專題九原子物理考向預測在原子物理這一部分內容中，主要考查光電效應，原子結構、原子核與核能。雖然對光電效應、原子結構原子核與核能的考查頻率比較高，但是在復習的過程中，原子的能級和躍遷也應該引起高度的重視。高頻考點：光電效應、原子的能級和躍遷、原子結構原子核與核能。知識與技巧的梳理1．光電效應的實驗規(guī)律(1)任何一種金屬都有一個截止頻率，入射光的頻率低于這個頻率時不發(fā)生光電效應。(2)光電子的最大初動能與入射光的強度無關，只隨入射光頻率的增大而增大。(3)入射光照射到金屬板上時，光電子的發(fā)射幾乎是瞬時的，一般不會超過10－9s。(4)當入射光的頻率大于或等于截止頻率時，飽和光電流的大小與入射光的強度成正比。2．光電效應方程(1)光電子的最大初動能Ek跟入射光子的能量hν和逸出功W0的關系為：Ek＝hν－W0。(2)截止頻率νc＝eq\f(W0,h)。3．氫原子能級圖(1)氫原子能級圖如圖所示。(2)一群氫原子處于量子數(shù)為n的激發(fā)態(tài)時，最多可能輻射出的光譜線條數(shù)：N＝Ceq\o\al(2,n)＝eq\f(n(n－1),2)。4．原子核的衰變衰變類型α衰變β衰變衰變方程eq\o\al(A,Z)X→eq\o\al(A－4,Z－2)Y＋eq\o\al(4,2)Heeq\o\al(A,Z)X→eq\o\al(A,Z＋1)Y＋eq\o\al(0,－1)e衰變實質2個質子和2個中子結合成一整體射出核內的一個中子轉化成了一個質子和一個電子2eq\o\al(1,1)H＋2eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(4,2)Heeq\o\al(1,0)n→eq\o\al(1,1)H＋eq\o\al(0,－1)e衰變規(guī)律電荷數(shù)守恒、質量數(shù)守恒5．核能(1)原子核的結合能：克服核力做功，使原子核分解為單個核子時吸收的能量，或若干單個核子在核力的作用下結合成原子核時放出的能量。(2)質量虧損：原子核的質量小于組成它的核子的質量之和的現(xiàn)象。注意質量數(shù)與質量是兩個不同的概念。(3)質能方程：E＝mc2，即一定的能量和一定的質量相聯(lián)系，物體的總能量與它的質量成正比。限時訓練經(jīng)典常規(guī)題經(jīng)典常規(guī)題1．(多選)利用如圖所示的電路研究光電效應現(xiàn)象，其中電極K由金屬鉀制成，其逸出功為eV。用某一頻率的光照射時，逸出光電子的最大初動能為eV，電流表的示數(shù)為I。已知普朗克常量約為×10－34J·s，下列說法正確的是()A．金屬鉀發(fā)生光電效應的截止頻率約為×1014HzB．若入射光頻率加倍，光電子的最大初動能變?yōu)閑VC．若入射光頻率加倍，電流表的示數(shù)變?yōu)?ID．若入射光頻率加倍，遏止電壓的大小將變?yōu)閂【解析】設金屬的截止頻率為νc，由W0＝hνc解得νc＝×1014Hz，A正確；由光電效應方程Ek＝hν－W0，若入射光的頻率加倍，W0不變，所以光電子的最大初動能并不加倍，B錯誤；若入射光的頻率加倍，電流表的示數(shù)不一定是原來的2倍，C錯誤；由Ek＝hν－W0知入射光的能量為hν＝eV，若入射光的頻率加倍，則Ek′＝2hν－W0＝eV，而eUc＝Ek′，所以遏止電壓Uc＝V，D正確。【答案】AD2．(多選)氫原子光譜如圖甲所示，圖中給出了譜線對應的波長，氫原子能級圖如圖乙所示。已知普朗克常量h＝×10－34J·s，已知可見光的頻率范圍約為×1014Hz～×1014Hz，則()A．Hα譜線對應光子的能量小于Hδ譜線對應光子的能量B．圖甲所示Hα、Hβ、Hγ、Hδ四種光均屬于可見光范疇C．Hβ對應光子的能量約為eVD．Hα譜線對應的躍遷是從n＝3能級到n＝2能級【解析】波長長頻率小，A正確；可見光的波長范圍約為400nm～760nm，B正確；Hβ波長比Hα短，能量比Hα大，應該是第四能級躍遷到第二能級產(chǎn)生的，C錯誤，D正確。【答案】ABD3．真空中一個靜止的鐳原子核eq\o\al(228,88)Ra經(jīng)一次α衰變后變成一個新核Rn，衰變方程為eq\o\al(228,88)Ra→eq\o\al(224,86)Rn＋eq\o\al(4,2)He，下列說法正確的是()A．衰變后eq\o\al(224,86)Rn核的動量與α粒子的動量相同B．衰變后eq\o\al(224,86)Rn核的質量與α粒子的質量之和等于衰變前鐳核eq\o\al(228,88)Ra的質量C．若鐳元素的半衰期為τ，則經(jīng)過τ的時間，8個eq\o\al(228,88)Ra核中有4個已經(jīng)發(fā)生了衰變D．若鐳元素的半衰期為τ，則經(jīng)過2τ的時間，2kg的eq\o\al(228,88)Ra核中有kg已經(jīng)發(fā)生了衰變【解析】衰變前，鐳原子核eq\o\al(228,88)Ra的動量為零。根據(jù)動量守恒定律可知，eq\o\al(224,86)Rn與α粒子的動量大小相等，方向相反，所以二者動量不同，故A錯誤；鐳核衰變的過程中，存在質量虧損，導致衰變后eq\o\al(224,86)Rn核的質量與α粒子的質量之和小于衰變前鐳核eq\o\al(228,88)Ra的質量，故B錯誤；少量放射性元素的衰變是一個隨機事件，對于8個放射性元素，無法準確預測其衰變的個數(shù)，故C錯誤；2kg的eq\o\al(228,88)Ra核衰變，符合統(tǒng)計規(guī)律，經(jīng)過2τ的時間，已有kg發(fā)生衰變，故D正確。【答案】D高頻易錯題高頻易錯題1．(多選)如圖為氫原子光譜在可見光區(qū)域內的四條譜線Hα、Hβ、Hγ和Hδ，都是氫原子中電子從量子數(shù)n＞2的能級躍遷到n＝2的能級發(fā)出的光，根據(jù)此圖可以判定()A．Hα對應的原子前后能量之差最小B．同一介質對Hα的傳播速度最大C．Hδ光子的動量最大D．用Hγ照射某一金屬能發(fā)生光電效應，則用Hβ照射同一金屬一定不能產(chǎn)生光電效應【解析】四條譜線Hα、Hβ、Hγ和Hδ，在真空中的波長由長到短，依據(jù)ν＝eq\f(c,λ)可知：四條譜線Hα、Hβ、Hγ和Hδ的頻率是由低到高，那么它們的能量也是由小到大，而ΔE＝Em－En＝hν，則Hα對應的前后能量之差最小，故A正確；在同一介質中，由于Hα能量最小，頻率最小，那么Hα折射率也最小，根據(jù)v＝eq\f(c,n)可知Hα的傳播速度最大，故B正確；根據(jù)波粒二象性的相關理論，由p＝eq\f(h,λ)可知Hδ波長最短，動量最大，故C正確；若用Hγ照射某一金屬能發(fā)生光電效應，由于Hβ的能量小于Hγ，即Hβ的頻率小于Hγ，依據(jù)光電效應發(fā)生條件，要求入射光的頻率大于金屬的極限頻率，Hβ的頻率不一定低于金屬的極限頻率，當Hβ的頻率高于金屬極限頻率時就可以發(fā)生光電效應，故D錯誤。【答案】ABC2．(多選)如圖甲是光電效應的實驗裝置圖，圖乙是光電流與加在陰極K和陽極A上的電壓的關系圖象，下列說法正確的是()A．由圖線①、③可知在光的顏色不變的情況下，入射光越強，飽和光電流越大B．由圖線①、②、③可知對某種確定的金屬來說，其遏止電壓與入射光的頻率有關C．遏止電壓越大，說明從該金屬中逸出的光電子的最大初動能越大D．不論哪種顏色的入射光，只要光足夠強，就能發(fā)生光電效應【解析】由圖線①、③可知在光的顏色不變的情況下，入射光越強，飽和光電流越大，選項A正確；根據(jù)光電效應方程可得Ek＝hν－W0＝eUc，可知入射光頻率越大，光電子的最大初動能越大，遏止電壓越大，所以對于確定的金屬，遏止電壓與入射光的頻率有關，選項B正確；根據(jù)最大初動能Ek＝eUc可知，遏止電壓越大，說明從該金屬中逸出的光電子的最大初動能越大，選項C正確；發(fā)生光電效應的條件是入射光的頻率大于截止頻率，與入射光的強度無關，選項D錯誤。【答案】ABC3．在勻強磁場中，一個原來靜止的原子核，由于衰變放射出某種粒子，結果得到一張兩個相切圓1和2的徑跡照片如圖所示，已知兩個相切圓半徑分別為r1、r2，則下列說法正確的是()A．原子核可能發(fā)生α衰變，也可能發(fā)生β衰變B．徑跡2可能是衰變后新核的徑跡C．若衰變方程是eq\o\al(238,92)U→eq\o\al(234,90)Th＋eq\o\al(4,2)He，則衰變后新核和射出的粒子的動能之比為117∶2D．若衰變方程是eq\o\al(238,92)U→eq\o\al(234,90)Th＋eq\o\al(4,2)He，則r1：r2＝1∶45【解析】原子核衰變過程系統(tǒng)動量守恒，由動量守恒定律可知，衰變生成的兩粒子動量方向相反，粒子速度方向相反，由左手定則知：若生成的兩粒子電性相反，則在磁場中的軌跡為內切圓，若電性相同，則在磁場中的軌跡為外切圓，所以為電性相同的粒子，可能發(fā)生的是α衰變，但不是β衰變，故A錯誤；核反應過程系統(tǒng)動量守恒，原子核原來靜止，初動量為零，由動量守恒定律可知，原子核衰變后生成的兩核動量p大小相等、方向相反，粒子在磁場中做勻速圓周運動，洛倫茲力提供向心力，由牛頓第二定律得qvB＝meq\f(v2,r)，解得r＝eq\f(mv,qB)＝eq\f(p,qB)，由于p、B都相等，則粒子電荷量q越大，其軌道半徑r越小，由于新核的電荷量大于粒子的電荷量，則新核的軌道半徑小于粒子的軌道半徑，則半徑為r1的圓為放出新核的運動軌跡，半徑為r2的圓為粒子的運動軌跡，故B錯誤；根據(jù)動量守恒定律知，新核eq\o\al(234,90)Th和α粒子的動量大小相等，則動能Ek＝eq\f(p2,2m)，所以動能之比等于質量之反比，為2∶117，故C錯誤；由B選項的分析知r1∶r2＝2∶90＝1∶45，故D正確。【答案】D精準預測題精準預測題1．1．關于物理學家和他們對物理學的貢獻，下列說法正確的是()A．愛因斯坦提出了光的電磁說B．麥克斯韋預言并證實了電磁波的存在C．玻爾建立了量子理論，并成功解釋了各種原子的發(fā)光原理D．盧瑟福根據(jù)α粒子散射實驗的結果提出了原子的核式結構模型【解析】麥克斯韋提出了光的電磁說，認為光是一種電磁波，故A項錯誤；麥克斯韋預言電磁波的存在，赫茲用實驗證實了電磁波的存在，故B項錯誤；玻爾結合普朗克的量子概念、愛因斯坦的光子概念和盧瑟福的原子核式結構模型提出了玻爾理論，成功解釋了氫原子的發(fā)光原理；但由于過多保留了經(jīng)典電磁學的理論，不能很好地解釋其他原子的發(fā)光現(xiàn)象，C錯誤；盧瑟福根據(jù)α粒子散射實驗的結果提出了原子的核式結構模型，故D項正確。【答案】D2．下列現(xiàn)象中，原子核結構發(fā)生了改變的是()A．氫氣放電管發(fā)出可見光 B．β衰變放出β粒子C．α粒子散射現(xiàn)象 D．光電效應現(xiàn)象【解析】氫氣放電管發(fā)出可見光是原子從較高能級躍遷至較低能級的結果，是由于原子核外部電子運動產(chǎn)生的，與原子核內部變化無關，故A錯誤；β衰變放出β粒子是原子核內一個中子轉變?yōu)橐粋€質子和一個電子，所以導致原子核結構發(fā)生了改變，故B正確；α粒子散射實驗表明原子具有核式結構，故C錯誤；光電效應是原子核外電子吸收光子能量逃逸出來的現(xiàn)象，跟原子核內部變化無關，故D錯誤．【答案】B3．下列說法正確的是()A．原子核的結合能越大，原子核越穩(wěn)定B．β衰變釋放出電子，說明原子核內有電子C．氡的半衰期為天，8個氡原子核經(jīng)過天后剩下2個氡原子核D．用頻率為ν的入射光照射光電管的陰極，遏止電壓為Uc，改用頻率為2ν的入射光照射同一光電管，遏止電壓大于2Uc【解析】原子核的比結合能越大，原子核越穩(wěn)定，故A錯誤；β衰變釋放出電子，是中子轉化為質子放出的，不能說明原子核內有電子，故B錯誤；半衰期的概念是對大量原子核而言的，對于個別原子核無意義，故C錯誤；由光電效應方程：eUc＝hν－W0，當改用頻率為2ν的入射光照射同一光電管，由光電效應方程：eUc′＝h·2ν－W0，則Uc′>2Uc，故D正確。【答案】D4．關于原子物理知識，下列說法正確的是()A．升高放射性物質的溫度，其半衰期變短B．發(fā)生光電效應現(xiàn)象時，增大入射光的頻率，同一金屬的逸出功變大C．eq\o\al(237,93)Np經(jīng)過7次α衰變和5次β衰變后變成eq\o\al(209,83)BiD．根據(jù)玻爾理論，氫原子向低能級躍遷時只放出符合兩能級能量差的光子【解析】半衰期與溫度無關，即升高放射性物質的溫度，其半衰期不會發(fā)生變化，故A錯誤；金屬的逸出功由金屬材料決定，與入射光的頻率無關，故B錯誤；設需要經(jīng)過x次α衰變和y次β衰變，根據(jù)質量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒有：93＝2x－y＋83，4x＝237－209，所以解得：x＝7，y＝4，故選項C錯誤；根據(jù)玻爾理論，氫原子向低能級躍遷時只放出符合兩能級能量差的光子。【答案】D5．氫原子的能級公式為En＝eq\f(1,n2)E1(n＝1，2，3…)，其中基態(tài)能量E1＝－eV，能級圖如圖所示。大量氫原子處于量子數(shù)為n的激發(fā)態(tài)，由這些氫原子可能發(fā)出的所有光子中，頻率最大的光子能量為－，則n和可能發(fā)出的頻率最小的光子能量分別為()A．n＝5，eV B．n＝5，eVC．n＝4，eV D．n＝4，eV【解析】氫原子基態(tài)的能量為E1＝－eV，由這些氫原子可能發(fā)出的所有光子中，頻率最大的光子能量為－，即躍遷到最高能級能量E＝≈－eV，即處在n＝5能級；頻率最小的光子的能量為ΔE′＝－eV－(－eV)＝eV，故B正確，A、C、D錯誤。【答案】B6．用金屬銣為陰極的光電管觀測光電效應現(xiàn)象，實驗裝置示意圖如圖甲所示，實驗中測得銣的遏止電壓Uc與入射光頻率ν之間的關系如圖乙所示，圖線與橫軸交點的橫坐標為×1014Hz.已知普朗克常量h＝×10－34J·s。則下列說法中正確的是()A．欲測遏止電壓，應選擇電源左端為正極B．當電源左端為正極時，滑動變阻器的滑片向右滑動，電流表的示數(shù)持續(xù)增大C．增大照射光的強度，產(chǎn)生的光電子的最大初動能一定增大D．如果實驗中入射光的頻率ν＝×1014Hz，則產(chǎn)生的光電子的最大初動能Ek約為×10－19J【解析】由題圖甲所示的實驗裝置測量銣的遏止電壓Uc，因光電管左端為陽極，則電源左端為負極，故選項A錯誤；當電源左端為正極時，滑動變阻器的滑片向右滑動的過程中，光電管兩端電壓增大，光電流增大，當光電流達到飽和值，不再增大，即電流表讀數(shù)的變化是先增大后不變，故選項B錯誤；光電子的最大初