专题13 原子结构、原子核和波粒二象性-（2018-2022）五年高考物理真题模拟题分类练（全国卷专用）

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【考纲定位】
【知识重现】
知识点一 光电效应
1.研究光电效应的两条思路
（1）两条线索：
（2）两条对应关系：
入射光强度大→光子数目多→发射光电子多→光电流大；
光子频率高→光子能量大→光电子的最大初动能大。
2.光电效应中三个重要关系
（1）爱因斯坦光电效应方程：Ek=hν-W0。
（2）光电子的最大初动能Ek与遏止电压Uc的关系：Ek=eUc。
（3）逸出功W0与极限频率νc的关系：W0=hνc。
知识点二 波粒二象性
1.对光的波粒二象性的理解
知识点三 原子结构 原子核
一、原子结构
1.分析原子的核式结构模型所用的规律
（1）库仑定律：F=k，可以用来确定电子和原子核、α粒子和原子核间的相互作用力。
（2）牛顿运动定律和圆周运动规律：可以用来分析电子绕原子核做匀速圆周运动的问题。
（3）功能关系及能量守恒定律：可以分析由于库仑力做功引起的带电粒子在原子核周围运动时动能、电势能之间的转化问题。
2.两类能级跃迁
（1）自发跃迁：高能级（m）低能级(n)→放出能量；发射光子：hν＝Em－En。
(2)受激跃迁：低能级(n)高能级(m)→吸收能量。
①光照(吸收光子)：光子的能量必须恰好等于能级差hν＝Em－En。
②碰撞、加热等：只要入射粒子能量大于或等于能级差即可，E外≥Em－En。
③大于电离能的光子被吸收，将原子电离。
3．电离
(1)电离态：n＝∞，E＝0。
(2)电离能：指原子从基态或某一激发态跃迁到电离态所需要吸收的最小能量。
例如：氢原子：
①基态→电离态：E吸＝0－(－13.6 eV)＝13.6 eV，即为基态的电离能。
②n＝2→电离态：E吸＝0－E2＝3.4 eV，即为n＝2激发态的电离能。
二、原子核 核反应
1．三种射线的成分和性质
2．对半衰期的理解
(1)半衰期是大量原子核衰变时的统计规律，对个别或少量原子核，无半衰期可言。
(2)根据半衰期的概念，可总结出公式N余＝N原，m余＝m原。式中N原、m原表示衰变前的放射性元素的原子数和质量，N余、m余表示衰变后尚未发生衰变的放射性元素的原子数和质量，t表示衰变时间，τ表示半衰期。
3．衰变次数的计算方法
确定衰变次数方法是依据两个守恒规律，设放射性元素X经过n次α衰变和m次β衰变后，变成稳定的新元素Y，则表示该核反应的方程为X→Y＋nHe＋me。根据质量数守恒和电荷数守恒可列方程
A＝A′＋4n，Z＝Z′＋2n－m
由以上两式联立解得n＝，m＝＋Z′－Z
由此可见确定衰变次数可归结为求解一个二元一次方程组。
4．核反应的四种类型
5．核能的计算方法
(1)根据ΔE＝Δmc2计算时，Δm的单位是“kg”，c的单位是“m/s”，ΔE的单位是“J”。
(2)根据ΔE＝Δm×931.5 MeV计算时，Δm的单位是“u”，ΔE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。
【真题汇编】
1. （2022·全国甲卷·T17）两种放射性元素的半衰期分别为和，在时刻这两种元素的原子核总数为N，在时刻，尚未衰变的原子核总数为，则在时刻，尚未衰变的原子核总数为（ ）
A. B. C. D.
2. （2021·全国甲卷·T17）如图，一个原子核X经图中所示的一系列、衰变后，生成稳定的原子核Y，在此过程中放射出电子的总个数为（ ）
A. 6B. 8C. 10D. 14
3. （2021·全国乙卷·T17）医学治疗中常用放射性核素产生射线，而是由半衰期相对较长的衰变产生的。对于质量为的，经过时间t后剩余的质量为m，其图线如图所示。从图中可以得到的半衰期为（ ）
A. B. C. D.
4. （2020·全国Ⅰ卷·T19）下列核反应方程中，X1，X2，X3，X4代表α粒子的有（ ）
A.
B.
C.
D.
5. （2020·全国Ⅱ卷·T18）氘核可通过一系列聚变反应释放能量，其总效果可用反应式表示。海水中富含氘，已知1kg海水中含有的氘核约为1.0×1022个，若全都发生聚变反应，其释放的能量与质量为M的标准煤燃烧时释放的热量相等；已知1 kg标准煤燃烧释放的热量约为2.9×107 J，1 MeV= 1.6×10–13J，则M约为（ ）
A. 40 kgB. 100 kgC. 400 kgD. 1 000 kg
6. （2020·全国Ⅲ卷·T19）1934年，约里奥—居里夫妇用α粒子轰击铝箔，首次产生了人工放射性同位素X，反应方程为：。X会衰变成原子核Y，衰变方程为，则（ ）
A. X的质量数与Y的质量数相等B. X的电荷数比Y的电荷数少1
C. X的电荷数比的电荷数多2D. X的质量数与的质量数相等
7. （2019·全国Ⅰ卷·T14）氢原子能级示意图如图所示，光子能量在1.63 eV~3.10 eV的光为可见光，要使处于基态（n=1）的氢原子被激发后可辐射出可见光光子，最少应给氢原子提供的能量为（ ）
A. 12.09 eVB. 10.20 eVC. 1.89 eVD. 1.5l eV
8. （2019·全国Ⅱ卷·T15）太阳内部核反应的主要模式之一是质子-质子循环，循环的结果可表示为，已知和的质量分别为和，1u=931MeV/c2，c为光速．在4个转变成1个的过程中，释放的能量约为
A. 8 MeVB. 16 MeVC. 26 MeVD. 52 MeV
9. （2018·全国Ⅲ卷·T14）1934年，约里奧•居里夫妇用粒子轰击铝核，产生了人工放射性同位素X，并放出一个中子：。X的原子序数和质量数分别为（ ）
A. 15和28B. 15和30C. 16和30D. 17和31
【突破练习】
1.（2022·安徽合肥市高三下学期二模）2021年12月30日，在中科院合肥等离子体物理研究所内，有“人造太阳”之称的全超导托卡马克实验装置（EAST）实现了1056秒的长脉冲高参数等离子体运行，这是目前世界上该装置高温等离子体运行的最长时间。该装置内发生的核反应方程为，已知氘核（）的质量为2.0136u，X的质量为1.0087u，氦核（He）的质量为3.0150u，u为原子质量单位，1u相当于931MeV，下列关于该核反应的说法正确的是（ ）
A. X为质子
B. 反应前后核总质量相等
C. 反应过程中中子数减少了1个
D. 反应过程中释放的核能
2. （2022·福建福州市高三下学期三月质检）下列说法正确的是（ ）
A. 卢瑟福的粒子散射实验揭示子原子核有复杂的结构
B. 在重核裂变过程中，原子核比结合能（即平均结合能）减小
C. 光电效应实验中遏止电压与入射光的频率和金属材料的逸出功均有关
D. 氢原子的核外电子由较高能级跃迁到较低能级时，要释放一定频率的光子，同时电子的动能减小，电势能减小
3. （2022·广东深圳市高三下学期一模）下列说法正确的是（ ）
A. 电子的衍现象说明实物粒子具有波动性
B. 235U的半衰期约为7亿年，随地球环境的变化，半衰期可能变短
C. 原子核内部某个质子转变为中子时，放出β射线
D. 在α、β、γ这三种射线中，γ射线的穿透能力最强，α射线的电离能力最弱
4.（2022·广东肇庆市高三下学期三模）如图甲所示，阴极K和阳极A是密封在真空玻璃管中的两个电极，阴极K在受到光照时能够发射光电子。阴极K与阳极A之间电压U的大小可以调整，电源的正负极也可以对调。闭合开关后，阳极A吸收阴极K发出的光电子，在电路中形成光电流。现分别用蓝光、弱黄光、强黄光照射阴极K，形成的光电流与电压的关系图像如图乙示，图中a、b、c光依次为（ ）
A. 蓝光、弱黄光、强黄光B. 弱黄光、蓝光、强黄光
C. 强黄光、蓝光、弱黄光D. 蓝光、强黄光、弱黄光
5. （2022·河北石家庄市高三下学期二模）如图为光电倍增管的原理图，管内由一个阴极K、一个阳极A和K、A间若干对倍增电极构成。使用时在阴极K、各倍增电极和阳极A间加上电压，使阴极K、各倍增电极到阳极A的电势依次升高。当满足一定条件的光照射阴极K时，就会有电子射出，在加速电场作用下，电子以较大的动能撞击到第一个倍增电极上，电子能从这个倍增电极上激发出更多电子，最后阳极A收集到的电子数比最初从阴极发射的电子数增加了很多倍。下列说法正确的是（ ）
A. 光电倍增管适用于各种频率的光
B. 保持入射光不变，增大各级间电压，阳极收集到的电子数可能增多
C. 增大入射光的频率，阴极K发射出的所有光电子的初动能都会增大
D. 保持入射光频率和各级间电压不变，增大入射光光强不影响阳极收集到的电子数
6. （2022·河南洛阳市高三下学期二模）下列说法正确的是（ ）
A. 氢原子从能级3跃迁到能级2辐射出光子的波长大于从能级2跃迁到能级1辐射出光子的波长
B. 原子核的平均结合能越小表示该核中的核子结合得越牢固
C. （铀）衰变为（镤）要经过1次α衰变和2次β衰变
D. 紫外线照射到金属锌板表面时能够产生光电效应，当增大紫外线的照射强度时，从锌板表面逸出光电子的最大初动能也随之增大
7. （2022·河南许昌市高三下学期二模）下列核反应方程中，符号“x"表示电子的是（ ）
A. →h+xB. +→+x
C. → +xD. → +2x近5年考情分析
考点要求
等级要求
考题统计
2022
2021
2020
2019
2018
光电效应和波粒二象性
Ⅱ
Ⅰ卷·T14
原子核和原子结构
Ⅱ
全国甲卷·T17
全国甲卷·T17
全国乙卷·T17
Ⅰ卷·T19
Ⅱ卷·T18
Ⅲ卷·T19
Ⅱ卷·T15
Ⅲ卷·T14
从数量
上看
个别光子的作用效果往往表现为粒子性；大量光子的作用效果往往表现为波动性
从频率
上看
频率越低波动性越显著，越容易看到光的干涉和衍射现象；频率越高粒子性越显著，越不容易看到光的干涉和衍射现象，贯穿本领越强
从传播与
作用上看
光在传播过程中往往表现出波动性；在与物质发生作用时往往表现出粒子性
波动性与
粒子性的
统一
由光子的能量ε=hν、光子的动量表达式p=也可以看出，光的波动性和粒子性并不矛盾，表示粒子性的能量和动量的计算式中都含有表示波的特征的物理量——频率ν和波长λ
名称
构成
符号
电荷量
质量
电离
作用
穿透
能力
α射线
氦核
He
＋2e
4 u
最强
最弱
β射线
电子
e
－e
u
较强
较强
γ射线
光子
γ
0
0
最弱
最强
类 型
可控性
核反应方程典例
衰
变
α衰变
自发
U→Th＋He
β衰变
自发
Th→Pa＋e
人工转变
人工控制
N＋He→O＋H
(卢瑟福发现质子)
He＋Be→C＋n
(查德威克发现中子)
Al＋He→P＋n
约里奥·居里夫妇发现放射性同位素，同时发现正电子
P→Si＋e
重核裂变
比较容易进行人工控制
U＋n→Ba＋Kr＋3n
U＋n→Xe＋Sr＋10n
轻核聚变
很难控制
H＋H→He＋n