2019版高考物理二轮复习 专题五 光电效应、原子结构与原子核学案.doc

专题五 光电效应、原子结构与原子核网络构建备考策略1.必须牢记的“三个主要实验现象”(1)光电效应现象。(2)粒子散射实验。(3)天然放射现象。2.必须明确的“三个易错易混点”(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)射线是伴随着衰变和衰变而产生的能量形式。3.抓住“四看”和“四想”(1)看到“遏止电压”，想到“与光电子最大初动能的关系：EkmeUc”。(2)看到“逸出功”，想到“与极限频率的关系：W0h0”。(3)计算核能时：看到“核质量单位是kg”，想到“用Emc2计算，E的单位是J”；看到“核质量单位是u”，想到“用Em931.5 MeV计算，E的单位是MeV”。光电效应能级跃迁光电效应与光电效应方程的应用【典例1】 (2018全国卷，17)用波长为300 nm的光照射锌板，电子逸出锌板表面的最大初动能为1.281019 J。已知普朗克常量为6.631034 Js，真空中的光速为3.00108 ms1。能使锌产生光电效应的单色光的最低频率约为()A.11014 Hz B.81014 HzC.21015 Hz D.81015 Hz解析根据爱因斯坦光电效应方程EkhW0hh0，代入数据解得081014 Hz，B正确。答案B【典例2】 (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原子能级跃迁问题【典例3】 (2018天津模拟)如图1所示为氢原子能级示意图，现有大量的氢原子处于n4的激发态，当向低能级跃迁时辐射出若干不同频率的光，下列说法正确的是()图1A.这些氢原子总共可辐射出3种不同频率的光B.由n2能级跃迁到n1能级产生的光频率最小C.由n4能级跃迁到n1能级产生的光的波长最长D.用n2能级跃迁到n1能级辐射出的光照射逸出功为6.34 eV的金属铂能发生光电效应解析这些氢原子向低能级跃迁时可辐射出C6种光子，选项A错误；由n4能级跃迁到n3能级产生的光子能量最小， 所以频率最小，选项B错误；由n4能级跃迁到n1能级产生的光子能量最大，频率最大，波长最小，选项C错误；从n2能级跃迁到n1能级辐射出的光子能量为10.20 eV6.34 eV，所以照射金属铂能发生光电效应，选项D正确。答案D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，一群原子的核外电子向基态跃迁时发射光子的种类NC。1.(多选)(2018天津模拟)现用某一光电管进行光电效应实验，当用某一频率的光入射时，有光电流产生。下列说法正确的是()A.保持入射光的频率不变，入射光的光强变大，饱和光电流变大B.入射光的频率变高，饱和光电流变大C.入射光的频率变高，光电子的最大初动能变大D.保持入射光的光强不变，不断减小入射光的频率，始终有光电流产生解析发生光电效应时，饱和光电流的大小与入射光的强度成正比，保持入射光的频率不变，使入射光的光强变大，会使饱和光电流变大，入射光的频率不能决定饱和光电流的大小，选项A正确，B错误；根据光电效应方程EkhW0可知，光电子的最大初动能随入射光频率的增大而增大，选项C正确；能否发生光电效应要看入射光的频率是否达到光照射的金属的极限频率，如果入射光的频率小于这种金属的极限频率，不会发生光电效应，即不会有光电流产生，选项D错误。答案AC2.某原子K层失去一个电子后，其K层出现一个电子空位，当L层上有电子跃迁到K层填补空位时会释放一定的能量：一种情况是辐射频率为0的X射线；另一种情况是跃迁释放的能量被其他核外电子层的电子吸收，使电子发生电离成为自由电子。若跃迁释放的能量被M层的一个电子吸收，电离后的自由电子的动能是E0，已知普朗克常量为h，则电子处于M层时原子的能级(即能量值)为()图2A.h0 B.E0C.E0h0 D.E0h0解析首先理解，核外电子层与能级不是同一概念，如氢原子只有一个核外电子层和一个电子，但氢原子有若干能级。多电子原子的电子排布由里向外依次为K、L、M、N、O、层，电子离原子核的平均距离也越来越大，能量逐渐升高。根据题意，知L层上有电子跃迁到K层填补空位时，会释放一定的能量E：一种情况是辐射频率为0的X射线，故Eh0，则电子处于L层与处于K层时原子的能级差值为ELEKEh0。设电子处于M层时原子的能量为EM，若上述电子从L层K层跃迁释放的能量Eh0被M层上的一个电子吸收，电离后的自由电子的动能是E0，电势能为零，则有EMh0E00，故EME0h0，故选项C正确。答案C3.(多选)如图3甲是光电效应的实验装置图，图乙是光电流与加在阴极K和阳极A上的电压的关系图象，下列说法正确的是()图3A.由图线、可知在光的颜色不变的情况下，入射光越强，饱和光电流越大B.由图线、可知对某种确定的金属来说，其遏止电压与入射光的频率有关C.遏止电压越大，说明从该金属中逸出的光电子的最大初动能越大D.不论哪种颜色的入射光，只要光足够强，就能发生光电效应解析由图线、可知在光的颜色不变的情况下，入射光越强，饱和光电流越大，选项A正确；根据光电效应方程可得EkhW0eUc，可知入射光频率越大，光电子的最大初动能越大，遏止电压越大，所以对于确定的金属，遏止电压与入射光的频率有关，选项B正确；根据最大初动能EkeUc可知，遏止电压越大，说明从该金属中逸出的光电子的最大初动能越大，选项C正确；发生光电效应的条件是入射光的频率大于截止频率，与入射光的强度无关，选项D错误。答案ABC衰变、核反应与核能的计算原子核的衰变与半衰期【典例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核反应方程与核能计算【典例2】 (2018全国卷，14)1934年，约里奥居里夫妇用粒子轰击铝核Al，产生了第一个人工放射性核素X：AlnX。X的原子序数和质量数分别为()A.15和28 B.15和30C.16和30 D.17和31解析据粒子和中子的质量数和电荷数写出核反应方程：HeAlnX，结合质量数守恒和电荷数守恒得，A427130，Z213015，原子序数等于核电荷数，故B正确。答案B【典例3】 (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，故选项B正确，A、C、D错误。答案B1.核电站是利用核裂变产生的核能来发电的，下列四个核反应方程属于核裂变反应的是()A.UThHeB.UnBaKr3nC.NHeOHD.HHHen解析核裂变是用中子去轰击某重核，产生新核的过程。选项A中反应为衰变；选项B中1个中子轰击铀235，产生两个中等质量的核，并且释放3个中子，这是典型的核裂变反应；选项C的反应是原子核的人工转变；选项D的反应是核聚变反应。答案B2.(多选)太阳内部发生的核反应主要是轻核的聚变，太阳中存在的主要元素是氢，氢核的聚变反应可以看作是4个氢核(H)结合成1个氦核(He)。下表中列出了部分粒子的质量(1 u相当于931.5 MeV的能量)，以下选项正确的是()粒子名称质子p粒子电子e中子n质量/u1.007 34.001 50.000 551.008 7A.核反应方程式为4HHe2eB.核反应方程式为4HHe2eC.4个氢核结合成1个氦核(He)时的质量亏损约为0.026 6 uD.4个氢核聚变反应过程中释放的能量约为24.8 MeV解析根据核反应过程中质量数守恒和电荷数守恒可判断选项A正确，B错误；反应过程中的质量亏损m4mpm2me0.026 6 u，故该反应过程中释放的能量Em931.5 MeV24.8 MeV，故选项C、D正确。答案ACD3.(多选)(2018辽宁大连二模)在足够大的匀强磁场中，静止的钠的同位素Na发生衰变，沿与磁场垂直的方向释放出一个粒子后，变为一个新核，新核与放出的粒子在磁场中运动的轨迹均为圆，如图4所示，下列说法正确的是()图4A.新核为Mg B.轨迹2是新核的径迹C.Na发生的是衰变 D.新核沿顺时针方向旋转解析根据动量守恒得知，放出的粒子与新核的速度方向相反，由左手定则判断得知，放出的粒子应带负电，是粒子，所以发生的是衰变，根据电荷数守恒、质量数守恒知，衰变方程为NaMge，可知新核为Mg，选项A正确，C错误；由题意，静止的钠核Na发生衰变时动量守恒，释放出的粒子与新核的动量大小相等，两个粒子在匀强磁场中都做匀速圆周运动，因为新核的电荷量大于所释放出的粒子电荷量，由半径公式r得知，新核的半径小于粒子的半径，所以轨迹2是新核的轨迹，选项B正确；根据洛伦兹力提供向心力，由左手定则判断得知，新核要沿逆时针方向旋转，选项D错误。答案AB4.一个静止的铀核U(质量为232.037 2 u)放出一个粒子(质量为4.002 6 u)后衰变成钍核Th(质量为228.028 7 u)。已知1 u相当于931 MeV的能量。下列说法正确的是()A.该核衰变反应方程为UThHeB.该核衰变反应中释放出的核能为0.059 MeVC.该反应产生的钍核和粒子的动量相同D.假设反应中释放出的核能全部转化为钍核和粒子的动能，则钍核获得的动能约为0.017 MeV解析由题意可知，该核衰变反应方程为UThHe，选项A正确；质量亏损m0.005 9 u，释放出的核能Em931 MeV0.005 9931 MeV5.49 MeV，选项B错误；由该核衰变反应过程中系统动量守恒，可知反应后的钍核和粒子的动量大小相等、方向相反，即pThp，EkTh，Ek，EkThEkE，所以钍核获得的动能EkThE5.49 MeV0.09 MeV，选项C、D错误。答案A课时跟踪训练一、选择题(110题为单项选择题，1115题为多项选择题)1.(2018北京理综，13)在核反应方程HeNOX中，X表示的是()A.质子 B.中子 C.电子 D.粒子解析由核反应中电荷数和质量数均守恒，可知X为H，选项A正确。答案A2.下列说法正确的是()A.核反应HHHeX是聚变反应，其中X为中子B.物质发生聚变时释放的能量与同样质量的物质裂变时释放的能量相差不多C.铀核反应堆是通过调节快中子数目以控制反应速度D.核电站发电对环境的污染要比火力发电大解析较轻原子核(氘和氚)结合成较重的原子核(氦)时能放出巨大能量，这种核反应称为核聚变，根据在核反应中，质量数守恒、电荷数守恒，可知X为n，是中子，选项A正确；相同质量的物质发生聚变时释放的能量比较多，选项B错误；铀核反应堆是通过调节慢中子数目以控制反应速度，选项C错误；核电站发电对环境的污染要比火力发电小，选项D错误。答案A3.下列说法正确的是()A.RaRnHe是衰变B.HHHen是聚变C.UnXeSr2n是衰变D.NaMge是裂变解析A项中自发地放出氦原子核，是衰变，选项A错误；聚变是质量轻的核结合成质量大的核，选项B正确；裂变是质量较大的核分裂成质量较轻的几个核，C项中的反应是裂变，选项C错误；D项中自发地放出电子，是衰变，选项D错误。答案B4.如图1所示为氢原子的能级图，现有一群处于n3能级的激发态的氢原子，则下列说法正确的是()图1A.能发出6种不同频率的光子B.波长最长的光是氢原子从n3能级跃迁到n1能级产生的C.发出的光子的最小能量为12.09 eVD.处于该能级的氢原子至少需吸收1.51 eV能量的光子才能电离解析一群处于n3能级的激发态的氢原子能发出C3种不同频率的光子，选项A错误；由辐射条件知氢原子由n3能级跃迁到n1能级辐射出的光子频率最大，波长最小，选项B错误；发出的光子的最小能量为E3E21.89 eV，选项C错误；n3能级对应的氢原子能量是1.51 eV，所以处于该能级的氢原子至少需吸收1.51 eV能量的光子才能电离，故选项D正确。答案D5.(2018天津理综，1)国家大科学工程中国散裂中子源(CSNS)于2017年8月28日首次打靶成功，获得中子束流，可以为诸多领域的研究和工业应用提供先进的研究平台。下列核反应中放出的粒子为中子的是()图2A.7N俘获一个粒子，产生8O并放出一个粒子B.Al俘获一个粒子，产生P并放出一个粒子C.5B俘获一个质子，产生Be并放出一个粒子D.Li俘获一个质子，产生He并放出一个粒子解析根据核反应过程中质量数守恒及电荷数守恒可知，7NHe8OH，A项错误；AlHePn，B项正确；BHBeHe，C项错误；LiHHeHe，D项错误。答案B6.Cu是铜的一种同位素，研究发现Cu具有放射性，其发生衰变时伴有光子辐射，衰变方程为CuCoHe，则下列说法中正确的是()A.光子是衰变过程中Cu核辐射的B.8个Cu核在经过2个半衰期后，一定还有2个Cu核未发生衰变C.由于衰变时有能量释放，所以Co比Cu的比结合能小D.原子核的天然放射现象说明原子核是可分的解析衰变时，蕴含在Cu核内的能量会释放出来，使产生的新核Co处于激发态，当它向低能级跃迁时辐射出光子，故选项A错误；半衰期是统计规律，对大量的原子核适用，对少数原子核不适用，故选项B错误；由于衰变时有能量释放，所以Co比Cu的比结合能大，故选项C错误；原子核的天然放射现象说明原子核内部具有复杂结构，并且说明原子核是可分的，故选项D正确。答案D7.已知真空中的光速c3.0108 m/s，下列说法正确的是()A.铋210的半衰期是5天，经过10天，32个铋210衰变后还剩下8个B.用中子轰击铀核的核反应方程为UnBaKr3n，属于原子核的衰变C.若核反应nHH释放出2.2 MeV能量，该过程质量亏损为3.91030 kgD.某原子核X吸收一个中子后，放出一个电子，最后分裂为两个粒子，则A7，Z2解析半衰期是针对大量原子核的衰变行为的统计规律，少数原子核不适用此规律，选项A错误；UnBaKr3n是原子核的裂变，选项B错误；根据Emc2，可得m3.91030 kg，选项C正确；核反应方程为Xn2He，根据质量数和电荷数守恒可知A18，Z14，则A7，Z3，选项D错误。答案C8.许多情况下光是由原子内部电子的运动产生的，因此光谱研究是探索原子结构的一条重要途径。利用氢气放电管可以获得氢原子光谱，根据玻尔理论可以很好地解释氢原子光谱的产生机理。已知氢原子的基态能量为E1，激发态能量为En，其中n2，3，4，。1885年，巴尔末对当时已知的在可见光区的四条谱线做了分析，发现这些谱线的波长能够用一个公式表示，这个公式写作R()，n3，4，5，。式中R叫做里德伯常量，这个公式称为巴尔末公式。用h表示普朗克常量，c表示真空中的光速，则里德伯常量R可以表示为()A. B. C. D.解析若氢原子从n2的能级跃迁到n2的能级，由玻尔理论可得h，按照巴尔末公式，氢原子由n2的能级跃到n2的能级，放出的谱线的波长满足R()，以上两式相比较可得E1hcR，故里德伯常量R可以表示为R，选项C正确。答案C9.14C发生放射性衰变，衰变为14N，半衰期约为5 700年。已知植物存活期间，其体内14C与12C的比例不变；生命活动结束后，14C的比例持续减少。现通过测量得知，某古木样品中14C的比例正好是现代植物所制样品的二分之一。下列说法正确的是()A.增加样品测量环境的温度能改变14C的衰变速度B.12C、13C、14C具有相同的中子数C.14C衰变为14N的过程中放出的电子来源于原子核外的电子D.该古木的年代距今约为5 700年解析放射性元素的半衰期与物理环境以及化学环境无关，选项A错误；12C、13C、14C具有相同的质子数和不同的中子数，选项B错误；14C衰变为14N的过程中质量数没有变化而核电荷数增加1，所以是14C原子核中的一个中子变成了一个质子和一个电子，所以14C衰变过程中放出射线，选项C错误；设原来14C的质量为M0，衰变后剩余质量为M，则有MM0()n，其中n为发生半衰期的次数，由题意可知剩余质量为原来质量的，故n1，所以该古木的年代距今约5 700年，选项D正确。答案D10.如图3所示，在研究光电效应实验的电路中，设光电管阴极K的逸出功为W0，电源的电动势E4.0 V，内阻可忽略。滑动变阻器的金属丝电阻均匀，总有效长度为L。滑动触头P置于金属电阻丝的正中央c点，闭合开关，用光子能量为3.5 eV的一束单色光照射光电管阴极K，发现灵敏电流计示数不为零；将滑动触头P从c点向左移动L，电流计示数刚好减小到零。若将滑动触头P从c点向右移动L，光电子到达阳极A的最大动能为Ekmax，则()图3A.W02.5 eV，Ekmax1.0 eVB.W02.5 eV，Ekmax2.0 eVC.W01.0 eV，Ekmax1.0 eVD.W01.0 eV，Ekmax2.0 eV解析入射光的光子能量h3.5 eV，阴极K的逸出功为W0，则逸出光电子的最大初动能Ek1hW0；P从c点向左移动L，光电管上加有反向电压UE1.0 V，电流计示数刚好减小到零，故eU0Ek1，Ek11.0 eV，W03.5 eV1.0 eV2.5 eV；触头P从c点向右移动L时，光电管上加有正向电压UE1.0 V，则光电子到达阳极A的最大动能EkmaxEk1eU2.0 eV，故选项B正确。答案B11.如图4所示为卢瑟福的粒子散射实验的经典再现，用放射性元素发出的粒子轰击金箔，用显微镜观测在环形荧光屏上所产生的亮点，关于该实验的实验目的及实验装置的设计思想，有下列说法，你认为正确的是()图4A.卢瑟福的实验目的是验证汤姆孙原子模型的正确性，进一步探究原子的结构与组成，试图有新的发现与突破B.之所以设计成环形荧光屏，是因为卢瑟福在实验前认为粒子可能穿过金箔，也可能穿不过而反弹回来C.整个装置封闭在玻璃罩内，且抽成真空，是为了避免粒子与气体分子碰撞而偏离了原来的运动方向D.采用金箔的原因是金的化学性质稳定，避免粒子与金箔发生化学反应解析汤姆孙提出了枣糕式原子模型，卢瑟福为了验证汤姆孙原子模型的正确性，进一步探究原子的结构与组成，设计了该实验，选项A正确；卢瑟福在实验前认为粒子可能穿过金箔，也可能穿不过而反弹回来，所以将荧光屏设计成环形，选项B正确；将装置放置在接近真空的环境中，是因为粒子的电离能力较强，在空气中运动的距离短，选项C错误；采用金箔的原因是因为金的质量大，延展性好，故选项D错误。答案AB12.“轨道电子俘获”也是放射性同位素衰变的一种形式，它是指原子核(称为母核)俘获一个核外电子，其内部一个质子转变为中子，从而变成一个新核(称为子核)，并且放出一个中微子的过程。中微子的质量极小，不带电，很难探测到，人们最早就是通过子核的反冲而间接证明中微子的存在的。若一个静止的原子核发生“轨道电子俘获”(电子的初动量可不计)，则()A.母核的质量数等于子核的质量数B.母核的电荷数大于子核的电荷数C.子核的动量等于中微子的动量D.子核的动能大于中微子的动能解析母核俘获一个核外电子，核内一个质子转变为中子，并放出一个中微子(质量极小，不带电)，从而变成一个新核(子核)，此过程中核内电荷数减小1，质量数不变。故选项A、B正确；母核俘获电子发生衰变，放出中微子，全过程中系统动量守恒。因初始总动量为0，故子核的动量和中微子的动量等大反向。由于动量是矢量，矢量相等的条件是大小相等，方向相同，故选项C错误；子核的动量和中微子的动量大小相等，而中微子的质量极小，由Ek知，中微子的动能大于子核的动能，故选项D错误。答案AB13.(2018安徽六安模拟)如图5所示是用光照射某种金属时逸出的光电子的最大初动能随入射光频率的变化图线，直线与横轴的交点坐标(4.27，0)，与纵轴交点坐标为(0，0.5)。由图可知()图5A.该金属的截止频率为4.271014 HzB.该金属的截止频率为5.51014 HzC.该图线的斜率表示普朗克常量D.该金属的逸出功为0.5 eV解析由光电效应方程EkhW0可知，图中横轴的截距为该金属的截止频率，选项A正确，B错误；图线的斜率表示普朗克常量h，选项C正确；该金属的逸出功W0h06.6310344.271014J1.77 eV或W0hEk6.6310345.51014J0.5 eV1.78 eV，选项D错误。答案AC14.(2018唐山模拟)在研究某金属的光电效应现象时，发现当入射光的频率为时，其遏止电压为U，已知普朗克常数为h，电子电荷量大小为e，下列说法正确的是()A.该金属的截止频率为B.该金属的逸出功为eUhC.增大入射光的频率，该金属的截止频率增大D.增大入射光的频率，该金属的遏止电压增大解析由光电效应方程可得hhcUe，解得截止频率为c，故选项A正确；金属的逸出功W0hchUe，故选项B错误；金属的截止频率和入射光的频率无关，入射光的频率越大，遏止电压越大，故选项C错误，D正确。答案AD15.一个静止的镭核(Ra)发生衰变，假设释放的能量全部转化为氡核(Rn)和粒子的动能，已知镭核(Ra)、氡核(Rn)、粒子的质量分别是226.025 4 u，222.017 5 u，4.002 6 u，1 u相当于931 MeV的能量。则下列说法正确的是()A.镭核的衰变方程为RaRnHeB.衰变后生成的氡核比原来的镭核少了4个中子C.衰变过程中释放的核能约为4.93 MeVD.衰变后氡核(Rn)与粒子的速度之比约为143解析根据质量数和电荷数守恒可知，镭核的衰变方程为RaRnHe，选项A正确；氡核的质量数为222，电荷数为86，所以中子数为136，同理可得镭核的中子数为138，所以氡核的中子数比镭核的中子数少2，选项B错误；根据Emc2，可算出衰变过程中释放的核能约为4.93 MeV，选项C正确；衰变过程中动量守恒，根据动量守恒定律可知氡核与粒子的动量大小相等，所以它们的速度与质量成反比，选项D错误。答案AC