（浙江专用版）2020版高考物理复习专题六选修第15讲波粒二象性原子与原子核讲义.docx

第15讲波粒二象性原子与原子核相关知识链接1光电效应方程(1)光子：频率为的光子的能量为h.(2)方程表达式：hEkW0或EkhW0.2光的波粒二象性(1)大量光子易显示出波动性，而少量光子易显示出粒子性(2)波长长(频率低)的光波动性强，而波长短(频率高)的光粒子性强规律方法提炼1三个关系式(1)爱因斯坦光电效应方程：EkhW0(2)最大初动能与遏止电压：EkeUc(3)逸出功与极限频率：W0hc2两个图象(1)光电流与电压的关系，如图所示Im为饱和电流，由光照强度决定Uc为遏止电压，对应光电子的最大初动能，由光的频率决定(2)用图象表示光电效应方程，如图所示极限频率：图线与轴的交点的横坐标c；逸出功：图线与Ek轴交点的纵坐标的绝对值W0；普朗克常量：图线的斜率kh.3两条线索(1)光强大光子数目多发射光电子数多光电流大；(2)光子频率高光子能量大产生光电子的最大初动能大例1(多选)(2019嘉、丽3月联考)某同学用某一金属为阴极的光电管，观测光电效应现象，实验装置示意图如图甲所示测得该金属的遏止电压Uc与入射光频率之间的关系如图乙所示，已知普朗克常量h6.631034Js.则()A图甲中电极A为光电管的阳极B探究遏止电压Uc与入射光频率关系时，电源的左侧是正极C该金属的截止频率c为5.151014HzD该金属的逸出功为3.411019eV答案AC解析电子从金属板上射出后被电场加速，由此可知A板为正极即为阳极，故A正确；探究遏止电压Uc与入射光频率关系时，电源的左侧是阴极，故B错误；由EkhW0和eUcEk得：eUchW0，因此当遏止电压为零时，hcW0，由此，结合图中数据可知该金属的截止频率c为5.151014Hz，故C正确；根据图象可知截止频率c为5.151014Hz，则该金属的逸出功：W0hc6.6310345.151014J3.411019J2.13eV，故D错误例2(多选)(2017全国卷19)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ab，则一定有UaUbB若ab，则一定有EkaEkbC若UaUb，则一定有EkaEkbD若ab，则一定有haEkahbEkb答案BC解析由爱因斯坦光电效应方程得EkhW0，由动能定理得EkeU，若用a、b单色光照射同种金属时，逸出功W0相同当ab时，一定有EkaEkb，UaUb，故选项A错误，B正确；若UaUb，则一定有EkaEkb，故选项C正确；因逸出功相同，有W0haEkahbEkb，故选项D错误拓展训练1(2019四川省综合能力提升卷)用一种红光照射某种金属，发生了光电效应现改用紫色光照射该金属，下列说法正确的是()A若紫光强度较小，可能不会产生光电子B用红光照射时，该金属的逸出功小，用紫光照射时该金属的逸出功大C用紫光照射时，光电子的最大初动能更大D两种光比较，用红光照射产生的光电子的动能都比用紫光照射产生的光电子的动能小答案C解析因为紫光的频率大于红光的频率，红光照射某种金属，发生了光电效应，则紫光一定发生光电效应，选项A错误；某种金属的逸出功与入射光的频率无关，选项B错误；照射在都能产生光电效应的同一种金属上，紫光的光子能量较大，则用紫光照射时，光电子的最大初动能更大，选项C正确；两种光比较，用红光照射产生的光电子的最大初动能比用紫光照射产生的光电子的最大初动能小，但不一定用红光照射产生的光电子的动能都比用紫光照射产生的光电子的动能小，选项D错误拓展训练2(2019山东泰安市3月第一轮模拟)如图，用光电管进行光电效应实验，当用某一频率的光入射时，有光电流产生则饱和光电流()A与照射时间成正比B与入射光的强度无关C与入射光的强度成正比D与两极间的电压成正比答案C解析当某种频率的光入射到金属上能发生光电效应时，饱和光电流的大小只与入射光的强度有关，且与入射光的强度成正比，与光照时间以及光电管两极间的电压无关，故选C.拓展训练3(多选)如图所示，在光电效应实验中，某实验小组用同一光电管在不同实验条件下得到了三条光电流与电压之间的关系曲线(甲光、乙光、丙光)甲光、乙光、丙光对应的具有最大初动能的光电子德布罗意波波长分别记为甲、乙、丙则()A乙光的波长小于丙光的波长B甲、乙为同一频率的光，但甲光的强度比乙光大C甲光对应的光电子最大初动能大于丙光对应的光电子最大初动能D甲丙答案BD解析根据eUcEkhW0，入射光的频率越高，对应的遏止电压Uc越大甲光、乙光的遏止电压相等，所以甲光、乙光的频率相等，甲光的光电流比乙光大，则甲光的光照强度比乙光大；丙光的遏止电压大于乙光的遏止电压，所以丙光的频率大于乙光的频率，则乙光的波长大于丙光的波长；同一种金属，截止频率是相同的；丙光的遏止电压大于甲光的遏止电压，根据EkeUc知甲光对应的光电子最大初动能小于丙光的光电子最大初动能1玻尔理论的基本内容(1)能级假设：氢原子En(n为量子数)(2)跃迁假设：吸收或释放的能量hEmEn(mn)(3)轨道假设：氢原子rnn2r1(n为量子数)2两类能级跃迁(1)自发跃迁：高能级低能级，释放能量，发出光子光子的频率.(2)受激跃迁：低能级高能级，吸收能量光照(吸收光子)：光子的能量必须恰好等于能级差E.碰撞：只要入射粒子能量大于或等于能级差即可，E外E.大于电离能的光子被吸收，原子被电离3能级跃迁分析(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的绝对值(3)一群氢原子处于量子数为n的激发态时，可能辐射光子的种类NC.(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，故各个能级的能量值均为负值例3(2019山东日照市3月模拟)氢原子能级如图所示，一群氢原子处于n4能级上当氢原子从n4能级跃迁到n3能级时，辐射光的波长为1884nm，下列判断正确的是()A氢原子向低能级跃迁时，最多产生4种谱线B从高能级向低能级跃迁时，氢原子核一定向外放出能量C氢原子从n3能级跃迁到n2能级时，辐射光的波长大于1884nmD用从能级n2跃迁到n1辐射的光照射W逸6.34eV的铂，能发生光电效应答案D解析根据C6知，一群处于n4能级上的氢原子向低能级跃迁时最多产生6种谱线，故A错误；从高能级向低能级跃迁时，氢原子向外辐射能量，不是原子核辐射能量，故B错误；从n3能级跃迁到n2能级时的能级差大于n4能级跃迁到n3能级时的能级差，则从n3能级跃迁到n2能级比从n4能级跃迁到n3能级辐射出电磁波的频率大，波长短，即辐射光的波长小于1884nm，故C错误；从n2能级跃迁到n1能级辐射出的光子的能量为：EE2E13.4eV(13.6) eV10.2eV6.34eV，而使金属发生光电效应的条件是光子的能量大于电子的逸出功，故可以发生光电效应，故D正确拓展训练4(多选)以下说法中，属于玻尔所提出的原子模型理论的是()A原子处在具有一定能量的定态中，虽然电子做圆周运动，但不向外辐射能量B原子的不同能量状态与电子沿不同的圆轨道绕核运动相对应，而电子的可能轨道的分布是不连续的C电子从一个轨道跃迁到另一个轨道时，辐射(或吸收)一定频率的光子D电子跃迁时辐射的光子的频率等于电子绕核做圆周运动的频率答案ABC解析原子处于称为定态的能量状态时，虽然电子做圆周运动，但并不向外辐射能量，故A正确；原子的不同能量状态与电子沿不同的圆轨道绕核运动相对应，而电子的可能轨道的分布是不连续的，故B正确；电子从一个轨道跃迁到另一轨道时，辐射(或吸收)一定频率的光子，故C正确；电子跃迁时辐射的光子的频率等于能级差值，与电子绕核做圆周运动的频率无关，故D错误拓展训练5(2019四川宜宾市第二次诊断)玻尔首先提出能级跃迁如图所示为氢原子的能级图，现有大量处于n3能级的氢原子向低能级跃迁下列说法正确的是()A这些氢原子总共可辐射出三种不同频率的光B氢原子由n3能级跃迁到n2能级产生的光频率最大C氢原子由n3能级跃迁到n1能级产生的光波长最长D这些氢原子跃迁时辐射出光子能量的最大值为10.2eV答案A拓展训练6(2019山东临沂市2月质检)氢原子的能级图如图所示，不同色光的光子能量如下表所示色光红橙黄绿蓝靛紫光子能量范围(eV)1.612.002.002.072.072.142.142.532.532.762.763.10一群处于某激发态的氢原子，发射的光的谱线在可见光范围内只有1条，其颜色为()A红色B黄色C绿色D蓝靛答案A解析如果激发态的氢原子处于第二能级，能够发出10.2eV的光子，不属于可见光；如果激发态的氢原子处于第三能级，能够发出12.09eV、10.2eV、1.89eV的三种光子，只有1.89eV属于红色可见光；如果激发态的氢原子处于第四能级，能够发出12.75eV、12.09eV、10.2eV、2.55eV、1.89eV、0.66eV的六种光子，1.89eV和2.55eV属于可见光，1.89eV的光子为红光，2.55eV的光子为蓝靛则由题意，由于一群处于某激发态的氢原子，发射的光的谱线在可见光范围内只有1条，则一定对应着从第三能级到低能级的跃迁，其可见光的颜色为红光，故选A.拓展训练7(多选)(2019新高考研究联盟联考)氢原子能级图如图甲所示，一束光子能量为12.75eV的单色光照射处于基态的一群氢原子上，这群氢原子吸收光子后处于激发态，并能发出一系列的光子，发出的光子束照到逸出功为3.7eV的金属镁表面，部分入射光使镁发生了光电效应，若能使镁发生光电效应的其中一种频率的光为a光，不能使镁发生光电效应的其中一种频率的光为b光，则下列有关说法中正确的有()A氢原子吸收光子后所发出的光子频率有6种B有三种不同频率的光子可使镁发生光电效应Ca光和b光同时入射到同一平行玻璃砖中，如乙图所示，a光有可能在B界面处发生全反射，b光不可能Da、b光用同一装置进行双缝干涉实验，b光的明暗相间的条纹间距更小答案AB解析用能量为12.75eV的光子去照射大量处于基态的氢原子，氢原子能从基态跃迁到n4的激发态上去，向低能级跃迁时，共发射C6种波长不同的光，故A正确；从n4跃迁到n3辐射的光子能量为0.66eV，n3跃迁到n2辐射的光子能量为1.89eV，n4跃迁到n2辐射的光子能量为2.55eV，均小于3.7eV，不能使金属钾发生光电效应，其他三种光子能量都大于3.7eV，故B正确；根据光的可逆性可知，在B界面处入射角不可能大于或等于临界角，故不满足光的全反射条件，a光不可能在B界面处发生全反射，b光也不可能，故C错误；根据光的干涉条纹间距公式x，b光的明暗相间的条纹间距更大，故D错误相关知识链接1核反应的四种类型类型可控性核反应方程典例衰变衰变自发UThHe衰变自发ThPae人工转变(卢瑟福发现质子)人工控制NHeOH(卢瑟福发现质子)HeBeCn(查德威克发现中子)AlHePn约里奥居里夫妇发现放射性同位素，同时发现正电子PSie重核裂变比较容易进行人工控制UnBaKr3nUnXeSr10n轻核聚变现阶段很难控制HHHen2.原子核的衰变(1)衰变的实质：衰变为2H2nHe，即放出射线；衰变为nHe，即放出射线，在衰变或衰变过程中放出射线(2)衰变的快慢由原子核内部因素决定，与原子所处的物理、化学状态无关；半衰期是统计规律，对个别、少数原子无意义规律方法提炼1核反应方程解答技巧(1)熟记常见基本粒子的符号是正确书写核反应方程的基础如质子(H)、中子(n)、粒子(He)、粒子(e)、正电子(e)、氘核(H)、氚核(H)等(2)掌握核反应方程遵守的规律是正确书写核反应方程或判断核反应方程是否正确的依据，所以要理解并会应用质量数守恒和电荷数守恒(3)明白核反应过程是不可逆的，核反应方程只能用箭头连接并表示反应方向，不能用等号连接2核能的计算方法(1)根据Emc2计算时，m的单位是“kg”，c的单位是“m/s”，E的单位是“J”(2)根据Em931.5MeV计算时，m的单位是“u”，E的单位是“MeV”(3)根据核子比结合能来计算核能：原子核的结合能核子比结合能核子数例4(多选)(2019绍兴市3月选考)一座核电站反应堆产生的热功率为3400MW，发电功率为1100MW.已知一个铀235核裂变时释放的能量约为200MeV，下列说法正确的是()A核裂变的反应方程为UnBaKr2nB核反应后总质量增加了C核电站的发电效率约为32%D每秒钟约有1.11020个铀235核发生裂变答案CD解析根据质量数守恒和电荷数守恒，核裂变方程应为UnBaKr3n；由于释放核能，据Emc2，总质量一定减少；发电效率为100%32%；由PtnE，每秒发生的裂变的铀核为n1.11020个例5(2017全国卷15)一静止的铀核放出一个粒子衰变成钍核，衰变方程为，下列说法正确的是()A衰变后钍核的动能等于粒子的动能B衰变后钍核的动量大小等于粒子的动量大小C铀核的半衰期等于其放出一个粒子所经历的时间D衰变后粒子与钍核的质量之和等于衰变前铀核的质量答案B解析静止的铀核在衰变过程中，满足动量守恒的条件，根据动量守恒定律得pThp0，即钍核的动量和粒子的动量大小相等，方向相反，选项B正确；根据Ek可知，选项A错误；半衰期的定义是统计规律，对于一个粒子不适用，选项C错误；铀核在衰变过程中，伴随着一定的能量放出，即衰变过程中有一定的质量亏损，故衰变后粒子与钍核的质量之和小于衰变前铀核的质量，选项D错误拓展训练8(多选)(2019诸暨市期末)下列关于原子和原子核的说法正确的是()A太阳辐射的能量主要来源于轻核聚变B核裂变可能的方程为UBaKr2nC衰变所释放的电子是来自原子的内层电子D比结合能越大，原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定答案AD拓展训练9(多选)(2019台州市3月一模)居室装修中常用的大理石等天然石材，若含有铀、钍等元素就会释放出放射性气体氡，氡会通过人类呼吸进入人体并停留在体内发生衰变，放射出、射线这些射线会导致细胞发生变异，引起疾病下列相关说法正确的是()A放射性元素发生衰变时放出的射线具有波粒二象性B铀U衰变为氡Rn要经过4次衰变和2次衰变C放射性元素发生衰变时所释放的电子是原子核内的质子转变为中子时产生的D处于激发态的氡原子发出的某一单色光照射到某金属表面能发生光电效应，若这束光通过玻璃砖折射后，再射到此金属表面将不会再产生光电效应答案AB解析放射性元素发生衰变时放出的射线，属于实物粒子，也具有波粒二象性，故A正确；铀U衰变为氡Rn，质量数减小16，而质子数减小6，经过1次衰变，质量数减小4，质子数减小2，而1次衰变质量数不变，则质子数增大1，因此要经过4次衰变和2次衰变，故B正确；衰变时所释放的电子是原子核内的中子衰变为质子时产生的，故C错误；发出的某一单色光照射到某金属表面能发生光电效应，若这束光通过玻璃砖折射后，虽光速变化了，但其频率不变，再射到此金属表面，仍将会再产生光电效应，故D错误拓展训练10(2019福建泉州市第一次质量检查)重核裂变的一个核反应方程为UnXeSrxn，已知U、Xe、Sr的平均结合能分别为7.6MeV、8.4MeV、8.7MeV，则()A该核反应方程中x10B.U的中子数为92C该核反应中质量增加D.U的平均结合能比Xe小，U比Xe更稳定答案A专题强化练基础题组1(2019湖北天门、仙桃等八市第二次联考)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衰变放出粒子C粒子散射现象D光电效应现象答案B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，是由于原子内部电子运动产生的，与原子核内部变化无关，故A错误；衰变放出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；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2(多选)(2019金丽衢十二校联考)以下说法正确的是()A电子的发现使人们认识到了原子核有结构B光电效应显示了光的粒子性C随着温度的升高，黑体辐射的强度的极大值向波长较短的方向移动，而各种波长的辐射强度却减小D比结合能增加的核反应会释放出核能答案BD3(多选)(2019超级全能生2月联考)下列说法中正确的是()A根据甲图氢原子的电子云示意图可知，电子在玻尔理论中的某一轨道上稳定运动，应该是一个概率问题B根据乙图中原子核的比结合能示意图可知，Li原子核中的平均核子质量比O的要小C丙图中的链式反应要能持续，裂变物质必须要具有一定的体积或质量D根据丁图中氡的衰变可知，1g氡经过38天后还剩0.1g答案AC解析玻尔理论有一定的局限性，要适当修正，A正确；比结合能大，平均核子质量就小，越稳定，B错误；裂变反应进行要有临界体积，C正确；氡的半衰期是3.8天，1g氡经过38天后还剩()g，D错误4(多选)(2019嘉兴一中高三期末)如图所示，是某金属在光的照射下产生光电效应，其遏止电压Uc与入射光频率的关系图象则由图象可知()A遏止电压与入射光的频率无关B该金属的逸出功等于hcC图象的斜率表示普朗克常量hD入射光的频率为3c时，产生的光电子的最大初动能为2hc答案BD解析根据光电效应方程EkhW0，对照图象可知，该金属的逸出功W0hc，由于eUcEk，所以遏止电压Uc，当入射光的频率大于极限频率c时，遏止电压与入射光的频率成线性关系，故A错误，B正确；因为Uc，知图线的斜率等于，故C错误；从图上知，逸出功W0hc，根据光电效应方程，Ekhhc可知，入射光的频率为3c时，产生的光电子的最大初动能为2hc，故D正确5(2019四川省综合能力提升卷)氢原子的能级图如图所示，一个处于n3能级的氢原子向低能级跃迁，下列说法正确的是()A氢原子可能发出3种不同频率的光B已知钾的逸出功为2.22eV，则氢原子从n3能级跃迁到n2能级释放的光子可以从金属钾的表面打出光电子C氢原子从n2能级跃迁到n1能级释放的光子能量最小D氢原子由n3能级跃迁到n1能级时，产生的光的频率最高，波长最短答案D解析一个处于n3能级的氢原子向低能级跃迁，最多可辐射出两种频率的光子，即32,21，选项A错误；氢原子从n3能级跃迁到n2能级释放的光子能量为E321.51eV(3.40)eV1.89eV2.22eV，则氢原子从n3能级跃迁到n2能级释放的光子不能从金属钾的表面打出光电子，选项B错误；氢原子从n3能级跃迁到n2能级，能级差最小，释放的光子能量最小，选项C错误；从n3的能级跃迁到n1的能级时，能级差最大，辐射出的光的频率最高，波长最短，故D正确6.(多选)如图是氢原子的能级图，a是E4跃迁到E2时产生的光，b是E5跃迁到E3时产生的光钠的极限频率c5.531014Hz，普朗克常量h6.61034Js，电子电荷量e1.61019C，则()Aa光的频率大于b光的频率B在水中传播时，a光的速度大于b光的速度Ca光照射钠时能产生光电子，b光则不能Da光与b光的动量之比为97255答案AC解析根据EmEnh可知，氢原子从n4能级跃迁到n2能级的能量差大于从n5能级跃迁到n3能级的能量差，那么a光的能量大于b光的能量，则a光的频率大于b光的频率，故A正确；因b光的频率小，所以折射率也小，根据v，在水中传播时，则a光的速度小于b光的速度，故B错误；根据EmEnE，那么Ea2.55eV，而Eb0.97eV，金属钠的逸出功W0hc2.281eV，EaW0，EbW0，故a光照射钠时能产生光电子，b光则不能，故C正确；由p，解得：papb，故D错误7(2019湖北省稳派教育上学期第二次联考)如图所示为氢原子的能级图，用某种频率的光照射大量处于基态的氢原子，结果受到激发后的氢原子能辐射出三种不同频率的光子，让辐射出的光子照射某种金属，结果有两种频率的光子能使该金属发生光电效应，其中一种光子恰好能使该金属发生光电效应，则打出的光电子的最大初动能为()A12.09eVB10.2eVC1.89eVD0答案C解析因大量处于基态的氢原子受到激发后能辐射出三种不同频率的光子，故氢原子是从n3的能级向下能级跃迁，即可释放三种不同频率的光子；只有两种频率的光子能使金属发生光电效应，而其中一种光子恰好能使该金属发生光电效应，则说明该入射光的能量与金属的逸出功相等，由此分析可知这种光子是从n2跃迁到n1辐射的光子，则金属的逸出功为W013.6eV(3.4) eV10.2eV，而另一频率的光子是从n3跃迁到n1辐射的光子，此时辐射的能量为E13.6eV(1.51) eV12.09eV；故用此种光子照射该金属，则打出的光电子的最大初动能为Ek12.09eV10.2eV1.89eV，故选C.8(2018全国卷14)1934年，约里奥居里夫妇用粒子轰击铝核Al，产生了第一个人工放射性核素X：AlnX.X的原子序数和质量数分别为()A15和28B15和30C16和30D17和31答案B解析将核反应方程式改写成HeAlnX，由电荷数和质量数守恒知，X应为X.9(多选)(2019浙南名校联盟高三期末)如图是“慢中子”核反应堆的示意图，铀棒是核燃料，一种典型的铀裂变方程：UnBaKr3n，用重水做慢化剂可使快中子减速，假设中子与重水中的氘核(H)每次碰撞都是弹性正碰，而且认为碰撞前氘核是静止的，氘核的质量是中子的两倍，则下列说法正确的是()A钡核的比结合能比铀核的大B若碰撞前中子的动能为E0，经过一次弹性碰撞中子动能变成E0C镉棒插入深一些可增大链式反应的速度D水泥防护层可用来屏蔽裂变产物放出的射线答案ABD10(多选)(2019超级全能生2月联考)一定强度的激光(含有两种频率的复色光)沿半径方向入射到半圆形玻璃砖的圆心O点，如图甲所示现让经过玻璃砖后的A、B、C三束光分别照射相同的光电管的阴极(如图乙所示)，其中C光照射恰好有光电流产生，则()AB光照射光电管的阴极，一定有光电子打出BA光和C光分别照射光电管的阴极时，A光打出的光电子的最大初动能较大C入射光的入射角从0开始增大，C光比B光先消失D若是激发态的氢原子直接跃迁到基态辐射出B光、C光，则C光对应的能级较高答案CD解析根据几何光学知识可知，A光是含有两种频率的复色光，B光和C光是单色光，且C光折射率大，频率高，C光照射光电管恰好有光电流产生，用B光照射同一光电管，不能发生光电效应，A错误；若是激发态的氢原子直接跃迁到基态辐射出B光、C光，则C光对应的能级较高，D正确；由sinC可知，若入射光的入射角从0开始增大，C光比B光先消失，C正确；A光和C光分别照射光电管的阴极时，打出光电子的最大初动能是相等的，都由C光的频率决定，B错误能力题组11(2018全国卷17)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1.281019J已知普朗克常量为6.631034Js，真空中的光速为3.00108ms1.能使锌产生光电效应的单色光的最低频率约为()A11014HzB81014HzC21015HzD81015Hz答案B解析设单色光的最低频率为0，由EkhW0知Ekh1W0,0hcW0，又知1，整理得c，解得c81014Hz.12(2019宁波市“十校联考”)以往我们认识的光电效应是单光子光电效应，即一个电子在极短时间内只能吸收到一个光子而从金属表面逸出强激光的出现丰富了人们对于光电