2020届高考物理 精准培优专练二十一 原子物理（含解析）

原子物理记住几个二级结论：(1)遏止电压Uc与入射光频率、逸出功W0间的关系式：Uc。(2)截止频率c与逸出功W0的关系：hcW00，据此求出截止频率c。(3)光照引起的原子跃迁，光子能量必须等于能级差；碰撞引起的跃迁，只需要实物粒子的动能大于(或等于)能级差。(4)大量处于定态的氢原子向基态跃迁时可能产生的光谱线条数：Cn2。(5)磁场中的衰变：外切圆是衰变，内切圆是衰变，半径与电荷量成反比。(6)平衡核反应方程：质量数守恒、电荷数守恒。二、考题再现典例1.(2019全国I卷14) 氢原子能级示意图如图所示，光子能量在1.63 eV3.10 eV的光为可见光。要使处于基态（n1）的氢原子被激发后可辐射出可见光光子，最少应给氢原子提供的能量为()A12.09 eV B10.20 eVC1.89 eV D1.5l eV典例2.(2019全国II卷15) 太阳内部核反应的主要模式之一是质子质子循环，循环的结果可表示为：4HHe2e2。已知H和He的质量分别为mp1.007 8 u和m4.002 6 u，1 u931 MeV/c2，c为光速在4个H转变成1个He的过程中，释放的能量约为()A8 MeV B16 MeV C26 MeV D52 MeV三、对点速练1下列说法正确的是()A放射性元素的半衰期与原子所处的化学状态和外部条件有关B结合能越大，原子中核子结合得越牢固，原子核越稳定C一束光照射到某种金属上不能发生光电效应，是因为该束光的波长太短D各种气体原子的能级不同，跃迁时发射光子的能量（频率）不同，因此利用不同的气体可以制成五颜六色的霓虹灯2下列说法中正确的是()A光电效应说明光具有粒子性的，它是爱因斯坦首先发现并加以理论解释的B235U的半衰期约为7亿年，随着地球环境的变化，半衰期可能变短C卢瑟福通过对粒子散射实验的研究，揭示了原子核的结构D据波尔理论可知，氢原子辐射出一个光子后，氢原子的电势能减小，核外电子的动能增大3下列说法正确的是()A衰变成要经过4次衰变和2次衰变B核泄漏事故污染物Cs137能够产生对人体有害的辐射，其核反应方程式为，可以判断x为质子C玻尔理论的假设是原子能量的量子化和轨道量子化D康普顿效应说明光具有粒子性，电子的衍射实验说明实物粒子只具有粒子性4如图所示为氢原子的能级图，一群氢原子处于n4的激发态，在向低能级跃迁的过程中向外发出光子，用这些光照射逸出功为1.90 eV的金属铯，下列说法正确的是()A这群氢原子能发出6种频率不同的光，其中从n4跃迁到n3所发出的光波长最短B这群氢原子能发出3种频率不同的光，其中从n4跃迁到n1所发出的光频率最高C金属铯表面所逸出的光电子的初动能最大值为12.75 eVD金属铯表面所逸出的光电子的初动能最大值为10.85 eV5根据玻尔理论，氢原子的能级公式为(n为能级，A为基态能量)，一个氢原子中的电子从n4的能级直接跃迁到基态，在此过程中()A氢原子辐射一个能量为的光子B氢原子辐射一个能量为的光子C氢原子辐射一系列频率的光子，其中频率最大的光子能量为D氢原子辐射一系列频率的光子，其中频率最大的光子能量为6下列说法正确的是()A光子像其他粒子一样，不但具有能量，也具有动量B比结合能越大，原子核越不稳定C将由放射性元素组成的化合物进行高温分解，会改变放射性元素的半衰期D原子核的质量大于组成它的核子的质量之和，这个现象叫做质量亏损7用如图甲所示的装置研究光电效应现象。闭合开关S，用频率为的光照射光电管时发生了光电效应。图乙是该光电管发生光电效应时光电子的最大初动能Ek与入射光频率的关系图象，图线与横轴的交点坐标为(a，0)，与纵轴的交点坐标为(0，b)，下列说法中正确的是()A普朗克常量为hB断开开关S后，电流表G的示数不为零C仅增加照射光的强度，光电子的最大初动能将增大D保持照射光强度不变，仅提高照射光频率，电流表G的示数保持不变8静止在匀强电场中的碳14原子核，某时刻放射的某种粒子与反冲核的初速度方向均与电场方向垂直，且经过相等的时间后形成的轨迹如图所示(a、b表示长度)。那么碳14的核反应方程可能是()ABCD9用a、b两种不同频率的光分别照射同一金属板，发现当a光照射时验电器的指针偏转，b光照射时指针未偏转，以下说法正确的是()A增大a光的强度，验电器的指针偏角一定减小Ba光照射金属板时验电器的金属小球带负电Ca光在真空中的波长小于b光在真空中的波长D若a光是氢原子从n4的能级向n1的能级跃迁时产生的，则b光可能是氢原子从n5的能级向n2的能级跃迁时产生的10如图所示为氢原子的能级图，当氢原子从n4能级跃迁到n2能级时，辐射出光子a；当氢原子从n3能级跃迁到n1能级时，辐射出光子b，则下列说法中正确的是()A光子a的能量大于光子b的能量B光子a的波长小于光子b的波长Cb光比a光更容易发生衍射现象D在同种介质中，a光子的传播速度大于b光子的传播速度11按照玻尔原子理论，氢原子中的电子离原子核越远，氢原子的能量_(选填“越大”或“越小”)。已知氢原子的基态能量为E1(E10)，电子质量为m，基态氢原子中的电子吸收一频率为的光子被电离后，电子速度大小为_(普朗克常量为h)。12小明用金属铷为阴极的光电管，观测光电效应现象，实验装置示意图如图甲所示已知普朗克常量h6.631034 Js。(1)图甲中电极A为光电管的_(选填“阴极”或“阳极”)；(2)实验中测得铷的遏止电压Uc与入射光频率之间的关系如图乙所示，则铷的截止频率c_Hz，逸出功W0_J；(3)如果实验中入射光的频率7.001014Hz，则产生的光电子的最大初动能Ek_J。13如图所示是研究光电管产生的电流的电路图，A、K是光电管的两个电极，已知该光电管阴极的极限频率为0。现将频率为(大于0)的光照射在阴极上，则：(1)_是阴极，阴极材料的逸出功等于_。(2)加在A、K间的正向电压为U时，到达阴极的光电子的最大动能为_，将A、K间的正向电压从零开始逐渐增加，电流表的示数的变化情况是_。(3)为了阻止光电子到达阳极，在A、K间应加U反_的反向电压。(4)下列方法一定能够增加饱和光电流的是_。A照射光频率不变，增加光强B照射光强度不变，增加光的频率C增加A、K电极间的电压D减小A、K电极间的电压14为确定爱因斯坦的质能方程Emc2的正确性，设计了如下实验：用动能为E10.60 MeV的质子轰击静止的锂核Li，生成两个粒子，测得两个粒子的动能之和为E219.9 MeV，已知质子、粒子、锂粒子的质量分别取mp1.007 3 u、m4.001 5 u、mLi7.016 0 u，求：(1)写出核反应方程；(2)通过计算说明Emc2正确。(1 u相当于931.5 MeV)答案二、考题再现典例1.【解析】因为可见光光子的能量范围是1.633.10 eV，所以氢原子至少要被激发到n3能级，要给氢原子提供的能量最少为E(1.5113.60) eV12.09 eV，即选项A正确。【答案】A典例2.【解析】核反应质量亏损m41.007 8 u4.002 6 u0.028 6 u，释放的能量E0.028 6931 MeV26.6 MeV，选项C正确。【答案】C三、对点速练1【答案】D【解析】原子核的半衰期由核内部自身因素决定，与原子所处的化学状态和外部条件无关，故选项A错误；比结合能越大，原子中核子结合得越牢固，原子核越稳定，与原子核的合能无关，故选项B错误；一束光照射到某种金属上不能发生光电效应，说明入射光的频率小于金属的极限频率，即光子的能量太小，该束光的波长太长，故选项C错误；根据玻尔理论，各种气体原子的能级不同，跃迁时发射光子的能量（频率）不同，因此利用不同的气体可以制成五颜六色的霓虹灯，故选项D正确。2【答案】D【解析】光电效应说明光具有粒子性，不是波动性的，光电效应是由赫兹发现的，不是爱因斯坦首先发现，故选项A错误；半衰期不会随地球环境的变化而变化，故选项B错误；卢瑟福通过对粒子散射实验的研究，揭示了原子的核式结构，故选项C错误；据波尔理论可知，氢原子辐射出一个光子后，原子能量减小，轨道半径减小，根据ke2r2=mv2r知，核外电子的动能增大，原子能量等于动能和电势能之和，则电势能减小，故选项D正确。3【答案】C【解析】因为衰变时质量数不变，所以衰变的次数n=232-2084=6，在衰变的过程中电荷数总共少62=12，则衰变的次数m=12-90-821=4，故选项A错误；核反应方程式为55137Cs56137Ba+x，可以根据质量数和电荷数守恒判断x为粒子，故选项B错误；玻尔理论的假设是提出了轨道量子化和能量量子化，故选项C正确；康普顿效应说明光具有粒子性，电子的衍射说明实物粒子具有波动性，故选项D错误。4【答案】D【解析】从n4跃迁到n3所发出的光的频率最小，波长最长，选项A错误；这群氢原子能发出第=6种频率的光子，从n4跃迁到n1所发出的光的频率最高，选项B错误；光电子的最大初动能对应入射光子的频率最高时，最大入射光能量对应的入射光子的频率最高，即EE4E10.85 eV(13.60 eV)12.75 eV，由光电效应方程知EkEW010.85 eV，选项C错误，D正确。5【答案】B【解析】根据玻尔理论，一个氢原子中的电子从n4的能级直接跃迁到基态，辐射一个光子的能量为EE4E1，选项B正确，A、C、D错误。6【答案】A【解析】光子像其他粒子一样，不但具有粒子性，而且也有波动性，则不但具有能量，也具有动量，故A正确；比结合能越大的原子核越稳定，B错误；放射性元素的半衰期与外界因素没有任何关系，只和本身性质有关，C错误；原子核的质量小于组成它的核子的质量之和，这个现象叫做质量亏损，故D错误。7【答案】B【解析】由hW0Ek，变形得EkhW0，可知图线的斜率为普朗克常量，即h，故A错误；断开开关S后，初动能大的光电子，也可能达到阳极，所以电流表G的示数不为零，故B正确；只有增大入射光的频率，才能增大光电子的最大初动能，与光的强度无关，故C错误；保持照射光强度不变，仅提高照射光频率，单个光子的能量增大，而光的强度不变，那么光子数一定减少，发出的光电子数也减少，电流表G的示数要减小，故D错误。8【答案】A【解析】设时间为t，则2，4，而a，故有12，又因为动量守恒m1v1m2v2，故q1q212，故只有A正确。9【答案】CD【解析】增大a光的强度，从金属板中打出的光电子数增多，验电器带电荷量增大，指针偏角一定增大，A错误；a光照射到金属板时发生光电效应现象，从金属板中打出电子，金属板带正电，因此，验电器的金属小球带正电，B错误；发生光电效应的条件是入射光的频率大于金属的极限频率，因此a光的频率大于b光的频率，a光在真空中的波长小于b光在真空中的波长，C正确；氢原子从n4的能级向n1的能级跃迁时产生的光子能量大于氢原子从n5的能级向n2的能级跃迁时产生的光子能量，D正确。10【答案】D【解析】氢原子从n4的能级跃迁到n2的能级的能级差小于从n3的能级跃迁到n1的能级时的能级差，根据EmEnh，知光子a的能量小于光子b的能量，故A错误；光子a的频率小于光子b的频率，所以b的频率大，波长小，所以a光更容易发生衍射，故B、C错误；光子a的频率小，则折射率小，根据v知，光子a在介质中的传播速度大于光子b在介质中的传播速度，故D正确。11【答案】越大【解析】电子离原子核越远电势能越大，原子能量也就越大；根据动能定理有，hE1mv2，所以电离后电子速度为。12【答案】(1)阳极(2)5.151014(5.125.18)1014均视为正确3.411019(3.393.43)1019均视为正确(3)1.231019(1.211.25)1019均视为正确【解析】(1)在光电效应中，电子向A极运动，故电极A为光电管的阳极。(2)由题图可知，铷的截止频率c为5.151014 Hz，逸出功W0hc6.6310345.151014 J3.411019 J。(3)当入射光的频率为7.001014Hz时，由Ekhhc得，光电子的最大初动能为Ek6.631034(7.005.15)1014 J1.231019 J。13【答案】(1)Kh0(2)hh0eU逐渐增大，直至保持不变(3)(4)A【解析】(1)被光照射的金属将有光电子逸出，故K是阴极，逸出功与极限频率的关系为W0h0。(2)根据光电效应方程可知，逸出的光电子的最大初动能为hh0，经过电场加速获得的能量为eU，所以到达阳极的光电子的最大动能为hh0eU，随着电压增加，单位时间内到达阳极的光电子数量将逐渐增多，但当从阴极逸出的所有光电子都到达阳极时，再增大电压，也不可能使单位时间内到达阳极的光电子数量增多。所以，电流表的示数先是逐渐增大，直到保持不变。(3)从阴极逸出的光电子在到达阳极的过程中将被减速，被电场消耗的动能为eU反，如果hh0eU反，就将没有光电子能够到达阳极，所以U反。(4)要增加单位时间内从阴极逸出的光电子的数量，就需要增加照射光单位时间内入射光子的个数，所以只有A正确。14【解析】(1)核反应方程为：LiH2He。(2)核反应的质量亏损：mmLimp2m7.016 0 u1.007 3 u24.001 5 u0.020 3 u由质能方程可得与质量亏损相当的能量：Emc20.020 3931.5 MeV18.9 MeV而系统增加的能量：EE2E119.3 MeV这些能量来自核反应中，在误差允许的范围内可认为相等，所以Emc2正确。9