2022年高考物理二轮复习热点专题巩固练专题（09）原子物理（解析版）

专题（09）原子物理（解析版）【专题考向】在原子物理这一部分内容中，主要考查光电效应，原子结构、原子核与核能。虽然对光电效应、原子结构原子核与核能的考查频率比较高，但是在复习的过程中，原子的能级和跃迁也应该引起高度的重视。高频考点：光电效应、原子的能级和跃迁、原子结构原子核与核能。【知识、方法梳理】1．光电效应的实验规律(1)任何一种金属都有一个截止频率，入射光的频率低于这个频率时不发生光电效应。(2)光电子的最大初动能与入射光的强度无关，只随入射光频率的增大而增大。(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或等于截止频率时，饱和光电流的大小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Ek跟入射光子的能量hν和逸出功W0的关系为：Ek＝hν－W0。(2)截止频率νc＝。3．氢原子能级图(1)氢原子能级图如图所示。(2)一群氢原子处于量子数为n的激发态时，最多可能辐射出的光谱线条数：N＝C＝。4．原子核的衰变衰变类型α衰变β衰变衰变方程X→Y＋HeX→Y＋e衰变实质2个质子和2个中子结合成一整体射出核内的一个中子转化成了一个质子和一个电子2H＋2n→Hen→H＋e 衰变规律电荷数守恒、质量数守恒5．核能(1)原子核的结合能：克服核力做功，使原子核分解为单个核子时吸收的能量，或若干单个核子在核力的作用下结合成原子核时放出的能量。(2)质量亏损：原子核的质量小于组成它的核子的质量之和的现象。注意质量数与质量是两个不同的概念。(3)质能方程：E＝mc2，即一定的能量和一定的质量相联系，物体的总能量与它的质量成正比。【热点训练】1、(多选)利用如图所示的电路研究光电效应现象，其中电极K由金属钾制成，其逸出功为2.25eV。用某一频率的光照射时，逸出光电子的最大初动能为1.50eV，电流表的示数为I。已知普朗克常量约为6.6×10－34J·s，下列说法正确的是(　　)A．金属钾发生光电效应的截止频率约为5.5×1014HzB．若入射光频率加倍，光电子的最大初动能变为3.00eVC．若入射光频率加倍，电流表的示数变为2ID．若入射光频率加倍，遏止电压的大小将变为5.25V解析：设金属的截止频率为νc，由W0＝hνc解得νc＝5.5×1014Hz，A正确；由光电效应方程Ek＝hν－W0，若入射光的频率加倍，W0不变，所以光电子的最大初动能并不加倍，B错误；若入射光的频率加倍，电流表的示数不一定是原来的2倍，C错误；由Ek＝hν－W0知入射光的能量为hν＝3.75eV，若入射光的频率加倍，则Ek′＝2hν－W0＝5.25eV，而eUc＝Ek′，所以遏止电压Uc＝5.25V，D正确。【答案】AD2、(多选)氢原子光谱如图甲所示，图中给出了谱线对应的波长，氢原子能级图如图乙所示。已知普朗克常量h＝6.63×10－34J·s，已知可见光的频率范围约为4.2×1014Hz～7.8×1014Hz，则(　　) A．Hα谱线对应光子的能量小于Hδ谱线对应光子的能量B．图甲所示Hα、Hβ、Hγ、Hδ四种光均属于可见光范畴C．Hβ对应光子的能量约为10.2eVD．Hα谱线对应的跃迁是从n＝3能级到n＝2能级解析：波长长频率小，A正确；可见光的波长范围约为400nm～760nm，B正确；Hβ波长比Hα短，能量比Hα大，应该是第四能级跃迁到第二能级产生的，C错误，D正确。【答案】ABD3、真空中一个静止的镭原子核Ra经一次α衰变后变成一个新核Rn，衰变方程为Ra→Rn＋He，下列说法正确的是(　　)A．衰变后Rn核的动量与α粒子的动量相同B．衰变后Rn核的质量与α粒子的质量之和等于衰变前镭核Ra的质量C．若镭元素的半衰期为τ，则经过τ的时间，8个Ra核中有4个已经发生了衰变D．若镭元素的半衰期为τ，则经过2τ的时间，2kg的Ra核中有1.5kg已经发生了衰变解析：衰变前，镭原子核Ra的动量为零。根据动量守恒定律可知，Rn与α粒子的动量大小相等，方向相反，所以二者动量不同，故A错误；镭核衰变的过程中，存在质量亏损，导致衰变后Rn核的质量与α粒子的质量之和小于衰变前镭核Ra的质量，故B错误；少量放射性元素的衰变是一个随机事件，对于8个放射性元素，无法准确预测其衰变的个数，故C错误；2kg的Ra核衰变，符合统计规律，经过2τ的时间，已有1.5kg发生衰变，故D正确。【答案】D4、(多选)如图为氢原子光谱在可见光区域内的四条谱线Hα、Hβ、Hγ和Hδ，都是氢原子中电子从量子数n＞2的能级跃迁到n＝2的能级发出的光，根据此图可以判定(　　) A．Hα对应的原子前后能量之差最小B．同一介质对Hα的传播速度最大C．Hδ光子的动量最大D．用Hγ照射某一金属能发生光电效应，则用Hβ照射同一金属一定不能产生光电效应解析：四条谱线Hα、Hβ、Hγ和Hδ，在真空中的波长由长到短，依据ν＝可知：四条谱线Hα、Hβ、Hγ和Hδ的频率是由低到高，那么它们的能量也是由小到大，而ΔE＝Em－En＝hν，则Hα对应的前后能量之差最小，故A正确；在同一介质中，由于Hα能量最小，频率最小，那么Hα折射率也最小，根据v＝可知Hα的传播速度最大，故B正确；根据波粒二象性的相关理论，由p＝可知Hδ波长最短，动量最大，故C正确；若用Hγ照射某一金属能发生光电效应，由于Hβ的能量小于Hγ，即Hβ的频率小于Hγ，依据光电效应发生条件，要求入射光的频率大于金属的极限频率，Hβ的频率不一定低于金属的极限频率，当Hβ的频率高于金属极限频率时就可以发生光电效应，故D错误。【答案】ABC5、(多选)如图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(　　)A．由图线①、③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①、②、③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①、③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Ek＝hν－W0＝eUc，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Ek＝eUc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】ABC6、在匀强磁场中，一个原来静止的原子核，由于衰变放射出某种粒子，结果得到一张两个相切圆1和2的径迹照片如图所示，已知两个相切圆半径分别为r1、r2，则下列说法正确的是(　　)A．原子核可能发生α衰变，也可能发生β衰变B．径迹2可能是衰变后新核的径迹C．若衰变方程是U→Th＋He，则衰变后新核和射出的粒子的动能之比为117∶2D．若衰变方程是U→Th＋He，则r1：r2＝1∶45解析：原子核衰变过程系统动量守恒，由动量守恒定律可知，衰变生成的两粒子动量方向相反，粒子速度方向相反，由左手定则知：若生成的两粒子电性相反，则在磁场中的轨迹为内切圆，若电性相同，则在磁场中的轨迹为外切圆，所以为电性相同的粒子，可能发生的是α衰变，但不是β衰变，故A错误；核反应过程系统动量守恒，原子核原来静止，初动量为零，由动量守恒定律可知，原子核衰变后生成的两核动量p大小相等、方向相反，粒子在磁场中做匀速圆周运动，洛伦兹力提供向心力，由牛顿第二定律得qvB＝m，解得r＝＝，由于p、B都相等，则粒子电荷量q越大，其轨道半径r越小，由于新核的电荷量大于粒子的电荷量，则新核的轨道半径小于粒子的轨道半径，则半径为r1的圆为放出新核的运动轨迹，半径为r2的圆为粒子的运动轨迹，故B错误；根据动量守恒定律知，新核Th和α粒子的动量大小相等，则动能Ek＝，所以动能之比等于质量之反比，为2∶117，故C错误；由B选项的分析知r1∶r2＝2∶90＝1∶45，故D正确。 【答案】D7、关于物理学家和他们对物理学的贡献，下列说法正确的是(　　)A．爱因斯坦提出了光的电磁说B．麦克斯韦预言并证实了电磁波的存在C．玻尔建立了量子理论，并成功解释了各种原子的发光原理D．卢瑟福根据α粒子散射实验的结果提出了原子的核式结构模型解析：麦克斯韦提出了光的电磁说，认为光是一种电磁波，故A项错误；麦克斯韦预言电磁波的存在，赫兹用实验证实了电磁波的存在，故B项错误；玻尔结合普朗克的量子概念、爱因斯坦的光子概念和卢瑟福的原子核式结构模型提出了玻尔理论，成功解释了氢原子的发光原理；但由于过多保留了经典电磁学的理论，不能很好地解释其他原子的发光现象，C错误；卢瑟福根据α粒子散射实验的结果提出了原子的核式结构模型，故D项正确。【答案】D8、下列现象中，原子核结构发生了改变的是(　　)A．氢气放电管发出可见光B．β衰变放出β粒子C．α粒子散射现象D．光电效应现象解析：氢气放电管发出可见光是原子从较高能级跃迁至较低能级的结果，是由于原子核外部电子运动产生的，与原子核内部变化无关，故A错误；β衰变放出β粒子是原子核内一个中子转变为一个质子和一个电子，所以导致原子核结构发生了改变，故B正确；α粒子散射实验表明原子具有核式结构，故C错误；光电效应是原子核外电子吸收光子能量逃逸出来的现象，跟原子核内部变化无关，故D错误．【答案】B9、下列说法正确的是(　　)A．原子核的结合能越大，原子核越稳定B．β衰变释放出电子，说明原子核内有电子 C．氡的半衰期为3.8天，8个氡原子核经过7.6天后剩下2个氡原子核D．用频率为ν的入射光照射光电管的阴极，遏止电压为Uc，改用频率为2ν的入射光照射同一光电管，遏止电压大于2Uc解析：原子核的比结合能越大，原子核越稳定，故A错误；β衰变释放出电子，是中子转化为质子放出的，不能说明原子核内有电子，故B错误；半衰期的概念是对大量原子核而言的，对于个别原子核无意义，故C错误；由光电效应方程：eUc＝hν－W0，当改用频率为2ν的入射光照射同一光电管，由光电效应方程：eUc′＝h·2ν－W0，则Uc′>2Uc，故D正确。【答案】D10、关于原子物理知识，下列说法正确的是(　　)A．升高放射性物质的温度，其半衰期变短B．发生光电效应现象时，增大入射光的频率，同一金属的逸出功变大C．Np经过7次α衰变和5次β衰变后变成BiD．根据玻尔理论，氢原子向低能级跃迁时只放出符合两能级能量差的光子解析：半衰期与温度无关，即升高放射性物质的温度，其半衰期不会发生变化，故A错误；金属的逸出功由金属材料决定，与入射光的频率无关，故B错误；设需要经过x次α衰变和y次β衰变，根据质量数守恒和电荷数守恒有：93＝2x－y＋83，4x＝237－209，所以解得：x＝7，y＝4，故选项C错误；根据玻尔理论，氢原子向低能级跃迁时只放出符合两能级能量差的光子。【答案】D11、氢原子的能级公式为En＝E1(n＝1，2，3…)，其中基态能量E1＝－13.6eV，能级图如图所示。大量氢原子处于量子数为n的激发态，由这些氢原子可能发出的所有光子中，频率最大的光子能量为－0.96E1，则n和可能发出的频率最小的光子能量分别为(　　) A．n＝5，0.54eVB．n＝5，0.31eVC．n＝4，0.85eVD．n＝4，0.66eV解析：氢原子基态的能量为E1＝－13.6eV，由这些氢原子可能发出的所有光子中，频率最大的光子能量为－0.96E1，即跃迁到最高能级能量E＝0.04E1≈－0.54eV，即处在n＝5能级；频率最小的光子的能量为ΔE′＝－0.54eV－(－0.85eV)＝0.31eV，故B正确，A、C、D错误。【答案】B12、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，实验中测得铷的遏止电压Uc与入射光频率ν之间的关系如图乙所示，图线与横轴交点的横坐标为5.15×1014Hz.已知普朗克常量h＝6.63×10－34J·s。则下列说法中正确的是(　　)A．欲测遏止电压，应选择电源左端为正极B．当电源左端为正极时，滑动变阻器的滑片向右滑动，电流表的示数持续增大C．增大照射光的强度，产生的光电子的最大初动能一定增大D．如果实验中入射光的频率ν＝7.00×1014Hz，则产生的光电子的最大初动能Ek约为1.2×10－19J解析：由题图甲所示的实验装置测量铷的遏止电压Uc ，因光电管左端为阳极，则电源左端为负极，故选项A错误；当电源左端为正极时，滑动变阻器的滑片向右滑动的过程中，光电管两端电压增大，光电流增大，当光电流达到饱和值，不再增大，即电流表读数的变化是先增大后不变，故选项B错误；光电子的最大初动能与入射光的频率和金属的逸出功有关，与入射光的强度无关，故选项C错误；根据题图乙可知，铷的截止频率νc＝5.15×1014Hz，根据hνc＝W0，则可求出该金属的逸出功大小W0＝6.63×10－34×5.15×1014J≈3.41×10－19J，根据光电效应方程Ek＝hν－W0，当入射光的频率为ν＝7.00×1014Hz时，则最大初动能为Ek＝6.63×10－34×7.00×1014J－3.41×10－19J≈1.2×10－19J，故选项D正确。【答案】D13、如图所示，在垂直纸面向里的匀强磁场中，静止的铀U发生α衰变，生成新原子核X，已知α粒子和新核X在纸面内做匀速圆周运动，则(　　)A．原子核X的电荷数为91，质量数为236B．α粒子做顺时针圆周运动C．α粒子和原子核X的周期之比为10∶13D．α粒子和原子核X的半径之比为45∶2解析：根据核反应的质量数和电荷数守恒可知，原子核X的电荷数为92－2＝90，质量数为238－4＝234，选项A错误；α粒子带正电，由左手定则可知，α粒子做逆时针圆周运动，选项B错误；根据T＝可知，α粒子和原子核X的周期之比：＝×＝，选项C正确；根据动量守恒定律，α粒子和原子核X的动量大小相同，r＝∝可知，α粒子和原子核X的半径之比为＝＝，选项D错误。【答案】C