1、专题十六原子物理考点1 光电效应、波粒二象性1.用频率分别为和2的光照射某种金属材料时,这两种情况下测得的该金属材料发生光电效应的遏止电压之比为13,已知普朗克常量为h,则该金属的逸出功为()A.hB.hC.hD.h2.2021河北唐山一模利用阴极材料为铷的光电管观测光电效应现象,实验电路图如图甲所示,实验中测得铷的遏止电压Uc与入射光频率之间的关系如图乙所示,图线与横轴交点的横坐标为5.151014 Hz.已知普朗克常量h=6.6310-34 Js.则下列说法中正确的是()A.欲测遏止电压,应使电源左端为正极B.当电源左端为正极时,保持入射光的频率和强度不变,将滑动变阻器的滑片向右滑动,电流
2、表的示数持续增大C.增大入射光的强度,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=7.001014 Hz,则产生的光电子的最大初动能约为Ek=1.210-19 J3.2020四川成都摸底在光电效应实验中,用频率为的光照射光电管阴极,发生了光电效应.下列说法正确的是()A.减小入射光的强度,一定不发生光电效应B.改用频率小于的光照射,一定不发生光电效应C.增大入射光的强度,光电子的最大初动能变大D.改用频率大于的光照射,光电子的最大初动能变大4.2020湖北武汉质量检测19世纪末,科学家们发现了电子,从而认识到原子是可以分割的,是由更小的微粒组成的.下列与电子有关的说法正确的是(
3、)A.爱因斯坦光电效应方程表明,光电子的最大初动能与入射光的频率成正比B.电子电荷量的精确测定是由汤姆孙通过著名的“油滴实验”做出的C.卢瑟福认为电子的轨道是量子化的D.衰变的实质是原子核内的一个中子转化成了一个质子和一个电子5.2020湖南毕业班调研美国物理学家密立根通过测量金属的遏止电压Uc与入射光频率,算出普朗克常量h,并与普朗克根据黑体辐射得出的h相比较,以验证爱因斯坦光电效应方程的正确性,如图所示是某次试验中得到的两种金属的遏止电压Uc与入射光频率的关系图像.两种金属的逸出功分别为W甲、W乙,如果用频率为0的光照射这两种金属,光电子的最大初动能分别为E甲、E乙,则下列关系正确的是()
4、A.W甲E乙B.W甲W乙,E甲W乙,E甲E乙D.W甲W乙,E甲Q1 B.X是He,Q2Q1 C.X是He,Q2Q1 D.X是He,Q22的能级跃迁到n=2的能级时发出的光,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.同一介质中H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也一定能9.2021贵州贵阳高三摸底氢原子能级示意图如图所示,现有大量氢原子处于n=3能级,下列说法正确的是()A.这些氢原子跃迁过程中最多可辐射出2种频率的光子B.从n=3能级跃迁到n=1能级需吸收12.09 eV的能量C.从n=3能级跃迁到n=4能级辐射出0
5、.66 eV的能量D.n=3能级的氢原子电离至少需要吸收1.51 eV的能量10.2020全国,18氘核H可通过一系列聚变反应释放能量,其总效果可用反应式HHe+H+n+43.15 MeV表示.海水中富含氘,已知1 kg海水中含有的氘核约为1.01022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2.9107 J,1 MeV=1.610-13 J,则M约为()A.40 kg B.100 kg C.400 kg D.1 000 kg11.2019全国,15太阳内部核反应的主要模式之一是质子质子循环,循环的结果可表示为HHe+e+
6、2,已知H和He的质量分别为mp=1.007 8 u和m=4.002 6 u,1 u=931 MeV/c2,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 MeVB.16 MeVC.26 MeVD.52 MeV12.比结合能与质量数A的关系曲线如图所示,下列说法正确的是()A.原子核的质量是全部核子质量之和B.原子核发生衰变的过程是比结合能减小的过程C.图中62Ni的比结合能最大,说明核子结合成62Ni所需要的能量最大D.中等大小的核比结合能最大,说明平均每个核子的质量亏损最大,这些核最稳定13.由于放射性元素Np的半衰期很短,所以在自然界中一直未被发现,只是在使用人工的方
7、法制造后才被发现.已知一个Np原子核经过一系列衰变和衰变后变成Bi,下列说法正确的是()A.衰变过程中共发生了7次衰变和6次衰变B.一次衰变过程可以同时放出粒子、粒子和粒子C.Np的半衰期与任意一个Np原子核发生衰变的时间相等D.Np的人工放射性同位素比天然放射性物质半衰期更短,放射性废料更容易处理14.2021浙江名校开学考试由于太阳温度足够高,所有的原子均电离成了原子核和电子,因此太阳是理想的热等离子球体.太阳用核聚变的方式向太空辐射能量,通过光谱分析知太阳的主要成分是氢,涉及氢的核聚变反应式为HHe+e+2e,产生的所有正电子将会与太阳中的电子发生湮灭.已知电子质量me=0.51 MeV
8、/c2,质子质量mH=938.3 MeV/c2He核质量mHe=3 727.4 MeV/c2,中微子e的质量和电荷量均可不计,e=1.610-19 C,下列说法中正确的是()A.正电子与电子湮灭方程式是ee,其中是光子B.单次氢的核聚变反应释放的核能约为410-12 JC.平均每个氢核产生的太阳辐射能最多为6.17 MeVD.上述核反应元素在地球上储量丰富,人类已经掌握和平利用聚变核能的技术15.2020天津市一中第四次月考如图所示为氢原子的能级图,下列说法正确的是()A.处于基态的氢原子可以通过与能量为12.5 eV的电子碰撞的方式跃迁B.氢原子由基态跃迁到激发态后,核外电子动能增大C.大量
9、处于n=3激发态的氢原子,向低能级跃迁时可辐射出2种不同频率的光D.用氢原子从n=2能级跃迁到n=1能级辐射出的光照射金属铂(逸出功为6.34 eV)时,不能发生光电效应16.核能的发现是人们探索微观物质结构的一个重大成果,而丰富的放射性同位素资源在国民生产和科学研究的多个领域中得到了广泛应用,下列说法正确的是()A.月球车上的钚-238同位素电池中核反应PuHe属于衰变B.百万千瓦级核电站中92235U裂变生成56144Ba及Kr,则56144Ba的比结合能小于U的比结核能C.氢弹爆炸时的一种核反应是氘、氚生成氦核和中子,属于可控核聚变反应D.n年前的古木中碳14含量是现代植物的,则碳14的
10、半衰期是年17.2021江苏南京调研,多选含有光电管的电路图如图(a)所示,图(b)是用甲、乙、丙三束光分别照射光电管得到的I-U图像,Uc1、Uc2表示遏止电压,下列说法中正确的有()A.图(a)中光电管两端的电压为反向电压B.甲光照射时光电子的最大初动能比丙光照射时光电子的最大初动能大C.甲、乙是相同频率的光,且甲光的强度比乙光强D.若氢原子从n=4能级向n=2能级跃迁时,辐射出的光能使此光电管发生光电效应,则氢原子从n=4能级向n=1能级跃迁时,辐射出的光也一定能使此光电管发生光电效应二、非选择题(共1小题,9分)18.2021江苏江阴开学考试,9分用速度大小为v的中子轰击静止的锂核Li
11、),发生核反应后生成氚核和粒子,生成的氚核速度方向与中子的初速度方向相反,氚核与粒子的速度大小之比为78,中子的质量为m,质子的质量可近似看作m,光速为c.(1)写出核反应方程式.(2)求氚核与粒子的速度大小.(3)若核反应过程中释放的核能全部转化为粒子和氚核的动能,求出质量亏损.答 案专题十六原子物理考点1光电效应、波粒二象性1.B设用频率分别为和2的光照射该金属材料时,逸出的光电子的最大初动能分别为E1和E2,则由爱因斯坦光电效应方程可得E1=h-W0,E2=2h-W0,又因为E1=eUc1,E2=eUc2,=,以上各式联立可解得该金属的逸出功为W0=h,故选项B正确.2.D测量遏止电压时
12、需要光电子从金属板上射出后在电场中减速,由此可知电源左端为负极,故A错误;当电源左端为正极时,将滑动变阻器的滑片向右滑动的过程中,光电管的两极之间电压增大,但由于入射光频率和强度都不变,故若光电流达到饱和值,则电流将不再变化,故B错误;光电子的最大初动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C错误;根据题意可知,铷的截止频率c=5.151014 Hz,根据hc=W0可求出铷的逸出功W0=6.6310-345.151014 J=3.4110-19 J,当入射光的频率为=7.001014 Hz时,根据爱因斯坦光电效应方程Ek=h-W0可知,产生的光电子的最大初动能Ek=6.631
13、0-347.001014 J-3.4110-19 J1.210-19 J,故D正确.3.D只要入射光的频率大于阴极金属的极限频率就可以发生光电效应,A、B错误;根据爱因斯坦光电效应方程Ek=h-W0可知,只有增大入射光的频率,光电子的最大初动能才变大,C错误,D正确.4.D根据爱因斯坦光电效应方程Ek=h-W0可知,光电子的最大初动能与入射光的频率是一次函数关系而不是正比关系,选项A错误.电子的电荷量是密立根通过“油滴实验”测出的,选项B错误.玻尔认为电子的轨道是量子化的,选项C错误.原子核内的中子转化为一个质子和一个电子,这种转化产生的电子发射到核外,就是衰变,选项D正确.5.A根据爱因斯坦
14、光电效应方程得Ekmax=h-W0=h-hc,又Ekmax=eUc,解得Uc=-c,则当Uc=0时,=c,由Uc-图像可知,金属甲的极限频率小于金属乙的,则金属甲的逸出功小于金属乙的,即W甲E乙,故A项正确,B、C、D三项错误.6.B由爱因斯坦光电效应方程可得Ek1=h-W,Ek2=2h-W,由动能定理得eU1=Ek1,eU2=Ek2,U1U2=13,解得逸出功W=h,B正确;用频率为的光照射该光电管时,由光子能量E=hW,知没有光电子逸出,A错误;照射光的频率越大,逸出的光电子的最大初动能越大,但电子吸收光子后从金属中逸出时,除了要克服逸出功外,有时还要克服原子的其他束缚而做功,用频率为2的
15、光照射时逸出的光电子的初动能不一定大,C错误;饱和光电流与照射光的强度有关,用频率为2的光照射时,饱和光电流不一定大,D错误. 考点2原子结构、氢原子光谱、原子核1.A比结合能小的原子核结合成比结合能大的原子核时,总结合能增加,因此要释放核能,选项A正确;重核裂变时有质量亏损,释放能量,选项B错误;核力是核子间的强相互作用力,选项C错误;核力是短程力,与核子间的距离有关,由于距离未知,则中子与中子之间的核力不一定大于中子与质子间的核力,选项D错误.2.C天然放射现象说明原子核内部有复杂的结构,A项错误;核力是使质子和中子组成原子核的作用力,是强相互作用的一种表现,而弱相互作用是引起原子核衰变的
16、原因,即引起中子向质子转变的原因,B项错误;核反应堆中,镉棒可以用来吸收中子,控制反应速度,C项正确P核比P核少一个中子P核的结合能较小,D项错误.3.D粒子散射实验中,延展性好、原子核质量较大的重金属箔均可以作为轰击对象,A项正确;不同气体原子的能级不同,跃迁时发射光子的能量不同,对应的光的颜色不同,因此可用来制作五颜六色的霓虹灯,B项正确;放射性元素放射性的强度不受温度、压强和化学状态的影响,因此可确定射线来自原子核,C项正确;衰变过程伴随着核能释放,故两原子核结合能不同,D项错误.故D项符合题意.4.B根据原子核反应过程中质量数守恒和电荷数守恒可知X是He,A、C错误;根据核反应过程中的
17、质量亏损可知m1m2,根据爱因斯坦质能方程可知Q10),放出的能量为负值(即E0),则一个NaCl分子分解成彼此相距无限远的中性钠原子(Na)和中性氯原子(Cl)的过程中,有E1=+6.1 eV,E2=-5.10 eV,E3=+3.88 eV,故在全过程中外界提供的总能量E总=E1+E2+E3=+4.88 eV,选项A正确,B、C、D错误.7.D根据核反应方程遵循质量数守恒和电荷数守恒,可知X的电荷数为2,质量数为4,所以X是氦核,即粒子,选项A正确.过量的射线对人体组织具有破坏作用,选项B正确.根据半衰期的物理意义可知,每过一个半衰期(3.8天),放射性氡衰变,土壤中放射性氡的含量减少50%
18、,每过两个半衰期(7.6天),土壤中放射性氡的含量减少50%+0.550%=75%,选项C正确.放射性元素衰变的快慢与元素所处的物理、化学状态无关,选项D错误.8.BD大量处于n=4能级的氢原子向低能级跃迁时可产生的光子种类为=6种,A项错误;要使钨板发生光电效应,入射光的光子能量需大于其逸出功4.54 eV,由计算可知只有氢原子从n=2、3、4能级向n=1能级跃迁产生的光子满足要求,B项正确;由n=4能级向n=1能级跃迁时辐射出的光子能量最大,为E=12.75 eV,由爱因斯坦光电效应方程可知,光电子的最大初动能Ek=E-W0=h-W0=8.21 eV,C项错误,D项正确.9.BC由图甲可知
19、,H对应光的波长比 H的小,根据光子能量公式E=h=h,可知H对应的光子能量比H的大,选项A错误;H对应光的波长为=410.29 nm0.4110-6 m,对应光子的能量E= h3.0 eV,H对应光的波长为=656.47 nm0.6610-6 m,对应光子的能量E= h1.89 eV,光子能量均在可见光子能量范围内,所以图甲所示的四条谱线均对应可见光,选项B正确;H谱线对应光的波长为=486.27 nm0.4910-6 m,对应光子的能量E= h2.54 eV,氢原子从n=4能级跃迁到 n=2能级辐射出的光子的能量为E=-0.85 eV-(-3.4 eV)=2.55 eV,所以H谱线对应的是
20、氢原子从 n=4 能级跃迁到n=2能级,选项C正确;根据可见光的光子能量在1.62 eV到3.11 eV之间,可知氢原子从 n=5 能级跃迁到n=2能级时可以辐射出可见光,而跃迁到n=1能级时辐射出的是紫外线,跃迁到n=3能级和n=4能级时辐射出的是红外线,选项D错误.10.D氢原子由n=4能级向基态跃迁时,向外辐射的光子种类应为=6种,A错误;光子能量为=4.0810-19 J,光子的数目n=41016个,B错误;氢原子从n=3能级跃迁到n=2能级辐射出的光子能量为E1=-1.51-(-3.40)1.610-19 J3.0210-19 J,C错误;氢原子从n=4能级跃迁到n=3能级辐射的光子
21、能量为0.66 eV,从n=3能级跃迁到n=2能级辐射的光子能量为1.89 eV,这两种光子的能量均小于金属的逸出功,不能使该金属发生光电效应,由计算可知,其余4种光子能量均大于2.5 eV,所以辐射的光子中有4种光子能使该金属发生光电效应,D正确.1.A天然放射现象是放射性元素自发地发出射线的现象,放射性元素发生放射现象后变为另一种元素,故原子核内部发生变化,A项正确.光电效应现象和电离现象均是核外电子发生变化,B、C项错误.粒子散射现象是原子核间的相互作用,不涉及原子核内部变化,D项错误.2.A核反应中释放核能时产生的新原子核变得更稳定,核子的比结合能增大,选项A正确;原子核的稳定程度取决
22、于原子核的比结合能而不是结合能,比结合能越大原子核越稳定,选项B错误;卢瑟福通过核反应N+HeOH发现了质子,选项C错误;射线是原子核中的中子转变成质子时释放出来的电子流,选项D错误.3.BHe2XHe是核聚变反应,根据质量数守恒和电荷数守恒可知X是质子,A错误,B正确;目前核电站采用的发电方式是铀核的裂变反应,C错误He的比结合能比He的小,D错误. 4.D由德布罗意波长=可知,质子的波长与动量成反比,而动量与动能关系为p=,所以A项错误;天然放射的三种射线,穿透能力最强的是射线,B项错误;光电效应实验中的截止频率是指使金属恰好发生光电效应时入射光的频率,即h=W,只与金属的逸出功W有关,C
23、项错误;衍射是波的特性,所以电子束穿过铝箔的衍射图样说明电子具有波动性,D项正确.5.B阴极射线是电子流,带负电,说明原子是可分的,原子本身也有内部结构,A错误.粒子散射实验,说明金原子具有核式结构,B正确.射线是原子核由高能级向低能级跃迁时发出的高频光子流,C错误.从原子核中发出的射线是电子流,其实质是原子核内的一个中子转化为一个质子,同时放出一个电子所形成的电子流,D错误.6.D由图乙可知,饱和电流I=0.54 A,说明1 s内由K极发射的电子全部到达A极,根据电流的定义有I=,得n=3.3751012,选项D正确.7.C23892U的衰变方程为23892U23490ThHe,发生的是衰变
24、,A错误.组成原子核的核子越多,它的结合能越大,C正确.原子核的结合能与核子数之比为比结合能,比结合能大的原子核更稳定,Sr比13654Xe的比结合能大,则Sr比13654Xe更稳定,B错误.23892U衰变过程存在质量亏损,则衰变后生成物的质量之和小于23892U的质量,D错误.8.AH的波长最长,频率最低,由跃迁规律可知,它对应的前后能级之差最小,A项正确;由频率越低的光的折射率越小知,B项错误;由折射率n=可知,在同一介质中,H的传播速度最大,C项错误;当入射光频率大于金属的极限频率可以使该金属发生光电效应现象,因,所以H不一定能使该金属发生光电效应现象,D项错误.9.D大量处于n=3能
25、级的氢原子跃迁到n=1能级时,最多可辐射出=3种不同频率的光子,选项A错误;根据能级示意图可知从n=3能级跃迁到n=1能级辐射的光子能量为h1=-1.51 eV-(-13.6 eV)=12.09 eV,选项B错误;同理可知从n=3能级跃迁到n=4能级,需要吸收的能量为E=-0.85 eV-(-1.51 eV)=0.66 eV,选项C错误;根据能级示意图可知氢原子处于n=3能级的能量为-1.51 eV,故要使其电离至少需要吸收1.51 eV的能量,选项D正确.10.C结合核反应方程知,1 kg海水中的氘核全部发生聚变反应放出的能量E=43.151.610-13 J1.151010 J,根据题意得
26、M=M0=1 kg400 kg,故A、B、D项错误,C项正确.11.C核反应质量亏损m=41.007 8 u-4.002 6 u=0.028 6 u,释放的能量E=0.028 6931 MeV=26.6 MeV,选项C正确. 12.D原子核的质量一般都要小于构成它的核子的总质量,即质量亏损,选项A错误;原子核发生衰变的过程是不稳定的原子核衰变为相对稳定的原子核的过程,新核的比结合能不会减小,故选项B错误;比结合能越大,表示核子结合成对应元素时单个核子放出的能量大,选项C错误;由比结合能曲线可以看出,中等大小的核比结合能最大,即平均每个核子的质量亏损最大,这些核最稳定,选项D正确.13.D衰变过
27、程中发生衰变的次数为=7(次),衰变的次数为27-(93-83)=4(次),故A错误;一个原子核在一次衰变中要么是衰变、要么是衰变,同时伴随射线的产生,可以同时放出粒子和粒子或者粒子和粒子,不能同时放出三种粒子,故B错误;半衰期是大量原子核衰变的统计规律,对少数原子核不适用,故C错误;与天然放射性物质相比Np的人工放射性同位素的放射强度容易控制,还可以制成各种所需的形状,特别是它的半衰期比天然放射性物质短得多,因此放射性废料更容易处理,故D正确.14.B正电子与电子相遇,形成几乎静止的整体,相互作用过程中,系统动量守恒,相遇前总动量为零,相遇后总动量也为零,则正电子与电子湮灭的产物不可能只有一
28、个光子,即若只释放一个光子不遵守动量守恒定律,故A错误.单次氢的核聚变反应放出能量E=mc2=(4938.3-3 727.4-20.51) MeV=24.78 MeV410-12 J,故B正确.考虑到核聚变反应和湮灭反应都发生在太阳内部,则核反应方程式为H+eHe+2e,释放能量E=mc2=(4938.3+20.51-3 727.4) MeV=26.82 MeV,平均每个氢核产生的太阳辐射能最多为6.705 MeV,故C错误.和平利用聚变核能的技术还在研究之中,故D错误.15.A用能量为12.5 eV的电子轰击处于基态的氢原子,氢原子可以吸收其中的10.2 eV的能量跃迁到n=2的能级,选项A
29、正确.氢原子由基态跃迁到激发态后,核外电子轨道半径变大,根据公式k=m可知,电子的动能(mv2)减小,选项B错误;大量处于n=3激发态的氢原子,向低能级跃迁时可辐射出=3种不同频率的光,选项C错误;用氢原子从n=2能级跃迁到n=1能级辐射出的光子能量为-3.4 eV-(-13.6 eV)=10.2 eV,照射金属铂(逸出功为6.34 eV)时能发生光电效应,选项D错误.16.D钚-238同位素电池核反应94238Pu92234UHe属于原子核的衰变,A错误;由核裂变反应92235UnKr+n知,产物Ba及Kr是中等质量的核,裂变反应放出核能,二者比结合能均大于92235U的比结合能,B错误;氢
30、弹爆炸过程中的核聚变是不可控的,C错误;n年前的古木中碳14含量是现代植物的,则=(=,=3,所以n年是碳14的3个半衰期,即碳14的半衰期T= 年,D正确.17.CD由电路图可知,逸出的光电子在电场力作用下做加速运动,则光电管两端电压为正向电压,A错误;光电效应的产生条件是入射光的频率大于截止频率,又由于从n=4能级向n=2能级跃迁时辐射出的光的频率小于从n=4能级向n=1能级跃迁时辐射出的光子的频率,因此若氢原子从n=4能级向n=2能级跃迁时,辐射出的光能使此光电管发生光电效应,则氢原子从n=4能级向n=1能级跃迁时,辐射出的光也一定能使此光电管发生光电效应,D正确.18.(1nLiHHe(2)vv(3)解析:(1)由题意可知,核反应方程式为nLiHHe(3分).(2)以中子的初速度方向为正方向,由动量守恒定律得mv=-3mv1+4mv2(1分)由题意得氚核与粒子的速度大小之比为v1v2=78(1分)解得v1=v,v2=v(1分).(3)氚核和粒子的动能之和为Ek=3m+4m=mv2(1分)释放的核能为E=Ek-Ekn=mv2-mv2=mv2(1分)由爱因斯坦质能方程得,质量亏损为m=(1分).
