专题16近代物理（讲义）-（原卷版）

专题15近代物理01专题网络·思维脑图02考情分析·解密高考03高频考点·以考定法04核心素养·难点突破05创新好题·轻松练考点内容学习目标光电效应1.了解光电效应原理，掌握光电效应方程，会识别光电效应的四类图像；2.了解波粒二象性与物质波公式；3.了解氢原子光谱，了解能级跃迁、轨道和能量量子化以及基态、激发态等概念；4.了解核反应和常见的三类衰变；5.了解结合能和比结合能，知道原子核的质量亏损，并能应用质能方程进行相关的计算光的波粒二象性与物质波氢原子光谱、波尔理论和能级跃迁核反应和衰变结合能与核能及其计算光电效应和能级跃迁光电效应及其规律光电效应现象：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，这种电子常称为光电子．光电效应的产生条件：入射光的频率大于或等于金属的截止频率．光电效应规律每种金属都有一个截止频率νc，入射光的频率必须大于或等于这个截止频率才能产生光电效应．光电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．光电效应的发生几乎是瞬时的，一般不超过10－9s.当入射光的频率大于或等于截止频率时，在光的颜色不变的情况下，入射光越强，饱和电流越大，逸出的光电子数越多，逸出光电子的数目与入射光的强度成正比，饱和电流的大小与入射光的强度成正比．光电效应两条对应关系光子频率高→光子能量大→光电子的最大初动能大；光照强度大(同种频率的光)→光子数目多→发射光电子多→光电流大．定量分析时应抓住三个关系式爱因斯坦光电效应方程Ek＝hν－W0最大初动能与遏止电压的关系Ek＝eUc逸出功与截止频率的关系W0＝hνc光电效应的四类图像分析图像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ν的关系Ek＝hν－hνc(1)截止频率：图线与ν轴交点的横坐标νc(2)逸出功：图线与Ek轴交点的纵坐标的绝对值W0＝|－E|＝E(3)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(2)饱和光电流Im1、Im2：光电流的最大值(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，则ν1>ν2(2)最大初动能：Ek1＝eUc1，Ek2＝eUc2遏止电压Uc与入射光频率ν的关系Uc＝eq\f(hν,e)－eq\f(W0,e)(1)截止频率νc：图线与横轴的交点的横坐标(2)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(注：此时两极之间接反向电压)解决氢原子能级跃迁问题的三点技巧原子跃迁时，所吸收或辐射的光子能量只能等于两能级的能量差．原子从某一能级电离时，所吸收的能量可以大于或等于这一能级能量的绝对值，剩余能量为自由电子的动能．一个氢原子跃迁发出的可能光谱线条数最多为(n－1)，而一群氢原子跃迁发出的可能光谱线条数可用N＝Ceq\o\al(2,n)＝eq\f(nn－1,2)求解．光的波粒二象性与物质波光的波粒二象性光的干涉、衍射、偏振现象证明光具有波动性．光电效应说明光具有粒子性．光既具有波动性，又具有粒子性，称为光的波粒二象性．物质波概率波：光的干涉现象是大量光子的运动遵守波动规律的表现，亮条纹是光子到达概率大的地方，暗条纹是光子到达概率小的地方，因此光波又叫概率波．物质波：任何一个运动着的物体，小到微观粒子，大到宏观物体，都有一种波与它对应，其波长λ＝eq\f(h,p)，p为运动物体的动量，h为普朗克常量．氢原子光谱、玻尔理论和能级跃迁氢原子光谱光谱：用棱镜或光栅可以把光按波长(频率)展开，获得光的波长(频率)和强度分布的记录，即光谱．光谱分类：1）线状谱是一条条的亮线．2）连续谱是连在一起的光带．氢原子光谱的实验规律：巴耳末系是氢原子光谱在可见光区的谱线，其波长公式eq\f(1,λ)＝R∞eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,22)－\f(1,n2)))(n＝3,4,5，…)，R∞是里德伯常量，R∞＝1.10×107m－1，n为量子数，此公式称为巴耳末公式．氢光谱在红外和紫外光区的其他谱线也都满足与巴耳末公式类似的关系式．玻尔理论定态假设：电子只能处于一系列不连续的能量状态中，在这些能量状态中电子绕核的运动是稳定的，电子虽然绕核运动，但并不产生电磁辐射．跃迁假设：电子从能量较高的定态轨道(其能量记为En)跃迁到能量较低的定态轨道(能量记为Em，m<n)时，会放出能量为hν的光子，这个光子的能量由前后两个能级的能量差决定，即hν＝En－Em.(h是普朗克常量，h＝6.63×10－34J·s)轨道量子化假设：原子的不同能量状态跟电子在不同的圆周轨道绕核运动相对应．原子的定态是不连续的，因此电子的可能轨道也是不连续的．能级跃迁能级和半径公式：1）能级公式：En＝eq\f(1,n2)E1(n＝1,2,3，…)，其中E1为基态能量，其数值为E1＝－13.6eV.2）半径公式：rn＝n2r1(n＝1,2,3，…)，其中r1为基态轨道半径，其数值为r1＝0.53×10－10m.氢原子的能级图，如图所示原子核的衰变及半衰期原子核的衰变衰变：原子核自发地放出α粒子或β粒子，变成另一种原子核的变化称为原子核的衰变．α衰变、β衰变衰变类型α衰变β衰变衰变方程eq\o\al(M,Z)X→eq\o\al(M－4,Z－2)Y＋eq\o\al(4,2)Heeq\o\al(M,Z)X→eq\o\ar(M,Z＋1)Y＋eq\o\ar(0,－1)e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2eq\o\al(1,1)H＋2eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(4,2)Heeq\o\ar(1,0)n→eq\o\ar(1,1)H＋eq\o\ar(0,－1)e衰变规律电荷数守恒、质量数守恒γ射线：γ射线经常是伴随着α衰变或β衰变同时产生的．半衰期公式：N余＝N原，m余＝m原.影响因素：放射性元素衰变的快慢是由核内部自身的因素决定的，跟原子所处的外部条件(如温度、压强)和化学状态(如单质、化合物)无关(选填“有关”或“无关”)．核反应及核能的计算核反应的四种类型类型可控性核反应方程典例衰变α衰变自发eq\o\ar(238,92)U→eq\o\ar(234,90)Th＋eq\o\ar(4,2)Heβ衰变自发eq\o\ar(234,90)Th→eq\o\ar(234,91)Pa＋eq\o\ar(0,－1)e人工转变人工控制eq\o\ar(14,7)N＋eq\o\ar(4,2)He→eq\o\ar(17,8)O＋eq\o\ar(1,1)H(卢瑟福发现质子)eq\o\ar(4,2)He＋eq\o\ar(9,4)Be→eq\o\ar(12,6)C＋eq\o\ar(1,0)n(查德威克发现中子)eq\o\al(27,13)Al＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(30,15)P＋eq\o\al(1,0)n约里奥－居里夫妇发现放射性同位素，同时发现正电子eq\o\ar(30,15)P→eq\o\ar(30,14)Si＋eq\o\ar(0,＋1)e重核裂变容易控制eq\o\ar(235,92)U＋eq\o\ar(1,0)n→eq\o\ar(144,56)Ba＋eq\o\ar(89,36)Kr＋3eq\o\ar(1,0)neq\o\ar(235,92)U＋eq\o\ar(1,0)n→eq\o\ar(136,54)Xe＋eq\o\ar(90,38)Sr＋10eq\o\ar(1,0)n轻核聚变现阶段很难控制eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)n＋17.6MeV核反应方程式的书写熟记常见基本粒子的符号，是正确书写核反应方程的基础．如质子(eq\o\ar(1,1)H)、中子(eq\o\ar(1,0)n)、α粒子(eq\o\ar(4,2)He)、β粒子(eq\o\ar(0,－1)e)、正电子(eq\o\ar(0,＋1)e)、氘核(eq\o\ar(2,1)H)、氚核(eq\o\ar(3,1)H)等．掌握核反应方程遵循的规律：质量数守恒，电荷数守恒．由于核反应不可逆，所以书写核反应方程式时只能用“→”表示反应方向．核力和核能核力：原子核内部，核子间所特有的相互作用力．结合能：原子核是核子凭借核力结合在一起构成的，要把它们分开需要的能量，叫作原子的结合能，也叫核能．比结合能：原子核的结合能与核子数之比，叫作比结合能，也叫平均结合能．比结合能越大，原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定．核子在结合成原子核时出现质量亏损Δm，其对应的能量ΔE＝Δmc2.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.考向一：光电效应【探究重点】光电效应方程表达式：hν＝Ek＋W0或Ek＝hν－W0.物理意义：金属表面的电子吸收一个光子获得的能量是hν，这些能量的一部分用来克服金属的逸出功W0，剩下的表现为逸出后电子的最大初动能．逸出功W0：电子从金属中逸出所需做功的最小值，W0＝hνc＝heq\f(c,λc).最大初动能：发生光电效应时，金属表面上的电子吸收光子后克服原子核的引力逸出时所具有的动能的最大值．【高考解密】(2022·全国乙卷·17)一点光源以113W的功率向周围所有方向均匀地辐射波长约为6×10－7m的光，在离点光源距离为R处每秒垂直通过每平方米的光子数为3×1014个．普朗克常量为h＝6.63×10－34J·s.R约为()A．1×102m B．3×102mC．6×102m D．9×102m【考向预测】(2022·江苏常州市期末)如图所示，分别用1、2两种材料作K极进行光电效应探究，其截止频率ν1<ν2，保持入射光不变，则光电子到达A极时动能的最大值Ekm随电压U变化关系的图像是()考向二：波粒二象性与物质波【探究重点】康普顿效应：在研究石墨对X射线的散射时，发现在散射的X射线中，除了与入射波长λ0相同的成分外，还有波长大于λ0的成分，这个现象称为康普顿效应。康普顿效应的意义：康普顿效应表明光子不仅具有能量而且具有动量。光子的动量：1)表达式：p＝eq\f(h,λ)。2)说明：在康普顿效应中，当入射的光子与晶体中的电子碰撞时，要把一部分动量转移给电子，光子的动量可能变小。因此，有些光子散射后波长变大。光的干涉和衍射现象说明光具有波动性，光电效应和康普顿效应说明光具有粒子性。【高考解密】(2022·江苏·高考真题)上海光源通过电子光子散射使光子能量增加，光子能量增加后()A．频率减小 B．波长减小 C．动量减小 D．速度减小【考向预测】(2023·江苏苏北七市联考)著名物理学家汤姆孙曾在实验中让电子束通过电场加速后，通过多晶薄膜得到了如图所示衍射图样，已知电子质量为m＝9.1×10－31kg，加速后电子速度v＝5.0×106m/s，普朗克常量h＝6.63×10－34J·s，则()A．该图样说明了电子具有粒子性B．该实验中电子的德布罗意波长约为0.15nmC．加速电压越大，电子的物质波波长越大D．使用电子束工作的电子显微镜中，加速电压越大，分辨本领越弱考向三：氢原子光谱、波尔理论和能级跃迁【探究重点】两类能级跃迁自发跃迁：高能级→低能级，释放能量，发射光子．光子的频率ν＝eq\f(ΔE,h)＝eq\f(E高－E低,h).受激跃迁：低能级→高能级，吸收能量．跃迁条件吸收光子的能量必须恰好等于能级差hν＝ΔE.(注意：当入射光子能量大于该能级的电离能时，原子对光子吸收不再具有选择性，而是吸收以后发生电离)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≥ΔE.光谱线条数的确定方法一个氢原子跃迁发出可能的光谱线条数最多为n－1.一群氢原子跃迁发出可能的光谱线条数N＝Ceq\o\al(2,n)＝eq\f(nn－1,2).电离电离态：n＝∞，E＝0.电离能：指原子从基态或某一激发态跃迁到电离态所需要吸收的最小能量．例如：氢原子从基态→电离态：E吸＝0－(－13.6eV)＝13.6eV若吸收能量足够大，克服电离能后，获得自由的电子还具有动能．【高考解密】(2022·浙江·统考高考真题)如图为氢原子的能级图。大量氢原子处于n=3的激发态，在向低能级跃迁时放出光子，用这些光子照射逸出功为2.29eV的金属钠。下列说法正确的是()A．逸出光电子的最大初动能为10.80eVB．n=3跃迁到n=1放出的光子动量最大C．有3种频率的光子能使金属钠产生光电效应D．用0.85eV的光子照射，氢原子跃迁到n=4激发态【考向预测】(2022·海南海口市一模)氢原子能级图如图所示，处于基态的一群氢原子被频率为ν0的单色光照射后，发出3种频率的光，频率关系为ν1>ν2>ν3，则()A．ν0>ν1 B．hν3＝1.89eVC．hν2＝12.09eV D．hν1＝0.76eV考向四：核反应与衰变【探究重点】核反应方程中电荷数守恒，质量数守恒，有质量亏损．α衰变和β衰变次数的确定方法方法一：由于β衰变不改变质量数，故可以先由质量数改变确定α衰变的次数，再根据电荷数守恒确定β衰变的次数．方法二：设α衰变次数为x，β衰变次数为y，根据质量数和电荷数守恒列方程组求解．核能的计算方法根据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”．根据ΔE＝Δm×931.5MeV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”．根据核子比结合能来计算核能：原子核的结合能＝核子比结合能×核子数．【高考解密】(2023·全国·统考高考真题)在下列两个核反应方程中、，X和Y代表两种不同的原子核，以Z和A分别表示X的电荷数和质量数，则(

)A．， B．， C．， D．，【考向预测】(2022·陕西西安市一模)2020年3月15日中国散裂中子源(CSNS)利用中子成像技术帮助中国科技大学进行了考古方面的研究．散裂中子源是研究中子特性、探测物质微观结构和运动的科研装置．下列关于中子研究的说法正确的是()A．α粒子轰击eq\o\ar(14,7)N，生成eq\o\ar(17,8)O，并产生了中子B．eq\o\ar(238,92)U经过4次α衰变，2次β衰变，新核与原来的原子核相比，中子数少了6个C．放射性β射线其实质是高速中子流，可用于医学的放射治疗D．核电站可通过控制中子数目来控制核反应剧烈程度考向五：结合能与核能及其计算【探究重点】核能的计算方法根据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”．根据ΔE＝Δm×931.5MeV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”．根据核子比结合能来计算核能：原子核的结合能＝核子比结合能×核子数．【高考解密】(2023·浙江·统考高考真题)“玉兔二号”装有核电池，不惧漫长寒冷的月夜。核电池将衰变释放的核能一部分转换成电能。的衰变方程为，则()A．衰变方程中的X等于233 B．的穿透能力比γ射线强C．比的比结合能小 D．月夜的寒冷导致的半衰期变大【考向预测】(2023·全国·统考高考真题)2022年10月，全球众多天文设施观测到迄今最亮伽马射线暴，其中我国的“慧眼”卫星、“极目”空间望远镜等装置在该事件观测中作出重要贡献。由观测结果推断，该伽马射线暴在1分钟内释放的能量量级为。假设释放的能量来自于物质质量的减少，则每秒钟平均减少的质量量级为(光速为)A． B． C． D．(2021·河北·高考真题)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．（2023·北京市育才学校高三下学期三模）如图所示，把一块不带电的锌板接在验电器上，用紫外线灯照射锌板，验电器的金属箔片张开，则下列说法中正确的是（）A.紫外线的波长比可见光长B.验电器的金属箔片带正电C.从锌板逸出电子的动能都相等D.若改用红外灯照射，验电器的金属箔片一定张开(2023·江苏省如东高级中学检测)用如图所示的装置研究光电效应现象，当用光子能量为3.6eV的光照射到光电管上时，电流表G有读数．移动变阻器的触头c，当电压表的示数大于或等于0.9V时，电流表读数为0，则以下说法正确的是()A．光电子的初动能可能为0.8eVB．光电管阴极的逸出功为0.9eVC．开关S断开后，电流表G示数为0D．改用能量为2eV的光子照射，电流表G有电流，但电流较小(2023·江苏南通市模拟)在光电效应实验中，某同学用同一光电管在不同实验条件下得到三条光电流与电压之间的关系曲线(甲光、乙光、丙光)，如图所示．则()A．甲光的强度小于乙光的强度B．乙光的频率大于丙光的频率C．丙光照射时，逸出的所有光电子的物质波波长都最短D．当电压等于U0时，甲、乙光对应的光电子的最大动能相等（2023·湖南省益阳市一中高三下学期5月三模）氢原子的核外电子从n=2的能级跃迁到n=1的能级时，发出的光恰好能使某种金属发生光电效应，则下列各种说法中正确的是（）A.该光是氢原子所有可能发出的光中能量最大的B.氢原子中由高能级跃迁到n=2的能级时发出的光可能使该金属发生光电效应C.该金属发生光电效应产生的光电子的最大能量恰好等于氢原子从n=2的能级跃迁到n=1的能级所放出光子的能量D.氢原子从n=2的能级跃迁到n=1的能级所放出光子的能量等于该金属的逸出功(2022·湖南永州市三模)1956年吴健雄用半衰期为5.27年的eq\o\al(60,27)Co对李政道和杨振宁提出的在弱相互作用中宇称不守恒进行实验验证.eq\o\al(60,27)Co的衰变方程式为eq\o\al(60,27)Co→eq\o\al(60,28)Ni＋X.下列说法正确的是()A．X是质子B．增大压强，可使eq\o\al(60,27)Co的半衰期变为10.54年C.eq\o\al(60,27)Co衰变能释放出X，说明了原子核中有XD．若该衰变过程中的质量亏损为Δm，真空中的光速为c，则该反应释放的能量为Δmc2(2021·浙江6月选考·13)已知普朗克常量h＝6.63×10－34J·s，电子的质量为9.11×10－31kg，一个电子和一滴直径约为4μm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(ρ油＝0.8×103kg/m3)()A．10－8 B．106C．108 D．1016(2023·江苏连云港市模拟)科学家以高速电子束为“光源”利用冷冻电镜“拍摄”到了新冠病毒的3D影像．冷冻电镜分辨率比光学显微镜高1000倍以上，可达0.2nm.不考虑相对论效应，下列说法正确的是()A．冷冻电镜的分辨率非常高，是由于电子的德布罗意波长长B．用高倍光学显微镜也能拍摄到新冠病毒的影像C．电子运动的速度越大，其德布罗意波的衍射能力越强D．若用相同动能的质子代替电子，也能“拍摄”到新冠病毒的3D影像（2023·江苏省苏锡常镇四市高三下学期二模补偿训练）微型核电池的体积很小，只有一个硬币的厚度，电力极强，可用于充电。微型核电池利用微型和纳米级系统研发出了一种超微型电源设备，这种电池通过放射性物质的衰变，释放出带电粒子，从而获得持续电流。镍发生衰变变为铜，用它制成的大容量核电池，续航可超百年。下列说法正确的是（）A.衰变中粒子来源的方程为B.镍的衰变方程满足质量守恒，电荷数守恒C.升高镍的温度，可使其半衰期减小D.镍的比结合能比铜的比结合能大（2023·江苏省南京市高三下学期三模）用中子轰击静止的锂核，核反应方程为。已知光子的频率为v，锂核的比结合能为，氦核的比结合能为，X核的比结合能为，普朗克常量为h，真空中光速为c、下列说法中正确的是（）A.X核为核 B.光子的动量C.释放的核能 D.质量亏损有一匀强磁场，磁感应强度大小为B，方向垂直纸面向外，一个原来静止在A处的原子核发生衰变放射出两个粒子，两个新核的运动轨迹如图所示，已知两个相切圆半径分别为r1、r2.下列说法不正确的是