2025屆高考物理二輪復(fù)習(xí)講義：第14講 原子物理 【含答案】

2025屆高考物理二輪復(fù)習(xí)講義：第14講原子物理【網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建】【關(guān)鍵能力】緊扣課本,加強(qiáng)對(duì)相關(guān)概念和規(guī)律的理解和記憶.重點(diǎn)掌握原子核式結(jié)構(gòu)的建立過(guò)程、原子能級(jí)躍遷、核反應(yīng)、半衰期與質(zhì)量虧損;也要加強(qiáng)原子物理涉及的物理學(xué)史和物理學(xué)方法.對(duì)結(jié)合能和比結(jié)合能的理解、半衰期、核能的相關(guān)計(jì)算是近些年的熱點(diǎn)問(wèn)題.題型1原子結(jié)構(gòu)、氫原子能級(jí)問(wèn)題例1[2022·浙江6月選考]如圖為氫原子的能級(jí)圖.大量氫原子處于n=3的激發(fā)態(tài),在向低能級(jí)躍遷時(shí)放出光子,用這些光子照射逸出功為2.29eV的金屬鈉.下列說(shuō)法正確的是()A.逸出光電子的最大初動(dòng)能為10.80eVB.n=3躍遷到n=1放出的光子動(dòng)量最大C.有3種頻率的光子能使金屬鈉產(chǎn)生光電效應(yīng)D.用0.85eV的光子照射,氫原子躍遷到n=4激發(fā)態(tài)

【技法點(diǎn)撥】1.原子躍遷的幾種方法:光照、碰撞等(1)光照情況下原子吸收能量發(fā)生躍遷,要求照射光子的能量必須等于原子的某兩個(gè)能級(jí)差.(2)入射電子與原子碰撞下引起的躍遷,可吸收部分電子的能量,要求電子的能量必須大于或等于原子的某兩個(gè)能級(jí)差,往往滿足動(dòng)量守恒.2.原子輻射發(fā)光產(chǎn)生的電磁波:紅外線、可見(jiàn)光、紫外線與X射線,其中可見(jiàn)光產(chǎn)生時(shí),電子基本上在中部軌道間轉(zhuǎn)移,能級(jí)差在1.6~3.1eV(紅光到紫光)之間;不同能級(jí)差產(chǎn)生電磁波的頻率不同,可對(duì)比紅光與紫光的差異進(jìn)行相關(guān)知識(shí)的分析.3.一群原子和一個(gè)原子不同,一群原子向基態(tài)躍遷時(shí)發(fā)射光子的種類N=Cn2=例2[2024·浙江1月選考]氫原子光譜按頻率展開的譜線如圖所示,此四條譜線滿足巴耳末公式1λ=R∞122-1n2,n=3,4,5,6.用Hδ和HγA.照射同一單縫衍射裝置,Hδ光的中央明條紋寬度寬B.以相同的入射角斜射入同一平行玻璃磚,Hδ光的側(cè)移量小C.以相同功率發(fā)射的細(xì)光束,真空中單位長(zhǎng)度上Hγ光的平均光子數(shù)多D.相同光強(qiáng)的光分別照射同一光電效應(yīng)裝置,Hγ光的飽和光電流小

【遷移拓展】1.[2024·開化中學(xué)模擬]目前科學(xué)家已經(jīng)能夠制備出量子數(shù)n較大的氫原子,已知?dú)湓拥趎能級(jí)的能量為En=-13.6n2eV,金屬鎢的逸出功為4.54eV,如圖是按能量排列的電磁波譜,則 (A.紫外線波段的光子均不能使基態(tài)氫原子電離B.氫原子躍遷時(shí)可能會(huì)輻射X射線波段的光子C.足夠長(zhǎng)時(shí)間紅外線照射能使金屬鎢產(chǎn)生光電效應(yīng)D.可見(jiàn)光能使n=20的氫原子失去一個(gè)電子變成氫離子題型2原子核、核反應(yīng)例3[2024·嘉興模擬]如圖所示的射線測(cè)厚儀采用放射性元素4399Tc作為放射源,其發(fā)生β衰變的半衰期為6h.則該測(cè)厚儀 (A.4399Tc衰變產(chǎn)物為41B.4399TcC.用于監(jiān)測(cè)與控制鋼板厚度的最佳選擇是β射線D.20g放射源4399Tc經(jīng)12h后剩余物質(zhì)的質(zhì)量為5【技法點(diǎn)撥】衰變規(guī)律及實(shí)質(zhì)(1)核衰變規(guī)律:m=12tTm0,N=1(2)α衰變和β衰變次數(shù)的確定方法①方法一:由于β衰變不改變質(zhì)量數(shù),故可以先由質(zhì)量數(shù)改變確定α衰變的次數(shù),再根據(jù)電荷數(shù)守恒確定β衰變的次數(shù).②方法二:設(shè)α衰變次數(shù)為x,β衰變次數(shù)為y,根據(jù)質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒列方程組求解.例4[2024·浙江1月選考]已知氘核質(zhì)量為2.0141u,氚核質(zhì)量為3.0161u,氦核質(zhì)量為4.0026u,中子質(zhì)量為1.0087u,阿伏加德羅常數(shù)NA取6.0×1023mol-1,氘核摩爾質(zhì)量為2g/mol,1u相當(dāng)于931.5MeV.關(guān)于氘與氚聚變成氦,下列說(shuō)法正確的是 ()A.核反應(yīng)方程式為

12H+13HB.氘核的比結(jié)合能比氦核的大C.氘核與氚核的間距達(dá)到10-10m就能發(fā)生核聚變D.4g氘完全參與聚變釋放出能量的數(shù)量級(jí)為1025MeV

【技法點(diǎn)撥】概念辨析:結(jié)合能、比結(jié)合能、質(zhì)量虧損、核能(1)結(jié)合能兩種理解,一種是把所有核子分開所做的功,另一種是用比結(jié)合能乘核子數(shù).(2)比結(jié)合能大表示核子結(jié)合強(qiáng)度大,結(jié)合能大不表示結(jié)合的強(qiáng)度大,中等大小的核最穩(wěn)定.(3)核能不是結(jié)合能,只是對(duì)應(yīng)質(zhì)量虧損釋放的能量.(4)質(zhì)子與中子發(fā)生核反應(yīng)形成氘核的過(guò)程結(jié)合能等于核能,這是一個(gè)特例.【遷移拓展】1.[2023·浙江1月選考]宇宙射線進(jìn)入地球大氣層與大氣作用會(huì)產(chǎn)生中子,中子與大氣中的氮14會(huì)產(chǎn)生以下核反應(yīng):714N+01n→614C+11H,產(chǎn)生的614C能自發(fā)進(jìn)行β衰變,其半衰期為5730年,A.

614C發(fā)生β衰變的產(chǎn)物是B.β衰變輻射出的電子來(lái)自碳原子的核外電子C.近年來(lái)由于地球的溫室效應(yīng),引起

614D.若測(cè)得一古木樣品的

614C含量為活體植物的14,則該古木距今約為112.(不定項(xiàng))核能已廣泛應(yīng)用于清潔電力、熱力生產(chǎn)等領(lǐng)域,成為全球能源供應(yīng)的重要組成部分,應(yīng)進(jìn)一步擴(kuò)大核能利用,以減少碳排放,實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展和氣候變化目標(biāo).目前核能的利用主要是人工控制下進(jìn)行的核裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng).關(guān)于核裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng),已知阿伏加德羅常數(shù)NA=6.02×1023mol-1,元電荷e=1.6×10-19C,下列說(shuō)法正確的是 ()A.裂變產(chǎn)生的快中子,速度越大越有利于反應(yīng)的進(jìn)行,無(wú)需設(shè)法使快中子減速B.鈾核裂變的產(chǎn)物是多樣的,比如核反應(yīng)方程可以是92235U+01n→56144C.一個(gè)鈾235核裂變可釋放200MeV的能量,1t標(biāo)準(zhǔn)煤完全燃燒時(shí)放出2.93×1010J的熱量,則1g鈾235全部裂變時(shí)就相當(dāng)于2.8t標(biāo)準(zhǔn)煤完全燃燒時(shí)釋放的化學(xué)能D.秦山核電站利用的是核裂變產(chǎn)生的能量,裂變比聚變產(chǎn)能效率更高,更為安全、清潔參考答案與詳細(xì)解析題型1例1B[解析]n=3能級(jí)躍遷到n=1能級(jí)釋放光子的能量最大,hν=(-1.51eV)-(-13.6eV)=12.09eV,照射逸出功為2.29eV的金屬鈉,最大初動(dòng)能為Ekm=hν-W=9.8eV,選項(xiàng)A錯(cuò)誤;根據(jù)p=?λ,且ΔE=hν=hcλ,聯(lián)立得ΔE=pc,因此光子能量越大,動(dòng)量越大,選項(xiàng)B正確;n=3躍遷到n=2放出的光子能量為hν1=(-1.51eV)-(-3.4eV)=1.89eV<2.29eV,該光子不能使金屬鈉產(chǎn)生光電效應(yīng),故有2種頻率的光子能使金屬鈉產(chǎn)生光電效應(yīng),選項(xiàng)C錯(cuò)誤;由于從n=3躍遷到n=4能級(jí)需要吸收的光子能量為ΔE=(-0.85eV)-(-1.51eV)=0.66eV,所以用0.85eV的光子照射,不能使氫原子躍遷到n=4激發(fā)態(tài),故D例2C[解析]由圖可知Hδ光頻率較大、波長(zhǎng)較短,則衍射現(xiàn)象較不明顯,所以照射同一單縫衍射裝置,Hδ光的中央明條紋較窄,選項(xiàng)A錯(cuò)誤;由圖可知Hδ光頻率較大,則介質(zhì)對(duì)其折射率較大,所以以相同的入射角斜射入同一平行玻璃磚,Hδ光的側(cè)移量較大,選項(xiàng)B錯(cuò)誤;以相同功率發(fā)射的細(xì)光束,單位長(zhǎng)度上光的能量相同,頻率越大,則光子數(shù)越少,所以真空中單位長(zhǎng)度上Hδ光的平均光子數(shù)較少,選項(xiàng)C正確;光強(qiáng)由光子數(shù)量和光子能量共同決定,光強(qiáng)相同時(shí),Hγ光的光子能量較小,光子數(shù)量較多,可以讓金屬逸出更多的光電子,飽和光電流較大,選項(xiàng)D錯(cuò)誤.【遷移拓展】1.D[解析]基態(tài)氫原子具有的能量為E1=-13.6eV,若基態(tài)氫原子電離,則需要吸收的光子能量E≥13.6eV,由題圖可知紫外線波段中存在能量E≥13.6eV的光子,這些光子可以使基態(tài)氫原子電離,A錯(cuò)誤;氫原子躍遷時(shí)輻射的光子能量不超過(guò)13.6eV,由題圖可知,X射線的光子能量均大于13.6eV,故氫原子躍遷時(shí)不會(huì)輻射X射線波段的光子,B錯(cuò)誤;金屬鎢的逸出功為4.54eV,由題圖可知,紅外線的光子能量小于4.54eV,故不能讓金屬鎢產(chǎn)生光電效應(yīng),C錯(cuò)誤;n=20的氫原子能量為En=-13.6n2eV=-13.6202eV=-0.034eV,由題圖可知可見(jiàn)光的光子能量大于0.034eV,故可見(jiàn)光可以使n題型2例3B[解析]β衰變放出的粒子是電子

-10e,根據(jù)質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒可知,4399Tc衰變產(chǎn)物為4499Ru,故A錯(cuò)誤;4399Tc發(fā)生β衰變的原因是弱相互作用,故B正確;用于監(jiān)測(cè)與控制鋼板厚度的最佳選擇是γ射線,故C錯(cuò)誤;20g放射源4399Tc經(jīng)12h后剩余5g的4399Tc未發(fā)生衰變,但剩余物質(zhì)的質(zhì)量大于例4D[解析]根據(jù)核反應(yīng)中質(zhì)量數(shù)守恒、電荷數(shù)守恒,可知核反應(yīng)方程式為

12H+13H→24He+01n,選項(xiàng)A錯(cuò)誤;生成物比反應(yīng)物更穩(wěn)定,因此生成物的比結(jié)合能更大,即氦核的比結(jié)合能比氘核的大,選項(xiàng)B錯(cuò)誤;發(fā)生輕核聚變的條件是原子核之間距離達(dá)到原子核的尺度,即達(dá)到10-15m,選項(xiàng)C錯(cuò)誤;根據(jù)核反應(yīng)可知,每次核聚變反應(yīng)后質(zhì)量虧損為Δm=m氘+m氚-m氦-m中=0.0189u,4g氘參加反應(yīng),含有氘核個(gè)數(shù)N=mMNA=42×6×1023=1.2×1024,質(zhì)量虧損產(chǎn)生的核能為ΔE=NΔm×931.5MeV=1.2×1024×0.0189×931.5【遷移拓展】1.D[解析]根據(jù)衰變過(guò)程中的質(zhì)量數(shù)、電荷數(shù)守恒規(guī)律可知,發(fā)生β衰變后質(zhì)量數(shù)不變,電荷數(shù)增加1,即產(chǎn)生714N,選項(xiàng)A錯(cuò)誤;原子核衰變的電子由原子核內(nèi)部的中子產(chǎn)生,選項(xiàng)B錯(cuò)誤;半衰期不受外界因素干擾,所以不會(huì)因?yàn)闇厥倚?yīng)改變,選項(xiàng)C錯(cuò)誤;若測(cè)得一古木樣品的614C含量為活體植物的14,說(shuō)明經(jīng)過(guò)了2個(gè)半衰期,因此大約距今時(shí)間為5730×2=11460年,選項(xiàng)2.BC[解析]裂變產(chǎn)生的快中子要經(jīng)過(guò)與減速劑中的原子核碰撞,速度減小,變成慢中子,才容易被鈾核吸收,故A錯(cuò)誤;利用中子轟擊鈾核可以發(fā)生裂變反應(yīng),核反應(yīng)方程式可以為92235U+01n→56144Ba+3689Kr+301n,故B正確;2.8t標(biāo)準(zhǔn)煤完全