原子与原子核（解析版）-2020年高考物理高频考点解密.pdf

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1、解密1 3 一原布核暮导航需 考 学核心考点考纲要求氢原子光谱I氢原子的能级结构、能级公式I原子核的组成、放射性、原子核的衰变、半衰期I放射性同位素1核力、核反应方程I结合能、质量亏损I裂变反应和聚变反应、裂变反应堆1射线的危害和防护1光电效应I爱因斯坦光电效应方程I”网络和 会 泳光的波动性波粒二象性，光的粒子性 光是一种概率波物质波：2=-P 光电效应的实验规律爱因斯坦光电效应方程：E =h v-Wa康普顿效应光子的动量：V能量量子化：能量子 =机a粒子散射实验原子核式结构模型原子的核式结构原子核的电荷和尺度 基本假设波 粒 二 象 性 原子 结 构 原 子 核原子结构玻尔原子模型能级L

2、1 L耳,=耳1 n能级图氢原子光谱光谱连续谱线状谱天然放射现象实验规律.三种射线、半衰期原子核的组成组成质子中字原子核核反应 半衰期 衰变人工转变裂变聚变核力和结合能C二 解密考 点 承考支1%电政危名/*W a钢一、光电效应1 .光电效应现象照射到金属表面的光，能使金属中的电子从表面逸出。逸出的电子叫做光电子。2 .光电效应的规律（1）每种金属都有一个发生光电效应的最小频率，称为截止频率或极限频率（%）。（2）入射光的频率不变时，入射光越强，饱和光电流越大。光电流的强度（单位时间内发射的光电子数）与入射光的强度成正比。（3）入射光的频率不变时，存在一个使光电流减小到0的反向电压，即遏止电压

3、（&）。表明光电子的能量只与入射光的频率有关，而与入射光的强度无关。（4）光照射到金属表面时，光电子的逸出几乎是瞬时的，精确测量为l&9 s。3 .爱因斯坦光电效应方程（1）光子说：光由一个个不可分割的能量子组成，频率为v的光的能量子为加，即光子，其中普朗克常量。（2）爱因斯坦光电效应方程：Ek=hv-Wn其中反 为光电子的最大初动能，E k=e U c=L k v 2,的 为入射光子的能量，W o 为金属的逸出功24 .爱因斯坦光电效应方程对光电效应的解释（1）光电子的最大初动能反 与入射光的频率v 有关，而与光的强弱无关。只有当6 W o 时，才有光电子逸出，截止频率=妁h(2)电子一次性

4、吸收光子的全部能量，不需要积累能量的时间，所以光电流几乎在瞬间产生。(3)对于频率v 相同的光，光较强时，包含的光子数较多，照射金属时产生的光电子较多，因而饱和光电流较大。二、光电效应的图象分析1 .光电流与电压的关系图象(/-U 图象)(1)电压范围足够大时，电流的最大值为饱和光电流八；图线与横轴交点的横坐标的绝对值为遏止电压 以；光电子的最大初动能E k=e U c(2)频率相同的入射光，遏止电压相同；饱和光电流与光照强度成正比。(3)不同频率的入射光，遏止电压不同；入射光频率越大，遏止电压越大。2 .最大初动能与入射光频率的关系图象(反图象)(1)函数方程为 Ek=hv-Wn=hv-hv

5、c(2)图线斜率等于普朗克常量/?；横轴截距等于截止频率先:纵轴截距的绝对值E等于逸出功W o=6 c3 .遏止电压与入射光频率的关系图象(U c f 图象)(1)函数方程为=2片 组e e e e(2)图线斜率与电子电荷量的乘积等于普朗克常量；横轴截距等于截止频率;纵轴截距的绝对值与电子电荷量的乘积等于逸出功。任/希洛求钠（2019河北唐山一模）用金属锄为阴极的光电管，观测光电效应现象，实验装置如图甲所示，实验中测得钢的遏止电压上 与入射光频率v之间的关系如图乙所示，图线与横轴交点的横坐标为5.15XI04 Hz.己知普朗克常量人=6.63义10 34 J,则下列说法正确的是（）A.欲测遏止

6、电压，应选择电源左端为正极B.当电源左端为正极时，滑动变阻器的滑片向右滑动，电流表的示数持续增大C.增大照射光的强度，产生的光电子的最大初动能一定增大D.如果实验中入射光的频率v=7.00X lOW H z,则产生的光电子的最大初动能Ek=L2X 10-19 j【参考答案】D【试题解析】图甲所示的实验装置测量锄的遏止电压外 与入射光频率匕 因此光电管左端应该是阴极，则电源左端为负极，故A错误；当电源左端为正极时，将滑动变阻器的滑片从图示位置向右滑动的过程中，电压增大，光电流增大，当电流达到饱和值，不再增大，即电流表读数的变化可能是持续增大，也可能是先增大，后不变，故选项B错误；光电子的最大初动

7、能与入射光的频率和金属的逸出功有关，与入射光的强度无关，故选项C错误；根据图象可知，锄的截止频率讼=5.15X 1014Hz,根据6 c=W o,则可求出该金属的逸出功大小Wb=6.63X10-34x5.15X 10i4j=3.41 媛Y+；He,如空U-zm+j H e衰变实质是2个质子和2个中子结合成一个整体从原子核中被抛射出来。B 衰变：，Xf zY+_：e,如 2 2 T h f2：p a+_：e衰变实质是原子核的中子转化成一个质子和一个电子，f；H+（3）衰变时，原子核会从较高能级向低能级跃迁，放出能量，能量以丫光子的形式辐射出来。所以丫射线经常伴随着a射线和。射线产生。当放射性物质

8、（如空U）发生连续衰变时，原子核中既发生了a衰变，又发生了 P衰变，同时伴随着丫辐射，这时放射性物质发出的射线中就会同时有a、。和丫三种射线。2.半衰期（1）定义：放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间。（2）原子核发生衰变是概率的，半衰期描述的是大量原子核发生衰变的统计规律。（3）元素的放射性与其存在于单质或化合物中的状态无关，不受温度、外界压强、元素的化学性质影响。衰变的快慢（半衰期）也是由核内部的因素决定的，跟原子所处的化学状态和外部条件没有关系。（4）公式：质量为2 0的 物 质（半衰期为T）经过时间f后剩余未衰变物质的质量m=zo（L y/r2（5）应用：碳1 4（l 4C）测年

9、技术。三、射线的探测1,射线与物质作用的现象（1）射线粒子使气体或液体电离，以这些离子为核心，过饱和蒸气会产生液滴，过热液体会产生气泡。（2）使照相乳胶感光。（3）使荧光物质产生荧光。2.威尔逊云室(1)原理：云室内充满过饱和酒精蒸气，射线使云室内的空气电离，过饱和酒精蒸气以离子为核心凝结成雾滴，显示出射线的径迹。(2)现象：a粒子的径迹直而清晰，高速 粒子的径迹又细又直，低速p粒子的径迹又短又粗而且是弯曲的，在云室中一般看不到丫粒子的径迹。3 .气泡室射线通过气泡室中的液体时，使过热液体沸腾产生气泡，显示出射线的径迹。4 .盖革-米勒计数器射线使计数管中的气体电离，产生的电子在电场中加速到达

10、阳极，正离子到达阴极，形成脉冲放电。四、放射性的应用与防护1 .原子核的人工转变用高能粒子轰击靶核，产生另一种新核的反应过程。(1)卢瑟福发现质子：He+=Nf；O+；H(2)查德威克发现中子：H e+：B e-1 C+(；n(3)约里奥-居里夫妇发现人工放射性和正电子：4 T J.27*1 1 30 rj。八2He+3A 1 I 5P+on ,1 5P l 4S i+le2.放射性同位素：有天然放射性同位素和人工放射性同位素两类。(1)应用：消除静电、射线测厚、工业探伤、放射治疗、培育优种、放射杀菌、作示踪原子等。(2)防护：过量的射线对人体组织有破坏作用，生活环境中辐射的强度要控制在安全剂

11、量以内。修 雅 派东钠(2 0 1 9宁夏银川联考)国产科幻大片 流浪地球讲述了太阳即将在未来出现“核燃烧”现象，从而导致人类无法生存，决定移民到半人马座比邻星的故事.据科学家论证，太阳向外辐射的能量来自其内部发生的各种热核反应，当太阳内部达到一定温度时，会发生“核燃烧”，其 中“核燃烧”的核反应方程为担e+X-汨e+y,方程中X表示某种粒子，扭e是不稳定的粒子，其半衰期为T,则下列说法正确的是()A.X粒子是|HeB.若使汨e的温度降低，其半衰期会减小C.经过2 T,一定质量的汨e占开始时的!OD.“核燃烧”的核反应是裂变反应【参考答案】A【试题解析】根据质量数和电荷数守恒可知，X粒子的质量

12、数为4,电荷数为2,故X为担e,选项A正确；温度不能改变放射性元素的半衰期，选 项B错误；经过2 7,一定质量的汨e占开始时的鼠选项C错误；“核燃烧”的核反应是轻核聚变反应，选项D错误。1.（2 0 1 9 四川内江联考）真空中一个静止的镭原子核组R a经一次a衰变后变成一个新核智R n,衰变方程为翟R a-缥R n+；He,下列说法正确的是（）A.衰变后留R n核的动量与a粒子的动量相同B.衰变后钳R n核的质量与a粒子的质量之和等于衰变前镭核 的质量C.若镭元素的半衰期为r,则经过T的时间，8个镣R a核中有4个已经发生了衰变D.若镭元素的半衰期为”则经过2 r的时间，2 k g的镣R a

13、核中有1.5 k g已经发生了衰变【答案】D【解析】根据动量守恒可知，锢R n核与a粒子的动量大小相等，方向相反，所以二者动量不同，因此A错误；镭核镣R a衰变成锹R n核过程中，存在质量亏损，导致衰变后铜R n核的质量与a粒子的质量之和小于衰变前镭核镣R a的质量，所以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，所以C错误；2 k g的资R a,符合统计规律，经过2工的时间，已有L5 k g发生衰变，所以D正确.综上所述，选项D正确。考点4垓力易辂合俄气於 舄 知钢一、核力i .核力定义：把核子紧紧地束缚在原子核内，形成稳定的原子核的力。2.核力

14、特点：（1）核力是强相互作用（强力）的一种表现；在原子核的尺度内，核力比库仑力大得多。（2）核力是短程力，作用范围的数量级为l&”m；核力既能表现为引力，也能表现为斥力，引力束缚核子，斥力使核子不会融合在一起。（3）每个核子只跟邻近的核子发生核力作用，这种性质称为核力的饱和性。3.原子核中质子与中子的比例自然界中较轻的原子核，质子数与中子数大致相等，较重的原子核的中子数大于质子数，越重的元素的中子数与质子数相差越多。原子核大到一定程度时，质子间的距离较远，核力不足以平衡库仑力；中子与其他核子间没有库仑斥力，但有相互吸引的核力，所以增加中子数有助于维系原子核的稳定。4.弱相互作用（弱力）（1）引

15、起原子核。衰变，即引起中子-质子转变.（2）短程力，作用范围的数量级为（3）作用强度：强力 电磁力 弱力 万有引力二、结合能1 .结合能：核子结合为原子核时释放的能量或原子核分解为自由核子时吸收的能量，即核能。类比：基态氢原子的电子逸出原子所需要的电离能（1 3.6 e V）即基态氢原子的结合能。组成原子核的核子越多，其结合能越高2.比结合能（1）定义：原子核的结合能与核子数之比，称做比结合能，也叫平均结合能。（2）不同原子核的比结合能不同，比结合能越大，原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定。（3）核能释放的两种途径由于中等大小的核的比结合能最大，最稳定。故核能释放可以：使较重的核分裂成中等

16、大小的核,核子的比结合能增大；使较轻的核结合成中等大小的核，核子的比结合能增大。3.质量亏损（1）质能方程：E=M,其中E为能量，机为质量，c为真空中的光速1原子质量单位（1 u）相当于9 31.5 M e V的能量。（2）质量亏损与核能核子在结合成原子核时质量亏损A m,释放能量A A m c2原子核分解成自由核子时要吸收一定的能量，质量增加?，吸收的能量E=A c 2（3）应用质能方程解题的流程卜十算质量|亏损A 7?三、核裂变1,重核裂变（1）定义：质量数较大的原子核受到高能粒子的轰击而分裂成几个质量数较小的原子核的过程。（2）典型的裂变反应方程:2 u+；n-Ba +；：K r +3；

17、n书写核反应方程式利用 A=A/MC2计算释放的核能（3）链式反应：由重核裂变产生的中子使裂变反应一代接一代继续下去的过程。（4）临界体积和临界质量：裂变物质能够发生链式反应的最小体积及相应的质量。2.核裂变的应用：原子弹、核 电 站（核反应堆）。3.核电站（1）核燃料：铀 棒（其中的悭U ）（2）慢化剂：使快中子减速成为慢中子（热中子），被铀核俘获，发生核裂变。常用慢化剂：石墨、重水、普 通 水（轻水）。慢化剂的原子核质量数应较小，以使中子与其碰撞后有较好的减速效果。使用石墨作为慢化剂是因为其不吸收中子，重水中的笊不易吸收中子，普通水中的氢核容易吸收中子。在可以制造高浓度的核燃料后,慢化剂一

18、般使用普通水。（3）控制棒：调节中子数目，控制反应速度。镉吸收中子的能力很强，当反应过于激烈时，将镉棒插入深些，以多吸收中子，减缓链式反应的速度。（4）防护层：很厚的水泥防护层。（5）水或液态金属钠等流体在反应堆内外循环流动，把反应堆内的热量传输出去，同时冷却反应堆。（6）反应堆放出的热使水变成水蒸气，推动汽轮发电机发电。四、核聚变1 .轻核聚变（1）定义：两个轻核结合成质量较大的核的核反应。（2）要使轻核发生聚变，必须把它们加热到很高的温度，使原子核具有足够的动能克服库仑斥力。因此，聚变又叫热核反应。（3）典型的聚变反应方程：；H+：H-：H e +：n（4）恒星就是一个巨大的热核反应堆。2

19、 .聚变与裂变相比的优点（1）轻核聚变产能效率高。（2）地球上聚变燃料的储量丰富。（3）轻核聚变更为安全、清洁。实现核聚变需要高温，一旦出现故障，高温不能维持，反应即自动终止。聚变反应堆比裂变反应堆生成的废物数量少，容易处理。3 .受控热核反应（1）产生高温的两种方案：磁约束和惯性约束。（2）环 流 器（托卡马克，t o k a ma k）利用带电粒子在强磁场中受到的洛伦兹力约束反应物的性能最好的装置。能在短时间内实现受控热核反应，尚无法投入实用。名/桶张东钠（2 0 1 9 河南洛阳二模）下列关于近代物理知识的描述中，正确的是（）A.康普顿效应实验说明了光不但具有粒子性，还具有能量和动量B.

20、一个处于”=3能级状态的氢原子自发跃迁时，能发出3 种频率的光子C.结合能越大，原子核越稳定D.衰变中产生的。射线实际上是原子核外电子挣脱原子核形成的【参考答案】Ah【试题解析】康普顿效应说明光具有粒子性，且有动量和能量，动量大小为=,能量大小为=切,故 A 正确；一个处于=3能级状态的氢原子自发跃迁时，最多只能发出2种频率的光，分别为=3跃迁到=2,=2 跃迁到=1,故 B 错误；原子核的结合能越大，原子核的核子数越多，原子核的稳定性用比结合能来表示，比结合能越大表示该原子核越稳定，故 C错误；P衰变中产生的0 射线实际上是原子核中的一个中子转化为质子同时生成一个电子，故 D错误。/砥踪秣习

21、1.（2 0 1 9 ,广东广州一模）2 0 1 8 年 1 1 月 12日中科院等离子体物理研究所发布消息：全超导托克马克装置E AS T 在实验中有了新的突破，等离子体中心电子温度达到1 亿摄氏度；其主要核反应方程为：;H+jH-；He+X;H+Y-；H e+X,则下列表述正确的是（）A.X是质子 B.Y是瓶核C.X与 Y是同位素 D.两个核反应都属于裂变反应【答案】B【解析】根据质量数守恒、电荷数守恒可知X是中子，故 A 错误；对第二个方程，根据质量数守恒、电荷数守恒可知Y是氤核，故 B 正确；X是中子，Y是危核，X与 Y不是同位素，故 C错误；两个核反应都属于聚变反应，故 D错误。唾

22、缺射密 思 凄1.（2 0 1 9 新课标全国I 卷）氢原子能级示意图如图所示。光子能量在1.6 3 e V 3.1 0 e V 的光为可见光。要使处于基态（=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f/eV0-0.85-1.512-3.401-13.60A.12.09 eV B.10.20 eV C.1.89 eV D.1.51 eV【答案】A【解析】由题意可知，基 态（n=l）氢原子被激发后，至少被激发到n=3能级后，跃迁才可能产生能量在1.63eV3.10eV的可见光。故 石=-1.51-（-13.60）eV=12.09eV。故本题选A。2.（2019 新课标全

23、国H 卷）太阳内部核反应的主要模式之一是质子一质子循环，循环的结果可表示为4：H-；He+2：e+”已知:H和；He的质量分别为，%=1.0078u和%=4.0026u，2=93117乩C为光速。在4个;H转变成1个:He的过程中，释放的能量约为A.8 MeV B.16 MeV C.26 MeV D.52 MeV【答案】c【解析】由石=八加。2知AE=（4x 2 一/一，Aw=等空唱泮。叼。小，忽略电子质量，则:=（4x 1 .0078M-4.0026M）-c2 26MeV,故 C 选项符合题意；3.（2019天津卷）如图为。、b、c 三种光在同一光电效应装置中测得的光电流和电压的关系。由。、

24、人、c 组成的复色光通过三棱镜时，下述光路图中正确的是 5 ua oU【答案】C【解析】由光电效应的方 程 线=弱-W,动能定理建。=与，两式联立可得u=-,故e e截止电压越大说明光的频率越大，则有三种光的频率以匕匕，则可知三种光的折射率的关系为%良%,因此光穿过三棱镜时b光偏折最大，c光次之，a光最小，故 选C,ABD错误。4.（2019天津卷）我国核聚变反应研究大科学装置“人造太阳”2018年获得重大突破，等离子体中心电子温度首次达到1 亿度，为人类开发利用核聚变能源奠定了重要的技术基础。下列关于聚变的说法正确的是A.核聚变比核裂变更为安全、清洁B.任何两个原子核都可以发生聚变C.两个轻

25、核结合成质量较大的核，总质量较聚变前增加D.两个轻核结合成质量较大的核，核子的比结合能增加【答案】AD【解析】核聚变的最终产物时氮气无污染，而核裂变会产生固体核废料，因此核聚变更加清洁和安全，A 正确；发生核聚变需要在高温高压下进行，大核不能发生核聚变，故 B 错误；核聚变反应会放出大量的能量，根据质能关系可知反应会发生质量亏损，故 C 错误；因聚变反应放出能量，因此反应前的比结合能小于反应后的比结合能，故 D 正确。5.（2 0 1 9 江苏卷）1 0 0 年前，卢瑟福用a 粒子轰击氮核打出了质子.后来，人们用a 粒子轰击哭Ni 核也打出了质子：匆e+装Ni f :CU+|H+X；该反应中的

26、X是（选填“电子”“正电子”或“中子”）.此后，对原子核反应的持续研究为核能利用提供了可能.目前人类获得核能的主要方式是（选填 核衰变”核裂变 或 核聚变”）。【答案】中 子 核 裂 变【解析】由质量数和电荷数守恒得：X 应为：；n 即为中子，由于衰变是自发的，且周期与外界因素无关，核聚变目前还无法控制，所以目前获得核能的主要方式是核裂变；6.（2 0 1 8 天津卷）氢原子光谱在可见光区域内有四条谱线H”、HQ H y、H6,都是氢原子中电子从量子数n2的能级跃迁到=2的能级发出的光，它们在真空中的波长由长到短，可以判定A.H.对应的前后能级之差最小B.同一介质对H”的折射率最大C.同一介质

27、中H s 的传播速度最大D.用 H,照射某一金属能发生光电效应，则 H p 也一定能【答案】A【解析】根据hv=Em-En分析前后能级差的大小；根据折射率与频率的关系分析折射率的大小；根据丫 =判断传播速度的大小；根据发生光电效应现象的条件是入射光的频率大于该光的极限频率判断是n否会发生光电效应。波长越大，频率越小，故 H 0 的频率最小，根据后=加/可知Ha对应的能量最小，根据/=耳,-纥 可知H。对应的前后能级之差最小，A正确；H。的频率最小，同一介质对应的折射率最小，根据丫 =可知H.的传播速度最大，BC错误；Hy 的波长小于HR的波长，故Hy 的频率大于HRn,的频率，若用照射某一金属

28、能发生光电效应，则H p 不一定能，D错误。7.（2 0 1 8 天津卷）国家大科学过程中国散裂中子源（C S NS）于 2 0 1 7 年 8月 2 8 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4A.俘获一个a粒子，产生;C l 并放出一个粒子B.7;A 1 俘获一个a粒子，产生:;P并放出一个粒子C.；B俘获一个质子，产生：B e 并放出一个粒子D.；L i 俘获一个质子，产生；He并放出一个粒子【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；“N+；He

29、f1 0+1 H、:;A l+；He.：；P+n、B e+；Li L i+；Hef；H e+；Li ,故只有 B 选项符合题意;8.(2017 新课标全国H I卷)在光电效应实验中，分别用频率为a、坳的单色光a、b照射到同种金属上，测得相应的遏止电压分别为U“和 小、光电子的最大初动能分别为反“和耳0 /?为普朗克常量。下列说法正确的是A.若 则一定有 B.若 v“v z),则一定有 E k“E k C.若 Ua U h,则一定有 Ekavb,则一定有 hva-Ehvb-E,【答案】B C【解析】由爱因斯坦光电效应方程有E k=v-W o,又由动能定理有k=e U c,若%1%,则有E k E

30、 k/,Ut lUh,A错误，B正确；若 U K U b,则有k E k/),C正确；同种金属的逸出功不变，则不变，D错误。9.(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100n m (1 n m=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6=6.6x 10-3 4 j.s,真空光速k3 x 108 m/s)A.10-21 j B.1()78 jC.1B 5 J D.10 12 J【答案】Bhr【解析】一个处于极紫外波段的光子的能量约为E =a 2x l()T8 J,由题意可知，光子的能量应比电2离一个分子的能量稍大，因此数量级应相同，故选B。