专题13光电效应及原子结构模型（讲义）（原卷版）

专题13光电效应及原子结构模型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·轻松练习考点内容考情预测氢原子能级及能级跃迁高考对于这部分知识点主要通过氢原子能级跃迁、原子核衰变、光电效应现象等物理模型进行命题设计，体现物理对光与电以及微观粒子的能量变化的理解、科学技术发展所产生的指导、创新等作用。在解决此类问题时要分析题意中的情境，抓住问题实质，具备一定的空间想象能力和数学推导能力。主要考查的知识点有:氢原子能级跃迁、原子核衰变以及光电效应方程等。2024年备考建议氢原子能级跃迁、原子核衰变以及光电效应方程及图像是各省市常考的重难点等。原子核与原子核的衰变比结合能、半衰期及核能的计算光电效应方程及图象的理解学习目标熟悉氢原子能级跃迁，能量计算以及光谱线条数的计算等。理解原子核衰变，半衰期的计算。3.掌握爱因斯坦光电效应方程理解极限频率、遏止电压、饱和光电流等物理量，通过对图像中的截距、斜率等的分析结合相关物理量进行求解。【典例1】（2023·河北·高考真题）2022年8月30日，国家航天局正式发布了“羲和号”太阳探测卫星国际上首次在轨获取的太阳Hα谱线精细结构。HA．从∞跃迁到n=2 B．从n=5跃迁到n=2C．从n=4跃迁到n=2 D．从n=3跃迁到n=2【典例2】（2023·重庆·统考高考真题）原子核92235U可以经过多次α和β衰变成为稳定的原子核82207A．87B．84C．88D．84【典例3】（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94238Pu衰变释放的核能一部分转换成电能。94A．衰变方程中的X等于233 B．24He的穿透能力比C．94238Pu比92XU的比结合能小考向01氢原子能级及能级跃迁1．对氢原子的能级图的理解(1)氢原子的能级图(如下图)．(2)氢原子能级图的意义：①能级图中的横线表示氢原子可能的能量状态——定态．②横线左端的数字“1,2,3…”表示量子数，右端的数字“－13.6，－3.4…”表示氢原子的能级．③相邻横线间的距离不相等，表示相邻的能级差不等，量子数越大，相邻的能级差越小．④带箭头的竖线表示原子由较高能级向较低能级跃迁，原子跃迁条件为：hν＝Em－En.2．关于能级跃迁的三点说明(1)当光子能量大于或等于13.6eV时，也可以被处于基态的氢原子吸收，使氢原子电离；当处于基态的氢原子吸收的光子能量大于13.6eV，氢原子电离后，电子具有一定的初动能．(2)当轨道半径减小时，库仑引力做正功，原子的电势能减小，电子动能增大，原子能量减小，反之．轨道半径增大时，原子电势能增大、电子动能减小，原子能量增大．(3)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：N＝Ceq\o\al(2,n)＝eq\f(nn－1,2).氢原子能级图与原子跃迁问题的解答技巧(1)能级之间跃迁时放出的光子频率是不连续的．(2)能级之间发生跃迁时放出(吸收)光子的频率由hν＝Em－En求得．若求波长可由公式c＝λν求得．(3)一个氢原子跃迁发出可能的光谱线条数最多为(n－1)．(4)一群氢原子跃迁发出可能的光谱线条数的两种求解方法．①用数学中的组合知识求解：N＝Ceq\o\al(2,n)＝eq\f(nn－1,2).②利用能级图求解：在氢原子能级图中将氢原子跃迁的各种可能情况一一画出，然后相加．考向02原子核与原子核的衰变1．衰变规律及实质(1)两种衰变的比较衰变类型α衰变β衰变衰变方程eq\o\al(A,Z)X→eq\o\al(A－4,Z－2)Y＋eq\o\al(4,2)Heeq\o\al(A,Z)X→eq\o\al(A,Z＋1)Y＋eq\o\al(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\al(1,0)n→eq\o\al(1,1)H＋eq\o\al(0,－1)e衰变规律质量数守恒、电荷数守恒(2)γ射线：γ射线经常是伴随着α衰变或β衰变同时产生的．其实质是放射性原子核在发生α衰变或β衰变的过程中，产生的新核由于具有过多的能量(核处于激发态)而辐射出光子．2．原子核的人工转变用高能粒子轰击靶核，产生另一种新核的反应过程．(1)卢瑟福发现质子的核反应方程为：eq\o\al(14,7)N＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(17,8)O＋eq\o\al(1,1)H.(2)查德威克发现中子的核反应方程为：eq\o\al(9,4)Be＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(12,6)C＋eq\o\al(1,0)n.(3)居里夫妇发现放射性同位素和正电子的核反应方程为：eq\o\al(27,13)Al＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(30,15)P＋eq\o\al(1,0)n.eq\o\al(30,15)P→eq\o\al(30,14)Si＋eq\o\al(0,＋1)e.3．确定衰变次数的方法因为β衰变对质量数无影响，先由质量数的改变确定α衰变的次数，然后再根据衰变规律确定β衰变的次数．考向03比结合能、半衰期及核能的计算1．核反应类型(1)核反应的四种类型：衰变、人工转变、裂变和聚变．(2)核反应过程一般都是不可逆的，所以核反应方程只能用单向箭头连接并表示反应方向，不能用等号连接．(3)核反应的生成物一定要以实验为基础，不能凭空只依据两个守恒规律杜撰出生成物来写核反应方程．(4)核反应遵循质量数守恒而不是质量守恒，核反应过程中反应前后的总质量一般会发生变化．(5)核反应遵循电荷数守恒．2．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．(4)有时可结合动量守恒和能量守恒进行分析计算，此时应注意动量、动能关系式p2＝2mEk的应用．3.半衰期(1)公式：，(2)影响因素：放射性元素衰变的快慢是由原子核内部自身因素决定的，跟原子所处的物理状态(如温度、压强)或化学状态(如单质、化合物)无关．(1)核反应方程的书写方法①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\al(1,1)H)、中子(eq\o\al(1,0)n)、α粒子(eq\o\al(4,2)He)、β粒子(eq\o\al(0,－1)e)、正电子(eq\o\al(0,1)e)、氘核(eq\o\al(2,1)H)、氚核(eq\o\al(3,1)H)等．②掌握核反应方程遵守的规律是正确书写核反应方程或判断某个核反应方程是否正确的依据，所以要理解并应用好质量数守恒和电荷数守恒的规律．③熟悉核反应的四种基本类型，可以帮助我们理清思路，很快写出正确的核反应方程．(2)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．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．两种途径都可以使核子的比结合能增加，都可以释放能量．考向01氢原子能级及能级跃迁【针对练习1】（2023·辽宁葫芦岛·统考二模）氢原子能级图如图，En=1n2E1，E1=−13.6eV，假设氢原子从n=3能级跃迁到n=1能级和n=2能级发出的光的波长和频率分别为λ1、λ2和ν1、ν2，氢原子从A．ν1=ν2+C．E1=E2+【针对练习2】（多选）（2024·浙江嘉兴·统考一模）如图所示是氢原子的能级图。已知可见光的波长范围为4.0×10−7m∼7.6×10A．氢原子处在n=4能级，会辐射可见光B．氢原子从高能级向n=3能级跃迁时，辐射的光具有显著的热效应C．氢原子从n=4能级向n=2能级和n=1能级跃迁时辐射的两种光，在同一介质中传播时前者速度小于后者D．氢原子从n=4能级向低能级跃迁，辐射的光子的最大动量是5.44×考向02原子核与原子核的衰变【针对练习3】（2023·江西九江·统考三模）太阳内部某种热核反应方程式为12H+A．X为质子 B．γ射线本质为高能量的光子C．核反应中12H的比结合能较24【针对练习4】（2023·四川成都·统考三模）我们在地球上获取和消耗的能量，绝大部分来自太阳内部核聚变释放的核能。下列核反应方程中，属于核聚变的是（）A．92238U→C．24He+考向03比结合能、半衰期及核能的计算【针对练习5】（2024·广东·统考一模）用来冷却核电站反应堆的废水中，受核反应36Li+Y→24A．Y是质子B．Y是电子C．改变核废水的温度，核废水中氚（13D．再经过24.86年，现有某部分核废水中的氚（13【针对练习6】（2024·浙江·校联考一模）2023年8月24日，日本政府正式向海洋排放福岛第一核电站的核废水。核废水中的84210Po发生衰变时的核反应方程为84210Po→82206Pb+X，84210A．该衰变是由于弱相互作用引起的B．由于海水的稀释，84210C．84206Po的平均核子质量大于D．该核反应过程中放出的能量Δ考向04光电效应方程及图象的理解1．光电效应中的几个概念比较(1)光子与光电子光子指光在空间传播时的每一份能量，光子不带电；光电子是金属表面受到光照射时发射出来的电子，其本质是电子．(2)光电子的动能与光电子的最大初动能光照射到金属表面时，电子吸收光子的全部能量，可能向各个方向运动，需克服原子核和其他原子的阻碍而损失一部分能量，剩余部分为光电子的初动能；只有金属表面的电子直接向外飞出时，只需克服原子核的引力做功的情况，才具有最大初动能．(3)光电流和饱和光电流金属板飞出的光电子到达阳极，回路中便产生光电流，随着所加正向电压的增大，光电流趋于一个饱和值，这个饱和值是饱和光电流，在一定的光照条件下，饱和光电流与所加电压大小无关．(4)光的强弱与饱和光电流频率相同的光照射金属产生光电效应，入射光越强，饱和光电流越大．2．对光电效应规律的解释对应规律对规律的产生的解释光电子的最大初动能随着入射光频率的增大而增大，与入射光强度无关电子吸收光子能量后，一部分克服原子核引力做功，剩余部分转化为光电子的初动能，只有直接从金属表面飞出的光电子才具有最大初动能，对于确定的金属，逸出功W0是一定的，故光电子的最大初动能只随入射光的频率增大而增大光电效应具有瞬时性光照射金属时，电子吸收一个光子的能量后，动能立即增大，不需要能量积累的过程光较强时饱和电流大光较强时，包含的光子数较多，照射金属时产生的光电子较多，因而饱和电流较大光电效应实质及发生条件(1)光电效应的实质是金属中的电子获得能量后逸出金属表面，从而使金属带上正电．(2)能否发生光电效应，不取决于光的强度，而是取决于光的频率．只要照射光的频率大于该金属的极限频率，无论照射光强弱，均能发生光电效应．3．爱因斯坦光电效应方程Ek＝hν－W0hν：光子的能量W0：逸出功，即从金属表面直接飞出的光电子克服原子核引力所做的功．Ek：光电子的最大初动能．4．四类图象图象名称图线形状由图线直接(间接)得到的物理量最大初动能Ek与入射光频率ν的关系图线①极限频率：图线与ν轴交点的横坐标νc②逸出功：图线与Ek轴交点的纵坐标的值W0＝|－E|＝E③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：图线与横轴的交点②饱和光电流Im：电流的最大值③最大初动能：Ekm＝eUc颜色不同时，光电流与电压的关系①遏止电压Uc1、Uc2②饱和光电流③最大初动能Ek1＝eUc1，Ek2＝eUc2遏止电压Uc与入射光频率ν的关系图线①截止频率νc：图线与横轴的交点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量的乘积，即h＝ke.(注：此时两极之间接反向电压)应用光电效应方程时的注意事项(1)每种金属都有一个截止频率，光频率大于这个截止频率才能发生光电效应．(2)截止频率是发生光电效应的最小频率，对应着光的极限波长和金属的逸出功，即hν0＝heq\f(c,λ0)＝W0.(3)应用光电效应方程Ek＝hν－W0时，注意能量单位电子伏和焦耳的换算(1eV＝1.6×10－19J)．【典例4】（2022·河北·统考高考真题）如图是密立根于1916年发表的钠金属光电效应的遏止电压Uc与入射光频率ν的实验曲线，该实验直接证明了爱因斯坦光电效应方程，并且第一次利用光电效应实验测定了普朗克常量hA．钠的逸出功为ℎνc C．图中直线的斜率为普朗克常量h D．遏止电压Uc与入射光频率ν【针对练习7】（2023·浙江·校联考一模）某同学采用如图所示的装置来研究光电效应现象。某频率为ν0的单色光照射光电管的阴极K时，能发生光电效应现象，若分别用频率为ν1和ν2的单色光照射阴极（且ν1>ν2>νA．单色光照射时电流计中的电流方向为从右到左B．图中滑动触片向右移动少许，电流计中的电流会变大C．普朗克常量ℎ=D．两种单色光照射阴极时，光电子的最大初动能之比为E【针对练习8】（2023·湖南·模拟预测）某实验小组研究光电效应规律时，用不同频率的光照射同一光电管并记录数据，得到遏止电压与频率的关系图线如图甲所示，当采用绿色强光、绿色弱光、紫色弱光三种光照射同一光电管时，得到的光电流与电压的关系如图乙所示。已知电子的电荷量为e，结合图中数据可知（）A．普朗克常量ℎ=eU1ν1C．a光为紫色弱光 D．c光为绿色强光一、单选题1．有些金属原子受激后从激发态跃迁到基态时，会发出特定颜色的光，可见光谱如图所示。已知某原子的某激发态与基态的能量差为1.85eV，普朗克常量ℎ=6.63×A．红色 B．黄色 C．蓝色 D．紫色2．如图所示为氢原子的能级示意图，一群氢原子处于n=1能级，该氢原子吸收能量为12.75eV的光子后发生跃迁，可以向外辐射光。则下列说法正确的是（

）A．有的氢原子可以电离B．氢原子能向外辐射出三种频率的光子C．向外辐射的频率最小的光子是由n=2向n=1能级跃迁产生的D．n=4向n=3能级跃迁向外辐射的光波动性比较显著3．生产芯片的工具是紫外光刻机，目前有DUV和EUV两种。DUV光刻机使用的是深紫外线，其波长为193nm。EUV光刻机使用的是极紫外线，其波长是13.5nm。现用两种紫外线分别照射同一块锌板，下列说法正确的是（）A．深紫外线光子的能量小于极紫外线光子的能量B．用紫外线照射锌板，紫外线辐射强度必须足够大才能发生光电效应C．发生光电效应时，验电器和锌板总是带等量异种电荷D．发生光电效应时，深紫外线照射锌板产生的光电子动能，一定小于极紫外线照射锌板产生的光电子动能4．氚（13H）的半衰期为12.43年，核反应方程为13A．该反应中产生的电子来源于13B．23He的比结合能大于C．经过高温加热其放射性消失D．13H衰变时会释放能量，衰变过程中的质量亏损等于5．日本核污染水排海对全球的海洋造成了严重的污染。已知核污染水中含有碘、锶、氚、钌等放射性元素，其中碘（53131I）的半衰期约为8天，碘131发生衰变的方程为53131I→54131Xe+XA．X粒子为1B．16个碘原子核（53131C．mD．碘131衰变过程释放核能6．核污水中存在大量超标的放射性物质，比如铯的同位素55137CsA．若55137CsB．55137Cs发生C．将55137CsD．55137Cs会破坏人体的细胞和组织，这与557．利用614C衰变测定年代技术进行考古研究，可以确定文物的大致年代，614C衰变方程为A．方程中的X是电子，它是碳原子电离时产生的，是原子的组成部分B．衰变是由于原子核吸收太多外界能量导致自身不稳定才发生的C．因为614C的比结合能小于D．半衰期是仅对大量的放射性原子核的描述，但该元素构成原子时，半衰期会产生变化8．2022年10月，我国自主研发的“夸父一号”太阳探测卫星成功发射。“夸父一号”太阳探测卫星可以观测太阳辐射的硬X射线。硬X射线是波长很短的光子，设波长为λ。若太阳均匀地向各个方向辐射硬X射线，卫星探测仪镜头正对着太阳，每秒接收到N个该种光子。已知探测仪镜头面积为S，卫星离太阳中心的距离为R，普朗克常量为h，光速为c，则太阳辐射硬X射线的总功率P为（）A．SNℎc4πR2λ B．πR29．光电效应实验电路如图甲所示。用a、b两种单色光分别照射光电管的阴极K，实验中得到的光电流I与光电管两端电压U的关系如图乙所示。则（）A．研究图乙中U<0的规律时甲图开关需打在2上B．开关打在2上触头P左移时，微安表示数增大C．a光照射产生光电子的最大初动能比b的小D．电压为图乙中U0时，a光照射时单位时间到达A极的光电子个数比b10．铀核裂变的核反应方程可能为92235U+A．在该裂变反应中m的数值为3B．裂变产物z94C．一次裂变反应后产物的质量比反应前增加1个中子的质量D．z94Sr的比结合能比11．本地时间2023年8月24日下午1点，日本政府正式开始向太平洋排放处理过的福岛第一核电站“核污水”。“核污水”中含有大量的氚以及钡141、氪92、锶90等几十种放射性元素，其中3890Sr的半衰期为28年，衰变方程为3890A．衰变方程中释放出电子说明3890B．100个3890Sr原子核经过56年，还将剩余25个C．随着海水温度的变化3890D．3890Sr的比结合能比12．某一种体温枪的工作原理是：任何物体温度高于绝对零度（−273°C）时都会向外发出红外线，红外线照射到体温枪的温度传感器，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。已知人体在不同温度时辐射出的红外线波长均为10μm，只是体温变化，辐射出的红外线强窗口红外光度不同。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=6.63×10A．由图乙可知，该光电管的阴极金属逸出功为0.1B．波长10μm的红外线在真空中的频率为C．将图甲中的电源正负极反接，将一定不会产生电信号D．若人体温度升高，辐射红外线的强度增大，电子逸出最大初动能增加13．静止的氡核86222Rn放出α粒子后变成钋核84218po，α粒子动能为A．2EkαC．111Ekα14．静止在匀强磁场中的碳14原子核，某时刻放射的某种粒子与反冲核的初速度方向均与磁场方向垂直，且经过一定时间后形成的轨迹如图所示。那么碳14的核反应方程可能是（）A．614C→C．614C→15．放射性同位素衰变的快慢有一定的规律，质量为m0的碳14614C发生β衰变，经过时间t后剩余碳14的质量为A．碳14放出的β粒子来自核外电子 B．碳14的衰变方程为6C．碳14的半衰期为11460年 D．100个碳14原子经过11460年后还剩25个16．有甲、乙两种放射性元素，它们的半衰期分别是τ甲=15天，τ乙=30天，它们的质量分别为M甲A．1：4 C．2：1 17．某同学设计了如图所示的电路研究光电效应：第一次使用波长为λ的光照射阴极K，调节滑片P的位置，当电压表的示数为U时，微安表的示数刚好为零；第二次改用波长为2λ的光照射阴极K，调节滑片P的位置，当电压表的示数为U4时，微安表的示数刚好为零。已知普朗克常量为h，光在真空中的传播速度为cA．第一次与第二次入射光光子的动量大小之比为1:2B．第一次与第二次从阴极K表面射出的光电子的最大速度之比为2:1C．阴极材料的逸出功为ℎcD．若用波长为4λ的光照射阴极K，一定有光电子从阴极K表面逸出二、多选题18．如图所示为氢原子能级图。下列说法正确的是（）A．一个处于n=3能级的氢原子，可以吸收一个能量为0.7eV的光子B．一个处于n=3能级的氢原子，可以吸收一个能量为2eV的光子C．大