（江蘇專用）2019版高考物理大一輪復習 第12單元 原子物理學案

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1、 第12單元 原子物理 高考熱點統(tǒng)計 要求 2014年 2015年 2016年 2017年 高考基礎要求及 冷點統(tǒng)計 Ⅰ Ⅱ Ⅰ Ⅱ Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅰ Ⅱ Ⅲ 光電效應 Ⅰ 35 (1) 35 (1) 35 (1) 19 氫原子光譜(Ⅰ) 氫原子的能級結(jié)構(gòu)、能級公式(Ⅰ) 放射性同位素(Ⅰ) 射線的危害與防護(Ⅰ) 氫原子光譜、放射性同位素、射線的危害與防護屬于了解類知識,一般不會單獨出題;氫原子的能級結(jié)構(gòu)和能級公式屬于難點、冷點. 愛因斯坦光電效應方程 Ⅰ 35 (

2、1) 35 (1) 35 (1) 19 原子核的組成、放射性、原子核的衰變、半衰期 Ⅰ 35 (1) 35 (1) 35 (1) 35 (1) 15 核力、核反應方程 Ⅰ 35 (1) 35 (1) 結(jié)合能、質(zhì)量虧損 Ⅰ 35 (1) 17 15 裂變反應和聚變反應、裂變反應堆 Ⅰ 35 (1) 35 (1) 17 考情分析 1.從近幾年高考試題來看,高考對本章內(nèi)容的考查涉及的考點較多,具有不確定性

3、.考題可能根據(jù)某一考點命題,也可以同時涉及多個考點,題型為選擇題的幾率很高,很少出現(xiàn)計算題. 2.從整體命題趨勢上看,高考對本部分的命題基本會保持原有命題思路,仍將以光電效應、能級躍遷、核反應方程、核能的分析與計算為命題重點,在2019屆高考復習中應多加關注. 第30講　波粒二象性　氫原子能級結(jié)構(gòu) 一、光電效應 1.光電效應 在光的照射下金屬中的電子從金屬表面逸出的現(xiàn)象,叫作光電效應,發(fā)射出來的電子叫作　　　　.? 2.愛因斯坦光電效應方程 (1)光子說:空間傳播的光的能量是不連續(xù)的,是一份一份的,每一份叫作一個光子.光子的能量為ε=　　　　,其中h是普朗克常量,其值為6

4、.63×10-34 J·s.? (2)光電效應方程:　　　　　　.其中hν為入射光的能量,Ek為光電子的最大初動能,W0是金屬的逸出功.? 二、光的波粒二象性 1.光的干涉、衍射、偏振現(xiàn)象證明光具有　　　　性.? 2.光電效應和康普頓效應說明光具有　　　　性.? 3.光既具有波動性,又具有粒子性,稱為光的　　　　性.? 三、玻爾理論與氫原子的能級 1.玻爾理論 (1)定態(tài):原子只能處于一系列　　　　的能量狀態(tài)中,在這些能量狀態(tài)中原子是　　　　的,電子雖然繞核運動,但并不向外輻射能量.? (2)躍遷:原子從一種定態(tài)躍遷到另一種定態(tài)時,它輻射或吸收一定頻率的光子,光子的能量由這

5、兩個定態(tài)的能量差決定,即hν=　　　　.(h是普朗克常量,h=6.63×10-34 J·s)? (3)軌道:原子的不同能量狀態(tài)跟電子在不同的圓軌道繞核運動相對應.原子的定態(tài)是　　　　的,因此電子的可能軌道也是　　　　的.? 2.氫原子的能級和軌道半徑 (1)氫原子的能級公式:En=E1(n=1,2,3,…),其中E1為基態(tài)能量,其數(shù)值為E1=　　　　eV.? (2)氫原子的半徑公式:rn=　　　　(n=1,2,3,…),其中r1為基態(tài)半徑,又稱玻爾半徑,其數(shù)值為r1=0.53×10-10 m.? (3)氫原子的能級圖:能級圖如圖30-1所示. 圖30-1 【思維辨析】 (1

6、)電子槍發(fā)射電子的現(xiàn)象就是光電效應. (　　) (2)不同的金屬對應著相同的極限頻率. (　　) (3)核外電子雖然繞核運動,但并不向外輻射能量. (　　) (4)核外電子可以吸收或放出任意頻率的光子. (　　) 【思維拓展】 玻爾的氫原子能級理論成功解釋了氫原子光譜不連續(xù)的特點,解釋了當時出現(xiàn)的“紫外災難”.該理論也可解釋其他原子光譜現(xiàn)象嗎? 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　? 考點一　對光電效應的理解 1.光電效應的實質(zhì) 光子照射到金屬表面,某個電子吸收光子的能量后動能變大,當電子的動能增大到足以克服原子核的引力時,便

7、飛出金屬表面成為光電子.光電效應現(xiàn)象中,每個電子只能吸收一個光子的能量. 2.對光電效應規(guī)律的解釋 (1)光照射金屬時,電子吸收一個光子(形成光電子)的能量后,動能立即增大,不需要積累能量的過程. (2)電子從金屬表面逸出,首先需克服金屬表面原子核的引力做功(逸出功W).要使入射光子的能量不小于W,對應頻率νc=為極限頻率. (3)光電子的最大初動能只隨入射光頻率的增大而增大. (4)入射光越強,單位時間內(nèi)入射到金屬表面的光子數(shù)越多,產(chǎn)生的光電子數(shù)越多,射出的光電子做定向移動時形成的光電流越大. 3.概念辨析 4.用圖像表示光電效應方程 (1)最大初動能Ek與入射光頻率ν的

8、關系圖線如圖30-2所示. 圖30-2 (2)由圖線可以得到的物理量: ①極限頻率:圖線與ν軸交點的橫坐標νc. ②逸出功:圖線與Ek軸交點的縱坐標的絕對值W0=|-E|=E. ③普朗克常量:圖線的斜率k=h. 1 (多選)[2017·全國卷Ⅲ] 在光電效應實驗中,分別用頻率為νa、νb的單色光a、b照射到同種金屬上,測得相應的遏止電壓分別為Ua和Ub、光電子的最大初動能分別為Eka和Ekb.h為普朗克常量.下列說法正確的是 (　　) A.若νa>νb,則一定有Uaνb,則一定有Eka>Ekb C.若Uaν

9、b,則一定有hνa-Eka>hνb-Ekb 式題 (多選)[2017·湖北八校一聯(lián)] 如圖30-3甲所示,在“光電效應”實驗中,某同學用相同頻率的單色光,分別照射陰極材料為鋅和銅的兩個不同的光電管,結(jié)果都能發(fā)生光電效應.圖乙為其中一個光電管的遏止電壓Uc隨照射光頻率ν變化的函數(shù)關系圖像.對于這兩個光電管,下列判斷正確的是 (　　) 圖30-3 A.因為不同材料的逸出功不同,所以遏止電壓Uc不同 B.光電子的最大初動能不同 C.因為光強不確定,所以單位時間逸出的光電子數(shù)可能相同,飽和光電流也可能相同 D.兩個光電管的Uc-ν圖像的斜率可能不同 ■ 要點總結(jié) 分析光電效應問題抓

10、住兩條對應關系和三個關系式 (1)兩條對應關系 ①光強大→光子數(shù)目多→發(fā)射光電子多→光電流大. ②光子頻率高→光子能量大→光電子的最大初動能大. (2)三個關系式 ①愛因斯坦光電效應方程:Ek=hν-W0. ②最大初動能與遏止電壓的關系:Ek=eUc. ③逸出功與極限頻率的關系:W0=hν0. 考點二　光的波粒二象性 1.對光的波粒二象性的理解 光既有波動性,又有粒子性,兩者不是孤立的,而是有機的統(tǒng)一體,其表現(xiàn)規(guī)律為: (1)從數(shù)量上看:個別光子的作用效果往往表現(xiàn)為粒子性;大量光子的作用效果往往表現(xiàn)為波動性. (2)從頻率上看:頻率越低波動性越顯著,越容易看到光的干涉和

11、明顯的衍射現(xiàn)象;頻率越高粒子性越顯著,越不容易看到光的干涉和明顯的衍射現(xiàn)象,貫穿本領越強. (3)從傳播與作用上看:光在傳播過程中往往表現(xiàn)出波動性;在與物質(zhì)發(fā)生作用時往往表現(xiàn)出粒子性. (4)波動性與粒子性的統(tǒng)一:由光子的能量E=hν,光子的動量p=表達式也可以看出,光的波動性和粒子性并不矛盾,表示粒子性的粒子能量和動量的計算式中都含有表示波的特征的物理量——頻率ν和波長λ. (5)理解光的波粒二象性時不可把光當成宏觀概念中的波,也不可把光當成微觀概念中的粒子. 2.概率波與物質(zhì)波 (1)概率波:光的干涉現(xiàn)象是大量光子的運動遵守波動規(guī)律的表現(xiàn),亮條紋是光子到達概率大的地方,暗條紋是光

12、子到達概率小的地方,因此光波是一種概率波. (2)物質(zhì)波:任何一個運動著的物體,小到微觀粒子,大到宏觀物體,都有一種波與它對應,其波長λ=,p為運動物體的動量,h為普朗克常量. 2 能夠證明光具有波粒二象性的現(xiàn)象是 (　　) A.光電效應和康普頓效應 B.光的衍射和光的色散 C.光的折射和透鏡成像 D.光的干涉和康普頓效應 式題 (多選)波粒二象性是微觀世界的基本特征,以下說法正確的有 (　　) A.光電效應現(xiàn)象揭示了光的粒子性 B.熱中子束射到晶體上產(chǎn)生衍射圖樣說明中子具有波動性 C.黑體輻射的實驗規(guī)律可用光的波動性解釋 D.動能相等的質(zhì)子和電子,它們的德布羅意波長也相

13、等 考點三　能級的分析與計算 1.氫原子躍遷條件 氫原子躍遷條件hν=Em-En只適用于光子和氫原子作用而使氫原子在各定態(tài)之間躍遷的情況.對于光子和氫原子作用而使氫原子電離時,只要入射光的能量E≥13.6 eV,氫原子就能吸收光子的能量,對于實物粒子與原子作用使氫原子激發(fā)時,實物粒子的能量大于或等于能級差即可. 2.氫原子躍遷時能量的變化 (1)氫原子能量:En=Ekn+Epn=,隨n增大而增大,其中E1=-13.6 eV. (2)電子動能:電子繞氫原子核運動時庫侖力提供向心力,即k,所以Ek=隨r增大而減小. (3)電勢能:通過庫侖力做功判斷電勢能的增減.當軌道半徑減小時,庫侖

14、力做正功,電勢能減小;反之,軌道半徑增大時,電勢能增加. 3.光譜線條數(shù) (1)一群氫原子躍遷可能發(fā)出的光譜線條數(shù)為N=. (2)一個氫原子躍遷可能發(fā)出的光譜線條數(shù)最多為(n-1). 3 如圖30-4所示為氫原子的能級圖,以下判斷正確的是 (　　) 圖30-4 A.處于n=3能級的氫原子可以吸收任意頻率的光子 B.欲使處于基態(tài)的氫原子被激發(fā),可用能量為12.09 eV的光子照射 C.當氫原子從n=5能級躍遷到n=3能級時,要吸收光子 D.用氫原子從n=2能級躍遷到n=1能級輻射出的光照射金屬鉑(逸出功為6.34 eV)時不能發(fā)生光電效應 式題1 (多選)[2017·山西

15、太原模擬] 氫原子的能級圖如圖30-5所示,已知可見光的光子能量范圍約為1.62~3.11 eV.下列說法正確的是 (　　) 圖30-5 A.處于n=3能級的氫原子可以吸收任意頻率的紫外線,并發(fā)生電離 B.大量氫原子從高能級向n=3能級躍遷時,可能發(fā)出可見光 C.大量處于n=4能級的氫原子向低能級躍遷時,可能發(fā)出6種不同頻率的光 D.一個處于n=3能級的氫原子向低能級躍遷時,最多能發(fā)出3種不同頻率的光 式題2 氫原子的能級圖如圖30-6所示.氫原子從n=3能級直接向n=1能級躍遷所放出的光子,恰能使某種金屬產(chǎn)生光電效應,則該金屬的截止頻率為　　　　Hz;用一群處于n=4能級的氫

16、原子向低能級躍遷時所發(fā)出的光照射該金屬,產(chǎn)生的光電子最大初動能為　　　　eV.(普朗克常量h=6.63×10-34 J·s,結(jié)果均保留2位有效數(shù)字)? 圖30-6 第31講　核反應、核能 一、原子核與衰變 1.原子核的組成:原子核是由　　　　和中子組成的,原子核的電荷數(shù)等于核內(nèi)的　　　　.? 2.天然放射現(xiàn)象 (1)天然放射現(xiàn)象 元素　　　　地放出射線的現(xiàn)象,首先由貝可勒爾發(fā)現(xiàn).天然放射現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn),說明　　　　具有復雜的結(jié)構(gòu).? (2)放射性和放射性元素 物質(zhì)發(fā)射某種看不見的射線的性質(zhì)叫　　　　.具有放射性的元素叫放射性元素.? (3)三種射線:放射性元素放射

17、出的射線共有三種,分別是　　　　、β射線、γ射線.? (4)放射性同位素:有　　　　放射性同位素和人工放射性同位素兩類,放射性同位素的化學性質(zhì)相同.? 3.原子核的衰變 (1)衰變:原子核放出α粒子或β粒子,變成另一種　　　　的變化稱為原子核的衰變.? (2)分類 α衰變XY+　　　　.? β衰變XY+　　　　.? (3)半衰期:放射性元素的原子核有半數(shù)發(fā)生衰變所需的時間.半衰期由原子核內(nèi)部的因素決定,跟原子所處的　　　　、　　　　狀態(tài)無關.? 二、核力與核能 1.核力 核子間的作用力.核力是　　　　力,作用范圍在1.5×10-15 m之內(nèi),只在相鄰的核子間發(fā)生作用.?

18、2.核能 (1)結(jié)合能:核子結(jié)合為原子核時　　　　的能量或原子核分解為核子時　　　　的能量,叫作原子核的結(jié)合能,亦稱核能.? (2)比結(jié)合能: ①定義:原子核的結(jié)合能與　　　　之比,稱作比結(jié)合能,也叫平均結(jié)合能.? ②特點:不同原子核的比結(jié)合能不同,原子核的比結(jié)合能越大,表示原子核中核子結(jié)合得越牢固,原子核　　　　.? 3.質(zhì)能方程、質(zhì)量虧損 愛因斯坦質(zhì)能方程E=　　　　,原子核的質(zhì)量比組成它的核子的質(zhì)量和小Δm,這就是質(zhì)量虧損.由質(zhì)量虧損可求出釋放的核能ΔE=　　　　.? 三、裂變與聚變 1.重核裂變 (1)定義:質(zhì)量數(shù)較大的原子核受到高能粒子的轟擊而分裂成幾個質(zhì)量數(shù)較小的

19、原子核的過程. (2)鏈式反應條件:裂變物質(zhì)的體積　　　　臨界體積.? (3)典型的裂變方程n. (4)裂變的應用:原子彈、核反應堆. 2.輕核聚變 (1)定義:兩個輕核結(jié)合成質(zhì)量數(shù)較大的原子核的反應過程. (2)條件:使核發(fā)生聚變需要幾百萬度以上的高溫,因此聚變又叫　　　　.? (3)典型的聚變方程n. (4)聚變的應用:氫彈. 【思維辨析】 (1)天然放射現(xiàn)象說明原子是可分的. (　　) (2)人們認識原子核具有復雜結(jié)構(gòu)是從盧瑟福發(fā)現(xiàn)質(zhì)子開始的. (　　) (3)如果某放射性元素的原子核有100個,經(jīng)過一個半衰期后還剩50個. (　　) (4)質(zhì)能方程表明在一定條

20、件下,質(zhì)量可以轉(zhuǎn)化為能量. (　　) 【思維拓展】 核能的計算是原子物理的重點知識和高考的熱點問題,都有哪些方法可以求核反應中的能量呢? 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　? 【物理學史】 1896年,法國物理學家貝可勒爾用鈾鹽樣品進行實驗時發(fā)現(xiàn)了天然放射現(xiàn)象. 1897年,英國物理學家湯姆孫從陰極射線的研究中證實了電子的存在. 1898年,居里夫婦證明含有鈾元素的化合物都具有放射性,并由此發(fā)現(xiàn)了“鐳”. 1911年,盧瑟福公開α粒子散射實驗結(jié)論,建立原子核式結(jié)構(gòu)模型. 1919年,盧瑟福首次實現(xiàn)人工核反應,用α粒子轟擊

21、氮核,結(jié)果打出了“質(zhì)子”. 1932年,英國物理學家查德威克從α粒子轟擊鈹?shù)暮朔磻^程中發(fā)現(xiàn)了“中子”. 考點一　核反應方程 1.核反應的四種類型 類型 可控性 核反應方程典例 衰變 α衰變 自發(fā) He β衰變 自發(fā) e 人工轉(zhuǎn)變 人工控制 H(盧瑟福發(fā)現(xiàn)質(zhì)子) n(查德威克發(fā)現(xiàn)中子) n 約里奧—居里夫婦發(fā)現(xiàn)放射性同位素及正電子 e 重核裂變 比較容易進行人工控制　　 n n 輕核聚變 除氫彈外無法控制 n 2.關于核反應的三點說明 (1)核反應過程一般都是不可逆的,所以核反應方程只能用單向箭頭表示反應方向,不能用等號連接

22、. (2)核反應的生成物一定要以實驗為基礎,不能憑空只依據(jù)兩個守恒規(guī)律杜撰出生成物來寫核反應方程. (3)核反應遵循電荷數(shù)守恒和質(zhì)量數(shù)守恒(而不是質(zhì)量守恒),核反應過程中反應前后的總質(zhì)量一般會發(fā)生變化. 1 [2017·天津卷] 我國自主研發(fā)制造的國際熱核聚變核心部件在國際上率先通過權威機構(gòu)認證,這是我國對國際熱核聚變項目的重大貢獻.下列核反應方程中屬于聚變反應的是 (　　) 圖31-1 A.n B.H C.n D.n 式題 下列有關原子結(jié)構(gòu)和原子核的認識,正確的是 (　　) A.γ射線是高速運動的電子流 B.氫原子輻射光子后,其繞核運動的電子動能增大 C.太陽輻射

23、能量的主要來源是太陽中發(fā)生的重核裂變 D.Bi的半衰期是5天,100克Bi經(jīng)過10天后還剩下50克 考點二　對天然放射現(xiàn)象的理解 1.α衰變、β衰變的比較 衰變類型 α衰變 β衰變 衰變方程 He e 衰變實質(zhì) 2個質(zhì)子和2個中子結(jié)合成氦核 nHe 1個中子轉(zhuǎn)化為1個質(zhì)子和1個電子 e 勻強磁場中軌跡形狀 衰變規(guī)律 電荷數(shù)守恒、質(zhì)量數(shù)守恒、動量守恒 2.三種射線的比較 　　　射線名稱 比較項目　　　 α射線 β射線 γ射線 組成 高速氦核流 高速電子流 光子流 (高頻電磁波) 帶電荷量　 2e -e 0 質(zhì)量

24、 4mp 靜止質(zhì)量為零 符號 He e γ 速度 0.1c 0.99c c 垂直進入電場或磁場的偏轉(zhuǎn)情況 偏轉(zhuǎn) 偏轉(zhuǎn) 不偏轉(zhuǎn) 貫穿本領 最弱 較強 最強 對空氣的電離作用　　　　 很強 較弱 很弱 [說明] γ射線是伴隨著α衰變或β衰變產(chǎn)生的,γ射線不改變原子核的電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù),其實質(zhì)是放射性原子核在發(fā)生α衰變或β衰變時,產(chǎn)生的某些新核由于具有過多的能量(核處于激發(fā)態(tài))而輻射出的光子. 2 [2017·全國卷Ⅱ] 一靜止的鈾核放出一個α粒子衰變成釷核,衰變方程為He.下列說法正確的是 (　　) A.衰變后釷核的動能等于α粒子的動能 B

25、.衰變后釷核的動量大小等于α粒子的動量大小 C.鈾核的半衰期等于其放出一個α粒子所經(jīng)歷的時間 D.衰變后α粒子與釷核的質(zhì)量之和等于衰變前鈾核的質(zhì)量 式題 實驗觀察到,靜止在勻強磁場中A點的原子核發(fā)生β衰變,衰變產(chǎn)生的新核與電子恰在紙面內(nèi)做勻速圓周運動,運動方向和軌跡示意圖如圖31-2所示,則軌跡1為　　　　的軌跡,軌跡2是　　　　的軌跡,磁場方向　　　　　　　　.? 圖31-2 考點三　核能的計算 1.對質(zhì)能方程的理解 (1)質(zhì)能方程E=mc2給出了物體的能量和質(zhì)量之間的關系,質(zhì)量為m的物體具有的總能量為mc2,質(zhì)量和能量不能互相轉(zhuǎn)化. (2)“質(zhì)量與能量間存在著簡單的正比

26、關系”,即物體的質(zhì)量(這里指動質(zhì)量)越大,能量越多,反之物體的質(zhì)量越小,能量也越少;當物體放出能量時,滿足ΔE=Δmc2. 2.求核能的三種方法: (1)根據(jù)ΔE=Δmc2計算.若Δm的單位是 kg,計算時,c的單位是 m/s,ΔE的單位是J;若Δm的單位是原子質(zhì)量單位u, 利用1 u相當于931.5 MeV,用ΔE=Δm×931.5 MeV進行計算,ΔE的單位是MeV,1 MeV=1.6×10-13 J. (2)根據(jù)比結(jié)合能計算.原子核的結(jié)合能=比結(jié)合能×核子數(shù). (3)結(jié)合動量守恒定律和能量守恒定律進行分析計算,此時要注意動量與動能關系式p2=2mEk的應用. [溫馨提示] 利用

27、質(zhì)能方程計算核能時,不能用質(zhì)量數(shù)代替質(zhì)量進行計算. 3 [2017·全國卷Ⅰ] 大科學工程“人造太陽”主要是將氘核聚變反應釋放的能量用來發(fā)電.氘核聚變反應方程是H的質(zhì)量為2.013 6 u,n的質(zhì)量為1.008 7 u,1 u=931 MeV/c2.氘核聚變反應中釋放的核能約為 (　　) A.3.7 MeV B.3.3 MeV C.2.7 MeV D.0.93 MeV 式題 太陽內(nèi)部持續(xù)不斷地發(fā)生著4個質(zhì)子聚變?yōu)橐粋€氦核的熱核反應,這個核反應釋放出的大量能量就是太陽的能源.(mp=1.007 3 u,mα=4.001 5 u,me=0.000 55 u,太陽的質(zhì)量為2×1030 kg)

28、 (1)這一核反應能釋放出多少能量? (2)已知太陽每秒釋放能量為3.8×1026 J,則太陽每秒減小的質(zhì)量為多少? (3)若太陽質(zhì)量減小萬分之三時熱核反應不能繼續(xù)進行,則太陽上的熱核反應還能發(fā)生多少年? 考點四　核反應中的動量守恒問題 (1)核反應過程遵循能量守恒定律:在無光子輻射的情況下,核反應中釋放的核能將轉(zhuǎn)化為生成的新核和新粒子的動能;有光子輻射的情況下,核反應中釋放的核能將轉(zhuǎn)化為生成的新核和新粒子的動能及光子的能量.一般認為核反應放出的能量與反應前原子核的動能之和等于反應后原子核的總動能. (2)

29、核反應過程遵循動量守恒定律:即反應前原子核的總動量等于反應后原子核的總動量. (3)解決核反應與動量及能量綜合的問題時,首先應用質(zhì)能方程求出核反應釋放出的核能,其次根據(jù)動量守恒定律和能量守恒定律列出相應的方程,最后聯(lián)立求解. 4 [2017·北京卷] 在磁感應強度為B的勻強磁場中,一個靜止的放射性原子核發(fā)生了一次α衰變.放射出的α粒子He)在與磁場垂直的平面內(nèi)做圓周運動,其軌道半徑為R.用m、q分別表示α粒子的質(zhì)量和電荷量. (1)放射性原子核用X表示,新核的元素符號用Y表示,寫出該α衰變的核反應方程. (2)α粒子的圓周運動可以等效成一個環(huán)形電流,求圓周運動的周期和環(huán)形電流大小.

30、(3)設該衰變過程釋放的核能都轉(zhuǎn)為α粒子和新核的動能,新核的質(zhì)量為M,求衰變過程的質(zhì)量虧損Δm. 式題1 海水中含有豐富的氘,完全可充當未來的主要能源.兩個氘核的核反應方程為n,其中氘核的質(zhì)量為2.013 0 u,氦核的質(zhì)量為3.015 0 u,中子的質(zhì)量為1.008 7 u.(1 u相當于931.5 MeV) (1)求核反應中釋放的核能. (2)在兩個氘核以相等的動能0.35 MeV進行對心碰撞并且核能全部轉(zhuǎn)化為機械能的情況下,求反應中產(chǎn)生的中子和氦核的動能.

31、 式題2 (多選)[2018·武漢一中月考] 云室能顯示射線的徑跡,把云室放在磁場中,從帶電粒子運動軌跡的彎曲方向和半徑大小就能判斷粒子的屬性.放射性元素的原子核A靜止放在磁感應強度B=2.5 T的勻強磁場中,該原子核發(fā)生衰變,放射出粒子并變成新原子核B,放射出的粒子與新核運動軌跡如圖31-3所示,測得兩圓的半徑之比R1∶R2=42∶1,且R1=0.2 m.已知α粒子質(zhì)量mα=6.64×10-27 kg,β粒子質(zhì)量mβ=9.1×10-31 kg,普朗克常量h取6.6×10-34 J·s,下列說法正確的是 (　　) 圖31-3 A.新原子

32、核B的核電荷數(shù)為84 B.原子核A發(fā)生的是β衰變 C.衰變放出的粒子的速度大小為2.4×107 m/s D.如果原子核A衰變時釋放出一種頻率為1.2×1015 Hz的光子,那么這種光子能使逸出功為4.54 eV的金屬鎢發(fā)生光電效應 教師詳解(聽課手冊) 第十二單元　原子物理 第30講　波粒二象性　氫原子能級結(jié)構(gòu) 【教材知識梳理】 核心填空 一、1.光電子　2.(1)hν　(2)Ek=hν-W0 二、1.波動　2.粒子　3.波粒二象 三、1.(1)不連續(xù)　穩(wěn)定　(2)Em-En　(3)不連續(xù)

33、　不連續(xù) 2.(1)-13.6　(2)n2r1 思維辨析 (1)(×)　(2)(×)　(3)(√)　(4)(×) 思維拓展 玻爾的氫原子能級理論本身是以經(jīng)典理論為基礎,其理論又與經(jīng)典理論相抵觸.它只能解釋氫原子的光譜,在解決其他原子的光譜上就遇到了困難,如把理論用于非氫原子時,理論結(jié)果與實驗不符,且不能求出譜線的強度及相鄰譜線之間的寬度.這些缺陷主要是由于把微觀粒子(電子、原子等)看作是經(jīng)典力學中的質(zhì)點,從而把經(jīng)典力學規(guī)律強加于微觀粒子上(如軌道概念)而導致的. 【考點互動探究】 考點一 例1　BC　[解析] 由光電效應方程可知Ek=hν-W0,該動能又會在遏止電壓下恰好減為零

34、,則eU=hν-W0,其中W0為逸出功,同種金屬的W0相同.若νa>νb,則Ua>Ub,故A錯誤;若νa>νb,根據(jù)Ek=hν-W0,可得Eka>Ekb,故B正確;若Uaνb,根據(jù)Ek=hν-W0可知hν-Ek=W0,由于是照射到同種金屬上,逸出功W0相同,故D錯誤. 變式題　ABC　[解析] 　不同的材料有不同的逸出功,所以遏止電壓Uc不同,選項A正確;由愛因斯坦光電效應方程得hν=W0+Ek,故選項B正確;在照射光的頻率大于極限頻率的情況下,發(fā)射出的光電子數(shù)與照射光的強度成正比,光強不確定,所以單位時間逸出的光電子數(shù)可能相同,

35、飽和光電流也可能相同,選項C正確;由Ek=hν-hν0=eUc,可得Uc=(ν-ν0),故圖線的斜率為相同的常數(shù),選項D錯誤. 考點二 例2　D　[解析] 光的干涉、光的衍射和光的折射現(xiàn)象證明了光的波動性,光電效應和康普頓效應證明了光的粒子性. 變式題　AB　[解析] 黑體輻射的實驗規(guī)律只能用光的粒子性解釋,普朗克用能量子理論分析,結(jié)果與事實完全相符,選項C錯誤;由于Ek=mv2,p=mv,因此p=,質(zhì)子和電子動能相等,但質(zhì)量不等,故動量p也不等,根據(jù)德布羅意波長λ=可知,二者的德布羅意波長不同,選項D錯誤. 考點三 例3　B　[解析] 氫原子躍遷時,輻射或吸收一定頻率的光子,選項A

36、錯誤;用能量為12.09 eV的光子照射時,n=1能級與n=3能級能量之差為-1.51 eV-(-13.6 eV)=12.09 eV,所以能發(fā)生躍遷,選項B正確;氫原子從高能級躍遷到低能級時放出光子,選項C錯誤;氫原子從n=2能級躍遷到n=1能級輻射出的光子的能量E=E2-E1=-3.4 eV-(-13.6 eV)=10.2 eV>6.34 eV,而使金屬發(fā)生光電效應的條件是光子的能量大于電子的逸出功,故可以發(fā)生光電效應,選項D錯誤. 變式題1　AC　[解析] 由于E3=-1.51 eV,紫外線的能量大于可見光的光子的能量,即E紫>E∞-E3=1.51 eV,故可以使處于n=3能級的氫原子電

37、離,A正確;大量氫原子從高能級向n=3能級躍遷時,輻射出的光子能量最大為1.51 eV,小于可見光的光子的能量,B錯誤;大量處于n=4能級的氫原子向低能級躍遷時發(fā)出=6種不同頻率的光,C正確;一個處于n=3能級的氫原子向低能級躍遷時最多能發(fā)出(3-1)=2種不同頻率的光,D錯誤. 變式題2　2.9×1015　0.66 [解析] 氫原子在能級間躍遷輻射的光子能量等于兩能級間的能量差,氫原子從n=3能級直接向n=1能級躍遷輻射出的光子的能量為E=E3-E1=12.09 eV,因所放出的光子恰能使某種金屬產(chǎn)生光電效應,則有hν0=12.09 eV,解得ν0=2.9×1015 Hz.當光子能量等

38、于金屬的逸出功時,恰好發(fā)生光電效應,所以該金屬的逸出功W0=12.09 eV,氫原子從n=4能級向低能級躍遷所放出的光子能量最大為hνm=13.60 eV-0.85 eV=12.75 eV,根據(jù)光電效應方程得光電子的最大初動能Ekm=hνm-W0=12.75 eV-12.09 eV=0.66 eV. 1.(多選)現(xiàn)用某一光電管進行光電效應實驗,當用某一頻率的光照射時,有光電流產(chǎn)生.下列說法正確的是 (　　) A.保持照射光的頻率不變,照射光的強度變大,飽和光電流變大 B.照射光的頻率變高,飽和光電流變大 C.照射光的頻率變高,光電子的最大初動能變大 D.保持照射光的光強不

39、變,不斷減小照射光的頻率,始終有光電流產(chǎn)生 [解析] AC　根據(jù)光電效應實驗得出的結(jié)論,保持照射光的頻率不變,照射光的強度變大,飽和光電流變大;照射光的頻率變高,飽和光電流不變,故A正確,B錯誤.根據(jù)愛因斯坦光電效應方程得,照射光的頻率變高,光電子的最大初動能變大,故C正確.不斷減小照射光的頻率,若其低于截止頻率,則沒有光電流產(chǎn)生,故D錯誤. 2.(多選)實物粒子和光都具有波粒二象性,下列事實中突出體現(xiàn)波動性的是 (　　) A.電子束通過雙縫實驗后可以形成干涉圖樣 B.β射線在云室中穿過會留下清晰的徑跡 C.人們利用中子衍射來研究晶體的結(jié)構(gòu) D.人們利用電子顯微鏡觀測物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)

40、 [解析] ACD　干涉、衍射是波的特有現(xiàn)象,選項A、C正確;β射線在云室中穿過會留下清晰的徑跡不能反映波動性,選項B錯誤;電子顯微鏡利用了電子束波長短的特性,選項D正確. 3.(多選)氫原子能級圖如圖所示,當氫原子從n=3能級躍遷到n=2能級時,輻射光的波長為656 nm.以下判斷正確的是 (　　) A.氫原子從n=2能級躍遷到n=1能級時,輻射光的波長小于656 nm B.用波長為325 nm的光照射,可使氫原子從n=1能級躍遷到n=2能級 C.一群處于n=3能級的氫原子向低能級躍遷時最多產(chǎn)生3種譜線 D.用波長為633 nm的光照射,不能使氫原子從n=2能級躍遷到n=3能

41、級 [解析] ACD　根據(jù)氫原子的能級圖和能級躍遷規(guī)律,當氫原子從n=2能級躍遷到n=1能級時,釋放的能量為=[-3.4-(-13.6)]×1.6×10-19 J,解得輻射光的波長λ=122 nm<656 nm,因此選項A正確;根據(jù)發(fā)生躍遷時只能吸收或輻射一定頻率的光子,可知選項B錯誤,選項D正確;一群處于n=3能級的氫原子向低能級躍遷時可以產(chǎn)生3種不同頻率的光子,所以選項C正確. 4.如圖甲所示,合上開關,用光子能量為2.5 eV的一束光照射陰極K,發(fā)現(xiàn)電流表讀數(shù)不為零.調(diào)節(jié)滑動變阻器,發(fā)現(xiàn)當電壓表讀數(shù)小于0.60 V時,電流表讀數(shù)仍不為零,當電壓表讀數(shù)大于或等于0.60 V時,電流表讀

42、數(shù)為零.把電路改為圖乙,當電壓表讀數(shù)為2 V時,逸出功及電子到達陽極時的最大動能分別為 (　　) A.1.5 eV,0.6 eV B.1.7 eV,1.9 eV C.1.9 eV,2.6 eV D.3.1 eV,4.5 eV [解析] C　對圖甲,用光子能量hν=2.5 eV的光照射陰極,電流表讀數(shù)不為零,則說明能發(fā)生光電效應,當電壓表讀數(shù)大于或等于0.60 V時,電流表讀數(shù)為零,則說明電子不能到達陽極,由動能定理知,最大初動能Ek=eU=0.6 eV,由光電效應方程hν=Ek+W0,知W0=1.9 eV;對圖乙,當電壓表讀數(shù)為2 V時,電子到達陽極的最大動能Ek'=Ek+eU'=0

43、.6 eV+2 eV=2.6 eV,故C正確. 5.1927年戴維孫和湯姆孫分別完成了電子衍射實驗,該實驗是榮獲諾貝爾獎的重大近代物理實驗之一.如圖所示的是該實驗裝置的簡化圖,下列說法錯誤的是 (　　) A.亮條紋是電子到達概率大的地方 B.該實驗說明物質(zhì)波理論是正確的 C.該實驗再次說明光子具有波動性 D.該實驗說明實物粒子具有波動性 [解析] C　亮條紋是電子到達概率大的地方,該實驗說明物質(zhì)波理論是正確的,說明實物粒子具有波動性,但該實驗不能說明光子具有波動性,選項C錯誤,A、B、D正確. 6.用頻率為ν的光照射光電管陰極時,產(chǎn)生的光電流隨陽極與陰極間所加電壓的變化規(guī)律

44、如圖所示,Uc為遏止電壓.已知電子電荷量為-e,普朗克常量為h,求: (1)光電子的最大初動能Ekm; (2)該光電管發(fā)生光電效應的極限頻率νc. [答案] (1)eUc　(2)ν- [解析] (1)光電子在光電管內(nèi)減速,由動能定理有 -eUc=-Ekm 光電子的最大初動能Ekm=eUc. (2)由光電效應方程得Ekm=hν-W 其中逸出功W=hνc 解得νc=ν-. 第31講　核反應、核能 【教材知識梳理】 核心填空 一、1.質(zhì)子　質(zhì)子數(shù) 2.(1)自發(fā)　原子核　(2)放射性　(3)α射線　(4)天然 3.(1)原子核　(2e　(3)物理　化學 二、1.短

45、程 2.(1)釋放　吸收　(2)①核子數(shù)?、谠椒€(wěn)定 3.mc2　Δmc2 三、1.(2)大于或等于　(3)10 2.(2)熱核反應　(3He 思維辨析 (1)(×)　(2)(×)　(3)(×)　(4)(×) 思維拓展 1.根據(jù)質(zhì)能方程ΔE=Δmc2,注意:這里質(zhì)量單位要用 kg,能量單位用J. 2.利用原子質(zhì)量單位u和電子伏特計算,1 u=1.660×10-27 kg,1 eV=1.6×10-19 J,1 u相當于931.5 MeV. 3.根據(jù)能量守恒定律和動量守恒定律計算核能. 【考點互動探究】 考點一 例1　A　[解析]n是核聚變反應方程,A正確H是原子核的人工轉(zhuǎn)

46、變反應方程,B錯誤n是居里夫婦發(fā)現(xiàn)人工放射性的核反應方程,C錯誤;n是鈾核裂變的反應方程,D錯誤. 變式題　B　[解析] γ射線是光子流,選項A錯誤;太陽輻射能量主要來源于核聚變,選項C錯誤;100 g g=25 g,選項D錯誤. 考點二 例2　B　[解析] 衰變過程動量守恒,生成的釷核的動量與α粒子的動量等大反向,根據(jù)Ek=,可知衰變后釷核的動能小于α粒子的動能,所以B正確,A錯誤;半衰期是一半數(shù)量的鈾核衰變需要的時間,C錯誤;衰變過程放出能量,質(zhì)量發(fā)生虧損,D錯誤. 變式題　電子　新核　垂直于紙面向里 [解析] 帶電粒子在磁場中只受洛倫茲力,洛倫茲力充當向心力,即qvB=m,則

47、半徑R=.β衰變過程動量守恒,而qβR新,所以軌跡1為電子的軌跡,軌跡2是新核的軌跡.由左手定則可以判斷,磁場方向垂直于紙面向里. 考點三 例3　B　[解析] 氘核聚變反應的質(zhì)量虧損Δm=2.013 6 u×2-3.015 0 u-1.008 7 u=0.003 5 u,由愛因斯坦質(zhì)能方程可得釋放的核能E=0.003 5×931 MeV≈3.3 MeV,選項B正確. 變式題　(1)24.78 MeV　(2)4.2×109 kg (3)4.4×109年 [解析] (1)太陽內(nèi)部的核反應方程為e 這一核反應的質(zhì)量虧損Δm=4mp-mα-2me=0.026 6 u 釋放

48、的能量ΔE=Δmc2=0.026 6×931.5 MeV≈24.78 MeV. (2)由E=mc2得,太陽每秒減少的質(zhì)量 m= kg≈4.2×109 kg. (3)太陽的質(zhì)量為2×1030 kg,太陽上的熱核反應還能發(fā)生的時間 t= s≈1.4×1017s=4.4×109年. 考點四 例4　(1He (2)　(3) [解析] (2)設α粒子的速度大小為v,由qvB=m,T=,得α粒子在磁場中運動周期T= 環(huán)形電流大小I= (3)由qvB=m,得v= 設衰變后新核Y的速度大小為v',系統(tǒng)動量守恒,得 Mv'-mv=0 則v'= 由Δmc2=mv2 得Δm= 說明:

49、若利用M=m解答,亦可. 變式題1　(1)2.14 MeV　(2)2.13 MeV　0.71 MeV [解析] (1)核反應中的質(zhì)量虧損為Δm=2mH-mHe-mn 由ΔE=Δmc2可知釋放的核能 ΔE=(2mH-mHe-mn)c2=2.14 MeV. (2)把兩個氘核作為一個系統(tǒng),碰撞過程系統(tǒng)的動量守恒,由于碰撞前兩氘核的動能相等,其動量等大反向,因此反應后系統(tǒng)的總動量為零,即mHevHe+mnvn=0 反應前后系統(tǒng)的總能量守恒,即=ΔE+2EkH 又因為mHe∶mn=3∶1 所以vHe∶vn=1∶3 解得EkHe=0.71 MeV,Ekn=2.13 MeV. 變式題2　

50、ACD　[解析] 軌跡呈現(xiàn)外切,所以放射出的粒子帶正電,即發(fā)生α衰變,B錯誤;因為兩圓的半徑之比R1∶R2=42∶1,R=,又衰變過程動量守恒,可得新原子核B的核電荷數(shù)為84,所以A正確;由R1=,得vα==2.4×107 m/s,所以C正確;根據(jù)E=hν可得,光子的能量為E光=7.92×10-19 J,鎢的逸出功為W逸=4.54×1.6×10-19 J≈7.26×10-19 J,光子能量大于鎢的逸出功,故鎢能發(fā)生光電效應,所以D正確. 1.下列核反應方程中,屬于衰變的是 (　　) A. H B. He C. n D. n [解析] B　選項B屬于衰變,選項A屬于人工轉(zhuǎn)變,選項

51、C屬于輕核聚變,選項D屬于重核裂變,所以選項B正確. 2.(多選)[2017·江蘇卷] 原子核的比結(jié)合能曲線如圖所示.根據(jù)該曲線,下列判斷正確的有 (　　) A.He核的結(jié)合能約為14 MeV B.Li核更穩(wěn)定 C.兩個He核時釋放能量 D.Kr核中的大 [解析] BC　結(jié)合能等于比結(jié)合能乘以核子數(shù),故He核的結(jié)合能約為28 MeV,A錯誤;由圖像可知Li核的比結(jié)合能,故B正確;兩個He核,結(jié)合能增加,故一定存在質(zhì)量虧損,故要釋放能量,C正確Kr核中的,故D錯誤. 3.[2017·湖北武漢五月模擬] 下列說法正確的是 (　　) A.普朗克在研究黑體輻射問題時提出了光子說

52、B.康普頓在研究石墨中的電子對X射線的散射時發(fā)現(xiàn),有些散射波的波長比入射波的波長略大 C.由H可知,在密閉的容器中混合存放一定比例的氦氣和氮氣,幾天后將有氧氣生成 D.由HH+2.2 MeV可知,用能量等于2.2 MeV的光子照射靜止氘核時,氘核將分解為一個質(zhì)子和一個中子 [解析] B　普朗克在研究黑體輻射問題時提出了能量子假說,選項A錯誤;核反應不同于化學反應,選項C錯誤;核反應方程不可逆,選項D錯誤. 4.圖中曲線a、b、c、d為氣泡室中某放射物發(fā)生衰變放出的部分粒子的徑跡,氣泡室中磁感應強度方向垂直于紙面向里,則可判斷徑跡為a、b的粒子帶　　　　電,徑跡為c、d的粒子帶　　　　電

53、,所以徑跡為a、b的是　　　　粒子,徑跡為c、d的是　　　　粒子.? [答案] 正　負　α　β [解析] 磁感應強度方向垂直于紙面向里,根據(jù)左手定則推知,徑跡為a、b的粒子帶正電,徑跡為c、d的粒子帶負電,而α粒子帶正電,β粒子帶負電. 5.[2015·海南卷] 運動的原子核X放出α粒子后變成靜止的原子核Y.已知X、Y和α粒子的質(zhì)量分別是M、m1和m2,真空中的光速為c,α粒子的速度遠小于光速.求反應后與反應前的總動能之差以及α粒子的動能. [答案] (M-m1-m2)c2　 [解析] 設運動的原子核Χ的速度為v1,放出的α 粒子速度為v2,由質(zhì)量虧損可得 =(M-m1-m2)c2 由動量守恒定律得 Mv1=m2v2 聯(lián)立解得 Ek= 18