2020版高三物理一轮复习学案：第十二章原子物理学

第十二章 原子物理学
[全国卷5年考情分析](说明：2014～2016年，本章内容以选考题目出现)
基础考点
常考考点(2014～2018考情统计)
命题概率
常考角度
氢原子光谱(Ⅰ)
氢原子的能级结构、能级公式(Ⅰ)
放射性同位素(Ⅰ)
裂变反应和聚变反应、裂变反应堆(Ⅰ)
射线的危害和防护(Ⅰ)
以上5个考点未曾独立命题
光电效应(Ⅰ)
'18Ⅱ卷T17(6分)　
'17Ⅲ卷T19(6分)
'16Ⅰ卷T35(1)(5分)
独立命题概率60%
(1)光电效应现象与光电效应方程的应用
(2)原子核式结构
(3)氢原子光谱规律、能级跃迁
(4)核衰变与核反应方程
(5)核能与爱因斯坦质能方程
爱因斯坦光电
效应方程(Ⅰ)
'15Ⅰ卷T35(1)(5分) '15Ⅱ卷T35(1)(5分)
独立命题概率40%
原子核的组成、放射性、原子核的衰变、半衰期(Ⅰ)
'17Ⅱ卷T15(6分)　 '14Ⅰ卷T35(1)(6分) '14Ⅱ卷T35(1)(5分)
独立命题概率60%
核力、核反应方程(Ⅰ)
'18Ⅲ卷T14(6分)
'16Ⅱ卷T35(1)(5分)
独立命题概率40%
结合能、质量亏损(Ⅰ)
'17Ⅰ卷T17(6分)
独立命题概率30%

第1节　光电效应　波粒二象性

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金属表面逸出的现象 [注1]，称为光电效应，发射出来的电子称为光电子。
2．光电效应的四个规律
(1)每种金属都有一个极限频率。
(2)光照射到金属表面时，光电子的发射几乎是瞬时的。
(3)光电子的最大初动能与入射光的强度无关，只随入射光的频率增大而增大。
(4)光电流的强度与入射光的强度成正比。[注2]
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极限频率。


二、爱因斯坦光电效应方程
1．光子说
在空间传播的光是不连续的，而是一份一份的，每一份叫做一个光的能量子，简称光子，光子的能量ε＝hν。其中h＝6.63×10－34 J·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。[注3]
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。
三、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。
【注解释疑】
[注1] 光电效应现象可认为是光子把原子最外层的电子撞了出来，是一对一的关系，而且是瞬时的。
[注2] 光照强度决定着每秒钟光源发射的光子数，频率决定着每个光子的能量。
[注3] 金属越活跃，逸出功越小，越容易发生光电效应。
[深化理解]
1．每种金属都有一个极限频率，入射光的频率不低于这个极限频率才能使金属产生光电效应。
2．当入射光的频率大于极限频率时，饱和光电流的强度与入射光的强度成正比。
3．遏止电压Uc与入射光频率ν、逸出功W0间的关系式：Uc＝ν－。
4．截止频率νc与逸出功W0的关系：hνc－W0＝0，据此求出截止频率νc。
[基础自测]
一、判断题
(1)光子和光电子都是实物粒子。(×)
(2)只要入射光的强度足够强，就可以使金属发生光电效应。(×)
(3)要想在光电效应实验中测到光电流，入射光子的能量必须大于金属的逸出功。(√)
(4)光电子的最大初动能与入射光子的频率成正比。(×)
(5)光的频率越高，光的粒子性越明显，但仍具有波动性。(√)
(6)德国物理学家普朗克提出了量子假说，成功地解释了光电效应规律。(×)
(7)美国物理学家康普顿发现了康普顿效应，证实了光的粒子性。(√)
二、选择题
1．[人教版选修3－5 P30演示实验改编](多选)如图所示，用导线把验电器与锌板相连接，当用紫外线照射锌板时，发生的现象是(　　)

A．有光子从锌板逸出　　　 B．有电子从锌板逸出
C．验电器指针张开一个角度 D．锌板带负电
答案：BC
2．在光电效应实验中，用波长为λ的光照射光电管阴极，发生了光电效应，下列说法正确的是(　　)
A．仅增大入射光的强度，光电流大小不变
B．仅减小入射光的强度，光电效应现象可能消失
C．改用波长大于λ的光照射，光电子的最大初动能变大
D．改用波长大于λ的光照射，可能不发生光电效应
解析：选D　当发生光电效应时，增大入射光的强度，则光电流会增大，故A错误；入射光的频率不低于金属的极限频率，就会发生光电效应，与入射光的强度无关，故B错误；在光电效应中，根据光电效应方程知，Ekm＝－W0，改用波长大于λ的光照射，光电子的最大初动能变小，或者可能不发生光电效应，故C错误，D正确。

高考对本节内容的考查，主要集中在对光电效应的理解、爱因斯坦的光电效应方程及应用、 对波粒二象性的理解，通常以选择题的形式呈现，对这些内容主要靠在理解的基础上进行识记，所以题目难度一般都不大。





考点一　对光电效应的理解[基础自修类]
[题点全练]
1.[光电效应的产生条件]
如图所示是光电管的原理图，已知当有波长为λ0的光照到阴极K上时，电路中有光电流，则(　　)
A．若增加电路中电源电压，电路中光电流一定增大
B．若将电源极性反接，电路中一定没有光电流产生
C．若换用波长为λ1(λ1>λ0)的光照射阴极K时，电路中一定没有光电流
D．若换用波长为λ2(λ2λ0)的光的频率有可能大于极限频率，电路中可能有光电流，故C错误；波长为λ2(λ2νb，则一定有Uaνb，则一定有Eka>Ekb
C．若Uahνb－Ekb
解析：选BC　设该金属的逸出功为W，根据爱因斯坦光电效应方程有Ek＝hν－W，同种金属的W不变，则逸出光电子的最大初动能随ν的增大而增大，B项正确；又Ek＝eU，则最大初动能与遏止电压成正比，C项正确；根据上述有eU＝hν－W，遏止电压U随ν增大而增大，A项错误；又有hν－Ek＝W，W相同，则D项错误。
2．[光电效应的Ek-ν图像]
用如图甲所示的装置研究光电效应现象。闭合开关S，用频率为ν的光照射光电管时发生了光电效应。图乙是该光电管发生光电效应时光电子的最大初动能Ek与入射光频率ν的关系图像，图线与横轴的交点坐标为(a,0)，与纵轴的交点坐标为(0，－b)。下列说法正确的是(　　)

A．普朗克常量为h＝
B．断开开关S后，电流表G的示数不为零
C．仅增加照射光的强度，光电子的最大初动能将增大
D．保持照射光强度不变，仅提高照射光频率，电流表G的示数保持不变
解析：选B　由Ek＝hν－W0，可知图线的斜率为普朗克常量，即h＝，故A错误；断开开关S后，仍有光电子产生，所以电流表G的示数不为零，故B正确；只有增大入射光的频率，才能增大光电子的最大初动能，与光的强度无关，故C错误；保持照射光强度不变，仅提高照射光频率，单个光子的能量增大，而光的强度不变，那么光子数一定减少，发出的光电子数也减少，电流表G的示数要减小，故D错误。
3．[光电效应的I -U图像]
(多选)用甲、乙两种单色光照射同一金属做光电效应实验，发现光电流与电压的关系如图所示。已知普朗克常量为h，被照射金属的逸出功为W0，遏止电压为Uc，电子的电荷量为e。下列说法正确的是(　　)
A．甲光的强度大于乙光的强度
B．甲光的频率大于乙光的频率
C．甲光照射时产生的光电子初动能均为eUc
D．乙光的频率为
解析：选AD　根据光的强度越强，则光电子数目越多，对应的光电流越大，即可判定甲光的强度较大，选项A正确；由光电效应方程mv2＝hν－W0，mv2＝Uce，结合题图可知，甲、乙的遏止电压相同，故甲、乙的频率相同，选项B错误；甲光照射时产生的光电子的最大初动能为eUc，选项C错误；根据mv2＝hν－W0＝Uce，可得ν＝，选项D正确。

考点三　对波粒二象性的理解[基础自修类]
[题点全练]
1．[波粒二象性的理解]
(多选)实物粒子和光都具有波粒二象性。下列事实中突出体现波动性的是(　　)
A．电子束通过双缝实验装置后可以形成干涉图样
B．β射线在云室中穿过会留下清晰的径迹
C．人们利用慢中子衍射来研究晶体的结构
D．人们利用电子显微镜观测物质的微观结构
解析：选ACD　干涉和衍射体现的是波动性，A、C正确；β射线在云室中留下清晰的径迹，体现的是粒子性，不能体现波动性，B错误；电子显微镜利用电子束衍射工作，体现的是波动性，D正确。
2．[光子的能量]
(2017·北京高考)2017年年初，我国研制的“大连光源”——极紫外自由电子激光装置，发出了波长在100 nm(1 nm＝10－9 m)附近连续可调的世界上最强的极紫外激光脉冲。“大连光源”因其光子的能量大、密度高，可在能源利用、光刻技术、雾霾治理等领域的研究中发挥重要作用。一个处于极紫外波段的光子所具有的能量可以电离一个分子，但又不会把分子打碎。据此判断，能够电离一个分子的能量约为(取普朗克常量h＝6.6×10－34 J·s，真空光速c＝3×108 m/s)(　　)
A．10－21 J　　　　　　　 B．10－18 J
C．10－15 J D．10－12 J
解析：选B　光子的能量E＝hν，c＝λν，联立解得E≈2×10－18 J，B项正确。
[名师微点]
光的波粒二象性的规律
1．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。
2．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，贯穿本领越强，越不容易看到光的干涉和衍射现象。
3．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为粒子性。
4．波动性与粒子性的统一：由光子的能量E＝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。
[课时跟踪检测]
[A级——基础小题练熟练快]
1．用很弱的光做单缝衍射实验，改变曝光时间，在胶片上出现的图像如图所示，该实验表明(　　)

A．光的本质是波
B．光的本质是粒子
C．光的能量在胶片上分布不均匀
D．光到达胶片上不同位置的概率相同
解析：选C　用很弱的光做单缝衍射实验，改变曝光时间，在胶片出现的图样说明光具有波粒二象性，故A、B错误；该实验说明光到达胶片上的不同位置的概率是不一样的，也就说明了光的能量在胶片上分布不均匀，故C正确，D错误。
2．(2018·滨州模拟)已知钙和钾的截止频率分别为7.73×1014 Hz和5.44×1014 Hz，在某种单色光的照射下两种金属均发生光电效应，比较它们表面逸出的具有最大初动能的光电子，钙逸出的光电子具有较大的(　　)
A．波长　　　　　　　 　 B．频率
C．能量 D．动量
解析：选A　由爱因斯坦光电效应方程mvm2＝hν－W0，又由W0＝hν0，可得光电子的最大初动能mvm2＝hν－hν0，由于钙的截止频率大于钾的截止频率，所以钙逸出的光电子的最大初动能较小，因此它具有较小的能量、频率和动量，B、C、D错误；又由c＝λf可知光电子频率较小时，波长较大，A正确。
3．(多选)如图所示，电路中所有元件完好，但光照射到光电管上，灵敏电流计中没有电流通过，其原因可能是(　　)
A．入射光太弱　 B．入射光波长太长
C．光照时间短 D．电源正、负极接反

解析：选BD　若入射光波长太长，入射光的频率低于截止频率时，不能发生光电效应，故选项B正确；电路中电源反接，对光电管加了反向电压，若使该电压超过了遏止电压，也没有光电流产生，故选项D正确。
4．频率为ν的光照射某金属时，产生光电子的最大初动能为Ekm。改为频率为2ν的光照射同一金属，所产生光电子的最大初动能为(h为普朗克常量)(　　)
A．Ekm－hν　　　　　　　 B．2Ekm
C．Ekm＋hν D．Ekm＋2hν
解析：选C　根据爱因斯坦光电效应方程得Ekm＝hν－W0，若入射光频率变为2ν，则Ekm′＝h·2ν－W0＝2hν－(hν－Ekm)＝hν＋Ekm，故选项C正确。
5．(多选)已知某金属发生光电效应的截止频率为νc，则(　　)
A．当用频率为2νc的单色光照射该金属时，一定能产生光电子
B．当用频率为2νc的单色光照射该金属时，所产生的光电子的最大初动能为hνc
C．当照射光的频率ν大于νc时，若ν增大，则逸出功增大
D．当照射光的频率ν大于νc时，若ν增大一倍，则光电子的最大初动能也增大一倍
解析：选AB　该金属的截止频率为νc，则可知逸出功W0＝hνc，故当用频率为2νc的单色光照射该金属时，一定能产生光电子，且此时产生的光电子的最大初动能Ek′＝2hνc－W0＝hνc，故A、B正确；逸出功由金属自身的性质决定，与照射光的频率无关，故C错误；由光电效应方程Ek＝hν－W0可知，D错误。
6．(多选)(2019·鞍山调研)关于光电效应和康普顿效应的规律，下列说法正确的是(　　)
A．光电效应中，金属板向外发射的光电子又可以叫做光子
B．用光照射金属不能发生光电效应是因为该入射光的频率小于金属的截止频率
C．对于同种金属而言，遏止电压与入射光的频率无关
D．石墨对X射线散射时，部分X射线的散射光波长会变长，这个现象称为康普顿效应
解析：选BD　光电效应中，金属板向外发射的电子叫光电子，光子是光量子的简称，A错误；用光照射金属不能发生光电效应是因为该入射光的频率小于金属的截止频率，B正确；根据光电效应方程hν＝W0＋eUc可知，对于同种金属而言(逸出功一样)，入射光的频率越大，遏止电压也越大，即遏止电压与入射光的频率有关，C错误；在石墨对X射线散射时，部分X射线的散射光波长会变长的现象称为康普 顿效应，D正确。
7．(多选)光电效应实验中，下列表述正确的是(　　)
A．光照时间越长光电流越大
B．入射光足够强就可以有光电流
C．遏止电压与入射光的频率有关
D．入射光频率大于极限频率时一定能产生光电子

解析：选CD　光电流的大小只与单位时间流过单位面积的光电子数目有关，而与光照时间的长短无关，选项A错误；无论光照强度多强，光照时间多长，只要入射光的频率小于极限频率就不能产生光电效应，故选项B错误；遏止电压即反向截止电压，eUc＝hν－W0，与入射光的频率有关，超过极限频率的入射光频率越高，所产生的光电子的最大初动能就越大，则遏止电压越大，故选项C正确；无论光照强度多弱，光照时间多短，光的频率大于极限频率时一定能产生光电子，故选项D正确。
8．某光源发出的光由不同波长的光组成，不同波长的光的强度如图所示，表中给出了一些材料的极限波长，用该光源发出的光照射表中材料(　　)
材料
钠
铜
铂
极限波长(nm)
541
268
196
A.仅钠能产生光电子 B．仅钠、铜能产生光电子
C．仅铜、铂能产生光电子 D．都能产生光电子
解析：选D　根据爱因斯坦光电效应方程可知，只要光源的波长小于某金属的极限波长，就有光电子逸出，该光源发出的光的波长最小的小于100 nm，小于钠、铜、铂三个的极限波长，都能产生光电子，故D正确，A、B、C错误。
[B级——保分题目练通抓牢]
9．用不同频率的紫外线分别照射钨和锌的表面而产生光电效应，可得到光电子最大初动能Ek随入射光频率ν变化的Ek­ν图像。已知钨的逸出功是3.28 eV，锌的逸出功是3.34 eV，若将二者的图线画在同一个Ek­ν坐标系中，用实线表示钨、虚线表示锌，则正确反映这一过程的图是(　　)

解析：选A　依据光电效应方程Ek＝hν－W0可知，Ek­ν图线的斜率代表普朗克常量h，因此钨和锌的Ek­ν图线应该平行。图线的横轴截距代表截止频率ν0，而ν0＝，因此钨的截止频率小些，综上所述，A图正确。
10．(多选)如图所示是用光照射某种金属时逸出的光电子的最大初动能随入射光频率的变化图线(直线与横轴的交点坐标4.27，与纵轴交点坐标0.5)。由图可知(　　)

A．该金属的截止频率为4.27×1014 Hz
B．该金属的截止频率为5.5×1014 Hz
C．该图线的斜率表示普朗克常量
D．该金属的逸出功约为1.8 eV
解析：选ACD　由光电效应方程Ek＝hν－W0可知，题图中横轴的截距为该金属的截止频率，选项A正确，B错误；图线的斜率表示普朗克常量h，C正确；该金属的逸出功W0＝hν0＝6.63×10－34×4.27×1014 J≈1.8 eV，选项D正确。
11．(多选)如图所示为光电管的工作电路图，分别用波长为λ0、λ1、λ2的单色光做实验，已知λ2