（高考物理高分突破试题）专题14原子物理（解析版）

（高考物理高分突破试题）专题14原子物理（解析版）（高考物理高分突破试题）专题14原子物理（解析版）/（高考物理高分突破试题）专题14原子物理（解析版）专题14原子物理一、光电效应("一”"二”"三”"四”)(1)"一个电路”：【应注意电源正负极的接法】(2)"二条线索”：①光的频率——光子能量——光电子最大初动能——遏止电压;②光照强度——光子数量——光电子数量——饱和电流.(3)"三个公式”：①爱因斯坦光电效应方程：EKm＝hυ－W0;②最大初动能与遏止电压的关系：EKm＝eUc．③逸出功W0与截止频率υc的关系：W0＝hυc=hc/λ．(4)"四幅图象”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)用a、b两束单色可见光分别照射同一单缝衍射装置,在同一屏幕上得到如图甲(a光)和图乙(b光)所示的图样,下列说法正确的是()A．在同一介质中,a光的波长大于b光的波长B．在同一介质中,a光的光速小于b光的光速C．以相同的入射角从空气斜射入水中,a光的折射角小D．若用b光照射某金属有光电子逸出,则用a光照射该金属也一定有光电子逸出【解答】解：A．由于甲、乙是由同一条单缝衍射而形成的图样,由于波长越短中央条纹的宽度越小,由图可知单色光a的波长大于b的波长,故A正确;BC．对于同一介质,据c＝λν可知,波长越长的单色光频率越小,折射率越小,故A光的频率小于b光的频率,即na＜nb,因此以相同的入射角从空气斜射入水中,a光的折射角大,根据v=cn可得νa＞νb,故D．根据光电效应的产生条件可知,入射光的频率大于金属的极限频率时才发生光电效应现象,由于a光的频率小于b光,故用b光照射某金属有光电子逸出,则用a光照射该金属也不一定有光电子逸出,故D错误.故选：A.如图甲所示为某实验小组成员研究某金属发生光电效应的遏止电压随照射光频率变化关系的实验原理图,图乙为实验得到的遏止电压随照射光频率变化的关系图像,电子的电荷量e＝1.6×10﹣19C,则下列说法正确的是()A．由图乙可得普朗克常量为6.6×10﹣33J•sB．由图乙可知,该金属的极限频率为4.0×1014HzC．图甲中入射光的频率为4.8×1014Hz时,逸出的光电子的最大初动能为1.056×10﹣19JD．图甲中入射光的频率为3.5×1014Hz时,滑动变阻器的滑片移到最左端,电流计G的示数为零【解答】解：AB、由光电效应方程有Ekm＝hν﹣W0由能量守恒定律有Ekm＝eUC又有W0＝hν0联立可得：U由图乙可知,图像斜率k=he=0.33(4.0-3.2)×1014V•s,解得普朗克常量为：h＝6.6当UC＝0时,对应ν为该金属的极限频率,由图乙可知该金属的极限频率为ν0＝3.2×1014Hz,故AB错误;C、由光电效应方程有Ekm＝hν﹣W0＝hν﹣hν0,则知当入射光的频率为4.8×1014Hz时,逸出的光电子的最大初动能为Ekm=6.6×10-34D、图甲中入射光的频率为3.5×1014Hz,大于该金属的极限频率,能发生光电效应,有光电流产生,滑动变阻器的滑片移到最左端时,光电管、电流计和电压表形成回路,电流可以通过,因此电流计G的示数不为零,故D错误.故选：C.用不同波长的光照射光电管阴极探究光电效应的规律时,根据光电管的遏止电压Uc与对应入射光的波长λ作出的Uc-1λ图像如图所示.已知光电子的电荷量大小为e,光速为c,A．该光电管阴极材料的逸出功大小为acB．当用波长λ=12aC．当用波长λ＜1aD．当用波长λ＜1a的光照射光电管的阴极时,【解答】解：A．由图可知：a=1λ0,则该金属的逸出功为：由光电效应方程eUc＝hν﹣W=h整理得U图像的斜率为k=可求得h=光电管阴极材料的逸出功为W=hcλ0=hca＝B．用波长λ=12a的光照射光电管阴极时,光电子的最大初动能为：EkC．波长λ＜1a的光照射光电管的阴极时,λ＞λ0,能发生光电效应,故D．波长λ＜1a的光照射光电管的阴极时,光电子的最大初动能为：Ek=hcλ-W,故选：B.如图为新型火灾报警装置的核心部件紫外线光电管,所接电源电压为U,火灾时产生的波长为λ的光照射到逸出功为W0的阴极材料K上产生光电子,且光电子能全部到达阳极A,回路中形成电流I,从而触发火灾报警器,已知普朗克常量为h,电子的电荷量为e,光速为c.下列说法正确的是()A．火灾中激发出光电子的光的频率为λB．阴极K上每秒钟产生的光电子数为IeC．光电管阴极接受到光照用于激发光电子的功率为ID．光电子经电场加速后到达A时的最大动能为h【解答】解：A．根据波速、波长、周期关系式有：c解得ν故A错误;B．根据电流的定义式有I=q解得时间内产生的光电子数为n故B错误;C．光电管阴极接受到光照用于激发光电子的功率P＝n'hν由于ν结合上述解得P故C正确;D．光电子逸出阴极K时的最大动能E1＝hν﹣W0电场加速后eU＝Ek2﹣Ek1结合上述解得E故D错误.故选：C.图甲为光电效应实验的电路图,利用不同频率的单色光a、b进行光电效应实验,测得光电管两极间所加电压U与光电流I的关系如图乙所示.则这两种光()A．照射该光电管时,a光使其逸出的光电子最大初动能大B．从同种玻璃射入空气发生全反射时,a光对应的临界角大C．通过同一装置发生双缝干涉,b光的相邻条纹间距大D．在同一介质中传播时,b光的速度大【解答】解：A、由光电效应方程：Ek＝hν﹣W0＝eUc,同种金属,W0相同,图乙中,a光的遏止电压小于b光的遏止电压,则说明νb＞νa,则b光照射光电管时,逸出的光电子最大初动能大,故A错误;B、由于b光的频率大于a光的频率,则b光的折射率大于a光的折射率,根据sinC=1n可知,从同种玻璃射入空气发生全反射时,a光对应的临界角大,故C、由于b光的频率大于a光的频率,根据c＝λν可知,a光的波长大,根据Δx=Ldλ可知,通过同一装置发生双缝干涉,a光的相邻条纹间距大,故D、由于b光的折射率大于a光的折射率,根据v=cn可知,在同一介质中传播时,b光的速度小,故D故选：B.二、玻尔模型1、原子结构的物理学史：2、能级跃迁：(1)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).(2)原子跃迁时,所吸收或释放的光子能量只能等于两能级的能量差．(3)原子电离时,所吸收的能量可以大于或等于某一能级能量的绝对值．3、氢原子任一能级：En＝Ep＋Ek;En＝eq\f(E1,n2);rn＝n2r1.keq\f(e2,req\o\al(2,n))＝meq\f(veq\o\al(2,n),rn);Ekn＝eq\f(1,2)mveq\o\al(2,n)＝keq\f(e2,2rn);Epn＝－keq\f(e2,rn)＝－2Ekn;En＝Epn＋Ekn＝－Ekn.能级n↑,r↑,En↑,Epn↑,Ekn↓,v↓,吸收光子．(类比于卫星问题)为了解释氢原子的发光现象,玻尔于1913年提出了原子假说.如图所示,一电子绕氢原子核做匀速圆周运动,基态的轨道半径为r1,电子在该轨道上运动的动能为Ek1,基态原子的能量为E1,某激发态的轨道半径为r2,电子在该轨道上运动的动能为Ek2,该激发态原子的能量为E2.下列说法中正确的是()A．Ek2＞Ek1B．电子可以在r1和r2之间的任意轨道上稳定运动C．处于激发态的原子向基态跃迁时释放的光子频率为ED．氢原子的上述能级跃迁释放能量的方式和氢弹释放能量的相同【解答】解：A、电子绕原子核做圆周运动,由库仑力提供向心力得ke2r2=mv2r,可得电子的动能为Ek=12mv2=keB、根据玻尔的电子轨道量子化假设,可知电子不可以在r1和r2之间的任意轨道上稳定运动,故B错误;C、处于该激发态的原子向基态跃迁时释放的光子能量为hν＝E2﹣E1可得释放的光子频率为ν=E2-E1D、氢原子的上述能级跃迁释放能量的方式和氢弹释放能量的不相同,氢弹是通过轻核聚变释放能量,故D错误.故选：C.与氢原子不同,氩原子从一个能级跃迁到一个较低能级时,可能不发射光子,而是把相应的能量转交给另一能级上的电子,并使之脱离原子,这一现象叫俄歇效应,以这种方式脱离原子的电子叫俄歇电子.若氩原子的基态能量为E1,处于n＝2能级的电子跃迁时,将释放的能量转交给处于n＝4能级的电子,使之成为俄歇电子a.假设氩原子的能级能量公式类似于氢原子的,即En=E1n2(n＝1,2,3,…,表示不同能级),A．氩原子从n＝2能级向n＝1能级跃迁时释放的能量为34EB．氩原子从n＝2能级向n＝1能级跃迁时释放的能量为-14C．俄歇电子a的动能为-1116D．俄歇电子a的动能为-116【解答】解：AB、根据玻尔理论,氩原子从n＝2能级向n＝1能级跃迁时释放的能量等于这两个能级间的能量差为：ΔE=E2-ECD、n＝4能级的电子电离时需要吸收的能量为：ΔE由题意可知俄歇电子a的动能为：Ek故选：C.已知氢的同位素氚(13H)的原子能级分布与氢(11H)的原子能级分布相同,用光子能量为12.75eV的光束照射大量处于基态的氚(13H)原子,再用氢原子跃迁时辐射的光照射逸出功为2.25eV的金属板.已知氢原子能级分布如图所示,氚(13A．氢原子跃迁时,一共能发出6种不同频率的光子B．从金属板上打出的粒子的最大初动能为9.84eVC．光束照射氚(13H)D．从金属板上打出的粒子是中子【解答】解：A、用光子能量为12.75eV的光束照射大量处于基态的氚(13H)原子,氢原子会跃迁到n＝4的激发态,因此当氢原子向基态跃迁时,最多能发生出C42=6种不同频率的光子B、光子照射到金属上时,根据光电效应方程可知,从金属板上打出的粒子的最大初动能为Ekm＝hν﹣W0＝12.75eV﹣2.25eV＝10.5eV,故B错误;C、物质的半衰期不会因为光束的照射而发生变化,所以氚核的半衰期不变,故C错误;D、光子照射到金属上,从金属表面飞出的是电子,故D错误.故选：A.已知氢原子的基态能量为E1,激发态能量为En=E1n2,其中n＝2,3,4,⋯.1885年,巴耳末对当时已知的在可见光区的四条谱线做了分析,发现这些谱线的波长能够用一个公式表示,即1λ=R(122-1n2),n＝3,4,5,⋯这个公式称为巴耳末公式A．﹣RhcB．RhcC．-12R【解答】解：若n＞2根据：En=1n2E1,所以由n→2跃迁释放光子,E1(1n2-12故选：A.如图所示,氢原子的能级图.一群处于基态的氢原子受到激发后,会辐射出6种不同频率的光.已知可见光光子的能量范围为1.64eV～3.19eV.下列说法正确的是()A．6种不同频率的光中包含有γ射线B．基态的氢原子受激后跃迁到n＝6的能级C．从n＝4能级跃迁到n＝2发出的光是可见光D．从n＝4能级跃迁到n＝3发出的光波长最短【解答】解：A、γ射线,又称γ粒子流,是原子核能级跃迁蜕变时释放出的射线,故6种光不包含γ射线,故A错误;B、一群处于基态的氢原子受到激发后,会辐射出6种不同频率的光,由Cn2=6可知n＝4,故C、从n＝4能级跃迁到n＝2发出的光的能量E＝E4﹣E2＝﹣0.85eV﹣(﹣3.40)eV＝2.55eV,根据题意可知是可见光,故C正确;D、从n＝4能级跃迁到n＝3发出的光能量最小,频率最小,则波长最长,故D错误.故选：C.三、半衰期(1)半衰期是对大量原子核的统计规律,数量少则无法预测;(2)原子核衰变是变成另外的原子核,而不是变为0;四、核反应方程与核能(1)万有引力、电磁力和核力分别在不同的尺度上发挥作用：在原子核内,核力将核子束缚在一起;在原子核外部,电磁力使电子不脱离原子核,并且使原子结合成分子,分子结合成各种物质;而万有引力主要在宏观世界中起主导作用.(2)结合能：将原子核完全分裂成单个核子所需要吸收的能量.组成原子的核子数越多,结合能越大.(3)比结合能(平均结合能)：比结合能越大,原子核越稳定.(如下图,铁核附近最稳定)我国科研人员利用超高空间分辨率铀﹣铅定年技术,对嫦娥五号”月球样品进行分析,确定月球在20亿年前仍存在岩浆活动.已知铀﹣铅定年技术依赖的其中一种衰变链为：92235U经一系列α、β衰变后形成.则(A．82207Pb比92235B．82207Pb的比结合能大于C．92235D．92235U衰变为82207Pb需经过7次α衰变和【解答】解：A、82270Pb的中子数为207﹣82＝125,92235U的中子数为235﹣92＝143,前者比后者少143﹣125＝18个中子B、铀核92235U经一系列a、β衰变后形成80207Pb,由于生成物应比反应物更稳定,且比结合能越大原子核越稳定,所以80207C、铀核92235U不适合用于医学中的放射性示踪剂,因为其衰变释放的射线对人体有较大的伤害,故D、设该衰变过程经过x次α衰变和y次β衰变,根据质量数及电荷数守恒,可得235＝207+4x,92＝82+2x﹣y,联立求得：x＝7,y＝4,故D错误.故选：B.近年中国探月工程取得重大成就.月球夜晚温度低至﹣180℃,为避免低温损坏仪器,"玉兔二号”月球车携带的放射性同位素钚238(94238Pu)会不断衰变,释放能量为仪器设备238供热.94238Pu可以通过以下反应过程得到：92238U+12H→93238Np+201n,93238Np→X+94238Pu.A．92238U+12H→B．X为正电子,Y为质子C．94238Pu的比结合能D．白天时温度升高,94238【解答】解：A．92238U+12H→93238Np+2B．根据质量数守恒和电荷数守恒可得X的质子数为：Z＝93﹣94＝﹣1,质量数为零,所以X是电子,Y的质量数为：A＝238﹣234＝4,质子数为2,由此可知Y为氦原子核,故B错误;C．核反应94238Pu→Y+92238U过程中释放能量,生成物更稳定,所以94238Pu的比结合能D．半衰期由原子核本身的性质决定的,与温度无关,故D错误.故选：C.人体内存在极微量的614C、1940K等放射性元素,614C、1940K衰变的核反应方程式分别为：614C→7A．X是614B．Y是质子C．614C衰变成714D．100个1940K原子经过一个半衰期还剩下【解答】解：AC、根据质量数守恒和电荷数守恒可知X为是电子(-10e),是614C原子核内的一个中子变为一个质子和一个电子,电子被释放出来的.614C衰变成714N的核反应属于B、根据质量数守恒和电荷数守恒可知Y是正电子(10e),故BD、半衰期是针对大量的原子核衰变的统计规律,对于少量的原子核衰变来说半衰期没有意义,故D错误.故选：C.2964Cu原子核有40%的可能发生β﹣衰变,方程为2964Cu→3064Zn+-10e,衰变过程释放的核能是ΔE1;有19%的可能发生β+衰变,方程为2964Cu→A．由于释放核能,所以衰变过程质量数不守恒B．3064Zn的质量比C．3064Zn的比结合能为D．2864Ni的比结合能为【解答】解：A、衰变过程一定遵循质量数守恒,电荷数守恒,故A错误;B、由于ΔE2＞ΔE1,所以β+衰变质量亏损更多,即2864Ni质量比3064Zn小,CD、2964Cu的比结合能为E,设3064Zn的比结合能为E1,则64E1﹣同理：设2864Ni的比结合能为E2,则64E2﹣64E＝Δ解得：E1=E+ΔE164,故选：D.原子核的比结合能曲线如图所示,根据该曲线,下列判断正确的是()A．12B．中等质量的原子核最稳定C．两个12HD．92235U裂变成【解答】解：A．根据图像可知,12H的比结合能约为1MeV,结合能＝质量数×比结合能,所以12H的结合能E＝2×1MeVB．中等质量的原子核比结合能最大,比结合能越大,原子核越稳定,故B正确;C．根据图像可知,24He的比结合能大于两个12H的比结合能,D．因为重核92235U的比结合能小于裂变产物3689Kr加上56144故选：B.我国已成功发射的月球探测车上装有核电池提供动力.核电池是利用放射性同位素衰变放出载能粒子并将其能量转换为电能的装置.某核电池使用的核燃料为94238Pu,一个静止的带94238Pu发生一次α衰变生成一个新核,并放出一个γ光子.将该核反应放出的γ光子照射某金属,能放出最大动能为Ek的光电子.已知电子的质量为m,A．新核的中子数为144B．新核的比结合能小于94C．光电子的物质波的最大波长为hD．若不考虑γ光子的动量,α粒子的动能与新核的动能之比为117：2【解答】解：A．由题意知,94238Pu衰变方程为94238Pu→92234U+24B．比结合能越大,原子核越稳定,衰变反应后的新核应比反应前的原子核更稳定,所以新核的比结合能大于94238Pu核的比结合能,故C．由p=hλ,p=2mEkD．由动量守恒定律有mava﹣mUvU＝0,Ek=则α粒子的动能与新核的动能之比E故D正确;故选：D.月球夜晚温度低至﹣180℃,"玉兔二号”月球车携带的放射性同位素钚238(94238Pu)会不断发生α衰变94238Pu→24He+92234U,释放的能量为仪器设备供热.A．k＝1且X为电子B．92234UC．94238Pu的比结合能比D．92238U【解答】解：A.根据核反应过程的质量数守恒与电荷数守恒可得,238+2＝238+k,则k＝2,故A错误;B.放能的核反应,产生的新核比之前的核更稳定,比结合能更大,故B正确,C错误;D.轻核聚变是原子序数较低的原子核的反应,而这里的铀为重核,故D错误;故选：B.原子核的比结合能是原子核稳定程度的量度,原子核的比结合能曲线如图所示,根据该曲线,下列说法正确的是()A．原子核的结合能越大,原子核就越稳定B．24C．一个重原子核衰变成α粒子和另一原子核,衰变产物的结合能之和一定大于原来重核的结合能D．3689Kr【解答】解：A、比结合能是指把原子核拆分成单独的核子时所消耗的能量与核子数的比值,原子核的比结合能越大,原子核就越稳定;故A错误;B、根据曲线可知24He核的比结合能为7MeV,所以24He结合能约为4×7MeVC、一个重原子核衰变成α粒子和另一原子核,根据原子核的比结合能曲线可知,衰变产物的结合能之和一定大于原来重核的结合能;故C正确;D、原子核的比结合能曲线可知,3689Kr核中核子的比结合能比56144Ba故选：C.(4)核反应方程：①动量守恒：静止的核裂变之后的两个新核动量等大反向;②能量守恒：核能(静止时的能量)+动能(运动的能量)=E总.(5)核能的计算△E=mc2①质量亏损是指反应前后体系静止质量的差值;②记住一个结论：1u=931.5MeV.(单位对应：kg——J u——MeV)(6)四种核反应类型及其遵循的三大规律(质量数守恒、电荷数守恒、能量守恒)类型可控性核反应方程典例衰变α衰变自发eq\o\al(238,)92U→eq\o\al(234,)90Th＋eq\o\al(4,2)Heβ衰变自发eq\o\al(234,)90Th→eq\o\al(234,)91Pa＋eq\o\al(0,－1)e人工转变人工控制eq\o\al(14,)7N＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(17,)8O＋eq\o\al(1,1)H(卢瑟福发现质子)eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(9,4)Be→eq\o\al(12,)6C＋eq\o\al(1,0)n(查德威克发现中子)eq\o\al(27,)13Al＋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\al(30,15)P→eq\o\al(30,14)Si＋eq\o\al(0,＋1)e重核裂变比较容易进行人工控制eq\o\al(235,)92U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(144,)56Ba＋eq\o\al(89,36)Kr＋3eq\o\al(1,0)neq\o\al(235,)92U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(136,)54Xe＋eq\o\al(90,38)Sr＋10eq\o\al(1,0)n轻核聚变目前无法控制eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)n太阳辐射的能量主要来源于聚变反应12H+13H→24He+01n+17.6MeV,现有1mol氘和1.5mol氚充分发生聚变反应,已知阿伏加德罗常数NA＝6.02×A．1×1025MeVB．1.5×1025MeVC．2×1025MeVD．5×1025MeV【解答】解：由聚变反应方程可知1个氘核和1个氚核聚变成氦核时放出17.6MeV的能量和1个中子,当1mol的氘和1.5mol氚充分发生聚变反应,其中氚过量,则反应生成1mol氦且释放能量E＝NA×17.6MeV＝6.02×1023×17.6MeV＝1×1025MeV,故A正确,BCD错误.故选：A.已知氘核的比结合能为1.1MeV,氦核的比结合能为7.1MeV,则两个氘核结合成一个氦核时()A．这个核反应方程为12H+1B．这个核反应为α衰变C．释放出4.9MeV的能量D．吸收6.0MeV的能量【解答】解：A.根据核反应过程所遵循的电荷守恒和质量数守恒可知,该方程正确,故A正确;B.α衰变为一个重核放出一个α粒子,不是所有的生成物为氦核的反应就是α衰变,重核为质量数至少在几百的核,而此题为轻核聚变,故B错误;C.D.比结合能较小的粒子生成比结合能比较大的粒子时,为放能反应,故D错误,释放的能量为E＝(7.1eV﹣1.1eV)×4＝24eV,故C错误.故选：A.2021年12月30日晚,我国金超导托卡马克核聚变实验首次实现"人造太阳