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

专题五光电效应原子结构和原子核

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）（2020·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）（2020·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】（2020·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】（2020·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