2024年高考物理二轮专题复习-专题14 原子物理（原卷版+解析版）

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(1)“一个电路”：【应注意电源正负极的接法】
(2)“二条线索”：① 光的频率——光子能量——光电子最大初动能——遏止电压；
② 光照强度——光子数量——光电子数量——饱和电流。
(3)“三个公式”：① 爱因斯坦光电效应方程：EKm＝hυ－W0；
② 最大初动能与遏止电压的关系：EKm＝eUc．
③ 逸出功 W0 与截止频率υc 的关系：W0＝hυc=hc/λ．
(4)“四幅图象”
用a、b两束单色可见光分别照射同一单缝衍射装置，在同一屏幕上得到如图甲（a光）和图乙（b光）所示的图样，下列说法正确的是（ ）
A．在同一介质中，a光的波长大于b光的波长
B．在同一介质中，a光的光速小于b光的光速
C．以相同的入射角从空气斜射入水中，a光的折射角小
D．若用b光照射某金属有光电子逸出，则用a光照射该金属也一定有光电子逸出
如图甲所示为某实验小组成员研究某金属发生光电效应的遏止电压随照射光频率变化关系的实验原理图，图乙为实验得到的遏止电压随照射光频率变化的关系图像，电子的电荷量e＝1.6×10﹣19C，则下列说法正确的是（ ）
A．由图乙可得普朗克常量为6.6×10﹣33J•s
B．由图乙可知，该金属的极限频率为4.0×1014Hz
C．图甲中入射光的频率为4.8×1014Hz时，逸出的光电子的最大初动能为1.056×10﹣19J
D．图甲中入射光的频率为3.5×1014Hz时，滑动变阻器的滑片移到最左端，电流计G的示数为零
用不同波长的光照射光电管阴极探究光电效应的规律时，根据光电管的遏止电压Uc与对应入射光的波长λ作出的Uc-1λ图像如图所示。已知光电子的电荷量大小为e，光速为c，下列说法正确的是（ ）
A．该光电管阴极材料的逸出功大小为ac
B．当用波长λ=12a的光照射光电管阴极时，光电子的最大初动能为be
C．当用波长λ＜1a的光照射光电管的阴极时，不发生光电效应
D．当用波长λ＜1a的光照射光电管的阴极时，光电子的最大初动能与1λ成正比
如图为新型火灾报警装置的核心部件紫外线光电管，所接电源电压为U，火灾时产生的波长为λ的光照射到逸出功为W0的阴极材料K上产生光电子，且光电子能全部到达阳极A，回路中形成电流I，从而触发火灾报警器，已知普朗克常量为h，电子的电荷量为e，光速为c。下列说法正确的是（ ）
A．火灾中激发出光电子的光的频率为λc
B．阴极K上每秒钟产生的光电子数为Ie
C．光电管阴极接受到光照用于激发光电子的功率为Ihceλ
D．光电子经电场加速后到达A时的最大动能为hcλ-W0
图甲为光电效应实验的电路图，利用不同频率的单色光a、b进行光电效应实验，测得光电管两极间所加电压U与光电流I的关系如图乙所示。则这两种光（ ）
A．照射该光电管时，a光使其逸出的光电子最大初动能大
B．从同种玻璃射入空气发生全反射时，a光对应的临界角大
C．通过同一装置发生双缝干涉，b光的相邻条纹间距大
D．在同一介质中传播时，b光的速度大
二、玻尔模型
1、原子结构的物理学史：
2、能级跃迁：
(1)一群氢原子处于量子数为n的激发态时可能辐射出的光谱线条数：N＝Ceq \\al(2,n).
(2)原子跃迁时，所吸收或释放的光子能量只能等于两能级的能量差．
(3)原子电离时，所吸收的能量可以大于或等于某一能级能量的绝对值．
3、氢原子任一能级：En＝Ep＋Ek ；En＝eq \f(E1,n2) ；rn＝n2r1.
keq \f(e2,req \\al(2,n))＝meq \f(veq \\al(2,n),rn) ；Ekn＝eq \f(1,2)mveq \\al(2,n)＝keq \f(e2,2rn) ；Epn＝－keq \f(e2,rn)＝－2Ekn；En＝Epn＋Ekn＝－Ekn.
能级n↑，r↑，En↑，Epn↑，Ekn↓，v↓，吸收光子．(类比于卫星问题)
为了解释氢原子的发光现象，玻尔于1913年提出了原子假说。如图所示，一电子绕氢原子核做匀速圆周运动，基态的轨道半径为r1，电子在该轨道上运动的动能为Ek1，基态原子的能量为E1，某激发态的轨道半径为r2，电子在该轨道上运动的动能为Ek2，该激发态原子的能量为E2。下列说法中正确的是（ ）
A．Ek2＞Ek1
B．电子可以在r1和r2之间的任意轨道上稳定运动
C．处于激发态的原子向基态跃迁时释放的光子频率为E2-E1h
D．氢原子的上述能级跃迁释放能量的方式和氢弹释放能量的相同
与氢原子不同，氩原子从一个能级跃迁到一个较低能级时，可能不发射光子，而是把相应的能量转交给另一能级上的电子，并使之脱离原子，这一现象叫俄歇效应，以这种方式脱离原子的电子叫俄歇电子。若氩原子的基态能量为E1，处于n＝2能级的电子跃迁时，将释放的能量转交给处于n＝4能级的电子，使之成为俄歇电子a。假设氩原子的能级能量公式类似于氢原子的，即En=E1n2（n＝1，2，3，…，表示不同能级），则（ ）
A．氩原子从n＝2能级向n＝1能级跃迁时释放的能量为34E1
B．氩原子从n＝2能级向n＝1能级跃迁时释放的能量为-14E1
C．俄歇电子a的动能为-1116E1
D．俄歇电子a的动能为-116E1
已知氢的同位素氚（ 13H）的原子能级分布与氢（ 11H）的原子能级分布相同，用光子能量为12.75eV的光束照射大量处于基态的氚（ 13H）原子，再用氢原子跃迁时辐射的光照射逸出功为2.25eV的金属板。已知氢原子能级分布如图所示，氚（ 13H）的原子核发生β衰变的半衰期约为12.5年，则下列说法正确的是（ ）
A．氢原子跃迁时，一共能发出6种不同频率的光子
B．从金属板上打出的粒子的最大初动能为9.84eV
C．光束照射氚（ 13H）原子时能使氚核衰变的半衰期缩短为10年
D．从金属板上打出的粒子是中子
已知氢原子的基态能量为E1，激发态能量为En=E1n2，其中n＝2，3，4，⋯。1885年，巴耳末对当时已知的在可见光区的四条谱线做了分析，发现这些谱线的波长能够用一个公式表示，即1λ=R(122-1n2)，n＝3，4，5，⋯这个公式称为巴耳末公式，式中R叫里德伯常量。用h表示普朗克常量，c表示真空中的光速，则氢原子的基态能量为E1可以表示为（ ）
A．﹣RhcB．RhcC．-12RhcD．12Rhc
如图所示，氢原子的能级图。一群处于基态的氢原子受到激发后，会辐射出6种不同频率的光。已知可见光光子的能量范围为1.64eV～3.19eV。下列说法正确的是（ ）
A．6种不同频率的光中包含有γ射线
B．基态的氢原子受激后跃迁到n＝6的能级
C．从n＝4能级跃迁到n＝2发出的光是可见光
D．从n＝4能级跃迁到n＝3发出的光波长最短
三、半衰期
(1)半衰期是对大量原子核的统计规律，数量少则无法预测；
(2)原子核衰变是变成另外的原子核，而不是变为 0；
四、核反应方程与核能
(1)万有引力、电磁力和核力分别在不同的尺度上发挥作用：在原子核内，核力将核子束缚在一起；在原子核外部，电磁力使电子不脱离原子核，并且使原子结合成分子，分子结合成各种物质；而万有引力主要在宏观世界中起主导作用。
(2)结合能：将原子核完全分裂成单个核子所需要吸收的能量。组成原子的核子数越多，结合能越大。
(3)比结合能（平均结合能）：比结合能越大，原子核越稳定。（如下图，铁核附近最稳定）
我国科研人员利用超高空间分辨率铀﹣铅定年技术，对嫦娥五号”月球样品进行分析，确定月球在20亿年前仍存在岩浆活动。已知铀﹣铅定年技术依赖的其中一种衰变链为： 92235U经一系列α、β衰变后形成。则（ ）
A． 82207Pb比 92235U少10个中子
B． 82207Pb的比结合能大于 92235U
C． 92235U适合用于医学中的放射性示踪剂
D． 92235U衰变为 82207Pb需经过7次α衰变和6次β衰变
近年中国探月工程取得重大成就。月球夜晚温度低至﹣180℃，为避免低温损坏仪器，“玉兔二号”月球车携带的放射性同位素钚238（ 94238Pu）会不断衰变，释放能量为仪器设备238供热。 94238Pu可以通过以下反应过程得到： 92238U+ 12H→ 93238Np+2 01n， 93238Np→X+ 94238Pu。已知 94238Pu的衰变方程为 94238Pu→Y+ 92238U，其半衰期为88年。下列说法正确的是（ ）
A． 92238U+ 12H→ 93238Np+2 01n为轻核聚变
B．X为正电子，Y为质子
C． 94238Pu的比结合能 92238U的比结合能小
D．白天时温度升高， 94238Pu的半衰期会减小
人体内存在极微量的 614C、 1940K等放射性元素， 614C、 1940K衰变的核反应方程式分别为： 614C→ 714N+X、 1940K→ 1840Ar+Y，下列说法正确的是（ ）
A．X是 614C原子核的核外电子电离产生的
B．Y是质子
C． 614C衰变成 714N的核反应属于β衰变
D．100个 1940K原子经过一个半衰期还剩下50个
2964Cu原子核有40%的可能发生β﹣衰变，方程为 2964Cu→ 3064Zn+ -10e，衰变过程释放的核能是ΔE1；有19%的可能发生β+衰变，方程为 2964Cu→ 2864Ni+ 10e，衰变过程释放的核能是ΔE2，ΔE2＞ΔE1。已知 2964Cu的比结合能为E，普朗克常量为h，真空中光速为c，正负电子质量相等，下列说法正确的是（ ）
A．由于释放核能，所以衰变过程质量数不守恒
B． 3064Zn的质量比 2864Ni质量小
C． 3064Zn的比结合能为E-ΔE164
D． 2864Ni的比结合能为E+ΔE264
原子核的比结合能曲线如图所示，根据该曲线，下列判断正确的是（ ）
A． 12H核的结合能约为1MeV
B．中等质量的原子核最稳定
C．两个 12H核结合成 24He核要吸收能量
D． 92235U裂变成 3689Kr和 56144Ba要吸收能量
我国已成功发射的月球探测车上装有核电池提供动力。核电池是利用放射性同位素衰变放出载能粒子并将其能量转换为电能的装置。某核电池使用的核燃料为 94238Pu，一个静止的带 94238Pu发生一次α衰变生成一个新核，并放出一个γ光子。将该核反应放出的γ光子照射某金属，能放出最大动能为Ek的光电子。已知电子的质量为m，普朗克常量为h。则下列说法正确的是（ ）
A．新核的中子数为144
B．新核的比结合能小于 94238Pu核的比结合能
C．光电子的物质波的最大波长为h2mEk
D．若不考虑γ光子的动量，α粒子的动能与新核的动能之比为117：2
月球夜晚温度低至﹣180℃，“玉兔二号”月球车携带的放射性同位素钚238（ 94238Pu）会不断发生α衰变 94238Pu→ 24He+ 92234U，释放的能量为仪器设备供热。 94238Pu可以通过以下反应得到： 92238U+12H→ 93238Np+k01n， 93238Np→X+ 94238Pu。则（ ）
A．k＝1且X为电子
B． 92234U比 92238U更加稳定
C． 94238Pu的比结合能比 92234U的大
D． 92238U+12H→ 93238Np+k01n是轻核聚变
原子核的比结合能是原子核稳定程度的量度，原子核的比结合能曲线如图所示，根据该曲线，下列说法正确的是（ ）
A．原子核的结合能越大，原子核就越稳定
B． 24He核的结合能约为14MeV
C．一个重原子核衰变成α粒子和另一原子核，衰变产物的结合能之和一定大于原来重核的结合能
D． 3689Kr核中核子的比结合能比 56144Ba核中核子的比结合能小
(4)核反应方程：① 动量守恒：静止的核裂变之后的两个新核动量等大反向；
②能量守恒：核能（静止时的能量）+动能（运动的能量）=E总.
(5)核能的计算△E=mc 2
①质量亏损是指反应前后体系静止质量的差值；
②记住一个结论：1u=931.5MeV。（单位对应：kg——Ju——MeV）
(6)四种核反应类型及其遵循的三大规律（质量数守恒、电荷数守恒、能量守恒）
太阳辐射的能量主要来源于聚变反应 12H+ 13H→ 24He+ 01n+17.6MeV，现有1ml氘和1.5ml氚充分发生聚变反应，已知阿伏加德罗常数NA＝6.02×1023ml﹣1，则该聚变反应释放的总能量约为（ ）
A．1×1025MeVB．1.5×1025MeV
C．2×1025MeVD．5×1025MeV
已知氘核的比结合能为1.1MeV，氦核的比结合能为7.1MeV，则两个氘核结合成一个氦核时（ ）
A．这个核反应方程为 12H+ 12H→ 24He
B．这个核反应为α衰变
C．释放出4.9MeV的能量
D．吸收6.0MeV的能量
2021年12月30日晚，我国金超导托卡马克核聚变实验首次实现“人造太阳”发光长达1056秒，创造新纪录。“人造太阳”的原理是利用两个氘核反应生成一个氦 23He，一个未知粒子X，并释放能量。已知氘核的质量为m1，氦 23He的质量为m2，粒子X的质量为m3，则（ ）
A．此核反应为裂变反应
B．此核反应中释放出的粒子X为质子
C．2m1＝m2+m3
D． 23He和 24He互为同位素
实现核能电池的小型化、安全可控化一直是人们的目标。现在有一种“氚电池”，它的体积比一元硬币还要小，有的心脏起搏器就是使用“氚电池”供电，使用寿命长达20年。已知氚核的衰变方程为 13H→ ZAHe+ -10e+ve，其中ve是质量可忽略不计的中性粒子，氚核的半衰期为12.5年。设反应前 13H的质量为m1，反应后 ZAHe的质量为m2， -10e的质量为m3，光在真空中的传播速度为c。下列说法正确的是（ ）
A．Z＝2，A＝3，原子核衰变时电荷数和质量数都守恒
B．100个 13H经过25年后一定还剩余25个
C． 13H发生的是β衰变，β射线的穿透能力最强
D．该衰变过程释放的能量为（m2+m3﹣m1）c2
2023年1月，“中国超环”成为世界上首个实现维持和调节超过1000秒的超长时间持续脉冲的核反应堆。其核反应方程 12H+ 13H→ 24He+X，已知 12H的质量m1， 13H的质量m2， 24He的质量m3，反应中释放出γ光子，下列说法正确的是（ ）
A．该核反应在高温高压下才能发生，说明该核反应需要吸收能量
B．γ光子来源于核外电子的能级跃迁
C．X是中子，该核反应为核聚变反应
D．X的质量为m1+m2﹣m3图象名称
图线形状
由图线直接(间接)得到的物理量
最大初动能Ek与入射光频率ν的关系图线
①极限频率：图线与ν轴交点的横坐标νc
②逸出功：图线与Ek轴交点的纵坐标的值W0＝|－E|＝E
③普朗克常量：图线的斜率k＝h
颜色相同、强度不同的光，光电流与电压的关系
①遏止电压Uc：图线与横轴的交点
②饱和光电流Im：电流的最大值
③最大初动能：Ekm＝eUc
颜色不同时，光电流与电压的关系
①遏止电压Uc1、Uc2
②饱和光电流
③最大初动能Ek1＝eUc1，Ek2＝eUc2
遏止电压Uc与入射光频率ν的关系图线
①截止频率νc：图线与横轴的交点
②遏止电压Uc：随入射光频率的增大而增大
③普朗克常量h：等于图线的斜率与电子电量的乘积，即h＝ke.(注：此时两极之间接反向电压)
类型
可控性
核反应方程典例
衰变
α衰变
自发
eq \\al(238, )92U→eq \\al(234, )90Th＋eq \\al(4,2)He
β衰变
自发
eq \\al(234, )90Th→eq \\al(234, )91Pa＋eq \\al(0,－1)e
人工转变
人工控制
eq \\al(14, )7N＋eq \\al(4,2)He→eq \\al(17, )8O＋eq \\al(1,1)H(卢瑟福发现质子)
eq \\al(4,2)He＋eq \\al(9,4)Be→eq \\al(12, )6C＋eq \\al(1,0)n(查德威克发现中子)
eq \\al(27,)13Al＋eq \\al(4,2)He→eq \\al(30,15)P＋eq \\al(1,0)n
约里奥－居里夫妇发现放射性同位素，同时发现正电子
eq \\al(30,15)P→eq \\al(30,14)Si＋eq \\al( 0,＋1)e
重核裂变
比较容易进行人工控制
eq \\al(235, )92U＋eq \\al(1,0)n→eq \\al(144, )56Ba＋eq \\al(89,36)Kr＋3eq \\al(1,0)n
eq \\al(235, )92U＋eq \\al(1,0)n→eq \\al(136, )54Xe＋eq \\al(90,38)Sr＋10eq \\al(1,0)n
轻核聚变
目前无法控制
eq \\al(2,1)H＋eq \\al(3,1)H→eq \\al(4,2)He＋eq \\al(1,0)n