高考物理二轮复习专题五光电效应原子结构和原子核学案.docx

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高考物理二轮复习专题五光电效应原子结构和原子核学案

【2019最新】精选高考物理二轮复习专题五光电效应原子结构和原子核学案

知识必备

1.光电效应的实验规律

（1）任何一种金属都有一个极限频率，入射光的频率必须大于这个频率，才能产生光电效应。

（2）光电子的最大初动能与入射光的强度无关，只随入射光的频率增大而增大。

（3）入射光照射到金属板上时，光电子的发射几乎是瞬时的，一般不会超过10－9s。

（4）当入射光的频率大于极限频率时，光电流的强度与入射光的强度成正比。

2.光电效应方程

（1）光电子的最大初动能跟入射光子的能量hν和逸出功W0的关系为：

mv2＝hν－W0。

（2）极限频率：

νc＝。

（3）最大初动能与遏止电压的关系：

Ek＝eUc。

3.氢原子能级图

图1

（1）能级图：

如图1所示。

（2）辐射条件：

hν＝Em－En。

（3）辐射光谱线条数：

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＝C＝。

4.核反应

（1）爱因斯坦质能方程：

ΔE＝Δmc2。

（2）两种衰变：

α衰变：

U―→Th＋He。

β衰变：

Th―→Pa＋e。

（3）人工转变：

N＋He―→O＋H（发现质子的核反应）

（4）重核裂变：

U＋n―→Ba＋Kr＋3n，在一定条件下（大于临界质量、超过临界体积），裂变反应会连续不断地进行下去，这就是链式反应。

（5）轻核聚变：

H＋H―→He＋n（需要几百万度高温，所以又叫热核反应）。

备考策略

本专题考查的重点应为原子跃迁及能级问题、核反应方程、核能的计算等，题型为选择题。

1.必须牢记的“3个主要实验现象”

（1）光电效应现象。

（2）α粒子散射实验。

（3）天然放射现象。

2.必须掌握的“2类方程”

（1）衰变方程；

（2）核反应方程。

3.必须明确的“3个易错易混点”

（1）能级跃迁时吸收光子的能量和吸收实物粒子的能量是不同的。

（2）半衰期是统计规律，对单个原子核无意义。

（3）γ射线是伴随着α衰变、β衰变而产生的能量形式。

4.必须掌握核能的两种计算方法

→→

（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”。

　光电效应　能级跃迁

【真题示例】（多选）（2017·全国卷Ⅲ，19）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＜Ub

B.若νa＞νb，则一定有Eka＞Ekb

C.若Ua＜Ub，则一定有Eka＜Ekb

D.若νa＞νb，则一定有hνa－Eka＞hνb－Ekb

解析　由爱因斯坦光电效应方程得Ekm＝hν－W0，由动能定理得Ekm＝eU，若用a、b单色光照射同种金属时，逸出功W0相同。

当νa＞νb时，一定有Eka＞Ekb，Ua＞Ub，故选项A错误，B正确；若Ua＜Ub，则一定有Eka＜Ekb，故选项C正确；因逸出功相同，有W0＝hνa－Eka＝hνb－Ekb，故选项D错误。

答案　BC

真题感悟

本考点主要考查：

（1）光电效应、极限频率、遏止电压等概念；

（2）光电效应规律；（3）光电效应方程；（4）考查氢原子结构；（5）结合能级图考查能级跃迁规律。

预测1

对光电效应规律的理解

预测2

光电效应方程的应用

预测3

氢原子能级跃迁

1.某光源发出的光由不同波长的光组成，不同波长的光的强度如图2所示，表中给出了一些材料的极限波长，用该光源发出的光照射表中材料（　　）

图2

材料

钠

铜

铂

极限波长（nm）

541

268

196

A.仅钠能产生光电子B.仅钠、铜能产生光电子

C.仅铜、铂能产生光电子D.都能产生光电子

解析　由题图可知，该光源发出的光的波长大约在20nm到440nm之间，而三种材料中，极限频率最大的铂的极限波长是196nm，大于20nm，所以该光源能使三种材料都产生光电效应，选项D正确。

答案　D

2.（多选）如图3所示是某金属在光的照射下，光电子的最大初动能Ek与入射光的波长的倒数（）的关系图象，由图象可知（　　）

图3

A.图象中的λ0是产生光电效应的最小波长

B.普朗克常量和光速的乘积hc＝Eλ0

C.该金属的逸出功等于－E

D.若入射光的波长为，产生的光电子的最大初动能为2E

解析　图象中的λ0是产生光电效应的最大波长，选项A错误；根据爱因斯坦光电效应方程，光电子的最大初动能Ek与入射光的波长的倒数的关系图象对应的函数关系式为Ek＝hc－W，由图象可知Ek＝0时，hc＝Eλ0，选项B正确；由Ek＝hc－W，并结合关系图象可得该金属的逸出功W＝E，选项C错误；若入射光的波长为，由Ek＝hc－W，解得Ek＝hc－W＝3E－E＝2E，即产生的光电子的最大初动能为2E，选项D正确。

答案　BD

3.（多选）（2017·北京二模）图4为氢原子能级示意图的一部分，则氢原子（　　）

图4

A.处于不同能级时，核外电子在各处出现的概率是一样的

B.一群氢原子从n＝5能级向低能级跃迁时最多能发出10种频率的光

C.从n＝4能级跃迁到n＝3能级比从n＝3能级跃迁到n＝2能级辐射出电磁波的波长长

D.处于基态的氢原子和具有13.6eV能量的电子发生碰撞时恰好电离

解析　处于不同能级时，核外电子在各处出现的概率是不一样的，故A项错误；从n＝5能级向低能级跃迁时，最多能发出10种频率的光子，故B正确；光子能量E＝hν＝，由能级示意图知E4―→3λ3―→2，故C项正确；处于基态的氢原子若恰好电离需要吸收13.6eV能量，因电子与氢原子碰撞时一般氢原子不会吸收电子的全部能量，故D项错误。

答案　BC

练后反思

1.处理光电效应问题的两条线索

（1）光的强度大―→光子数目多―→发射光电子数多―→光电流大。

（2）光子频率高―→光子能量大―→产生光电子的最大初动能大。

2.解决氢原子能级跃迁问题的三点技巧

（1）原子跃迁时，所吸收或释放的光子能量只能等于两能级之间的能量差。

（2）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，剩余能量为自由电子的动能。

（3）一群原子和一个原子不同，它们的核外电子向基态跃迁时发射光子的种类N＝C＝。

　衰变、核反应与核能的计算

【真题示例1】（2017·全国卷Ⅱ，15）一静止的铀核放出一个α粒子衰变成钍核，衰变方程为U→Th＋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

解析　静止的铀核在α衰变过程中，满足动量守恒的条件，根据动量守恒定律得pTh＋pα＝0，即钍核的动量和α粒子的动量大小相等，方向相反，选项B正确；根据Ek＝可知，选项A错误；半衰期的定义是统计规律，对于一个α粒子不适用，选项C错误；铀核在衰变过程中，伴随着一定的能量放出，即衰变过程中有一定的质量亏损，故衰变后α粒子与钍核的质量之和小于衰变前铀核的质量，选项D错误。

答案　B

【真题示例2】（2017·全国卷Ⅰ，17）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＋H→He＋n。

已知H的质量为2.0136u，He的质量为3.0150u，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

解析　根据质能方程，释放的核能ΔE＝Δmc2，Δm＝2mH－mHe－mn＝0.0035u，则ΔE＝0.0035×931MeV＝3.2585MeV≈3.3MeV，故B正确，A、C、D错误。

答案　B

真题感悟

本考点主要考查：

（1）原子核的衰变及对三种射线本质的理解和应用。

（2）半衰期、核反应方程及核能计算。

预测1

原子核的衰变及半衰期

预测2

考查三种射线的特性

预测3

核反应方程

预测4

核能的计算

1.（多选）静止的镭原子核88Ra经一次α衰变后变成一个新核Rn。

则下列相关说法正确的是（　　）

A.该衰变方程为88Ra→86Rn＋He

B.若该元素的半衰期为τ，则经过2τ的时间，2kg的88Ra中已有1.5kg已经发生了衰变

C.随着该元素样品的不断衰变，剩下未衰变的原子核88Ra越来越少，其半衰期也变短

D.若把该元素放到密闭的容器中，则可以减慢它的衰变速度

解析　由镭的α衰变方程88Ra→86Rn＋He，可判断A正确；由m＝m0，可知，t＝2τ时，m＝0.5kg，则已经衰变的镭为m衰＝2kg－0.5kg＝1.5kg，B正确；放射性元素衰变的快慢是由原子核内部自身因素决定的，跟原子所处的化学状态和外部条件没有关系，C、D错误。

答案　AB

2.如图5所示，一天然放射性物质发出三种射线，经过一个匀强电场和匀强磁场共存的区域（方向如图所示）。

调整电场强度E和磁感应强度B的大小，使得在MN上只有两个点受到射线的照射，则下面判断正确的是（　　）

图5

A.射到b点的一定是α射线

B.射到b点的一定是β射线

C.射到b点的一定是α射线或β射线

D.射到b点的一定是γ射线

解析　γ射线不带电，在电场和磁场中它都不受力的作用，只能射到a点，选项D错误；调整E和B的大小，既可以使带正电的α射线沿直线前进，也可以使带负电的β射线沿直线前进，沿直线前进的条件是电场力与洛伦兹力平衡，即qE＝qBv。

已知α粒子的速度比β粒子的速度小得多，当α粒子沿直线前进时，速度较大的β粒子向右偏转；当β粒子沿直线前进时，速度较小的α粒子也向右偏转，故选项C正确，A、B错误。

答案　C

3.（多选）下列核反应类型正确的是（　　）

A.U―→Th＋He　α衰变

B.N＋He―→O＋H　轻核聚变

C.U＋n―→Xe＋Sr＋2n　重核裂变

D.H＋H―→He＋n　轻核聚变

解析　衰变的反应物只有一个，生成物有He或e；重核裂变的反应物是重核和中子，生成中等质量的核并再次放出多个中子；轻核聚变是轻核合成为中等质量的核，故属于α衰变的是A；属于裂变的是C；属于聚变的是D。

答案　ACD

4.氘核H和氚核H结合成氦核He的核反应方程如下：

H＋H―→He＋n＋17.6MeV，下列说法正确的是（　　）

A.这个核反应称为人工核反应

B.要发生这样的核反应，需要将反应物质的温度加热到几百万开尔文，式中17.6MeV是核反应中吸收的能量

C.核反应后生成物的总质量比核反应前物质的总质量减少了3.1×10－29kg

D.核反应后生成物的总质量比核反应前物质的总质量增加了3.1×10－29kg

解析　H＋H―→He＋n＋17.6MeV为轻核聚变反应（或热核反应），选项A错误；17.6MeV是反应中释放出的能量，选项B错误；由ΔE＝Δmc2可知，质量减少Δm＝＝3.1×10－29kg，选项C正确，D错误。

答案　C

课时跟踪训练

一、选择题（1～8题为单项选择题，9～15题为多项选择题）

1.人们在研究原子结构时提出过许多模型，其中比较有名的是枣糕模型和核式结构模型，它们的模型示意图如图1所示。

下列说法中正确的是（　　）

图1

A.α粒子散射实验与枣糕模型和核式结构模型的建立无关

B.科学家通过α粒子散射实验否定了枣糕模型，建立了核式结构模型

C.科学家通过α粒子散射实验否定了核式结构模型，建立了枣糕模型

D.科学家通过α粒子散射实验否定了枣糕模型和核式结构模型，建立了玻尔的原子模型

解析　α粒子散射实验与核式结构模型的建立有关，通过该实验，否定了枣糕模型，建立了核式结构模型。

答案　B

2.下列表述正确的是（　　）

A.He＋N―→O＋X中，X表示He

B.H＋H―→He＋n是重核裂变的核反应方程

C.放射性元素的半衰期与原子所处的化学状态无关

D.β衰变中放出的β射线是核外电子挣脱原子核的束缚而形成的

解析　核反应方程的书写应遵循质量数和电荷数守恒，X应为H，所以A选项错误；B选项的核反应方程为轻核聚变方程，所以B选项错误；放射性元素的半衰期只与元素自身结构有关，与其他因素无关，所以C选项正确；β衰变中放出的β射线是由核内中子转化成一个质子和电子形成的，所以D选项错误。

答案　C

3.如图2所示为氢原子的四个能级，其中E1为基态，若氢原子A处于激发态E2，氢原子B处于激发态E3，则下列说法正确的是（　　）

图2

A.原子A可能辐射出3种频率的光子

B.原子B可能辐射出3种频率的光子

C.原子A能够吸收原子B发出的光子并跃迁到能级E1

D.原子B能够吸收原子A发出的光子并跃迁到能级E4

解析　原子A处于激发态E2，因此其辐射光子频率数目只能有1种，A错误；原子B处于n＝3的能级，能辐射出C＝3种频率的光子，B正确；据氢原子能级的量子性、吸收光子必须满足hν＝Em－En，故C、D错误。

答案　B

4.铀是常用的一种核燃料，若它的原子核发生了如下的裂变反应；U＋n―→a＋b＋2n则a＋b可能是（　　）

A.Xe＋KrB.Ba＋Kr

C.Ba＋SrD.Xe＋Sr

解析　根据核反应中的质量数守恒可知，a＋b的质量数应为235＋1－2＝234，质子数应为92，A项中的质量数为140＋93＝233，B项中质量数是141＋92＝233，C项中质量数为141＋93＝234，质子数为56＋38＝94，D项中质量数为140＋94＝234，质子数为54＋38＝92，综上可知，答案为D。

答案　D

5.将半衰期为5天、质量为64g的铋分成四份分别投入：

（1）开口容器中；

（2）100atm的密封容器中；（3）100℃的沸水中；（4）与别的元素形成化合物。

经10天后，四种情况下剩下的铋的质量分别为m1、m2、m3、m4，则（　　）

A.m1＝m2＝m3＝m4＝4g

B.m1＝m2＝m3＝4g，m4<4g

C.m1>m2>m3>m4，m1＝4g

D.m1＝4g，其余无法知道

解析　放射性元素的半衰期是一定的，与放射性元素所处的物理环境和化学环境无关，故四种情况下铋剩余的质量相等，剩余的铋的质量为m余＝16×g＝4g，所以A正确。

答案　A

6.研究放射性元素射线性质的实验装置如图3所示。

两块平行放置的金属板A、B分别与电源的两极a、b连接，放射源发出的射线从其上方小孔向外射出。

则（　　）

图3

A.a为电源正极，到达A板的为α射线

B.a为电源正极，到达A板的为β射线

C.a为电源负极，到达A板的为α射线

D.a为电源负极，到达A板的为β射线

解析　β射线为高速电子流，质量约为质子质量的，速度接近光速；α射线为氦核流，速度约为光速的。

在同一电场中，β射线偏转的轨迹曲率半径小于α射线的曲率半径，由图知，向左偏的为β射线，向右偏的为α射线，即到达A板的为β射线；因α粒子带正电，向右偏转，说明电场方向水平向右，那么a为电源正极，故B正确，A、C、D错误。

答案　B

7.图4甲所示为氢原子的能级，图乙为氢原子的光谱。

已知谱线a是氢原子从n＝4的能级跃迁到n＝2能级时的辐射光，则谱线b可能是氢原子________时的辐射光。

（　　）

图4

A.从n＝5的能级跃迁到n＝3的能级

B.从n＝4的能级跃迁到n＝3的能级

C.从n＝5的能级跃迁到n＝2的能级

D.从n＝3的能级跃迁到n＝2的能级

答案　C

8.下列说法正确的是（　　）

A.天然放射性元素Th（钍）经过4次α衰变和8次β衰变变成Pb（铅）

B.α衰变产生的α射线穿透能力最强

C.质子、中子、α粒子的质量分别是m1、m2、m3，质子和中子结合成一个α粒子，释放的能量是（2m1＋2m2－m3）c2

D.由爱因斯坦质能方程可知，质量和能量可以相互转化

解析　天然放射性元素Th（钍）衰变变成Pb，根据质量数守恒和质子数守恒，需要经过n＝＝6次α衰变、经过m＝2n－（90－82）＝4次β衰变，即天然放射性元素Th（钍）经过6次α衰变和4次β衰变变成Pb（铅），选项A错误；α衰变产生的α射线电离能力最强，穿透能力最弱，选项B错误；质子和中子结合成一个α粒子，需要两个质子和两个中子，质量亏损Δm＝2m1＋2m2－m3，由质能方程可知，释放的能量ΔE＝Δm·c2＝（2m1＋2m2－m3）c2，选项C正确；爱因斯坦质能方程只是反映了质量与能量之间的关系，质量和能量不可以相互转化，选项D错误。

答案　C

9.如图5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以观察α粒子在各个角度的散射情况，下列说法正确的是（　　）

图5

A.α粒子发生散射的主要原因是α粒子撞击到金原子核后产生的反弹

B.在图中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

C.卢瑟福选用不同的金属箔片作为α粒子散射的靶，观察到的实验结果基本相似

D.卢瑟福根据此实验得出原子的核式结构模型

解析　放在B位置时，相同时间内观察到屏上的闪光次数较少，而放在A位置时，相同时间内观察到屏上的闪光次数最多，B错误；α粒子发生散射的主要原因是受到金原子核的库仑斥力作用，A错误；选用不同金属箔片作为α粒子散射的靶，观察到的实验结果基本相似，故C正确；卢瑟福根据此实验得出原子的核式结构模型，D正确。

答案　CD

10.如图6所示是原子核的核子平均质量与原子序数Z的关系图象，下列说法中正确的是（　　）

图6

A.若原子核D和E结合成F，结合过程一定会吸收核能

B.若原子核D和E结合成F，结合过程一定会释放核能

C.若原子核A分裂成B和C，分裂过程一定会吸收核能

D.在核反应堆的铀棒之间插入镉棒是为了控制核反应速度

解析　原子核D和E结合成F，有质量亏损，根据爱因斯坦质能方程，有能量释放，故选项A错误，B正确；若原子核A分裂成B和C，也有质量亏损，根据爱因斯坦质能方程，有能量释放，故选项C错误；在核反应堆的铀棒之间插入镉棒，用镉棒来吸收中子控制核反应速度，选项D正确。

答案　BD

11.中子和质子结合成氘核，同时放出γ光子，核反应方程是H＋n―→H＋γ，以下说法正确的是（　　）

A.反应后氘核的质量一定小于反应前质子和中子的总质量

B.反应前后质量数不变，因而质量不变

C.由核子组成原子核一定向外释放能量

D.光子所具有的能量为Δmc2，Δm为反应中的质量亏损，c为光速

解析　根据质能方程，这个反应释放能量，一定发生质量亏损，即反应后氘核的质量一定小于反应前质子和中子的总质量，这个质量亏损与释放能量的关系满足质能方程ΔE＝Δmc2。

由核子组成原子核一定向外释放能量，这个能量叫原子核的结合能。

反应前后质量数不变，但质量变化。

选项A、C、D正确。

答案　ACD

12.（2017·东北三省三校模拟）U是一种放射性元素，能够自发地进行一系列放射性衰变，如图7所示，下列说法正确的是（　　）

图7

A.图中a是84，b是206

B.Pb比U的比结合能大

C.Y是β衰变，放出电子，电子是由中子转变成质子时产生的

D.Y和Z是同一种衰变

解析　Po―→Pb，质量数少4，知发生了一次α衰变，则电荷数少2，所以a＝84，Bi―→Ti，知发生了一次α衰变，则b＝206。

故A、D正确，C错误；比结合能小的原子核结合或分解成比结合能大的原子核时会出现质量亏损，根据爱因斯坦质能方程得知，一定释放核能。

因此核反应放出能量，则Pb比U的比结合能大，选项B正确。

答案　ABD

13.用如图8所示的装置研究光电效应现象，当用光子能量为2.5eV的光照射到光电管上时，电流表G的示数为0.2mA。

移动变阻器的触点c，当电压表的示数大于或等于0.7V时，电流表示数为0。

则（　　）

图8

A.光电管阴极的逸出功为1.8eV

B.开关K断开后，没有电流流过电流表G

C.光电子的最大初动能为0.7eV

D.改用能量为1.5eV的光子照射，电流表G也有电流，但电流较小

解析　该装置所加的电压为反向电压，发现当电压表的示数大于或等于0.7V时，电流表示数为0，则知光电子的最大初动能为0.7eV，根据光电效应方程Ek0＝hν－W0，得逸出功W0＝1.8eV，故A、C正确；当开关K断开后，用光子能量为2.5eV的光照射到光电管上时发生了光电效应，有光电子逸出，则有电流流过电流表，故B错误；改用能量为1.5eV的光子照射，由于光电子的能量小于逸出功，不能发生光电效应，无光电流，D错误。

答案　AC

14.图示9为氢原子能级图以及从n＝3、4、5、6能级跃迁到n＝2能级时辐射的四条光谱线，已知从n＝3跃迁到n＝2的能级时辐射光的波长为656nm，下列叙述正确的有（　　）

图9

A.四条谱线中频率最大的是Hδ

B.用633nm的光照射能使氢原子从n＝2跃迁到n＝3的能级

C.一群处于n＝3能级上的氢原子向低能级跃迁时，最多产生3种谱线

D.如果Hδ可以使某种金属发生光电效应，只要照射时间足够长，光的强度足够大，Hβ也可以使该金属发生光电效应

解析　频率最大的光子对应的能量最大，即跃迁时能量差最大，故从n＝6跃迁到n＝2的频率最大，选项A正确；原子跃迁过程中，吸收光子的能量应刚好等于两能级的能量差，选项B错误；从n＝3向低能级跃迁时，可以是从3―→2、2―→1或者是3―→1，即有三种频率不同的光子，选项C正确；光电效应与光照的时间无关，Hδ光子的能量最大，故其他光子不一定可以使该金属产生光电效应，选项D错误。

答案　AC

15.关于核反应方程Th―→Pa＋X＋ΔE（ΔE为释放出的核能，X为新生成粒子），已知Th的半衰期为T，则下列说法正确的是（　　）

A.原子序数大于83的元素，都能自发地发出射线，原子序数小于或等于83的元素则不能放出射线

B.Pa比Th少1个中子，X粒子是从原子核中射出的，此核反应为β衰变

C.N0个Th经2T时间因发生上述核反应而放出的核能为N0ΔE（N0数值很大）

D.Th的比结合能为

解析　原子序数大于83的元素，都能自发地发出射线，原子序数小于或等于83的元素有的也能放出射线，故选项A错误；Pa比Th少1个中子，X粒子是从原子核中射出的，此核反应为β衰变，故选项B正确；由半衰期公式N余＝N原，得N余＝N原＝N0，即衰变了N0。

一个Th衰变释放ΔE核能，所以N0个Th衰变放出的核能为N0ΔE，故选项C正确；Th的结合能为234个核子结合成Th时释放出的能量，该能量不是它衰变时放出的能量ΔE，所以比结合能不等于，故选项D错误。

答案　BC