（课标通用）2020高考物理二轮复习 专题5 原子物理 第13讲 光电效应 原子结构和原子核课件

第13讲光电效应原子结构和原子核思维导图核心考点1.三个主要实验现象(1)光电效应现象(2)α粒子散射实验(3)天然放射现象：原子核的衰变规律；三种射线的特点及应用2.原子的能级跃迁3.核反应、核能的计算(1)核反应方程的书写(2)质量亏损和核能的计算备考指要1.必须牢记“三个主要实验现象”(1)光电效应现象．(2)α粒子散射现象(3)天然放射现象2.必须明确“三个易错易混点”(1)能级跃迁时吸收光子和实物的能量是不同的．(2)半衰期是统计规律，对单个原子核无意义．(3)γ射线是伴随着α衰变和β衰变而产生的能量形式．备考指要3.牢记“四看”和“四想”(1)看到“遏止电压”就想到“光电子的最大初动能Ekm＝eUc”．(2)看到“逸出功”就想到“极限频率ν0＝W0h”．(3)看到“核质量单位是kg”就想到“用ΔE＝Δmc2计算核能，能量单位为J”．(4)看到“核质量单位是u”就想到“用ΔE＝Δm×931.5MeV计算核能，能量单位为MeV”.真题考情剖析热点题型突破1．(2019·全国卷Ⅰ)氢原子能级示意图如图所示．光子能量在1.63eV～3.10eV的光为可见光．要使处于基态(n＝1)的氢原子被激发后可辐射出可见光光子，最少应给氢原子提供的能量为()真题考情剖析A．12.09eVB．10.20eVC．1.89eVD．1.51eV【解题过程】A解析由题意可知，基态(n＝1)氢原子被激发后，至少被激发到n＝3能级后，跃迁才可能产生能量在1.63eV～3.10eV的可见光，ΔE＝－1.51eV－－13.6eV＝12.09eV，选项A正确．[命题视角]氢原子能级跃迁[解题思维]依据玻尔理论中的跃迁原理，可计算出在不同能级间跃迁所产生的能量大小，根据可见光的能量范围选择求解．2.(2019·全国卷Ⅱ)太阳内部核反应的主要模式之一是质子－质子循环，循环的结果可表示为411H→42He＋201e＋2ν，已知11H和42He的质量分别为mp＝1.0078u和mα＝4.0026u,1u＝931MeV/c2，c为光速．在4个11H转变成1个42He的过程中，释放的能量约为()A．8MeVB．16MeVC．26MeVD．52MeV【解题过程】C解析由ΔE＝Δmc2知ΔE＝(4×mp－mα－2me)·c2，忽略电子质量，则ΔE＝(4×1.0078－4.0026)·931MeV≈26MeV，故选项C正确．[命题视角]核能的计算[解题思维]由核反应方程式可计算出质量亏损，再根据质能方程计算核能的大小．3.(2018·全国卷Ⅱ)用波长为300nm的光照射锌板，电子逸出锌板表面的最大初动能为1.28×10－19J．已知普朗克常量为6.63×10－34J·s，真空中的光速为3.00×108m·s－1.能使锌产生光电效应的单色光的最低频率约为()A．1×1014HzB．8×1014HzC．2×1015HzD．8×1015Hz【解题过程】B解析根据爱因斯坦光电效应方程Ek＝hν－W0＝hcλ－hν0，代入数据解得ν0≈8×1014Hz，选项B正确．[命题视角]光电效应方程[解题思维]由爱因斯坦光电效应方程Ek＝hν－W0可得锌板的逸出功W0的大小，当Ek＝0时即可得出最低频率．热点题型突破光电效应的研究思路(1)两条线索题型一光电效应波粒二象性(2)两条对应关系①光强大→光子数目多→发射光电子多→光电流大；②光子频率高→光子能量大→光电子的最大初动能大．视角一对光电效应规律的理解1．(2019·北京卷)光电管是一种利用光照射产生电流的装置，当入射光照在管中金属板上时，可能形成光电流．表中给出了6次实验的结果.(一)组次入射光子的能量/eV相对光强光电流大小/mA逸出光电子的最大动能/eV第一组1234.04.04.0弱中强2943600.90.90.9第二组4566.06.06.0弱中强2740552.92.92.9由表中数据得出的论断中错误的是()A．两组实验采用了不同频率的入射光B．两组实验所用的金属板材质不同C．若入射光子的能量为5.0eV，逸出光电子的最大动能为1.9eVD．若入射光子的能量为5.0eV，相对光强越强，光电流越大B解析由爱因斯坦光电效应方程Ek＝hν－W0比较两次实验时的逸出功和光电流与光强的关系解题；由题表格中数据可知，两组实验所用的入射光的能量不同，由公式E＝hν可知，两组实验中所用的入射光的频率不同，选项A正确；由Ek＝hν－W0可得，第一组实验0.9eV＝4.0eV－W01，第二组实验2.9eV＝6.0eV－W02，解得W01＝W02＝3.1eV，两种材料的逸出功相同也即材料相同，选项B错误；由爱因斯坦光电效应方程Ek＝hν－W0可得Ek＝5.0－3.1eV＝1.9eV，选项C正确；由题表格中数据可知，入射光能量相同时，相对光强越强，光电流越大，选项D正确．视角二光电效应方程的应用2．(2017·全国卷Ⅲ)(多选)在光电效应实验中，分别用频率为νa、νb的单色光a、b照射到同种金属上，测得相应的遏止电压分别为Ua和Ub、光电子的最大初动能分别为Eka和Ekb.h为普朗克常量，下列说法正确的是()A．若νaνb，则一定有UaUbB．若νaνb，则一定有EkaEkbC．若UaUb，则一定有EkaEkbD．若νaνb，则一定有hνa－Ekahνb－EkbBC解析设该金属的逸出功为W，根据爱因斯坦光电效应方程有Ek＝hν－W，同种金属的W不变，则逸出光电子的最大初动能随ν的增大而增大，选项B正确；又Ek＝eU，则最大初动能与遏止电压成正比，选项C正确；根据上述有eU＝hν－W，遏止电压U随ν增大而增大，选项A错误；又有hν－Ek＝W，W相同，选项D错误．视角三光电效应中的图象问题3．(2019·四川攀枝花三诊)某同学用如图甲所示的电路研究光电效应中电子发射的情况与光照强度、光的频率等物理量之间的关系．阴极K和阳极A是密封在真空玻璃中的两个电极，K在受到光照射时能够发射光电子．K、A之间的电压大小可以调节，电源极性也可以对调．当分别用a、b、c三束不同的光照射阴极K，得到的IU关系分别如图乙中a、b、c三条曲线所示．下列关于三束光的频率ν、三束光的强度E大小关系，正确的是()A．νaνbνc，Ea＞EbEcB．νaνbνc，Ea＝EcEbC．νbνa＝νc，Ea＞EbEcD．νaνbνc，EaEbEc答案C解析由题图可知，a的饱和电流最大，因此a光束照射单位时间内产生的光电子数量大，光强大，而c光的强度最小，b光的强度介于其中，即有EaEbEc；当光电流为零时，光电管两端加的电压为遏止电压，对应的光的频率为截止频率，根据eU＝hν－W，入射光的频率越高，对应的遏止电压U越大，a光、c光的遏止电压相等，所以a光、c光的频率相等，而b光的频率大，故选项C正确，A、B、D错误．解决光电效应类问题的“3点注意”注意1：决定光电子最大初动能大小的是入射光的频率，决定光电流大小的是入射光光强的大小．注意2：由光电效应发射出的光电子由一极到达另一极，是电路中产生光电流的条件．注意3：明确加在光电管两极间的电压对光电子起到了加速作用还是减速作用．1．原子结构与原子光谱题型二原子结构氢原子的能级跃迁2．解决氢原子能级跃迁问题的四点技巧(1)原子跃迁时，所吸收或释放的光子能量只能等于两能级之间的能量差．(2)原子电离时，所吸收的能量可以大于或等于某一能级能量的绝对值，剩余能量为自由电子的动能．(3)一个氢原子跃迁发出可能的光谱线条数最多为(n－1)，而一群氢原子跃迁发出可能的光谱线条数可用N＝C2n＝nn－12求解．(4)计算能级能量时应注意：因一般取无穷远处为零电势能参考面，故各能级的能量值均为负值；能量单位1eV＝1.6×10－19J.【典例1】(2019·安徽皖北协作区一模)如图所示为氢原子的能级图，现有一群处于n＝3能级的激发态的氢原子，则下列说法正确的是()A．能发出6种不同频率的光子B．波长最长的光是氢原子从n＝3能级跃迁到n＝1能级产生的C．发出的光子的最小能量为12.09eVD．处于该能级的氢原子至少需吸收1.51eV能量的光子才能电离答案D解析一群处于n＝3能级的激发态的氢原子能发出C23＝3种不同频率的光子，选项A错误；由辐射条件知氢原子由n＝3能级跃迁到n＝1能级辐射出的光子频率最大，波长最小，选项B错误；发出的光子的最小能量为E3－E2＝1.89eV，选项C错误；n＝3能级对应的氢原子能量是－1.51eV，所以处于该能级的氢原子至少需吸收1.51eV能量的光子才能电离，选项D正确．【跟踪训练1】(2020·广东惠州调研)卢瑟福提出了原子的核式结构模型，这一模型建立的基础是()A．质子的发现B．α粒子散射实验C．对阴极射线的研究D．天然放射性现象的发现答案B【跟踪训练2】(2019·湖南长郡中学期末)(多选)如图所示是氢原子的能级图，对于一群处于n＝4能级的氢原子，下列说法中正确的是()A．这群氢原子能够吸收任意能量的光子后向更高能级跃迁B．这群氢原子能够发出6种不同频率的光子C．这群氢原子发出的光子中，能量最大为10.2eVD．从n＝4能级跃迁到n＝3能级发出的光的波长最长答案BD解析氢原子发生跃迁，吸收的能量必须等于两能级的能级差，故选项A错误；根据C24＝6知，这群氢原子能够发出6种不同频率的光子，故选项B正确；一群处于n＝4能级的氢原子，由n＝4能级跃迁到n＝1能级，辐射的光子能量最大，ΔE＝(13.6－0.85)eV＝12.75eV，故选项C错误；从n＝4能级跃迁到n＝3能级辐射的光子能量最小，频率最小，则波长最长，故选项D正确．1．半衰期的适用条件：半衰期是一个统计规律，是对大量的原子核衰变规律的总结，对于较少特定个数的原子核，无法确定会有多少发生衰变．题型三原子核的衰变及半衰期2．核衰变问题(1)核衰变规律：m＝12tτm0，N＝12tτN0.(2)α衰变和β衰变次数的确定方法①方法一：由于β衰变不改变质量数，故可以先由质量数改变确定α衰变的次数，再根据电荷数守恒确定β衰变的次数．②方法二：设α衰变次数为x，β衰变次数为y，根据质量数和电荷数守恒列方程组求解．(三)视角一对衰变规律的理解1．(2017·全国卷Ⅱ)一静止的铀核放出一个α粒子衰变成钍核，衰变方程为23892U→23490Th＋42He.下列说法正确的是()A．衰变后钍核的动能等于α粒子的动能B．衰变后钍核的动量大小等于α粒子的动量大小C．铀核的半衰期等于其放出一个α粒子所经历的时间D．衰变后α粒子与钍核的质量之和等于衰变前铀核的质量答案B解析静止的铀核在衰变过程中遵循动量守恒，由于系统的总动量为零，因此衰变后产生的钍核和α粒子的动量等大反向，即pTh＝pα，选项B正确；因此有2mThEkTh＝2mαEkα，由于钍核和α粒子的质量不等，因此衰变后钍核和α粒子的动能不等，选项A错误；半衰期是有半数铀核衰变所用的时间，并不是一个铀核衰变所用的时间，选项C错误；由于衰变过程释放能量，根据爱因斯坦质能方程可知，衰变过程有质量亏损，选项D错误．视角二对半衰期的理解和应用2．(2019·山东省实验中学二模)(多选)核能作为一种新能源在现代社会中已不可缺少，我国在完善核电安全基础上将加大核电站建设．核泄漏中的钚(Pu)是一种具有放射性的超轴元素，它可破坏细胞基因，提高患癌的风险．已知钚的一种同位素23994Pu的半衰期为24100年，其衰变方程为23994Pu→X＋42He＋γ，则下列说法中正确的是()A．衰变发出的γ射线是波长很短的光子，穿透能力很强B．X原子核中含有143个中子C．8个23994Pu经过24100年后一定还剩余4个D．衰变过程的总质量不变答案AB解析衰变发出的γ射线是频率很大的电磁波，具有很强的穿透能力，不带电，故选项A正确．根据电荷数守恒和质量数守恒得，X的电荷数为92，质量数为235，质子数为94－2＝92，则中子数为235－92