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專題13 原子與原子核 從近幾年高考試題來看,光電效應(yīng)方程、核反應(yīng)方程以及與動(dòng)量結(jié)合是考查的重點(diǎn),以選擇題的形式考查,分值為6分.根據(jù)全國(guó)卷命題特點(diǎn),預(yù)計(jì)2019年高考中,可能考查面擴(kuò)大,考查會(huì)集中在α粒子散射實(shí)驗(yàn),氫原子光譜和能級(jí)結(jié)構(gòu)及光電效應(yīng)方程,核反應(yīng)中的衰變,粒子的波動(dòng)性,核力和結(jié)合能、質(zhì)能方程等知識(shí)點(diǎn). 【備考建議】 【經(jīng)典例題】 考點(diǎn)一　光電效應(yīng)規(guī)律 【典例1】(2018廣東中山模擬)(多選)如圖所示,用導(dǎo)線把驗(yàn)電器與鋅板相連接,當(dāng)用紫外線照射鋅板時(shí),發(fā)生的現(xiàn)象是(　 　) A.有光子從鋅板逸出 B.有光電子從鋅板逸出 C.驗(yàn)電器指針張開一個(gè)角度 D.鋅板帶負(fù)電 【典例2】[光電效應(yīng)方程的應(yīng)用](2018成都模擬)分別用波長(zhǎng)為λ和λ的單色光照射同一金屬板,發(fā)出的光電子的最大初動(dòng)能之比為1∶3,以h表示普朗克常量,c表示真空中的光速,則此金屬板的逸出功為(　 　) A. B. C. D. 解析:設(shè)此金屬的逸出功為W0,根據(jù)光電效應(yīng)方程 當(dāng)用波長(zhǎng)為λ的光照射時(shí)有Ek1=-W0. 當(dāng)用波長(zhǎng)為λ的光照射時(shí)有Ek2=-W0又=可解得W0=,故選B. 考點(diǎn)二　光電效應(yīng)圖像問題 【典例3】(2018宜興市模擬)從1907年起,密立根就開始測(cè)量金屬的遏止電壓Uc(即圖1所示的電路中電流表G的讀數(shù)減小到零時(shí)加在電極K,A之間的反向電壓)與入射光的頻率ν,由此算出普朗克常量h,并與普朗克根據(jù)黑體輻射得出的h相比較,以檢驗(yàn)愛因斯坦光電效應(yīng)方程的正確性.按照密立根的方法我們利用圖示裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn),得到了某金屬的Uc-ν圖像如圖2所示.下列說法正確的是(　 　) A.該金屬的截止頻率約為4.271014Hz B.該金屬的截止頻率約為5.501014Hz C.該圖線的斜率為普朗克常量 D.該圖線的斜率為這種金屬的逸出功 解析:設(shè)金屬的逸出功為W0,截止頻率為νc,則有W0=hνc;光電子的最大初動(dòng)能Ek與遏止電壓Uc的關(guān)系是Ek=eUc,光電效應(yīng)方程為Ek=hν-W0;由此可得Uc=ν-,故Uc與ν圖像的斜率為,故C,D錯(cuò)誤;當(dāng)Uc=0時(shí),可解得ν==νc,此時(shí)讀圖可知,νc≈4.271014 Hz,即金屬的截止頻率約為4.271014 Hz,A正確,B錯(cuò)誤. 【典例4】(2018九江模擬)研究光電效應(yīng)的電路如圖所示,用頻率相同、強(qiáng)度不同的光分別照射密封真空管的鈉極板(陰極K),鈉極板發(fā)射出的光電子被陽極A吸收,在電路中形成光電流.下列光電流I與A,K之間的電壓UAK的關(guān)系圖像中,正確的是(　 　) 解析:同種光對(duì)應(yīng)的遏止電壓即光電流I=0時(shí)對(duì)應(yīng)的反向電壓為一確定值;在發(fā)生光電效應(yīng)的條件下,光越強(qiáng),飽和電流越大.故C正確,A,B,D錯(cuò)誤. 考點(diǎn)三　光的波粒二象性　物質(zhì)波 【典例5】(2018陜西寶雞模擬)關(guān)于物質(zhì)的波粒二象性,下列說法中不正確的是(　 　) A.不僅光子具有波粒二象性,一切運(yùn)動(dòng)的微粒都具有波粒二象性 B.大量光子的行為表現(xiàn)出光的波動(dòng)性,而少量光子的行為表現(xiàn)出光的粒子性 C.光的波長(zhǎng)越長(zhǎng),粒子性越明顯,光的頻率越高,波動(dòng)性越明顯 D.宏觀物體的德布羅意波的波長(zhǎng)太小,實(shí)際很難觀察到波動(dòng)性 解析:光具有波粒二象性是微觀世界具有的特殊規(guī)律,大量光子的行為表現(xiàn)出光的波動(dòng)性,而少量光子表現(xiàn)出光的粒子性.光的波長(zhǎng)越長(zhǎng),波動(dòng)性越明顯,光的頻率越高,粒子性越明顯.宏觀物體的德布羅意波的波長(zhǎng)太小,實(shí)際很難觀察到波動(dòng)性,故A,B,D正確,C錯(cuò)誤. 【典例6】(2018河北邢臺(tái)模擬)(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(yīng)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(dòng)性 C.黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律可用光的波動(dòng)性解釋 D.動(dòng)能相等的質(zhì)子和電子,它們的德布羅意波長(zhǎng)也相等 考點(diǎn)四 氫原子能級(jí)及原子躍遷 【典例7】(2017廣元二模)如圖所示為氫原子的能級(jí)示意圖,一群氫原子處于n=3的激發(fā)態(tài),在向較低能級(jí)躍遷的過程中向外發(fā)出光子,用這些光照射逸出功為2.49 eV的金屬鈉,說法正確的是(　 　) A.這群氫原子能發(fā)出三種頻率不同的光,其中從n=3躍遷到n=2所發(fā)出的光波長(zhǎng)最短 B.這群氫原子能發(fā)出兩種頻率不同的光,其中從n=3躍遷到n=1所發(fā)出的光頻率最小 C.金屬鈉表面所發(fā)出的光電子的最大初動(dòng)能為9.60 eV D.金屬鈉表面所發(fā)出的光電子的最大初動(dòng)能為11.11 eV 解析:一群氫原子處于n=3的激發(fā)態(tài),向低能級(jí)躍遷時(shí)可能放出3種不同頻率的光子,從n=3躍遷到n=1輻射的光子頻率最大,波長(zhǎng)最短,故A,B錯(cuò)誤; n=3躍遷到n=1輻射的光子能量最大,為12.09 eV,則光電子的最大初動(dòng)能Ek=hν-W0=12.09 eV-2.49 eV=9.60 eV.故C正確,D錯(cuò)誤. 【典例8】(2018長(zhǎng)沙模擬)(多選)以下關(guān)于玻爾原子理論的說法正確的是(　 　) A.電子繞原子核做圓周運(yùn)動(dòng)的軌道半徑不是任意的 B.電子在繞原子核做圓周運(yùn)動(dòng)時(shí),穩(wěn)定地產(chǎn)生電磁輻射 C.不同頻率的光照射處于基態(tài)的氫原子時(shí),只有某些頻率的光可以被氫原子 吸收 D.氫原子光譜有很多不同的亮線,說明氫原子能發(fā)出很多不同頻率的光,但它的光譜不是連續(xù)譜 解析:電子運(yùn)動(dòng)的軌道半徑是不連續(xù)的,故A正確;電子在繞原子核做圓周運(yùn)動(dòng)時(shí),不會(huì)產(chǎn)生電磁輻射,只有躍遷時(shí)才會(huì)產(chǎn)生電磁輻射,故B錯(cuò)誤;由于氫原子發(fā)射的光子的能量E=Em-En=E1-E1=hν,不同頻率的光照射處于基態(tài)的氫原子時(shí),只有某些頻率的光可以被氫原子吸收,故C正確;光譜有很多不同的亮線,說明氫原子能發(fā)出很多不同頻率的光,是線狀譜,不是連續(xù)譜,故D正確. 考點(diǎn)五 原子核的衰變　半衰期 【典例9】(2018太原模擬)研究放射性元素射線性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示.兩塊平行放置的金屬板A,B分別與電源的兩極a,b連接,放射源發(fā)出的射線從其上方小孔向外射出.則(　 　) A.a為電源正極,到達(dá)A板的為α射線 B.a為電源正極,到達(dá)A板的為β射線 C.a為電源負(fù)極,到達(dá)A板的為α射線 D.a為電源負(fù)極,到達(dá)A板的為β射線 【典例10】(2017濰坊一模)14C是碳元素的一種具有放射性的同位素,其半衰期約為5 700年.在某次研究中,測(cè)得考古樣品中14C的含量大約是鮮活生命體中14C含量的 ,則樣品生活的年代約是(　 　) A.11 400年前 B.17 100年前 C.22 800年前 D.45 600年前 解析:設(shè)原來14C的質(zhì)量為M0,衰變后剩余質(zhì)量為M ,則有M=M0,其中n為發(fā)生半衰期的次數(shù),由題意可知剩余質(zhì)量為原來的,故n=3,所以死亡時(shí)間為35 700=17 100年,故A,C,D錯(cuò)誤,B正確. 考點(diǎn)六　核反應(yīng)類型與核反應(yīng)方程 【典例11】(2018江西九江模擬)用中子轟擊鋰核,產(chǎn)生氚和α粒子并放出4.8 MeV的能量,則該核反應(yīng)方程為　　　　　　　　　　　　 　,上述反應(yīng)中的質(zhì)量虧損為　　　 　 kg(保留兩位有效數(shù)字). 考點(diǎn)七 　核力與核能 【典例12】(2018四川成都模擬)(1)核電站利用原子核鏈?zhǔn)椒磻?yīng)放出的巨大能量進(jìn)行發(fā)電,U是核電站常用的核燃料,U受一個(gè)中子轟擊后裂變成Ba和Kr兩部分,并產(chǎn)生　　 　　 個(gè)中子.要使鏈?zhǔn)椒磻?yīng)發(fā)生,裂變物質(zhì)的體積要　　　 　(選填“大于”或“小于”)它的臨界體積. 解析:(1)核反應(yīng)中遵守質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒,且該核反應(yīng)方程為U+n→Ba+Kr+n,即產(chǎn)生3個(gè)中子.臨界體積是發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的最小體積,要使鏈?zhǔn)椒磻?yīng)發(fā)生,裂變物質(zhì)的體積要大于它的臨界體積. (2)取質(zhì)子的質(zhì)量mp=1.672 610-27 kg,中子的質(zhì)量mn=1.674 910-27 kg,α粒子的質(zhì)量mα=6.646 710-27 kg,光速c=3.0108 m/s.請(qǐng)計(jì)算α粒子的結(jié)合能.(計(jì)算結(jié)果保留兩位有效數(shù)字) (2)組成α粒子的核子與α粒子的質(zhì)量差Δm=(2mp+2mn)-mα,結(jié)合能ΔE=Δmc2 代入數(shù)據(jù)得ΔE=4.310-12 J. 【走進(jìn)高考】 1．在核反應(yīng)方程中，X表示的是 A. 質(zhì)子 B. 中子 C. 電子 D. α粒子 【來源】2018年全國(guó)普通高等學(xué)校招生統(tǒng)一考試物理（北京卷） 2．用波長(zhǎng)為300 nm的光照射鋅板，電子逸出鋅板表面的最大初動(dòng)能為1.2810-19 J。已知普朗克常量為6.6310-34 Js，真空中的光速為3.00108 ms-1，能使鋅產(chǎn)生光電效應(yīng)的單色光的最低頻率約為（ ） A. 11014 Hz B. 81014 Hz C. 21015 Hz D. 81015 Hz 【來源】2018年普通高等學(xué)校招生全國(guó)統(tǒng)一考試物理（全國(guó)II卷） 3．氫原子光譜在可見光區(qū)域內(nèi)有四條譜線，都是氫原子中電子從量子數(shù)n>2的能級(jí)躍遷到n=2的能級(jí)發(fā)出的光，它們?cè)谡婵罩械牟ㄩL(zhǎng)由長(zhǎng)到短，可以判定 A. 對(duì)應(yīng)的前后能級(jí)之差最小 B. 同一介質(zhì)對(duì)的折射率最大 C. 同一介質(zhì)中的傳播速度最大 D. 用照射某一金屬能發(fā)生光電效應(yīng)，則也一定能 【來源】2018年全國(guó)普通高等學(xué)校招生同一考試?yán)砜凭C合物理試題（天津卷） 4．國(guó)家大科學(xué)過程——中國(guó)散裂中子源（CSNS）于2017年8月28日首次打靶成功，獲得中子束流，可以為諸多領(lǐng)域的研究和工業(yè)應(yīng)用提供先進(jìn)的研究平臺(tái)，下列核反應(yīng)中放出的粒子為中子的是 A. 俘獲一個(gè)α粒子，產(chǎn)生并放出一個(gè)粒子 B. 俘獲一個(gè)α粒子，產(chǎn)生并放出一個(gè)粒子 C. 俘獲一個(gè)質(zhì)子，產(chǎn)生并放出一個(gè)粒子 D. 俘獲一個(gè)質(zhì)子，產(chǎn)生并放出一個(gè)粒子 【來源】2018年全國(guó)普通高等學(xué)校招生同一考試?yán)砜凭C合物理試題（天津卷） 6．【2017新課標(biāo)Ⅰ卷】大科學(xué)工程“人造太陽”主要是將氘核聚變反應(yīng)釋放的能量用來發(fā)電。氘核聚變反應(yīng)方程是。已知的質(zhì)量為2.013 6 u，的質(zhì)量為3.015 0 u，的質(zhì)量為1.008 7 u，1 u=931 MeV/c2。氘核聚變反應(yīng)中釋放的核能約為： （ ） A．3.7 MeV B．3.3 MeV C．2.7 MeV D．0.93 MeV 7． 【2017天津卷】我國(guó)自主研發(fā)制造的國(guó)際熱核聚變核心部件在國(guó)際上率先通過權(quán)威機(jī)構(gòu)認(rèn)證，這是我國(guó)對(duì)國(guó)際熱核聚變項(xiàng)目的重大貢獻(xiàn)。下列核反應(yīng)方程中屬于聚變反應(yīng)的是： （ ） A． B． C． D． 8． 【2017江蘇卷】（多選）原子核的比結(jié)合能曲線如圖所示，根據(jù)該曲線，下列判斷中正確的有： （ ） （A）核的結(jié)合能約為14 MeV （B）核比核更穩(wěn)定 （C）兩個(gè)核結(jié)合成核時(shí)釋放能量 （D）核中核子的平均結(jié)合能比核中的大 9． 【2017新課標(biāo)Ⅲ卷】（多選）在光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中，分別用頻率為νa、νb的單色光a、b照射到同種金屬上，測(cè)得相應(yīng)的遏止電壓分別為Ua和Ub、光電子的最大初動(dòng)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Uaνb，則一定有hνa–Eka>hνb–Ekb 10． 【2017北京卷】2017年年初，我國(guó)研制的“大連光源”——極紫外自由電子激光裝置，發(fā)出了波長(zhǎng)在100 nm（1 nm=10–9 m）附近連續(xù)可調(diào)的世界上最強(qiáng)的極紫外激光脈沖。大連光源因其光子的能量大、密度高，可在能源利用、光刻技術(shù)、霧霾治理等領(lǐng)域的研究中發(fā)揮重要作用。 一個(gè)處于極紫外波段的光子所具有的能量可以電離一個(gè)分子，但又不會(huì)把分子打碎。據(jù)此判斷，能夠電離一個(gè)分子的能量約為（取普朗克常量h=6.610–34 Js，真空光速c=3108 m/s）： （ ） A．10–21 J B．10–18 J C．10–15 J D．10–12 J 1.【答案】 A 【解析】設(shè)X為：，根據(jù)核反應(yīng)的質(zhì)量數(shù)守恒：，則： 電荷數(shù)守恒：，則，即X為：為質(zhì)子，故選項(xiàng)A正確，BCD錯(cuò)誤。 點(diǎn)睛：本題考查了核反應(yīng)方程式，要根據(jù)電荷數(shù)守恒、質(zhì)量數(shù)守恒得出X的電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)，從而確定X的種類。 2.【答案】 B 則 代入數(shù)據(jù)可得： ，故B正確； 故選B 點(diǎn)睛：本題比較簡(jiǎn)單，知道光電效應(yīng)方程并利用方程求解即可。 3.【答案】 A 度最大，BC錯(cuò)誤；的波長(zhǎng)小于的波長(zhǎng)，故的頻率大于的頻率，若用照射某一金屬能發(fā)生光電效應(yīng)，則不一定能，D錯(cuò)誤． 【點(diǎn)睛】光的波長(zhǎng)越大，頻率越小，同一介質(zhì)對(duì)其的折射率越小，光子的能量越?。? 4.【答案】 B 【解析】根據(jù)質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒可知四個(gè)核反應(yīng)方程分別為、、，，故只有B選項(xiàng)符合題意； 【點(diǎn)睛】核反應(yīng)過程中，質(zhì)量數(shù)與核電荷數(shù)守恒，應(yīng)用質(zhì)量數(shù)與核電荷數(shù)守恒即可寫出核反應(yīng)方程式． 5．1934年，約里奧-居里夫婦用α粒子轟擊鋁核，產(chǎn)生了第一個(gè)人工放射性核素X：。X的原子序數(shù)和質(zhì)量數(shù)分別為 A. 15和28 B. 15和30 C. 16和30 D. 17和31 【來源】2018年全國(guó)普通高等學(xué)校招生統(tǒng)一考試物理（全國(guó)III卷） 5.【答案】 B 【解析】試題分析 本題考查核反應(yīng)方程遵循的規(guī)律及其相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)。 解析 根據(jù)核反應(yīng)遵循的質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒可知，X的電荷數(shù)為2+13=15，質(zhì)量數(shù)為4+27-1=30，根據(jù)原子核的電荷數(shù)等于原子序數(shù)，可知X的原子序數(shù)為15，質(zhì)量數(shù)為30，選項(xiàng)B正確。 點(diǎn)睛 此題與2014年高考上海試題和2013年高考重慶試題類似，都是給出核反應(yīng)方程，要求利用核反應(yīng)同時(shí)遵循的質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒解答。 6【答案】B 【解析】根據(jù)質(zhì)能方程，釋放的核能，，則，故B正確，ACD 錯(cuò)誤。 【名師點(diǎn)睛】本題考查質(zhì)能方程，注意原子核的質(zhì)量單位不是kg，由質(zhì)能方程求核能時(shí)要細(xì)心。 7【答案】A 【名師點(diǎn)睛】本題的關(guān)鍵是知道核反應(yīng)的分類，區(qū)別衰變和核反應(yīng)。 8【答案】BC 【名師點(diǎn)睛】本題主要是要理解比結(jié)合能的含義，知道結(jié)合能與比結(jié)合能的區(qū)分與關(guān)系．以及在核反應(yīng)過程中由比結(jié)合能小的反應(yīng)生成比結(jié)合能大的要釋放能量． 9【答案】BC 【解析】由愛因斯坦光電效應(yīng)方程，又由動(dòng)能定理有，當(dāng)時(shí)，，，A錯(cuò)誤，B正確；若，則有，C正確；同種金屬的逸出功不變，則不變，D錯(cuò)誤。 【名師點(diǎn)睛】本題主要考查光電效應(yīng)。發(fā)生光電效應(yīng)的條件是入射光的頻率大于金屬的極限頻率，光的強(qiáng)弱只影響單位時(shí)間內(nèi)發(fā)出光電子的數(shù)目；光電子的最大初動(dòng)能和遏止電壓由照射光的頻率和金屬的逸出功決定；逸出功由金屬本身決定，與光的頻率無關(guān)。 10【答案】B 【解析】一個(gè)處于極紫外波段的光子的能量約為，由題意可知，光子的能量應(yīng)比電離一個(gè)分子的能量稍大，因此數(shù)量級(jí)應(yīng)相同，故選B。 【名師點(diǎn)睛】根據(jù)題意可知光子的能量足以電離一個(gè)分子，因此該光子的能量應(yīng)比該分子的電離能大，同時(shí)又不能把分子打碎，因此兩者能量具有相同的數(shù)量級(jí)，不能大太多。