【物理】2019届一轮复习人教版波粒二象性原子结构与原子核学案

【物理】2019届一轮复习人教版波粒二象性原子结构与原子核学案

知识网络 考情分析 ‎1．主要题型：选择、填空、计算 ‎2．命题特点 针对玻尔理论、光电效应、核反应方程、能量、能级跃迁等知识点进行考查．‎ ‎3．思想方法 常用方法：模型法、类比法、控制变量法等．‎ 考点一　光电效应、光子说 核心知识 ‎1．光电效应的规律 ‎(1)任何一种金属，都有一种极限频率，只有当入射光的频率大于或等于极限频率时才会发生光电效应．‎ ‎(2)光电子的最大初动能E m＝mv跟入射光的强度无关，只随入射光的频率的增大而增大．‎ ‎(3)从光开始照射到释放出光电子，整个过程所需时间小于10－9 s.‎ ‎(4)产生光电效应时，单位时间内逸出的电子数与光的强度有关，光的强度越大，单位时间内逸出的电子数越多．‎ ‎2．光电效应中的两条对应关系 ‎(1)光照强度大→光子数目多→发射光电子多→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．‎ ‎3．光电效应方程：E m＝hν－W0.‎ ‎4．用图象表示光电效应方程 ‎(1)极限频率：图线与ν轴交点的横坐标ν0.‎ ‎(2)逸出功：图线与E 轴交点的纵坐标的绝对值W0＝E0.‎ ‎(3)普朗克常量：图线的斜率 ‎ ＝h＝.‎ 规律方法 解决光电效应类问题应注意的三个方面 ‎(1)决定光电子初动能大小的是入射光的频率，决定光电流大小的是入射光光强的大小．‎ ‎(2)由光电效应发射出的光电子由一极到达另一极，是电路中产生光电流的条件．‎ ‎(3)明确加在光电管两极间的电压对光电子起到了加速作用还是减速作用．‎ 典例分析 ‎【例1】　(多选)(2017年广州二模)如图所示是光控继电器的示意图， 是光电管的阴极．下列说法正确的是(　　)‎ A．图中a端应是电源的正极 B．只要有光照射 ，衔铁就被电磁铁吸引 C．只要照射 的光强度足够大，衔铁就被电磁铁吸引 D．只有照射 的光频率足够大，衔铁才被电磁铁吸引 ‎【答案】　AD ‎【例2】　(多选)用图甲同一实验装置研究光电效应现象，分别用A、B、C三束光照射光电管阴极，得到光电管两端电压与相应的光电流的关系如图乙所示，其中A、C两束光照射时对应的遏止电压相同，均为 Uc1，根据你所 的相关理论判断下列论述正确的是(　　)‎ A．B光束光子的动量最大 B．A、C两束光的波长相同，要比B的波长长 C．三个光束中B光束照射时单位时间内产生的光电子数量最多 D．三个光束中A光束照射时光电管发出的光电子最大初动能最大 E．若B光是氢原子由第2能级向基态跃迁时产生的，则A光一定不是氢原子由高能级跃迁到基态产生的 ‎【答案】　ABE ‎ ‎【解析】　光子的动量p＝，由乙图可知B光束的遏止电压最大，由eUc＝hν－W0可知，B光束的频率最大，波长最短，所以B光束光子的动量最大，A选项正确；A、C两束光为同频率、同波长的光，由乙图可知，A、C两束光的波长比B光束的波长要长，B选项正确；由乙图可知，A光的饱和光电流最大，A光束中单位时间内产生的光电子数最多，C选项错误；三束光中，B光的频率最大，所以B光束照射光电管发出的光电子最大初动能最大，D选项错误；如果B光是氢原子由第2能级向基态跃迁时产生的，B光束的频率大于A、C光束，所以A光一定不是氢原子由高能级向基态跃迁时产生的，E选项正确． ‎ ‎【例3】．(多选)(2017年哈尔滨模拟)某种金属在光的照射下发生光电效应，其遏止电压Uc与入射光频率ν的关系图象如图所示，则由图象可知(　　)‎ A．任何频率的入射光都能发生光电效应 B．该金属的逸出功等于hν0‎ C．入射光的频率发生变化时，遏止电压不变 D．若已知电子电荷量e，就可以求出普朗克常量h ‎【答案】BD ‎【例4】(多选)(2017年益阳四月调研)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(直线与横轴的交点的横坐标为4.27，与纵轴的交点的纵坐标为0.5)，图乙是氢原子的能级图，下列说法正确的是(　　)‎ A．该金属的极限频率为4.27×1014 H ‎ B．根据该图线能求出普朗克常量 C．该金属的逸出功为0.5 eV D．用n＝3能级的氢原子跃迁到n＝2能级时所辐射的光照射该金属能使该金属发生光电效应 E．用频率ν＝5.5×1014 H 的光照射该金属时，该金属发出的光电子去激发处于n＝2能级的氢原子，可能使氢原子跃迁到n＝3能级 ‎【答案】ABD ‎3．(多选)用绿光照射一光电管，能产生光电效应．现在用如图所示的电路测遏止电压，则(　　)‎ A．改用红光照射，遏止电压会增大 B．改用紫光照射，遏止电压会增大 C．延长绿光照射时间，遏止电压会增大 D．增加绿光照射强度，遏止电压不变 ‎【答案】BD ‎【解析】根据光电效应方程E m＝hν－W0和eUc＝E m，得：Uc＝－，当入射光的频率大于极限频率时，遏止电压与入射光的频率成线性关系，与光的强度无关，故A、C错误，B、D正确． ‎ ‎【例5】}(2017年河南六市调研)用频率均为ν但强度不同的甲、乙两束光做光电效应实验，发现光电流与电压的关系如图所示，由图可知，________(选填“甲”或“乙”)光的强度大，已知普朗克常量为h，被照射金属的逸出功为W0，则光电子的最大初动能为________．‎ ‎【答案】甲　hν－W0‎ 规律总结 求解光电效应问题的五个决定关系 ‎(1)逸出功W0一定时，入射光的频率决定着能否产生光电效应以及光电子的最大初动能．‎ ‎(2)入射光的频率一定时，入射光的强度决定着单位时间内发射出来的光电子数．‎ ‎(3)爱因斯坦光电效应方程E ＝hν－W0.‎ ‎(4)光电子的最大初动能E 可以利用光电管用实验的方法测得，即E ＝eUc，其中Uc是遏止电压．‎ ‎(5)光电效应方程中的W0为逸出功，它与极限频率νc的关系是W0＝hνc.‎ 考点二　氢原子能级与原子跃迁 核心知识 玻尔理论的基本内容 能级假设：氢原子En＝，n为量子数．‎ 跃迁假设：hν＝E末－E初．‎ 轨道量子化假设：氢原子rn＝n2r1，n为量子数．‎ 规律方法 解决氢原子能级跃迁问题的四点技巧 ‎(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．‎ ‎(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N＝C＝.‎ ‎(4)计算能级能量时应注意：因一般取无穷远处为零电势参考面，故各能级的能量值均为负值；能量单位1 eV＝1.6×10－19 J.‎ 典例分析 ‎【例1】　(多选)(2017年湖北名校模拟)根据玻尔理论，以下说法正确的是(　　)‎ A．只要电子绕核运动有加速度，就要向外辐射电磁波 B．处于定态的原子，其电子做变速运动，但它并不向外辐射能量 C．原子内电子的可能轨道是不连续的 ‎ D．原子能级跃迁时，辐射或吸收光子的能量取决于两个轨道的能量差 E．处于激发态的原子，只要吸收任意频率的光子就能从低能级跃迁到高能级 ‎【答案】　BCD ‎【例2】　如图所示为氢原子能级的示意图，现有大量的氢原子处于n＝4的激发态，当向低能级跃迁时辐射出若干不同频率的光．关于这些光下列说法正确的是(　　)‎ A．最容易表现出衍射现象的光是由n＝4能级跃迁到n＝1能级产生的 B．频率最小的光是由n＝2能级跃迁到n＝1能级产生的 C．这些氢原子总共可辐射出3种不同频率的光 D．用n＝2能级跃迁到n＝1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 ‎【分析】　根据能级公式确定辐射光的波长和频率，利用发生干涉、衍射、光电效应的条件进行逐级判断．‎ ‎【答案】　D ‎【例3】根据玻尔原子结构理论，氦离子(He＋)的能级图如图所示，电子处在n＝3轨道上比处在n＝5轨道上离氦核的距离________(选填“近”或“远”)．当大量He＋处在n＝4的激发态时，由于跃迁所发射的谱线有________条．‎ ‎【答案】近　6‎ ‎【解析】根据玻尔理论，电子离原子核越远，原子所处的能级就越高，另外，处于n＝4能级的原子向基态跃迁时，会产生C＝6种谱线． ‎ ‎【例4】用频率为ν0的光照射大量处于基态的氢原子，在所发射的光谱中仅能观测到频率分别为ν1、ν2、ν3的三条谱线，且ν3>ν2>ν1，则(　　)‎ A．ν0<ν1 B．ν3＝ν2＋ν1‎ C．ν0＝ν1＋ν2＋ν3 D.＝＋ ‎【答案】B ‎【解析】因为仅发射出3种频率的光子，且ν3>ν2>ν1，所以hν3＝E3－E1，hν2＝E2－E1，hν1＝E3－E2，故hν3＝hν2＋hν1，即ν3＝ν2＋ν1，B正确，C、D错误．入射光子hν0＝hν3，所以ν0>ν1，A错误．‎ ‎【例5】．已知氢原子的基态能量为E1，激发态能量En＝，其中n＝2,3,4，….用h表示普朗克常量，c表示真空中的光速，能使氢原子从第一激发态电离的光子的最大波长为(　　)‎ A．－ B．－ ‎ C．－ D．－ ‎【答案】C ‎【解析】依题意可知第一激发态的能量为E2＝E1/22，要将其电离，需要的能量至少为ΔE＝0－E2＝hν，根据波长、频率与波速的关系c＝νλ，联立解得最大波长λ＝－，C正确． ‎ ‎【例6】．一个运动的处于基态的氢原子与另一个静止的处于基态的氢原子发生完全非弹性碰撞时，可使这两个氢原子发生相同的能级跃迁，则运动的氢原子碰撞前的最小动能是多少？已知氢原子的电离能E＝13.6 eV.‎ ‎【答案】 40.8 eV 规律总结 处理氢原子能级跃迁问题，应注意的问题 ‎(1)氢原子能量：氢原子在各个不同的能量状态对应不同的电子轨道，电子绕核做圆周运动的动能和系统的电势能之和即为原子的能量，即En＝E n＋Epn.‎ 电子绕核做圆周运动由库仑力提供向心力，‎ 有 ＝m.‎ 电子的动能E n＝mv＝.‎ 系统的电势能变化根据库仑力做功来判断：靠近核，库仑力对电子做正功，系统电势能减小；远离核，库仑力对电子做负功，系统电势能增大．‎ ‎(2)氢原子在跃迁时辐射或吸收光子的频率或波长的计算：首先由能级的高低或轨道半径的大小确定是吸收还是放出光子，然后由玻尔理论Em－En＝hν或Em－En＝h，求频率ν或波长λ.‎ ‎(3)辐射的光谱条数：一个氢原子核外只有一个电子，在一次跃迁时只能辐射或吸收一个光子，因而只能辐射或吸收某一特定频率的光谱．一个氢原子处于量子数为n的激发态时，可辐射的光谱条数为N＝n－1；而一群氢原子处于量子数为n的激发态时，由于向各个低能级跃迁的可能性均存在，因此可辐射的光谱条数为N＝.‎ ‎(4)吸收能量的选择性 用光子激发引起原子跃迁跟用电子碰撞引起原子跃迁不同，若是在光子的激发下引起原子的跃迁，则要求光子的能量必须等于原子的某两个能级的能量差，能量不等于两能级的能量差的光子不能被原子吸收而使其发生跃迁；若是在电子的碰撞下引起原子的跃迁，则要求电子的能量必须大于或等于原子的某两个能级的能量差，大于该能量差的剩余部分保留为电子的动能．若要使氢原子电离，只要光子能量大于或等于电离能即可，大于电离能的部分，成为逸出电子的初动能．‎ 考向点三　核反应、核能 核心知识 规律方法 核能的计算方法 ‎(1)根据爱因斯坦质能方程，用核反应的质量亏损的千克数乘以真空中光速c的平方，即ΔE＝Δmc2(J)；‎ ‎(2)根据1原子质量单位(u)相当于931.5兆电子伏(MeV)能量，用核反应的质量亏损的原子质量单位数乘以931.5 MeV，即ΔE＝Δm×931.5(MeV)； ‎ ‎(3)如果核反应时释放的核能是以动能形式呈现，则核反应过程中系统动能的增量即为释放的核能．‎ 典例分析 ‎【例1】　(2016年高考·课标全国卷Ⅱ)在下列描述核反应过程的方程中，属于α衰变的是________，属于β衰变的是________，属于裂变的是________，属于聚变的是________．(填正确【答案】标号)‎ A.C→N＋e B.P→S＋e C.U→Th＋He D.N＋He→O＋H E.U＋n→Xe＋Sr＋2n F.H＋H→He＋n ‎【答案】　C　AB　E　F ‎【例2】　(多选)关于核反应方程Th→Pa＋X＋ΔE(ΔE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.Pa没有放射性 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β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N0ΔE(N0数值很大)‎ D.Th的比结合能为 E.Th的化合物的半衰期等于T ‎【答案】　BCE ‎【解析】　电荷数大于83的都有放射性，A错误；X粒子是β粒子，它是由中子衰变成一个质子和电子，所以此核反应为β衰变，B正确；有半数原子核发生衰变的时间为半衰期，N0个Th经2T时间有N0个Th发生了衰变，故放出的核能为N0ΔE，C正确；根据比结合能的定义可知D错误；半衰期只与原子核有关，与元素所处状态无关，E正确． ‎ ‎【例3】．(多选)(2017年枣庄二中模拟) 家利用核反应获取氚，再利用氘和氚的核反应获得能量，核反应方程分别为X＋Y→He＋H＋4.9 MeV和H＋H→He＋X＋17.6 MeV.下列表述正确的有(　　)‎ A．X是中子 B．Y的质子数是3，中子数是6‎ C．两个核反应都没有出现质量亏损 D．氘和氚的核反应是核聚变反应 ‎【答案】AD ‎【解析】根据核反应方程：H＋H→H＋X，X的质量数：m1＝2＋3－4＝1，核电荷数： 1＝1＋1－2＝0，所以X是中子，故A正确；根据核反应方程：X＋Y→He＋H，X是中子，所以Y的质量数：m2＝4＋3－1＝6，核电荷数： 2＝2＋1－0＝3，所以Y的质子数是3，中子数是3，故B错误；根据两个核反应方程可知，都有大量的能量释放出来，所以一定都有质量亏损，故C错误；氘和氚的核反应过程中是质量比较小的核生成质量比较大的新核，所以是核聚变反应，故D正确． ‎ ‎【例4】．一静止的铝原子核Al俘获一速度为1.0×107m/s的质子p后，变为处于激发态的硅原子核Si .下列说法正确的是(　　)‎ A．核反应方程为p＋Al→Si ‎ B．核反应过程中系统动量守恒 C．核反应过程中系统能量不守恒 D．核反应前后核子数相等，所以生成物的质量等于反应物的质量之和 E．硅原子核速度的数量级为105 m/s，方向与质子初速度的方向一致 ‎【答案】ABE 例5．(多选)(2017年湖北六校调考)北京时间‎2011年3月11日13时46分，在日本本州岛附近海域发生里氏9.0级强烈地震，地震和海啸引发福岛第一核电站放射性物质泄漏，其中放射性物质碘131的衰变方程为I→Xe＋Y.根据有关放射性知识，下列说法正确的是 (　　)‎ A．Y粒子为β粒子 B．若I的半衰期大约是8天，取4个碘原子核，经16天就只剩下1个碘原子核了 C．生成的Xe处于激发态，放射γ射线，γ射线的穿透能力最强，电离能力也最强 D.I中有53个质子和131个核子 E．如果放射性物质碘131处于化合态，也不会对放射性产生影响 ‎【答案】ADE ‎【解析】A.I→Xe＋Y，根据衰变过程中质量数和电荷数守恒，Y粒子为β粒子，故A正确；B.半衰期是一个统计规律，只对大量的原子核才适用，对少数原子核是不适用的，所以，若取4个碘原子核，经16天剩下几个碘原子核无法预测，故B错误；C.生成的Xe处于激发态，还会放射γ射线，γ射线的穿透能力最强，γ射线是高能光子，即高能电磁波，它是不带电的，所以γ射线的电离作用很弱，故C错误；D.I中有53个质子，131表示质量数即核子数，故D正确；E.半衰期是放射性元素的基本性质，由放射性元素本身决定，与外部环境和所处状态无关，故E正确．‎ ‎【例6】．(2017年湖北八校联考)铀核裂变的一种方式是：‎ U＋n→Nd＋ r＋3n＋8X，该反应的质量亏损是0.2u,1u相当于931.5MeV的能量．‎ ‎①核反应方程中的X是________．‎ ‎②该反应放出的能量是________J．(结果保留3位有效数字)‎ ‎【答案】①e　②2.98×10－11 ‎ 规律总结 衰变及核反应方程的书写和核能的计算 ‎(1)原子核的衰变 ‎①衰变实质：α衰变是原子核中的2个质子和2个中子结合成一个氦核并射出；β衰变是原子核中的中子转化为一个质子和一个电子，再将电子射出；γ衰变伴随着α衰变或β衰变同时发生，不改变原子核的质量数与电荷数，以光子形式释放出衰变过程中产生的能量．‎ ‎②衰变的快慢由原子核内部因素决定，跟原子所处的物理、化 状态无关；半衰期是统计规律，对个别、少数原子无意义．‎ ‎(2)核反应方程的书写 ‎①核反应过程一般不可逆，所以核反应方程中用“→”表示方向而不能用等号代替． ‎ ‎②核反应方程遵循质量数、电荷数守恒，但核反应前后的总质量一般会发生变化(质量亏损)且释放出核能．‎ ‎③核反应的生成物一定要以实验为基础，不能只依据两个守恒规律凭空杜撰出生成物来写核反应方程．‎ ‎(3)核能的计算方法 ‎①根据爱因斯坦质能方程，用核反应的质量亏损的千克数乘以真空中光速c的平方，即ΔE＝Δmc2(J)．‎ ‎②根据1原子质量单位(u)相当于931.5兆电子伏(MeV)能量，用核反应的质量亏损的原子质量单位数乘以931.5 MeV，即ΔE＝Δm×931.5(MeV).‎ ‎③如果核反应时释放的核能是以动能形式呈现，则核反应过程中系统动能的增量即为释放的核能.‎