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回歸教材重難點15原子物理學

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

在原子結構方面，主要考查原子的結構、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、核能及核反應方程等；這部分內容也可能與動量、能量和電磁場相結合以計算題的形式出現(xiàn)。

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

知識點一、光電效應

1.光電效應現(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.光電效應規(guī)律

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

(2)光電子的最大初動能與入射光的強度無關,只隨入射光頻率的增大而增大。

(3)光電效應的發(fā)生幾乎是瞬時的,一般不超過10-9s。

(4)當入射光的頻率大于極限頻率時,飽和電流隨入射光的增強而增大。

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)。不同的金屬對應著不同的截止頻率。

知識點二、光電效應方程

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.最大初動能

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

4.愛因斯坦光電效應方程

(1)表達式:Ek=hν-W0。

(2)物理意義:金屬表面的電子吸收一個光子獲得的能量是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能Ek=12mev2。

知識點三、光的波粒二象性與物質波

1.光的波粒二象性

(1)光的干涉、衍射、偏振現(xiàn)象證明光具有波動性。

(2)光電效應、康普頓效應說明光具有粒子性。

(3)光既具有波動性,又具有粒子性,稱為光的波粒二象性。

2.物質波

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

(2)物質波:任何一個運動著的物體,小到微觀粒子大到宏觀物體都有一種波與它對應,其波長λ=?p,p為運動物體的動量,h為普朗克常量。

知識點四、原子的核式結構

(1)1909—1911年,英國物理學家盧瑟福進行了α粒子散射實驗,提出了核式結構模型。

(2)α粒子散射實驗

a.實驗裝置:如圖所示。

b.實驗結果:α粒子穿過金箔后,絕大多數(shù)沿原方向前進,少數(shù)發(fā)生較大角度偏轉,極少數(shù)偏轉角度大于90°,甚至被彈回。

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

知識點五、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)和強度分布的記錄,即光譜。

2.氫原子光譜的實驗規(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和確定物質的組成成分,且靈敏度很高。在發(fā)現(xiàn)和鑒別化學元素上有著重大的意義。

知識點六、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,電子雖然繞核運動,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,它輻射或吸收一定頻率的光子,光子的能量由這兩個定態(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動相對應。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

原子核是由質子和中子組成的,原子核的電荷數(shù)等于核內的質子數(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),說明原子核具有復雜的結構。

(2)放射性和放射性元素

物質發(fā)射射線的性質叫放射性。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)放射性同位素的應用與防護

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性質相同。

b.應用:消除靜電、工業(yè)探傷、作示蹤原子等。

c.防護: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)生衰變所需的時間。半衰期由原子核內部的因素決定,跟原子所處的物理、化學狀態(tài)無關。

知識點八、核力、結合能、質量虧損、核反應

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,形成穩(wěn)定的原子核

特點

(1)核力是強相互作用(強力)的一種表現(xiàn)

(2)核力是短程力,作用范圍在1.5×10-15m之內

(3)每個核子只跟鄰近的核子發(fā)生核力作用

2.結合能

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

(2)比結合能

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

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

3.質量虧損

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

4.核反應

(1)重核裂變

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

Ⅱ.特點:a.裂變過程中能夠放出巨大的能量。

b.裂變的同時能夠放出2~3(或更多)個中子。

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:兩個輕核結合成質量較大的原子核的反應過程。

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

b.聚變反應比裂變反應更劇烈。

c.對環(huán)境污染較小。

d.自然界中聚變反應原料豐富。

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的癌癥治療手段之一、治療時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。這個核反應的方程是（）

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，則這個核反應方程為

故選A

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

A質量虧損

B.釋放的核能

C.鈹原子核內的中子數(shù)是5

D.X表示的是氚原子核

【答案】B

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

則，，鈹原子核內的中子數(shù)是4，X表示的是氦核，故CD錯誤；

AB．核反應質量虧損為

則釋放的核能為

故A錯誤，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極進行光電效應探究，其截止頻率，保持入射光不變，則光電子到達A極時動能的最大值隨電壓U變化關系的圖像是（）

B.

C. D.

【答案】C

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

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錯誤。

故選C

4（2021遼寧卷）.赫茲在研究電磁波的實驗中偶然發(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。此后許多物理學家相繼證實了這一現(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。最初用量子觀點對該現(xiàn)象給予合理解釋的科學家是（）

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錯誤；

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

C．愛因斯坦提出光子說，從理論上解釋了光電效應的實驗現(xiàn)象，符合題意，C正確；

D．德布羅意提出一切物質都具有波粒二象性，與題意不符，D錯誤。

故選C。

5（2021天津卷）.光刻機是制造芯片核心裝備，利用光源發(fā)出的紫外線，將精細圖投影在硅片上，再經(jīng)技術處理制成芯片。為提高光刻機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行。散裂中子源是研究中子特性、探測物質微觀結構和運動的科研裝置。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．盧瑟福預言并通過實驗證實了中子的存在

【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大的核力，故B正確；C．核子間距離在一定范圍內，核力表現(xiàn)為引力，當核子間距離小于一定值時，核力表現(xiàn)為斥力，故C錯誤；D．盧瑟福預言了中子的存在，查德威克通過實驗驗證了中子的存在，故D錯誤。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“祭祀坑”的73份碳屑樣本使用年代檢測方法進行了分析，初步判定其中4號坑最有可能屬于商代晚期。會發(fā)生衰變，半衰期年?？諝庵懈拇媪勘确€(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．地球的氣候變化會影響的半衰期

B．200個原子經(jīng)過11460年后還剩余50個

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)生衰變時所需要的時間叫半衰期，放射性元素衰變的快慢是由原子核內部自身決定的，與外界的物理和化學狀態(tài)無關，故AD不符合題意；B．半衰期是一個統(tǒng)計規(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到穩(wěn)定的狀態(tài)，如。若、、和的質量分別用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

C．20個核經(jīng)過2個半衰期后還剩5個核

D．一個核衰變成一個核釋放的核能為

【答案】A

【解析】A．根據(jù)電荷數(shù)守恒和質量數(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，穿透能力弱，故B錯誤；C．半衰期是統(tǒng)計學規(guī)律，對于大量原子核衰變時才適用，對于個別原子核沒有意義，故C錯誤；D．根據(jù)質能方程可得，一個核衰變成一個核釋放的核能為，故D錯誤。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，是一款通過可控熱核聚變方式，提供清潔能源的裝置。氘、氚的核聚變反應方程為：。已知氘核、氚核的比結合能分別是、，，正確的是（）

A．X核結合能為 B．氘核結合能為

C．氦原子核的比結合能為 D．聚變反應中質量虧損為

【答案】C

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

，故D錯誤。故選C。

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

A．結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．光電效應能否發(fā)生，與光的照射時間長短無關

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．比結合能越大，原子核中核子結合得越牢固，原子核越穩(wěn)定，結合能越大的原子核不一定越牢固，故A錯誤；B．放射性元素發(fā)出的β射線實質是原子核內的一個中子轉變?yōu)橐粋€質子和一個電子，β射線是釋放出來的電子，故B錯誤；C．當入射光的頻率大于金屬的極限頻率時，光照射在金屬上會立即發(fā)生光電效應，光電效應能否發(fā)生與光的照射時間長短無關，故C正確；D．只有當光子的能量等于氫原子兩能級的能量差時，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進入玻璃后的傳播速度大于光線a進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，光線b一定能使該金屬產(chǎn)生光電效應

D．若光線a是氫原子從能級4向能級2直接躍遷發(fā)