查补易混易错15 原子物理学-022年高考物理三轮冲刺过关（解析版）

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查补易混易错15原子物理学

高考试题对本专题的考查主要围绕原子结构、原子核和波粒二象性三个部分内容命制试题，涉及的考点比较多；题型多为选择题，可能只考查一个知识点，也可能涉及多个考点，试题难度不大。如2021年湖南卷第1题、河北卷第1题、广东卷第1题等都在第1题对该部分内容进行了考查。值得注意的是，在一些地区的高考物理改革中（如山东省、江苏省）可能会打破必修、选修的界限，出现如光电效应、氢原子光谱、光的折射、光的反射相结合的题目，进行综合考查。

【真题示例·2021·山东卷·1】在测定年代较近的湖泊沉积物形成年份时，常利用沉积物中半衰期较短的，其衰变方程为。以下说法正确的是（）

A.衰变方程中的X是电子

B.升高温度可以加快的衰变

C.与的质量差等于衰变的质量亏损

D.方程中的X来自于内质子向中子的转化

【答案】A

【解析】

A．根据质量数守恒和电荷数守恒可知，X是电子，A正确；

B．半衰期非常稳定，不受温度，压强，以及该物质是单质还是化合物的影响，B错误；

C．与和电子X的质量差等于衰变的质量亏损，C错误；

D．方程中的X来自于内中子向质子的转化，D错误。

故选A。

【易错分析】考生容易将反应后的电子的质量忽略，不计算在反应前后的质量亏损中，易选成C项。

【易错01】爱因斯坦光电效应方程和图像问题

光电效应的图像分析

图像名称

图线形状

读取信息

最大初动能Ek与入射光频率ν的关系图线

①截止频率(极限频率):横轴截距

②逸出功:纵轴截距是金属逸出功的负值

③普朗克常量:图线的斜率k=h

遏止电压Uc与入射光频率ν的关系图线

①截止频率νc:横轴截距

②遏止电压Uc:随入射光频率的增大而增大

③普朗克常量h:等于图线的斜率与电子电荷量的乘积,即h=ke

颜色相同、强度不同的光照射金属,光电流与电压的关系

①遏止电压Uc:横轴截距

②饱和电流Im:电流的最大值

③最大初动能:Ek=eUc

颜色不同时,光电流与电压的关系

①遏止电压Uc1、Uc2

②饱和电流Im1、Im2

③最大初动能Ek1=eUc1,Ek2=eUc2

【易错02】.对光的波粒二象性的理解

从数量上看

个别光子的作用效果往往表现为粒子性;大量光子的作用效果往往表现为波动性

从频率上看

频率越低波动性越显著,越容易看到光的干涉和衍射现象;频率越高粒子性越显著,越不容易看到光的干涉和衍射现象,贯穿本领越强

从传播与作用上看

光在传播过程中往往表现出波动性;在与物质发生作用时往往表现出粒子性

波动性与粒子性的统一

由光子的能量ε=hν、光子的动量表达式p=hλ也可以看出,光的波动性和粒子性并不矛盾,表示粒子性的粒子能量和动量的计算式中都含有表示波的特征的物理量——频率ν和波长λ

【易错03】玻尔理论和能级跃迁

1.对原子跃迁条件hν=Em-En的说明

(1)原子跃迁条件hν=Em-En只适用于原子在各定态之间跃迁的情况。

(2)当光子能量大于或等于13.6eV(或|En|)时,也可以被处于基态(或n能级)的氢原子吸收,使氢原子电离;当处于基态(或n能级)的氢原子吸收的光子能量大于13.6eV(或|En|)时,氢原子电离后,电子具有一定的初动能。

(3)原子还可吸收外来实物粒子(例如自由电子)的能量而被激发。由于实物粒子的动能可全部或部分被原子吸收,所以只要入射粒子的能量大于或等于两能级的能量差值(E=Em-En),均可使原子发生能级跃迁。

2.跃迁中两个易混问题

(1)一群原子和一个原子

氢原子核外只有一个电子,这个电子在某个时刻只能处在某一个可能的轨道上,在某段时间内,由某一轨道跃迁到另一个轨道时,可能的情况只有一种,但是如果容器中盛有大量的氢原子,这些原子的核外电子跃迁时就会有各种情况出现了。

(2)直接跃迁与间接跃迁

原子从一种能量状态跃迁到另一种能量状态时,有时可能是直接跃迁,有时可能是间接跃迁。两种情况下辐射(或吸收)光子的能量是不同的。直接跃迁时辐射(或吸收)光子的能量等于间接跃迁时辐射(或吸收)的所有光子的能量和。

3.氢原子跃迁前后电子的能量分析

当轨道半径增大时,原子能量增大,电子动能减小,原子的电势能增大。反之,当轨道半径减小时,原子能量减小,电子动能增大,原子的电势能减小。

【易错04】α衰变、β衰变的比较

衰变类型

α衰变

β衰变

衰变方程

ZAX→Z−2A−4Y+24He

ZAX→Z+1AY+-10e

衰变实质

2个质子和2个中子结合成一个整体射出

1个中子转化为1个质子和1个电子

211H+201n→24He

01n→11H+-10e

衰变规律

电荷数守恒、质量数守恒、动量守恒

【易错05】.对半衰期的理解

(1)半衰期是大量原子核衰变时的统计规律,对个别或少量原子核,无半衰期可言。

(2)根据半衰期的概念,可总结出公式N余=N原12t/τ,m余=m原12t/τ。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,τ表示半衰期。

【易错06】核反应方程与核能计算

1.核反应方程的比较

类型

可控性

核反应方程典例

衰

变

α衰变

自发

92238U→90234Th+24He

β衰变

自发

90234Th→91234Pa+-10e

人工转变

人工控制

714N+24He→817O+11H(卢瑟福发现质子)

24He+49Be→612C+01n(查德威克发现中子)

人工转变

人工控制

1327Al+24He→1530P+01n

约里奥·居里夫妇发现放射性同位素,同时发现正电子

1530P→1430Si++10e

重核裂变

比较容易进

行人工控制

92235U+01n→56144Ba+3689Kr+301n

92235U+01n→54136Xe+3890Sr+1001n

轻核聚变

很难控制

12H+13H→24He+01n

2.质能方程的理解

(1)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,即E=mc2。

方程的含义是:物体具有的能量与它的质量之间存在简单的正比关系,物体的能量增大,质量也增大;物体的能量减少,质量也减少。

(2)核子在结合成原子核时出现质量亏损Δm,其能量也要相应减少,即ΔE=Δmc2。

(3)原子核分解成核子时要吸收一定的能量,相应的质量增加Δm,吸收的能量为ΔE=Δmc2。

3.核能释放的两种途径的理解

中等大小的原子核的比结合能最大,这些核最稳定。由比结合能较小的核反应生成比结合能较大的核会释放能量,核能释放一般有两种途径:

(1)使较重的核分裂成中等大小的核;

(2)使较小的核结合成中等大小的核。

4.计算核能的几种方法

(1)根据ΔE=Δmc2计算,计算时Δm的单位是“kg”,c的单位是“m/s”,ΔE的单位是“J”。

(2)根据ΔE=Δm×931.5MeV/u计算。因1原子质量单位(u)相当于931.5MeV的能量,所以计算时Δm的单位是“u”,ΔE的单位是“MeV”。

(3)根据平均结合能来计算核能:原子核的结合能=平均结合能×核子数,反应前后原子核的结合能之差即释放(吸收)的核能。

(4)有时可结合动量守恒定律和能量守恒定律进行分析计算。

1.（2021·河北卷）普朗克常量，光速为c，电子质量为，则在国际单位制下的单位是（）

A． B．m C． D．

【答案】B

【解析】

根据可得它们的单位为：

故选B。

2．（2021·浙江卷）已知普朗克常量，电子的质量为，一个电子和一滴直径约为的油滴具有相同动能，则电子与油滴的德布罗意波长之比的数量级为（）

A． B． C． D．

【答案】C

【解析】

根据德布罗意波长公式

解得

由题意可知，电子与油滴的动能相同，则其波长与质量的二次方根成反比，所以有

代入数据解得

所以C正确；ABD错误；

故选C。

3．（2021·广东卷）科学家发现银河系中存在大量的放射性同位素铝26，铝26的半衰期为72万年，其衰变方程为，下列说法正确的是（）

A．Y是氦核

B．Y是质子

C．再经过72万年，现有的铝26衰变一半

D．再经过144万年，现有的铝26全部衰变

【答案】C

【解析】

AB．根据核反应的质量数和电荷数守恒可知，该核反应是

即Y是正电子，选项AB错误；

CD．因72万年是一个半衰期，可知再过72万年，现有的铝26衰变一半；再过144万年，即两个半衰期，现有的铝26衰变四分之三，选项C正确，D错误；

故选C。

4．（2021·湖南卷）核废料具有很强的放射性，需要妥善处理。下列说法正确的是（）

A．放射性元素经过两个完整的半衰期后，将完全衰变殆尽

B．原子核衰变时电荷数守恒，质量数不守恒

C．改变压力、温度或浓度，将改变放射性元素的半衰期

D．过量放射性辐射对人体组织有破坏作用，但辐射强度在安全剂量内则没有伤害

【答案】D

【解析】

A．放射性元素的半衰期是大量的放射性元素衰变的统计规律，对少量的个别的原子核无意义，则放射性元素完全衰变殆尽的说法错误，故A错误；

B．原子核衰变时满足电荷数守恒，质量数守恒，故B错误；

C．放射性元素的半衰期是由原子核的自身结构决定的，而与物理环境如压力、温度或浓度无关，与化学状态无关，故C错误；

D．过量放射性辐射包含大量的射线，对人体组织有破坏作用，但辐射强度在安全剂量内则没有伤害，故D正确；

故选D。

5．（2021·浙江卷）对四个核反应方程（1）；（2）；（3）；（4）。下列说法正确的是（）

A．（1）（2）式核反应没有释放能量

B．（1）（2）（3）式均是原子核衰变方程

C．（3）式是人类第一次实现原子核转变的方程

D．利用激光引发可控的（4）式核聚变是正在尝试的技术之一

【答案】CD

【解析】

A．（1）是衰变，（2）是衰变，均有能量放出，故A错误；

B．（3）是人工核转变，故B错误；

C．（3）式是人类第一次实现原子核转变的方程，故C正确；

D．利用激光引发可控的（4）式核聚变是正在尝试的技术之一，故D正确。

故选CD。

6.（2021海南卷）某金属在一束单色光的照射下发生光电效应，光电子的最大初动能为，已知该金属的逸出功为，普朗克常量为h。根据爱因斯坦的光电效应理论，该单色光的频率为（）

A. B. C. D.

【答案】D

【解析】根据爱因斯坦的光电效应方程可知

解得该单色光的频率为

故选D。

7（2021江苏卷）.用“中子活化”技术分析某样品的成分，中子轰击样品中的产生和另一种粒子X，则X是（）

A.质子 B.粒子 C.粒子 D.正电子

【答案】A

【解析】

该核反应方程为

可知X是质子。

故选A。

8．（2021·湖南娄底市高三零模）具有放射性，会发生衰变；俘获中子会发生裂变产生中等质量的原子核，同时放出大量的核能，下列说法正确的是（）

A．发生衰变时需要吸收热量

B．能发生衰变说明中有粒子

C．的比结合能比裂变产生的中等质量原子核比结合能小

D．裂变产生的能量即为的结合能

【答案】C

【解析】A．发生衰变时会放出热量，A错误；B．发生衰变是原子核中两个中子和两个质子组成的一个粒子释放出来即为粒子，原子核中并没有粒子，B错误；C．裂变时释放核能，有质量亏损，产生的中等质量原子核的核子平均质量减小，核子的比结合能增大，C正确；D．核子结合成原子核或原子核分解成核子吸收的能量为结合能，因此裂变产生的能量并不是的结合能，D错误。

故选C。

9．（2021·湖南高三一模）图甲是“光电效应”实验电路图，图乙为某次“光电效应”实验中得到的同一光电管两端的遏止电压随入射光频率v变化的函数关系图像，下列判断正确的是（）

A．入射光的频率v不同，遏止电压相同

B．入射光的频率v不同，光照强度不同，图像的斜率相同

C．只要光的光照强度相同，光电子的最大初动能就一定相同

D．图甲所示电路中，当电压表增大到一定数值时，电流计将达到饱和电流

【答案】B

【解析】A．逸出功与金属材料有关，与入射光的频率无关，由，可知，入射光的频率不同，电子的最大初动能不同，又，所以入射光的频率不同，遏止电压不同，A错误；B．由，可得，故图线的斜率为相同的常量，B正确；C．由爱因斯坦光电效应，可知在入射光频率不同的情况下，光电子的最大初动能不同，最大初动能与光照强度无关，C错误；D．必须使图甲所示电路中的电源正负极反接过来，才能用来验证光电流与电压的关系，即当电压表增大到一定数值时电流计将达到饱和电流，D错误。故选B。

10．（2021·山东高三模拟）由中科院等离子体物理研究所设计制造的EAST全超导非圆截面托卡马克实验装置试用已经成功，标志着我国站在了世界核聚变研究的前端。设可控热核反应前氘核（）的质量为，氚核（）的质量为，反应后氦核（）的质量为，中子（）的质量为，已知真空中的光速为c。下列说法中正确的是（）

A．核反应放出的能量为

B．上述核反应过程中原子核的比结合能减小

C．这种热核反应释放出氦核，是衰变

D．这种装置的核反应原理与我国大亚湾核电站所使用核装置的原理相同

【答案】A

【解析】A．可控热核反应装置中发生的核反应方程式是，核反应过程中存在质量亏损，因此m1+m2＞m3+m4，核反应过程中的质量亏损，释放的核能为

，A正确；B．因轻核聚变反应释放巨大核能，说明拆开的结合能小于组合的结合能，则生成物的比结合能增大，B错误；C．这种热核实验反应是核聚变反应，而不是自发发生的α衰变，C错误；D．这种装置的核反应是核聚变，我国大亚湾核电站所使用核装置是核裂变，它们的核反应原理不相同，D错误。故选A。

11．（2021·广东高三模拟）下列说法正确的是（）

A．经一次α衰变后成为

B．氢原子的核外电子从半径较小的轨道跃迁到半径较大的轨道时，原子的能量增大

C．温度升高能改变放射性元素的半衰期

D．核反应方程应遵循质子数和中子数守恒

【答案】B

【解析】A．根据核反应过程中，核电荷数和质量数守恒，知经一次α衰变后成为不会成为，故A错误；B．氢原子核外电子从半径较小的轨道跃迁到半径较大的轨道时，吸收光子，原子的能量增加，故B正确；C．半衰期与物理环境无关，故C错误；D．核反应过程中，核电荷数和质量数守恒，中子数不一定守恒，故D错误。故选B。

12．（2021·河北高三一模）铀同位素的衰变对岩石中元素丰度的影响可以用来进行地质测年，其中核发生α衰变生成核，下列说法正确的是（）

A．核的质量等于核与α粒子的质量之和

B．核的质量数等于核与α粒子的质量数之和

C．核的电荷数大于核与α粒子的电荷数之和

D．核的中子数小于核与α粒子的中子数之和

【答案】B

【解析】A.核的质量大于核与α粒子的质量之和，因为发生质量亏损，A错误；B.因为衰变过程质量数守恒，核的质量数等于核与α粒子的质量数之和，B正确；C.因为衰变过程电荷数守恒，核的电荷数等于核与α粒子的电荷数之和，C错误；D.因为衰变过程中子数守恒，核的中子数等于核与α粒子的中子数之和，D错误。故