝ν－，图像Uc－ν的斜率表示，即＝，解得h＝，故选项C正确；‎ 图丁中根据光电效应方程Ekm＝hν－W0知道Ek－ν图线的纵轴截距的绝对值表示逸出功，则逸出功为E，当最大初动能为零，入射光的频率等于金属的极限频率，则金属的逸出功等于hν0，故选项D正确．]‎