回归教材重难点15 原子物理学-【查漏补缺】2022年高考物理三轮冲刺过关（解析版）

回归教材重难点15  原子物理学

在波粒二象性方面，主要考查光电效应，常结合光电效应方程、遏止电压、饱和电流等进行考查；同时这部分内容与玻尔的原子理论、光的折射、全反射相结合的题目形式进行考查。

在原子结构方面，主要考查原子的结构、氢原子光谱和玻尔的原子理论；在原子核方面主要考查天然放射现象、原子核的组成、原子核的衰变、核能及核反应方程等；这部分内容也可能与动量、能量和电磁场相结合以计算题的形式出现。

由于本专题涉及的知识点较多，多数属于理解记忆的内容，在备考策略上注意做到以下两点：（1）紧扣课本，加强对相关概念和规律的理解和记忆。⑵关注本专题内容与其他专题的关联，强化知识的综合运用能力；如原子物理与动量守恒、能量守恒、电磁场等相关内容的联系。

知识点一、光电效应

1.光电效应现象

在光的照射下,金属中的电子从表面逸出的现象。发射出来的电子叫光电子。 

2.光电效应规律

(1)每种金属都有一个极限频率,入射光的频率必须大于这个极限频率才能发生光电效应。 

(2)光电子的最大初动能与入射光的强度无关,只随入射光频率的增大而　增大。 

(3)光电效应的发生几乎是瞬时的,一般不超过10-9s。

(4)当入射光的频率大于极限频率时,饱和电流随入射光的增强而增大。

3.遏止电压与截止频率

(1)遏止电压:使光电流减小到零的反向电压Uc。

(2)截止频率:能使某种金属发生光电效应的最小频率叫做该种金属的截止频率(又叫极限频率)。不同的金属对应着不同的截止频率。 

知识点二、光电效应方程

1.光子说

在空间传播的光是不连续的,而是一份一份的,一份叫做一个光量子,简称光子。光子的能量ε=hν,其中h=6.63×10-34J·s(称为普朗克常量)。 

2.逸出功W0

使电子脱离某种金属所做功的最小值。 

3.最大初动能

发生光电效应时,金属表面上的电子吸收光子后克服原子核的引力逸出时所具有的动能的最大值。 

4.爱因斯坦光电效应方程

(1)表达式:Ek=hν-W0。 

(2)物理意义:金属表面的电子吸收一个光子获得的能量是hν,这些能量的一部分用来克服金属的逸出功W0,剩下的表现为逸出后光电子的最大初动能Ek=mev2。 

知识点三、光的波粒二象性与物质波

1.光的波粒二象性

(1)光的干涉、衍射、偏振现象证明光具有波动性。 

(2)光电效应、康普顿效应说明光具有粒子性。 

(3)光既具有波动性,又具有粒子性,称为光的波粒二象性。 

2.物质波

(1)概率波:光的干涉现象是大量光子的运动遵守波动规律的表现,亮条纹是光子到达概率大的地方,暗条纹是光子到达概率小的地方,因此光波又叫概率波。 

(2)物质波:任何一个运动着的物体,小到微观粒子大到宏观物体都有一种波与它对应,其波长λ=,p为运动物体的动量,h为普朗克常量。

知识点四、原子的核式结构

(1)1909—1911年,英国物理学家卢瑟福进行了α粒子散射实验,提出了核式结构模型。 

(2)α粒子散射实验

a.实验装置:如图所示。

b.实验结果:α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。

知识点五、氢原子光谱

1.光谱:用光栅或棱镜可以把各种颜色的光按波长展开,获得光的波长(频率)和强度分布的记录,即光谱。

2.氢原子光谱的实验规律:巴耳末系是氢光谱在可见光区的谱线,其波长公式=R(n=3,4,5,…),R是里德伯常量,R=1.10×107m-1。

3.光谱分析:利用每种原子都有自己的特征谱线可以用来鉴别物质和确定物质的组成成分,且灵敏度很高。在发现和鉴别化学元素上有着重大的意义。 

知识点六、氢原子的能级、能级公式

1.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⑧　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。 

2.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

a.氢原子的能级公式:En=E1(n=1,2,3,…),其中E1为基态能量,其数值为E1=-13.6eV。

b.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。

知识点七、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

放射性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

a.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。 

b.应用:消除静电、工业探伤、作示踪原子等。 

c.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XY+He; 

β衰变XY+e　。 

两个典型的衰变方程

α衰变UThHe;

β衰变ThPae。

(3)半衰期:大量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。 

知识点八、核力、结合能、质量亏损、核反应

1.核力

2.结合能

(1)结合能:核子结合为原子核时放出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。 

(2)比结合能

a.定义:原子核的结合能与核子数之比,称作比结合能,也叫平均结合能。

b.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。

3.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。 

4.核反应

(1)重核裂变

Ⅰ.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。 

Ⅱ.特点:a.裂变过程中能够放出巨大的能量。

b.裂变的同时能够放出2~3(或更多)个中子。

c.裂变的产物不是唯一的。

Ⅲ.典型的裂变方程Un→ KrBa+n。

(2)轻核聚变

Ⅰ.定义:两个轻核结合成质量较大的原子核的反应过程。 

Ⅱ.特点:a.聚变过程放出大量的能量,平均每个核子放出的能量比裂变反应中每个核子放出的能量大3倍多。

b.聚变反应比裂变反应更剧烈。

c.对环境污染较小。

d.自然界中聚变反应原料丰富。

Ⅲ.典型的聚变方程HHHen。

1. （2021北京卷） 硼（B）中子俘获治疗是目前最先进的癌症治疗手段之一、治疗时先给病人注射一种含硼的药物，随后用中子照射，硼俘获中子后，产生高杀伤力的α粒子和锂（Li）离子。这个核反应的方程是（   ）

A.  B.

C.  D.

【答案】A

【解析】由题知，硼俘获中子后，产生高杀伤力的α粒子和锂（Li）离子，而α粒子为氦原子核，则这个核反应方程为

故选A

2.（2021海南卷）. 1932年，考克饶夫和瓦尔顿用质子加速器进行人工核蜕变实验，验证了质能关系的正确性。在实验中，锂原子核俘获一个质子后成为不稳定的铍原子核，随后又蜕变为两个原子核，核反应方程为。已知、、X的质量分别为、、，光在真空中的传播速度为c，则在该核反应中（　　）

A 质量亏损

B. 释放的核能

C. 铍原子核内的中子数是5

D. X表示的是氚原子核

【答案】B

【解析】CD．根据核反应方程满足质量数守恒和电荷数守恒，可知方程为

则，，铍原子核内的中子数是4，X表示的是氦核，故CD错误；

AB．核反应质量亏损为

则释放的核能为

故A错误，B正确；

故选B。

 3（2021江苏卷）. 如图所示，分别用1、2两种材料作K极进行光电效应探究，其截止频率，保持入射光不变，则光电子到达A极时动能的最大值随电压U变化关系的图像是（　　）

1.          B.  

C.          D.

【答案】C

【解析】光电管所加电压为正向电压，则根据爱因斯坦光电效应方程可知光电子到达A极时动能的最大值

可知图像的斜率相同，均为e；截止频率越大，则图像在纵轴上的截距越小，因，则图像C正确，ABD错误。

故选C

4（2021辽宁卷）. 赫兹在研究电磁波的实验中偶然发现，接收电路的电极如果受到光照，就更容易产生电火花。此后许多物理学家相继证实了这一现象，即照射到金属表面的光，能使金属中的电子从表面逸出。最初用量子观点对该现象给予合理解释的科学家是（　　）

A. 玻尔 B. 康普顿

C. 爱因斯坦 D. 德布罗意

【答案】C

【解析】A．玻尔引入量子化的观念解释了氢原子光谱，与题意不符，A错误；

B．康普顿提出康普顿效应，发现了光子不仅具有能量，还具有动量，证明了光具有粒子性，与题意不符，B错误；

C．爱因斯坦提出光子说，从理论上解释了光电效应的实验现象，符合题意，C正确；

D．德布罗意提出一切物质都具有波粒二象性，与题意不符，D错误。

故选C。

5（2021天津卷）. 光刻机是制造芯片核心装备，利用光源发出的紫外线，将精细图投影在硅片上，再经技术处理制成芯片。为提高光刻机清晰投影最小图像的能力，在透镜组和硅片之间充有液体。紫外线进入液体后与其在真空中相比（　　）

A. 波长变短 B. 光子能量增加 C. 频率降低 D. 传播速度增大

【答案】A

【解析】

紫外线进入液体后与真空相比，频率不变，传播速度减小，根据

可知波长变短；根据

可知，光子能量不变。

故选A。

6．（2021·山东济南市历城二中高三模拟）2019年9月26日，中国散裂中子源开始新一轮开放运行。散裂中子源是研究中子特性、探测物质微观结构和运动的科研装置。下列说法正确的是（　　）

A．中子是组成原子核的最小粒子之一

B．中子与其他核子之间不存在库仑力，但中子与相邻核子之间存在相互作用的核力

C．核子之间相互作用的核力不可能为斥力

D．卢瑟福预言并通过实验证实了中子的存在

【答案】B

【解析】A．中子仍可分，并不是组成原子核的最小粒子之一，故A错误；B．中子不带电，因此与其他核子间无库仑力，但无论核子是否带电，相邻核子间都存在强大的核力，故B正确；C．核子间距离在一定范围内，核力表现为引力，当核子间距离小于一定值时，核力表现为斥力，故C错误；D．卢瑟福预言了中子的存在，查德威克通过实验验证了中子的存在，故D错误。故选B。

7．（2021·天津高三模拟）2021年3月23日，在三星堆遗址考古工作中，研究员对新发现的6个“祭祀坑”的73份碳屑样本使用年代检测方法进行了分析，初步判定其中4号坑最有可能属于商代晚期。会发生衰变，半衰期年。空气中跟的存量比稳定，活着的生物体中碳的这两种同位素之比与空气中相同，生物死亡后，不再与外界交换碳，因此测得生物遗骸中的与存量比，再与空气中比较，可估算出生物死亡年代。则（　　）

A．地球的气候变化会影响的半衰期

B．200个原子经过11460年后还剩余50个

C．的衰变方程为

D．骨骼中以碳酸钙形式存在的半衰期比单质的半衰期更长

【答案】C

【解析】AD．放射性元素的原子核有半数发生衰变时所需要的时间叫半衰期，放射性元素衰变的快慢是由原子核内部自身决定的，与外界的物理和化学状态无关，故AD不符合题意；B．半衰期是一个统计规律，对于大量的原子核才适用，对于少量原子核是不成立的，故B不符合题意；C．发生衰变产生电子，根据电荷数守恒，质量数守恒，的衰变方程为，故C符合题意。故选C。

8．（2021·重庆高三二模）放射性元素的原子核往往需要经历一系列的衰变和衰变才能达到稳定的状态，如。若、、和的质量分别用m1、m2、m3和m4表示。则下列说法正确的是（　　）

A．在中，a=6，b=4

B．衰变过程中释放出的射线比β射线的穿透能力强

C．20个核经过2个半衰期后还剩5个核

D．一个核衰变成一个核释放的核能为

【答案】A

【解析】A．根据电荷数守恒和质量数守恒，可知，，故A正确；

B．衰变过程中释放出的射线比β射线的电离能力强，穿透能力弱，故B错误；C．半衰期是统计学规律，对于大量原子核衰变时才适用，对于个别原子核没有意义，故C错误；D．根据质能方程可得，一个核衰变成一个核释放的核能为，故D错误。故选A。

9．（2021·福建福州市高三二模）我国成功研制的环流器二号M装置，是一款通过可控热核聚变方式，提供清洁能源的装置。氘、氚的核聚变反应方程为：。已知氘核、氚核的比结合能分别是、，，正确的是（　　）

A．X核结合能为 B．氘核结合能为

C．氦原子核的比结合能为 D．聚变反应中质量亏损为

【答案】C

【解析】A．由质量数守恒和电荷数守恒得核反应方程为，即X核为中子，单个核子没有结合能，故A错误；B．氘核结合能为，故B错误；C．氮原子核的比结合能为，故C正确；D．由质能方程可得质量亏损为，代入得

，故D错误。故选C。

10．（2021·福建漳州市高三二模）关于近代物理知识，下列说法中正确的是（　　）

A．结合能越大的原子核越牢固

B．放射性元素发出的射线来自原子核外电子

C．光电效应能否发生，与光的照射时间长短无关

D．处于基态的氢原子能吸收任意能量的光子而跃迁到激发态

【答案】C

【解析】A．比结合能越大，原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定，结合能越大的原子核不一定越牢固，故A错误；B．放射性元素发出的β射线实质是原子核内的一个中子转变为一个质子和一个电子，β射线是释放出来的电子，故B错误；C．当入射光的频率大于金属的极限频率时，光照射在金属上会立即发生光电效应，光电效应能否发生与光的照射时间长短无关，故C正确；D．只有当光子的能量等于氢原子两能级的能量差时，才能被处于基态的氢原子吸收，氢原子跃迁到激发态，并不是任意能量的光子都能被氢原子吸收，故D错误。故选C。

11．（2021·天津和平区高三一模）氢原子发出a、b两种频率的单色光，相互平行地射到平板玻璃上，经平板玻璃后射出的光线分别为、，如图所示下列说法正确的是（　　）

A．光线、仍然平行

B．光线b进入玻璃后的传播速度大于光线a进入玻璃后的传播速度

C．若光线a能使某金属产生光电效应，光线b一定能使该金属产生光电效应

D．若光线a是氢原子从能级4向能级2直接跃迁发出的光，则光线b可能是氢原子从能级3向能级2直接跃迁发出的光

【答案】AC

【解析】

A．根据平行玻璃砖的光学特性，知a、b两束光通过平板玻璃砖后出射光线、与入射光线a、b分别平行，则光线、仍然平行，故A正确；B．作出光路图如图，可见两光线通过玻璃砖后b光线的侧移较大，说明玻璃对b光线的折射率较大。由公式知，光线a在玻璃中的传播速度比光线b的大。故B错误；C．b光线的折射率较大，a光线的折射率较小，则a光线的频率较低，b光的频率较高。根据光电效应产生的条件：入射光的频率大于金属的极限频率，可知若光线a能使某金属产生光电效应，光线b也一定能使该金属产生光电效应，故C正确；D．根据玻尔理论可知，若光线a是氢原子从能级4向能级2直接跃迁发出的光，则光线b不可能是氢原子从能级3向能级2直接跃迁发出的光。故D错误。故选AC。

12．（2021·北京东城区高三一模）如图所示放电管两端加上高压，管内的稀薄气体会发光，从其中的氢气放电管观察氢原子的光谱，发现它只有一些分立的不连续的亮线，下列说法正确的是（　　）

A．亮线分立是因为氢原子有时发光，有时不发光

B．有几条谱线，就对应着氢原子有几个能级

C．核式结构决定了氢原子有这种分立的光谱

D．光谱不连续对应着氢原子辐射光子能量的不连续

【答案】D

【解析】放电管两端加上高压，管内的稀薄气体会发，这是因为原子发生了跃迁，同时辐射出光子，形成光谱，但是因为原子在不同能级之间跃迁时，形成不同波长的光，而形成的光谱是已经发生了跃迁的能级形成的，由于不同能级之间发生跃迁的条件不一样，几条光谱线并不对应着氢原子有几个能级，同时氢原子的光谱是一些分立的不连续的亮线，故ABC错误，D正确。故选D。