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1、专题六 原子与原子核 第14讲 原子与原子核,【主干回顾】,【核心速填】 (1)光电效应的实验规律。 存在着_光电流。 存在着遏止电压和_频率。 光电效应具有_。 (2)爱因斯坦的光电效应方程。,饱和,截止,瞬时性,表示式:_=Ek+W0或Ek=_-W0。 物理意义:金属中电子吸收一个光子获得的能量是 h,这些能量一部分用于克服金属的_,剩下 的表现为逸出后电子的初动能Ek。,h,h,逸出功W0,(3)能级跃迁。 辐射条件:h=_。 辐射光谱线条数:一群处于量子数为n的激发态的氢 原子,可辐射出的光谱条数N= 。,Em-En,(4)结合能和质量亏损。 结合能:原子核是核子凭借核力结合在一起构成
2、的, 要把它们分开也需要_,这就是原子核的结合能。,能量,质量亏损: a.爱因斯坦质能方程:_。 b.质量亏损:原子核的质量_组成它的核子的质量之 和的现象。 c.核子在结合成原子核时出现的质量亏损m,与它们 在互相结合过程中放出的能量E的关系是_。,E=mc2,小于,E=mc2,热点考向1 氢原子能级跃迁、光电效应 【典例1】 (多选)(2016洛阳模拟) 如图所示为氢原子的能级, 已知可见光的光子能量范围为1.623.11eV,那么对氢 原子在能级跃迁过程中发射或吸收光子的特征认识正 确的是 ( ),A.若锌发生光电效应的极限波长为370nm,用氢原子从高能级向基态跃迁时发射的光照射锌板一
3、定不能产生光电效应现象 B.用能量为11.0eV的自由电子轰击,可使处于基态的氢原子跃迁到激发态 C.处于n=2能级的氢原子能吸收任意频率的紫外线 D.处于n=3能级的氢原子可以吸收任意频率的紫外线,并且使氢原子电离,【思考】 (1)满足什么条件的光子可以被氢原子吸收,发生跃迁? 提示:吸收光子能量必须满足h=Em-En,若光子能量大于13.6eV可以使氢原子电离。,(2)满足什么条件的电子可以被氢原子吸收? 提示:能量大于两能级差的电子都可以使处于基态的氢原子跃迁。,【解析】选B、D。氢原子从高能级向基态跃迁时发出 的光子的最小能量为10.2eV,照射金属锌板一定能产生 光电效应现象,故A错
4、误;用能量为11.0eV的电子轰击, 基态的氢原子吸收的能量可以等于10.2eV,可以使处于 基态的氢原子跃迁到n=2能级,故B正确;紫外线光子的 最小能量为3.11eV,处于n=2能级的氢原子的电离能为 3.4eV,故C错误;紫外线光子的最小能量为3.11eV,处于,n=3能级的氢原子的电离能为1.51eV,故处于n=3能级的氢原子可以吸收任意频率的紫外线,并且使氢原子电离,故D正确。,【典例2】(2016衡水模拟)阴极K用极限波长0=0.66m的金属制成的装置如图所示。若闭合开关S,现用=333.7nm的紫外线照射阴极,调整两个极板电压,使饱和光电流的值(当阴极K发射的电子全部到达阳极A时
5、,电路中的电流达到最大值,称为饱和光电流)I=0.64A。,(1)求每秒钟阴极发射的光电子数。 (2)求光电子飞出阴极时的最大初动能。 (3)如果将照射阴极的绿光的光强增大为原来的2倍,求每秒钟阴极发射的光电子数和光电子飞出阴极时的最大初动能。,【思考】 (1)饱和光电流和光电子数存在着什么关系? 提示:饱和光电流也是电流,电流强度等于单位时间内通过的电荷量,根据电荷量可以计算光电子数。 (2)光强增强,会影响最大初动能吗? 提示:不会影响。,【解析】(1)阴极每秒发射的光电子数:,(2)根据光电效应方程,光电子的最大初动能为,代入数据解得最大初动能为Ekm=2.9510-19J。,(3)如果
6、照射光的频率不变,光强加倍,则每秒内发射的光电子数也加倍,饱和光电流也增大为原来的2倍,根据光电效应实验规律可得阴极每秒钟发射的光电子个数:n=2n=8.01012个。光电子的最大初动能仍然为Ekm=h-W0=2.9510-19J。 答案:(1)4.01012个 (2)2.9510-19J (3)8.01012个 2.9510-19J,【规律总结】 1.氢原子能级跃迁问题的解题技巧: (1)每个氢原子每次跃迁能吸收或辐射一个特定频率的光子。比如吸收能量时,如果光子的能量足够大,则吸收后一定发生电离;如果光子能量恰好满足量子化的条件,则刚好全部被吸收;如果光子能量吸收后不足以产生跃迁或电离,则这
7、种光子不会被吸收。,(2)一群原子和一个原子在处理问题的时候是有区别的,氢原子核外只有一个电子,这个电子在某个时刻只能处在某一个可能的轨道上,在某段时间内,由某一轨道跃迁到另一个轨道时,可能的情况只有一种,但是如果有大量的氢原子,这些原子的核外电子跃迁时就会有各种情况出现了。,(3)计算氢原子能级跃迁放出或吸收光子的频率和波长时,要注意能级的能量值均为负值,且单位应为“电子伏”,计算时需要换算成“焦”。,2.研究光电效应的两条线索:,由以上可知两条线索:一是光的频率线,二是光的强度线。,3.光电效应中的两条对应关系: (1)光强光子数目多发射光电子多光电流大。 (2)光子频率高光子能量大产生光
8、电子的最大初动能大。,【题组过关】 1. (多选)(2016南昌模拟)如图所示,现有大量氢原 子从n=4的能级发生跃迁,并发射光子照射一个钠光电 管,其逸出功为2.29eV,以下说法正确的是 ( ),A.氢原子只能发出6种不同频率的光子 B.能够让钠光电管发生光电效应现象的有4种光子 C.为了增加钠光电管的光电流强度,可增加入射光的频率 D.钠光电管发出的光电子最多能够让氢原子从n=1的能级跃迁到n=2的能级,【解析】选A、B、D。大量氢原子从n=4的能级发生跃 迁,能释放出 =6种频率的光子,所以A选项是正确的。 从n=4到n=2,从n=4到n=1,从n=3到n=1,从n=2到n=1的光 子
9、能使钠发生光电效应,所以B选项是正确的。光电流强 度与入射光的频率强度及正向电压等因素有关,所以增 加入射光的频率不一定使光电流强度增加,C选项是错 误的。钠金属发生光电效应的光电子的最大初动能,Ek=(E4-E1)-W0=10.46eV,而E=E2-E1=10.2eV,由于EkE,所以D选项是正确的。,2.(多选)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作光 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
10、波长会变大,这个现象称为康普顿效应,【解析】选B、D。当光照射到金属上时,如果能发生光 电效应,就会从金属表面释放出电子,这种电子叫光电 子,不叫光子,光子是一份份的能量不是实物粒子,A选 项是错误的。发生光电效应的条件是入射的频率必须 大于或等于金属的截止频率,所以B选项正确。遏止电 压存在的意义在于光电子有最大初动能,即eUc=h-W0, 所以对同种金属,遏止电压与入射光的频率有关系,C选,项是错误的。康普顿效应是指当X射线与实物粒子作用时,发生散射,会使X射线的波长变长,频率变小,所以D选项是正确的。,3.研究光电效应规律的实验装置如图所示,以频率为 的光照射光电管阴极K时,有光电子产生
11、。由于光电管K、 A间加的是反向电压,光电子从阴极K发射后将向阳极A 做减速运动。光电流i由图 中电流计G测出,反向电压U 由电压表V测出,当电流计的 示数恰好为零时,电压表的,示数称为反向截止电压U0。在下列表示光电效应实验规律的图象中,错误的是 ( ),【解析】选B。反向电压U和频率一定时,发生光电效应 产生的光电子数与光强成正比,则单位时间到达阴极A 的光电子数与光强也成正比,故光电流i与光强I成正 比,A正确。由动能定理,-qU0=0-Ekm,又因Ekm=h-W0, 所以U0= ,可知截止电压U0与频率是线性关 系,不是正比关系,故B错误。光强I与频率一定时,光 电流i随反向电压的增大
12、而减小,又据光电子动能大小,的分布概率及发出后的方向性可知,C正确。由光电效应知金属中的电子对光子的吸收是十分迅速的,时间小于10-9s,10-9s后,光强I和频率一定时,光电流恒定,故D正确。,热点考向2 核反应方程与核能 【典例3】一个质子和一个中子聚变结合成一个氘核,同时辐射一个光子。已知质子、中子、氘核的质量分别为m1、m2、m3,普朗克常量为h,真空中的光速为c。下列说法正确的是 ( ),A.核反应方程是 B.聚变反应中的质量亏损m=m1+m2-m3 C.辐射出的光子的能量E=(m3-m1-m2)c D.光子的波长=,【解析】选B。据核反应质量数守恒可知选项A错误;聚 变反应中的质量
13、亏损m=m1+m2-m3,选项B正确;辐射出 的光子的能量E=mc2,选项C错误;据mc2= 可 知光子的波长= ,选项D错误。,【规律总结】 1.衰变和衰变次数的确定方法: (1)方法一:由于衰变不改变质量数,故可以先由质量数改变确定衰变的次数,再根据电荷数守恒确定衰变的次数。 (2)方法二:设衰变次数为x,衰变次数为y,根据质量数和核电荷数守恒列方程求解。,2.核能的计算方法: (1)根据爱因斯坦的质能方程,用核子结合成原子核时质量亏损(m)的千克数乘以真空中光速(c=3108m/s)的平方,即E=mc2(焦耳)。 (2)根据1原子质量单位(u)相当于931.5兆电子伏(MeV)能量,用核
14、子结合成原子核时质量亏损的原子质量单位乘以931.5MeV,即E=m931.5MeV。,(3)如果核反应时释放的核能是以动能形式呈现,则核反应过程中系统动能的增量即为释放的核能。,【题组过关】 1.(多选)(2016赣州模拟)人们发现,不同的原子核,其核子的平均质量(原子核的质量除以核子数)与原子序数有如图所示的关系。下列关于原子结构和核反应的说法正确的 ( ),A.由图可知,原子核A裂变成原子核B和C时会有质量亏损,要放出核能 B.由图可知,原子核D和E聚变成原子核F时会有质量亏损,要吸收能量 C.已知原子核A裂变成原子核B和C时放出的y射线能使某金属板逸出光电子,若增加y射线强度,则逸出光
15、电子的最大初动能增大,D.在核反应堆的外面修建很厚的水泥层能防止放射线和放射性物质的泄漏,【解析】选A、D。由图可知,原子核A裂变成原子核B和C时,有质量亏损,根据爱因斯坦质能方程知,要释放能量,故A正确。由图可知,原子核D和E聚变成原子核F时会有质量亏损,根据爱因斯坦质能方程知,要释放能量,故B错误。根据光电效应方程Ekm=h-W0知,光电子的最大初动能与入射光的强度无关,与入射光的频率有关,故C错误。在核反应堆的外面修建很厚的水泥层能防止放射线和放射性物质的泄漏,故D正确。,2.(多选)(2016上饶模拟)有关近代物理知识,下列叙 述中正确的是 ( ) A.康普顿效应深入地揭示了光的粒子性
16、的一面,该效应 表明光子除了具有能量之外还具有动量 B.碘-131的半衰期大约为8天,40天后,碘-131就只剩下 原来的,C.Th核发生一次衰变后,新核与原来的原子核相比,中子数减少了4 D.比结合能越大,原子核中核子结合得越不牢固,原子核越不稳定,【解析】选A、B。康普顿效应说明光具有粒子性,该效 应表明光子不仅具有能量,还具有动量,故A正确。根据 m=m0(- )n知,经过40天,即经过5个半衰期,碘-131的 剩余质量变为原来的 ,故B正确。Th核发生一次衰 变后,新核与原来的原子核相比,质量数少4,电荷数少 2,则中子数少2,故C错误。比结合能越大,原子核中核 子结合越牢固,原子核越稳定,故D错误。,3.(2016晋中模拟)一个氢原子的质量为1.6736 1
