版高考物理大一轮复习第12单元原子物理学案.docx
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版高考物理大一轮复习第12单元原子物理学案
第12单元原子物理
高考热点统计
要求
2014年
2015年
2016年
2017年
高考基础要求及
冷点统计
Ⅰ
Ⅱ
Ⅰ
Ⅱ
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
光电效应
Ⅰ
35
(1)
35
(1)
35
(1)
19
氢原子光谱(Ⅰ)
氢原子的能级结构、能级公式(Ⅰ)
放射性同位素(Ⅰ)
射线的危害与防护(Ⅰ)
氢原子光谱、放射性同位素、射线的危害与防护属于了解类知识,一般不会单独出题;氢原子的能级结构和能级公式属于难点、冷点.
爱因斯坦光电效应方程
Ⅰ
35
(1)
35
(1)
35
(1)
19
原子核的组成、放射性、原子核的衰变、半衰期
Ⅰ
35
(1)
35
(1)
35
(1)
35
(1)
15
核力、核反应方程
Ⅰ
35
(1)
35
(1)
结合能、质量亏损
Ⅰ
35
(1)
17
15
裂变反应和聚变反应、裂变反应堆
Ⅰ
35
(1)
35
(1)
17
考情分析
1.从近几年高考试题来看,高考对本章内容的考查涉及的考点较多,具有不确定性.考题可能根据某一考点命题,也可以同时涉及多个考点,题型为选择题的几率很高,很少出现计算题.
2.从整体命题趋势上看,高考对本部分的命题基本会保持原有命题思路,仍将以光电效应、能级跃迁、核反应方程、核能的分析与计算为命题重点,在2019届高考复习中应多加关注.
第30讲 波粒二象性 氢原子能级结构
一、光电效应
1.光电效应
在光的照射下金属中的电子从金属表面逸出的现象,叫作光电效应,发射出来的电子叫作 .
2.爱因斯坦光电效应方程
(1)光子说:
空间传播的光的能量是不连续的,是一份一份的,每一份叫作一个光子.光子的能量为ε= ,其中h是普朗克常量,其值为6.63×10-34J·s.
(2)光电效应方程:
.其中hν为入射光的能量,Ek为光电子的最大初动能,W0是金属的逸出功.
二、光的波粒二象性
1.光的干涉、衍射、偏振现象证明光具有 性.
2.光电效应和康普顿效应说明光具有 性.
3.光既具有波动性,又具有粒子性,称为光的 性.
三、玻尔理论与氢原子的能级
1.玻尔理论
(1)定态:
原子只能处于一系列 的能量状态中,在这些能量状态中原子是 的,电子虽然绕核运动,但并不向外辐射能量.
(2)跃迁:
原子从一种定态跃迁到另一种定态时,它辐射或吸收一定频率的光子,光子的能量由这两个定态的能量差决定,即hν= .(h是普朗克常量,h=6.63×10-34J·s)
(3)轨道:
原子的不同能量状态跟电子在不同的圆轨道绕核运动相对应.原子的定态是 的,因此电子的可能轨道也是 的.
2.氢原子的能级和轨道半径
(1)氢原子的能级公式:
En=
E1(n=1,2,3,…),其中E1为基态能量,其数值为E1= eV.
(2)氢原子的半径公式:
rn= (n=1,2,3,…),其中r1为基态半径,又称玻尔半径,其数值为r1=0.53×10-10m.
(3)氢原子的能级图:
能级图如图30-1所示.
图30-1
【思维辨析】
(1)电子枪发射电子的现象就是光电效应.( )
(2)不同的金属对应着相同的极限频率.( )
(3)核外电子虽然绕核运动,但并不向外辐射能量.( )
(4)核外电子可以吸收或放出任意频率的光子.( )
【思维拓展】
玻尔的氢原子能级理论成功解释了氢原子光谱不连续的特点,解释了当时出现的“紫外灾难”.该理论也可解释其他原子光谱现象吗?
考点一 对光电效应的理解
1.光电效应的实质
光子照射到金属表面,某个电子吸收光子的能量后动能变大,当电子的动能增大到足以克服原子核的引力时,便飞出金属表面成为光电子.光电效应现象中,每个电子只能吸收一个光子的能量.
2.对光电效应规律的解释
(1)光照射金属时,电子吸收一个光子(形成光电子)的能量后,动能立即增大,不需要积累能量的过程.
(2)电子从金属表面逸出,首先需克服金属表面原子核的引力做功(逸出功W).要使入射光子的能量不小于W,对应频率νc=
为极限频率.
(3)光电子的最大初动能只随入射光频率的增大而增大.
(4)入射光越强,单位时间内入射到金属表面的光子数越多,产生的光电子数越多,射出的光电子做定向移动时形成的光电流越大.
3.概念辨析
4.用图像表示光电效应方程
(1)最大初动能Ek与入射光频率ν的关系图线如图30-2所示.
图30-2
(2)由图线可以得到的物理量:
①极限频率:
图线与ν轴交点的横坐标νc.
②逸出功:
图线与Ek轴交点的纵坐标的绝对值W0=|-E|=E.
③普朗克常量:
图线的斜率k=h.
1(多选)[2017·全国卷Ⅲ]在光电效应实验中,分别用频率为νa、νb的单色光a、b照射到同种金属上,测得相应的遏止电压分别为Ua和Ub、光电子的最大初动能分别为Eka和Ekb.h为普朗克常量.下列说法正确的是( )
A.若νa>νb,则一定有Ua B.若νa>νb,则一定有Eka>Ekb C.若Ua D.若νa>νb,则一定有hνa-Eka>hνb-Ekb 式题(多选)[2017·湖北八校一联]如图30-3甲所示,在“光电效应”实验中,某同学用相同频率的单色光,分别照射阴极材料为锌和铜的两个不同的光电管,结果都能发生光电效应.图乙为其中一个光电管的遏止电压Uc随照射光频率ν变化的函数关系图像.对于这两个光电管,下列判断正确的是( ) 图30-3 A.因为不同材料的逸出功不同,所以遏止电压Uc不同 B.光电子的最大初动能不同 C.因为光强不确定,所以单位时间逸出的光电子数可能相同,饱和光电流也可能相同 D.两个光电管的Uc-ν图像的斜率可能不同 ■要点总结 分析光电效应问题抓住两条对应关系和三个关系式 (1)两条对应关系 ①光强大→光子数目多→发射光电子多→光电流大. ②光子频率高→光子能量大→光电子的最大初动能大. (2)三个关系式 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逸出功与极限频率的关系: W0=hν0. 考点二 光的波粒二象性 1.对光的波粒二象性的理解 光既有波动性,又有粒子性,两者不是孤立的,而是有机的统一体,其表现规律为: (1)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. (2)从频率上看: 频率越低波动性越显著,越容易看到光的干涉和明显的衍射现象;频率越高粒子性越显著,越不容易看到光的干涉和明显的衍射现象,贯穿本领越强. (3)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. (4)波动性与粒子性的统一: 由光子的能量E=hν,光子的动量p= 表达式也可以看出,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λ. (5)理解光的波粒二象性时不可把光当成宏观概念中的波,也不可把光当成微观概念中的粒子. 2.概率波与物质波 (1)概率波: 光的干涉现象是大量光子的运动遵守波动规律的表现,亮条纹是光子到达概率大的地方,暗条纹是光子到达概率小的地方,因此光波是一种概率波. (2)物质波: 任何一个运动着的物体,小到微观粒子,大到宏观物体,都有一种波与它对应,其波长λ= p为运动物体的动量,h为普朗克常量. 2能够证明光具有波粒二象性的现象是( ) A.光电效应和康普顿效应 B.光的衍射和光的色散 C.光的折射和透镜成像 D.光的干涉和康普顿效应 式题(多选)波粒二象性是微观世界的基本特征,以下说法正确的有( ) A.光电效应现象揭示了光的粒子性 B.热中子束射到晶体上产生衍射图样说明中子具有波动性 C.黑体辐射的实验规律可用光的波动性解释 D.动能相等的质子和电子,它们的德布罗意波长也相等 考点三 能级的分析与计算 1.氢原子跃迁条件 氢原子跃迁条件hν=Em-En只适用于光子和氢原子作用而使氢原子在各定态之间跃迁的情况.对于光子和氢原子作用而使氢原子电离时,只要入射光的能量E≥13.6eV,氢原子就能吸收光子的能量,对于实物粒子与原子作用使氢原子激发时,实物粒子的能量大于或等于能级差即可. 2.氢原子跃迁时能量的变化 (1)氢原子能量: En=Ekn+Epn= 随n增大而增大,其中E1=-13.6eV. (2)电子动能: 电子绕氢原子核运动时库仑力提供向心力,即k 所以Ek= 随r增大而减小. (3)电势能: 通过库仑力做功判断电势能的增减.当轨道半径减小时,库仑力做正功,电势能减小;反之,轨道半径增大时,电势能增加. 3.光谱线条数 (1)一群氢原子跃迁可能发出的光谱线条数为N= . (2)一个氢原子跃迁可能发出的光谱线条数最多为(n-1). 3如图30-4所示为氢原子的能级图,以下判断正确的是( ) 图30-4 A.处于n=3能级的氢原子可以吸收任意频率的光子 B.欲使处于基态的氢原子被激发,可用能量为12.09eV的光子照射 C.当氢原子从n=5能级跃迁到n=3能级时,要吸收光子 D.用氢原子从n=2能级跃迁到n=1能级辐射出的光照射金属铂(逸出功为6.34eV)时不能发生光电效应 式题1(多选)[2017·山西太原模拟]氢原子的能级图如图30-5所示,已知可见光的光子能量范围约为1.62~3.11eV.下列说法正确的是( ) 图30-5 A.处于n=3能级的氢原子可以吸收任意频率的紫外线,并发生电离 B.大量氢原子从高能级向n=3能级跃迁时,可能发出可见光 C.大量处于n=4能级的氢原子向低能级跃迁时,可能发出6种不同频率的光 D.一个处于n=3能级的氢原子向低能级跃迁时,最多能发出3种不同频率的光 式题2氢原子的能级图如图30-6所示.氢原子从n=3能级直接向n=1能级跃迁所放出的光子,恰能使某种金属产生光电效应,则该金属的截止频率为 Hz;用一群处于n=4能级的氢原子向低能级跃迁时所发出的光照射该金属,产生的光电子最大初动能为 eV.(普朗克常量h=6.63×10-34J·s,结果均保留2位有效数字) 图30-6 第31讲 核反应、核能 一、原子核与衰变 1.原子核的组成: 原子核是由 和中子组成的,原子核的电荷数等于核内的 . 2.天然放射现象 (1)天然放射现象 元素 地放出射线的现象,首先由贝可勒尔发现.天然放射现象的发现,说明 具有复杂的结构. (2)放射性和放射性元素 物质发射某种看不见的射线的性质叫 .具有放射性的元素叫放射性元素. (3)三种射线: 放射性元素放射出的射线共有三种,分别是 、β射线、γ射线. (4)放射性同位素: 有 放射性同位素和人工放射性同位素两类,放射性同位素的化学性质相同. 3.原子核的衰变 (1)衰变: 原子核放出α粒子或β粒子,变成另一种 的变化称为原子核的衰变. (2)分类 α衰变 XY+ . β衰变 XY+ . 二、核力与核能 1.核力 核子间的作用力.核力是 力,作用范围在1.5×10-15m之内,只在相邻的核子间发生作用. 2.核能 (1)结合能: 核子结合为原子核时 的能量或原子核分解为核子时 的能量,叫作原子核的结合能,亦称核能. (2)比结合能: ①定义: 原子核的结合能与 之比,称作比结合能,也叫平均结合能. ②特点: 不同原子核的比结合能不同,原子核的比结合能越大,表示原子核中核子结合得越牢固,原子核 . 3.质能方程、质量亏损 爱因斯坦质能方程E= ,原子核的质量比组成它的核子的质量和小Δm,这就是质量亏损.由质量亏损可求出释放的核能ΔE= . 三、裂变与聚变 1.重核裂变 (1)定义: 质量数较大的原子核受到高能粒子的轰击而分裂成几个质量数较小的原子核的过程. (3)典型的裂变方程 n. (4)裂变的应用: 原子弹、核反应堆. 2.轻核聚变 (1)定义: 两个轻核结合成质量数较大的原子核的反应过程. (3)典型的聚变方程 n. (4)聚变的应用: 氢弹. 【思维辨析】 (1)天然放射现象说明原子是可分的.( ) (2)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.( ) (3)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.( ) (4)质能方程表明在一定条件下,质量可以转化为能量.( ) 【思维拓展】 核能的计算是原子物理的重点知识和高考的热点问题,都有哪些方法可以求核反应中的能量呢? 【物理学史】 1896年,法国物理学家贝可勒尔用铀盐样品进行实验时发现了天然放射现象. 1897年,英国物理学家汤姆孙从阴极射线的研究中证实了电子的存在. 1898年,居里夫妇证明含有铀元素的化合物都具有放射性,并由此发现了“镭”. 1911年,卢瑟福公开α粒子散射实验结论,建立原子核式结构模型. 1919年,卢瑟福首次实现人工核反应,用α粒子轰击氮核,结果打出了“质子”. 1932年,英国物理学家查德威克从α粒子轰击铍的核反应过程中发现了“中子”. 考点一 核反应方程 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 He β衰变 自发 e 人工转变 人工控制 H(卢瑟福发现质子) n(查德威克发现中子) n 约里奥—居里夫妇发现放射性同位素及正电子 e 重核裂变 比较容易进行人工控制 n n 轻核聚变 除氢弹外无法控制 n 2.关于核反应的三点说明 (1)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表示反应方向,不能用等号连接. (2)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. (3)核反应遵循电荷数守恒和质量数守恒(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. 1[2017·天津卷]我国自主研发制造的国际热核聚变核心部件在国际上率先通过权威机构认证,这是我国对国际热核聚变项目的重大贡献.下列核反应方程中属于聚变反应的是( ) 图31-1 A. n B. H C. n D. n 式题下列有关原子结构和原子核的认识,正确的是( ) A.γ射线是高速运动的电子流 B.氢原子辐射光子后,其绕核运动的电子动能增大 C.太阳辐射能量的主要来源是太阳中发生的重核裂变 D. Bi的半衰期是5天,100克 Bi经过10天后还剩下50克 考点二 对天然放射现象的理解 1.α衰变、β衰变的比较 衰变类型 α衰变 β衰变 衰变方程 He e 衰变实质 2个质子和2个中子结合成氦核 nHe 1个中子转化为1个质子和1个电子 e 匀强磁场中轨迹形状 衰变规律 电荷数守恒、质量数守恒、动量守恒 2.三种射线的比较 射线名称 比较项目 α射线 β射线 γ射线 组成 高速氦核流 高速电子流 光子流 (高频电磁波) 带电荷量 2e -e 0 质量 4mp 静止质量为零 符号 He e γ 速度 0.1c 0.99c c 垂直进入电场或磁场的偏转情况 偏转 偏转 不偏转 贯穿本领 最弱 较强 最强 对空气的电离作用 很强 较弱 很弱 [说明]γ射线是伴随着α衰变或β衰变产生的,γ射线不改变原子核的电荷数和质量数,其实质是放射性原子核在发生α衰变或β衰变时,产生的某些新核由于具有过多的能量(核处于激发态)而辐射出的光子. 2[2017·全国卷Ⅱ]一静止的铀核放出一个α粒子衰变成钍核,衰变方程为 He.下列说法正确的是( ) A.衰变后钍核的动能等于α粒子的动能 B.衰变后钍核的动量大小等于α粒子的动量大小 C.铀核的半衰期等于其放出一个α粒子所经历的时间 D.衰变后α粒子与钍核的质量之和等于衰变前铀核的质量 式题实验观察到,静止在匀强磁场中A点的原子核发生β衰变,衰变产生的新核与电子恰在纸面内做匀速圆周运动,运动方向和轨迹示意图如图31-2所示,则轨迹1为 的轨迹,轨迹2是 的轨迹,磁场方向 . 图31-2 考点三 核能的计算 1.对质能方程的理解 (1)质能方程E=mc2给出了物体的能量和质量之间的关系,质量为m的物体具有的总能量为mc2,质量和能量不能互相转化. (2)“质量与能量间存在着简单的正比关系”,即物体的质量(这里指动质量)越大,能量越多,反之物体的质量越小,能量也越少;当物体放出能量时,满足ΔE=Δmc2. 2.求核能的三种方法: (1)根据ΔE=Δmc2计算.若Δm的单位是kg,计算时,c的单位是m/s,ΔE的单位是J;若Δm的单位是原子质量单位u,利用1u相当于931.5MeV,用ΔE=Δm×931.5MeV进行计算,ΔE的单位是MeV,1MeV=1.6×10-13J. (2)根据比结合能计算.原子核的结合能=比结合能×核子数. (3)结合动量守恒定律和能量守恒定律进行分析计算,此时要注意动量与动能关系式p2=2mEk的应用. [温馨提示]利用质能方程计算核能时,不能用质量数代替质量进行计算. 3[2017·全国卷Ⅰ]大科学工程“人造太阳”主要是将氘核聚变反应释放的能量用来发电.氘核聚变反应方程是 H的质量为2.0136u, n的质量为1.0087u,1u=931MeV/c2.氘核聚变反应中释放的核能约为( ) A.3.7MeVB.3.3MeV C.2.7MeVD.0.93MeV 式题太阳内部持续不断地发生着4个质子聚变为一个氦核的热核反应,这个核反应释放出的大量能量就是太阳的能源.(mp=1.0073u,mα=4.0015u,me=0.00055u,太阳的质量为2×1030kg) (1)这一核反应能释放出多少能量? (2)已知太阳每秒释放能量为3.8×1026J,则太阳每秒减小的质量为多少? (3)若太阳质量减小万分之三时热核反应不能继续进行,则太阳上的热核反应还能发生多少年? 考点四 核反应中的动量守恒问题 (1)核反应过程遵循能量守恒定律: 在无光子辐射的情况下,核反应中释放的核能将转化为生成的新核和新粒子的动能;有光子辐射的情况下,核反应中释放的核能将转化为生成的新核和新粒子的动能及光子的能量.一般认为核反应放出的能量与反应前原子核的动能之和等于反应后原子核的总动能. (2)核反应过程遵循动量守恒定律: 即反应前原子核的总动量等于反应后原子核的总动量. (3)解决核反应与动量及能量综合的问题时,首先应用质能方程求出核反应释放出的核能,其次根据动量守恒定律和能量守恒定律列出相应的方程,最后联立求解. 4[2017·北京卷]在磁感应强度为B的匀强磁场中,一个静止的放射性原子核发生了一次α衰变.放射出的α粒子 He)在与磁场垂直的平面内做圆周运动,其轨道半径为R.用m、q分别表示α粒子的质量和电荷量. (1)放射性原子核用 X表示,新核的元素符号用Y表示,写出该α衰变的核反应方程. (2)α粒子的圆周运动可以等效成一个环形电流,求圆周运动的周期和环形电流大小. (3)设该衰变过程释放的核能都转为α粒子和新核的动能,新核的质量为M,求衰变过程的质量亏损Δm. 式题1海水中含有丰富的氘,完全可充当未来的主要能源.两个氘核的核反应方程为 n,其中氘核的质量为2.0130u,氦核的质量为3.0150u,中子的质量为1.0087u.(1u相当于931.5MeV) (1)求核反应中释放的核能. (2)在两个氘核以相等的动能0.35MeV进行对心碰撞并且核能全部转化为机械能的情况下,求反应中产生的中子和氦核的动能. 式题2(多选)[2018·武汉一中月考]云室能显示射线的径迹,把云室放在磁场中,从带电粒子运动轨迹的弯曲方向和半径大小就能判断粒子的属性.放射性元素的原子核A静止放在磁感应强度B=2.5T的匀强磁场中,该原子核发生衰变,放射出粒子并变成新原子核B,放射出的粒子与新核运动轨迹如图31-3所示,测得两圆的半径之比R1∶R2=42∶1,且R1=0.2m.已知α粒子质量mα=6.64×10-27kg,β粒子质量mβ=9.1×10-31kg,普朗克常量h取6.6×10-34J·s,下列说法正确的是( ) 图31-3 A.新原子核B的核电荷数为84 B.原子核A发生的是β衰变 C.衰变放出的粒子的速度大小为2.4×107m/s D.如果原子核A衰变时释放出一种频率为1.2×1015Hz的光子,那么这种光子能使逸出功为4.54eV的金属钨发生光电效应 教师详解(听课手册) 第十二单元 原子物理 第30讲 波粒二象性 氢原子能级结构 【教材知识梳理】 核心填空 一、1.光电子 2. (1)hν (2)Ek=hν-W0 二、1.波动 2.粒子 3.波粒二象 三、1. (1)不连续 稳定 (2)Em-En (3)不连续 不连续 2. (1)-13.6 (2)n2r1 思维辨析 (1)(×) (2)(×) (3)(√) (4)(×) 思维拓展 玻尔的氢原子能级理论本身是以经典理论为基础,其理论又与经典理论相抵触.它只能解释氢原子的光谱,在解决其他原子的光谱上就遇到了困难,如把理论用于非氢原子时,理论结果与实验不符,且不能求出谱线的强度及相邻谱线之间的宽度.这些缺陷主要是由于把微观粒子(电子、原子等)看作是经典力学中的质点,从而把经典力学规律强加于微观粒子上(如轨道概念)而导致的. 【考点互动探究】 考点一 例1 BC [解析]由光电效应方程可知Ek=hν-W0,该动能又会在遏止电压下恰好减为零,则eU=hν-W0,其中W0为逸出功,同种金属的W0相同.若νa>νb,则Ua>Ub,故A错误;若νa>νb,根据Ek=hν-W0,可得Eka>Ekb,故B正确;若Ua 变式题 ABC [解析] 不同的材料有不同的逸出功,所以遏止电压Uc不同,选项A正确;由爱因斯坦光电效应方程得hν=W0+Ek,故选项B正确;在照射光的频率大于极限频率的情况下,发射出的光电子数与照射光的强度成正比,光强不确定,所以单位时间逸出的光电子数可能相同,饱和光电流也
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