2020屆高考物理 精準(zhǔn)培優(yōu)專練二十一 原子物理（含解析）

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1、原子物理 記住幾個(gè)二級(jí)結(jié)論： (1)遏止電壓Uc與入射光頻率ν、逸出功W0間的關(guān)系式：Uc＝ν－。 (2)截止頻率νc與逸出功W0的關(guān)系：hνc－W0＝0，據(jù)此求出截止頻率νc。 (3)光照引起的原子躍遷，光子能量必須等于能級(jí)差；碰撞引起的躍遷，只需要實(shí)物粒子的動(dòng)能大于(或等于)能級(jí)差。 (4)大量處于定態(tài)的氫原子向基態(tài)躍遷時(shí)可能產(chǎn)生的光譜線條數(shù)：Cn2＝。 (5)磁場(chǎng)中的衰變：外切圓是α衰變，內(nèi)切圓是β衰變，半徑與電荷量成反比。 (6)平衡核反應(yīng)方程：質(zhì)量數(shù)守恒、電荷數(shù)守恒。 二、考題再現(xiàn) 典例1.(2019?全國(guó)I卷?14) 氫原子能級(jí)示意圖如圖所示，光子能量在1.6

2、3 eV～3.10 eV的光為可見(jiàn)光。要使處于基態(tài)（n＝1）的氫原子被激發(fā)后可輻射出可見(jiàn)光光子，最少應(yīng)給氫原子提供的能量為(　　) A．12.09 eV B．10.20 eV C．1.89 eV D．1.5l eV 典例2.(2019?全國(guó)II卷?15) 太陽(yáng)內(nèi)部核反應(yīng)的主要模式之一是質(zhì)子－質(zhì)子循環(huán)，循環(huán)的結(jié)果可表示為：4H→He＋2e＋2ν。已知H和He的質(zhì)量分別為mp＝1.007 8 u和mα＝4.002 6 u，1 u＝931 MeV/c2，c為光速．在4個(gè)H轉(zhuǎn)變成1個(gè)He的過(guò)程中，釋放的

3、能量約為(　　) A．8 MeV B．16 MeV C．26 MeV D．52 MeV 三、對(duì)點(diǎn)速練 1．下列說(shuō)法正確的是(　　) A．放射性元素的半衰期與原子所處的化學(xué)狀態(tài)和外部條件有關(guān) B．結(jié)合能越大，原子中核子結(jié)合得越牢固，原子核越穩(wěn)定 C．一束光照射到某種金屬上不能發(fā)生光電效應(yīng)，是因?yàn)樵撌獾牟ㄩL(zhǎng)太短 D．各種氣體原子的能級(jí)不同，躍遷時(shí)發(fā)射光子的能量（頻率）不同，因此利用不同的氣體可以制成五顏六色的霓虹燈 2．下列說(shuō)法中正確的是(　　) A．光電效應(yīng)說(shuō)明光具有粒子性的，它是愛(ài)因斯坦首先發(fā)現(xiàn)并加以理論解釋的 B．235U的半

4、衰期約為7億年，隨著地球環(huán)境的變化，半衰期可能變短 C．盧瑟福通過(guò)對(duì)α粒子散射實(shí)驗(yàn)的研究，揭示了原子核的結(jié)構(gòu) D．據(jù)波爾理論可知，氫原子輻射出一個(gè)光子后，氫原子的電勢(shì)能減小，核外電子的動(dòng)能增大 3．下列說(shuō)法正確的是(　　) A．衰變成要經(jīng)過(guò)4次α衰變和2次β衰變 B．核泄漏事故污染物Cs137能夠產(chǎn)生對(duì)人體有害的輻射，其核反應(yīng)方程式為，可以判斷x為質(zhì)子 C．玻爾理論的假設(shè)是原子能量的量子化和軌道量子化 D．康普頓效應(yīng)說(shuō)明光具有粒子性，電子的衍射實(shí)驗(yàn)說(shuō)明實(shí)物粒子只具有粒子性 4．如圖所示為氫原子的能級(jí)圖，一群氫原子處于n＝4的激發(fā)態(tài)，在向低能級(jí)躍遷的過(guò)程中向外發(fā)出光子，用這些光照

5、射逸出功為1.90 eV的金屬銫，下列說(shuō)法正確的是(　　) A．這群氫原子能發(fā)出6種頻率不同的光，其中從n＝4躍遷到n＝3所發(fā)出的光波長(zhǎng)最短 B．這群氫原子能發(fā)出3種頻率不同的光，其中從n＝4躍遷到n＝1所發(fā)出的光頻率最高 C．金屬銫表面所逸出的光電子的初動(dòng)能最大值為12.75 eV D．金屬銫表面所逸出的光電子的初動(dòng)能最大值為10.85 eV 5．根據(jù)玻爾理論，氫原子的能級(jí)公式為(n為能級(jí)，A為基態(tài)能量)，一個(gè)氫原子中的電子從n＝4的能級(jí)直接躍遷到基態(tài)，在此過(guò)程中(　　) A．氫原子輻射一個(gè)能量為的光子 B．氫原子輻射一個(gè)能量為－的光子 C．氫原子輻射一系列頻率的光子

6、，其中頻率最大的光子能量為 D．氫原子輻射一系列頻率的光子，其中頻率最大的光子能量為－ 6．下列說(shuō)法正確的是(　　) A．光子像其他粒子一樣，不但具有能量，也具有動(dòng)量 B．比結(jié)合能越大，原子核越不穩(wěn)定 C．將由放射性元素組成的化合物進(jìn)行高溫分解，會(huì)改變放射性元素的半衰期 D．原子核的質(zhì)量大于組成它的核子的質(zhì)量之和，這個(gè)現(xiàn)象叫做質(zhì)量虧損 7．用如圖甲所示的裝置研究光電效應(yīng)現(xiàn)象。閉合開(kāi)關(guān)S，用頻率為ν的光照射光電管時(shí)發(fā)生了光電效應(yīng)。圖乙是該光電管發(fā)生光電效應(yīng)時(shí)光電子的最大初動(dòng)能Ek與入射光頻率ν的關(guān)系圖象，圖線與橫軸的交點(diǎn)坐標(biāo)為(a，0)，與縱軸的交點(diǎn)坐標(biāo)為(0，－b)，下列說(shuō)法中正

7、確的是(　　) A．普朗克常量為h＝ B．?dāng)嚅_(kāi)開(kāi)關(guān)S后，電流表G的示數(shù)不為零 C．僅增加照射光的強(qiáng)度，光電子的最大初動(dòng)能將增大 D．保持照射光強(qiáng)度不變，僅提高照射光頻率，電流表G的示數(shù)保持不變 8．靜止在勻強(qiáng)電場(chǎng)中的碳14原子核，某時(shí)刻放射的某種粒子與反沖核的初速度方向均與電場(chǎng)方向垂直，且經(jīng)過(guò)相等的時(shí)間后形成的軌跡如圖所示(a、b表示長(zhǎng)度)。那么碳14的核反應(yīng)方程可能是(　　) A． B． C． D． 9．用a、b兩種不同頻率的光分別照射同一金屬板，發(fā)現(xiàn)當(dāng)a光照射時(shí)驗(yàn)電器的指針偏轉(zhuǎn)，b光照射時(shí)指針未偏轉(zhuǎn)，以下說(shuō)法正確的是(　　) A．增大a光的強(qiáng)度，驗(yàn)電器的指針偏角一定減

8、小 B．a(chǎn)光照射金屬板時(shí)驗(yàn)電器的金屬小球帶負(fù)電 C．a(chǎn)光在真空中的波長(zhǎng)小于b光在真空中的波長(zhǎng) D．若a光是氫原子從n＝4的能級(jí)向n＝1的能級(jí)躍遷時(shí)產(chǎn)生的，則b光可能是氫原子從n＝5的能級(jí)向n＝2的能級(jí)躍遷時(shí)產(chǎn)生的 10．如圖所示為氫原子的能級(jí)圖，當(dāng)氫原子從n＝4能級(jí)躍遷到n＝2能級(jí)時(shí)，輻射出光子a；當(dāng)氫原子從n＝3能級(jí)躍遷到n＝1能級(jí)時(shí)，輻射出光子b，則下列說(shuō)法中正確的是(　　) A．光子a的能量大于光子b的能量 B．光子a的波長(zhǎng)小于光子b的波長(zhǎng) C．b光比a光更容易發(fā)生衍射現(xiàn)象 D．在同種介質(zhì)中，a光子的傳播速度大于b光子的傳播速度 11．按照玻爾原子理論，氫原子中的電

9、子離原子核越遠(yuǎn)，氫原子的能量________(選填“越大”或“越小”)。已知?dú)湓拥幕鶓B(tài)能量為E1(E1＜0)，電子質(zhì)量為m，基態(tài)氫原子中的電子吸收一頻率為ν的光子被電離后，電子速度大小為_(kāi)_______(普朗克常量為h)。 12．小明用金屬銣為陰極的光電管，觀測(cè)光電效應(yīng)現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖甲所示．已知普朗克常量h＝6.63×10－34 J·s。 (1)圖甲中電極A為光電管的________(選填“陰極”或“陽(yáng)極”)； (2)實(shí)驗(yàn)中測(cè)得銣的遏止電壓Uc與入射光頻率ν之間的關(guān)系如圖乙所示，則銣的截止頻率νc＝________Hz，逸出功W0＝________J； (3)如果實(shí)驗(yàn)中

10、入射光的頻率ν＝7.00×1014Hz，則產(chǎn)生的光電子的最大初動(dòng)能Ek＝________J。 13．如圖所示是研究光電管產(chǎn)生的電流的電路圖，A、K是光電管的兩個(gè)電極，已知該光電管陰極的極限頻率為ν0?，F(xiàn)將頻率為ν(大于ν0)的光照射在陰極上，則： (1)________是陰極，陰極材料的逸出功等于________。 (2)加在A、K間的正向電壓為U時(shí)，到達(dá)陰極的光電子的最大動(dòng)能為_(kāi)___________，將A、K間的正向電壓從零開(kāi)始逐漸增加，電流表的示數(shù)的變化情況是________________。 (3)為了阻止光電子到達(dá)陽(yáng)極，在A、K間應(yīng)加U反＝________的反向電壓。 (4

11、)下列方法一定能夠增加飽和光電流的是________。 A．照射光頻率不變，增加光強(qiáng) B．照射光強(qiáng)度不變，增加光的頻率 C．增加A、K電極間的電壓 D．減小A、K電極間的電壓 14．為確定愛(ài)因斯坦的質(zhì)能方程ΔE＝Δmc2的正確性，設(shè)計(jì)了如下實(shí)驗(yàn)：用動(dòng)能為E1＝0.60 MeV的質(zhì)子轟擊靜止的鋰核Li，生成兩個(gè)α粒子，測(cè)得兩個(gè)α粒子的動(dòng)能之和為E2＝19.9 MeV，已知質(zhì)子、α粒子、鋰粒 子的質(zhì)量分別取mp＝1.007 3 u、mα＝4.001 5 u、mLi＝7.016 0 u，求： (1)寫(xiě)出核反應(yīng)方程； (2)通過(guò)計(jì)算說(shuō)明ΔE＝Δmc2正確。(1 u相當(dāng)于931.5

12、MeV) 答案 二、考題再現(xiàn) 典例1.【解析】因?yàn)榭梢?jiàn)光光子的能量范圍是1.63～3.10 eV，所以氫原子至少要被激發(fā)到n＝3能級(jí)，要給氫原子提供的能量最少為E＝(－1.51＋13.60) eV＝12.09 eV，即選項(xiàng)A正確。 【答案】A 典例2.【解析】核反應(yīng)質(zhì)量虧損Δm＝4×1.007 8 u－4.002 6 u＝0.028 6 u，釋放的能量ΔE＝0.028 6×931 MeV＝26.6 MeV，選項(xiàng)C正確。 【答案】C 三、對(duì)點(diǎn)速練 1．【答案】D 【解析】原子核的半衰期由核內(nèi)部自身因素決定，與原

13、子所處的化學(xué)狀態(tài)和外部條件無(wú)關(guān)，故選項(xiàng)A錯(cuò)誤；比結(jié)合能越大，原子中核子結(jié)合得越牢固，原子核越穩(wěn)定，與原子核的合能無(wú)關(guān)，故選項(xiàng)B錯(cuò)誤；一束光照射到某種金屬上不能發(fā)生光電效應(yīng)，說(shuō)明入射光的頻率小于金屬的極限頻率，即光子的能量太小，該束光的波長(zhǎng)太長(zhǎng)，故選項(xiàng)C錯(cuò)誤；根據(jù)玻爾理論，各種氣體原子的能級(jí)不同，躍遷時(shí)發(fā)射光子的能量（頻率）不同，因此利用不同的氣體可以制成五顏六色的霓虹燈，故選項(xiàng)D正確。 2．【答案】D 【解析】光電效應(yīng)說(shuō)明光具有粒子性，不是波動(dòng)性的，光電效應(yīng)是由赫茲發(fā)現(xiàn)的，不是愛(ài)因斯坦首先發(fā)現(xiàn)，故選項(xiàng)A錯(cuò)誤；半衰期不會(huì)隨地球環(huán)境的變化而變化，故選項(xiàng)B錯(cuò)誤；盧瑟福通過(guò)對(duì)α粒子散射實(shí)驗(yàn)的研究，

14、揭示了原子的核式結(jié)構(gòu)，故選項(xiàng)C錯(cuò)誤；據(jù)波爾理論可知，氫原子輻射出一個(gè)光子后，原子能量減小，軌道半徑減小，根據(jù)ke2r2=mv2r知，核外電子的動(dòng)能增大，原子能量等于動(dòng)能和電勢(shì)能之和，則電勢(shì)能減小，故選項(xiàng)D正確。 3．【答案】C 【解析】因?yàn)棣滤プ儠r(shí)質(zhì)量數(shù)不變，所以α衰變的次數(shù)n=232-2084=6，在α衰變的過(guò)程中電荷數(shù)總共少6×2=12，則β衰變的次數(shù)m=12-90-821=4，故選項(xiàng)A錯(cuò)誤；核反應(yīng)方程式為?55137Cs→56137Ba+x，可以根據(jù)質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒判斷x為β粒子，故選項(xiàng)B錯(cuò)誤；玻爾理論的假設(shè)是提出了軌道量子化和能量量子化，故選項(xiàng)C正確；康普頓效應(yīng)說(shuō)明光具有粒子性，

15、電子的衍射說(shuō)明實(shí)物粒子具有波動(dòng)性，故選項(xiàng)D錯(cuò)誤。 4．【答案】D 【解析】從n＝4躍遷到n＝3所發(fā)出的光的頻率最小，波長(zhǎng)最長(zhǎng)，選項(xiàng)A錯(cuò)誤；這群氫原子能發(fā)出第=6種頻率的光子，從n＝4躍遷到n＝1所發(fā)出的光的頻率最高，選項(xiàng)B錯(cuò)誤；光電子的最大初動(dòng)能對(duì)應(yīng)入射光子的頻率最高時(shí)，最大入射光能量對(duì)應(yīng)的入射光子的頻率最高，即ΔE＝E4－E1＝－0.85 eV－(－13.60 eV)＝12.75 eV，由光電效應(yīng)方程知Ek＝ΔE－W0＝10.85 eV，選項(xiàng)C錯(cuò)誤，D正確。 5．【答案】B 【解析】根據(jù)玻爾理論，一個(gè)氫原子中的電子從n＝4的能級(jí)直接躍遷到基態(tài)，輻射一個(gè)光子的能量為ΔE＝E4－E1

16、＝－＝－，選項(xiàng)B正確，A、C、D錯(cuò)誤。 6．【答案】A 【解析】光子像其他粒子一樣，不但具有粒子性，而且也有波動(dòng)性，則不但具有能量，也具有動(dòng)量，故A正確；比結(jié)合能越大的原子核越穩(wěn)定，B錯(cuò)誤；放射性元素的半衰期與外界因素沒(méi)有任何關(guān)系，只和本身性質(zhì)有關(guān)，C錯(cuò)誤；原子核的質(zhì)量小于組成它的核子的質(zhì)量之和，這個(gè)現(xiàn)象叫做質(zhì)量虧損，故D錯(cuò)誤。 7．【答案】B 【解析】由hν＝W0＋Ek，變形得Ek＝hν－W0，可知圖線的斜率為普朗克常量，即h＝，故A錯(cuò)誤；斷開(kāi)開(kāi)關(guān)S后，初動(dòng)能大的光電子，也可能達(dá)到陽(yáng)極，所以電流表G的示數(shù)不為零，故B正確；只有增大入射光的頻率，才能增大光電子的最大初動(dòng)能，與光的強(qiáng)度無(wú)

17、關(guān)，故C錯(cuò)誤；保持照射光強(qiáng)度不變，僅提高照射光頻率，單個(gè)光子的能量增大，而光的強(qiáng)度不變，那么光子數(shù)一定減少，發(fā)出的光電子數(shù)也減少，電流 表G的示數(shù)要減小，故D錯(cuò)誤。 8．【答案】A 【解析】設(shè)時(shí)間為t，則＝2，＝4，而a＝，故有∶＝1∶2，又因?yàn)閯?dòng)量守恒m1v1＝m2v2，故q1∶q2＝1∶2，故只有A正確。 9．【答案】CD 【解析】增大a光的強(qiáng)度，從金屬板中打出的光電子數(shù)增多，驗(yàn)電器帶電荷量增大，指針偏角一定增大，A錯(cuò)誤；a光照射到金屬板時(shí)發(fā)生光電效應(yīng)現(xiàn)象，從金屬板中打出電子，金屬板帶正電，因此，驗(yàn)電器的金屬小球帶正電，B錯(cuò)誤；發(fā)生光電效應(yīng)的條件是入射光的頻率大于金屬的極限頻率，

18、因此a光的頻率大于b光的頻率，a光在真空中的波長(zhǎng)小于b光在真空中的波長(zhǎng)，C正確；氫原子從n＝4的能級(jí)向n＝1的能級(jí)躍遷時(shí)產(chǎn)生的光子能量大于氫原子從n＝5的能級(jí)向n＝2的能級(jí)躍遷時(shí)產(chǎn)生的光子能量，D正確。 10．【答案】D 【解析】氫原子從n＝4的能級(jí)躍遷到n＝2的能級(jí)的能級(jí)差小于從n＝3的能級(jí)躍遷到n＝1的能級(jí)時(shí)的能級(jí)差，根據(jù)Em－En＝hν，知光子a的能量小于光子b的能量，故A錯(cuò)誤；光子a的頻率小于光子b的頻率，所以b的頻率大，波長(zhǎng)小，所以a光更容易發(fā)生衍射，故B、C錯(cuò)誤；光子a的頻率小，則折射率小，根據(jù)v＝知，光子a在介質(zhì)中的傳播速度大于光子b在介質(zhì)中的傳播速度，故D正確。 11

19、．【答案】越大　　 【解析】電子離原子核越遠(yuǎn)電勢(shì)能越大，原子能量也就越大；根據(jù)動(dòng)能定理有，hν＋E1＝mv2，所以電離后電子速度為。 12．【答案】(1)陽(yáng)極 (2)5.15×1014[(5.12～5.18)×1014均視為正確]　3.41×10－19[(3.39～3.43)×10－19均視為正確] (3)1.23×10－19[(1.21～1.25)×10－19均視為正確] 【解析】(1)在光電效應(yīng)中，電子向A極運(yùn)動(dòng)，故電極A為光電管的陽(yáng)極。 (2)由題圖可知，銣的截止頻率νc為5.15×1014 Hz，逸出功W0＝hνc＝6.63×10－34×5.15×1014 J≈3.41×1

20、0－19 J。 (3)當(dāng)入射光的頻率為ν＝7.00×1014Hz時(shí)，由Ek＝hν－h(huán)νc得，光電子的最大初動(dòng)能為 Ek＝6.63×10－34×(7.00－5.15)×1014 J≈1.23×10－19 J。 13．【答案】(1)K　hν0　(2)hν－h(huán)ν0＋eU　逐漸增大，直至保持不變　(3)　(4)A 【解析】(1)被光照射的金屬將有光電子逸出，故K是陰極，逸出功與極限頻率的關(guān)系為W0＝hν0。 (2)根據(jù)光電效應(yīng)方程可知，逸出的光電子的最大初動(dòng)能為hν－h(huán)ν0，經(jīng)過(guò)電場(chǎng)加速獲得的能量為eU，所以到達(dá)陽(yáng)極的光電子的最大動(dòng)能為hν－h(huán)ν0＋eU，隨著電壓增加，單位時(shí)間內(nèi)到達(dá)陽(yáng)極的光

21、電子數(shù)量將逐漸增多，但當(dāng)從陰極逸出的所有光電子都到達(dá)陽(yáng)極時(shí)，再增大電壓，也不可能使單位時(shí)間內(nèi)到達(dá)陽(yáng)極的光電子數(shù)量增多。所以，電流表的示數(shù)先是逐漸增大，直到保持不變。 (3)從陰極逸出的光電子在到達(dá)陽(yáng)極的過(guò)程中將被減速，被電場(chǎng)消耗的動(dòng)能為eU反，如果hν－h(huán)ν0＝eU反，就將沒(méi)有光電子能夠到達(dá)陽(yáng)極，所以U反＝。 (4)要增加單位時(shí)間內(nèi)從陰極逸出的光電子的數(shù)量，就需要增加照射光單位時(shí)間內(nèi)入射光子的個(gè)數(shù)，所以只有A正確。 14．【解析】(1)核反應(yīng)方程為：Li＋H→2He。 (2)核反應(yīng)的質(zhì)量虧損：Δm＝mLi＋mp－2mα＝7.016 0 u＋1.007 3 u－2×4.001 5 u＝0.020 3 u 由質(zhì)能方程可得與質(zhì)量虧損相當(dāng)?shù)哪芰浚害＝Δmc2＝0.020 3×931.5 MeV＝18.9 MeV 而系統(tǒng)增加的能量：ΔE′＝E2－E1＝19.3 MeV 這些能量來(lái)自核反應(yīng)中，在誤差允許的范圍內(nèi)可認(rèn)為相等，所以ΔE＝Δmc2正確。 9