专题十三-原子物理(2019高考物理一轮复习)

专题十三原子物理考情精解读A.考点帮·知识全通关目录CONTENTS考纲要求命题规律命题分析预测考点1光电效应、波粒二象性考点2原子结构、氢原子光谱考点3天然放射现象、核反应、核能方法1光电效应问题的求解方法方法2能级跃迁问题的求解方法方法3核反应与核能问题的求解方法B.方法帮·题型全突破C.考法帮·考向全扫描考向1对光电效应的考查考向2对氢原子能级的考查考向3对核反应及核能的考查物理专题十三：原子物理考情精解读考纲要求命题规律命题分析预测物理专题十三：原子物理1.氢原子光谱Ⅰ2.氢原子的能级结构、能级公式Ⅰ3.原子核的组成、放射性、原子核的衰变、半衰期Ⅰ4.放射性同位素Ⅰ5.核力、核反应方程Ⅰ6.结合能、质量亏损Ⅰ7.裂变反应和聚变反应、裂变反应堆Ⅰ8.射线的危害和防护Ⅰ9.光电效应Ⅰ10.爱因斯坦光电效应方程Ⅰ考纲要求核心考点考题取样考向必究光电效应、波粒二象性2017全国Ⅲ,T192016全国Ⅰ,T35(1)考查遏止电压、爱因斯坦光电效应方程(考向1)原子结构、氢原子光谱2017北京,T182015海南,T17(1)考查光子的能量,光速、波长和频率的关系(考向2)考查氢原子能级跃迁(考向2)天然放射现象、核反应、核能2017全国Ⅰ,T172017全国Ⅱ,T15考查核反应中核能的计算(考向3)考查原子核衰变及动量守恒(考向3)命题规律高考对原子结构和能级部分的考查重点为:对α粒子散射实验的理解、原子的核式结构学说、能级、光子的发射与吸收.可以是本部分内容的单独考查,也可以与磁场、动量、几何光学、光电效应、电磁波谱等知识相结合进行综合考查,以选择题或计算题形式出现.对天然放射现象、核反应和核能部分主要是单独考查,但试题的特点往往灵活多变,且常与最新时事相结合,考查具体问题具体分析的能力,一般以选择题形式出现命题分析预测A.考点帮·知识全通关考点1光电效应、波粒二象性考点2原子结构、氢原子光谱考点3天然放射现象、核反应、核能物理专题十三：原子物理1.光本性学说的发展简史考点1光电效应、波粒二象性学说名称微粒说波动说电磁说光子说波粒二象性代表人物牛顿惠更斯麦克斯韦爱因斯坦公认实验依据光的直线传播、光的反射光的干涉、衍射光能在真空中传播,是横波,光速等于电磁波速光电效应、康普顿效应光既有波动现象,又有粒子特征内容要点光是一群弹性粒子光是一种机械波光是一种电磁波光是由一份一份光子组成的光是具有电磁本性的物质,既有波动性,又有粒子性2.光电效应现象(1)光电效应:在光(包括不可见光)的照射下,从金属表面发射出电子的现象称为光电效应.发射出来的电子叫做光电子.(2)光电效应的实验规律①存在饱和光电流大于极限频率的光照射金属时,饱和光电流的强度(反映单位时间内发射出的光电子数的多少)与入射光强度成正比.注意：光电流与饱和光电流是两个不同的物理量.光电流是光电子在电路中形成的电流,而饱和光电流是在一定频率和强度的光照射下的最大光电流.②存在遏止电压和截止频率使光电流减小到零时的反向电压Uc,叫做遏止电压;能使某种金属发生光电效应的入射光的最小频率叫做该种金属的截止频率(又叫极限频率).不同的金属对应着不同的截止频率.物理专题十三：原子物理③光电效应具有瞬时性金属受到入射光照射,当入射光的频率大于截止频率时,光电子的发射一般不超过10-9s.注意：在光电效应实验中,①电源反接,电场反向,则光电子离开阴极后将受到反向电场的阻碍作用;②当阴极K和阳极A间加反向电压时,光电子克服电场力做功,且12me𝑣c2=eUc.(3)逸出功:从金属表面直接飞出的光电子克服正电荷引力所做的功,叫做该金属的逸出功.3.爱因斯坦光电效应方程(1)光子说1905年,爱因斯坦提出:空间传播的光也是不连续的,是一份一份的,每一份称为一个光子,光子具有的能量与光的频率成正比,即E=hν,其中h为普朗克常量,h=6.63×10-34J·s.物理专题十三：原子物理(2)爱因斯坦光电效应方程①表达式:Ek=hν-W0或hν=Ek+W0,式中Ek是光电子的最大初动能,W0是逸出功.②物理意义:金属表面的电子吸收一个光子获得的能量是hν,这些能量的一部分用于克服金属的逸出功W0,剩下的部分能量表现为逸出后电子的最大初动能Ek.4.康普顿效应物理专题十三：原子物理概念当光入射到物质上被散射后,在散射波中,除有与入射波的波长相同的射线外,还有波长比入射波的波长更长的射线.人们把这种波长变化的现象叫做康普顿效应解释在康普顿效应中,入射光的光子与物质中的自由电子发生弹性碰撞,碰撞中满足动量守恒定律与能量守恒定律,光子的一部分能量传递给电子,从而引起被散射光子的能量减小,频率减小,波长变长意义(1)证明了爱因斯坦光子说的正确性;(2)表明了光子不仅具有能量,还具有动量;(3)揭示了光具有粒子性的一面;(4)证实了在微观粒子的单个碰撞事件中动量守恒定律和能量守恒定律仍然成立说明：光子的动量:由动量的定义有p=mc,结合光子能量E=hν,爱因斯坦的质能方程E=mc2及c=λν可得p=ℎ𝜆.通关秘籍1.光电效应的实质是光现象转化为电现象,定义中的光包括可见光和不可见光.2.光电效应和康普顿效应深入地揭示了光的粒子性的一面.前者表明光子具有能量,后者表明光子除了具有能量之外还具有动量.5.光的波粒二象性、物质波(1)光的波粒二象性物理专题十三：原子物理物理专题十三：原子物理实验基础表现说明光的波动性干涉和衍射①光是一种概率波,即光子在空间各点出现的可能性大小(概率)可用波动规律来描述;②大量的光子在传播时,表现出波的性质①光的波动性是光子本身的一种属性,不是光子之间相互作用产生的;②光的波动性不同于宏观观念的波光的粒子性光电效应、康普顿效应①当光同物质发生作用时,这种作用是“一份一份”进行的,表现出粒子的性质;②少量或个别光子清楚地显示出光的粒子性①粒子的含义是“不连续”“一份一份”的;②光子不同于宏观观念的粒子波动性和粒子性的对立、统一①大量光子易显示出波动性,而少量光子易显示出粒子性;②波长长(频率低)的光波动性强,而波长短(频率高)的光粒子性强(2)物质波(德布罗意波)由光的波粒二象性的思想推广到微观粒子和任何运动着的物体上去,得出物质波(德布罗意波)的概念:任何一个运动着的物体都有一种波与之对应,该波的波长λ=ℎ𝑝.物理专题十三：原子物理考点2原子结构、氢原子光谱1.原子的核式结构模型(1)汤姆孙原子模型阴极射线产生在研究气体导电的玻璃管内有阴、阳两极.当两极间加一定电压时,阴极便发出一种射线,这种射线为阴极射线特点轰击荧光物质时能使其发光组成电子流电子质量9.1093897×10-31kg电荷量1.60217733(49)×10-19C比荷1.76×1011C/kg发现1897年,英国物理学家汤姆孙测出了阴极射线粒子的比荷,断定它是带负电的粒子,后来被称为电子意义电子是人类发现的第一个比原子小的粒子.电子的发现,打破了原子不可再分的传统观念,使人们认识到原子不是组成物质的最小微粒,原子本身也有内部结构.从此,原子物理学飞速发展,人们对物质结构的认识进入了一个新时代密立根实验电子电荷的精确测定是在1909~1913年间由美国科学家密立根通过著名的“油滴实验”测出的密立根实验更重要的发现是:电荷是量子化的,即任何带电体所带电荷量只能是e的整数倍(2)α粒子散射实验与卢瑟福核式结构模型物理专题十三：原子物理时间1909~1911年人员英籍物理学家卢瑟福及其学生装置现象绝大多数α粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进,但少数α粒子发生了较大角度的偏转,并且有极少数α粒子的偏转超过了90°,有的几乎达到180°四个关键词:“绝大多数”“少数”“极少数”“有的”实验基础α粒子散射实验模型理论在原子的中心有一个很小的核,叫原子核,原子的全部正电荷和几乎全部的质量都集中在原子核里,带负电的电子在核外空间绕核旋转模型特点(1)核很小,原子半径的数量级约为10-10m,而核半径的数量级只有10-15m;(2)核很重,原子的质量几乎全部集中在核里;(3)库仑力作为电子绕核旋转的向心力意义明确了原子结构的空间分布、质量分布、电荷分布对散射结果的解释按照核式结构模型,由于原子核很小,大部分α粒子穿过金箔时都离核很远,受到的斥力很小,它们的运动几乎不受影响;只有极少数α粒子从原子核附近穿过,明显地受到原子核的库仑斥力作用而发生大角度散射,如图所示2.光谱物理专题十三：原子物理定义用光栅或棱镜可以把各种颜色的光按波长展开,获得光的波长(频率)和强度分布的记录,即光谱分类发射光谱发光物体直接产生的光谱连续谱特点连续分布的包含从红光到紫光各种色光的光谱产生由炽热的固体、液体、高压气体产生线状谱特点只含有一些不连续的亮线的光谱,又称为原子光谱产生由单原子的稀薄气体或金属蒸气产生带状谱特点由一系列光谱带组成产生由分子辐射产生吸收光谱高温物体发出的白光通过某种物质后,某些波长的光被物质吸收后形成的光谱特点连续光谱的背景上出现一些暗线产生由炽热的物体(或高压气体)发出的白光通过温度较低的气体产生与线状谱的关系各种原子的吸收光谱的暗线和线状谱的亮线相对应,即表明某种原子发出的光和吸收的光的频率是特定的,通常吸收光谱中的暗线比线状谱中的亮线要少一些.这些亮线或暗线称为该原子的特征谱线应用——光谱分析概念各种元素都有自己的特征谱线.如果某种物质的线状谱或吸收谱中出现了某种元素的特征谱线,表明该物质中含有这种元素的成分,这种对物质进行化学组成的分析和鉴别的方法称为光谱分析优点灵敏、快捷,某种元素在物质中的含量只要有10-10g,就能够从光谱中发现它的特征谱线应用①检测材料纯度;②历史上帮助发现新元素;③研究天体的物质成分;④鉴定文物、食品优劣等说明：太阳光谱不是连续光谱,而是吸收光谱,是阳光透过太阳高层大气射向地球时,太阳高层大气中含有的元素会吸收它自己特征谱线的光,然后再发射出去,不过这次发射是向四面八方发射,所以到达地球的这些谱线看起来就弱了.这样就形成了明亮背景下的暗线——夫琅和费线.与已知元素的光谱相比较,知道太阳高层大气中含有钠、镁、铜、锌、镍等金属元素.3.氢原子光谱氢原子光谱线是最早发现和研究的光谱线,这些光谱线可以用一个统一的公式表示为1𝜆=R(1𝑚2-1𝑛2)式中m=1,2,3,….对于每一个m,有n=m+1,m+2,m+3,….这样就构成了一个谱线系.说明：氢原子光谱是线状的、不连续的,波长只能是分立的值.4.玻尔原子模型(1)玻尔的三条假设①定态假设:原子只能处于一系列能量不连续的状态中,在这些状态中,电子物理专题十三：原子物理虽然做圆周运动,但并不向外辐射能量.②跃迁假设:原子从一种定态跃迁到另一种定态时,要吸收(或辐射)一定频率的光子,光子的能量(或频率)由这两个定态的能量差决定,例如,原子从定态E2跃迁到定态E1,辐射的光子能量为hν=E2-E1.③轨道量子化假设:原子的不同能量状态对应于电子的不同运动轨道,原子的能量状态是不连续的,电子不能在任意半径的轨道上运动,只有当半径的大小符合一定条件时,这样的轨道才是可能的.(2)氢原子的能级①概念:在玻尔理论中,原子各个可能状态的能量值叫能级.②基态和激发态:原子能量最低的状态叫基态,其他能量(相对于基态)较高的状态叫激发态.③氢原子的能级和轨道半径a.能级公式En=1𝑛2E1(n=1,2,3,…).其中E1为基态能量,其值为E1=-13.6eV.物理专题十三：原子物理b.轨道半径公式rn=n2r1(n=1,2,3,…).其中n是正整数,r1是离核最近的可能轨道的半径,r1=0.53×10-10m.④光子的吸收与发射原子从一种定态跃迁到另一种定态,它辐射或吸收一定频率的光子,光子的能量由这两个定态的能级差决定.物理专题十三：原子物理考点3天然放射现象、核反应、核能1.三种射线的比较种类α射线β射线γ射线组成高速氦核流高速电子流光子流(高频电磁波)电荷量2e-e0质量4mp(mp=1.67×10-27kg)静止质量为零磁场中的偏转情况偏转与α射