高考原子物理

专题十三原子物理 物理 专题十三原子物理 考情精解读 A 考点帮 知识全通关 目录CONTENTS 考纲要求 命题规律 命题分析预测 考点1光电效应 波粒二象性 考点2原子结构 氢原子光谱 考点3天然放射现象 核反应 核能 核心素养聚焦 方法1光电效应问题的求解方法 方法2能级跃迁问题的求解方法 方法3核反应与核能问题的求解方法 B 方法帮 题型全突破 C 考法帮 考向全扫描 考向1对重大科学发现史的考查 考向2对光电效应的考查 考向3对能级和能级跃迁的综合考查 物理专题十三 原子物理 考向4对核反应及核能的考查 考情精解读 考纲要求核心考点命题规律考向必究核心素养聚焦命题分析预测 物理专题十三 原子物理 1 氢原子光谱 2 氢原子的能级结构 能级公式 3 原子核的组成 放射性 原子核的衰变 半衰期 4 放射性同位素 5 核力 核反应方程 6 结合能 质量亏损 7 裂变反应和聚变反应 裂变反应堆 8 射线的危害和防护 9 光电效应 10 爱因斯坦光电效应方程 考纲要求 命题规律 物理观念1 了解光电效应 波粒二象性 原子的核式结构 放射性和核衰变 核反应 2 掌握光电效应方程 核衰变 核反应等规律 3 更好地形成物质观念 运动与相互作用观念及能量观念 科学思维1 运用光电效应方程 核衰变 核反应等规律求解问题 2 领会模型建构 科学推理 科学论证 质疑创新等在人类探索微观世界过程中的作用 3 运用电荷守恒和能量守恒思想分析求解原子物理问题 核心素养聚焦 高考对原子结构和能级部分的考查重点为 对 粒子散射实验的理解 原子的核式结构学说 能级 光子的发射与吸收 可以是对本部分内容的单独考查 也可以与磁场 动量 几何光学 光电效应 电磁波谱等知识相结合进行综合考查 以选择题或计算题的形式出现 天然放射现象 核反应和核能部分主要是单独考查 但试题往往灵活多变 且常与最新时事相结合 考查对相关知识的理解和应用能力 一般以选择题的形式出现 命题分析预测 A 考点帮 知识全通关 考点1光电效应 波粒二象性考点2原子结构 氢原子光谱考点3天然放射现象 核反应 核能 物理专题十三 原子物理 1 光本性学说的发展简史 考点1光电效应 波粒二象性 2 光电效应现象中的几个概念 1 光电效应 在光的照射下金属发射电子的现象叫做光电效应 发射出来的电子叫做光电子 2 极限频率 能使某种金属发生光电效应的最小频率叫做该种金属的极限频率 3 逸出功 电子从金属中逸出所需做功的最小值叫做该金属的逸出功 4 遏止电压 使光电流减小到零时的反向电压称为遏止电压 5 光子说 在空间传播的光不是连续的 而是一份一份的 每一份叫做一个光量子 简称光子 光子的能量E h 3 光电效应方程 Ek h W0 Ek为光电子的最大初动能 为入射光的频率 W0为金属的逸出功 物理专题十三 原子物理 4 对光电效应实验规律的理解 1 任何一种金属 都有一个与之对应的极限频率 用低于这个频率的光照射该金属不能发生光电效应 所以判断是否发生光电效应应该比较题目中给出的入射光频率和对应金属的极限频率的大小 2 光电子的最大初动能与入射光的强度无关 只随着入射光频率的增大而增大 3 入射光照射到金属上时 光电子的发射几乎是瞬时的 一般不超过10 9s 5 光电效应中应区分的几个概念 1 光子与光电子光子指光在空间传播时的每一份能量 光子不带电 光电子是金属表面受到光照射时发射出来的电子 光子是光电效应的因 光电子是果 物理专题十三 原子物理 2 光电子的动能与光电子的最大初动能光照射到金属表面时 电子吸收光子的能量 可能向各个方向运动 向外飞出时 需克服原子核的引力和其他原子的阻碍作用而损失一部分能量 剩余部分能量为光电子的初动能 只有金属表面的电子直接向外飞出时 即电子只需克服原子核的引力做功 光电子才具有最大初动能 3 光电流和饱和电流从金属板中飞出的光电子到达阳极 回路中便产生光电流 随着所加正向电压的增大 光电流趋于一个饱和值 这个饱和值是饱和电流 在一定的光照条件下 饱和电流与所加电压大小无关 4 入射光强度与光子能量入射光强度指单位时间内照射到金属表面单位面积上的总能量 光子能量即每个光子的能量 光的总能量等于光子能量与入射光子数的乘积 物理专题十三 原子物理 6 康普顿效应 物理专题十三 原子物理 物理专题十三 原子物理 物理专题十三 原子物理 7 光的波粒二象性 物质波 1 光的波粒二象性 物理专题十三 原子物理 考点2原子结构 氢原子光谱 1 原子的核式结构模型 1 1909 1911年 英国物理学家卢瑟福进行了 粒子散射实验 提出了核式结构模型 2 粒子散射实验 a 实验装置 如图所示 b 实验结果 粒子穿过金箔后 绝大多数沿原方向前进 少数发生较大角度偏转 极少数偏转角度大于90 甚至被弹回 3 核式结构模型 原子中心有一个很小的核 叫做原子核 原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里 带负电的电子在核外空间绕核旋转 物理专题十三 原子物理 学科素养 科学探究实验选用金箔的原因 1 金的延展性好 容易做成很薄的箔 实验用的金箔厚度大约是10 7m 2 金原子带的正电荷多 与 粒子间的库仑力大 3 金原子质量大约是 粒子质量的50倍 因而惯性大 粒子运动状态容易改变 物理专题十三 原子物理 物理专题十三 原子物理 物理专题十三 原子物理 考点3天然放射现象 核反应 核能 1 三种射线的比较 学科素养 科学态度与责任放射性同位素的应用与防护1 应用 1 利用射线 射线具有很强的电离作用 可用于消除有害静电 还可用于火警报警器 射线有很强的贯穿本领 可用于工业探伤 2 作为示踪原子 同位素具有相同的化学性质 可用放射性同位素代替非放射性同位素作为示踪原子 2 防护放射性物质对人体组织是有伤害的 主要应用于农业生产和疾病诊断 要防止放射性物质对水源 空气 用具和工作场所的污染 物理专题十三 原子物理 物理专题十三 原子物理 物理专题十三 原子物理 物理专题十三 原子物理 特征 半衰期只由核内部自身的因素决定 与原子所处的化学状态和外部条件无关 4 四种核反应类型的区分与典例 物理专题十三 原子物理 续表 物理专题十三 原子物理 掌握核反应方程遵循的规律是正确书写核反应方程或判断某个核反应方程是否正确的依据 所以要理解并应用好质量数守恒和电荷数守恒的规律 熟悉核反应的四种基本类型 可以帮助我们理清思路 很快写出正确的核反应方程 2 书写核反应方程的注意事项 必须遵循电荷数守恒和质量数守恒规律 有的核反应方程还要考虑能量守恒定律 例如 裂变和聚变方程常含能量项 方程中的箭头 表示核反应进行的方向 不要把箭头写成等号 写核反应方程必须有实验依据 决不能毫无根据地编造 6 核能 1 核力的特点 核力是强相互作用 强力 的一种表现 在原子核的尺度内 核力比库仑力大得多 物理专题十三 原子物理 核力是短程力 作用范围在1 5 10 15m之内 核力在距离大于0 8 10 15m时表现为吸引力 且随距离的增大而减小 超过1 5 10 15m 核力急剧下降 几乎消失 在距离小于0 8 10 15m时 核力表现为斥力 因此核子不会融合在一起 每个核子只跟相邻的核子发生核力作用 这种性质称为核力的饱和性 质子间 中子间 质子和中子间都存在核力 2 结合能 结合能 核子结合成原子核时放出一定的能量 原子核分解成核子时吸收一定能量 这种能量叫结合能 平均结合能 比结合能 原子核的结合能与其核子数之比 称为比结合能 也叫平均结合能 说明 平均结合能越大 表示原子核中核子结合得越牢固 原子核越稳定 物理专题十三 原子物理 3 核能的计算 爱因斯坦质能方程 质量亏损 核子结合生成原子核 所生成的原子核的质量比组成它的核子的总质量要小些 这种现象叫做质量亏损 爱因斯坦质能方程 物体的能量和质量之间存在着密切的联系 它们之间的关系是E mc2或 E mc2 这就是著名的爱因斯坦质能方程 在计算核能时 可以先计算亏损质量 m 再代入质能方程中即可求出核能 物理专题十三 原子物理 B 方法帮 题型全突破 方法1光电效应问题的求解方法方法2能级跃迁问题的求解方法方法3核反应与核能问题的求解方法 物理专题十三 原子物理 方法1光电效应问题的求解方法 方法解读 1 光电效应规律的两条线索 1 入射光频率 决定光子能量 决定光电子的最大初动能 2 入射光强度 决定单位时间内接收的光子数 决定单位时间内发射的光电子数 决定饱和电流 即 方法1光电效应问题的求解方法 方法1光电效应问题的求解方法 3 光电效应的图象 方法1光电效应问题的求解方法 续表 题型1光电管两端加正向电压问题示例1如图所示是光电管的原理图 已知当有波长为 0的光照到阴极K上时 电路中有光电流 则A 若换用波长为 1 1 0 的光照射阴极K时 电路中一定没有光电流B 若换用波长为 2 2 0 的光照射阴极K时 电路中一定有光电流C 增加光电管两端电压 电路中光电流一定增大D 减小光电管两端电压 电路中光电流一定减小 物理专题十三 原子物理 数学第四章 三角函数 物理专题十三 原子物理 获取正能量所谓光电管两端接正向电压指的是 阴极K接电源负极 阳极A接电源正极 光电子在阴极K被光子打出来之后 会在正向电压的作用下加速向阳极A运动 从而使电路导通出现光电流 电流表有示数 这里有两个需要注意的地方 一是光电流达到饱和前 增大电压 光电流会增大 之后再增大电压 光电流保持不变 二是在保持正向电压不变的情况下 若增加光强 光电流会增大 数学第四章 三角函数 物理专题十三 原子物理 测试硬实力1 多选 如图所示为光电效应的电路图 分别用波长为 0 1 2的单色光做实验 已知 1 0 2 当开关闭合后 用波长为 0的单色光照射光电管的阴极K时 电流表有示数 则下列说法正确的是 A 光电管阴极材料的逸出功与入射光无关B 若用波长为 1的单色光进行实验 则电流表的示数一定为零C 若仅增大电源的电动势 则电流表的示数一定增大D 若仅将电源的正 负极对调 则电流表的示数可能为零 数学第四章 三角函数 物理专题十三 原子物理 题型2光电管两端加反向电压问题示例2如图所示 当开关S断开时 用光子能量为4 5eV的一束光照射阴极K 发现电流表读数不为零 合上开关 调节滑动变阻器 发现当电压表读数小于1 60V时 电流表读数仍不为零 当电压表读数大于或等于1 60V时 电流表读数为零 求 1 此时光电子的最大初动能 2 该阴极材料的逸出功 物理专题十三 原子物理 数学第四章 三角函数 物理专题十三 原子物理 数学第四章 三角函数 物理专题十三 原子物理 题型3光电效应的图象问题考法示例3用如图甲所示的电路研究光电效应中光电流大小与照射光的强弱 频率等物理量的关系 图中A K两极间的电压大小可调 电源的正 负极也可以对调 分别用a b c三束单色光照射 调节A K间的电压U 得到光电流I与电压U的关系如图乙所示 由图可知A 单色光a和c的频率相同 但a更强些B 单色光a和c的频率相同 但a更弱些C 单色光b的频率小于a的频率D 改变电源的极性不可能有光电流产生图甲图乙 物理专题十三 原子物理 解析由题图乙可知 a c的遏止电压相同 根据光电效应方程可知单色光a和c的频率相同 但a产生的光电流大 说明a的强度大 选项A正确 B错误 b的遏止电压大于a c的遏止电压 所以单色光b的频率大于a的频率 选项C错误 只要光的频率不变 改变电源的极性 仍可能有光电流产生 选项D错误 答案A获取正能量解答本题要从三个方面入手 一是明确 遏止电压 最大初动能 光电流 电压 的意义及影响它们大小的因素 二是明确题给图象的含义 知道遏止电压大 光的频率大 三是明确发生光电效应的条件 数学第四章 三角函数 物理专题十三 原子物理 3 多选 在做光电效应的实验时 某金属被光照射发生了光电效应 实验测得光电子的最大初动能Ek与入射光的频率 的关系如图所示 其中a b已知 光速为c 由实验图线可求出 A 该金属的极限频率和极限波长B 普朗克常量C 该金属的逸出功D 单位时间内逸出的光电子数 数学第四章 三角函数 物理专题十三 原子物理 方法2能级跃迁问题的求解方法 方法1匀变速直线运动规律的应用方法 3 直接跃迁与间接跃迁原子从一个能量状态跃迁到另一个能量状态时 可能是直接跃迁 也可能是间接跃迁 两种情况下辐射或吸收光子的频率可能不同 所谓直接跃迁 就是从一个定态直接跃迁至另一个定态 辐射一种光子 所辐射的光子能量等于两个定态的能量差 所谓间接跃迁 是指从一定态 先跃迁到中间某一定态 再跃迁至另一定态 辐射两种以上光子 辐射的每种光子能量都等于跃迁时两个定态的能量差 4 原子跃迁与电离 1 根据玻尔的原子理论 当原子从低能级向高能级跃迁时 必须吸收光子 能量 才能实现 相反 从高能级向低能级跃迁时 必定辐射光子 原子跃迁时 不论是吸收光子还是辐射光子 其光子的能量必须满足h Em En 方法2能级跃迁问题的求解方法 方法1匀变速直线运动规律的应用方法 2 原子电离 就是原子中的电子脱离原子核的束缚而成为自由电子 原子电离时 原子结构被破坏 因而不再遵循原子结构的相关理论 也不再受 h Em En 这个条件的限制 但是 要将处于某一定态的原子的电子电离出去 就必须给原子一定的能量 这个能量至少为 En 例如 要使基态氢原子中的电子电离 所给能量至少为氢原子从n 1的基态变化到n 的状态所需的能量 这个能量的大小为13 6eV 方法2能级跃迁问题的求解方法 方法1匀变速直线运动规律的应用方法 5 光子与电子激发若是在光子的激发下跃迁 则光子能量应满足h E初 E终 若是在电子的碰撞下引起原子跃迁 则要求电子的能量大于或等于原子的某两个能级差即可 例如 用能量为10 2eV的光子照射处于基态的氢原子 可使基态的氢原子跃迁到n 2的激发态 如果光子的能量是10 3eV 则不能使基态的氢原子发生跃迁 但是 用能量为10 3eV的外来电子就可以将10 2eV的能量传递给基态的氢原子而使其跃迁到n 2的激发态 使氢原子跃迁后的电子还剩下0 1eV的能量 方法2能级跃迁问题的求解方法 题型4玻尔原子模型及定态问题分析示例4氢原子辐射出一个光子后 根据玻尔理论 正确的判断是A 电子绕核运动的轨道半径增大B 电子的动能增大C 氢原子的电势能增大D 氢原子的能级升高 数学第四章 三角函数 物理专题十三 原子物理 数学第四章 三角函数 物理专题十三 原子物理 测试硬实力4 玻尔原子理论的轨道量子化条件可以表述为 电子绕原子核 可看作静止 做圆周运动的轨道周长为电子物质波波长的整数倍 即2 rn n n n 1 2 3 其中rn是第n个能级对应的轨道半径 若已知静电力常量为k 普朗克常量为h 电子电荷量为e 电子质量为m 不考虑相对论效应 试求 1 氢原子第n个能级对应的轨道半径rn的表达式 2 氢原子第n个能级对应的电子环绕原子核运动的周期Tn的表达式 数学第四章 三角函数 物理专题十三 原子物理 题型5氢原子的能级及跃迁示例5 多选 如图为氢原子能级图 下列说法正确的是A 一个处于n 3能级的氢原子 可以吸收一个能量为0 7eV的光子B 大量处于n 3能级的氢原子 跃迁到基态的过程中可以释放出3种频率的光子C 氢原子从高能级向低能级跃迁的过程中释放的光子的能量不可能大于13 6eVD 用能量为10eV和3 6eV的两种光子同时照射大量氢原子 有可能使处于基态的氢原子电离 数学第四章 三角函数 物理专题十三 原子物理 数学第四章 三角函数 物理专题十三 原子物理 测试硬实力5 如图所示为氢原子的能级图 以下判断正确的是 A 用光子能量为13 06eV的光照射一群处于基态的氢原子时 氢原子辐射的光子可能有10种B 大量处于n 5能级的氢原子向基态跃迁时 可能辐射出5种不同频率的光子C 氢原子从n 4能级跃迁到基态时 要吸收光子D 氢原子由较高能级跃迁到较低能级时 会辐射一定频率的光子 同时核外电子的电势能增加 动能减少 数学第四章 三角函数 物理专题十三 原子物理 方法3核反应与核能问题的求解方法 方法3核反应与核能问题的求解方法 方法3核反应与核能问题的求解方法 3 计算半衰期时应注意以下两点 不能认为放射性元素的半衰期就是其原子核全部衰变所需时间的一半 不能认为半衰期就是一个放射性元素的原子核衰变到稳定核所经历时间的一半 因为半衰期是大量的原子核发生衰变的统计规律 对于单个原子核 半衰期是没有意义的 3 对质能方程的理解和应用 1 应用质能方程解题的流程图 方法3核反应与核能问题的求解方法 用 E mc2计算时 m的单位是 kg c的单位是 m s E的单位是 J 用 E m 931 5MeV计算时 m的单位是 u E的单位是 MeV 1u相当于931 5MeV的能量 2 根据比结合能来计算核能 原子核的结合能 比结合能 核子数 3 利用质能方程计算核能时 不能用质量数代替质量进行计算 物理专题十三 原子物理 物理专题十三 原子物理 物理专题十三 原子物理 题型7半衰期的理解与应用示例7 多选 地球的年龄到底有多大 科学家利用天然放射性元素的衰变规律 通过对目前发现的最古老的岩石中铀和铅含量的测定 推算出该岩石中含有的铀是岩石形成初期时 岩石形成初期时不含铅 的一半 铀238衰变后变成铅206 铀238的相对含量随时间变化的规律如图所示 图中N为铀238的原子数 N0为铀和铅的原子总数 由此可以判断出致命剂量 A 铀238的半衰期为90亿年B 地球的年龄大致为45亿年C 被测定的古老岩石样品在90亿年时的铀 铅原子数之比约为1 4D 被测定的古老岩石样品在90亿年时的铀 铅原子数之比约为1 3 物理专题十三 原子物理 物理专题十三 原子物理 测试硬实力7 2015山东高考 39 1 4分 多选 14C发生放射性衰变成为14N 半衰期约5700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 该古木的年代距今约5700年B 12C 13C 14C具有相同的中子数C 14C衰变为14N的过程中放出 射线D 增加样品测量环境的压强将加速14C的衰变 物理专题十三 原子物理 题型8核能的计算示例8两个动能均为0 35MeV的氘核对心碰撞 聚变后生成氦核 同时放出一个中子 已知氘核的质量为3 3436 10 27kg 氦核的质量为5 0049 10 27kg 中子质量为1 6749 10 27kg 设聚变中放出的能量全部转化为氦核和中子的动能 求氦核的动能是多少 数学第四章 三角函数 物理专题十三 原子物理 数学第四章 三角函数 物理专题十三 原子物理 答案1 22MeV获取正能量解决和核反应有关的动力学和能量问题时 要正确分析题给条件和核反应方程 选取合适的研究对象 列出动量守恒方程 找出相关物理量之间的关系 再列出能量守恒方程综合求解 题目中常涉及核能的计算 先找出质量亏损 再运用爱因斯坦质能方程求解即可 数学第四章 三角函数 物理专题十三 原子物理 C 考法帮 素养大提升 考向1对重大科学发现史的考查考向2对光电效应的考查考向3对能级和能级跃迁的综合考查考向4对核反应及核能的考查 物理专题十三 原子物理 本专题高考命题主要涉及光电效应现象 爱因斯坦光电效应方程 原子跃迁及能级问题 核反应方程 核能的计算 原子核的衰变等内容 以考查知识的识记 理解为主 以经典物理理论和最新科技成果为背景命题的趋势较强 考情揭秘 考向1对重大科学发现史的考查 考向1对重大科学发现史的考查 真题感悟人类探索自然奥秘时的重大发现和重大发明创造 对社会文明进步做出了巨大贡献 加强对这方面的考查 引领学生形成科学态度与责任 建立科学世界观和正确的价值观 是核心素养的重要要求 也是高考命题的重要趋势 真题链接1 2015天津高考 1 6分 物理学重视逻辑 崇尚理性 其理论总是建立在对事实观察的基础上 下列说法正确的是 A 天然放射现象说明原子核内部是有结构的B 电子的发现使人们认识到原子具有核式结构C 粒子散射实验的重要发现是电荷是量子化的D 密立根油滴实验表明核外电子的轨道是不连续的 考向1对重大科学发现史的考查 示例10 2017全国卷 19 6分 多选 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 a b 则一定有Ua b 则一定有Eka EkbC 若Ua b 则一定有h a Eka h b Ekb 考向2对光电效应的考查 思维导引遏止电压与最大初动能的关系为eU Ek 入射光的频率与最大初动能的关系为h W0 Ek 联立两个关系式即可分析问题 解析爱因斯坦光电效应方程Ek h W0 又由动能定理有Ek eU 当 a b时 Eka Ekb Ua Ub A错误 B正确 若Ua Ub 则有Eka Ekb C正确 同种金属的逸出功不变 则W0 h Ek不变 D错误 答案BC 考向2对光电效应的考查 真题感悟光电效应现象及其规律是高考考查的热点 多以选择题的形式出现 考查重点在对其理论要点的理解上 特别要注意如下几点 1 发生光电效应的条件是入射光的频率大于金属的极限频率 2 光的强弱只影响单位时间内发出光电子数目的多少 3 光电子的最大初动能和遏止电压由入射光的频率和金属的逸出功决定 4 逸出功由金属本身决定 与光的频率无关 真题链接2 2018全国卷 17 6分 用波长为300nm的光照射锌板 电子逸出锌板表面的最大初动能为1 28 10 19J 已知普朗克常量为6 63 10 34J s 真空中的光速为3 00 108m s 1 能使锌产生光电效应的单色光的最低频率约为 A 1 1014HzB 8 1014HzC 2 1015HzD 8 1015Hz 考向2对光电效应的考查 示例11 2014山东高考 39 1 4分