微專題（四） 原子物理

原子物理微專題（四）010203目錄命題視角(一)以量子論為主線的不連續(xù)物理觀和能量觀命題視角(二)以原子結(jié)構(gòu)為主線的物理模型思維命題視角(三)以核反應(yīng)為主線的微觀世界物質(zhì)嬗變理論04專題跟蹤檢測(cè)01命題視角(一)

以量子論為主線的不連續(xù)物理觀和能量觀1900年普朗克在研究黑體輻射實(shí)驗(yàn)規(guī)律時(shí)將“間斷性”引入物理學(xué)，打開了近代物理學(xué)的一扇大門，隨即主導(dǎo)微觀世界物理規(guī)律的核心理論——量子論由此誕生。量子論的核心思想是波粒二象性，即不連續(xù)的物質(zhì)觀和能量觀。1．光電效應(yīng)規(guī)律和光電效應(yīng)方程[系統(tǒng)知能]2．光電效應(yīng)的“兩條線索”和“兩個(gè)對(duì)應(yīng)關(guān)系”(1)兩條線索：(2)兩個(gè)對(duì)應(yīng)關(guān)系：3．用圖像表示光電效應(yīng)方程(1)極限頻率：圖線與ν軸交點(diǎn)的橫坐標(biāo)ν0。(2)逸出功：圖線與Ek軸交點(diǎn)的絕對(duì)值等于金屬的逸出功：W0＝|－E|＝E。(3)普朗克常量：圖線的斜率k＝h。1．(2022·湖南高考)關(guān)于原子結(jié)構(gòu)和微觀粒子波粒二象性，下列說法正確的是(

)A．盧瑟福的核式結(jié)構(gòu)模型解釋了原子光譜的分立特征B．玻爾的原子理論完全揭示了微觀粒子運(yùn)動(dòng)的規(guī)律C．光電效應(yīng)揭示了光的粒子性D．電子束穿過鋁箔后的衍射圖樣揭示了電子的粒子性[自測(cè)自評(píng)]答案：C

解析：玻爾的量子化模型很好地解釋了原子光譜的分立特征，A錯(cuò)誤；玻爾的原子理論成功的解釋了氫原子的分立光譜，但不足之處在于還保留了經(jīng)典理論中的一些觀點(diǎn)，如電子軌道的概念，還不能完全揭示微觀粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，B錯(cuò)誤；光電效應(yīng)揭示了光的粒子性，C正確；電子束穿過鋁箔后的衍射圖樣，證實(shí)了電子的波動(dòng)性，D錯(cuò)誤。2．(2023·浙江北斗星盟一模)在光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中，某同學(xué)用同一光電管在不同實(shí)驗(yàn)條件下得到了三條光電流與電壓之間的關(guān)系曲線(甲光、乙光、丙光)，如圖所示。則可判斷出(

)A．圖中丙光子的能量最小B．甲、乙光在同樣條件雙縫干涉中干涉條紋間距相同C．若在同一介質(zhì)中的光速對(duì)比，乙光比丙光慢D．同一介質(zhì)中發(fā)生全反射時(shí)，甲光臨界角小于丙光答案：B

甲、乙光的遏止電壓相等，所以甲光、乙光的頻率相等，由c＝λf，可得甲、乙光的波長(zhǎng)相等，所以它們?cè)谕瑯訔l件雙縫干涉中干涉條紋間距相同，B正確；3.

如圖所示，有一束單色光入射到極限頻率為ν0的金屬板K上，具有最大初動(dòng)能的某出射電子，沿垂直于平行板電容器極板的方向，從左側(cè)極板上的小孔入射到兩極板間的勻強(qiáng)電場(chǎng)后，到達(dá)右側(cè)極板時(shí)速度剛好為零。已知電容器的電容為C，帶電量為Q，極板間距為d，普朗克常量為h，電子電量的絕對(duì)值為e，不計(jì)電子的重力。關(guān)于電容器右側(cè)極板的帶電情況和入射光的頻率ν，以下判斷正確的是(

)答案：C

4．(多選)用如圖所示的裝置研究光電效應(yīng)現(xiàn)象。當(dāng)用光子能量為2.75eV的光照射到光電管上時(shí)發(fā)生了光電效應(yīng)，電流表G的示數(shù)不為零；移動(dòng)變阻器的滑片c，發(fā)現(xiàn)當(dāng)電壓表的示數(shù)大于或等于1.7V時(shí)，電流表示數(shù)為0，則下列說法正確的是(

)A．光電子的最大初動(dòng)能始終為1.05eVB．光電管陰極的逸出功為1.05eVC．當(dāng)滑動(dòng)觸頭向a端滑動(dòng)時(shí)，反向電壓增大，電流增大D．改用能量為2.5eV的光子照射，移動(dòng)變阻器的觸頭c，電流表G中也可能有電流答案：BD

解析：由愛因斯坦光電效應(yīng)方程Ek＝hν－W0可知，同種金屬的逸出功相同，所以光電子逸出后的初動(dòng)能取決于獲得的能量，A錯(cuò)誤；若光的頻率不變，反向電壓大于遏止電壓后電路中就不再有電流，C錯(cuò)誤；當(dāng)入射光頻率超過截止頻率，且反向電壓小于遏止電壓，電路中就會(huì)有電流，D正確。02命題視角(二)

以原子結(jié)構(gòu)為主線的物理模型思維科學(xué)家對(duì)原子結(jié)構(gòu)的認(rèn)知也是一個(gè)不斷基于事實(shí)和理論建構(gòu)物理模型的過程。1．玻爾理論的三條假設(shè)[系統(tǒng)知能]2．關(guān)于原子躍遷必須掌握的六個(gè)要點(diǎn)(1)原子從低能級(jí)向高能級(jí)躍遷：吸收一定頻率的光子，當(dāng)光子的能量滿足hν＝E末－E初時(shí)，才能被某一個(gè)原子吸收，否則不吸收。(2)原子從高能級(jí)向低能級(jí)躍遷：以光子的形式向外輻射能量，所輻射的光子能量恰等于發(fā)生躍遷時(shí)兩能級(jí)間的能量差。1.

1909年，英國(guó)物理學(xué)家盧瑟福和他的學(xué)生蓋革、馬斯頓一起進(jìn)行了著名的“α粒子散射實(shí)驗(yàn)”，實(shí)驗(yàn)中大量的α粒子穿過金箔前后的運(yùn)動(dòng)圖景如圖所示。盧瑟福通過對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析和研究，于1911年建立了他自己的原子結(jié)構(gòu)模型。下列關(guān)于“α粒子穿過金箔后”的描述中，正確的是(

)[自測(cè)自評(píng)]A．絕大多數(shù)α粒子穿過金箔后，都發(fā)生了大角度偏轉(zhuǎn)B．少數(shù)α粒子穿過金箔后，基本上沿原來方向前進(jìn)C．通過α粒子散射實(shí)驗(yàn)，確定了原子核半徑的數(shù)量級(jí)為10－15mD．通過α粒子散射實(shí)驗(yàn)，確定了原子半徑的數(shù)量級(jí)為10－15m答案：C

解析：絕大多數(shù)α粒子穿過金箔后，基本上沿原來方向前進(jìn)，少數(shù)α粒子穿過金箔后，發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)，A、B錯(cuò)誤；通過α粒子散射實(shí)驗(yàn)，盧瑟福確定了原子核半徑的數(shù)量級(jí)為10－15m，原子半徑的數(shù)量級(jí)為10－10m，不是通過α粒子散射實(shí)驗(yàn)確定的，C正確，D錯(cuò)誤。2．(2023·湖北高考)2022年10月，我國(guó)自主研發(fā)的“夸父一號(hào)”太陽(yáng)探測(cè)衛(wèi)星成功發(fā)射。該衛(wèi)星搭載的萊曼阿爾法太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡可用于探測(cè)波長(zhǎng)為121.6nm的氫原子譜線(對(duì)應(yīng)的光子能量為10.2eV)。根據(jù)如圖所示的氫原子能級(jí)圖，可知此譜線來源于太陽(yáng)中氫原子(

)A．n＝2和n＝1能級(jí)之間的躍遷

B．n＝3和n＝1能級(jí)之間的躍遷C．n＝3和n＝2能級(jí)之間的躍遷

D．n＝4和n＝2能級(jí)之間的躍遷答案：A

解析：由題圖可知，n＝2和n＝1的能級(jí)之間的能量差值為ΔE＝E2－E1＝－3.4eV－(－13.6eV)＝10.2eV，與探測(cè)衛(wèi)星探測(cè)到的譜線對(duì)應(yīng)的光子能量相等，故可知此譜線來源于太陽(yáng)中氫原子n＝2和n＝1能級(jí)之間的躍遷，故選A。3．(2023·新課標(biāo)卷)銫原子基態(tài)的兩個(gè)超精細(xì)能級(jí)之間躍遷發(fā)射的光子具有穩(wěn)定的頻率，銫原子鐘利用的兩能級(jí)的能量差量級(jí)為10－5eV，躍遷發(fā)射的光子的頻率量級(jí)為(普朗克常量h＝6.63×10－34J·s，元電荷e＝1.60×10－19C)(

)A．103Hz

B．106HzC．109Hz D．1012Hz答案：C

4．(2023·山東高考)“夢(mèng)天號(hào)”實(shí)驗(yàn)艙攜帶世界首套可相互比對(duì)的冷原子鐘組發(fā)射升空，對(duì)提升我國(guó)導(dǎo)航定位、深空探測(cè)等技術(shù)具有重要意義。如圖所示為某原子鐘工作的四能級(jí)體系，原子吸收頻率為ν0的光子從基態(tài)能級(jí)Ⅰ躍遷至激發(fā)態(tài)能級(jí)Ⅱ，然后自發(fā)輻射出頻率為ν1的光子，躍遷到鐘躍遷的上能級(jí)2，并在一定條件下可躍遷到鐘躍遷的下能級(jí)1，實(shí)現(xiàn)受激輻射，發(fā)出鐘激光，最后輻射出頻率為ν3的光子回到基態(tài)。該原子鐘產(chǎn)生的鐘激光的頻率ν2為(

)A．ν0＋ν1＋ν3

B．ν0＋ν1－ν3C．ν0－ν1＋ν3 D．ν0－ν1－ν3答案：D

解析：設(shè)各能級(jí)的能量值如圖所示，則hν0＝EⅡ－EⅠ，hν1＝EⅡ－E2，hν2＝E2－E1，hν3＝E1－EⅠ，綜上所述得ν0＝ν1＋ν2＋ν3，則ν2＝ν0－ν1－ν3，故D正確。03命題視角(三)

以核反應(yīng)為主線的微觀世界物質(zhì)嬗變理論核反應(yīng)是人類對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)向縱深發(fā)展的集中體現(xiàn)，“點(diǎn)石成金”式的物質(zhì)嬗變?cè)诤朔磻?yīng)中變成了現(xiàn)實(shí)，是極其誘人的。核反應(yīng)過程中體現(xiàn)的守恒思想是重要的物理思想，而質(zhì)能關(guān)系則為人類利用原子能提供了理論基礎(chǔ)。1．原子核的衰變[系統(tǒng)知能]2．核反應(yīng)方程及核能利用3．核反應(yīng)方程遵循的兩個(gè)基本規(guī)律(1)質(zhì)量數(shù)守恒。(2)電荷數(shù)守恒。4．核能的計(jì)算(1)愛因斯坦質(zhì)能方程：物體的能量和質(zhì)量之間存在著密切的聯(lián)系，它們的關(guān)系是E＝mc2，這就是愛因斯坦的質(zhì)能方程。另一個(gè)表達(dá)形式是ΔE＝Δm·c2。(2)應(yīng)用公式ΔE＝Δm·c2時(shí)應(yīng)選用國(guó)際單位，即ΔE的單位為焦耳，Δm的單位為千克，c的單位為米/秒。(3)1u相當(dāng)于931.5MeV，其中u為原子質(zhì)量單位：1u＝1.660566×10－27kg,1MeV＝106eV，1eV＝1.6×10－19J。1．(2022·山東等級(jí)考)碘125衰變時(shí)產(chǎn)生γ射線，醫(yī)學(xué)上利用此特性可治療某些疾病。碘125的半衰期為60天，若將一定質(zhì)量的碘125植入患者病灶組織，經(jīng)過180天剩余碘125的質(zhì)量為剛植入時(shí)的(

)[自測(cè)自評(píng)]答案：B

2．(2023·湖南高考)2023年4月13日，中國(guó)“人造太陽(yáng)”反應(yīng)堆中科院環(huán)流器裝置(EAST)創(chuàng)下新紀(jì)錄，實(shí)現(xiàn)403秒穩(wěn)態(tài)長(zhǎng)脈沖高約束模等離子體運(yùn)行，為可控核聚變的最終實(shí)現(xiàn)又向前邁出了重要的一步，下列關(guān)于核反應(yīng)的說法正確的是(

)答案：A

答案：C

4．(2023·全國(guó)乙卷)2022年10月，全球眾多天文設(shè)施觀測(cè)到迄今最亮伽馬射線暴，其中我國(guó)的“慧眼”衛(wèi)星、“極目”空間望遠(yuǎn)鏡等裝置在該事件觀測(cè)中作出重要貢獻(xiàn)。由觀測(cè)結(jié)果推斷，該伽馬射線暴在1分鐘內(nèi)釋放的能量量級(jí)為1048J。假設(shè)釋放的能量來自于物質(zhì)質(zhì)量的減少，則每秒鐘平均減少的質(zhì)量量級(jí)為(光速為3×108m/s)(

)A．1019kg B．1024kgC．1029kg D．1034kg答案：C

答案：C

04專題跟蹤檢測(cè)答案：D

答案：D

3．(2023·舟山高三模擬)有關(guān)原子結(jié)構(gòu)和原子核的認(rèn)識(shí)，下列說法正確的是(

)A．一個(gè)原子核在一次衰變中可同時(shí)放出α、β和γ三種射線B．電子的發(fā)現(xiàn)使人們認(rèn)識(shí)到原子具有核式結(jié)構(gòu)C．太陽(yáng)輻射能量的主要來源是太陽(yáng)中發(fā)生的重核裂變D．天然放射現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)使人們認(rèn)識(shí)到原子核具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)答案：D

解析：α、β衰變是獨(dú)立進(jìn)行的，但是在兩種衰變的同時(shí)都伴隨有γ衰變，故A錯(cuò)誤；盧瑟福的α粒子散射實(shí)驗(yàn)讓人們認(rèn)識(shí)到了原子具有核式結(jié)構(gòu)，故B錯(cuò)誤；太陽(yáng)輻射能量的主要來源是太陽(yáng)中發(fā)生的輕核聚變，故C錯(cuò)誤；天然放射現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)使人們認(rèn)識(shí)到原子核具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，故D正確。4．(2022·浙江1月選考)(多選)2021年12月15日秦山核電站迎來了安全發(fā)電30周年，核電站累計(jì)發(fā)電約6.9×1011kW·h，相當(dāng)于減排二氧化碳六億多噸。為了提高能源利用率，核電站還將利用冷卻水給周圍居民供熱。下列說法正確的是(

)答案：CD

A．X是質(zhì)子，釋放能量約11.36MeVB．X是質(zhì)子，釋放能量約13.04MeVC．X是中子，釋放能量約13.04MeVD．X是中子，釋放能量約11.36MeV答案：B

解析：核反應(yīng)方程遵循質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒，可知X是質(zhì)子，釋放的能量為ΔE＝(2×3.0161－4.0026－2×1.0078)×931.5MeV≈13.04MeV，故選B。6．圖甲是研究光電效應(yīng)的電路圖，逸出功為2.25eV的金屬為K極，圖乙為氫原子能級(jí)圖，巴耳末系的四種可見光，是分別從n＝3、4、5、6能級(jí)躍遷到n＝2能級(jí)產(chǎn)生的。下列說法正確的是(

)A．僅將P移至C端，電流表示數(shù)一定變?yōu)?B．氫原子從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，電子的動(dòng)能增大C．上述的四種可見光只有一種不能讓圖甲中的K極金屬發(fā)生光電效應(yīng)D．處在n＝2能級(jí)的氫原子不能吸收動(dòng)能為2.75eV的自由電子而向高能級(jí)躍遷答案：C

解析：僅將P移至C端，A、K間的電壓為0，但逸出的光電子具有動(dòng)能，可以到達(dá)A極板，因此電流表的示數(shù)不為0，故A錯(cuò)誤；氫原子從基態(tài)躍遷到高能級(jí)，電子的動(dòng)能減小，故B錯(cuò)誤；從能級(jí)n＝3躍遷至n＝2產(chǎn)生的光的光子能量為1.89eV，小于逸出功，不能使K極金屬發(fā)生光電效應(yīng)；從能級(jí)n＝4躍遷至n＝2產(chǎn)生的光的光子能量為2.55eV，大于逸出功，可以使K極金屬發(fā)生光電效應(yīng)；從能級(jí)n＝6、5躍遷至n＝2產(chǎn)生的光的光子能量大于2.55eV，大于逸出功，能使K極金屬發(fā)生光電效應(yīng)，所以題述四種可見光中僅有一種可見光不能讓圖甲中K極金屬發(fā)生光電效應(yīng)，故C正確；處在n＝2能級(jí)的氫原子可以吸收動(dòng)能為2.75eV的自由電子的一部分動(dòng)能1.89eV或2.55eV而向高能級(jí)躍遷，故D錯(cuò)誤。答案：B

人造大理石中氡的含量幾乎為零，與事實(shí)不符，因此人造大理石中的氡來源于其他放射性物質(zhì)衰變，故B正確；衰變過程中伴有能量釋放，因此會(huì)有質(zhì)量虧損，則氡在衰變過程中不滿足質(zhì)量守恒，滿足電荷守恒，故C錯(cuò)誤；半衰期不受溫度影響，氡在夏天和冬天衰變得一樣快，故D錯(cuò)誤。8．(2023·浙江紹興模擬)(多選)圖甲是光電效應(yīng)的電路圖，分別用黃光、藍(lán)光照射實(shí)驗(yàn)裝置的K極，其中只有一種光照射時(shí)產(chǎn)生了光電流，下列說法中正確的是(

)答案：AC

解析：藍(lán)光的頻率比黃光更大，所以藍(lán)光的能量大于黃光的能量，即能夠產(chǎn)生光電流的光是弱藍(lán)光，故A正確；光電管加的是反向電壓，P向右移，反向電壓增大，對(duì)光電子的阻礙作用越來越大，所以G表讀數(shù)會(huì)減小，故B錯(cuò)誤；9．(2023?溫州高三調(diào)研)如圖為氫原子的能級(jí)示意圖。處于n＝4能級(jí)的一群氫原子向低能級(jí)躍遷時(shí)，輻射出的光子再照射到逸出功為3.7eV的某金屬板上。則(

)A．共有3種不同頻率的光子能使金屬板發(fā)生光電效應(yīng)B．共有6種不同頻率的光子能使金屬板發(fā)生光電效應(yīng)C．從金屬板逸出的光電子的最大初動(dòng)能為12.75eVD．向低能級(jí)躍遷的氫原子越多，從金屬板逸出的光電子的最大初動(dòng)能越大答案：A

答案：B

11．(2023·遼寧高考)原子處于磁場(chǎng)中，某些能級(jí)會(huì)發(fā)生劈裂。某種原子能級(jí)劈裂前后的部分能級(jí)圖如圖所示，相應(yīng)能級(jí)躍遷放出的光子分別設(shè)為①②③④。若用①照射某金屬表面時(shí)能發(fā)生光電效應(yīng)，且逸出光電子的最大初動(dòng)能為Ek，則(

)A．①和③的能量相等B．②的頻率大于④的頻率C．用②照射該金屬一定能發(fā)生光電效應(yīng)D．用④照射該金屬逸出光電子的最大初動(dòng)能小于Ek答案：A

解析：由題圖可知，①和③對(duì)應(yīng)的躍遷能級(jí)差相同，可知①和③的能量相等，A正確；因?yàn)棰趯?duì)應(yīng)的能級(jí)差小于④對(duì)應(yīng)的能級(jí)差，可知②的能量小于④的能量，根據(jù)E＝hν可知，②的頻率小于④的頻率，B錯(cuò)誤；因?yàn)棰趯?duì)應(yīng)的能級(jí)差小于①對(duì)應(yīng)的能級(jí)差，可知②的能量小于①的能量，②的頻率小于①的頻率，則用②照射該金屬不一定能發(fā)生光電效應(yīng)，C錯(cuò)誤；因?yàn)棰軐?duì)應(yīng)的能級(jí)差大于①對(duì)應(yīng)的能級(jí)差，可知④的能量大于①的能量，即④的頻率大于①的頻率，因用①照射某金屬表面時(shí)逸出光電子的最大初動(dòng)能為Ek，根據(jù)Ek＝hν－W逸出功，則用④照射該金屬逸出光電子的最大初動(dòng)能大于Ek，D錯(cuò)誤。答案：C

13．地鐵靠站時(shí)列車車體和屏蔽門之間安裝有光電傳感器。如圖甲所示，若光線被乘客阻擋，電