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专题(09)原子物理(解析版)
【专题考向】在原子物理这一部分内容中,主要考查光电效应,原子结构、原子核与核能。虽然对光电效应、原子结构原子核与核能的考查频率比较高,但是在复习的过程中,原子的能级和跃迁也应该引起高度的重视。
高频考点:光电效应、原子的能级和跃迁、原子结构原子核与核能。
【知识、方法梳理】
1.光电效应的实验规律
(1)任何一种金属都有一个截止频率,入射光的频率低于这个频率时不发生光电效应。
(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)入射光照射到金属板上时,光电子的发射几乎是瞬时的,一般不会超过10-9 s。
(4)当入射光的频率大于或等于截止频率时,饱和光电流的大小与入射光的强度成正比。
2.光电效应方程
(1)光电子的最大初动能Ek跟入射光子的能量hν和逸出功W0的关系为:Ek=hν-W0。
(2)截止频率νc=。
3.氢原子能级图
(1)氢原子能级图如图所示。
(2)一群氢原子处于量子数为n的激发态时,最多可能辐射出的光谱线条数:
N=C=。
4.原子核的衰变
衰变类型
α衰变
β衰变
衰变方程
X→Y+He
X→Y+e
衰变实质
2个质子和2个中子结合成一整体射出
核内的一个中子转化成了一个质子和一个电子
2H+2n→He
n→H+e
衰变规律
电荷数守恒、质量数守恒
5.核能
(1)原子核的结合能:克服核力做功,使原子核分解为单个核子时吸收的能量,或若干单个核子在核力的作用下结合成原子核时放出的能量。
(2)质量亏损:原子核的质量小于组成它的核子的质量之和的现象。注意质量数与质量是两个不同的概念。
(3)质能方程:E=mc2,即一定的能量和一定的质量相联系,物体的总能量与它的质量成正比。
【热点训练】
1、(多选)利用如图所示的电路研究光电效应现象,其中电极K由金属钾制成,其逸出功为2.25 eV。用某一频率的光照射时,逸出光电子的最大初动能为1.50 eV,电流表的示数为I。已知普朗克常量约为6.6×10-34 J·s,下列说法正确的是( )
A.金属钾发生光电效应的截止频率约为5.5×1014 Hz
B.若入射光频率加倍,光电子的最大初动能变为3.00 eV
C.若入射光频率加倍,电流表的示数变为2I
D.若入射光频率加倍,遏止电压的大小将变为5.25 V
解析:设金属的截止频率为νc,由W0=hνc解得νc=5.5×1014 Hz,A正确;由光电效应方程Ek=hν-W0,若入射光的频率加倍,W0不变,所以光电子的最大初动能并不加倍,B错误;若入射光的频率加倍,电流表的示数不一定是原来的2倍,C错误;由Ek=hν-W0知入射光的能量为hν=3.75 eV,若入射光的频率加倍,则Ek′=2hν-W0=5.25 eV,而eUc=Ek′,所以遏止电压Uc=5.25 V,D正确。
【答案】AD
2、(多选)氢原子光谱如图甲所示,图中给出了谱线对应的波长,氢原子能级图如图乙所示。已知普朗克常量h=6.63×10-34 J·s,已知可见光的频率范围约为4.2×1014 Hz~7.8×1014 Hz,则( )
A.Hα谱线对应光子的能量小于Hδ谱线对应光子的能量
B.图甲所示Hα、Hβ、Hγ、Hδ四种光均属于可见光范畴
C.Hβ对应光子的能量约为10.2 eV
D.Hα谱线对应的跃迁是从n=3能级到n=2能级
解析:波长长频率小,A正确;可见光的波长范围约为400 nm~760 nm,B正确;Hβ波长比Hα短,能量比Hα大,应该是第四能级跃迁到第二能级产生的,C错误,D正确。
【答案】ABD
3、真空中一个静止的镭原子核Ra经一次α衰变后变成一个新核Rn,衰变方程为Ra→Rn+He,下列说法正确的是( )
A.衰变后Rn核的动量与α粒子的动量相同
B.衰变后Rn核的质量与α粒子的质量之和等于衰变前镭核Ra的质量
C.若镭元素的半衰期为τ,则经过τ的时间,8个Ra核中有4个已经发生了衰变
D.若镭元素的半衰期为τ,则经过2τ的时间,2 kg的Ra核中有1.5 kg已经发生了衰变
解析:衰变前,镭原子核Ra的动量为零。根据动量守恒定律可知,Rn与α粒子的动量大小相等,方向相反,所以二者动量不同,故A错误;镭核衰变的过程中,存在质量亏损,导致衰变后Rn核的质量与α粒子的质量之和小于衰变前镭核Ra的质量,故B错误;少量放射性元素的衰变是一个随机事件,对于8个放射性元素,无法准确预测其衰变的个数,故C错误;2 kg的Ra核衰变,符合统计规律,经过2τ的时间,已有1.5 kg发生衰变,故D正确。
【答案】D
4、(多选)如图为氢原子光谱在可见光区域内的四条谱线Hα、Hβ、Hγ和Hδ,都是氢原子中电子从量子数n>2的能级跃迁到n=2的能级发出的光,根据此图可以判定( )
A.Hα对应的原子前后能量之差最小
B.同一介质对Hα的传播速度最大
C.Hδ光子的动量最大
D.用Hγ照射某一金属能发生光电效应,则用Hβ照射同一金属一定不能产生光电效应
解析:四条谱线Hα、Hβ、Hγ和Hδ,在真空中的波长由长到短,依据ν=可知:四条谱线Hα、Hβ、Hγ和Hδ的频率是由低到高,那么它们的能量也是由小到大,而ΔE=Em-En=hν,则Hα对应的前后能量之差最小,故A正确;在同一介质中,由于Hα能量最小,频率最小,那么Hα折射率也最小,根据v=可知Hα的传播速度最大,故B正确;根据波粒二象性的相关理论,由p=可知Hδ波长最短,动量最大,故C正确;若用Hγ照射某一金属能发生光电效应,由于Hβ的能量小于Hγ,即Hβ的频率小于Hγ,依据光电效应发生条件,要求入射光的频率大于金属的极限频率,Hβ的频率不一定低于金属的极限频率,当Hβ的频率高于金属极限频率时就可以发生光电效应,故D错误。
【答案】ABC
5、(多选)如图甲是光电效应的实验装置图,图乙是光电流与加在阴极K和阳极A上的电压的关系图象,下列说法正确的是( )
A.由图线①、③可知在光的颜色不变的情况下,入射光越强,饱和光电流越大
B.由图线①、②、③可知对某种确定的金属来说,其遏止电压与入射光的频率
有关
C.遏止电压越大,说明从该金属中逸出的光电子的最大初动能越大
D.不论哪种颜色的入射光,只要光足够强,就能发生光电效应
解析:由图线①、③可知在光的颜色不变的情况下,入射光越强,饱和光电流越大,选项A正确;根据光电效应方程可得Ek=hν-W0=eUc,可知入射光频率越大,光电子的最大初动能越大,遏止电压越大,所以对于确定的金属,遏止电压与入射光的频率有关,选项B正确;根据最大初动能Ek=eUc可知,遏止电压越大,说明从该金属中逸出的光电子的最大初动能越大,选项C正确;发生光电效应的条件是入射光的频率大于截止频率,与入射光的强度无关,选项D错误。
【答案】ABC
6、在匀强磁场中,一个原来静止的原子核,由于衰变放射出某种粒子,结果得到一张两个相切圆1和2的径迹照片如图所示,已知两个相切圆半径分别为r1、r2,则下列说法正确的是( )
A.原子核可能发生α衰变,也可能发生β衰变
B.径迹2可能是衰变后新核的径迹
C.若衰变方程是U→Th+He,则衰变后新核和射出的粒子的动能之比为117∶2
D.若衰变方程是U→Th+He,则r1:r2=1∶45
解析:原子核衰变过程系统动量守恒,由动量守恒定律可知,衰变生成的两粒子动量方向相反,粒子速度方向相反,由左手定则知:若生成的两粒子电性相反,则在磁场中的轨迹为内切圆,若电性相同,则在磁场中的轨迹为外切圆,所以为电性相同的粒子,可能发生的是α衰变,但不是β衰变,故A错误;核反应过程系统动量守恒,原子核原来静止,初动量为零,由动量守恒定律可知,原子核衰变后生成的两核动量p大小相等、方向相反,粒子在磁场中做匀速圆周运动,洛伦兹力提供向心力,由牛顿第二定律得qvB=m,解得r==,由于p、B都相等,则粒子电荷量q越大,其轨道半径r越小,由于新核的电荷量大于粒子的电荷量,则新核的轨道半径小于粒子的轨道半径,则半径为r1的圆为放出新核的运动轨迹,半径为r2的圆为粒子的运动轨迹,故B错误;根据动量守恒定律知,新核Th和α粒子的动量大小相等,则动能Ek=,所以动能之比等于质量之反比,为2∶117,故C错误;由B选项的分析知r1∶r2=2∶90=1∶45,故D正确。
【答案】D
7、关于物理学家和他们对物理学的贡献,下列说法正确的是( )
A.爱因斯坦提出了光的电磁说
B.麦克斯韦预言并证实了电磁波的存在
C.玻尔建立了量子理论,并成功解释了各种原子的发光原理
D.卢瑟福根据α粒子散射实验的结果提出了原子的核式结构模型
解析:麦克斯韦提出了光的电磁说,认为光是一种电磁波,故A项错误;麦克斯韦预言电磁波的存在,赫兹用实验证实了电磁波的存在,故B项错误;玻尔结合普朗克的量子概念、爱因斯坦的光子概念和卢瑟福的原子核式结构模型提出了玻尔理论,成功解释了氢原子的发光原理;但由于过多保留了经典电磁学的理论,不能很好地解释其他原子的发光现象,C错误;卢瑟福根据α粒子散射实验的结果提出了原子的核式结构模型,故D项正确。
【答案】D
8、下列现象中,原子核结构发生了改变的是( )
A.氢气放电管发出可见光 B.β衰变放出β粒子
C.α粒子散射现象 D.光电效应现象
解析:氢气放电管发出可见光是原子从较高能级跃迁至较低能级的结果,是由于原子核外部电子运动产生的,与原子核内部变化无关,故A错误;β衰变放出β粒子是原子核内一个中子转变为一个质子和一个电子,所以导致原子核结构发生了改变,故B正确;α粒子散射实验表明原子具有核式结构,故C错误;光电效应是原子核外电子吸收光子能量逃逸出来的现象,跟原子核内部变化无关,故D错误.
【答案】B
9、下列说法正确的是( )
A.原子核的结合能越大,原子核越稳定
B.β衰变释放出电子,说明原子核内有电子
C.氡的半衰期为3.8天,8个氡原子核经过7.6天后剩下2个氡原子核
D.用频率为ν的入射光照射光电管的阴极,遏止电压为Uc,改用频率为2ν的入射光照射同一光电管,遏止电压大于2Uc
解析:原子核的比结合能越大,原子核越稳定,故A错误;β衰变释放出电子,是中子转化为质子放出的,不能说明原子核内有电子,故B错误;半衰期的概念是对大量原子核而言的,对于个别原子核无意义,故C错误;由光电效应方程:eUc=hν-W0,当改用频率为2ν的入射光照射同一光电管,由光电效应方程:eUc′=h·2ν-W0,则Uc′>2Uc,故D正确。
【答案】D
10、关于原子物理知识,下列说法正确的是( )
A.升高放射性物质的温度,其半衰期变短
B.发生光电效应现象时,增大入射光的频率,同一金属的逸出功变大
C.Np经过7次α衰变和5次β衰变后变成Bi
D.根据玻尔理论,氢原子向低能级跃迁时只放出符合两能级能量差的光子
解析:半衰期与温度无关,即升高放射性物质的温度,其半衰期不会发生变化,故A错误;金属的逸出功由金属材料决定,与入射光的频率无关,故B错误;设需要经过x次α衰变和y次β衰变,根据质量数守恒和电荷数守恒有:93=2x-y+83,4x=237-209,所以解得:x=7,y=4,故选项C错误;根据玻尔理论,氢原子向低能级跃迁时只放出符合两能级能量差的光子。
【答案】D
11、氢原子的能级公式为En=E1(n=1,2,3…),其中基态能量E1=-13.6 eV,能级图如图所示。大量氢原子处于量子数为n的激发态,由这些氢原子可能发出的所有光子中,频率最大的光子能量为-0.96E1,则n和可能发出的频率最小的光子能量分别为( )
A.n=5,0.54 eV B.n=5,0.3
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