第11讲光电效应原子结构和原子核（原卷版）

第11讲光电效应原子结构和原子核【选考真题】（多选）（2022•浙江）秦山核电站生产614C的核反应方程为714N+01n→614C+X，其产物6A．X是1B．614C．-10D．经过一个半衰期，10个614C将剩下（多选）（2022•浙江）2021年12月15日秦山核电站迎来了安全发电30周年，核电站累计发电约6.9×1011kW•h，相当于减排二氧化碳六亿多吨。为了提高能源利用率，核电站还将利用冷却水给周围居民供热。下列说法正确的是（）A．秦山核电站利用的是核聚变释放的能量B．秦山核电站发电使原子核亏损的质量约为27.6kgC．核电站反应堆中需要用镉棒控制链式反应的速度D．反应堆中存在92235U+0（2021•浙江）2020年12月我国科学家在量子计算领域取得了重大成果，构建了一台76个光子100个模式的量子计算机“九章”，它处理“高斯玻色取样”的速度比目前最快的超级计算机“富岳”快一百万亿倍。关于量子，下列说法正确的是（）A．是计算机运算的一种程序B．表示运算速度的一个单位C．表示微观世界的不连续性观念D．类似于质子、中子的微观粒子（2021•浙江）下列说法正确的是（）A．光的波动性是光子之间相互作用的结果B．玻尔第一次将“量子”引入原子领域，提出了定态和跃迁的概念C．光电效应揭示了光的粒子性，证明了光子除了能量之外还具有动量D．α射线经过置于空气中带正电验电器金属小球的上方，验电器金属箔的张角会变大【要点提炼】一、光电效应及其规律1.爱因斯坦光电效应方程：Ek＝hν－W0。2.最大初动能与遏止电压的关系：Ek＝eUc。3.逸出功与极限频率的关系：W0＝hνc。4.Ek－ν图线：是一条倾斜直线，但不过原点，如图所示。(1)横轴截距表示极限频率；(2)纵轴截距的绝对值表示逸出功；(3)图线的斜率表示普朗克常量h。二、原子结构与玻尔理论知识体系三、原子核及其衰变知识体系四、核反应核能的计算知识体系【方法指导】一、光电效应的研究思路二、一个氢原子能级跃迁与一群氢原子能级跃迁的区别1.一群处于较高能级n的氢原子向低能级跃迁时，释放出的谱线条数为N＝Ceq\o\al(2,n)＝eq\f(n（n－1）,2)。2.一个处于较高能级n的氢原子向低能级跃迁时，释放出的光谱线条数最多为n－1。三、计算核能的几种方法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。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931.5MeV，即ΔE＝Δm×931.5MeV。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。【例题精析】考点一光电效应问题脉冲燃料激光器以450μs的脉冲形式发射波长为585nm的光，这个波长的光可以被血液中的血红蛋白强烈吸收，从而有效清除由血液造成的瘢痕。每个脉冲向瘢痕传送约为5.0×10﹣3J的能量，普朗克常量为6.626×1﹣34J•s。（）A．每个光子的能量约为5×10﹣19JB．每个光子的动量约为3.9×10﹣43kg•m/sC．激光器的输出功率不能小于1.24WD．每个脉冲传送给瘢痕的光子数约为1.47×1016个某种复式光由红、蓝两种颜色的光组成，其光强度对波长的关系如图甲所示，红光范围的光强度比蓝光范围的光强度大很多。某学生以此光照射某一金属，进行光电效应实验，发现皆可产生光电子，如图乙所示。设可变直流电源的电压为U时测得的光电流为I，测得多组数据，则下列图像中该实验所测得的I﹣U关系可能正确的是（）A．B．C．D．“激光武器”是用高能的激光对远距离的目标进行精确射击或用于防御导弹等的武器，它的优点是速度快、射束直、射击精度高、抗电磁干扰能力强。某激光器能发射波长为λ的激光，发射功率为P，c表示光速，h为普朗克常量，则激光器每分钟发射的光子数量为（）A．60λPhcB．hc60λPC．cλPh大型钛合金构件在航天、航空领域应用广泛，我国使用激光焊接复杂钛合金构件的技术和能力已达到世界一流水平。若焊接所用的激光波长为λ，每个激光脉冲中的光子数目为n，已知普朗克常量为h、光速为c，则下列说法中正确的是（）A．激光焊接利用了激光的相干性B．激光的频率为λC．激光光子的动量为λD．每个激光脉冲的能量为n考点二原子结构1897年英国物理学家约瑟夫•约翰•汤姆孙在研究阴极射线时发现了电子，这是人类最早发现的基本粒子。下列有关电子的说法正确的是（）A．电子的发现说明原子核是有内部结构的B．射线是原子核外电子电离形成的电子流，它具有中等的穿透能力C．光电效应中，逸出光电子的最大初动能与入射光强度无关D．卢瑟福的原子核式结构模型认为核外电子的轨道半径是量子化的下列说法中正确的是（）A．结合能越大的原子核越稳定B．康普顿效应说明光子不但具有能量，而且具有动量C．卢瑟福通过对α粒子散射实验的研究，揭示了原子核由质子和中子组成D．由玻尔理论可知，氢原子的核外电子由较高能级跃迁到较低能级时，要释放一定频率的光子，同时电子的动能减少，电势能增大（多选）大量处于n＝5能级的氢原子向低能级跃迁时产生的a、b两种单色光照射某光电管的阴极时，测得遏止电压之比为2：1，根据该信息下列说法正确的是（）A．在同种介质中，b光的传播速度是a光的22B．若b光是跃迁到n＝3能级产生的，则a光可能是跃迁到n＝4能级产生的C．用同样的装置做双缝干涉实验，b光束的条纹间距是a光束的两倍D．当两种光从水中射向空气时，a光的临界角小于b光的临界角目前地球上消耗的能量绝大部分来自太阳内部核聚变时释放的核能。如图所示，太阳能路灯的额定功率为P，光电池系统的光电转换效率为η。用P0表示太阳辐射的总功率，太阳与地球的间距为r，地球半径为R，光在真空中传播的速度为c。太阳光传播到达地面的过程中大约有30%的能量损耗，电池板接收太阳垂直照射的等效面积为S。在时间t内（）A．到达地球表面的太阳辐射总能量约为7B．路灯正常工作所需日照时间约为40πC．路灯正常工作消耗的太阳能约为ηPtD．因释放核能而带来的太阳质量变化约为10【强化专练】关于近代物理知识，下列判断正确的是（）A．黑体辐射的实验规律可用光的波动性解释B．自由核子组成原子核时，其质量亏损所对应的能量可能小于该原子核的结合能C．如果一个质子和一个中子的德布罗意波长相等，那么它们的总能量相同D．康普顿效应表明光子不仅具有能量，而且具有动量如图所示，图甲为氢原子的能级图，大量处于n＝3激发态的氢原子跃迁时，发出频率不同的大量光子，其中频率最高的光子照射到图乙电路中光电管阴极K上时，电路中电流随电压变化的图像如图丙所示。下列说法正确的是（）A．光电管阴极K金属材料的逸出功为7.0eVB．这些氢原子跃迁时共发出2种频率的光C．若调节滑动变阻器滑片能使光电流为零，则可判断图乙中电源右侧为正极D．氢原子跃迁放出的光子中有2种频率的光子可以使阴极K发生光电效应现象下列说法错误的是（）A．为更好接收波长为300m的无线电波，应把收音机的调谐频率调到1000kHzB．在同一金属的光电效应中，黄光照射下逸出的光电子的初动能不一定比绿光照射下逸出的光电子的初动能小C．卢瑟福通过α粒子散射实验提出原子的核式结构模型，同时α粒子散射实验也是用来估算原子核半径最简单的办法D．原子序数大于83的原子一定有天然放射现象，而小于83的原子都没有天然放射现象如图所示为光电管的原理图。已知滑动变阻器的滑片在图示P位置，用黄光照射阴极K时，电流表指针恰好不偏转，下列说法正确的是（）A．滑片向左移动到最左端时，电流表指针也不会发生偏转B．滑片向右移动到最右端时，电流表指针会发生偏转C．滑片在P位置时，换用红光照射，电流表指针会发生偏转D．滑片在P位置时，换用紫光照射，电流表指针会发生偏转（多选）新冠病毒疫情防控工作中，额温枪在医院、车站、小区、学校等地方被广泛使用，成为重要的防疫装备之一。某一种额温枪的工作原理是：任何物体温度高于绝对零度（﹣273℃）时都会向外发出红外线，额温枪通过红外线照射到温度传感器，发生光电效应，将光信号转化为电信号，从而显示出物体的温度。已知人的体温正常时能辐射波长为10μm的红外线，如图甲所示，用该红外光线照射光电管的阴极K时，电路中有光电流产生，光电流随电压变化的图像如图乙所示，已知h＝6.63×10﹣34J•s，e＝1.6×10﹣19C，则（）A．波长10μm的红外线在真空中的频率为3×1013HzB．将图甲中的电源正负极反接，将不会产生电信号C．由图乙可知，该光电管的阴极金属逸出功约为0.1eVD．若人体温度升高，辐射红外线的强度增大，光电流减小（多选）在磁感应强度为B的均匀磁场内放置一极薄的金属片，其极限波长为λ0（波长为2λ0的入射光恰能产生光电效应），今用频率为v的弱单色光照射，发现没有电子放出。实验证明：在采用相同频率v的强激光照射下，电子能吸收多个光子，也能产生光电效应，释放出的电子（质量为m，电荷量的绝对值为e）能在垂直于磁场的平面内做圆周运动，最大半径为R，则（）A．遏止电压为eB．此照射光光子的能量可能为hcC．放出电子的最大动量为hvD．单色光光子的动量可能为h（多选）为了解决光信号长距离传输中的衰减问题，常常在光纤中掺入铒元素。如图所示的是铒离子的能级示意图，标识为4I132的铒离子处在亚稳态，不会立即向下跃迁：如果用光子能量约为2.03×10﹣19J的激光把处于基态能级4I152的铒离子激发到4I112能级，再通过“无辐射跃迁”跃迁到能级4I132A．无辐射跃迁中一个铒离子放出的能量约为7.50×10﹣20JB．这种光纤传输任何频率的光信号衰减都能得到有效补偿C．处在4I112能级的铒离子即向下跃迁能产生D．上述情景发生时，光纤中传输的光信号波长约为1.55μm（多选）2021年9月，在甘肃省武威市全球首台钍基熔盐核反应堆进行试运行放电，也标志着我国成为世界上第一个对第四代核电技术进行商业化试验运营的国家。反应堆工作原理如图所示，钍232（90232Th）吸收一个中子后会变成钍233，钍233不稳定，会变成易裂变核素铀233A．钍233变成铀233的核反应方程式是：90232Th→90233Pa+-10eB．中间产生的新核镤233（91233Pa）从高能级向低能级跃迁时，会伴随C．新核铀233（92233U）的结合能小于钍233D．核反应堆是通过核裂变把核能直接转化为电能发电（多选）在火星上太阳能电池板发电能力有限，因此科学家用放射性材料PuO2作为发电能源为火星车供电。PuO2中的Pu元素是94238Pu，其半衰期是87.7年，可衰变为92234U。某次火星探测时火星车储存了5kgA．Pu的同位素94238Pu的半衰期一定为B．94238Pu的衰变方程为94238Pu→C．94238Pu的比结合能小于D．经过87.7年该火星车上的PuO2能释放约1.4×1030MeV的能量（多选）核电站一般分为两部分，一是利用原子核裂变生产蒸汽的核岛（包括核反应堆和回路系统），二是利用蒸汽驱动汽轮发电的常规岛（包括汽轮机发电系统）。某核电站装机容量是300万千瓦，核能转化为电能的效率是35%。下列说法正确的是（）A．反应堆中用水做慢化剂，可以起到减缓链式反应的作用B．从核能到电能，中间能量还转化成了内能和机械能两种形式C．若一直满负荷运行，参与核裂变的铀棒每年减少的质量约为3.0kgD．若产生的电能通过同一线路进行远距离输电，相同电压下采用直流输电和交流输电输电线上损耗的电能相同（多选）2021年4月13日日本政府宣布将向太平洋倾倒逾125万吨福岛核电站内储存的核废水，消息一出举世哗然。福岛核电站的裂变材料是铀235，核废水含有大量的氚以及钡141、氪92、锶90、钴60、碘129、钉106等放射性核素。由于含氚的水和普通的水具有相同的化学性质，物理性质也相近，因而现有的废水处理技术很难去除，铀235的半衰期大约为12.5年。针对这一事件，下列同学的观点正确的是（）A．为了保护海洋环境，日本政府应在12.5年后再排放