回歸教材重難點(diǎn)15 原子物理學(xué)-2022年高考物理三輪沖刺過關(guān)（解析版）

回歸教材重難點(diǎn)15原子物理學(xué)

濟(jì)教材方位直擊

在波粒二象性方面，主要考查光電效應(yīng)，常結(jié)合光電效應(yīng)方程、遏止電壓、飽和電流等

進(jìn)行考查；同時(shí)這部分內(nèi)容與玻爾的原子理論、光的折射、全反射相結(jié)合的題目形式進(jìn)行考

查。

在原子結(jié)構(gòu)方面，主要考查原子的結(jié)構(gòu)、氫原子光譜和玻爾的原子理論；在原子核方面

主要考查天然放射現(xiàn)象、原子核的組成、原子核的衰變、核能及核反應(yīng)方程等；這部分內(nèi)容

也可能與動(dòng)量、能量和電磁場(chǎng)相結(jié)合以計(jì)算題的形式出現(xiàn)。

由于本專題涉及的知識(shí)點(diǎn)較多，多數(shù)屬于理解記憶的內(nèi)容，在備考策略上注意做到以下

兩點(diǎn)：(1)緊扣課本，加強(qiáng)對(duì)相關(guān)概念和規(guī)律的理解和記憶。⑵關(guān)注本專題內(nèi)容與其他專題

的關(guān)聯(lián)，強(qiáng)化知識(shí)的綜合運(yùn)用能力；如原子物理與動(dòng)量守恒、能量守恒、電磁場(chǎng)等相關(guān)內(nèi)容

的聯(lián)系。

添重難點(diǎn)歸納

知識(shí)點(diǎn)一、光電效應(yīng)

1.光電效應(yīng)現(xiàn)象

在光的照射下，金屬中的電子從表面逸出的現(xiàn)象。發(fā)射出來的電子叫光電子。

2.光電效應(yīng)規(guī)律

(1)每種金屬都有一個(gè)極限頻率，入射光的頻率必須大于這個(gè)極限頻率才能發(fā)生光電效

應(yīng)。

(2)光電子的最大初動(dòng)能與入射光的強(qiáng)度無關(guān)，只隨入射光頻率的增大而增大。

(3)光電效應(yīng)的發(fā)生幾乎是瞬時(shí)的，一般不超過10'9s?

(4)當(dāng)入射光的頻率大于極限頻率時(shí),飽和電流隨入射光的增強(qiáng)而增大。

3.遏止電壓與截止頻率

⑴遏止電壓:使光電流減小到零的反向電壓［/c?

(2)截止頻率:能使某種金屬發(fā)生光電效應(yīng)的最小頻率叫做該種金屬的截止頻率(又叫極

限頻率)。不同的金屬對(duì)應(yīng)著不同的截止頻率。

知識(shí)點(diǎn)二、光電效應(yīng)方程

1.光子說

在空間傳播的光是不連續(xù)的，而是一份一份的,一份叫做一個(gè)光量子，簡(jiǎn)稱光子。光子的能

量廣防匕其中/?=6.63xl(y34j.s(稱為普朗克常量)。

2.逸出功的

使電子脫離某種金屬所做功的最小值0

3.最大初動(dòng)能

發(fā)生光電效應(yīng)時(shí),金屬表面上的電子吸收光子后克服原子核的引力逸出時(shí)所具有的動(dòng)能

的最大值。

4.愛因斯坦光電效應(yīng)方程

(1)表達(dá)式:雙=6-卬0。

(2)物理意義:金屬表面的電子吸收一個(gè)光子獲得的能量是加，這些能量的一部分用來克

服金屬的逸出功胸，乘『卜的表現(xiàn)為逸出后光電子的最大初動(dòng)能

知識(shí)點(diǎn)三、光的波粒二象性與物質(zhì)波

1.光的波粒二象性

(1)光的干涉、衍射、偏振現(xiàn)象證明光具有波動(dòng)性。

(2)光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)說明光具有粒子性。

(3)光既具有波動(dòng)性,又具有粒子性，稱為光的波粒二象性。

2.物質(zhì)波

(1)概率波:光的干涉現(xiàn)象是大量光子的運(yùn)動(dòng)遵守波動(dòng)規(guī)律的表現(xiàn)，亮條紋是光子到達(dá)概

率大的地方，暗條紋是光子到達(dá)概率小的地方，因此光波又叫概率波。

(2)物質(zhì)波:任何一個(gè)運(yùn)動(dòng)著的物體，小到微觀粒子大到宏觀物體都有一種波與它對(duì)應(yīng)，其

波長(zhǎng)為運(yùn)動(dòng)物體的動(dòng)量，力為普朗克常量。

知識(shí)點(diǎn)四、原子的核式結(jié)構(gòu)

(1)1909-1911年,英國(guó)物理學(xué)家盧瑟福進(jìn)行了a粒子散射實(shí)驗(yàn)，提出了核式結(jié)構(gòu)模型。

(2)a粒子散射實(shí)驗(yàn)

a.實(shí)驗(yàn)裝置:如圖所示。

b.實(shí)驗(yàn)結(jié)果:a粒子穿過金箔后，絕大多數(shù)沿原方向前進(jìn)，少數(shù)發(fā)生較大角度偏轉(zhuǎn)，極少數(shù)偏

轉(zhuǎn)角度大于90。,甚至被彈回。

(3)核式結(jié)構(gòu)模型:原子中心有一個(gè)很小的核，叫做原子核，原子的全部正電荷和幾乎全部

質(zhì)量都集中在原子核里，帶負(fù)電的電子在核外空間繞核旋轉(zhuǎn)。

知識(shí)點(diǎn)五、氫原子光譜

1.光譜:用光柵或棱鏡可以把各種顏色的光按波長(zhǎng)展開，獲得光的波長(zhǎng)(頻率)和強(qiáng)度分布

的記錄，即光譜。

2.氫原子光譜的實(shí)驗(yàn)規(guī)律：巴耳末系是氫光譜在可見光區(qū)的譜線，其波長(zhǎng)公式

俱*)(?=3,4,5,…),R是里德伯常量RUlOxOmL

3.光譜分析:利用每種原子都有自己的特征譜線可以用來鑒別物質(zhì)和確定物質(zhì)的組成成

分，且靈敏度很高。在發(fā)現(xiàn)和鑒別化學(xué)元素上有著重大的意義。

知識(shí)點(diǎn)六、氫原子的能級(jí)、能級(jí)公式

1.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⑧穩(wěn)定

的，電子雖然繞核運(yùn)動(dòng)，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(shí)，它輻射或吸收一定頻率的光子，光子的能

量由這兩個(gè)定態(tài)的能量差決定，即//片&￡。g是普朗克常量,〃=6.63'1(?34人)

(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(yùn)動(dòng)相對(duì)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。

2.氫原子的能級(jí)、能級(jí)公式

(1)氫原子的能級(jí)

能級(jí)圖如圖所示

(2)氫原子的能級(jí)和軌道半徑

a.氫原子的能級(jí)公式:昂(“=1,2,3,…)，其中Ei為基態(tài)能量，其數(shù)值為E!=-13.6eVo

b.氫原子的半徑公式:%=層八(“=1,2,3,…)，其中n為基態(tài)半徑,又稱玻爾半徑，其數(shù)值為

n=O.53xlO-|Om()

知識(shí)點(diǎn)七、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

放射性元素自發(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a射線、。射線、丫射線。

(4)放射性同位素的應(yīng)用與防護(hù)

a.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。

b.應(yīng)用:消除靜電、工業(yè)探傷、作示蹤原子等。

c.防護(hù):防止放射性對(duì)人體組織的傷害。

3.原子核的衰變

(1)衰變:原子核放出a粒子或p粒子，變成另一種原子核的變化稱為原子核的衰變。

(2)分類

4

a衰變毆X-為Y+2He;

B衰變培XT￡+IY+:e。

兩個(gè)典型的衰變方程

a衰變牖8U-解，Th+犯e;

P衰變嗡4Th-舒4pa+。2

(3)半衰期:大量放射性元素的原子核有半數(shù)發(fā)生衰變所需的時(shí)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)。

知識(shí)點(diǎn)八、核力、結(jié)合能、質(zhì)量虧損、核反應(yīng)

1.核力

原子核里的核子間存在相互作用的核力，核力把核子緊緊地束縛在核內(nèi),形成穩(wěn)

含義

定的原子核

(布方是福福同作用(強(qiáng)力)的一種表現(xiàn)

特點(diǎn)(2)核力是短程力作用范圍在1.5xlO」5m之內(nèi)

(3)每個(gè)核子只跟鄰近的核子發(fā)生核力作用

2.結(jié)合能

(1)結(jié)合能:核子結(jié)合為原子核時(shí)放出的能量或原子核分解為核子時(shí)吸收的能量，叫做

原子核的結(jié)合能。

(2)比結(jié)合能

a.定義:原子核的結(jié)合能與核子數(shù)之比,稱作比結(jié)合能，也叫平均結(jié)合能。

b.特點(diǎn):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。

3.質(zhì)量虧損

愛因斯坦質(zhì)能方程原子核的質(zhì)量必然比組成它的核子的質(zhì)量和要小Am,這就是

質(zhì)量虧損。由質(zhì)量虧損可求出釋放的核能AEaVzzc2。

4.核反應(yīng)

（1）重核裂變

/.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(gè)質(zhì)量數(shù)較小的原子核

的過程。

〃.特點(diǎn):a.裂變過程中能夠放出巨大的能量。

b.裂變的同時(shí)能夠放出2~3（或更多）個(gè)中子。

c.裂變的產(chǎn)物不是唯一的。

/〃典型的裂變方程噬$U+和-瑞Kr+gBa+3/。

（2）輕核聚變

/?定義:兩個(gè)輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的原子核的反應(yīng)過程。

〃.特點(diǎn):a.聚變過程放出大量的能量，平均每個(gè)核子放出的能量比裂變反應(yīng)中每個(gè)核子放

出的能量大3倍多。

b.聚變反應(yīng)比裂變反應(yīng)更劇烈。

c.對(duì)環(huán)境污染較小。

d.自然界中聚變反應(yīng)原料豐富。

以典型的聚變方程:汨+汨￡He+§n。

節(jié)3真題好題演練

1.（2021北京卷）硼（B）中子俘獲治療是目前最先進(jìn)的癌癥治療手段之一、治療時(shí)先給

病人注射一種含硼的藥物，隨后用中子照射,硼俘獲中子后，產(chǎn)生高殺傷力的a粒子和鋰（Li）

離子。這個(gè)核反應(yīng)的方程是（）

A.；Li+；HeB.[B+；He7，；N+

C.i；N+；He-1O+：HD.i；N+；n->'：C+；H

【答案】A

【解析】由題知，硼俘獲中子后，產(chǎn)生高殺傷力的a粒子和鋰（Li）離子，而a粒子為氮原

子核，則這個(gè)核反應(yīng)方程為

2B+；nf；Li+；He

故選A

2.（2021海南卷）.1932年，考克饒夫和瓦爾頓用質(zhì)子加速器進(jìn)行人工核蛻變實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了

質(zhì)能關(guān)系的正確性。在實(shí)驗(yàn)中，鋰原子核俘獲一個(gè)質(zhì)子后成為不穩(wěn)定的鉞原子核，隨后又蛻

變?yōu)閮蓚€(gè)原子核，核反應(yīng)方程為；Li+；H-吃Be-2X.己知;H、；Li、X的質(zhì)量分別

為叫=L00728u、啊=7.01601u、為=4.0015lu,光在真空中的傳播速度為c,則在

該核反應(yīng)中（)

A質(zhì)量虧損Am=4.02178u

B.釋放的核能AE=（g

C.鍍?cè)雍藘?nèi)的中子數(shù)是5

D.X表示的是瓶原子核

【答案】B

【解析】CD.根據(jù)核反應(yīng)方程滿足質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒，可知方程為

Li+：Hf：Be.2；He

則z=4，A=8,被原子核內(nèi)的中子數(shù)是4,X表示的是氫核，故CD錯(cuò)誤;

AB,核反應(yīng)質(zhì)量虧損為

△m=2/%=0.02027M

則釋放的核能為

AE=(〃R+〃?2-2nt,)c2

故A錯(cuò)誤，B正確；

故選B?

3（2021江蘇卷）.如圖所示，分別用1、2兩種材料作K極進(jìn)行光電效應(yīng)探究，其截止頻

率匕＜/，保持入射光不變，則光電子到達(dá)A極時(shí)動(dòng)能的最大值上.隨電壓U變化關(guān)系的

圖像是（）

【答案】C

【解析】光電管所加電壓為正向電壓，則根據(jù)愛因斯坦光電效應(yīng)方程可知光電子到達(dá)A極

時(shí)動(dòng)能的最大值

可知&圖像的斜率相同，均為e；截止頻率越大，則圖像在縱軸上的截距越小，因匕，

則圖像C正確，ABD錯(cuò)誤。

故選C

4（2021遼寧卷）.赫茲在研究電磁波的實(shí)驗(yàn)中偶然發(fā)現(xiàn)，接收電路的電極如果受到光照，

就更容易產(chǎn)生電火花。此后許多物理學(xué)家相繼證實(shí)了這一現(xiàn)象，即照射到金屬表面的光，能

使金屬中的電子從表面逸出。最初用量子觀點(diǎn)對(duì)該現(xiàn)象給予合理解釋的科學(xué)家是（）

A.玻爾B.康普頓

C.愛因斯坦D.德布羅意

【答案】C

【解析】A.玻爾引入量子化的觀念解釋了氫原子光譜，與題意不符，A錯(cuò)誤：

B.康普頓提出康普頓效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)了光子不僅具有能量，還具有動(dòng)量，證明了光具有粒子性，

與題意不符，B錯(cuò)誤；

C.愛因斯坦提出光子說，從理論上解釋了光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，符合題意，C正確；

D.德布羅意提出一切物質(zhì)都具有波粒二象性，與題意不符，D錯(cuò)誤。

故選C。

5（2021天津卷）.光刻機(jī)是制造芯片核心裝備，利用光源發(fā)出的紫外線，將精細(xì)圖投影

在硅片上，再經(jīng)技術(shù)處理制成芯片。為提高光刻機(jī)清晰投影最小圖像的能力，在透鏡組和硅

片之間充有液體。紫外線進(jìn)入液體后與其在真空中相比（）

A.波長(zhǎng)變短B.光子能量增加C.頻率降低D.傳播速

度增大

【答案】A

【解析】

紫外線進(jìn)入液體后與真空相比，頻率不變，傳播速度減小，根據(jù)

可知波長(zhǎng)變短；根據(jù)

￡=hv

可知，光子能量不變。

故選A。

6.（2021?山東濟(jì)南市歷城二中高三模擬）2019年9月26日，中國(guó)散裂中子源開始新一輪

開放運(yùn)行。散裂中子源是研究中子特性、探測(cè)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)的科研裝置。下列說法正

確的是（）

A.中子是組成原子核的最小粒子之一

B.中子與其他核子之間不存在庫(kù)侖力，但中子與相鄰核子之間存在相互作用的核力

C.核子之間相互作用的核力不可能為斥力

D.盧瑟福預(yù)言并通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)了中子的存在

【答案】B

【解析】A.中子仍可分，并不是組成原子核的最小粒子之一，故A錯(cuò)誤；B.中子不帶電，

因此與其他核子間無庫(kù)侖力，但無論核子是否帶電，相鄰核子間都存在強(qiáng)大的核力，故B

正確；C.核子間距離在一定范圍內(nèi)，核力表現(xiàn)為引力，當(dāng)核子間距離小于一定值時(shí)，核力

表現(xiàn)為斥力，故C錯(cuò)誤；D.盧瑟福預(yù)言了中子的存在，查德威克通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了中子的存

在，故D錯(cuò)誤。故選B。

7.（2021?天津高三模擬）2021年3月23日，在三星堆遺址考古工作中，研究員對(duì)新發(fā)現(xiàn)

的6個(gè)“祭祀坑”的73份碳屑樣本使用14c年代檢測(cè)方法進(jìn)行了分析，初步判定其中4號(hào)坑

最有可能屬于商代晚期。"C會(huì)發(fā)生,衰變，半衰期T=5730年?？諝庵?2c跟14c的存

量比穩(wěn)定，活著的生物體中碳的這兩種同位素之比與空氣中相同，生物死亡后，不再與外界

交換碳，因此測(cè)得生物遺骸中的12c與14c存量比，再與空氣中比較，可估算出生物死亡年

代。則（）

A.地球的氣候變化會(huì)影響14c的半衰期

B.200個(gè)14c原子經(jīng)過11460年后還剩余50個(gè)

C.14C的衰變方程為，N+1e

D.骨骼中以碳酸鈣（CaCC）3）形式存在的14c半衰期比單質(zhì)"*C的半衰期更長(zhǎng)

【答案】C

【解析】AD.放射性元素的原子核有半數(shù)發(fā)生衰變時(shí)所需要的時(shí)間叫半衰期，放射性元素

衰變的快慢是由原子核內(nèi)部自身決定的，與外界的物理和化學(xué)狀態(tài)無關(guān)，故AD不符合題意；

B.半衰期是一個(gè)統(tǒng)計(jì)規(guī)律，對(duì)于大量的原子核才適用，對(duì)于少量原子核是不成立的，故B

不符合題意；C.14c發(fā)生用衰變產(chǎn)生電子，根據(jù)電荷數(shù)守恒，質(zhì)量數(shù)守恒，"c的衰變方

程為Ne,故c符合題意。故選C。

8.（2021?重慶高三二模）放射性元素的原子核往往需要經(jīng)歷一系列的a衰變和。衰變才能

達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)，如嗡Th->a；He+b：>e+］；Pb。若端Th、：He、：e和翌Pb的質(zhì)量分

別用利、m2、例和人表示。則下列說法正確的是（）

A.在2蕊Th->a；He+b：e+霓Pb中,a=6,b=4

B.衰變過程中釋放出的a射線比B射線的穿透能力強(qiáng)

C.20個(gè)2^Th核經(jīng)過2個(gè)半衰期后還剩5個(gè)2打h核

D.一個(gè)嚕Th核衰變成一個(gè)2；；Pb核釋放的核能為（班—網(wǎng)—加3-砥）

【答案】A

232—208

（解析】A.根據(jù)電荷數(shù)守恒和質(zhì)量數(shù)守恒，可知a=————=6,6=2a+82—90=4,

4

故A正確；

B.衰變過程中釋放出的a射線比B射線的電離能力強(qiáng)，穿透能力弱，故B錯(cuò)誤；C.半衰

期是統(tǒng)計(jì)學(xué)規(guī)律，對(duì)于大量原子核衰變時(shí)才適用，對(duì)于個(gè)別原子核沒有意義，故C錯(cuò)誤；D.根

據(jù)質(zhì)能方程可得，一個(gè)端Th核衰變成一個(gè)個(gè)Pb核釋放的核能為

22

△E=Amc-（m,-6/n2-4/-m4）c,故D錯(cuò)誤。故選A。

9.（2021?福建福州市高三二模）我國(guó)成功研制的環(huán)流器二號(hào)M裝置，是一款通過可控?zé)岷?/p>

聚變方式，提供清潔能源的裝置。笊、瓶的核聚變反應(yīng)方程為：

:H+：H—；He+X+17.6MeV。已知笊核、泉核的比結(jié)合能分別是L09MeV、

2.78MeV,lu=931.5MeV/c2,正確的是（）

A.X核結(jié)合能為13.73MeVB.笊核結(jié)合能為3.27MeV

C.氨原子核的比結(jié)合能為7.03MeVD.聚變反應(yīng)中質(zhì)量虧損為0.（）1u

【答案】c

【解析】A.由質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒得核反應(yīng)方程為；H+：H￡He+；n+17.6MeV,

即X核為中子,單個(gè)核子沒有結(jié)合能，故A錯(cuò)誤:B.笊核結(jié)合能為1.09MeVx2=2.18MeV,

故B錯(cuò)誤；C.氮原子核的比結(jié)合能為

-（1,09MeVx2+2.78MeVx3+17.6MeV）=7.03MeV,故C正確；D.由質(zhì)能方程

4

AF176MeV

△E=Amc2可得質(zhì)量虧損為\m=r=—，代入lu=931SMeV/c?得

cc

A17.6MeV17.6MeVnnin

△/〃=------；-----=八?，八"、，=O.（）］9u,,,,,

c2931.5MeV,故D錯(cuò)底。故選C。

~\u

10.（2021?福建漳州市高三二模）關(guān)于近代物理知識(shí)，下列說法中正確的是（）

A.結(jié)合能越大的原子核越牢固

B.放射性元素發(fā)出的/射線來自原子核外電子

C.光電效應(yīng)能否發(fā)生，與光的照射時(shí)間長(zhǎng)短無關(guān)

D.處于基態(tài)的氫原子能吸收任意能量的光子而躍遷到激發(fā)態(tài)

【答案】C

【解析】A.比結(jié)合能越大，原子核中核子結(jié)合得越牢固，原子核越穩(wěn)定，結(jié)合能越大的原

子核不一定越牢固，故A錯(cuò)誤；B.放射性元素發(fā)出的。射線實(shí)質(zhì)是原子核內(nèi)的一個(gè)中子轉(zhuǎn)

變?yōu)橐粋€(gè)質(zhì)子和一個(gè)電子，B射線是釋放出來的電子，故B錯(cuò)誤；C.當(dāng)入射光的頻率大于

金屬的極限頻率時(shí)，光照射在金屬上一會(huì)立即發(fā)生光電效應(yīng)，光電效應(yīng)能否發(fā)生與光的照射時(shí)

間長(zhǎng)短無關(guān)，故C正確；D.只有當(dāng)光子的能量等于氫原子兩能級(jí)的能量差時(shí)，才能被處于

基態(tài)的氫原子吸收，氫原子躍遷到激發(fā)態(tài)，并不是任意能量的光子都能被氫原子吸收，故D

錯(cuò)誤.故選C。

11.（2021?天津和平區(qū)高三一模）氫原子發(fā)出。、b兩種頻率的單色光，相互平行地射到平

板玻璃上，經(jīng)平板玻璃后射出的光線分別為"、h',如圖所示下列說法正確的是（）

A.光線"、"仍然平行

B.光線b進(jìn)入玻璃后的傳播速度大于光線。進(jìn)入玻璃后的傳播速度

C.若光線。能使某金屬產(chǎn)生光電效應(yīng)，光線b一定能使該金屬產(chǎn)生光電效應(yīng)

D.若光線。是氫原子從能級(jí)4