回歸教材重難點(diǎn)15 原子物理學(xué)-2022年高考物理三輪沖刺過關(guān)（解析版）

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回歸教材重難點(diǎn)15原子物理學(xué)

在波粒二象性方面，主要考查光電效應(yīng)，常結(jié)合光電效應(yīng)方程、遏止電壓、飽和電流等進(jìn)行考查；同時(shí)這部分內(nèi)容與玻爾的原子理論、光的折射、全反射相結(jié)合的題目形式進(jìn)行考查。

在原子結(jié)構(gòu)方面，主要考查原子的結(jié)構(gòu)、氫原子光譜和玻爾的原子理論；在原子核方面主要考查天然放射現(xiàn)象、原子核的組成、原子核的衰變、核能及核反應(yīng)方程等；這部分內(nèi)容也可能與動(dòng)量、能量和電磁場相結(jié)合以計(jì)算題的形式出現(xiàn)。

由于本專題涉及的知識點(diǎn)較多，多數(shù)屬于理解記憶的內(nèi)容，在備考策略上注意做到以下兩點(diǎn)：（1）緊扣課本，加強(qiáng)對相關(guān)概念和規(guī)律的理解和記憶。⑵關(guān)注本專題內(nèi)容與其他專題的關(guān)聯(lián)，強(qiáng)化知識的綜合運(yùn)用能力；如原子物理與動(dòng)量守恒、能量守恒、電磁場等相關(guān)內(nèi)容的聯(lián)系。

知識點(diǎn)一、光電效應(yīng)

1.光電效應(yīng)現(xiàn)象

在光的照射下,金屬中的電子從表面逸出的現(xiàn)象。發(fā)射出來的電子叫光電子。

2.光電效應(yīng)規(guī)律

(1)每種金屬都有一個(gè)極限頻率,入射光的頻率必須大于這個(gè)極限頻率才能發(fā)生光電效應(yīng)。

(2)光電子的最大初動(dòng)能與入射光的強(qiáng)度無關(guān),只隨入射光頻率的增大而增大。

(3)光電效應(yīng)的發(fā)生幾乎是瞬時(shí)的,一般不超過10-9s。

(4)當(dāng)入射光的頻率大于極限頻率時(shí),飽和電流隨入射光的增強(qiáng)而增大。

3.遏止電壓與截止頻率

(1)遏止電壓:使光電流減小到零的反向電壓Uc。

(2)截止頻率:能使某種金屬發(fā)生光電效應(yīng)的最小頻率叫做該種金屬的截止頻率(又叫極限頻率)。不同的金屬對應(yīng)著不同的截止頻率。

知識點(diǎn)二、光電效應(yīng)方程

1.光子說

在空間傳播的光是不連續(xù)的,而是一份一份的,一份叫做一個(gè)光量子,簡稱光子。光子的能量ε=hν,其中h=6.63×10-34J·s(稱為普朗克常量)。

2.逸出功W0

使電子脫離某種金屬所做功的最小值。

3.最大初動(dòng)能

發(fā)生光電效應(yīng)時(shí),金屬表面上的電子吸收光子后克服原子核的引力逸出時(shí)所具有的動(dòng)能的最大值。

4.愛因斯坦光電效應(yīng)方程

(1)表達(dá)式:Ek=hν-W0。

(2)物理意義:金屬表面的電子吸收一個(gè)光子獲得的能量是hν,這些能量的一部分用來克服金屬的逸出功W0,剩下的表現(xiàn)為逸出后光電子的最大初動(dòng)能Ek=12mev2。

知識點(diǎn)三、光的波粒二象性與物質(zhì)波

1.光的波粒二象性

(1)光的干涉、衍射、偏振現(xiàn)象證明光具有波動(dòng)性。

(2)光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)說明光具有粒子性。

(3)光既具有波動(dòng)性,又具有粒子性,稱為光的波粒二象性。

2.物質(zhì)波

(1)概率波:光的干涉現(xiàn)象是大量光子的運(yùn)動(dòng)遵守波動(dòng)規(guī)律的表現(xiàn),亮條紋是光子到達(dá)概率大的地方,暗條紋是光子到達(dá)概率小的地方,因此光波又叫概率波。

(2)物質(zhì)波:任何一個(gè)運(yùn)動(dòng)著的物體,小到微觀粒子大到宏觀物體都有一種波與它對應(yīng),其波長λ=?p,p為運(yùn)動(dòng)物體的動(dòng)量,h為普朗克常量。

知識點(diǎn)四、原子的核式結(jié)構(gòu)

(1)1909—1911年,英國物理學(xué)家盧瑟福進(jìn)行了α粒子散射實(shí)驗(yàn),提出了核式結(jié)構(gòu)模型。

(2)α粒子散射實(shí)驗(yàn)

a.實(shí)驗(yàn)裝置:如圖所示。

b.實(shí)驗(yàn)結(jié)果:α粒子穿過金箔后,絕大多數(shù)沿原方向前進(jìn),少數(shù)發(fā)生較大角度偏轉(zhuǎn),極少數(shù)偏轉(zhuǎn)角度大于90°,甚至被彈回。

(3)核式結(jié)構(gòu)模型:原子中心有一個(gè)很小的核,叫做原子核,原子的全部正電荷和幾乎全部質(zhì)量都集中在原子核里,帶負(fù)電的電子在核外空間繞核旋轉(zhuǎn)。

知識點(diǎn)五、氫原子光譜

1.光譜:用光柵或棱鏡可以把各種顏色的光按波長展開,獲得光的波長(頻率)和強(qiáng)度分布的記錄,即光譜。

2.氫原子光譜的實(shí)驗(yàn)規(guī)律:巴耳末系是氫光譜在可見光區(qū)的譜線,其波長公式1λ=R122-1n2(n=3,4,5,…),R是里德伯常量,R=1.10×107m-1。

3.光譜分析:利用每種原子都有自己的特征譜線可以用來鑒別物質(zhì)和確定物質(zhì)的組成成分,且靈敏度很高。在發(fā)現(xiàn)和鑒別化學(xué)元素上有著重大的意義。

知識點(diǎn)六、氫原子的能級、能級公式

1.玻爾理論

(1)定態(tài):原子只能處于一系列不連續(xù)的能量狀態(tài)中,在這些能量狀態(tài)中原子是⑧穩(wěn)定的,電子雖然繞核運(yùn)動(dòng),但并不向外輻射能量。

(2)躍遷:原子從一種定態(tài)躍遷到另一種定態(tài)時(shí),它輻射或吸收一定頻率的光子,光子的能量由這兩個(gè)定態(tài)的能量差決定,即hν=Em-En。(h是普朗克常量,h=6.63×10-34J·s)

(3)軌道:原子的不同能量狀態(tài)跟電子在不同的圓周軌道繞核運(yùn)動(dòng)相對應(yīng)。原子的定態(tài)是不連續(xù)的,因此電子的可能軌道也是不連續(xù)的。

2.氫原子的能級、能級公式

(1)氫原子的能級

能級圖如圖所示

(2)氫原子的能級和軌道半徑

a.氫原子的能級公式:En=1n2E1(n=1,2,3,…),其中E1為基態(tài)能量,其數(shù)值為E1=-13.6eV。

b.氫原子的半徑公式:rn=n2r1(n=1,2,3,…),其中r1為基態(tài)半徑,又稱玻爾半徑,其數(shù)值為r1=0.53×10-10m。

知識點(diǎn)七、原子核的組成、放射性、原子核的衰變、半衰期、放射性同位素

1.原子核的組成

原子核是由質(zhì)子和中子組成的,原子核的電荷數(shù)等于核內(nèi)的質(zhì)子數(shù)。

2.天然放射現(xiàn)象

(1)天然放射現(xiàn)象

放射性元素自發(fā)地放出射線的現(xiàn)象,首先由貝克勒爾發(fā)現(xiàn)。天然放射現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn),說明原子核具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。

(2)放射性和放射性元素

物質(zhì)發(fā)射射線的性質(zhì)叫放射性。具有放射性的元素叫放射性元素。

(3)三種射線:放射性元素放射出的射線共有三種,分別是α射線、β射線、γ射線。

(4)放射性同位素的應(yīng)用與防護(hù)

a.放射性同位素:有天然放射性同位素和人工放射性同位素兩類,放射性同位素的化學(xué)性質(zhì)相同。

b.應(yīng)用:消除靜電、工業(yè)探傷、作示蹤原子等。

c.防護(hù):防止放射性對人體組織的傷害。

3.原子核的衰變

(1)衰變:原子核放出α粒子或β粒子,變成另一種原子核的變化稱為原子核的衰變。

(2)分類

α衰變:ZAX→Z-2A-4Y+24He;

β衰變:ZAX→Z+1AY+-10e。

兩個(gè)典型的衰變方程

α衰變:92238U→90234Th+24He;

β衰變:90234Th→91234Pa+-10e。

(3)半衰期:大量放射性元素的原子核有半數(shù)發(fā)生衰變所需的時(shí)間。半衰期由原子核內(nèi)部的因素決定,跟原子所處的物理、化學(xué)狀態(tài)無關(guān)。

知識點(diǎn)八、核力、結(jié)合能、質(zhì)量虧損、核反應(yīng)

1.核力

含義

原子核里的核子間存在相互作用的核力,核力把核子緊緊地束縛在核內(nèi),形成穩(wěn)定的原子核

特點(diǎn)

(1)核力是強(qiáng)相互作用(強(qiáng)力)的一種表現(xiàn)

(2)核力是短程力,作用范圍在1.5×10-15m之內(nèi)

(3)每個(gè)核子只跟鄰近的核子發(fā)生核力作用

2.結(jié)合能

(1)結(jié)合能:核子結(jié)合為原子核時(shí)放出的能量或原子核分解為核子時(shí)吸收的能量,叫做原子核的結(jié)合能。

(2)比結(jié)合能

a.定義:原子核的結(jié)合能與核子數(shù)之比,稱作比結(jié)合能,也叫平均結(jié)合能。

b.特點(diǎn):不同原子核的比結(jié)合能不同,原子核的比結(jié)合能越大,表示原子核中核子結(jié)合得越牢固,原子核越穩(wěn)定。

3.質(zhì)量虧損

愛因斯坦質(zhì)能方程E=mc2。原子核的質(zhì)量必然比組成它的核子的質(zhì)量和要小Δm,這就是質(zhì)量虧損。由質(zhì)量虧損可求出釋放的核能ΔE=Δmc2。

4.核反應(yīng)

(1)重核裂變

Ⅰ.定義:質(zhì)量數(shù)較大的原子核受到高能粒子的轟擊而分裂成幾個(gè)質(zhì)量數(shù)較小的原子核的過程。

Ⅱ.特點(diǎn):a.裂變過程中能夠放出巨大的能量。

b.裂變的同時(shí)能夠放出2~3(或更多)個(gè)中子。

c.裂變的產(chǎn)物不是唯一的。

Ⅲ.典型的裂變方程:92235U+01n→

3689Kr+56144Ba+301n。

(2)輕核聚變

Ⅰ.定義:兩個(gè)輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的原子核的反應(yīng)過程。

Ⅱ.特點(diǎn):a.聚變過程放出大量的能量,平均每個(gè)核子放出的能量比裂變反應(yīng)中每個(gè)核子放出的能量大3倍多。

b.聚變反應(yīng)比裂變反應(yīng)更劇烈。

c.對環(huán)境污染較小。

d.自然界中聚變反應(yīng)原料豐富。

Ⅲ.典型的聚變方程:12H+13H→24He+01n。

1.（2021北京卷）硼（B）中子俘獲治療是目前最先進(jìn)的癌癥治療手段之一、治療時(shí)先給病人注射一種含硼的藥物，隨后用中子照射，硼俘獲中子后，產(chǎn)生高殺傷力的α粒子和鋰（Li）離子。這個(gè)核反應(yīng)的方程是（）

A. B.

C. D.

【答案】A

【解析】由題知，硼俘獲中子后，產(chǎn)生高殺傷力的α粒子和鋰（Li）離子，而α粒子為氦原子核，則這個(gè)核反應(yīng)方程為

故選A

2.（2021海南卷）.1932年，考克饒夫和瓦爾頓用質(zhì)子加速器進(jìn)行人工核蛻變實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了質(zhì)能關(guān)系的正確性。在實(shí)驗(yàn)中，鋰原子核俘獲一個(gè)質(zhì)子后成為不穩(wěn)定的鈹原子核，隨后又蛻變?yōu)閮蓚€(gè)原子核，核反應(yīng)方程為。已知、、X的質(zhì)量分別為、、，光在真空中的傳播速度為c，則在該核反應(yīng)中（）

A質(zhì)量虧損

B.釋放的核能

C.鈹原子核內(nèi)的中子數(shù)是5

D.X表示的是氚原子核

【答案】B

【解析】CD．根據(jù)核反應(yīng)方程滿足質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒，可知方程為

則，，鈹原子核內(nèi)的中子數(shù)是4，X表示的是氦核，故CD錯(cuò)誤；

AB．核反應(yīng)質(zhì)量虧損為

則釋放的核能為

故A錯(cuò)誤，B正確；

故選B。

3（2021江蘇卷）.如圖所示，分別用1、2兩種材料作K極進(jìn)行光電效應(yīng)探究，其截止頻率，保持入射光不變，則光電子到達(dá)A極時(shí)動(dòng)能的最大值隨電壓U變化關(guān)系的圖像是（）

B.

C. D.

【答案】C

【解析】光電管所加電壓為正向電壓，則根據(jù)愛因斯坦光電效應(yīng)方程可知光電子到達(dá)A極時(shí)動(dòng)能的最大值

可知圖像的斜率相同，均為e；截止頻率越大，則圖像在縱軸上的截距越小，因，則圖像C正確，ABD錯(cuò)誤。

故選C

4（2021遼寧卷）.赫茲在研究電磁波的實(shí)驗(yàn)中偶然發(fā)現(xiàn)，接收電路的電極如果受到光照，就更容易產(chǎn)生電火花。此后許多物理學(xué)家相繼證實(shí)了這一現(xiàn)象，即照射到金屬表面的光，能使金屬中的電子從表面逸出。最初用量子觀點(diǎn)對該現(xiàn)象給予合理解釋的科學(xué)家是（）

A.玻爾 B.康普頓

C.愛因斯坦 D.德布羅意

【答案】C

【解析】A．玻爾引入量子化的觀念解釋了氫原子光譜，與題意不符，A錯(cuò)誤；

B．康普頓提出康普頓效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)了光子不僅具有能量，還具有動(dòng)量，證明了光具有粒子性，與題意不符，B錯(cuò)誤；

C．愛因斯坦提出光子說，從理論上解釋了光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，符合題意，C正確；

D．德布羅意提出一切物質(zhì)都具有波粒二象性，與題意不符，D錯(cuò)誤。

故選C。

5（2021天津卷）.光刻機(jī)是制造芯片核心裝備，利用光源發(fā)出的紫外線，將精細(xì)圖投影在硅片上，再經(jīng)技術(shù)處理制成芯片。為提高光刻機(jī)清晰投影最小圖像的能力，在透鏡組和硅片之間充有液體。紫外線進(jìn)入液體后與其在真空中相比（）

A.波長變短 B.光子能量增加 C.頻率降低 D.傳播速度增大

【答案】A

【解析】

紫外線進(jìn)入液體后與真空相比，頻率不變，傳播速度減小，根據(jù)

可知波長變短；根據(jù)

可知，光子能量不變。

故選A。

6．（2021·山東濟(jì)南市歷城二中高三模擬）2019年9月26日，中國散裂中子源開始新一輪開放運(yùn)行。散裂中子源是研究中子特性、探測物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)的科研裝置。下列說法正確的是（）

A．中子是組成原子核的最小粒子之一

B．中子與其他核子之間不存在庫侖力，但中子與相鄰核子之間存在相互作用的核力

C．核子之間相互作用的核力不可能為斥力

D．盧瑟福預(yù)言并通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)了中子的存在

【答案】B

【解析】A．中子仍可分，并不是組成原子核的最小粒子之一，故A錯(cuò)誤；B．中子不帶電，因此與其他核子間無庫侖力，但無論核子是否帶電，相鄰核子間都存在強(qiáng)大的核力，故B正確；C．核子間距離在一定范圍內(nèi)，核力表現(xiàn)為引力，當(dāng)核子間距離小于一定值時(shí)，核力表現(xiàn)為斥力，故C錯(cuò)誤；D．盧瑟福預(yù)言了中子的存在，查德威克通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了中子的存在，故D錯(cuò)誤。故選B。

7．（2021·天津高三模擬）2021年3月23日，在三星堆遺址考古工作中，研究員對新發(fā)現(xiàn)的6個(gè)“祭祀坑”的73份碳屑樣本使用年代檢測方法進(jìn)行了分析，初步判定其中4號坑最有可能屬于商代晚期。會(huì)發(fā)生衰變，半衰期年。空氣中跟的存量比穩(wěn)定，活著的生物體中碳的這兩種同位素之比與空氣中相同，生物死亡后，不再與外界交換碳，因此測得生物遺骸中的與存量比，再與空氣中比較，可估算出生物死亡年代。則（）

A．地球的氣候變化會(huì)影響的半衰期

B．200個(gè)原子經(jīng)過11460年后還剩余50個(gè)

C．的衰變方程為

D．骨骼中以碳酸鈣形式存在的半衰期比單質(zhì)的半衰期更長

【答案】C

【解析】AD．放射性元素的原子核有半數(shù)發(fā)生衰變時(shí)所需要的時(shí)間叫半衰期，放射性元素衰變的快慢是由原子核內(nèi)部自身決定的，與外界的物理和化學(xué)狀態(tài)無關(guān)，故AD不符合題意；B．半衰期是一個(gè)統(tǒng)計(jì)規(guī)律，對于大量的原子核才適用，對于少量原子核是不成立的，故B不符合題意；C．發(fā)生衰變產(chǎn)生電子，根據(jù)電荷數(shù)守恒，質(zhì)量數(shù)守恒，的衰變方程為，故C符合題意。故選C。

8．（2021·重慶高三二模）放射性元素的原子核往往需要經(jīng)歷一系列的衰變和衰變才能達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)，如。若、、和的質(zhì)量分別用m1、m2、m3和m4表示。則下列說法正確的是（）

A．在中，a=6，b=4

B．衰變過程中釋放出的射線比β射線的穿透能力強(qiáng)

C．20個(gè)核經(jīng)過2個(gè)半衰期后還剩5個(gè)核

D．一個(gè)核衰變成一個(gè)核釋放的核能為

【答案】A

【解析】A．根據(jù)電荷數(shù)守恒和質(zhì)量數(shù)守恒，可知，，故A正確；

B．衰變過程中釋放出的射線比β射線的電離能力強(qiáng)，穿透能力弱，故B錯(cuò)誤；C．半衰期是統(tǒng)計(jì)學(xué)規(guī)律，對于大量原子核衰變時(shí)才適用，對于個(gè)別原子核沒有意義，故C錯(cuò)誤；D．根據(jù)質(zhì)能方程可得，一個(gè)核衰變成一個(gè)核釋放的核能為，故D錯(cuò)誤。故選A。

9．（2021·福建福州市高三二模）我國成功研制的環(huán)流器二號M裝置，是一款通過可控?zé)岷司圩兎绞?，提供清潔能源的裝置。氘、氚的核聚變反應(yīng)方程為：。已知氘核、氚核的比結(jié)合能分別是、，，正確的是（）

A．X核結(jié)合能為 B．氘核結(jié)合能為

C．氦原子核的比結(jié)合能為 D．聚變反應(yīng)中質(zhì)量虧損為

【答案】C

【解析】A．由質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒得核反應(yīng)方程為，即X核為中子，單個(gè)核子沒有結(jié)合能，故A錯(cuò)誤；B．氘核結(jié)合能為，故B錯(cuò)誤；C．氮原子核的比結(jié)合能為，故C正確；D．由質(zhì)能方程可得質(zhì)量虧損為，代入得

，故D錯(cuò)誤。故選C。

10．（2021·福建漳州市高三二模）關(guān)于近代物理知識，下列說法中正確的是（）

A．結(jié)合能越大的原子核越牢固

B．放射性元素發(fā)出的射線來自原子核外電子

C．光電效應(yīng)能否發(fā)生，與光的照射時(shí)間長短無關(guān)

D．處于基態(tài)的氫原子能吸收任意能量的光子而躍遷到激發(fā)態(tài)

【答案】C

【解析】A．比結(jié)合能越大，原子核中核子結(jié)合得越牢固，原子核越穩(wěn)定，結(jié)合能越大的原子核不一定越牢固，故A錯(cuò)誤；B．放射性元素發(fā)出的β射線實(shí)質(zhì)是原子核內(nèi)的一個(gè)中子轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)質(zhì)子和一個(gè)電子，β射線是釋放出來的電子，故B錯(cuò)誤；C．當(dāng)入射光的頻率大于金屬的極限頻率時(shí)，光照射在金屬上會(huì)立即發(fā)生光電效應(yīng)，光電效應(yīng)能否發(fā)生與光的照射時(shí)間長短無關(guān)，故C正確；D．只有當(dāng)光子的能量等于氫原子兩能級的能量差時(shí)，才能被處于基態(tài)的氫原子吸收，氫原子躍遷到激發(fā)態(tài)，并不是任意能量的光子都能被氫原子吸收，故D錯(cuò)誤。故選C。

11．（2021·天津和平區(qū)高三一模）氫原子發(fā)出a、b兩種頻率的單色光，相互平行地射到平板玻璃上，經(jīng)平板玻璃后射出的光線分別為、，如圖所示下列說法正確的是（）

A．光線、仍然平行

B．光線b進(jìn)入玻璃后的傳播速度大于光線a進(jìn)入玻璃后的傳播速度

C．若光線a能使某金屬產(chǎn)生光電效應(yīng)，光線b一定能使該金屬產(chǎn)生光電效應(yīng)

D．若光線a是氫原子從能級4向能級2直接躍遷發(fā)