重難點14 近代物理初步 （教師版含解析）-高考物理專練(新高考專用)

高考物理【熱點·重點·難點】專練(新高考專用)重難點14近代物理初步【知識梳理】一、氫原子光譜、氫原子的能級、能級公式1．原子的核式結(jié)構(gòu)(1)電子的發(fā)現(xiàn)：英國物理學(xué)家湯姆孫發(fā)現(xiàn)了電子。(2)α粒子散射實驗：1909～1911年，英國物理學(xué)家盧瑟福和他的助手進行了用α粒子轟擊金箔的實驗，實驗發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)α粒子穿過金箔后基本上仍沿原來方向前進，但有少數(shù)α粒子發(fā)生了大角度偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)的角度甚至大于90°，也就是說它們幾乎被“撞”了回來。(3)原子的核式結(jié)構(gòu)模型：在原子中心有一個很小的核，原子全部的正電荷和幾乎全部質(zhì)量都集中在核里，帶負電的電子在核外空間繞核旋轉(zhuǎn)。2．光譜(1)光譜用光柵或棱鏡可以把光按波長展開，獲得光的波長(頻率)和強度分布的記錄，即光譜。(2)光譜分類有些光譜是一條條的亮線，這樣的光譜叫做線狀譜。有的光譜是連在一起的光帶，這樣的光譜叫做連續(xù)譜。(3)氫原子光譜的實驗規(guī)律巴耳末線系是氫原子光譜在可見光區(qū)的譜線，其波長公式eq\f(1,λ)＝Req\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,22)－\f(1,n2)))，(n＝3,4,5，…)，R是里德伯常量，R＝1.10×107m－1，n為量子數(shù)。3．玻爾理論(1)定態(tài)：原子只能處于一系列不連續(xù)的能量狀態(tài)中，在這些能量狀態(tài)中原子是穩(wěn)定的，電子雖然繞核運動，但并不向外輻射能量。(2)躍遷：原子從一種定態(tài)躍遷到另一種定態(tài)時，它輻射或吸收一定頻率的光子，光子的能量由這兩個定態(tài)的能量差決定，即hν＝Em－En。(h是普朗克常量，h＝6.63×10－34J·s)(3)軌道：原子的不同能量狀態(tài)跟電子在不同的圓周軌道繞核運動相對應(yīng)。原子的定態(tài)是不連續(xù)的，因此電子的可能軌道也是不連續(xù)的。4．氫原子的能級、能級公式(1)氫原子的能級能級圖如圖所示(2)氫原子的能級和軌道半徑①氫原子的能級公式：En＝eq\f(1,n2)E1(n＝1,2,3，…)，其中E1為基態(tài)能量，其數(shù)值為E1＝－13.6eV。②氫原子的半徑公式：rn＝n2r1(n＝1,2,3，…)，其中r1為基態(tài)半徑，又稱玻爾半徑，其數(shù)值為r1＝0.53×10－10m。二、原子核的組成、放射性、原子核的衰變、半衰期、放射性同位素1．原子核的組成：原子核是由質(zhì)子和中子組成的，原子核的電荷數(shù)等于核內(nèi)的質(zhì)子數(shù)。2．天然放射現(xiàn)象(1)天然放射現(xiàn)象元素自發(fā)地放出射線的現(xiàn)象，首先由貝克勒爾發(fā)現(xiàn)。天然放射現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，說明原子核具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。(2)放射性和放射性元素物質(zhì)發(fā)射某種看不見的射線的性質(zhì)叫放射性。具有放射性的元素叫放射性元素。(3)三種射線：放射性元素放射出的射線共有三種，分別是α射線、β射線、γ射線。(4)放射性同位素的應(yīng)用與防護①放射性同位素：有天然放射性同位素和人工放射性同位素兩類，放射性同位素的化學(xué)性質(zhì)相同。②應(yīng)用：消除靜電、工業(yè)探傷、作示蹤原子等。③防護：防止放射性對人體組織的傷害。3．原子核的衰變(1)衰變：原子核放出α粒子或β粒子，變成另一種原子核的變化稱為原子核的衰變。(2)分類α衰變：eq\o\al(A,Z)X→eq\o\al(A－4,Z－2)Y＋eq\o\al(4,2)Heβ衰變：eq\o\al(A,Z)X→eq\o\al(A,Z＋1)Y＋eq\o\al(0,－1)e(3)半衰期：放射性元素的原子核有半數(shù)發(fā)生衰變所需的時間。半衰期由原子核內(nèi)部的因素決定，跟原子所處的物理、化學(xué)狀態(tài)無關(guān)。三、核力、結(jié)合能、質(zhì)量虧損1．核力(1)定義：原子核內(nèi)部，核子間所特有的相互作用力。(2)特點：①核力是強相互作用的一種表現(xiàn)；②核力是短程力，作用范圍在1.5×10－15m之內(nèi)；③每個核子只跟它的相鄰核子間才有核力作用。2．結(jié)合能核子結(jié)合為原子核時釋放的能量或原子核分解為核子時吸收的能量，叫做原子核的結(jié)合能，亦稱核能。3．比結(jié)合能(1)定義：原子核的結(jié)合能與核子數(shù)之比，稱做比結(jié)合能，也叫平均結(jié)合能。(2)特點：不同原子核的比結(jié)合能不同，原子核的比結(jié)合能越大，表示原子核中核子結(jié)合得越牢固，原子核越穩(wěn)定。4．質(zhì)能方程、質(zhì)量虧損愛因斯坦質(zhì)能方程E＝mc2，原子核的質(zhì)量必然比組成它的核子的質(zhì)量和要小Δm，這就是質(zhì)量虧損。由質(zhì)量虧損可求出釋放的核能ΔE＝Δmc2。四、裂變反應(yīng)和聚變反應(yīng)、裂變反應(yīng)堆核反應(yīng)方程1．重核裂變(1)定義：質(zhì)量數(shù)較大的原子核受到高能粒子的轟擊而分裂成幾個質(zhì)量數(shù)較小的原子核的過程。(2)典型的裂變反應(yīng)方程：eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(89,36)Kr＋eq\o\al(144,56)Ba＋3eq\o\al(1,0)n。(3)鏈式反應(yīng)：由重核裂變產(chǎn)生的中子使裂變反應(yīng)一代接一代繼續(xù)下去的過程。(4)臨界體積和臨界質(zhì)量：裂變物質(zhì)能夠發(fā)生鏈式反應(yīng)的最小體積及其相應(yīng)的質(zhì)量。(5)裂變的應(yīng)用：原子彈、核反應(yīng)堆。(6)反應(yīng)堆構(gòu)造：核燃料、減速劑、鎘棒、防護層。2．輕核聚變(1)定義：兩輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核的反應(yīng)過程。輕核聚變反應(yīng)必須在高溫下進行，因此又叫熱核反應(yīng)。(2)典型的聚變反應(yīng)方程：eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)n＋17.6MeV【命題特點】考查以選擇題為主，主要是識記光電效應(yīng)、玻爾理論、原子核衰變、核反應(yīng)和核能基本概念和基本結(jié)論。【限時檢測】(建議用時：30分鐘)一、單選題1．(2021·湖北宜昌市·高三月考)2020年12月4日14時02分，新一代“人造太陽”裝置——中國環(huán)流器二號M裝置(HL-2M)在成都建成并實現(xiàn)首次放電，標志著中國自主掌握了大型先進托卡馬克裝置的設(shè)計、建造和運行技術(shù)，其發(fā)生的可控核聚變方程為：(X表示某種粒子)，則下列說法正確的是()A．X為質(zhì)子 B．該核反應(yīng)不存在質(zhì)量虧損C．該核反應(yīng)是我國秦山核電站利用核能的方式 D．原子核比原子核穩(wěn)定【答案】D【解析】A．根據(jù)核反應(yīng)的質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒可知，X的質(zhì)量數(shù)為1，電荷數(shù)為0，為中子，選項A錯誤；B．該核反應(yīng)放出能量，存在質(zhì)量虧損，選項B錯誤；C．我國秦山核電站利用核能的方式是重核裂變，選項C錯誤；D．該核反應(yīng)放出能量，則原子核比原子核穩(wěn)定，選項D正確。故選D。2．(2021·湖南高三月考)下列說法正確的是()A．放射性元素?zé)o論是以單質(zhì)還是化合物的形式存在，其半衰期不變，說明元素的放射性與核外電子無關(guān)B．某種天然放射性元素及其人工放射性同位素可以有相同的半衰期C．組成原子核的核子之間存在的核力是短程力，且與電荷有關(guān)D．居里夫婦發(fā)現(xiàn)經(jīng)α粒子轟擊的鋁片中含有放射性磷，核反應(yīng)方程為：【答案】A【解析】A．放射性元素的存在形式、環(huán)境溫度、外界壓強等因素都不會影響原子核的結(jié)構(gòu)，元素的化學(xué)性質(zhì)與核外電子有關(guān)，半衰期與核外電子無關(guān)，A正確；B．天然放射性元素的半衰期比其人工放射性同位素的半衰期長得多，B錯誤；C．核力與電荷無關(guān)，C錯誤；D．居里夫婦發(fā)現(xiàn)經(jīng)α粒子轟擊的鋁片中含有放射性磷，核反應(yīng)方程為D錯誤。故選A。3．(2021·重慶高三月考)由于放射性元素的半衰期很短，所以在自然界中一直未被發(fā)現(xiàn)，只是在使用人工的方法制造后才被發(fā)現(xiàn)。已知一個原子核經(jīng)過一系列α衰變和β衰變后變成，下列說法正確的是()A．衰變過程中共發(fā)生了7次α衰變和6次β衰變B．一次衰變過程可以同時放出α粒子、β粒子和γ粒子C．的半衰期與任意一個原子核發(fā)生衰變的時間相等D．的人工放射性同位素比天然放射性物質(zhì)半衰期更短，放射性廢料更容易處理【答案】D【解析】A．根據(jù)衰變的過程中質(zhì)量數(shù)守恒，電荷數(shù)守恒，衰變過程中發(fā)生α衰變的次數(shù)為(次)β衰變的次數(shù)為(次)A錯誤；B．一個原子核在一次衰變中要么是α衰變、要么是β衰變，同時伴隨γ射線的產(chǎn)生，可以同時放出α粒子和γ粒子或者β粒子和γ粒子，不能同時放出三種粒子，B錯誤；C．半衰期是大量原子核衰變的統(tǒng)計規(guī)律，對少數(shù)原子核不適用，C錯誤；D．與天然放射性物質(zhì)相比，的人工放射性同位素的放射強度容易控制，還可以制成各種所需的形狀，特別是它的半衰期比天然放射性物質(zhì)短得多，因此放射性廢料更容易處理，D正確。故選D。4．(2021·山西陽泉市·高三期末)利用圖a裝置，某同學(xué)用甲、乙、丙三束色光分別照射同一光電管，研究光電流I與所加電壓U之間的關(guān)系，得到如圖b所示的圖象。則下列說法正確的是()A．甲光的波長大于乙光的波長 B．乙光的頻率小于丙光的頻率C．甲光的光強小于乙光的光強 D．甲光產(chǎn)生的光電子的最大初動能最大【答案】B【解析】根據(jù)光電效應(yīng)方程得所以有甲乙的頻率相等，丙光的頻率最大。甲乙的波長也相等。因為甲光的飽和光電流較大，所以甲光光強大于乙光。丙光頻率最大，所以丙光產(chǎn)生的光電子的最大初動能最大。故選B。二、多選題5．(2020·全國高三專題練習(xí))下列說法正確的是()A．水面上的油膜在陽光照射下會呈現(xiàn)彩色，這是由光的薄膜干涉造成的B．拍攝玻璃櫥窗內(nèi)的物品時，會在鏡頭前加裝偏振片以增加透射光的強度C．狹義相對論認為：光在真空中的傳播速度會隨光源和觀察者所在參考系的相對運動而改變D．橫波在傳播過程中，相鄰的波峰通過同一質(zhì)點所用的時間為一個周期【答案】AD【解析】A．水面上的油膜在陽光照射下會呈現(xiàn)彩色，這是由光的薄膜干涉造成的，A正確；B．拍攝玻璃櫥窗內(nèi)的物品時，往往在鏡頭前加裝一個偏振片以減弱反射光的強度，使照片清晰，B錯誤；C．狹義相對論認為光在真空中的傳播速度不會隨光源和觀察者所在參考系的相對運動而改變，C錯誤；D．橫波在傳播過程中，相鄰的波峰通過同一質(zhì)點所用的時間為一個周期，D正確。故選AD。6．(2021·湖北鄂州市·高三期末)真空中a、b兩種單色光的波長比λa:λb=k：1，則a、b兩種光A．光子能量之比Ea:Eb=1：kB．若都能使某種金屬發(fā)生光電效應(yīng)，則所產(chǎn)生的光電子最大初動能之比為EKa：EKb=1:kC．入射到同一雙縫干涉裝置上，則干涉條紋間距之比為D．從玻璃入射到空氣中，兩種光的臨界角之比Ca：Cb=1:k【答案】AC【解析】A．根據(jù)光子的能量表達式有光子的能量與波長成反比，所以光子能量之比Ea:Eb=1：k，則A正確；B．根據(jù)光電效應(yīng)方程有光電子最大初動能與光子的能量是線性關(guān)系不是正比關(guān)系，所以B錯誤；C．由干涉條紋間距的公式有干涉條紋間距與波長成正比，所以干涉條紋間距之比為，則C正確；D．根據(jù)全反射的臨界角公式有雖然波長與折射率成反比，但是臨界角的正弦值才與折射率成正比，所以臨界角與波長的關(guān)系也不是反比關(guān)系，則D錯誤；故選AC。三、解答題7．(2021·全國高三專題練習(xí))據(jù)報道，俄科學(xué)家成功合成了具有極強放射性的117號新元素，該元素目前尚未被命名，是在實驗室人工創(chuàng)造的最新的超重元素。新元素有兩種同位素，其中一種有176個中子，而另一種有177個中子，則：(1)該元素兩種同位素的原子核的核電荷數(shù)各為多少？原子的核外電子數(shù)各為多少？(2)該元素兩種同位素的原子核的質(zhì)量數(shù)各為多少？(3)若用X表示117號元素的元素符號，該元素的兩種同位素用原子核符號如何表示？【答案】(1)均為117，均為117；(2)293，294；(3)，【解析】(1)元素的原子序數(shù)等于該元素原子核的核電荷數(shù)，等于核內(nèi)質(zhì)子數(shù)。故117號元素的核電荷數(shù)和核內(nèi)質(zhì)子數(shù)均為117，原子呈中性，故核外電子數(shù)等于核內(nèi)質(zhì)子數(shù)，也為117。(2)原子核的質(zhì)量數(shù)等于質(zhì)子數(shù)與中子數(shù)之和，故該元素中子數(shù)為176的原子核的質(zhì)量數(shù)為117＋176＝293，中子數(shù)為177的原子核的質(zhì)量數(shù)為117＋177＝294。(3)元素符號一般用表示，其中A表示質(zhì)量數(shù)，Z表示核電荷數(shù)，由前兩問可得該元素的兩種同位素的原子核符號，中子數(shù)為176的原子核的符號為，中子數(shù)為177的原子核的符號為。8．(2021·全國高三專題練習(xí))科學(xué)家設(shè)想未來的宇航事業(yè)中利用太陽帆來加速星際飛船，設(shè)該飛船所在地每秒每單位面積接收到的光子數(shù)為n，光子平均波長為λ，太陽帆面積為S，反射率100%，設(shè)太陽光垂