重难点14 近代物理初步 （教师版含解析）-高考物理专练(新高考专用)

高考物理【热点·重点·难点】专练(新高考专用)重难点14近代物理初步【知识梳理】一、氢原子光谱、氢原子的能级、能级公式1．原子的核式结构(1)电子的发现：英国物理学家汤姆孙发现了电子。(2)α粒子散射实验：1909～1911年，英国物理学家卢瑟福和他的助手进行了用α粒子轰击金箔的实验，实验发现绝大多数α粒子穿过金箔后基本上仍沿原来方向前进，但有少数α粒子发生了大角度偏转，偏转的角度甚至大于90°，也就是说它们几乎被“撞”了回来。(3)原子的核式结构模型：在原子中心有一个很小的核，原子全部的正电荷和几乎全部质量都集中在核里，带负电的电子在核外空间绕核旋转。2．光谱(1)光谱用光栅或棱镜可以把光按波长展开，获得光的波长(频率)和强度分布的记录，即光谱。(2)光谱分类有些光谱是一条条的亮线，这样的光谱叫做线状谱。有的光谱是连在一起的光带，这样的光谱叫做连续谱。(3)氢原子光谱的实验规律巴耳末线系是氢原子光谱在可见光区的谱线，其波长公式eq\f(1,λ)＝Req\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,22)－\f(1,n2)))，(n＝3,4,5，…)，R是里德伯常量，R＝1.10×107m－1，n为量子数。3．玻尔理论(1)定态：原子只能处于一系列不连续的能量状态中，在这些能量状态中原子是稳定的，电子虽然绕核运动，但并不向外辐射能量。(2)跃迁：原子从一种定态跃迁到另一种定态时，它辐射或吸收一定频率的光子，光子的能量由这两个定态的能量差决定，即hν＝Em－En。(h是普朗克常量，h＝6.63×10－34J·s)(3)轨道：原子的不同能量状态跟电子在不同的圆周轨道绕核运动相对应。原子的定态是不连续的，因此电子的可能轨道也是不连续的。4．氢原子的能级、能级公式(1)氢原子的能级能级图如图所示(2)氢原子的能级和轨道半径①氢原子的能级公式：En＝eq\f(1,n2)E1(n＝1,2,3，…)，其中E1为基态能量，其数值为E1＝－13.6eV。②氢原子的半径公式：rn＝n2r1(n＝1,2,3，…)，其中r1为基态半径，又称玻尔半径，其数值为r1＝0.53×10－10m。二、原子核的组成、放射性、原子核的衰变、半衰期、放射性同位素1．原子核的组成：原子核是由质子和中子组成的，原子核的电荷数等于核内的质子数。2．天然放射现象(1)天然放射现象元素自发地放出射线的现象，首先由贝克勒尔发现。天然放射现象的发现，说明原子核具有复杂的结构。(2)放射性和放射性元素物质发射某种看不见的射线的性质叫放射性。具有放射性的元素叫放射性元素。(3)三种射线：放射性元素放射出的射线共有三种，分别是α射线、β射线、γ射线。(4)放射性同位素的应用与防护①放射性同位素：有天然放射性同位素和人工放射性同位素两类，放射性同位素的化学性质相同。②应用：消除静电、工业探伤、作示踪原子等。③防护：防止放射性对人体组织的伤害。3．原子核的衰变(1)衰变：原子核放出α粒子或β粒子，变成另一种原子核的变化称为原子核的衰变。(2)分类α衰变：eq\o\al(A,Z)X→eq\o\al(A－4,Z－2)Y＋eq\o\al(4,2)Heβ衰变：eq\o\al(A,Z)X→eq\o\al(A,Z＋1)Y＋eq\o\al(0,－1)e(3)半衰期：放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间。半衰期由原子核内部的因素决定，跟原子所处的物理、化学状态无关。三、核力、结合能、质量亏损1．核力(1)定义：原子核内部，核子间所特有的相互作用力。(2)特点：①核力是强相互作用的一种表现；②核力是短程力，作用范围在1.5×10－15m之内；③每个核子只跟它的相邻核子间才有核力作用。2．结合能核子结合为原子核时释放的能量或原子核分解为核子时吸收的能量，叫做原子核的结合能，亦称核能。3．比结合能(1)定义：原子核的结合能与核子数之比，称做比结合能，也叫平均结合能。(2)特点：不同原子核的比结合能不同，原子核的比结合能越大，表示原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定。4．质能方程、质量亏损爱因斯坦质能方程E＝mc2，原子核的质量必然比组成它的核子的质量和要小Δm，这就是质量亏损。由质量亏损可求出释放的核能ΔE＝Δmc2。四、裂变反应和聚变反应、裂变反应堆核反应方程1．重核裂变(1)定义：质量数较大的原子核受到高能粒子的轰击而分裂成几个质量数较小的原子核的过程。(2)典型的裂变反应方程：eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(89,36)Kr＋eq\o\al(144,56)Ba＋3eq\o\al(1,0)n。(3)链式反应：由重核裂变产生的中子使裂变反应一代接一代继续下去的过程。(4)临界体积和临界质量：裂变物质能够发生链式反应的最小体积及其相应的质量。(5)裂变的应用：原子弹、核反应堆。(6)反应堆构造：核燃料、减速剂、镉棒、防护层。2．轻核聚变(1)定义：两轻核结合成质量较大的核的反应过程。轻核聚变反应必须在高温下进行，因此又叫热核反应。(2)典型的聚变反应方程：eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)n＋17.6MeV【命题特点】考查以选择题为主，主要是识记光电效应、玻尔理论、原子核衰变、核反应和核能基本概念和基本结论。【限时检测】(建议用时：30分钟)一、单选题1．(2021·湖北宜昌市·高三月考)2020年12月4日14时02分，新一代“人造太阳”装置——中国环流器二号M装置(HL-2M)在成都建成并实现首次放电，标志着中国自主掌握了大型先进托卡马克装置的设计、建造和运行技术，其发生的可控核聚变方程为：(X表示某种粒子)，则下列说法正确的是()A．X为质子 B．该核反应不存在质量亏损C．该核反应是我国秦山核电站利用核能的方式 D．原子核比原子核稳定【答案】D【解析】A．根据核反应的质量数和电荷数守恒可知，X的质量数为1，电荷数为0，为中子，选项A错误；B．该核反应放出能量，存在质量亏损，选项B错误；C．我国秦山核电站利用核能的方式是重核裂变，选项C错误；D．该核反应放出能量，则原子核比原子核稳定，选项D正确。故选D。2．(2021·湖南高三月考)下列说法正确的是()A．放射性元素无论是以单质还是化合物的形式存在，其半衰期不变，说明元素的放射性与核外电子无关B．某种天然放射性元素及其人工放射性同位素可以有相同的半衰期C．组成原子核的核子之间存在的核力是短程力，且与电荷有关D．居里夫妇发现经α粒子轰击的铝片中含有放射性磷，核反应方程为：【答案】A【解析】A．放射性元素的存在形式、环境温度、外界压强等因素都不会影响原子核的结构，元素的化学性质与核外电子有关，半衰期与核外电子无关，A正确；B．天然放射性元素的半衰期比其人工放射性同位素的半衰期长得多，B错误；C．核力与电荷无关，C错误；D．居里夫妇发现经α粒子轰击的铝片中含有放射性磷，核反应方程为D错误。故选A。3．(2021·重庆高三月考)由于放射性元素的半衰期很短，所以在自然界中一直未被发现，只是在使用人工的方法制造后才被发现。已知一个原子核经过一系列α衰变和β衰变后变成，下列说法正确的是()A．衰变过程中共发生了7次α衰变和6次β衰变B．一次衰变过程可以同时放出α粒子、β粒子和γ粒子C．的半衰期与任意一个原子核发生衰变的时间相等D．的人工放射性同位素比天然放射性物质半衰期更短，放射性废料更容易处理【答案】D【解析】A．根据衰变的过程中质量数守恒，电荷数守恒，衰变过程中发生α衰变的次数为(次)β衰变的次数为(次)A错误；B．一个原子核在一次衰变中要么是α衰变、要么是β衰变，同时伴随γ射线的产生，可以同时放出α粒子和γ粒子或者β粒子和γ粒子，不能同时放出三种粒子，B错误；C．半衰期是大量原子核衰变的统计规律，对少数原子核不适用，C错误；D．与天然放射性物质相比，的人工放射性同位素的放射强度容易控制，还可以制成各种所需的形状，特别是它的半衰期比天然放射性物质短得多，因此放射性废料更容易处理，D正确。故选D。4．(2021·山西阳泉市·高三期末)利用图a装置，某同学用甲、乙、丙三束色光分别照射同一光电管，研究光电流I与所加电压U之间的关系，得到如图b所示的图象。则下列说法正确的是()A．甲光的波长大于乙光的波长 B．乙光的频率小于丙光的频率C．甲光的光强小于乙光的光强 D．甲光产生的光电子的最大初动能最大【答案】B【解析】根据光电效应方程得所以有甲乙的频率相等，丙光的频率最大。甲乙的波长也相等。因为甲光的饱和光电流较大，所以甲光光强大于乙光。丙光频率最大，所以丙光产生的光电子的最大初动能最大。故选B。二、多选题5．(2020·全国高三专题练习)下列说法正确的是()A．水面上的油膜在阳光照射下会呈现彩色，这是由光的薄膜干涉造成的B．拍摄玻璃橱窗内的物品时，会在镜头前加装偏振片以增加透射光的强度C．狭义相对论认为：光在真空中的传播速度会随光源和观察者所在参考系的相对运动而改变D．横波在传播过程中，相邻的波峰通过同一质点所用的时间为一个周期【答案】AD【解析】A．水面上的油膜在阳光照射下会呈现彩色，这是由光的薄膜干涉造成的，A正确；B．拍摄玻璃橱窗内的物品时，往往在镜头前加装一个偏振片以减弱反射光的强度，使照片清晰，B错误；C．狭义相对论认为光在真空中的传播速度不会随光源和观察者所在参考系的相对运动而改变，C错误；D．横波在传播过程中，相邻的波峰通过同一质点所用的时间为一个周期，D正确。故选AD。6．(2021·湖北鄂州市·高三期末)真空中a、b两种单色光的波长比λa:λb=k：1，则a、b两种光A．光子能量之比Ea:Eb=1：kB．若都能使某种金属发生光电效应，则所产生的光电子最大初动能之比为EKa：EKb=1:kC．入射到同一双缝干涉装置上，则干涉条纹间距之比为D．从玻璃入射到空气中，两种光的临界角之比Ca：Cb=1:k【答案】AC【解析】A．根据光子的能量表达式有光子的能量与波长成反比，所以光子能量之比Ea:Eb=1：k，则A正确；B．根据光电效应方程有光电子最大初动能与光子的能量是线性关系不是正比关系，所以B错误；C．由干涉条纹间距的公式有干涉条纹间距与波长成正比，所以干涉条纹间距之比为，则C正确；D．根据全反射的临界角公式有虽然波长与折射率成反比，但是临界角的正弦值才与折射率成正比，所以临界角与波长的关系也不是反比关系，则D错误；故选AC。三、解答题7．(2021·全国高三专题练习)据报道，俄科学家成功合成了具有极强放射性的117号新元素，该元素目前尚未被命名，是在实验室人工创造的最新的超重元素。新元素有两种同位素，其中一种有176个中子，而另一种有177个中子，则：(1)该元素两种同位素的原子核的核电荷数各为多少？原子的核外电子数各为多少？(2)该元素两种同位素的原子核的质量数各为多少？(3)若用X表示117号元素的元素符号，该元素的两种同位素用原子核符号如何表示？【答案】(1)均为117，均为117；(2)293，294；(3)，【解析】(1)元素的原子序数等于该元素原子核的核电荷数，等于核内质子数。故117号元素的核电荷数和核内质子数均为117，原子呈中性，故核外电子数等于核内质子数，也为117。(2)原子核的质量数等于质子数与中子数之和，故该元素中子数为176的原子核的质量数为117＋176＝293，中子数为177的原子核的质量数为117＋177＝294。(3)元素符号一般用表示，其中A表示质量数，Z表示核电荷数，由前两问可得该元素的两种同位素的原子核符号，中子数为176的原子核的符号为，中子数为177的原子核的符号为。8．(2021·全国高三专题练习)科学家设想未来的宇航事业中利用太阳帆来加速星际飞船，设该飞船所在地每秒每单位面积接收到的光子数为n，光子平均波长为λ，太阳帆面积为S，反射率100%，设太阳光垂