專題16近代物理（講義）-（原卷版）

專題15近代物理01專題網絡·思維腦圖02考情分析·解密高考03高頻考點·以考定法04核心素養(yǎng)·難點突破05創(chuàng)新好題·輕松練考點內容學習目標光電效應1.了解光電效應原理，掌握光電效應方程，會識別光電效應的四類圖像；2.了解波粒二象性與物質波公式；3.了解氫原子光譜，了解能級躍遷、軌道和能量量子化以及基態(tài)、激發(fā)態(tài)等概念；4.了解核反應和常見的三類衰變；5.了解結合能和比結合能，知道原子核的質量虧損，并能應用質能方程進行相關的計算光的波粒二象性與物質波氫原子光譜、波爾理論和能級躍遷核反應和衰變結合能與核能及其計算光電效應和能級躍遷光電效應及其規(guī)律光電效應現象：照射到金屬表面的光，能使金屬中的電子從表面逸出，這個現象稱為光電效應，這種電子常稱為光電子．光電效應的產生條件：入射光的頻率大于或等于金屬的截止頻率．光電效應規(guī)律每種金屬都有一個截止頻率νc，入射光的頻率必須大于或等于這個截止頻率才能產生光電效應．光電子的最大初動能與入射光的強度無關，只隨入射光頻率的增大而增大．光電效應的發(fā)生幾乎是瞬時的，一般不超過10－9s.當入射光的頻率大于或等于截止頻率時，在光的顏色不變的情況下，入射光越強，飽和電流越大，逸出的光電子數越多，逸出光電子的數目與入射光的強度成正比，飽和電流的大小與入射光的強度成正比．光電效應兩條對應關系光子頻率高→光子能量大→光電子的最大初動能大；光照強度大(同種頻率的光)→光子數目多→發(fā)射光電子多→光電流大．定量分析時應抓住三個關系式愛因斯坦光電效應方程Ek＝hν－W0最大初動能與遏止電壓的關系Ek＝eUc逸出功與截止頻率的關系W0＝hνc光電效應的四類圖像分析圖像名稱圖線形狀由圖線直接(或間接)得到的物理量最大初動能Ek與入射光頻率ν的關系Ek＝hν－h(huán)νc(1)截止頻率：圖線與ν軸交點的橫坐標νc(2)逸出功：圖線與Ek軸交點的縱坐標的絕對值W0＝|－E|＝E(3)普朗克常量：圖線的斜率k＝h顏色相同、強度不同的光，光電流與電壓的關系(1)遏止電壓Uc：圖線與橫軸交點的橫坐標(2)飽和光電流Im1、Im2：光電流的最大值(3)最大初動能：Ek＝eUc顏色不同時，光電流與電壓的關系(1)遏止電壓Uc1>Uc2，則ν1>ν2(2)最大初動能：Ek1＝eUc1，Ek2＝eUc2遏止電壓Uc與入射光頻率ν的關系Uc＝eq\f(hν,e)－eq\f(W0,e)(1)截止頻率νc：圖線與橫軸的交點的橫坐標(2)普朗克常量h：等于圖線的斜率與電子電荷量的乘積，即h＝ke(注：此時兩極之間接反向電壓)解決氫原子能級躍遷問題的三點技巧原子躍遷時，所吸收或輻射的光子能量只能等于兩能級的能量差．原子從某一能級電離時，所吸收的能量可以大于或等于這一能級能量的絕對值，剩余能量為自由電子的動能．一個氫原子躍遷發(fā)出的可能光譜線條數最多為(n－1)，而一群氫原子躍遷發(fā)出的可能光譜線條數可用N＝Ceq\o\al(2,n)＝eq\f(nn－1,2)求解．光的波粒二象性與物質波光的波粒二象性光的干涉、衍射、偏振現象證明光具有波動性．光電效應說明光具有粒子性．光既具有波動性，又具有粒子性，稱為光的波粒二象性．物質波概率波：光的干涉現象是大量光子的運動遵守波動規(guī)律的表現，亮條紋是光子到達概率大的地方，暗條紋是光子到達概率小的地方，因此光波又叫概率波．物質波：任何一個運動著的物體，小到微觀粒子，大到宏觀物體，都有一種波與它對應，其波長λ＝eq\f(h,p)，p為運動物體的動量，h為普朗克常量．氫原子光譜、玻爾理論和能級躍遷氫原子光譜光譜：用棱鏡或光柵可以把光按波長(頻率)展開，獲得光的波長(頻率)和強度分布的記錄，即光譜．光譜分類：1）線狀譜是一條條的亮線．2）連續(xù)譜是連在一起的光帶．氫原子光譜的實驗規(guī)律：巴耳末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)＝R∞eq\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，此公式稱為巴耳末公式．氫光譜在紅外和紫外光區(qū)的其他譜線也都滿足與巴耳末公式類似的關系式．玻爾理論定態(tài)假設：電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)中電子繞核的運動是穩(wěn)定的，電子雖然繞核運動，但并不產生電磁輻射．躍遷假設：電子從能量較高的定態(tài)軌道(其能量記為En)躍遷到能量較低的定態(tài)軌道(能量記為Em，m<n)時，會放出能量為hν的光子，這個光子的能量由前后兩個能級的能量差決定，即hν＝En－Em.(h是普朗克常量，h＝6.63×10－34J·s)軌道量子化假設：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．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．能級躍遷能級和半徑公式：1）能級公式：En＝eq\f(1,n2)E1(n＝1,2,3，…)，其中E1為基態(tài)能量，其數值為E1＝－13.6eV.2）半徑公式：rn＝n2r1(n＝1,2,3，…)，其中r1為基態(tài)軌道半徑，其數值為r1＝0.53×10－10m.氫原子的能級圖，如圖所示原子核的衰變及半衰期原子核的衰變衰變：原子核自發(fā)地放出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．α衰變、β衰變衰變類型α衰變β衰變衰變方程eq\o\al(M,Z)X→eq\o\al(M－4,Z－2)Y＋eq\o\al(4,2)Heeq\o\al(M,Z)X→eq\o\ar(M,Z＋1)Y＋eq\o\ar(0,－1)e衰變實質2個質子和2個中子結合成一個整體射出中子轉化為質子和電子2eq\o\al(1,1)H＋2eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(4,2)Heeq\o\ar(1,0)n→eq\o\ar(1,1)H＋eq\o\ar(0,－1)e衰變規(guī)律電荷數守恒、質量數守恒γ射線：γ射線經常是伴隨著α衰變或β衰變同時產生的．半衰期公式：N余＝N原，m余＝m原.影響因素：放射性元素衰變的快慢是由核內部自身的因素決定的，跟原子所處的外部條件(如溫度、壓強)和化學狀態(tài)(如單質、化合物)無關(選填“有關”或“無關”)．核反應及核能的計算核反應的四種類型類型可控性核反應方程典例衰變α衰變自發(fā)eq\o\ar(238,92)U→eq\o\ar(234,90)Th＋eq\o\ar(4,2)Heβ衰變自發(fā)eq\o\ar(234,90)Th→eq\o\ar(234,91)Pa＋eq\o\ar(0,－1)e人工轉變人工控制eq\o\ar(14,7)N＋eq\o\ar(4,2)He→eq\o\ar(17,8)O＋eq\o\ar(1,1)H(盧瑟福發(fā)現質子)eq\o\ar(4,2)He＋eq\o\ar(9,4)Be→eq\o\ar(12,6)C＋eq\o\ar(1,0)n(查德威克發(fā)現中子)eq\o\al(27,13)Al＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(30,15)P＋eq\o\al(1,0)n約里奧－居里夫婦發(fā)現放射性同位素，同時發(fā)現正電子eq\o\ar(30,15)P→eq\o\ar(30,14)Si＋eq\o\ar(0,＋1)e重核裂變容易控制eq\o\ar(235,92)U＋eq\o\ar(1,0)n→eq\o\ar(144,56)Ba＋eq\o\ar(89,36)Kr＋3eq\o\ar(1,0)neq\o\ar(235,92)U＋eq\o\ar(1,0)n→eq\o\ar(136,54)Xe＋eq\o\ar(90,38)Sr＋10eq\o\ar(1,0)n輕核聚變現階段很難控制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核反應方程式的書寫熟記常見基本粒子的符號，是正確書寫核反應方程的基礎．如質子(eq\o\ar(1,1)H)、中子(eq\o\ar(1,0)n)、α粒子(eq\o\ar(4,2)He)、β粒子(eq\o\ar(0,－1)e)、正電子(eq\o\ar(0,＋1)e)、氘核(eq\o\ar(2,1)H)、氚核(eq\o\ar(3,1)H)等．掌握核反應方程遵循的規(guī)律：質量數守恒，電荷數守恒．由于核反應不可逆，所以書寫核反應方程式時只能用“→”表示反應方向．核力和核能核力：原子核內部，核子間所特有的相互作用力．結合能：原子核是核子憑借核力結合在一起構成的，要把它們分開需要的能量，叫作原子的結合能，也叫核能．比結合能：原子核的結合能與核子數之比，叫作比結合能，也叫平均結合能．比結合能越大，原子核中核子結合得越牢固，原子核越穩(wěn)定．核子在結合成原子核時出現質量虧損Δm，其對應的能量ΔE＝Δmc2.原子核分解成核子時要吸收一定的能量，相應的質量增加Δm，吸收的能量為ΔE＝Δmc2.考向一：光電效應【探究重點】光電效應方程表達式：hν＝Ek＋W0或Ek＝hν－W0.物理意義：金屬表面的電子吸收一個光子獲得的能量是hν，這些能量的一部分用來克服金屬的逸出功W0，剩下的表現為逸出后電子的最大初動能．逸出功W0：電子從金屬中逸出所需做功的最小值，W0＝hνc＝heq\f(c,λc).最大初動能：發(fā)生光電效應時，金屬表面上的電子吸收光子后克服原子核的引力逸出時所具有的動能的最大值．【高考解密】(2022·全國乙卷·17)一點光源以113W的功率向周圍所有方向均勻地輻射波長約為6×10－7m的光，在離點光源距離為R處每秒垂直通過每平方米的光子數為3×1014個．普朗克常量為h＝6.63×10－34J·s.R約為()A．1×102m B．3×102mC．6×102m D．9×102m【考向預測】(2022·江蘇常州市期末)如圖所示，分別用1、2兩種材料作K極進行光電效應探究，其截止頻率ν1<ν2，保持入射光不變，則光電子到達A極時動能的最大值Ekm隨電壓U變化關系的圖像是()考向二：波粒二象性與物質波【探究重點】康普頓效應：在研究石墨對X射線的散射時，發(fā)現在散射的X射線中，除了與入射波長λ0相同的成分外，還有波長大于λ0的成分，這個現象稱為康普頓效應?？灯疹D效應的意義：康普頓效應表明光子不僅具有能量而且具有動量。光子的動量：1)表達式：p＝eq\f(h,λ)。2)說明：在康普頓效應中，當入射的光子與晶體中的電子碰撞時，要把一部分動量轉移給電子，光子的動量可能變小。因此，有些光子散射后波長變大。光的干涉和衍射現象說明光具有波動性，光電效應和康普頓效應說明光具有粒子性?！靖呖冀饷堋?2022·江蘇·高考真題)上海光源通過電子光子散射使光子能量增加，光子能量增加后()A．頻率減小 B．波長減小 C．動量減小 D．速度減小【考向預測】(2023·江蘇蘇北七市聯考)著名物理學家湯姆孫曾在實驗中讓電子束通過電場加速后，通過多晶薄膜得到了如圖所示衍射圖樣，已知電子質量為m＝9.1×10－31kg，加速后電子速度v＝5.0×106m/s，普朗克常量h＝6.63×10－34J·s，則()A．該圖樣說明了電子具有粒子性B．該實驗中電子的德布羅意波長約為0.15nmC．加速電壓越大，電子的物質波波長越大D．使用電子束工作的電子顯微鏡中，加速電壓越大，分辨本領越弱考向三：氫原子光譜、波爾理論和能級躍遷【探究重點】兩類能級躍遷自發(fā)躍遷：高能級→低能級，釋放能量，發(fā)射光子．光子的頻率ν＝eq\f(ΔE,h)＝eq\f(E高－E低,h).受激躍遷：低能級→高能級，吸收能量．躍遷條件吸收光子的能量必須恰好等于能級差hν＝ΔE.(注意：當入射光子能量大于該能級的電離能時，原子對光子吸收不再具有選擇性，而是吸收以后發(fā)生電離)碰撞、加熱等：只要入射粒子能量大于或等于能級差即可，E外≥ΔE.光譜線條數的確定方法一個氫原子躍遷發(fā)出可能的光譜線條數最多為n－1.一群氫原子躍遷發(fā)出可能的光譜線條數N＝Ceq\o\al(2,n)＝eq\f(nn－1,2).電離電離態(tài)：n＝∞，E＝0.電離能：指原子從基態(tài)或某一激發(fā)態(tài)躍遷到電離態(tài)所需要吸收的最小能量．例如：氫原子從基態(tài)→電離態(tài)：E吸＝0－(－13.6eV)＝13.6eV若吸收能量足夠大，克服電離能后，獲得自由的電子還具有動能．【高考解密】(2022·浙江·統(tǒng)考高考真題)如圖為氫原子的能級圖。大量氫原子處于n=3的激發(fā)態(tài)，在向低能級躍遷時放出光子，用這些光子照射逸出功為2.29eV的金屬鈉。下列說法正確的是()A．逸出光電子的最大初動能為10.80eVB．n=3躍遷到n=1放出的光子動量最大C．有3種頻率的光子能使金屬鈉產生光電效應D．用0.85eV的光子照射，氫原子躍遷到n=4激發(fā)態(tài)【考向預測】(2022·海南?？谑幸荒?氫原子能級圖如圖所示，處于基態(tài)的一群氫原子被頻率為ν0的單色光照射后，發(fā)出3種頻率的光，頻率關系為ν1>ν2>ν3，則()A．ν0>ν1 B．hν3＝1.89eVC．hν2＝12.09eV D．hν1＝0.76eV考向四：核反應與衰變【探究重點】核反應方程中電荷數守恒，質量數守恒，有質量虧損．α衰變和β衰變次數的確定方法方法一：由于β衰變不改變質量數，故可以先由質量數改變確定α衰變的次數，再根據電荷數守恒確定β衰變的次數．方法二：設α衰變次數為x，β衰變次數為y，根據質量數和電荷數守恒列方程組求解．核能的計算方法根據ΔE＝Δmc2計算，計算時Δm的單位是“kg”，c的單位是“m/s”，ΔE的單位是“J”．根據ΔE＝Δm×931.5MeV計算．因1原子質量單位(u)相當于931.5MeV的能量，所以計算時Δm的單位是“u”，ΔE的單位是“MeV”．根據核子比結合能來計算核能：原子核的結合能＝核子比結合能×核子數．【高考解密】(2023·全國·統(tǒng)考高考真題)在下列兩個核反應方程中、，X和Y代表兩種不同的原子核，以Z和A分別表示X的電荷數和質量數，則(

)A．， B．， C．， D．，【考向預測】(2022·陜西西安市一模)2020年3月15日中國散裂中子源(CSNS)利用中子成像技術幫助中國科技大學進行了考古方面的研究．散裂中子源是研究中子特性、探測物質微觀結構和運動的科研裝置．下列關于中子研究的說法正確的是()A．α粒子轟擊eq\o\ar(14,7)N，生成eq\o\ar(17,8)O，并產生了中子B．eq\o\ar(238,92)U經過4次α衰變，2次β衰變，新核與原來的原子核相比，中子數少了6個C．放射性β射線其實質是高速中子流，可用于醫(yī)學的放射治療D．核電站可通過控制中子數目來控制核反應劇烈程度考向五：結合能與核能及其計算【探究重點】核能的計算方法根據ΔE＝Δmc2計算，計算時Δm的單位是“kg”，c的單位是“m/s”，ΔE的單位是“J”．根據ΔE＝Δm×931.5MeV計算．因1原子質量單位(u)相當于931.5MeV的能量，所以計算時Δm的單位是“u”，ΔE的單位是“MeV”．根據核子比結合能來計算核能：原子核的結合能＝核子比結合能×核子數．【高考解密】(2023·浙江·統(tǒng)考高考真題)“玉兔二號”裝有核電池，不懼漫長寒冷的月夜。核電池將衰變釋放的核能一部分轉換成電能。的衰變方程為，則()A．衰變方程中的X等于233 B．的穿透能力比γ射線強C．比的比結合能小 D．月夜的寒冷導致的半衰期變大【考向預測】(2023·全國·統(tǒng)考高考真題)2022年10月，全球眾多天文設施觀測到迄今最亮伽馬射線暴，其中我國的“慧眼”衛(wèi)星、“極目”空間望遠鏡等裝置在該事件觀測中作出重要貢獻。由觀測結果推斷，該伽馬射線暴在1分鐘內釋放的能量量級為。假設釋放的能量來自于物質質量的減少，則每秒鐘平均減少的質量量級為(光速為)A． B． C． D．(2021·河北·高考真題)普朗克常量，光速為c，電子質量為，則在國際單位制下的單位是()A． B．m C． D．（2023·北京市育才學校高三下學期三模）如圖所示，把一塊不帶電的鋅板接在驗電器上，用紫外線燈照射鋅板，驗電器的金屬箔片張開，則下列說法中正確的是（）A.紫外線的波長比可見光長B.驗電器的金屬箔片帶正電C.從鋅板逸出電子的動能都相等D.若改用紅外燈照射，驗電器的金屬箔片一定張開(2023·江蘇省如東高級中學檢測)用如圖所示的裝置研究光電效應現象，當用光子能量為3.6eV的光照射到光電管上時，電流表G有讀數．移動變阻器的觸頭c，當電壓表的示數大于或等于0.9V時，電流表讀數為0，則以下說法正確的是()A．光電子的初動能可能為0.8eVB．光電管陰極的逸出功為0.9eVC．開關S斷開后，電流表G示數為0D．改用能量為2eV的光子照射，電流表G有電流，但電流較小(2023·江蘇南通市模擬)在光電效應實驗中，某同學用同一光電管在不同實驗條件下得到三條光電流與電壓之間的關系曲線(甲光、乙光、丙光)，如圖所示．則()A．甲光的強度小于乙光的強度B．乙光的頻率大于丙光的頻率C．丙光照射時，逸出的所有光電子的物質波波長都最短D．當電壓等于U0時，甲、乙光對應的光電子的最大動能相等（2023·湖南省益陽市一中高三下學期5月三模）氫原子的核外電子從n=2的能級躍遷到n=1的能級時，發(fā)出的光恰好能使某種金屬發(fā)生光電效應，則下列各種說法中正確的是（）A.該光是氫原子所有可能發(fā)出的光中能量最大的B.氫原子中由高能級躍遷到n=2的能級時發(fā)出的光可能使該金屬發(fā)生光電效應C.該金屬發(fā)生光電效應產生的光電子的最大能量恰好等于氫原子從n=2的能級躍遷到n=1的能級所放出光子的能量D.氫原子從n=2的能級躍遷到n=1的能級所放出光子的能量等于該金屬的逸出功(2022·湖南永州市三模)1956年吳健雄用半衰期為5.27年的eq\o\al(60,27)Co對李政道和楊振寧提出的在弱相互作用中宇稱不守恒進行實驗驗證.eq\o\al(60,27)Co的衰變方程式為eq\o\al(60,27)Co→eq\o\al(60,28)Ni＋X.下列說法正確的是()A．X是質子B．增大壓強，可使eq\o\al(60,27)Co的半衰期變?yōu)?0.54年C.eq\o\al(60,27)Co衰變能釋放出X，說明了原子核中有XD．若該衰變過程中的質量虧損為Δm，真空中的光速為c，則該反應釋放的能量為Δmc2(2021·浙江6月選考·13)已知普朗克常量h＝6.63×10－34J·s，電子的質量為9.11×10－31kg，一個電子和一滴直徑約為4μm的油滴具有相同動能，則電子與油滴的德布羅意波長之比的數量級為(ρ油＝0.8×103kg/m3)()A．10－8 B．106C．108 D．1016(2023·江蘇連云港市模擬)科學家以高速電子束為“光源”利用冷凍電鏡“拍攝”到了新冠病毒的3D影像．冷凍電鏡分辨率比光學顯微鏡高1000倍以上，可達0.2nm.不考慮相對論效應，下列說法正確的是()A．冷凍電鏡的分辨率非常高，是由于電子的德布羅意波長長B．用高倍光學顯微鏡也能拍攝到新冠病毒的影像C．電子運動的速度越大，其德布羅意波的衍射能力越強D．若用相同動能的質子代替電子，也能“拍攝”到新冠病毒的3D影像（2023·江蘇省蘇錫常鎮(zhèn)四市高三下學期二模補償訓練）微型核電池的體積很小，只有一個硬幣的厚度，電力極強，可用于充電。微型核電池利用微型和納米級系統(tǒng)研發(fā)出了一種超微型電源設備，這種電池通過放射性物質的衰變，釋放出帶電粒子，從而獲得持續(xù)電流。鎳發(fā)生衰變變?yōu)殂~，用它制成的大容量核電池，續(xù)航可超百年。下列說法正確的是（）A.衰變中粒子來源的方程為B.鎳的衰變方程滿足質量守恒，電荷數守恒C.升高鎳的溫度，可使其半衰期減小D.鎳的比結合能比銅的比結合能大（2023·江蘇省南京市高三下學期三模）用中子轟擊靜止的鋰核，核反應方程為。已知光子的頻率為v，鋰核的比結合能為，氦核的比結合能為，X核的比結合能為，普朗克常量為h，真空中光速為c、下列說法中正確的是（）A.X核為核 B.光子的動量C.釋放的核能 D.質量虧損有一勻強磁場，磁感應強度大小為B，方向垂直紙面向外，一個原來靜止在A處的原子核發(fā)生衰變放射出兩個粒子，兩個新核的運動軌跡如圖所示，已知兩個相切圓半徑分別為r1、r2.下列說法不正確的是