（全国通用）2018年高考物理二轮复习 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109 s。(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h和逸出功W0的关系为：mv2hW0。(2)极限频率：c。(3)最大初动能与遏止电压的关系：EkeUc。3.氢原子能级图图1(1)能级图：如图1所示。(2)辐射条件：hEmEn。(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：NC。4.核反应(1)爱因斯坦质能方程：Emc2。(2)两种衰变：衰变：UThHe。衰变：ThPae。(3)人工转变：NHeOH(发现质子的核反应)(4)重核裂变：UnBaKr3n，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：HHHen(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)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)射线是伴随着衰变、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Emc2计算，计算时m的单位是“kg”，c的单位是“m/s”，E的单位是“J”。(2)根据Em931.5 MeV计算。因1原子质量单位(u)相当于931.5 MeV的能量，所以计算时m的单位是“u”，E的单位是“MeV”。光电效应能级跃迁【真题示例】 (多选)(2017全国卷，19)在光电效应实验中，分别用频率为a、b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ab，则一定有UaUbB.若ab，则一定有EkaEkbC.若UaUb，则一定有EkaEkbD.若ab，则一定有haEkahbEkb解析由爱因斯坦光电效应方程得EkmhW0，由动能定理得EkmeU，若用a、b单色光照射同种金属时，逸出功W0相同。当ab时，一定有EkaEkb，UaUb，故选项A错误，B正确；若UaUb，则一定有EkaEkb，故选项C正确；因逸出功相同，有W0 ha Eka hb 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)541268196A.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20 nm到440 nm之间，而三种材料中，极限频率最大的铂的极限波长是196 nm，大于20 nm，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D2.(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3A.图象中的0是产生光电效应的最小波长B.普朗克常量和光速的乘积hcE0C.该金属的逸出功等于ED.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0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EkhcW，由图象可知Ek0时，hcE0，选项B正确；由EkhcW，并结合关系图象可得该金属的逸出功WE，选项C错误；若入射光的波长为，由EkhcW，解得EkhcW3EE2E，即产生的光电子的最大初动能为2E，选项D正确。答案BD3.(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4A.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n5能级向低能级跃迁时最多能发出10种频率的光C.从n4能级跃迁到n3能级比从n3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13.6 eV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n5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Eh，由能级示意图知E4332，故C项正确；处于基态的氢原子若恰好电离需要吸收13.6 eV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NC。衰变、核反应与核能的计算【真题示例1】 (2017全国卷，15)一静止的铀核放出一个粒子衰变成钍核，衰变方程为UThHe，下列说法正确的是()A. 衰变后钍核的动能等于粒子的动能B. 衰变后钍核的动量大小等于粒子的动量大小C. 铀核的半衰期等于其放出一个粒子所经历的时间D. 衰变后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衰变过程中，满足动量守恒的条件，根据动量守恒定律得pThp0，即钍核的动量和粒 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，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：HHHen。已知H的质量为2.013 6 u，He的质量为3.015 0 u，n的质量为1.008 7 u，1 u931 MeV/c2。氘核聚变反应中释放的核能约为()A.3.7 MeV B.3.3 MeVC.2.7 MeV D.0.93 MeV解析根据质能方程，释放的核能Emc2，m2mHmHemn0.003 5 u，则E0.003 5931 MeV3.258 5 MeV3.3 MeV，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88Ra86RnHeB.若该元素的半衰期为，则经过2的时间，2 kg的88Ra中已有1.5 kg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衰变方程88Ra86RnHe，可判断A正确；由mm0，可知，t2时，m0.5 kg，则已经衰变的镭为m衰2 kg0.5 kg1.5 kg，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AB2.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5A.射到b点的一定是射线B.射到b点的一定是射线C.射到b点的一定是射线或射线D.射到b点的一定是射线解析射线不带电，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，既可以使带正电的射线沿直线前进，也可以使带负电的射线沿直线前进，沿直线前进的条件是电场力与洛伦兹力平衡，即qEqBv。已知粒子的速度比粒子的速度小得多，当粒子沿直线前进时，速度较大的粒子向右偏转；当粒子沿直线前进时，速度较小的粒子也向右偏转，故选项C正确，A、B错误。答案C3.(多选)下列核反应类型正确的是()A.UThHe衰变B.NHeOH轻核聚变C.UnXeSr2n重核裂变D.HHHen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，故属于衰变的是A；属于裂变的是C；属于聚变的是D。答案ACD4.氘核H和氚核H结合成氦核He的核反应方程如下：HHHen17.6 MeV，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17.6 MeV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3.11029 kgD.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3.11029 kg解析HHHen17.6 MeV为轻核聚变反应(或热核反应)，选项A错误；17.6 MeV是反应中释放出的能量，选项B错误；由Emc2可知，质量减少m3.11029 kg，选项C正确，D错误。答案C课时跟踪训练一、选择题(18题为单项选择题，915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1A.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B2.下列表述正确的是()A.HeNOX中，X表示HeB.HHHen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.衰变中放出的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；衰变中放出的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C3.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2A.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E1D.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n3的能级，能辐射出C3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hEmEn，故C、D错误。答案B4.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；Unab2n则ab可能是()A.XeKr B.BaKrC.BaSr D.XeSr解析根据核反应中的质量数守恒可知，ab的质量数应为23512234，质子数应为92，A项中的质量数为14093233，B项中质量数是14192233，C项中质量数为14193234，质子数为563894，D项中质量数为14094234，质子数为543892，综上可知，答案为D。答案D5.将半衰期为5天、质量为64 g的铋分成四份分别投入：(1)开口容器中；(2)100 atm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.m1m2m3m44 gB.m1m2m34 g，m4m2m3m4，m14 gD.m14 g，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 g4 g，所以A正确。答案A6.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3A.a为电源正极，到达A板的为射线B.a为电源正极，到达A板的为射线C.a为电源负极，到达A板的为射线D.a为电源负极，到达A板的为射线解析射线为高速电子流，质量约为质子质量的，速度接近光速；射线为氦核流，速度约为光速的。在同一电场中，射线偏转的轨迹曲率半径小于射线的曲率半径，由图知，向左偏的为射线，向右偏的为射线，即到达A板的为射线；因粒子带正电，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B7.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n4的能级跃迁到n2能级时的辐射光，则谱线b可能是氢原子_时的辐射光。()图4A.从n5的能级跃迁到n3的能级B.从n4的能级跃迁到n3的能级C.从n5的能级跃迁到n2的能级D.从n3的能级跃迁到n2的能级答案C8.下列说法正确的是()A.天然放射性元素Th(钍)经过4次衰变和8次衰变变成Pb(铅)B.衰变产生的射线穿透能力最强C.质子、中子、粒子的质量分别是m1、m2、m3，质子和中子结合成一个粒子，释放的能量是(2m12m2m3)c2D.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n6次衰变、经过m2n(9082)4次衰变，即天然放射性元素Th(钍)经过6次衰变和4次衰变变成Pb(铅)，选项A错误；衰变产生的射线电离能力最强，穿透能力最弱，选项B错误；质子和中子结合成一个粒子，需要两个质子和两个中子，质量亏损m2m12m2m3，由质能方程可知，释放的能量Emc2(2m12m2m3)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C9.如图5为卢瑟福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粒子在各个角度的散射情况，下列说法正确的是()图5A.粒子发生散射的主要原因是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；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CD10.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6A.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BD11.中子和质子结合成氘核，同时放出光子，核反应方程是HnH，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mc2，m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Emc2。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ACD12.(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7A.图中a是84，b是206B.Pb比U的比结合能大C.Y是衰变，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PoPb，质量数少4，知发生了一次衰变，则电荷数少2，所以a84，BiTi，知发生了一次衰变，则b206。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ABD13.用如图8所示的装置研究光电效应现象，当用光子能量为2.5 eV的光照射到光电管上时，电流表G的示数为0.2 mA。移动变阻器的触点c，当电压表的示数大于或等于0.7 V时，电流表示数为0。则()图8A.光电管阴极的逸出功为1.8 eVB.开关K断开后，没有电流流过电流表GC.光电子的最大初动能为0.7 eVD.改用能量为1.5 eV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0.7 V时，电流表示数为0，则知光电子的最大初动能为0.7 eV，根据光电效应方程Ek0hW0，得逸出功W01.8 eV，故A、C正确；当开关K断开后，用光子能量为2.5 eV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1.5 eV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AC14.图示9为氢原子能级图以及从n3、4、5、6能级跃迁到n2 能级时辐射的四条光谱线，已知从n3跃迁到n2的能级时辐射光的波长为656 nm，下列叙述正确的有()图9A.四条谱线中频率最大的是HB.用633 nm的光照射能使氢原子从n2跃迁到n3的能级C.一群处于n3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H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，H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n6跃迁到n2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n3向低能级跃迁时，可以是从32、21或者是31，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，H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AC15.关于核反应方程ThPaXE(E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N0E(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E核能，所以N0个Th衰变放出的核能为N0E，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E，所以比结合能不等于，故选项D错误。答案BC16