专题09原子物理(解析版)

1、2021年物理二轮专题过关宝典专题九：原子物理【知识回扣】一、光电效应1光电效应规律 存在着饱和电流：对于一定颜色的光，入射光越强，单位时间内发射的光电子数越多。 存在着遏止电压和截止频率：光电子的能量只与入射光的频率有关，而与入射光的强弱无关。当入射光 的频率低于截止频率时不发生光电效应。 光电效应具有瞬时性：当频率超过截止频率时，无论入射光怎样微弱，几乎在照到金属时立即产生光电 流，时间不超过109 s。2 .光电效应方程：Ek= h v Wo。 光子的能量 =hv,其中h = 6.626 1034 J s(称为普朗克常量)。 逸出功：使电子脱离某种金属所做功的最小值。 最大初动能：发生光

2、电效应时，金属外表上的电子吸收光子后克服原子核的引力逸出时所具有动能的最 大值。口hW)(1 )遏止电压 Uc与入射光频率 V逸岀功 Wo间的关系：Uc -V e eh Vc=Wo(2)截止频率与逸出功的关系：、原子的跃迁(1) 自发跃迁：高能级 T低能级，释放能量，发出光子，所辐射的光子能量恰等于发生跃迁时两能级间的AE E高E低能量差，辐射出的光子的频率V h = h 。(2) 受激跃迁：低能级 T高能级，吸收能量。 吸收光子：光子的能量必须恰等于能级差hv= AE，即对光子的吸收具有选择性。 碰撞、加热等：只要入射粒子能量大于或等于能级差即可，E外AA。 当入射光子能量大于该能级的的能量

3、值的绝对值时，原子对光子吸收不再具有选择性，可以被吸收使氢 原子发生电离。(3 )一群处在高能级 n的氢原子向低能级跃迁时发射光子的种类N = C2 ；而一个处于高能级 n的氢原子向低能级跃迁时，释放岀的光子的种类最多为n-1。三、衰变、半衰期1 衰变规律及实质(i)a衰变和b衰变的比拟衰变类型a衰变B衰变衰变方程MXf M-/Y + 2HemXtMz+iY + -1e衰变实质2个质子和2个中子结合成一个整体射出中子转化为质子和电子2iH + 2 on t 2HeonH + - 1e匀强磁场中轨迹形状衰变规律电何数寸恒、质量数寸恒(2) Y寸线：丫射线经常是伴随着 a衰变或B衰变同时产生的。2

4、三种射线的成分和性质名称构成符号电荷量质量电离能力贯穿本领a射线氦核4He+ 2 e4 u最强最弱B射线电子iee11 837 u较强较强丫射线光子Y00最弱最强3.半衰期的理解亠、 1 1半衰期的公式：N余=N原2 t, m余=m原 t/：式中N原、m原表示衰变前的放射性元素的原子数和质量，N余、m余表示衰变后尚未发生衰变的放射性元素的原子数和质量，t表示衰变时间，T表示半衰期。四、原子核与核能1 核反响的四种类型类型可控性核反响方程典例衰变a衰变自发U Th + 2HeB衰变自发14 Pa+ - 1e人工转变人工控制1/N + 4He 17O + 1H卢瑟福发现质子He+ 9Be 晋C+

5、On查德威克发现中子27AI + 2He 15P+ On约里奥居里夫妇 发现放射性同位 素，同时发现正电子30Pt 14si + + 1e重核裂变比拟容易进行人工控制2935U + On 156Ba+ 36Kr + 30n+ 0n t Xe + 38sr+ 100 n轻核聚变很难控制2H + 3Ht 2He+ 0n2核反响方程式的书写：两个守恒质量数守恒核电荷数守恒。【热门考点透析】考点一光电效应的规律1. 2021全国卷I 现用某一光电管进行光电效应实验，当用某一频率的光入射时，有光电流产生。以下说法正确的选项是A 保持入射光的频率不变，入射光的光强变大，饱和光电流变大B .入射光的频率变高

6、，饱和光电流变大C.保持入射光的光强不变，不断减小入射光的频率，始终有光电流产生D .遏止电压的大小与入射光的频率有关，与入射光的光强无关【答案】AD【解析】根据光电效应实验得出的结论：保持入射光的频率不变，入射光的光强变大，饱和光电流变大，故A正确，B错误；遏止电压的大小与入射光的频率有关，与入射光的光强无关，保持入射光的光强不变，假设低于截止频率，那么没有光电流产生，故C错误，D正确。2. 2021天津卷如图为a、b、c三种光在同一光电效应装置中测得的光电流和电压的关系。由a、b、c组成的复色光通过三棱镜时，下述光路图中正确的选项是光的频率越大，那么有三种光的频率Vbnb nc na，因此

7、光穿过三棱Va，那么可知三种光的折射率的关系为镜时b光偏折最大，c光次之，a光最小，应选 C，ABD错误。3. 2021全国卷川在光电效应实验中，分别用频率为W、v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。以下说法正确的选项是A .假设 v V，贝定有 Ua V,贝V定有 Eka EkbC .假设 Ua V,那么一定有 h v Eka h V Ekb【答案】BC【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 = h v Wo,假设vv，贝y Eka Ekb, UaUb

8、,选项A错误，选项 B正确；假设 Ua Ub,贝U Eka Ekb，选项C正确；由光电 效应方程可得Wd= h V Ek,贝y h v Eka= h v Ekb,选项 D 错误。4.2021河北唐山市第一次模拟用金属铷为阴极的光电管观测光电效应现象，实验装置示意图如图甲所示，实验中测得铷的遏止电压Uc与入射光频率v之间的关系如图乙所示，图线与横轴交点的横坐标为5.15 X014 Hz.普朗克常量h= 6.63 X10 34 J S：那么以下说法中正确的选项是A 欲测遏止电压，应选择电源左端为正极B 当电源左端为正极时，滑动变阻器的滑片向右滑动，电流表的示数持续增大C 增大照射光的强度，产生的光

9、电子的最大初动能一定增大D 如果实验中入射光的频率 v= 杓14 Hz，那么产生的光电子的最大初动能 Ek约为1.2 4019 J【答案】 D【解析】由题图甲所示的实验装置测量铷的遏止电压Uc,因光电管左端为阳极，那么电源左端为负极，应选项A错误；当电源左端为正极时，滑动变阻器的滑片向右滑动的过程中，光电管两端电压增大，光电流增大，当光 电流到达饱和值，不再增大，即电流表读数的变化是先增大后不变，应选项B 错误；光电子的最大初动能与入射光的频率和金属的逸岀功有关，与入射光的强度无关，应选项C错误；根据题图乙可知，铷的截止频率v =5.15 1014 Hz，根据hv= W0，那么可求岀该金属的逸

10、岀功大小W0= 6.63 1034X5.15 1014 J 3.41 xT90J，根据光电效应方程Ek= h v- Wo,当入射光的频率为 v= 7.00 1014 Hz时，那么最大初动能为 Ek= 6.63 1034X7.00 1014 J 3.41 10 19J 1.2 X-10j,应选项 D 正确。5. (安徽安庆一中 2021 届模拟)关于物质的波粒二象性，以下说法中正确的选项是 ()A 不仅光子具有波粒二象性，一切运动的微粒都具有波粒二象性B 运动的微观粒子与光子一样，当它们通过一个小孔时，都没有特定的运动轨道C .波动性和粒子性，在宏观现象中是矛盾的、对立的，但在微观高速运动的现象

11、中是统一的D 实物的运动有特定的轨道，所以实物不具有波粒二象性【答案】 ABC【解析】波粒二象性是微观世界特有的规律，一切运动的微粒都具有波粒二象性，A 正确。由于微观粒子的运动遵守不确定关系，所以运动的微观粒子与光子一样，当它们通过一个小孔发生衍射时，都没有特定 的运动轨道， B 正确。波粒二象性适用于微观高速领域， C 正确。宏观物体运动形成的德布罗意波的波长很 小，很难被观察到，但它仍有波粒二象性， D 错误。【增分攻略】1两条对应关系(1) 光强大T光子数目多T发射光电子多 T光电流大；(2) 光子频率高t光子能量大t光电子的最大初动能大。2 定量分析时应抓住三个关系式(1) 爱因斯坦

12、光电效应方程：Ek = h v- Wo(2) 最大初动能与遏止电压的关系：Ek = eUc逸岀功与极限频率的关系：Wo= h v3.光电效应的四类图象分析图象名称图线形状由图线直接(或间接)得到的物理量最大初动能Ek与入射光频率v的关系图线(1)极限频率：图线与 v轴交点的横坐标 v 逸出功：图线与 Ek轴交点的纵坐标的绝 对值Wo= |-E|= E普朗克常量：图线的斜率k= h颜色相同、强度不 同的光，光电流与 电压的关系(1)遏止电压Uc：图线与横轴交点的横坐标饱和光电流Im：电流的最大值最大初动冃匕：Ek= eUc颜色不冋时，光电流与电压的关系(1)遏止电压 Uc1、Uc2饱和光电流(3

13、)最大初动冃匕 Ek1 = eUc1, Ek2= eUc2遏止电压U C与入射光频率v的关系图线(1)极限频率v：图线与横轴的交点的横坐 标值遏止电压Uc：随入射光频率的增大而增 大普朗克常量h :等于图线的斜率与电子电 何量的乘积，即h = ke考点二原子的跃迁、原子核的衰变及半衰期1图示为氢原子能级图以及从n= 3、4、5、6能级跃迁到n= 2能级时辐射的四条光谱线，从n= 3跃迁到n= 2的能级时辐射光的波长为656 nm，以下表达正确的有A 四条谱线中频率最大的是H 8B 用633 nm的光照射能使氢原子从 n = 2跃迁到n= 3的能级C 一群处于n = 3能级上的氢原子向低能级跃迁

14、时，最多产生3种谱线D 如果H 8可以使某种金属发生光电效应，只要照射时间足够长，光的强度足够大，H卩也可以使该金属发生光电效应【答案】 AC【解析】频率最大的光子对应的能量最大，即跃迁时能量差最大，故从n = 6跃迁到n=2的频率最大，选项A正确；原子跃迁过程中，吸收光子的能量应刚好等于两能级的能量差，选项B错误；从n= 3向低能级跃迁时，可以是从 32、21或者是31，即有三种频率不同的光子，选项C正确；光电效应与光照的时间无关，H 8光子的能量最大，故其他光子不一定可以使该金属产生光电效应，选项D错误。2. 2021新课标全国I卷氢原子能级示意图如下图。光子能量在1.63 eV3.10

15、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-?.4OA. 12.09 eVB. 10.20 eVC. 1.89 eV D. 1.51 eV【答案】A【解析】由题意可知，基态n=1氢原子被激发后，至少被激发到n=3能级后，跃迁才可能产生能量在1.63eV3.10eV 的可见光。故 13.60eV12-09eV o 故此题选 A。3. 2021高考全国卷H 一静止的铀核放岀一个a粒子衰变成钍核，衰变方程为IU Th + 4He。以下说法正确的是A 衰变后钍核的动能等于a粒子的动能B .衰变后钍核的动量大小等于a粒子的动量大小C 铀核的半衰期等

16、于其放岀一个a粒子所经历的时间D.衰变后a粒子与钍核的质量之和等于衰变前铀核的质量【答案】B0= m1V1 + m2V2，可知 m1V1 = m2V2,故衰变后Ek = 2pm，由于钍核的质量m1大于a粒子的质量【解析】静止的原子核在衰变前后动量守恒，由动量守恒定律得钍核的动量大小等于a粒子的动量大小，选项 B正确；而动能m2，故其动能不等，选项A错误；铀核的半衰期是大量的铀核半数发生衰变所用的时间，而不是放岀一个a粒子所经历的时间，选项C错误；原子核衰变前后质量数守恒，衰变时放出核能，质量亏损，选项D错误。4. 2021山东济宁二模铀核U 经过m次a衰变和n次B衰变变成铅核Pb。关于该过程，

17、以下说法正确的是A . m= 5B . n = 4C 铀核U的比结合能比铅核Pb的比结合能大D 铀核235U的衰变过程的半衰期与温度和压强有关【答案】B【解析】由题意可知衰变方程为： U 207Pb + ma+ nB,那么235= 207 + 4m,解得m= 7,又92= 82+ 7左n,得 n = 4,故A错误，B正确；原子核的结合能与核子数之比，称作比结合能，铀核螫U 的比结合能比铅核207Pb的比结合能小，故 C错误；铀核IFu 的衰变过程的半衰期与温度和压强无关，由原子核内部因素决定，故D错误。【增分攻略】1. 确定衰变次数的方法：设放射性元素AX经过n次a衰变和m次B衰变后，变成稳定

18、的新元素 AY(1) 反响方程：AXt AY + n$He + m- 1e。(2)根据电荷数和质量数守恒列方程A= A+ 4n, Z = Z+ 2nm.两式联立解得:n =字 丁+ Z- Z。注意：为了确定衰变次数，一般是由质量数的改变先确定a衰变的次数，这是因为B衰变的次数的多少对质量数没有影响，然后再根据衰变规律确定B衰变的次数。2对半衰期的理解应注意(如温度、压强等)和化学状(1)放射性元素衰变的快慢是由原子核内部因素决定的，跟原子所处的物理状态 态(如单质、化合物等)无关；(2) 半衰期是一个统计概念，是对大量的原子核衰变规律的总结，对于少量原子核的衰变，上述规律不成立。3.群处在高能

19、级 n的氢原子向低能级跃迁时发射光子的种类N = Cn ；而一个处于高能级n的氢原子向低能级跃迁时，释放岀的光子的种类最多为 n-1。考点三核反响方程与核能1. (2021天津卷)我国自主研发制造的国际热核聚变核心部件在国际上率先通过权威机构认证，这是我国对国际热核聚变工程的重大奉献。以下核反响方程中属于聚变反响的是()几LA臥阳衆心翎罰-I亍p fA.；H：He1on14 hi4 .B. 7N2He18o 1hC.：He2；ai3p15P1on235 j j1D .92 U0 n144 Ba8956Ba36Kr 3；n【答案】A【解析】2h；H：Heo n疋一个氘核与一个氚核结合成一个氦核，

20、同时放出一个中子，属于聚变反响,故A正确；17n：HeA11H是卢瑟福发现质子的核反响，他用a粒子轰击氮原子核,产生氧的同位素一一氧17和一个质子，是人类第一次实现的原子核的人工转变，属于人工核反响，故B错误;4273012He13AI15Pn是小居里夫妇用a粒子轰击铝片时发现了放射性磷磷 30,属于人工核反响，故235114489_ 1C错误；92U on56Ba 36Kr 3n是一种典型的铀核裂变，属于裂变反响，故D错误。2. 人造太阳实验中的可控热核反响的聚变方程是2H + 3HR 2He + 0n,反响原料氘1H富存于海水中，氚1H可以用中子轰击锂核6Li得到，那么关于中子轰击锂核站产

21、生一个氚1H和一个新核，以下说法正确的选项是A .该核反响方程为3Li +2He + 1HB 核反响生成物中的a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6Li的核反响生成物中有a粒子，故该核反响属于a衰变D 核聚变的条件是要到达高温高压的热核反响状态，故核聚变过程不能释放岀核能【答案】B【解析】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响方程为3Li + 0nR4He + 1h，A错误；核反响生成物中的a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a粒子，这样的核反响才是a衰变，而中子轰击锂核6口的核反响是原子核的人工转变，故C错误；核反响中释放的核能来源于核反响过程中的质量亏损，与核反响的条件无关，故D错误。3. 2021高考全国卷H 太阳内部核反响的主要模式之一是质子一质子循环，循环的结果可表示为41HR 4He+ 2e+ 2丫1h和4He的质量分别为 mp= 1.007 8 u和m“= 4.002 6 u