第十六章核心素養(yǎng)提升[科學(xué)思維提煉]1．理想模型法：黑體。2．轉(zhuǎn)換法(1)觀察和研究光電效應(yīng)的實驗；(2)測量陰極射線粒子的比荷的實驗；(3)發(fā)現(xiàn)和觀察放射性的實驗；(4)觀察和研究三種射線性質(zhì)的實驗。3．極限法：光電效應(yīng)實驗中極限頻率、遏止電壓、飽和電流的測量。4．歸納法(1)光電效應(yīng)實驗結(jié)論的總結(jié)；(2)從陰極射線的研究到電子的發(fā)現(xiàn)過程；(3)衰變中半衰期的提出。5．類比、聯(lián)想的思維：德布羅意關(guān)于物質(zhì)波概念的提出。6．推理法(1)從光電效應(yīng)實驗結(jié)果的分析到愛因斯坦光電效應(yīng)方程的得出；(2)強相互作用存在和作用范圍的定性推出。7．實驗、推理、假設(shè)法結(jié)合(1)黑體輻射研究中，普朗克關(guān)于“能量子”概念的提出；(2)愛因斯坦關(guān)于“光子”概念的提出；(3)原子“棗糕模型”的提出、盧瑟福原子核式結(jié)構(gòu)模型的提出、玻爾原子理論的提出；(4)盧瑟福關(guān)于“中子”的提出過程。8．對比法：三種射線性質(zhì)的比較。[素養(yǎng)提升集訓(xùn)]選擇題(本題共11小題)1．(2022·湖南高考)關(guān)于原子結(jié)構(gòu)和微觀粒子波粒二象性，下列說法正確的是()A．盧瑟福的核式結(jié)構(gòu)模型解釋了原子光譜的分立特征B．玻爾的原子理論完全揭示了微觀粒子運動的規(guī)律C．光電效應(yīng)揭示了光的粒子性D．電子束穿過鋁箔后的衍射圖樣揭示了電子的粒子性答案C解析玻爾的原子理論成功地解釋了氫原子光譜的分立特征，但不足之處在于保留了經(jīng)典理論中的一些觀點，如電子軌道的概念，沒有完全揭示微觀粒子運動的規(guī)律，A、B錯誤；光電效應(yīng)揭示了光的粒子性，C正確；電子束穿過鋁箔后的衍射圖樣揭示了電子的波動性，D錯誤。2．(2023·浙江1月選考)被譽為“中國天眼”的大口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡已發(fā)現(xiàn)660余顆新脈沖星，領(lǐng)先世界。天眼對距地球為L的天體進行觀測，其接收光子的橫截面半徑為R。若天體射向天眼的輻射光子中，有η(η<1)倍被天眼接收，天眼每秒接收到該天體發(fā)出的頻率為ν的N個光子。普朗克常量為h，則該天體發(fā)射頻率為ν光子的功率為()A.eq\f(4NL2hν,R2η) B.eq\f(2NL2hν,R2η)C.eq\f(ηL2hν,4R2N) D.eq\f(ηL2hν,2R2N)答案A解析設(shè)該天體發(fā)射頻率為ν光子的功率為P，由題意可知Pt×eq\f(πR2,4πL2)×η＝Nhνt，解得P＝eq\f(4NL2hν,R2η)，故選A。3．(2023·新課標(biāo)卷)銫原子基態(tài)的兩個超精細(xì)能級之間躍遷發(fā)射的光子具有穩(wěn)定的頻率，銫原子鐘利用的兩能級的能量差量級為10－5eV，躍遷發(fā)射的光子的頻率量級為(普朗克常量h＝6.63×10－34J·s，元電荷e＝1.60×10－19C)()A．103Hz B．106HzC．109Hz D．1012Hz答案C解析由題意，設(shè)銫原子鐘利用的兩能級的能量差為ΔE＝1×10－5eV＝1×10－5×1.60×10－19J＝1.60×10－24J，由光子能量的表達式ε＝hν及ε＝ΔE可得，躍遷發(fā)射的光子的頻率為ν＝eq\f(ε,h)＝eq\f(ΔE,h)＝eq\f(1.60×10－24,6.63×10－34)Hz≈2.41×109Hz，則躍遷發(fā)射的光子的頻率量級為109Hz，故選C。4．(多選)μ子與氫原子核(質(zhì)子)構(gòu)成的原子稱為μ氫原子，它在原子核物理的研究中有重要作用，如圖所示為μ氫原子的能級示意圖。假定光子能量為ε的一束光照射容器中大量處于n＝2能級的μ氫原子，μ氫原子吸收光子后，發(fā)出頻率分別為ν1、ν2、ν3、ν4、ν5和ν6的光，且頻率依次增大，若普朗克常量為h，則()A．ε＝h(ν1＋ν2)B．ε＝h(ν1－ν4＋ν5)C．ε＝h(ν2＋ν4)D．ε＝h(ν6－ν3)答案AB解析設(shè)大量μ氫原子吸收光子后從n＝2能級躍遷到能量較高的m能級，然后從m能級向低能級躍遷時，發(fā)出的不同頻率的光子種類有Ceq\o\al(2,m)＝eq\f(m（m－1）,2)＝6，解得m＝4，即大量μ氫原子吸收光子后先從n＝2能級躍遷到n＝4能級，然后從n＝4能級向低能級躍遷。由題意知，發(fā)出光子的頻率對應(yīng)的能級躍遷過程如圖，由圖可知ε＝E4－E2＝hν3＝h(ν1＋ν2)＝h(ν1－ν4＋ν5)＝h(ν6－ν4)，故A、B正確，C、D錯誤。5．(2020·山東高考)氚核eq\o\al(3,1)H發(fā)生β衰變成為氦核eq\o\al(3,2)He。假設(shè)含氚材料中eq\o\al(3,1)H發(fā)生β衰變產(chǎn)生的電子可以全部定向移動，在3.2×104s時間內(nèi)形成的平均電流為5.0×10－8A。已知電子電荷量為1.6×10－19C，在這段時間內(nèi)發(fā)生β衰變的氚核eq\o\al(3,1)H的個數(shù)為()A．5.0×1014 B．1.0×1016C．2.0×1016 D．1.0×1018答案B解析根據(jù)I＝eq\f(q,t)＝eq\f(ne,t)，可得產(chǎn)生的電子數(shù)為n＝eq\f(It,e)＝eq\f(5.0×10－8×3.2×104,1.6×10－19)＝1.0×1016個，因一個氚核eq\o\al(3,1)H發(fā)生β衰變產(chǎn)生一個電子，可知在這段時間內(nèi)發(fā)生β衰變的氚核eq\o\al(3,1)H的個數(shù)為1.0×1016個，故選B。6．一群處于n＝4能級的氫原子，向低能級躍遷發(fā)出多種光，用這束光照射圖甲電路的陰極K。陰極K為金屬鈣，其逸出功為3.20eV。氫原子能級如圖乙所示，則下列說法正確的是()A．該光束中能使K發(fā)生光電效應(yīng)的光有4種B．光電子的最大初動能為9.55eVC．光電子到達A時動能的最大差值為2.55eVD．向右滑動觸頭P，電流表示數(shù)一定變大答案B解析一群處于n＝4能級的氫原子，向低能級躍遷，只有n＝4能級躍遷到n＝1能級，n＝3能級躍遷到n＝1能級，n＝2能級躍遷到n＝1能級，這三種情況輻射出的光子能量大于金屬鈣的逸出功，可知能使K發(fā)生光電效應(yīng)的光只有3種，故A錯誤；一氫原子從n＝4能級躍遷到n＝1能級時輻射出的光子能量最大，為hνm＝－0.85eV－(－13.6)eV＝12.75eV，由愛因斯坦光電效應(yīng)方程可知光電子的最大初動能Ekm＝hνm－W0＝12.75eV－3.20eV＝9.55eV，故B正確；光電子從K極逸出時，動能最大值為Ekm，最小值為0，經(jīng)過同一加速電壓，動能變化量相同，則光電子到達A時的動能的最大差值為ΔEkm＝Ekm－0＝9.55eV，故C錯誤；向右滑動觸頭P，只有在光電流未達到飽和值前，正向電壓越大，光電流越大，達到飽和電流之后，正向電壓增大，則光電流不變，所以電流表示數(shù)不一定變大，故D錯誤。7．如圖所示，是某種火災(zāi)報警裝置的工作電路圖，它的核心部件為紫外線光電管，其中A為陽極，K為陰極，發(fā)生火災(zāi)時c、d端有輸出電壓實施報警。已知地表附近太陽光中紫外線光子能量介于3.1～3.9eV之間，明火中的紫外線光子能量介于4.4～6.2eV之間。幾種金屬單質(zhì)的逸出功如下表所示，若光電管陰極K材料選用金屬鋁，則下列說法正確的是()金屬單質(zhì)鉀鈉鋅鋁逸出功/eV2.252.293.344.21A．太陽光照射時c、d端有輸出電壓B．明火照射時c、d端有輸出電壓C．若陰極K材料選用金屬鋅，能實現(xiàn)有效報警D．明火中紫外線波長越長，光電子的最大初動能越大答案B解析因為太陽光中紫外線光子能量介于3.1～3.9eV之間，小于金屬鋁的逸出功4.21eV，故太陽光照射時，不發(fā)生光電效應(yīng)，c、d端沒有輸出電壓，A錯誤；明火中的紫外線光子能量介于4.4～6.2eV之間，大于金屬鋁的逸出功，故明火照射時，發(fā)生光電效應(yīng)，c、d端有輸出電壓，B正確；若陰極K材料選用金屬鋅，已知金屬鋅的逸出功為3.34eV，則當(dāng)太陽光照射時，發(fā)生光電效應(yīng)，c、d端有輸出電壓，也能報警，但不能實現(xiàn)有效報警，C錯誤；根據(jù)E＝heq\f(c,λ)，明火中紫外線波長越長，光子能量越小，根據(jù)Ekm＝hν－W0，則光電子的最大初動能越小，D錯誤。8．(2023·全國甲卷)在下列兩個核反應(yīng)方程中X＋eq\o\al(14,7)N→Y＋eq\o\al(17,8)OY＋eq\o\al(7,3)Li→2XX和Y代表兩種不同的原子核，以Z和A分別表示X的電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)，則()A．Z＝1，A＝1 B．Z＝1，A＝2C．Z＝2，A＝3 D．Z＝2，A＝4答案D解析設(shè)Y的電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)分別為m和n，根據(jù)核反應(yīng)中電荷數(shù)守恒和質(zhì)量數(shù)守恒，可知第一個核反應(yīng)方程的電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)滿足Z＋7＝m＋8，A＋14＝n＋17，第二個核反應(yīng)方程的電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)滿足m＋3＝2Z，n＋7＝2A，聯(lián)立解得Z＝2，A＝4，故D正確。9．(2022·全國甲卷)兩種放射性元素的半衰期分別為t0和2t0，在t＝0時刻這兩種元素的原子核總數(shù)為N，在t＝2t0時刻，尚未衰變的原子核總數(shù)為eq\f(N,3)，則在t＝4t0時刻，尚未衰變的原子核總數(shù)為()A.eq\f(N,12) B.eq\f(N,9)C.eq\f(N,8) D.eq\f(N,6)答案C解析設(shè)在t＝0時刻，半衰期為t0的元素原子核數(shù)為x，另一種元素原子核數(shù)為y，依題意有x＋y＝N，在t＝2t0時刻，兩種元素分別經(jīng)歷了2個半衰期和1個半衰期，有eq\f(1,22)x＋eq\f(1,2)y＝eq\f(N,3)，聯(lián)立可得x＝eq\f(2,3)N，y＝eq\f(1,3)N，在t＝4t0時刻，兩種元素分別經(jīng)歷了4個半衰期和2個半衰期，尚未衰變的原子核總數(shù)為N′＝eq\f(1,24)x＋eq\f(1,22)y＝eq\f(N,8)，故選C。10．(2023·北京市昌平區(qū)高三下二模)“北京正負(fù)電子對撞機”是我國第一臺高能加速器，也是高能物理研究的重大科技基礎(chǔ)設(shè)施。一對速率相同的正、負(fù)電子(動能極小，可忽略)正碰后湮滅生成兩個γ光子，反應(yīng)方程為eq\o\al(0,＋1)e＋eq\o\al(0,－1)e→2γ。已知單個電子的靜止質(zhì)量為me，電荷量為e，光速為c，普朗克常量為h。下列說法正確的是()A．單個光子的能量為mecB．光子的頻率為eq\f(mec2,h)C．兩個光子的頻率可以不同D．兩個光子的運動方向可能相同答案B解析根據(jù)題意可知，碰撞前，正、負(fù)電子的總動量為零，根據(jù)碰撞過程動量守恒可知，產(chǎn)生的兩個光子的總動量也為零，即兩個光子的動量方向相反、大小相等，所以兩個光子的運動方向相反，又光子的動量p＝eq\f(h,λ)，c＝λν，可得ν＝eq\f(pc,h)，則兩個光子的頻率相同，故C、D錯誤；兩個光子的頻率ν相同，根據(jù)ε＝hν可知，兩個光子的能量相同，該反應(yīng)過程的質(zhì)量虧損Δm＝2me，根據(jù)ΔE＝Δmc2可得，該反應(yīng)釋放的能量ΔE＝2mec2，則單個光子的能量為ε＝eq\f(ΔE,2)＝mec2，根據(jù)ε＝hν可得，光子的頻率為ν＝eq\f(mec2,h)，A錯誤，B正確。11．(多選)1899年，俄國物理學(xué)家列別捷夫首先從實驗上證實了“光射到物體表面上時會產(chǎn)生壓力”。已知頻率為ν的光子的動量為eq\f(hν,c)，式中h為普朗克常量，c為光速。光對物體單位面積的壓力叫輻射壓強或光壓。某二氧化碳?xì)怏w激光器發(fā)出的激光功率為P＝1000W，該光束垂直射到某平整元件上，其光束截面積為S＝1.00mm2，該激光的波長為λ，光速c＝3×108m/s，且c＝λν，則()A．該激光器單位時間內(nèi)發(fā)出的光子數(shù)可表示為eq\f(Pλ,hc)B．該激光器單位時間內(nèi)發(fā)出的光子數(shù)可表示為eq\f(Pλ,h)C．該光束可能產(chǎn)生的最大光壓約為667PaD．該光束可能產(chǎn)生的最大光壓約為6.67Pa答案AD解析該激光器發(fā)出的單個光子的能量為ε＝hν＝heq\f