专题13 原子与原子核-2021高考物理专项攻关高分宝典（解析版）

这是一份专题13 原子与原子核-2021高考物理专项攻关高分宝典（解析版），共16页。

从近几年高考试题来看,光电效应方程、核反应方程以及与动量结合是考查的重点,以选择题的形式考查,分值为6分.根据全国卷命题特点,预计2020年高考中,可能考查面扩大,考查会集中在α粒子散射实验,氢原子光谱和能级结构及光电效应方程,核反应中的衰变,粒子的波动性,核力和结合能、质能方程等知识点.
【备考建议】
【经典例题】
【经典例题】
考点一 光电效应规律
【典例1】（2019高考北京理综卷19）光电管是一种利用光照射产生电流的装置，当入射光照在管中金属板上时，可能形成光电流。表中给出了6次实验的结果。
由表中数据得出的论断中不正确的是
A．两组实验采用了不同频率的入射光
B．两组实验所用的金属板材质不同
C．若入射光子的能量为5.0 eV，逸出光电子的最大动能为1.9 eV
D．若入射光子的能量为5.0 eV，相对光强越强，光电流越大
【答案】B
【解析】由表格中数据可知，两组实验所用入射光光子的能量，由E=hv可知，两组实验所用入射光的频率不同，即两组实验采用了不同频率的入射光，选项A正确；由爱因斯坦光电效应方程，Ek=hv-W0，对第一组实验，0.9=4.0-W01，对第二组实验，2.9=6.0-W02，解得W01= W02=3.1eV，两组实验所用金属材料的逸出功相同，说明两组实验所用的金属板材质相同，选项B错误；若入射光子的能量为5.0 eV，由爱因斯坦光电效应方程，Ek=hv-W0，可得逸出光电子的最大动能为Ek=hv-W0=5.0eV-.1eV =1.9 eV，选项C正确；若入射光子的能量为5.0 eV，相对光强越强，单位时间内产生的光电子就越多，光电流越大，选项 D正确。
【典例2】[光电效应方程的应用](2019·上饶模拟)在探究光电效应现象时，某小组的同学分别用频率为ν1、ν2的单色光照射真空管的钠阴极(阴极K)，钠阴极发射出的光电子最大速度之比为2∶1，光电子被阳极A吸收，在电路中形成光电流，实验得到了两条光电流与电压之间的关系曲线(为甲光、乙光)，如图所示，普朗克常量用h表示。则以下说法正确的是( )
A．甲光对应单色光的频率为ν2
B．乙光的强度大于甲光的强度
C．该金属的逸出功为h(2ν2－ν1)
D．该金属的截止频率为eq \f(4ν2－ν1,3)
【答案】：D
【解析】 根据eU截＝eq \f(1,2)mveq \\al(2,m)＝hν－W，入射光的频率越高，对应的截止电压U截越大，因此乙光的频率小于甲光的频率，则甲光对应的单色光频率为ν1，故A错误；由图可知，甲的饱和电流大于乙的饱和电流，而甲光的频率高，所以甲光的光强大于乙光的光强，故B错误；根据eq \f(1,2)mveq \\al(2,m)＝hν－W，钠阴极发射出的光电子最大速度之比为2∶1，则最大初动能之比为4∶1，解得该金属的逸出功为eq \f(h,3)(4ν2－ν1)，故C错误；根据逸出功和截止频率的关系可知，eq \f(h,3)(4ν2－ν1)＝hν截，解得：ν截＝eq \f(1,3)(4ν2－ν1)，故D正确。
考点二 光电效应图像问题
【典例3】（2019海南物理·5）对于钠和钙两种金属，其遏止电压与入射光频率v的关系如图所示。用h、e分别表示普朗克常量和电子电荷量，则（ ）
A. 钠的逸出功小于钙的逸出功
B. 图中直线的斜率为
C. 在得到这两条直线时，必须保证入射光的光强相同
D. 若这两种金属产生的光电子具有相同的最大初动能，则照射到钠的光频率较高
【答案】AB
【解析】由Ek=hv-W0，Ek=eUc，联立解得: Uc =v- W0/e，对照图像可知，钠的逸出功小于钙的逸出功，图中直线的斜率为k=，选项AB正确；在得到这两条直线时，不需要保证入射光的光强相同，选项C错误；若这两种金属产生的光电子具有相同的最大初动能，则照射到钠的光频率较低，选项D错误。
【典例4】（2020年5月重庆调研测试）在某次光电效应实验中，得到了入射光频率v与遏止电压Uc的关系如图所示。该直线的斜率为k，电子电荷量为e,则下列说法正确的是( )
A.实验所用金属材料的逸出功可表示为
B.普朗克常量可表示为ke
C.若换另外一种金属实验，则k会发生变化
D.若换另外-种金属实验，则b不会发生变化
【答案】A
【解析】光电效应实验中，入射光频率 v 与遏止电压 Uc 的关系是：,,式中W0为金属的逸出功,， 而，联立求解得：，选项A正确；普朗克常量可表示为，选项B错误；若换另外一种金属实验，斜率k不变，选项C错误;不同金属的逸出功不同，极限频率不同，选项D错误。
考点三 光的波粒二象性 物质波
【典例5】（2020南京盐城二模）(l)美国物理学家阿瑟·阿什金因利用光的力量来操纵细胞获得2018年诺贝尔物理学奖， 原来光在接触物体后，会对其产生力的作用，这个来自光的微小作用可以让微小的物体（如细胞）发生无损移动，这就是光镊技术．在光镊系统中，光路的精细控制非常重要．对此下列说法正确的是
A. 光镊技术利用光的粒子性
B．光镊技术利用光的波动性
C．红色激光光子能量大于绿色激光光子能量
D．红色激光光子能量小于绿色激光光子能量
【答案】AD
【解析】光镊技术利用光的粒子性，选项A正确B错误；由于红光频率小于绿光，所以红色激光光子能量小于绿色激光光子能量，选项C错误D正确。
【典例6】（2020浙江湖州丽水衢州质检）下列说法正确的是
A．在康普顿光的散射现象实验中，有些散射光的波长变长
B．光电效应实验中，遏止电压与光的强度有关
C．氢原子在n=2的能级时可吸收任意频率的光而发生电离
D．在光的双缝干涉实验中，某一个光子在光屏上的落点是无法预测的
【答案】AD
【解析】在康普顿光的散射现象实验中，光子与电子作用，部分能量给了电子，导致光子能量减小，频率减小，光的波长变长，选项A正确； 光电效应实验中，遏止电压只与产生的光电子的最大初动能有关，与光的强度无关，选项B项错误；氢原子在n=2的能级可吸收大于3.40eV能量的光子而发生电离，能量小于3.40eV的光子不能使氢原子电离，C项错误；由于光子的粒子性，在双缝干涉实验中，某一个光子在光屏上的落点是随机的，是无法预测的，D项正确。
考点四 氢原子能级及原子跃迁
【典例7】（2020高考北京卷）氢原子能级示意如图。现有大量氢原子处于能级上，下列说法正确的是
A.这些原子跃迁过程中最多可辐射出2种频率的光子
B.从能级跃迁到能级比跃迁到能级辐射的光子频率低
C.从能级跃迁到能级需吸收的能量
D. 能级的氢原子电离至少需要吸收的能量
【答案】C
【解析】大量氢原子处于n=3能级上，最多可以辐射出2+1=3种频率的光子，选项A错误；根据h31=E3-E1，h32=E3-E2，可知从n=3能级跃迁到n=1能级比跃迁到n=2能级辐射的光子的频率高，选项B错误；从n=3能级跃迁到n=4能级需要吸收能量△E= E4-E3=（-0.85eV）-（-1.51eV）=0.66eV，选项C正确；n=3能级的氢原子电离至少需要吸收1.51eV的能量，选项D错误。
【典例8】（2019全国理综I卷14）氢原子能级示意图如图所示。光子能景在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 eV D．1.5l eV
【答案】A
【解析】根据玻尔理论，要使处于基态的氢原子被激发后可辐射可见光光子，至少要使处于基态的氢原子跃迁到n=3能级，最少需要给氢原子提供的能量为E=E3-E1=12.09eV，选项A正确。
考点五 原子核的衰变 半衰期
【典例9】（2020浙江温州模拟）科研人员正在研制一种新型长效电池，它是采用半衰期长达100年的放射性同位素镍63（Ni）和铜两种金属长寿命电池材料，利用镍63发生β衰变时释放电子被铜片俘获，把镍63和铜片做电池的极为外电阻R提供电能。下列说法正确的是
A．电阻R上电流方向是从a到b，
B．镍63发生β衰变的核反应方程是Ni→Cu+e，
C．升高温度、增大压强不能改变镍63的半衰期
D．β衰变所释放的电子是原子核内的中子转化成质子时所产生的
【答案】D
【解析】镍63发生β衰变时释放电子被铜片俘获，根据电流方向规定为正电荷定向移动方向（负电荷定向移动的反方向），可知电阻R上电流方向是从a到b，选项A错误；根据核反应方程满足电荷数守恒和质量数守恒，核反应具有方向性可知，镍63发生β衰变的核反应方程是Ni→Cu+e，选项B错误；改变放射性元素的物理化学状态，均不能改变其半衰期，所以升高温度、增大压强不能改变镍63的半衰期，选项C错误；β衰变所释放的电子是原子核内的中子转化成质子时所产生的，选项D正确。
【典例10】(2017·潍坊一模)14C是碳元素的一种具有放射性的同位素,其半衰期约为5 700年.在某次研究中,测得考古样品中14C的含量大约是鲜活生命体中14C含量的 ,则样品生活的年代约是( )
A.11 400年前B.17 100年前
C.22 800年前D.45 600年前
【答案】B
【解析】:设原来14C的质量为M0,衰变后剩余质量为M ,则有M=M0× QUOTE ,其中n为发生半衰期的次数,由题意可知剩余质量为原来的,故n=3,所以死亡时间为3×5 700=17 100年,故A,C,D错误,B正确.
考点六 核反应类型与核反应方程
【典例11】（2020高考全国理综I）下列核反应方程中，X1，X2，X3，X4代表α粒子的有
A．B．
C．D．
【答案】BD
【解析】【正确项分析】根据核反应方程满足质量数守恒和电荷数守恒，可知选项B中的X2质量数是4，电荷数是2，代表α粒子，B项正确；选项D中的X4质量数是4，电荷数是2，代表α粒子， D项正确。
【错误项分析】根据核反应方程满足质量数守恒和电荷数守恒，可知选项A中的X1质量数是3，电荷数是2，A项错误；选项C中的X3质量数是1，电荷数是0，代表中子， C项错误。
（2020高考全国理综II）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= 1.6×10–13 J，则M约为
A．40 kgB．100 kgC．400 kgD．1 000 kg
【答案】C
【解析】由1.0×1022÷6×43.15×1.6×10-13=2.9×107×M，解得M=400kg，选项C正确。
(2020高考全国理综III卷)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
【答案】AC
【解析】根据核反应方程遵循质量数守恒和电荷数守恒，可知X的质量数为30，电荷数为15，Y的质量数为30，电荷数为14，所以X的质量数与Y的质量数相等，X的电荷数比Y的电荷数多1，选项A正确B错误；的电荷数为13，质量数为27，X的电荷数比的电荷数多2，X的质量数与的质量数多3，选项C正确D错误。
考点七 核力与核能
【典例12】(2018·四川成都模拟)(1)核电站利用原子核链式反应放出的巨大能量进行发电, QUOTE U是核电站常用的核燃料, QUOTE U受一个中子轰击后裂变成 QUOTE Ba和 QUOTE Kr两部分,并产生 _____个中子.要使链式反应发生,裂变物质的体积要 (选填“大于”或“小于”)它的临界体积.
【答案】3 大于
【解析】:(1)核反应中遵守质量数守恒和电荷数守恒,且该核反应方程为 QUOTE U+ QUOTE n→ QUOTE Ba+ QUOTE Kr+ QUOTE n,即产生3个中子.临界体积是发生链式反应的最小体积,要使链式反应发生,裂变物质的体积要大于它的临界体积.
(2)取质子的质量mp=1.672 6×10 kg,中子的质量mn=1.674 9×10 kg,α粒子的质量mα=6.646 7×10 kg,光速c=3.0×10 m/s.请计算α粒子的结合能.(计算结果保留两位有效数字)
(2)组成α粒子的核子与α粒子的质量差Δm=(2mp+2mn)-mα,结合能ΔE=Δmc
代入数据得ΔE=J.
【走进高考】
1．在核反应方程中，X表示的是
A. 质子 B. 中子 C. 电子 D. α粒子
2．如图所示，电路中所有原件完好，当光照射到光电管上时，灵敏电流计中没有电流通过，可能的原因是（ ）
A．入射光强较弱B．入射光频率太高
C．电源正负极接反D．光照射时间太短
3．（2019石家庄二模）如图，图线表示原子核的比结合能与质量数A的关系，下列说法中正确的是（ ）
A．Li核的结合能约为15MeV
B．He核比Li核更稳定
C．两个H核结合成He核时要吸收能量
D．U核裂变成Kr和Ba核过程中，核子的平均质量增加
4．国家大科学过程——中国散裂中子源（CSNS）于2017年8月28日首次打靶成功，获得中子束流，可以为诸多领域的研究和工业应用提供先进的研究平台，下列核反应中放出的粒子为中子的是
A. 俘获一个α粒子，产生并放出一个粒子
B. 俘获一个α粒子，产生并放出一个粒子
C. 俘获一个质子，产生并放出一个粒子
D. 俘获一个质子，产生并放出一个粒子
【来源】2018年全国普通高等学校招生同一考试理科综合物理试题（天津卷）
5．1934年，约里奥-居里夫妇用α粒子轰击铝核，产生了第一个人工放射性核素X：。X的原子序数和质量数分别为
A. 15和28 B. 15和30 C. 16和30 D. 17和31
6．【2017·新课标Ⅰ卷】大科学工程“人造太阳”主要是将氘核聚变反应释放的能量用来发电。氘核聚变反应方程是。已知的质量为2.013 6 u，的质量为3.015 0 u，的质量为1.008 7 u，1 u=931 MeV/c2。氘核聚变反应中释放的核能约为： （ ）
A．3.7 MeV B．3.3 MeV C．2.7 MeV D．0.93 MeV
7．(2018·河南省濮阳市第二次模拟)关于原子和原子核，下列说法正确的是( )
A.α粒子散射实验表明，原子是可分的
B.原子核发生β衰变，原子核的质子数会增加
C.外界的温度越高，原子半衰期越短
D.根据玻尔理论可知，氢原子从高能级向低能级跃迁时，可以辐射各种不同频率的光子

8．（2019山东潍坊三模）下列核反应中放出的粒子为中子的是（ ）
A．N俘获一个α粒子，产生O并放出一个粒子
B．Al俘获一个α粒子，产生P并放出一个粒子
C．B俘获一个质子，产生Be并放出一个粒子
D．Li俘获一个质子，产生He并放出一个粒子
9． 【2017·新课标Ⅲ卷】（多选）在光电效应实验中，分别用频率为νa、νb的单色光a、b照射到同种金属上，测得相应的遏止电压分别为Ua和Ub、光电子的最大初动能分别为Eka和Ekb。h为普朗克常量。下列说法正确的是： （ ）
A．若νa>νb，则一定有UaB．若νa>νb，则一定有Eka>Ekb
C．若UaD．若νa>νb，则一定有hνa–Eka>hνb–Ekb
10． 【2017·北京卷】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
11(2018·九江模拟)研究光电效应的电路如图所示,用频率相同、强度不同的光分别照射密封真空管的钠极板(阴极K),钠极板发射出的光电子被阳极A吸收,在电路中形成光电流.下列光电流I与A,K之间的电压UAK的关系图像中,正确的是( )
12(2018·成都模拟)分别用波长为λ和 QUOTE λ的单色光照射同一金属板,发出的光电子的最大初动能之比为1∶3,以h表示普朗克常量,c表示真空中的光速,则此金属板的逸出功为( )
A. QUOTE B. QUOTE C. QUOTE D. QUOTE
13.(2018·陕西宝鸡模拟)关于物质的波粒二象性,下列说法中不正确的是( )
A.不仅光子具有波粒二象性,一切运动的微粒都具有波粒二象性
B.大量光子的行为表现出光的波动性,而少量光子的行为表现出光的粒子性
C.光的波长越长,粒子性越明显,光的频率越高,波动性越明显
D.宏观物体的德布罗意波的波长太小,实际很难观察到波动性
14.(2017·广元二模)如图所示为氢原子的能级示意图,一群氢原子处于n=3的激发态,在向较低能级跃迁的过程中向外发出光子,用这些光照射逸出功为2.49 eV的金属钠,说法正确的是( )
A.这群氢原子能发出三种频率不同的光,其中从n=3跃迁到n=2所发出的光波长最短
B.这群氢原子能发出两种频率不同的光,其中从n=3跃迁到n=1所发出的光频率最小
C.金属钠表面所发出的光电子的最大初动能为9.60 eV
D.金属钠表面所发出的光电子的最大初动能为11.11 eV
15.（2020浙江十校联盟联考）下列说法正确的是
A．美国物理学家康普顿在研究石墨对X射线的散射时，发现在散射的X射线中，除了与入射光波长λ0相同的成分外，还有波长大于λ0的成分，这个现象说明了光具有粒子性
B．放射性原子核在发生α衰变、β衰变时，新形成的原子核会辐射γ光子，形成γ射线
C．结合能是指自由的核子结合成原子核而具有的能量
D．铀核裂变生成钡和氪的核反应方程是U+n→Ba++Kr+3n
1.【答案】 A
【解析】设X为：，根据核反应的质量数守恒：，则：
电荷数守恒：，则，即X为：为质子，故选项A正确，BCD错误。
点睛：本题考查了核反应方程式，要根据电荷数守恒、质量数守恒得出X的电荷数和质量数，从而确定X的种类。
2.【答案】C
【解析】光电管能否产生光电效应只与入射光的频率有关，与入射光的强度没有关系，选项A错误；若入射光频率太高，则一定大于金属的极限频率，故一定可以发生光电效应，电流计中有电流通过，选项B错误；电源正负极接反时，光电管加上反向电压，虽然发生光电效应产生光电子，但是在反向电压作用下，光电子做减速运动，可能不能到达阳极，电路中不能形成电流，选项C正确；光电管能否产生光电效应与光照时间没有关系，选项D错误。
3.
【答案】B
【解析】Li核的比结合能是5.3MeV，把一个锂核分解成6个自由核子要消耗能量，即结合能：E耗＝5.3×6MeV＝31.8MeV．选项A错误；比结合能越大越稳定，如题图所示，He核比结合能比Li核比结合能大，所以He核比Li核更稳定。选项B正确；两个H核结合成He核时有质量亏损，要释放能量，选项C错误；U核裂变成Kr和Ba 核过程中，会出现质量亏损，核子的平均质量减小，选项D错误。
4.【答案】 B
【解析】根据质量数和电荷数守恒可知四个核反应方程分别为、、，，故只有B选项符合题意；
【点睛】核反应过程中，质量数与核电荷数守恒，应用质量数与核电荷数守恒即可写出核反应方程式．
5.【答案】 B
【解析】试题分析 本题考查核反应方程遵循的规律及其相关的知识点。
解析 根据核反应遵循的质量数守恒和电荷数守恒可知，X的电荷数为2+13=15，质量数为4+27-1=30，根据原子核的电荷数等于原子序数，可知X的原子序数为15，质量数为30，选项B正确。
6【答案】B
【解析】根据质能方程，释放的核能，，则，故B正确，ACD 错误。
【名师点睛】本题考查质能方程，注意原子核的质量单位不是kg，由质能方程求核能时要细心。
7
【答案】 AB
【解析】 卢瑟福由α粒子散射实验提出了原子核式结构模型：在原子的中心有一个很小的核，叫原子核，原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里，带负电的电子在核外空间绕着核旋转，即原子是可分的，A正确；经过一次β衰变，电荷数多1，质量数不变，质子数等于电荷数，则质子数增加1个，B正确；原子的半衰期与外界因素无关，C错误；据玻尔理论可知，氢原子从高能级向低能级跃迁时，可以辐射特定频率的光子，D错误.
8.【答案】D
【解析】静止的原子核发生衰变的过程中动量守恒，设Y的速度为v′，质量为Dm，Z的质量为Fm，以Y的方向为正方向，则：Fmv﹣Dmv′＝0，所以：v′＝﹣，即大小为，负号表示方向与Z的方向相反，故A错误；由动能公式：，可得Y原子核的动能与Z原子核的动能关系为：．故B错误；由于该反应的过程中释放能量，有质量亏损，所以Y原子核和Z原子核的质量之和比X原子核的质量小，故C错误；由于该反应的过程中释放能量，所以Y和Z的结合能之和一定大于X的结合能，故D正确。
9【答案】BC
【解析】由爱因斯坦光电效应方程，又由动能定理有，当时，，，A错误，B正确；若，则有，C正确；同种金属的逸出功不变，则不变，D错误。
10【答案】B
【解析】一个处于极紫外波段的光子的能量约为，由题意可知，光子的能量应比电离一个分子的能量稍大，因此数量级应相同，故选B。
11[答案]C
[解析]:同种光对应的遏止电压即光电流I=0时对应的反向电压为一确定值;在发生光电效应的条件下,光越强,饱和电流越大.故C正确,A,B,D错误.
12
解析:设此金属的逸出功为W0,根据光电效应方程
当用波长为λ的光照射时有.
当用波长为 QUOTE λ的光照射时有又 QUOTE = QUOTE 可解得,故选B.
13.
【答案】C
【解析】:光具有波粒二象性是微观世界具有的特殊规律,大量光子的行为表现出光的波动性,而少量光子表现出光的粒子性.光的波长越长,波动性越明显,光的频率越高,粒子性越明显.宏观物体的德布罗意波的波长太小,实际很难观察到波动性,故A,B,D正确,C错误.
14【答案】C
【解析】:一群氢原子处于n=3的激发态,向低能级跃迁时可能放出3种不同频率的光子,从n=3跃迁到n=1辐射的光子频率最大,波长最短,故A,B错误; n=3跃迁到n=1辐射的光子能量最大,为12.09 eV,则光电子的最大初动能Ek=hν-W0=12.09 eV-2.49 eV=9.60 eV.故C正确,D错误.
15.【答案】ABD
【解析】康普顿光的散射现象实验，说明了光子不但具有能量，还具有动量，进一步说明光具有粒子性，A项正确；放射性原子核在发生α衰变、β衰变时，新形成的原子核由于处于激发态会辐射γ光子，形成γ射线，B项错误；结合能是指自由的核子结合成原子核而释放的能量，C项错误；铀核裂变生成钡和氪的核反应方程是U+n→Ba++Kr+3n，D项正确。
组
次
入射光子
的能量/eV
相对光强
光电流大小/mA
逸出光电子的
最大动能/eV
第
一
组
1
2
3
4.0
4.0
4.0
弱
中
强
29
43
60
0.9
0.9
0.9
第
二
组
4
5
6
6.0
6.0
6.0
弱
中
强
27
40
55
2.9
2.9
2.9