1、专题六光电效应原子结构和原子核答案(1)光电效应规律每种金属都有发生光电效应的极限频率(limiting frequency)光电子(photoelectron)的最大初动能与入射光的强度无关，随入射光的频率增大而增大光电效应的产生几乎是瞬间的饱和光电流与入射光强度成正比(2)玻尔原子理论的三条假说原子能量的量子化假设：原子只能处于一系列不连续的能量状态中，在这些状态中原子是稳定的，电子虽做变速运动，但并不向外辐射能量，一个能量值对应一种状态，这些状态叫做定态原子能级的跃迁(transition)假设：原子从一个定态(原子能量记为E初)跃迁到另一种定态(原子能量记为E末)时，原子辐射(或吸收)
2、一定频率的光子，光子的能量由这两种定态的能量差决定，即h|E初E末|.原子中电子运动轨道量子化假设：原子的不同能量状态对应于电子的不同运行轨道由于原子的能量状态是不连续的，因此电子运动的可能轨道也是不连续的，即电子不能在任意半径的轨道上运动(3)、衰变及其规律(4)核反应类型及核反应方程的书写热点考向一光电效应能级跃迁角度一光电效应规律【典例1】(多选)(2019山西六校联考)研究光电效应的实验电路图如图(a)所示，实验中得到的光电流I与光电管两端电压U的关系图像如图(b)所示下列说法正确的是()A若把滑动变阻器的滑片向右滑动，光电流一定增大B甲与乙是同一种光，且甲的光强大于乙C由图(b)可知
3、，乙光的频率小于丙光的频率D若将甲光换成丙光来照射K极，则K极所用材料的逸出功将减小思路引领求解本题要明白光电流与电压的关系图像的物理意义，还要抓住两个关键：(1)通过图像(b)的横截距得到光电子的最大初动能；(2)理解饱和电流与光的强度的关系解析滑动变阻器的滑片向右滑动，光电流可能增大，也可能已达到饱和电流而不变，A错误；由图(b)可知，甲、乙两光的遏止电压相同，说明它们使光电管上逸出的光电子的最大初动能相同，即它们的频率相同，但甲、乙两光的饱和电流不同，说明它们的光强不同，因甲光的饱和电流大于乙光的饱和电流，故甲的光强大于乙，B正确；入射光频率越大，逸出光电子的最大初动能越大，遏止电压越大
4、，结合图(b)分析可知，C正确；逸出功只由金属本身决定，与入射光无关，D错误答案BC角度二能级跃迁的分析与计算【典例2】(2019全国卷)氢原子能级示意图如图所示光子能量在1.63 eV3.10 eV的光为可见光要使处于基态(n1)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()A12.09 eV B10.20 eVC1.89 eV D1.51 eV思路引领氢原子至少要被激发到n3能级解析因为可见光光子的能量范围是1.63 eV3.10 eV，所以氢原子至少要被激发到n3能级，要给氢原子提供的能量最少为E(1.5113.60) eV12.09 eV，即选项A正确答案A1光电效
5、应的研究思路(1)两条线索(2)两条对应关系2光电效应的图像3.解决氢原子能级跃迁问题的技巧(1)原子跃迁时，所吸收或释放的光子能量只能等于两能级之间的能量差(2)原子电离时，所吸收的能量可以大于或等于某一能级能量的绝对值(3)一群原子和一个原子不同，它们从激发态向基态跃迁时发射光子的种类NC.迁移一光电效应规律的应用1(2019武汉高三年级起点测试)某同学用如图甲所示的电路研究光电效应的规律，用强度一定、频率为的某种单色光照射光电管，闭合开关，调节滑动变阻器的滑片，测得电流表的示数随电压变化规律如图乙所示，图中Uc已知，元电荷为e，普朗克常量为h，则()A当滑动变阻器的滑片滑到最左端时，电流
6、表的示数为零B当电流随电压的增大而减小时，电源的左侧为电源的正极C光电效应产生的光电子的最大初动能为eUcD光电管阴极的逸出功为eUc解析当滑动变阻器的滑片滑到最左端时，电压表示数为零，但光电流不为零，即电流表示数不为零，A项错误；当电流随电压增大而减小时，所加的电压是反向电压，这时电源的左侧是电源的负极，B项错误；光电效应产生的光电子的最大初动能为EkeUc，C项正确；由爱因斯坦光电效应方程知，W0hEkheUc，D项错误答案C迁移二能级跃迁的分析和计算2(多选)(2019河北六校联考)氦原子被电离出一个核外电子，形成类氢结构的氦离子已知基态的氦离子能量为E154.4 eV，氦离子的能级示意
7、图如右图所示在具有下列能量的粒子中，能使基态氦离子发生跃迁的是()A54.4 eV(光子) B50.4 eV(光子)C48.4 eV(电子) D42.8 eV(光子)E41.8 eV(电子)解析由玻尔理论可知，基态的氦离子要实现跃迁，入射光子的能量(光子能量不可分)应该等于氦离子在某激发态与基态的能量差，因此只有能量恰好等于两能级差的光子才能被氦离子吸收；而实物粒子(如电子)的能量不小于两能级差，均可能被吸收氦离子在图示的各激发态与基态的能量差为：E1EE10(54.4 eV)54.4 eV，E2E4E13.4 eV(54.4 eV)51.0 eV，E3E3E16.0 eV(54.4 eV)4
8、8.4 eV，E4E2E113.6 eV(54.4 eV)40.8 eV.可见，42.8 eV和50.4 eV的光子不能被基态氦离子吸收而发生跃迁选项A、C、E正确答案ACE入射光子和入射电子的区别若是在光子的激发下引起原子跃迁，则要求光子的能量必须等于原子的某两个能级差；若是在电子的碰撞下引起原子跃迁，则要求电子的能量必须大于或等于原子的某两个能级差两种情况有所区别. 热点考向二衰变、核反应与核能的计算角度一衰变、半衰期【典例1】(2019河北名校联盟)自然界存在的放射性元素的原子核并非只发生一次衰变就达到稳定状态，而是要发生一系列连续的衰变，最终达到稳定状态某些原子核的衰变情况如图所示(N
9、表示中子数，Z表示质子数)，则下列说法正确的是()A由Ra到Ac的衰变是衰变B已知Ra的半衰期是T，则8个Ra原子核经过2T时间后还剩2个C从Th到Pb共发生5次衰变和2次衰变D图中原子核发生的衰变和衰变分别只能产生射线和射线思路引领根据衰变规律解题，特别注意判断衰变和衰变次数时，应先根据质量数守恒判断衰变的次数，再根据电荷数守恒判断衰变的次数解析Ra衰变为Ac的过程中，放出负电子，则该衰变是衰变，选项A错误；半衰期是大量原子核衰变的统计规律，对少数原子核的衰变不适用，选项B错误；衰变为Pb的过程中，质量数减少20，由原子核衰变时质量数守恒可知，该过程中共发生了5次衰变，又由原子核衰变时电荷数
10、守恒有52x8，得x2，则该过程中共发生了2次衰变，选项C正确；发生衰变和衰变时，往往伴随射线产生，选项D错误答案C角度二核反应和核能的计算【典例2】(2019山西太原模拟)一个静止的铀核U(原子质量为232.0372 u)放出一个粒子(原子质量为4.0026 u)后衰变成钍核Th(原子质量为228.0287 u)(已知1 u1.671027 kg,1 u相当于931 MeV)(1)写出核衰变反应方程；(2)算出该核衰变反应中释放出的核能；(3)假设核反应中释放出的核能全部转化为钍核和粒子的动能，则钍核获得的动能有多大？思路引领(1)根据质量数守恒和电荷数守恒写出核反应方程(2)根据爱因斯坦质
11、能方程求出释放的核能(3)根据能量守恒求钍核获得的动能解析(1)UThHe.(2)质量亏损mmUmmTh0.0059 uEmc20.0059931 MeV5.49 MeV.(3)原子核衰变过程中系统的动量守恒，即pThp0又由Ek可知，EkTh，Ek又由题意可知，EkThEkE解得钍核获得的动能EkThEE0.095 MeV.答案(1)UThHe(2)5.49 MeV(3)0.095 MeV1几种常见核反应(1)天然衰变衰变：XYHe.衰变：XYe.(2)人工转变质子的发现：NHeOH.中子的发现：BeHeCn.放射性同位素的发现：AlHePnPSie.(3)重核裂变UnXeSr10nUnBa
12、Kr3n.(4)轻核聚变：HHHen.2核能的计算方法(1)若m以kg为单位，则Emc2，E的单位为焦耳(2)若m以原子的质量以u为单位，则Em931.5 MeV.迁移一几种常见的核反应1(2019兰州高三诊断)下列核反应方程中，属于原子核的人工转变的是()A.CNeB.UnIY2nC.HHHenD.HeAlPn解析A项属于衰变，A错误；B项属于重核的裂变，B错误；C项属于轻核的聚变，C错误；D项属于人工转变，D正确答案D迁移二核反应中核能、比结合能的计算2(多选)(2017江苏卷)原子核的比结合能曲线如图所示，根据该曲线，下列判断中正确的有()A.He核的结合能约为14 MeVB.He核比L
13、i核更稳定C两个H核结合成He核时释放能量D.U核中核子的平均结合能比Kr核中的大解析由题图可知，He的比结合能约为7 MeV，因此它的结合能为47 MeV28 MeV，选项A错误；比结合能越大，原子核越稳定，结合图像可知选项B正确；两个比结合能小的H核结合成比结合能较大的He，会放出能量，选项C正确；由图像可知，U的比结合能(即平均结合能)比Kr的小，选项D错误答案BC利用比结合能来计算核能原子核的结合能核子的比结合能核子数核反应中反应前系统内所有原子核的总结合能与反应后生成的所有新核的总结合能之差，就是该次核反应所释放(或吸收)的核能. 高考热点题型突破原子核的衰变产物在磁场中的轨迹原来静
14、止的核，发生、衰变时放出粒子，动量守恒，所以放出的粒子和产生的新核的速度方向一定相反，而粒子带正电，粒子带负电，故由左手定则可知，粒子和新核在磁场中向不同的方向偏转，轨迹互为外切圆；粒子和新核在磁场中向相同的方向偏转，轨迹互为内切圆，由r可知轨迹半径与新核或粒子所带的电荷量成反比.衰变XYHe匀强磁场中的轨迹两圆外切，粒子做匀速圆周运动的半径大衰变XYe匀强磁场中的轨迹两圆内切，粒子做匀速圆周运动的半径大【典例】(多选)(2019皖南八校联考)静止在匀强磁场中的某放射性元素的原子核，当它放出一个粒子后，其速度方向与磁场方向垂直，测得粒子和反冲核轨道半径之比为441，如右图所示，则()A粒子与反
15、冲粒子的动量大小相等，方向相反B原来放射性元素的核电荷数为90C反冲核的核电荷数为88D粒子和反冲粒子的速度之比为188审题指导第一步读题干提信息题干信息静止初态动量为0放出一个粒子反冲核与粒子均带正电且系统动量守恒速度方向与磁场方向垂直两者均做匀速圆周运动且满足R第二步审程序顺思路解析衰变的过程遵守动量守恒，由于初始总动量为零，则末动量也为零，即粒子和反冲核的动量大小相等，方向相反由于释放的粒子和反冲核均在垂直于磁场的平面内且在洛伦兹力作用下做圆周运动由Bqv得：R.若原来放射性元素的核电荷数为Q，则对粒子：R1.对反冲核：R2.由于p1p2，R1R2441，得Q90.它们的速度大小与质量成
16、反比，故D错误，上述选项正确的为A、B、C.答案ABC由本题解答过程可知，当静止的原子核在匀强磁场中发生衰变时，大圆轨道一定是带电粒子(粒子或粒子)的，小圆轨道一定是反冲核的衰变时两圆外切，衰变时两圆内切如果已知磁场方向，还可根据左手定则判断绕行方向是顺时针还是逆时针. 1一个静止的铀核，放在匀强磁场中，它发生一次衰变后变为钍核，粒子和钍核都在匀强磁场中做匀速圆周运动某同学作出如图所示的运动径迹示意图，以下判断正确的是()A1是粒子的径迹，2是钍核的径迹B1是钍核的径迹，2是粒子的径迹C3是粒子的径迹，4是钍核的径迹D3是钍核的径迹，4是粒子的径迹解析由动量守恒定律可知，静止的铀核发生衰变后，
17、生成的均带正电的粒子和钍核的动量大小相等，但方向相反，由左手定则可知它们的运动径迹应为外切圆，又R，在p和B大小相等的情况下，R，因q钍q，则R钍R，故B正确答案B2(多选)静止在匀强磁场中的U核发生衰变，产生一个粒子和一个未知的粒子X，它们在磁场中的运动轨迹如图所示，下列说法正确的是()A该核反应方程为UXHeB粒子和X粒子在磁场中做圆周运动时转动方向相同C轨迹1、2分别是粒子、X粒子的运动轨迹D粒子、X粒子运动轨迹半径之比为451解析根据电荷数守恒和质量数守恒可判断选项A正确；U核静止，根据动量守恒可知粒子和X粒子速度方向相反，又都带正电，故转动方向相同，选项B正确；根据动量守恒可知粒子和
18、X粒子的动量大小p相等，由带电粒子在磁场中运动半径公式R可知轨道半径R与其所带电荷量成反比，故粒子、X粒子运动轨迹半径之比为451，选项C错误，D正确答案ABD专题强化训练(十四)一、选择题1(多选)(2019安徽六安模拟)如图所示，一光电管的阴极用极限波长为0的钠制成用波长为的紫外线照射阴极K，光电管阳极A和阴极K之间的电势差为U，饱和光电流(当阴极K发射的光电子全部到达阳极A时，电路中的电流达到最大，称为饱和光电流)为I，光电子的电荷量为e，则()A若入射光强度增大到原来的三倍，但光子的能量不变，从阴极K发射的光电子的最大初动能可能增大B若改用同样强度的蓝光照射光电管的阴极可能逸出光电子C
19、每秒钟从阴极K发射的光电子数目为D从阴极K发射的光电子到达阳极A时的动能最大值为hc解析从阴极K发射的光电子的最大初动能与入射光强度无关，由于每个光子的能量不变，根据EkhW0可知，从阴极K发射的光电子的最大初动能不变，选项A错误；蓝光的频率比紫外线的频率小，改用同样强度的蓝光照射可能逸出光电子，也可能不逸出光电子，选项B正确；从阴极K发射的光电子数目N，每秒钟内从阴极K发射的光电子数目n，选项C正确；发射的光电子到达A极时的动能最大值为EkeUhW0eUUehceU，选项D错误答案BC2(2019北京卷)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
20、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 eVD若入射光子的能量为5.0 eV，相对光强越强，光电流越大解析由于光子的能量Eh，又入射光子的能量不同，故入射光子的频率不同，A项正确；由爱因斯坦光电效应方程hWEk，可求出两组实验的逸出功均为3.1 eV，故两组实验所用的金属板材质相同，B项错误；由hWEk，逸出功W3.1 eV可知，若入射光子能量为5.0 eV，则逸出光电子的最大动能为1.9 eV，C项正确；相对光强越强，单位时间内射出的光子数越多，单位时间
21、内逸出的光电子数越多，形成的光电流越大，故D项正确答案B3(2019安徽皖南八校联考)如图所示为氢原子的能级示意图，大量氢原子处于n3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2.29 eV的金属钠，下列说法中正确的是()A这些氢原子能发出两种不同频率的光子B从n3能级跃迁到n2能级所发出光子的波长最短C金属钠发出的光电子的最大初动能为9.80 eVD从n3能级跃迁到n1能级所发出的光子频率最低解析大量处于n3能级的氢原子跃迁，能产生C3种不同频率的光子，选项A错误；从n3能级跃迁到n2能级所发出的光子能量最小，由Eh可知，这些光子频率最小，由可知，这些光子波长最长，
22、选项B错误；金属钠发出的光电子的最大初动能为1.51 eV(13.6 eV)2.29 eV9.80 eV，选项C正确；从n3能级跃迁到n1能级所发出的光子能量最大，由Eh可知，这些光子频率最大，选项D错误答案C4(2019宁夏石嘴山模拟)如图甲所示，是氢原子的能级示意图，下列说法中正确的是()几种金属的逸出功金属钨钙钠钾铷逸出功W0/eV4.543.202.292.252.13乙A大量处于n4能级的氢原子跃迁到基态能释放出3种频率的光子B遏止电压只与金属的逸出功有关C大量处于n4能级的氢原子跃迁到n2能级时释放出的光子照射如图乙所示的几种金属时，有三种金属能发生光电效应D用氢原子跃迁时释放出的
23、光子照射金属钾，从n4能级跃迁到基态的原子数越多则金属释放的光电子最大初动能越大解析大量处于n4能级的氢原子跃迁到基态能释放出C6种频率的光子，故A错误；由UchW可知遏止电压与光照频率和金属的逸出功有关，故B错误；氢原子从n4的能级跃迁到n2的能级时辐射的光子能量为EE4E22.55 eV，根据光电效应发生条件，入射光的能量应大于金属逸出功，因此有3种金属(钠、钾、铷)能发生光电效应现象，故C正确；由EkmhW可知金属的最大初动能只与光子的频率有关，与光子数无关，跃迁的原子数越多，释放的光子数越多，但不影响最大初动能，故D错误答案C5(2019福建八县联考)如图为氢原子的能级图，下列说法正确
24、的是()A大量处于n4激发态的氢原子跃迁时发出6种不同频率的光子B大量处于n4激发态的氢原子跃迁时发出最大的光子能量为5.1 eVC大量处于n4激发态的氢原子跃迁时，照到逸出功为2.75 eV的光电管上，则加在该光电管上的遏止电压为12.75 VC大量处于n4激发态的氢原子跃迁时，放出的光子能量照到逸出功为2.27 eV的光电管上，都能发生光电效应解析大量处于n4激发态的氢原子跃迁时，发出C6种频率不同的光子；频率最大的光子能量为0.85 eV(13.6) eV12.75 eV，A正确，B错误；光电管逸出功为2.75 eV，故遏止电压满足Uce12.75 eV2.75 eV10 eV，故Uc1
25、0 V，C错误；从n4能级跃迁到n3能级时放出的光电子能量最小为0.66 eVEb，当原子从a能级跃迁到b能级时，辐射出光子的波长(其中c为真空中的光速，h为普朗克常量)解析动能相等的质子和电子，因质子质量比电子质量大得多，依据动能Ek可知质子和电子动量不相等，再根据德布罗意波长公式，可知动能相等的质子和电子，它们的德布罗意波长不相等，故A错误；铀核需要俘获一个慢中子才能发生裂变，其中的一种核反应方程是92Un56BaKr3n，故B错误；根据爱因斯坦质能方程可知，两个质子和两个中子结合成一个粒子，释放的能量是(2m12m2m3)c2，故C错误；原子在a、b两个能级的能量为Ea、Eb，且EaEb
26、，当原子从a能级跃迁到b能级时，辐射出光子的能量为EEaEb，所以光子的波长，故D正确答案D二、非选择题11(2019辽宁大连一模)从1907年起，美国物理学家密立根开始以精湛的技术测量光电效应中几个重要的物理量他通过如图甲所示的实验装置测量某金属的遏止电压Uc与入射光频率，作出Uc的图像，由此算出普朗克常量h，并与普朗克根据黑体辐射测出的h相比较，以检验爱因斯坦方程的正确性图乙中频率1、2，遏止电压Uc1、Uc2及电子的电荷量e均为已知，求：(1)普朗克常量h；(2)该金属的截止频率0.解析根据爱因斯坦光电效应方程EkhW0及动能定理eUc0Ek和W0h0，得Uc0.结合图像知k，普朗克常量
27、h，0.答案(1)(2)12(2019东北三校段考)室内装置污染四大有害物质是苯系物、甲醛、氨气和氡氡存在于建筑水泥、矿渣砖、装饰石材及土壤中，氡看不到，嗅不到，即使在氡浓度很高的环境里，人们对它也毫无感觉，氡进入人的呼吸系统能诱发肺癌，是除吸烟外导致肺癌的第二大因素，静止的氡核Rn放出一个粒子X后变成钋核Po，钋核的动能为Ek1，若衰变放出的能量全部变成钋核和粒子X的动能试回答以下问题：(1)写出上述衰变的核反应方程(请用物理学上规定的符号表示粒子X)(2)求粒子X的动能Ek2.解析(1)氡核Rn放出某种粒子X后变成钋核Po，根据核反应中质量数守恒和电荷数守恒，可以判断发生的是衰变，衰变方程为RnPoHe.(2)设钋核的质量为m1、速度大小为v1，粒子X的质量为m2、速度大小为v2，根据动量守恒定律，有0m1v1m2v2粒子X的动能：Ek2Ek1.答案(1)RnPoHe(2)Ek1
