专题18 近代物理（讲义）（解析版）-2025年高考物理二轮复习讲练测（新高考用）

2/35专题18近代物理目录0TOC\o"1-3"\h\u1考情透视·目标导航 302知识导图·思维引航 403核心精讲·题型突破 5题型一光电效应 5【核心精讲】 5一、光电效应的研究思路与光电管 5二、与光电效应有关的图像 6【真题研析】 6【命题预测】 8考向一光电效应和光电管 8考向二与光电效应有关的图像问题 10题型二原子结构、能级跃迁 12【核心精讲】 12一、三个基本假设 12二、两类跃迁问题和电离 12三、跃迁产生的谱线条数 12【真题研析】 13【命题预测】 14考向一受激跃迁和电离 14考向二与光电效应相结合 15题型三核反应、核能 17【核心精讲】 17一、衰变与半衰期 17二、核反应与核能 17【真题研析】 19【命题预测】 19考向一原子核的衰变和半衰期 19考向二核反应方程与核能的计算 20命题统计命题要点2024年2023年2022年热考角度光电效应2024海南卷T82024辽宁、吉林、黑龙江卷T82022河北卷T4原子结构、能级跃迁2024湖南卷T12024安徽卷T12024江西卷T22024江苏卷T52024新课标卷T172023辽宁卷T62023海南卷T102023河北卷T12023湖北卷T12023山东卷T12023江苏卷T152023新课标卷T162022广东卷T52022江苏卷T42022湖南卷T12022重庆卷T72022海南卷T11核反应、核能2024·河北卷·T12024·湖北卷·T22024·广东卷·T22024·江苏卷·T32024·山东卷·T12023·北京卷·T32023·广东卷·T12023·海南卷·T12023·湖南卷·T12022·山东卷·T12022·海南卷·T22022·湖北卷·T12022·辽宁卷·T22022·浙江6月卷T142022·浙江1月卷·T14命题规律从近三年高考试题来看，试题以选择题为主，对原子结构和核反应的考查较为频繁，题目难度要求大多不是太高，较为基础。考向预测预计在2025年高考中，还会以选择题的形式考查这三部分内容，重点关注对核反应和核能，特别是我国在这方面的科技发展和应用。命题情景多以我国在核反应和核能应用为命题背景常用方法图像法、公式法近代物理波粒二象性原子核光电效应康普顿效应：光子具有动量原子结构α粒子散射实验波尔理论德布罗意波长：衰变和半衰期核反应核能爱因斯坦光电效应方程：Ek近代物理波粒二象性原子核光电效应康普顿效应：光子具有动量原子结构α粒子散射实验波尔理论德布罗意波长：衰变和半衰期核反应核能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能级假设跃迁假设：hν＝Em－En(m>n)轨道量子化假设α衰变：β衰变：半衰期：裂变：重核聚变：轻核质能方程：∆E=∆mc2题型一光电效应一、光电效应的研究思路与光电管1．光电效应的研究思路(1)两条线索：(2)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。2.三个定量关系式（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）逸出功与截止频率的关系：W0＝hνc.3.光电管上加正向与反向电压情况分析(1)光电管加正向电压时的情况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。(2)光电管加反向电压时的情况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。二、与光电效应有关的图像图像名称图线形状读取信息最大初动能Ek与入射光频率ν的关系图线①截止频率(极限频率)：横轴截距②逸出功：纵轴截距的绝对值W0＝|－E|＝E③普朗克常量：图线的斜率k＝h遏止电压Uc与入射光频率ν的关系图线①截止频率νc：横轴截距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荷量的乘积，即h＝ke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：横轴截距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＝eUc21．（2024·海南·高考真题）利用如图所示的装置研究光电效应，闭合单刀双掷开关S1，用频率为ν1的光照射光电管，调节滑动变阻器，使电流表的示数刚好为0，此时电压表的示数为U1，已知电子电荷量为eA．其他条件不变，增大光强，电压表示数增大B．改用比ν1更大频率的光照射，调整电流表的示数为零，此时电压表示数仍为C．其他条件不变，使开关接S2D．光电管阴极材料的截止频率ν【答案】D【详解】A．当开关S接1时，由爱因斯坦光电效应方程eUB．若改用比ν1更大频率的光照射时，调整电流表的示数为零，而金属的逸出功不变，故遏止电压变大，即此时电压表示数大于UC．其他条件不变时，使开关S接2，此时ℎνD．根据爱因斯坦光电效应方程eU1=ℎν1【技巧点拨】（1）光电效应方程中最大初动能预遏止电压的关系Ek=eU=ℎν（2）截止频率的公式：νc2．（2022·河北·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【答案】A【详解】A．根据遏止电压与最大初动能的关系有eUc=Ekmax根据电效应方程有EkmaxB．钠的截止频率为νc，根据图像可知，截止频率小于8.5×C．结合遏止电压与光电效应方程可解得Uc=ℎD．根据遏止电压与入射光的频率关系式可知，遏止电压Uc与入射光频率ν【技巧点拨】（1）遏止电压与最大初动能的关系有eUc=Ekmax，（2）根据得到的函数关系式，明确图线斜率含义，以及遏止电压与入射光频率的关系。考向一光电效应和光电管3．（2024·安徽阜阳·模拟预测）如图所示是研究光电效应的实验装置，滑动变阻器的滑片P位于中点O位置，某同学先用频率为ν的光照射光电管，此时电流表中有电流。调节滑片P的位置，使电流表示数恰好变为0，记下此时电压表的示数U。已知电子电荷量的绝对值为e，普朗克常量为h，下列说法正确的是（

）A．电流表示数为零时，滑片P位于O点右侧B．光电子的最大初动能为eUC．光电管阴极K材料的逸出功为ℎν+eUD．用频率更大的光照射光电管时，电流表示数一定增大【答案】B【详解】A．电流表示数为零时，所加电压为反向电压，所以滑片P向左移动，位于O点左侧，故A错误；B．使光电流减小到0时，有EkmC．阴极K材料的逸出功为W=ℎν−ED．光电流的大小不仅和入射光的频率有关，还与光强有关，故D错误。故选B。4．（2024·四川宜宾·三模）某科技小组用如图所示的电路研究“光电效应”现象，现用频率为v的红光照射光电管，有光电子从K极逸出。下列说法正确的是（）A．使用蓝光照射比红光照射需要克服的逸出功更大B．仅增大入射光的强度，从K极逃逸出的电子的最大初动能可能增大C．当滑动变阻器的滑片从左向右滑动时，电流表示数可能先增大后保持不变D．将电源正负极反接后当滑动变阻器的滑片从左向右滑动时，电流表示数不变【答案】C【详解】A．逸出功由金属材料变身决定，金属一定，逸出功一定，可知，使用蓝光照射与红光照射需要克服的逸出功相等，故A错误；B．根据光电效应方程有E可知，光电子的最大初动能由入射光的频率与逸出功共同决定，仅增大入射光的强度，从K极逃逸出的电子的最大初动能不变，故B错误；C．图中电压为加速电压，当滑动变阻器的滑片从左向右滑动时，加速电压逐渐增大。电流逐渐增大，当达到饱和电流后，电流保持不变，即电流表示数可能先增大后保持不变，故C正确；D．将电源正负极反接后，所加电压为减速电压，当滑动变阻器的滑片从左向右滑动时，电流先减小，当电压达到遏止电压后，电流为0，即电流表示数先减小后不变，故D错误。故选C。考向二与光电效应有关的图像问题5．（2024·安徽合肥·三模）从1907年起，美国物理学家密立根开始以精湛的技术测量光电效应中几个重要的物理量。他的目的是：测量金属的截止电压U与入射光的频率ν，由此算出普朗克常量h，并与普朗克根据黑体辐射得出的h相比较，以检验爱因斯坦光电效应方程的正确性。如图所示为某金属的Uc−ν图像，已知电子的电荷量A．1.7eV B．1.7J C．1.3eV 【答案】A【详解】光电子的最大初动能Ek与遏止电压Uc的关系是Ek=eUc光电效应方程为Ek=ℎν−W0联立两式可得6．（2024·黑龙江·三模）在研究甲、乙两种金属的光电效应现象实验中，光电子的最大初动能Eₖ与入射光频率ν的关系如图所示，则下列说法正确的是（）A．甲金属的逸出功大于乙金属的逸出功B．两条图线与横轴的夹角α和β可能不相等C．若增大入射光的频率，则所需遏止电压随之增大D．若增大入射光的强度，但不改变入射光的频率，则光电子的最大初动能将增大【答案】C【详解】AB．根据爱因斯坦光电效应方程Ek=ℎν−W0可知光电子的最大初动能Ek与入射光频率ν的关系图像的斜率为普朗克常量h，横轴截距为νC．根据Ek=ℎν−WD．根据光电效应规律可知，不改变入射光频率ν，只增大入射光的强度，则光电子的最大初动能不变，D错误。故选C。7．（2024·山东威海·二模）研究光电效应规律的电路图如图甲所示，某同学分别用a、b、c三束单色光照射光电管得到的光电流I与光电管两端电压U的关系如图乙所示。已知a、c两条图线与横轴的交点重合。下列说法正确的是（）A．用a光照射时，单位时间内逸出的光电子数最多B．用a光照射时，逸出光电子的最大初动能最大C．该光电管用a光、b光照射时截止频率不同D．若b光照射某金属发生光电效应，则a光照射该金属也一定发生光电效应【答案】A【详解】A．由图乙可知，a光照射时对应的饱和电流最大，则用a光照射时，单位时间内逸出的光电子数最多，故A正确；B．根据Ek=eUc由图乙可知，C．截止频率只由光电管（金属）自身决定，所以该光电管用a光、b光照射时截止频率相同，故C错误；D．根据Ek=ℎν−W0=eUc由于b光照射时对应的遏止电压大于a光照射时对应的遏止电压，则b故选A。题型二原子结构、能级跃迁三个基本假设1.能级假设：氢原子能级En＝eq\f(E1,n2)(n＝1,2,3，…)，n为量子数．2.跃迁假设：hν＝Em－En(m>n)．3.轨道量子化假设：氢原子的电子轨道半径rn＝n2r1(n＝1,2,3，…)，n为量子数．两类跃迁问题和电离1.氢原子能级跃迁①从低能级(n)eq\o(→,\s\up7(跃迁))高能级(m)：动能减少，势能增加，原子能量增加，吸收能量，hν＝Em－En.②从高能级(m)eq\o(→,\s\up7(跃迁))低能级(n)：动能增加，势能减少，原子能量减少，放出能量，hν＝Em－En.2.受激跃迁有两种方式：①光照(吸收光子)：光子的能量必须恰好等于能级差，hν＝Em－En。[注意]对于大于电离能的光子可被吸收，可将原子电离。②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≥Em－En。3．电离：指原子从基态(n＝1)或某一激发态(n≥2)跃迁到n＝∞状态的现象。(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。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。[注意]如果原子吸收能量足够大，克服电离能后，电离出的自由电子还具有一部分动能。跃迁产生的谱线条数1.一群原子的核外电子向基态跃迁时发射光子的种类：。2.一个原子的核外电子向基态跃迁时发射最多光子的种类：。8．（2024·安徽·高考真题）大连相干光源是我国第一台高增益自由电子激光用户装置，其激光辐射所应用的玻尔原子理论很好地解释了氢原子的光谱特征。图为氢原子的能级示意图，已知紫外光的光子能量大于3.11eV，当大量处于n=3能级的氢原子向低能级跃迁时，辐射不同频率的紫外光有（

A．1种 B．2种 C．3种 D．4种【答案】B【详解】大量处于n=3能级的氢原子向低能级跃迁时，能够辐射出不同频率的种类为C32=3ΔEΔ其中ΔE1＞3.11eV【技巧点拨】（1）根据公式，得出产生谱线的条数；（2）根据氢原子能级跃迁假设ΔE=9．（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【答案】D【详解】Hα是氢原子巴耳末系中波长最长的谱线，根据ν=cλ可知Hα是氢原子巴耳末系中频率最小的谱线，根据氢原子的能级图，利用玻尔理论中的频率条件ℎν=En−【技巧点拨】根据ν=cλ和玻尔理论中的频率条件ℎν=考向一受激跃迁和电离10．（2024·全国·模拟预测）2024年6月中国航天科技集团的科研人员通过分析我国首颗探日卫星“羲和号”对太阳光谱的观测数据，精确绘制出国际首个太阳大气自转的三维图像。太阳光谱中有一条谱线所对应光的频率与氢原子从较高能级向n=2能级跃迁时发出的光中光子能量最小的那种光的频率相同。则该谱线所对应光子的能量为（

）A．2.86eV B．1.89eV C．0.66eV【答案】B【详解】光子的能量ε=ℎν光子能量最小时频率最小，根据玻尔原子理论的频率条件ℎν=Em−En可知，当氢原子从n=3能级向11．（2024·四川南充·一模）我国自主研发的氢原子钟已运用于北斗卫星导航系统中，氢原子钟是利用氢原子跃迁频率稳定的特性来获取精准时间频率信号的设备，对提高导航的精度极为重要。氢原子能级如图所示，关于大量处于n=4能级的氢原子，下列说法正确的是（

）A．氢原子向低能级跃迁时最多发出3种不同频率的光B．氢原子跃迁时发出的光子中能量最大的为0.85eVC．动能为0.33eV的电子碰撞处于n=4能级的氢原子，氢原子会发生跃迁D．氢原子由n=4能级跃迁到n=3能级时发出光子的频率大于由n=3能级跃迁至n=2能级时发出光子的频率【答案】C【详解】A．氢原子向低能级跃迁时可发出C4B．氢原子由n=4能级跃迁至n=1能级时发出的光子的最大能量为E41=（-0.85eV）-（-13.6eV）=12.75eV故B错误；D．氢原子由n=4能级跃迁到n=3能级时发出光子的能量为E43=（-0.85eV）-（-1.51eV）=0.66Ev由n=3能级跃迁至n=2能级时发出光子的能量为E32=（-1.51eV）-（-3.4eV）=1.89eV根据E=ℎν可知光子的能量越大频率越高，所以氢原子由n=4能级跃迁到n=3能级时发出光子的频率小于由n=3能级跃迁至n=2能级时发出光子的频率，故D错误；C．n=4和n=5间的能级差为0.31eV，由于用动能为0.33eV电子撞击基态的氢原子，部分电子动能被吸收，可以使氢原子跃迁到n=5的能级，故C正确。故选C。考向二与光电效应相结合12．（2024·浙江·一模）如图是氢原子的能级，一群处于基态的氢原子吸收某频率光子能量后跃迁到了n=4能级，很快这些氢原子开始向下跃迁，放出不同频率的光，这些光照射在逸出功为3.34eV的锌板上，已知可见光的光子能量范围为1.62eV到3.11eV，下列说法正确的是（）A．吸收的光子能量可能大于12.75eVB．跃迁时，最多能发出6种不同频率的可见光C．存在可以使锌板发生光电效应的可见光D．锌板表面逸出光电子的最大初动能为9.41eV【答案】D【详解】A．处于低能级的氢原子只能吸收能量值为对应两个能级能量差值的光子，从而跳跃到较高的能级。显然一群处于基态的氢原子吸收某频率光子能量后跃迁到了n=4能级，吸收光子的最大能量值为ΔEB．由题意，可知跃迁时，最多能发出C42=6种不同频率的光，但是只有4→2C．可见光的光子能量范围为1.62eV到3.11eV，均小于逸出功为3.34eV的锌板。根据发生光电效应的条件，可知不存在可以使锌板发生光电效应的可见光，故C错误；D．跃迁时，释放的光子中，4→1释放出光子的能量最大，为12.75eV，根据爱因斯坦光电效应方程，可得用该光照射锌板时，锌板表面逸出光电子的最大初动能最大，为Ekm13．（2024·江苏镇江·模拟预测）一群处于第4能级的氢原子，向低能级跃迁过程中能发出6种不同频率的光，将这些光分别照射到图甲电路阴极K的金属上，只能测得2条电流随电压变化的图像如图乙所示，已知氢原子的能级图如图丙所示，则下列推断正确的是（）A．图乙中的a光是氢原子由第4能级向基态跃迁发出的B．图乙中的b光光子能量为12.75eVC．动能为1eV的电子能使处于第3能级的氢原子电离D．阴极金属的逸出功可能为W【答案】B【详解】A．图乙中的a光遏止电压比b光小，根据Uce=12mB．图乙中的b光光子能量为EbC．使处于第3能级的氢原子电离需要的最小能量为1.51eV，则动能为1eV的电子不能使处于第3能级的氢原子电离，选项C错误；D．因a光子对应着从第3能级到基态的跃迁，该光能使光电管发生光电效应；比a光能量稍小的跃迁对应于从第2能级到基态的跃迁，该跃迁放出能量为10.2eV，但是该光不能使光电管发生光电效应，可知阴极金属的逸出功大于10.2eV，不可能为W0＝6.75eV，选项D错误。故选B。题型三核反应、核能衰变与半衰期1.α衰变、β衰变的比较衰变类型α衰变β衰变衰变方程

Z

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+

0衰变规律电荷数守恒、质量数守恒、动量守恒2.衰变次数的计算方法若

ZAX→Z'A'Y+n24He+m-10e，则A=A'+3.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12

tτ,m余=m原12

tτ。式中N原、m原表示衰变前的放射性元素的原子数和质量,N余、m二、核反应与核能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

92238Uβ衰变自发

90234Th→91人工转变人工控制

714N

24He+4

1327Al+2(约里奥-居里夫妇发现放射性同位素)

1530P重核裂变比较容易进行人工控制

92235U+01

92235U+01n轻核聚变很难控制

12H2.核反应方程的书写(1)熟记常见粒子的符号是正确书写核反应方程的基础。如质子(11H)、中子(01n)、α粒子(24He)、β粒子(-1(2)掌握核反应方程遵循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。由于核反应不可逆,因此书写核反应方程式时只能用“→”表示反应方向。(3)核反应过程中质量数守恒,电荷数守恒。3.核能的计算方法(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/u计算。因1原子质量单位(1u)相当于931.5MeV,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。4.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。方程的含义:物体具有的能量与它的质量之间存在简单的正比关系,物体的能量增大,质量也增大;物体的能量减少,质量也减少。(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。14．（2024·浙江·高考真题）发现中子的核反应方程为24He+A．核反应方程中的X为6B．衰变方程中的Y为2C．中子01D．钚238的衰变吸收能量【答案】A【详解】AB．根据质量数和电荷数守恒可知X为612C，Y为C．中子的质量数为1，故C错误；D．衰变过程中质量亏损，释放能量，故D错误。故选A。【技巧点拨】（1）根据质量数和电荷数守恒判断X和Y；（2）根据质能方程，可知是否放能还是吸能。15．（2024·广东·高考真题）我国正在建设的大科学装置——“强流重离子加速器”。其科学目标之一是探寻神秘的“119号”元素，科学家尝试使用核反应Y+A．Y为2658Fe,C．Y为2454Cr,【答案】C【详解】根据核反应方程Y+95243Am→119AX+20【技巧点拨】根据质量数和电荷数守恒做出判断和计算。考向一原子核的衰变和半衰期16．（2024·四川成都·模拟预测）2023年8月24日，日本福岛第一核电站启动核污染水排海。核污染水含有的放射性元素高达64种，其中部分放射性物质（如碘129）的半衰期长达1570万年，下列说法正确的是（）A．核污染水进入海水后温度降低，会延长放射性元素的半衰期B．原子核的比结合能越大，原子核越稳定C．天然放射现象中产生的β射线中的电子来源于原子核外电子D．100个碘129原子在1570万年后有50个未发生衰变【答案】B【详解】A．半衰期由原子核内部自身的因素决定，与所处的外部环境无关，降低温度放射性元素的半衰期不变，故A错误；B．原子核的比结合能越大，原子核越稳定，故B正确；C．天然放射现象中产生的β射线中的电子是原子核内的中子变为一个质子和一个电子，不是来源于原子核外电子，故C错误；D．半衰期是大量放射性元素的统计规律，对少量原子核不适用，故D错误。故选B