2025版三维设计 一轮 高中总复习物理（通）第十六章 原子物理学

2025版三维设计一轮高中总复习物理（通用版）第十六章原子物理学第79课时光电效应和波粒二象性[双基落实课]（人教版选择性必修第三册P71问题）把一块锌板连接在验电器上，并使锌板带负电，验电器指针张开。用紫外线灯照射锌板，观察验电器指针的变化。判断下列说法的正误：（1）紫外线照射该金属极板时有光电子逸出，验电器的张角变小。（）（2）增大入射光的强度时，逸出的光电子初动能增大。（）（3）用绿光照射该金属极板时也一定能使验电器张角变小。（）（4）换用红外线照射时也一定能使验电器张角变小。（）

考点一黑体辐射和能量子[素养自修类]1.【能量子公式ε＝hν的应用】（2022·全国乙卷17题）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.9×102m2.【黑体辐射的实验规律】（多选）关于黑体辐射的实验规律如图所示，下列说法正确的是（）A.黑体能够完全吸收照射到它上面的光波B.随着温度的降低，各种波长的光辐射强度都有所增加C.随着温度的升高，辐射强度极大值向波长较长的方向移动D.黑体辐射的强度只与它的温度有关，与形状和黑体材料无关1.黑体辐射的实验规律随着温度的升高，一方面，各种波长的辐射强度都有增加，另一方面，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动。2.能量子（1）普朗克假设：组成黑体的振动着的带电微粒的能量只能是某一最小能量值ε的整数倍。例如，可能是ε或2ε、3ε……他把这个不可再分的最小能量值ε叫作能量子。（2）表达式为ε＝hν，这里的ν是带电微粒的振动频率，即带电微粒吸收或辐射电磁波的频率。考点二光电效应规律的理解及应用[互动共研类]1.光电效应的两条对应关系入射光强度大→光子数目多→发射光电子多→光电流大；光子频率高→光子能量大→光电子的最大初动能大。

2.光电效应中三个重要关系式（1）爱因斯坦光电效应方程：Ek＝hν－W0。（2）光电子的最大初动能Ek与遏止电压Uc的关系：Ek＝eUc。（3）逸出功W0与极限频率νc的关系：W0＝hνc。3.光电管上加正向与反向电压情况分析①P右移时，参与导电的光电子数增加；②P移到某一位置时，所有逸出的光电子恰好都参与了导电，光电流恰好达到最大值；③P再右移时，光电流不再增大①P右移时，参与导电的光电子数减少；②P移到某一位置时，所有逸出的光电子恰好都不参与导电，光电流恰好为0，此时光电管两端加的电压为遏止电压；③P再右移时，光电流始终为0【典例1】用如图所示的实验装置研究光电效应现象。用光子能量为2.75eV的光照射到光电管上时发生了光电效应，电流表G的示数不为零，移动滑动变阻器的触点c，发现当电压表的示数大于或等于1.7V时，电流表示数为零，则在该实验中（）A.光电子的最大初动能为1.05eV B.光电管阴极的逸出功为1.7eVC.开关S断开，电流表G示数为零 D.当触点c向a端滑动时，电压表示数增大听课记录1.【爱因斯坦光电效应方程的应用】光电管是一种利用光照产生电流的装置，当入射光照射在管中金属板上时，可以形成光电流。表中记录了某同学进行光电管实验时的数据。次入射光子能量/eV相对光强饱和光电流大小/mA逸出光电子的最大初动能/eV14.0弱290.824.0中430.834.0强600.8由表中数据得出的以下论断中正确的是（）A.三次实验采用了不同频率的入射光B.三次实验光电管中的金属板材质不同C.若入射光子的能量为5.0eV，不论光强多大，饱和光电流一定大于60mAD.若入射光子的能量为5.0eV，逸出光电子的最大初动能为1.8eV2.【对光子说的理解】（2023·浙江1月选考11题）被誉为“中国天眼”的大口径球面射电望远镜已发现660余颗新脉冲星，领先世界。天眼对距地球为L的天体进行观测，其接收光子的横截面半径为R。若天体射向天眼的辐射光子中，有η（η＜1）倍被天眼接收，天眼每秒接收到该天体发出的频率为ν的N个光子。普朗克常量为h，则该天体发射频率为ν光子的功率为（）A.4NL2hνC.ηL2hν4

考点三光电效应的图像问题[多维探究类]光电效应的三类图像的对比分析图像名称图像形状由图像直接（间接）得到的物理量最大初动能Ek与入射光频率ν的关系图像（1）极限频率：图像与ν轴交点的横坐标νc。（2）逸出功：图像与Ek轴交点的纵坐标的绝对值W0＝｜－E｜＝E。（3）普朗克常量：图像的斜率k＝h光电流I与电压U的关系图像颜色相同、强度不同的光（1）遏止电压Uc：图像与横轴的交点的横坐标。（2）饱和光电流Im1、Im2：光电流的最大值。（3）最大初动能：Ek＝eUc颜色不同的光（1）遏止电压Uc1、Uc2：图像与横轴的交点的横坐标。（2）饱和光电流：光电流的最大值。（3）最大初动能：Ek1＝eUc1，Ek2＝eUc2遏止电压Uc与入射光频率ν的关系图像（1）极限频率νc：图像与横轴的交点的横坐标。（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：等于图像的斜率与电子电荷量的乘积，即h＝ke考向一光电效应的Ek-ν图像问题【典例2】用不同频率的紫外线分别照射钨和锌的表面而产生光电效应，可得到光电子最大初动能Ek随入射光频率ν变化的Ek-ν图像，已知钨的逸出功是4.54eV，锌的逸出功是3.34eV，若将二者的图线画在同一个Ek-ν图像中，如图所示，用实线表示钨的Ek-ν图线，虚线表示锌的Ek-ν图线，则正确反映这一过程的是（）听课记录

考向二光电效应的I-U图像问题【典例3】在研究光电效应现象时，先后用单色光a、b、c照射同一光电管，所得到的光电流I与光电管两端所加电压U间的关系曲线如图所示，下列说法正确的是（）A.b、c两种单色光的颜色相同B.a、b两种单色光的光照强度相同C.增大c光的光照强度，电路中的饱和电流将增大D.增大b光的光照强度，射出的光电子的最大初动能增大听课记录考向三光电效应的Uc-ν图像问题【典例4】（2022·河北高考4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h。由图像可知（）A.钠的逸出功为hνc B.钠的截止频率为8.5×1014HzC.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成正比听课记录考点四对波粒二象性和物质波的理解[素养自修类]1.【对波粒二象性的理解】图1是用很弱的光做双缝干涉实验得到的不同数量的光子照射到感光胶片上的照片。图2是1927年戴维森和G.P.汤姆孙分别完成的电子衍射实验简化图，该实验是荣获诺贝尔奖的重大近代物理实验之一。关于这两个图片，下列说法中正确的是（）A.图1这些照片说明光只有粒子性没有波动性B.图1这些照片说明光只有波动性没有粒子性C.图2中该实验再次说明光子具有波动性D.图2中该实验说明实物粒子具有波动性2.【对康普顿效应的理解】实验表明：光子与速度不太大的电子碰撞发生散射时，光的波长会变长或者不变，这种现象叫康普顿散射，该过程遵循能量守恒定律和动量守恒定律。如果电子具有足够大的初速度，以至于在散射过程中有能量从电子转移到光子，则该散射被称为逆康普顿散射，这一现象已被实验证实，关于上述逆康普顿散射，下列说法正确的是（）A.相对于散射前的入射光，散射光频率不变B.若散射前的入射光照射某金属表面时能发生光电效应，则散射光照射该金属时，光电子的最大初动能将变大C.散射后电子的速度一定变大D.散射后电子的能量一定变大3.【对物质波的理解】（2021·浙江6月选考13题）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（）A.10－8 B.106C.108 D.10161.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光的频率越低，其波动性越显著，越容易看到光的干涉和衍射现象；光的频率越高，其粒子性越显著，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2.对物质波的理解（1）任何一个运动的物体，无论大小，都有一种波与之对应。（2）物质波的波长：λ＝hp＝hmv，温馨提示：请完成《课时跟踪检测》P469～470第80课时原子结构和原子核[双基落实课]如图是原子结构示意图，判断下列说法的正误：（1）原子中绝大部分是空的，原子核很小。（）（2）按照玻尔理论，核外电子均匀分布在各个不连续的轨道上。（）（3）核式结构学说是卢瑟福在α粒子散射实验的基础上提出的。（）（4）人们认识原子核具有复杂结构是从卢瑟福发现质子开始的。（）（5）如果某放射性元素的原子核有100个，经过一个半衰期后还剩50个。（）（6）质能方程表明在一定条件下，质量可以转化为能量。（）

考点一原子的核式结构模型[素养自修类]1.【α粒子散射实验的现象】如图所示为卢瑟福α粒子散射实验装置的示意图，图中的显微镜可在圆周轨道上转动，通过显微镜前相连的荧光屏可观察α粒子在各个角度的散射情况。下列说法中正确的是（）A.在图中的A、B两位置分别进行观察，相同时间内观察到屏上的闪光次数一样多B.在图中的B位置进行观察，屏上观察不到任何闪光C.卢瑟福选用不同重金属箔片作为α粒子散射的靶，观察到的实验结果基本相似D.α粒子发生散射的主要原因是α粒子撞击到金箔原子后产生的反弹2.【原子的核式结构模型】卢瑟福指导他的助手进行了α粒子散射实验，通过显微镜观察散射的α粒子发现，绝大多数α粒子穿过金箔后，基本上仍沿原来方向前进，但少数α粒子发生了大角度偏转，极少数的角度甚至大于90°，于是卢瑟福大胆猜想（）A.原子半径的数量级是10－10mB.原子核内存在质子和中子C.原子内部有体积很小、质量很大的核D.造成α粒子偏转的主要原因是它受到了原子中电子的作用1.α粒子散射实验结果分析（1）绝大多数α粒子沿直线穿过金箔，说明原子中绝大部分是空的。（2）少数α粒子发生较大角度偏转，反映了原子内部集中存在着对α粒子有斥力的正电荷。（3）极少数α粒子甚至被“撞了回来”，反映了个别α粒子正对着质量比α粒子大得多的物体运动时，受到该物体很大的斥力作用。2.分析电子绕核运动问题涉及的物理规律（1）库仑定律：F＝kq1q2r（2）牛顿运动定律和圆周运动规律，可以用来分析电子绕原子核做匀速圆周运动的问题。（3）功能关系及能量守恒定律，可以分析由于库仑力做功引起的带电粒子在原子核周围运动时动能、电势能之间的转化问题。考点二玻尔理论的理解及应用[互动共研类]1.两类能级跃迁及其条件（1）自发跃迁：高能级（n）低能级（m）→放出能量，发射光子，hν＝En－Em。（2）受激跃迁：低能级（m）高能级（n）→吸收能量。①光照（吸收光子）：光子的能量必须恰好等于能级差，hν＝En－Em。②碰撞、加热等：只要入射粒子的能量大于或等于能级差即可，E外≥En－Em。③大于电离能的光子被吸收，将原子电离。2.电离的理解（1）电离态：n＝∞，E＝0。（2）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，对于氢原子：①基态→电离态：E吸＝0－（－13.6eV）＝13.6eV，即为基态的电离能。②n＝2→电离态：E吸＝0－E2＝3.4eV，即为n＝2激发态的电离能。如果吸收能量足够大，克服电离能后，电离出的自由电子还具有动能。【典例1】氢原子的能级示意图如图所示，现有大量的氢原子处于n＝4的激发态，当原子向低能级跃迁时辐射出若干不同频率的光。关于这些光，下列说法正确的是（）A.最容易发生衍射现象的光是由n＝4能级跃迁到n＝1能级产生的B.频率最小的光是由n＝2能级跃迁到n＝1能级产生的C.这些氢原子总共可辐射出3种不同频率的光D.用由n＝2能级跃迁到n＝1能级辐射出的光去照射逸出功为6.34eV的金属铂能发生光电效应听课记录（1）这群氢原子辐射出的光子的最大能量为多少？（2）若要电离n＝4能级的氢原子，至少需要吸收多少光子的能量？（3）若一个处于n＝4能级的氢原子发生跃迁，发出的光谱线最多有几种？

【解题技法】确定氢原子辐射光谱线的种类的方法（1）一个氢原子跃迁发出的光谱线可能种类：最多为（n－1）种。（2）一群氢原子跃迁发出可能的光谱线可能种类：最多为N＝Cn2＝如一群氢原子由第4能级向低能级跃迁，发出的光谱线可能种类最多为N＝C42＝61.【氢原子能级跃迁的分析】（2023·湖北高考1题）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。该卫星搭载的莱曼阿尔法太阳望远镜可用于探测波长为121.6nm的氢原子谱线（对应的光子能量为10.2eV）。根据如图所示的氢原子能级图，可知此谱线来源于太阳中氢原子（）A.n＝2和n＝1能级之间的跃迁 B.n＝3和n＝1能级之间的跃迁C.n＝3和n＝2能级之间的跃迁 D.n＝4和n＝2能级之间的跃迁2.【能级跃迁谱线种类的确定】（多选）氢原子能级图如图所示，可见光的光子能量范围为1.62～3.11eV。根据玻尔理论判断，下列说法正确的是（）A.一个处在n＝5能级的氢原子向低能级跃迁时，最多可产生4种不同频率的光B.大量处在n＝4能级的氢原子向低能级跃迁时，最多可产生3种不同频率的光C.大量处在n＝5能级的氢原子向低能级跃迁时，由n＝5能级向n＝4能级跃迁辐射出的光子的波长最长D.大量处在n＝3能级的氢原子向低能级跃迁时，能产生3种不同频率的可见光考点三原子核的衰变及半衰期[互动共研类]1.三种射线的比较名称构成符号电荷量质量电离作用穿透能力α射线氦核

2＋2e4u最强最弱β射线电子

－－e11较强较强γ射线光子γ00最弱最强2.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

ZAX→Z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＋2001n→1衰变规律电荷数守恒、质量数守恒、动量守恒3.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12tT，m余＝m原4.衰变次数的计算方法先根据质量数守恒确定α衰变次数，再根据电荷数守恒确定β衰变次数。5.两种衰变在匀强磁场中的运动轨迹的比较静止原子核在匀强磁场中自发衰变，如果产生的新核和放出的粒子的速度方向与磁场方向垂直，则它们的运动轨迹为两相切圆，α衰变时两圆外切，β衰变时两圆内切，根据动量守恒定律有m1v1＝m2v2，又r＝mvqB，则运动半径小的为新核，运动半径大的为α粒子或β粒子，其特点对比如表α衰变

ZAX→Z两圆外切，α粒子运动半径较大β衰变

ZAX→Z两圆内切，β粒子运动半径较大【典例2】（多选）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。下列说法正确的是（）A.原子核发生α衰变，根据已知条件可以算出两个新核的质量比B.衰变形成的两个粒子带同种电荷C.衰变过程中原子核遵循动量守恒定律D.衰变形成的两个粒子电荷量的关系为q1∶q2＝r1∶r2听课记录1.【三种射线的性质及特点】卢瑟福设计的一个实验如图所示：他在铅块上钻了一个小孔，孔内放入一点镭，使射线只能从这个小孔里发出，随后他将射线引入磁场中，发现射线立即分成三束，他把三束射线分别命名为α射线、β射线、γ射线。基于对这三种射线的深入分析，卢瑟福获得了1907年的诺贝尔奖。以下对这三束射线描述准确的是（）A.α射线的穿透能力最弱，容易被物体吸收B.β射线在真空中的运动速度是光速C.γ射线本质上是波长极短的电磁波，电离能力极强D.β射线带负电，是来自镭原子的核外电子2.【半衰期的理解及应用】（2022·全国甲卷17题）两种放射性元素的半衰期分别为t0和2t0，在t＝0时刻这两种元素的原子核总数为N，在t＝2t0时刻，尚未衰变的原子核总数为N3，则在t＝4t0时刻，尚未衰变的原子核总数为（A.N12 B.C.N8 D.3.【衰变次数的计算】以下是有关近代物理内容的若干叙述，其中正确的是（）A.核反应

92238U→90234B.90234Th衰变为

86222Rn，经过3次α衰变，C.原子核发生一次β衰变，该原子外层就失去一个电子D.J.J.汤姆孙通过对阴极射线的研究发现了电子，并提出了原子的核式结构模型

考点四核反应方程与核能的计算[多维探究类]1.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

92238U→90β衰变自发

90234Th→91人工转变人工控制

714N＋24He→817

24He＋49Be→612

1327Al＋24He

1530P→14约里奥－居里夫妇发现人工放射性同位素重核裂变比较容易进行人工控制

92235U＋01n→56144

92235U＋01n→54136Xe轻核聚变很难控制12H＋13H2.计算核能的三种方法（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。考向一核反应的类型【典例3】能源是社会发展的基础，发展核能是解决能源问题的途径之一。下列释放核能的反应方程中，表述正确的是（）A.

13H＋11H→B.24He＋1327Al→C.919F＋11H→816D.92235U＋01n→3890Sr＋听课记录

考向二核反应方程中两个守恒的应用【典例4】（2023·全国甲卷15题）在下列两个核反应方程中X＋714N→YY＋3X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.Z＝1，A＝1 B.Z＝1，A＝2C.Z＝2，A＝3 D.Z＝2，A＝4听课记录考向三比结合能图线的理解及应用【典例5】（多选）原子核的比结合能曲线如图所示。根据该曲线，下列判断正确的有（）A.

24HeB.24He核比

C.两个

12H核结合成

D.92235U核中核子的比结合能比

听课记录考向四核能的计算【典例6】花岗岩、砖砂、水泥等建筑材料是室内氡的最主要来源。人呼吸时，氡气会随气体进入肺脏，氡衰变放出的α射线像小“炸弹”一样轰击肺细胞，使肺细胞受损，从而引发肺癌、白血病等。一静止的氡核

86222Rn发生一次α衰变生成新核钋（Po），此过程动量守恒且释放的能量全部转化为α粒子和钋核的动能。已知m氡＝222.0866u，mα＝4.0026u，m钋＝218.0766u，1u相当于931MeV的能量。（（1）写出上述核反应方程；（2）求上述核反应放出的能量ΔE；（3）求α粒子的动能Ekα。尝试解题

【解题技法】对质能方程的理解（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。（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。温馨提示：请完成《课时跟踪检测》P471～472原子核衰变的STSE问题【真题1】（2023·浙江1月选考9题）宇宙射线进入地球大气层与大气作用会产生中子，中子与大气中的氮14会产生以下核反应：

714N＋01n→614C＋11H，产生的

614C能自发进行βA.

614C发生β衰变的产物是B.β衰变辐射出的电子来自于碳原子的核外原子C.近年来由于地球的温室效应，引起

614D.若测得一古木样品的

611C含量为活体植物的14，【真题2】（2022·山东高考1题）碘125衰变时产生γ射线，医学上利用此特性可治疗某些疾病。碘125的半衰期为60天，若将一定质量的碘125植入患者病灶组织，经过180天剩余碘125的质量为刚植入时的（）A.116 B.C.14 D.【真题3】（2021·重庆高考2题）放射性元素123I会衰变为稳定的123Te，半衰期约为13h，可以用于检测人体的甲状腺对碘的吸收。若某时刻123I与123Te的原子数量之比为4∶1，则通过26h后123I与123Te的质量之比（）A.1∶2 B.1∶4C.1∶8 D.1∶161.人教版选择性必修第三册P114【科学漫步】碳14测年技术自然界中的碳主要是碳12，也有少量的碳14。宇宙射线进入地球大气层时，同大气作用产生中子，中子撞击大气中的氮引发核反应产生碳14。核反应方程为714N＋01n碳14具有放射性，能够自发地进行β衰变而变成氮，核反应方程为614C→7碳14的半衰期T1/2为5730年。碳14不断产生又不断衰变，达到动态平衡，因此，它在大气中的含量相当稳定，大约每1012个碳原子中有一个碳14。活的植物通过光合作用和呼吸作用与环境交换碳元素，体内碳14的比例与大气中的相同。植物枯死后，遗体内的碳14仍在衰变，不断减少，但是不能得到补充。因此，根据放射性强度减小的情况就可以推算植物死亡的时间。

2.鲁科版选择性必修第三册P116正文放射性的应用放射性在工业、农业、医疗卫生和科学研究等许多领域已得到了广泛应用。衔接分析：人教版选择性必修第三册P114【科学漫步】介绍了碳14测年技术；鲁科版选择性必修第三册P116正文部分介绍了“放射性在工业、农业、医疗卫生和科学研究等许