專題五原子物理第13講光電效應、原子與原子核一、對光電效應的理解二、對光的波粒二象性的理解實驗基礎說明光的波動性干涉、衍射和偏振現(xiàn)象①光的波動性不同于宏觀觀念的波②光是一種概率波，即光子在空間各點出現(xiàn)的可能性大小(概率)可用波動規(guī)律來描述光的粒子性光電效應、康普頓效應①當光同物質發(fā)生作用時，這種作用是“一份一份”進行的，表現(xiàn)出粒子性，粒子性的含義是“不連續(xù)”②光子不同于宏觀觀念的粒子波動性和粒子性的對立、統(tǒng)一①大量光子易顯示出波動性，而少量光子易顯示出粒子性②波長長(頻率低)的光波動性強，而波長短(頻率高)的光粒子性強①光子說并未否定波動說，E＝hν＝hc/λ中，ν和λ就是波的概念②波和粒子在宏觀世界是不能統(tǒng)一的，而在微觀世界卻是統(tǒng)一的三、對原子結構、波爾理論的理解四、對原子核的衰變、半衰期的理解五、核反應方程、核能的計算高頻考點1光電效應規(guī)律和光電效應方程四類圖象對比圖象名稱圖線形狀由圖線直接(間接)得到的物理量最大初動能Ek與入射光頻率ν的關系圖線①極限頻率：圖線與ν軸交點的橫坐標νc②逸出功：圖線與Ek軸交點的縱坐標的絕對值W0＝|－E|＝E③普朗克常量：圖線的斜率k＝h顏色相同、強度不同的光，光電流與電壓的關系①遏止電壓Uc：圖線與橫軸的交點②飽和光電流Im：電流的最大值③最大初動能：Ekm＝eUc顏色不同時，光電流與電壓的關系①遏止電壓Uc1、Uc2②飽和光電流③最大初動能Ek1＝eUc1，Ek2＝eUc2遏止電壓Uc與入射光頻率ν的關系圖線①截止頻率νc：圖線與橫軸的交點②遏止電壓Uc：隨入射光頻率的增大而增大③普朗克常量h：等于圖線的斜率與電子電量的乘積，即h＝ke.(注：此時兩極之間接反向電壓)1－1.(多選)(2017·全國卷Ⅲ)在光電效應實驗中，分別用頻率為νa、νb的單色光a、b照射到同種金屬上，測得相應的遏止電壓分別為Ua和Ub、光電子的最大初動能分別為Eka和Ekb.h為普郎克常量．下列說法正確的是()A．若νa>νb，則一定有Ua<UbB．若νa>νb，則一定有Eka>EkbC．若Ua<Ub，則一定有Eka<EkbD．若νa>νb，則一定有hνa－Eka>hνb－Ekb解析：本題考查對光電效應方程hν－W0＝Ek的理解．光照射到同種金屬上，同種金屬的逸出功相同．若νa>νb，據(jù)hν－W0＝Ek，得Eka>Ekb，則B項正確．由hν－W0＝Ek＝eU，可知當νa>νb時Ua>Ub，則A項錯誤．若Ua<Ub說明Eka<Ekb，則C項正確．由hν－Ek＝W0，而同一種金屬W0相同，則D項錯誤．答案：BC1－2.(多選)(2017·淮北市第一中學高三周考)用甲、乙兩種單色光照射同一金屬做光電效應實驗，發(fā)現(xiàn)光電流與電壓的關系如圖所示．已知普朗克常量為h，被照射金屬的逸出功為W0，遏止電壓為Uc，電子的電荷量為e，則下列說法正確的是()A．甲光的強度大于乙光的強度B．甲光的頻率大于乙光的頻率C．甲光照射時產(chǎn)生的光電子初動能均為eUcD．乙光的頻率為eq\f(W0＋eUc,h)解析：根據(jù)光的強度越強，則光電子數(shù)目越多，對應的光電流越大，即可判定甲光的強度較大；選項A正確；由光電效應方程eq\f(1,2)mv2＝hν－W0，eq\f(1,2)mv2＝Uce，由圖可知，甲乙的遏止電壓相同，故甲乙的頻率相同，選項B錯誤；甲光照射時產(chǎn)生的光電子的最大初動能均為eUc，選項C錯誤；根據(jù)eq\f(1,2)mv2＝hν－W0＝Uce，可得ν＝eq\f(Uce＋W0,h)，選項D正確；故選AD．答案：AD1－3.(多選)(2017·西安長安區(qū)一中模擬)2009年諾貝爾物理學獎得主威拉德·博伊爾和喬治·史密斯主要成就是發(fā)明了電荷耦合器件(CCD)圖象傳感器．他們的發(fā)明利用了愛因斯坦的光電效應原理．如圖所示電路可研究光電效應規(guī)律．圖中標有A和K的為光電管，其中K為陰極，A為陽極．理想電流計可檢測通過光電管的電流，理想電壓表用來指示光電管兩端的電壓．現(xiàn)接通電源，用光子能量為10.5eV的光照射陰極K，電流計中有示數(shù)，若將滑動變阻器的滑片P緩慢向右滑動，電流計的讀數(shù)逐漸減小，當滑至某一位置時電流計的讀數(shù)恰好為零，讀出此時電壓表的示數(shù)為6.0V；現(xiàn)保持滑片P位置不變，以下判斷正確的是()A．光電管陰極材料的逸出功為4.5eVB．若增大入射光的強度，電流計的讀數(shù)不為零C．若用光子能量為12eV的光照射陰極K，光電子的最大初動能一定變大D．若用光子能量為9.5eV的光照射陰極K，同時把滑片P向左移動少許，電流計的讀數(shù)一定不為零解析：本題考查了光電效應實驗．由電路圖可知圖中所加電壓為反向減速電壓，根據(jù)題意可知遏止電壓為6V，由Ek＝hν－W0＝eUc得W0＝4.5eV，選項A正確；當電壓達到遏止電壓時，所有電子都不能到達A極，無論光強如何變化，電流計示數(shù)仍為零，選項B錯；若光子能量增大，根據(jù)光電效應方程，光電子的最大初動能一定變大，選項C正確；若光子能量為9.5eV的光照射陰極K，則遏止電壓為5V，滑片P向左移動少許，電流計的讀數(shù)仍為零，選項D錯．答案：AC高頻考點2光的波粒二象性和物質波2－1.(多選)關于物質的波粒二象性，下列說法中正確的是()A．不僅光子具有波粒二象性，一切運動的微粒都具有波粒二象性B．運動的微觀粒子與光子一樣，當它們通過一個小孔時，都沒有特定的運動軌道C．波動性和粒子性，在宏觀現(xiàn)象中是矛盾的、對立的，但在微觀高速運動的現(xiàn)象中是統(tǒng)一的D．實物的運動有特定的軌道，所以實物不具有波粒二象性解析：由德布羅意波可知A、C正確；運動的微觀粒子，達到的位置具有隨機性，而沒有特定的運動軌道，B正確；由德布羅意理論知，宏觀物體的德布羅意波的波長太小，實際很難觀察到波動性，不是不具有波粒二象性，D錯誤．答案：ABC2－2.(2017·資陽市高三模擬)以下說法正確的是()A．一束光照射到某種金屬上不能產(chǎn)生光電效應，可能是因為這束光的強度太小B．eq\o\al(238,92)U→eq\o\al(234,90)Th＋eq\o\al(4,2)He為α衰變方程C．按照波爾理論，氫原子核外電子從半徑較大的軌道躍遷到半徑較小的軌道時電子動能增大，原子的能量增加D．只有光才具有波粒二象性解析：一束光照射到某種金屬上不能產(chǎn)生光電效應，是因為這束光的頻率低于這種金屬的極限頻率，A錯誤；天然放射現(xiàn)象中放出α粒子的為α衰變，B正確；按照波爾理論，氫原子核外電子從半徑較大的軌道躍遷到半徑較小的軌道時要釋放能量，原子的能量減小，C錯誤；所有物體都具有波粒二象性，D錯誤．答案：B2－3.(2017·北京卷)2017年年初，我國研制的“大連光源”——極紫外自由電子激光裝置，發(fā)出了波長在100nm(1nm＝10－9m)附近連續(xù)可調的世界上最強的極紫外激光脈沖．大連光源因其光子的能量大、密度高，可在能源利用、光刻技術、霧霾治理等領域的研究中發(fā)揮重要作用．一個處于極紫外波段的光子所具有的能量可以電離一個分子，但又不會把分子打碎．據(jù)此判斷，能夠電離一個分子的能量約為(取普朗克常量h＝6.6×10－34J·s，真空光速c＝3×108A．10－21J B．10－18JC．10－15J D．10－12J解析：由題意知，電離一個分子的能量等于照射分子的光子能量，E＝kν＝heq\f(c,λ)＝2×10－18J，故選項B正確．答案：B高頻考點3原子結構與原子光譜3－1.(2017·第二次全國大聯(lián)考卷Ⅱ)對于原子結構和原子核的結構，經(jīng)過不斷的實驗探索，我們已經(jīng)有了一定的認識，對于這個探索的過程，下列描述錯誤的是()A．盧瑟福根據(jù)α粒子轟擊金箔時發(fā)生散射，提出了原子的核式結構模型B．為了解釋原子的穩(wěn)定性和輻射光譜的不連續(xù)性，波爾提出了氫原子結構模型C．盧瑟福通過利用α粒子轟擊鈹原子核，最終發(fā)現(xiàn)了中子D．人類第一次實現(xiàn)的原子核的人工轉變核反應方程是eq\o\al(14,7)N＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(17,8)O＋eq\o\al(1,1)H解析：α粒子轟擊金箔時大部分粒子沒有偏轉，有部分發(fā)生大角度偏轉，盧瑟福提出原子的大部分質量集中在原子中心，即原子的核式結構模型，選項A正確．按照原子的核式結構模型，原子將不斷對外輻射波長連續(xù)變化的光波并最終消失，為了解釋事實上原子的穩(wěn)定性和輻射光譜的不連續(xù)性，波爾結合量子論提出了氫原子結構模型，選項B對．通過利用α粒子轟擊鈹原子核，最終發(fā)現(xiàn)了中子的不是盧瑟福，而是查德維克，選項C錯．人類第一次實現(xiàn)的原子核的人工轉變核反應方程是eq\o\al(14,7)N＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(17,8)O＋eq\o\al(1,1)H，選項D對．答案：C3－2.(2017·泰安市高三質量檢測)根據(jù)氫原子的能級圖，現(xiàn)讓一束單色光照射到大量處于基態(tài)(量子數(shù)n＝1)的氫原子上，受激的氫原子能自發(fā)地發(fā)出6種不同頻率的光，則照射氫原子的單色光的光子能量為()A．12.75eV B．13.06eVC．13.6eV D．0.85eV解析：受激的氫原子能自發(fā)地發(fā)出6種不同頻率的光，知躍遷到第4能級，則吸收的光子能量為ΔE＝－0.85eV＋13.6eV＝12.75eV.A正確，B、C、D錯誤．答案：A3－3.(2017·第二次全國大聯(lián)考Ⅲ卷)預計2017年7月，我國“北斗三號”全球組網(wǎng)衛(wèi)星進行首次發(fā)射，采用星載氫原子鐘。如圖為氫原子的能級圖，以下判斷正確的是()A．大量氫原子從n＝3的激發(fā)態(tài)向低能級躍遷時，能產(chǎn)生3種頻率的光子B．氫原子的核外電子從半徑較小的軌道躍遷到半徑較大的軌道時，原子的能量減小C．當氫原子從n＝5的狀態(tài)躍遷到n＝3的狀態(tài)時，要吸收光子D．從氫原子的能級圖可知原子發(fā)射光子的頻率也是連續(xù)的解析：根據(jù)Ceq\o\al(2,3)＝3可知，一群處于n＝3能級氫原子向低能級躍遷，輻射的光子頻率最多3種，選項A正確；氫原子的核外電子從半徑較小的軌道躍遷到半徑較大的軌道時，原子的能量增大，選項B錯誤；氫原子從高能級躍遷到低能級時放出光子，選項C錯誤；玻爾理論指出氫原子能級是分立的，所以原子發(fā)射光子的頻率也是不連續(xù)的，選項D錯誤．答案：A高頻考點4原子核的衰變半衰期4－1．(2017·常德市高三模擬)某一放射性物質發(fā)生衰變時放出α、β、γ三種射線，讓這三種射線進入磁場，運動情況如圖所示，下列說法正確的是()A．該放射性物質的半衰期隨溫度的升高會增大B．C粒子是原子核的重要組成部分C．A粒子一定帶正電D．B粒子的穿透性最弱解析：半衰期由原子核本身決定，與外界因素無關，故A錯誤；由圖可知C粒子為電子，而原子核帶正電，故B錯誤；由安培左手定則可知，A粒子一定帶正電，故C正確；B粒子為γ射線穿透性最強，故D錯誤．答案：C4－2.(2017·安徽省“江南十?！备呷?lián)考)鈾核(eq\o\al(235,92)U)經(jīng)過m次α衰變和n次β衰變變成鉛核(eq\o\al(207,82)Pb)，關于該過程，下列說法中正確的是()A．m＝5，n＝4B．鈾核(eq\o\al(235,92U))的比結合能比鉛核(eq\o\al(207,82)Pb)的比結合能小C．衰變產(chǎn)物的結合能之和小于鈾核(eq\o\al(235,92)U)的結合能D．鈾核(eq\o\al(235,92)U)衰變過程的半衰期與溫度和壓強有關解析：衰變方程為：eq\o\al(235,92)U→eq\o\al(207,82)Pb＋mα＋nβ，則：235＝207＋4m，解得：m＝7，又：92＝82＋7×2－n，得：n＝4，故選項A錯誤；衰變后的產(chǎn)物相對于衰變前要穩(wěn)定，所以鈾核衰變成α粒子和另一原子核，衰變產(chǎn)物的結合能之和一定大于鈾核的結合能，故B正確，C錯誤；原子核的半衰期與環(huán)境的溫度、壓強等無關，故D錯誤．答案：B4－3.(2017·全國卷Ⅱ)一靜止的鈾核放出一個α粒子衰變成釷核，衰變方程為eq\o\al(238,92)U→eq\o\al(234,90)Th＋eq\o\al(4,2)He.下列說法正確的是()A．衰變后釷核的動能等于α粒子的動能B．衰變后釷核的動量大小等于α粒子的動量大小C．鈾核的半衰期等于其放出一個α粒子所經(jīng)歷的時間D．衰變后α粒子與釷核的質量之和等于衰變前鈾核的質量解析：本題考查天然放射現(xiàn)象、半衰期、動量守恒．靜止的原子核在衰變前后動量守恒，由動量守恒定律得0＝m1v1＋m2v2，可知m1v1＝－m2v2，故衰變后釷核的動量大小等于α粒子的動量大小，選項B正確；而動能Ek＝eq\f(p2,2m)，由于釷核的質量(m1)大于α粒子的質量(m2)，故其動能不等，選項A錯誤；鈾核的半衰期是大量的鈾核半數(shù)發(fā)生衰變所用的時間，而不是放出一個α粒子所經(jīng)歷的時間，選項C錯誤；原子核衰變前后質量數(shù)守恒，衰變時放出核能，質量虧損，選項D錯誤．答案：B高頻考點5核反應方程與核能計算1．核反應方程的書寫與分類(1)必須遵循的兩個規(guī)律：質量數(shù)守恒、電荷數(shù)守恒．由此可以確定具體的反應物或生成物．(2)必須熟記基本粒子的符號：如質子(eq\o\al(1,1)H)、中子(eq\o\al(1,0)n)、α粒子(eq\o\al(4,2)He)、β粒子(eq\o\al(0,－1)e)、正電子(eq\o\al(0,1)e)、氘核(eq\o\al(2,1)H)、氚核(eq\o\al(3,1)H)等．(3)并不是生成物中有eq\o\al(4,2)He的就為α衰變，有eq\o\al(0,－1)e的就為β衰變．2．核能的理解與計算(1)比結合能越大，原子核結合的越牢固．(2)到目前為止，核能發(fā)電還只停留在利用裂變核能發(fā)電．(3)核能的計算方法：①根據(jù)愛因斯坦質能方程，用核反應的質量虧損的千克數(shù)乘以真空中光速c的平方，即ΔE＝Δmc2(J)．②根據(jù)1原子質量單位(u)相當于931.5兆電子伏(MeV)能量，用核反應的質量虧損的原子質量單位數(shù)乘以931.5MeV，即ΔE＝Δm×931.5(MeV)．③如果核反應時釋放的核能是以動能形式呈現(xiàn)，則核反應過程中系統(tǒng)動能的增量即為釋放的核能．5－1．(2017·哈爾濱市六中模擬)靜止在勻強電場中的碳14原子核，某時刻放射的某種粒子與反沖核的初速度方向均與電場方向垂直，且經(jīng)過相等的時間后形成的軌跡如圖所示(a、b表示長度)．那么碳14的核反應方程可能是()A．eq\o\al(14,6)C→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(10,4)Be B．eq\o\al(14,6)C→eq\o\al(0,1)e＋eq\o\al(14,5)BC．eq\o\al(14,6)C→eq\o\al(0,－1)e＋eq\o\al(14,7)N D．eq\o\al(14,6)C→eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(12,5)B解析：由軌跡彎曲方向可以看出，反沖核與放出的射線的受力方向均與電場強度方向相同，均帶正電，所以放出的粒子為α粒子，即發(fā)生α衰變，則核反應方程是eq\o\al(14,6)C→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(10,4)Be，故A正確．答案：A5－2.(2017·廣州市高三測試)有一钚的同位素eq\o\al(239,94)Pu核靜止在勻強磁場中，該核