專題16近代物理初步【講】目錄TOC\o"1-3"\h\u一講核心素養(yǎng) 1二講必備知識 2【知識點一】光電效應(yīng)現(xiàn)象和方程的應(yīng)用 2【知識點二】光的波粒二象性和物質(zhì)波 4【知識點三】玻爾理論和能級躍遷 6【知識點四】原子核的衰變及半衰期 8【知識點五】核反應(yīng)及核反應(yīng)類型 10三．講關(guān)鍵能力 12能力點一會分析光電效應(yīng)的圖像問題 12能力點二質(zhì)量虧損及核能的計算 14一講核心素養(yǎng)課程標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容及要求核心素養(yǎng)及關(guān)鍵能力核心素養(yǎng)關(guān)鍵能力1.了解人類探索原子及其結(jié)構(gòu)的歷史。知道原子的核式結(jié)構(gòu)模型。通過對氫原子光譜的分析，了解原子的能級結(jié)構(gòu)。模型構(gòu)建物理建模能力2.了解原子核的組成和核力的性質(zhì)。知道四種基本相互作用。能根據(jù)質(zhì)量數(shù)守恒和電荷守恒寫出核反應(yīng)方程。物理規(guī)律理解能力3.了解放射性和原子核衰變。知道半衰期及其統(tǒng)計意義。了解放射性同位素的應(yīng)用，知道射線的危害與防護。物理規(guī)律理解能力4.認識原子核的結(jié)合能，了解核裂變反應(yīng)和核聚變反應(yīng)。關(guān)注核技術(shù)應(yīng)用對人類生活和社會發(fā)展的影響。科學(xué)推理分析計算能力5.通過實驗，了解光電效應(yīng)現(xiàn)象。知道愛因斯坦光電效應(yīng)方程及其意義。能根據(jù)實驗結(jié)論說明光的波粒二象性。物理規(guī)律分析計算能力6.知道實物粒子具有波動性，了解微觀世界的量子化特征。體會量子論的建立對人們認識物質(zhì)世界的影響。二講必備知識【知識點一】光電效應(yīng)現(xiàn)象和方程的應(yīng)用(1)能否發(fā)生光電效應(yīng)，不取決于光的強度而取決于光的頻率。(2)光電效應(yīng)中的“光”不是特指可見光，也包括不可見光。(3)逸出功的大小由金屬本身決定，與入射光無關(guān)。(4)光電子不是光子，而是電子。(1)光的強度大→光子數(shù)目多→發(fā)射光電子多→光電流大。(2)光子頻率高→光子能量大→產(chǎn)生光電子的最大初動能大→遏止電壓大。(1)愛因斯坦光電效應(yīng)方程：Ek＝hν－W0。(2)最大初動能與遏止電壓的關(guān)系：Ek＝eUc。(3)逸出功與極限頻率的關(guān)系：W0＝hνc。【例1】(2021·山東濰坊市第二次高考模擬)如圖所示，分別用頻率為ν、2ν的光照射某光電管，對應(yīng)的遏止電壓之比為1∶3，普朗克常量用h表示，則()eq\f(1,3)ν的光照射該光電管時有光電子逸出eq\f(1,2)hνν的光照射時逸出光電子的初動能一定大D.加正向電壓時，用2ν的光照射時飽和光電流一定大【素養(yǎng)升華】本題考察的學(xué)科素養(yǎng)主要是物理觀念及科學(xué)思維。【技巧總結(jié)】區(qū)分光電效應(yīng)中的三組概念(1)光子與光電子：光子指光在空間傳播時的每一份能量，光子不帶電；光電子是金屬表面受到光照射時發(fā)射出來的電子，其本質(zhì)是電子。光子是因，光電子是果。(2)光電子的動能與光電子的最大初動能。(3)光電流和飽和光電流：金屬板飛出的光電子到達陽極，回路中便產(chǎn)生光電流，隨著所加正向電壓的增大，光電流趨于一個飽和值，這個飽和值是飽和光電流，在一定的光照條件下，飽和光電流與所加電壓大小無關(guān)。【變式訓(xùn)練1】(2021·陽江模擬)用如圖所示的光電管研究光電效應(yīng)的實驗中，用某種頻率的單色光a照射光電管陰極K，電流計G的指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)。而用另一頻率的單色光b照射光電管陰極K時，電流計G的指針不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，那么()A．a(chǎn)光的波長一定大于b光的波長B．增加b光的強度可能使電流計G的指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)C．用a光照射光電管陰極K時通過電流計G的電流是由d到cD．只增加a光的強度可使通過電流計G的電流增大【變式訓(xùn)練2】(多選)在光電效應(yīng)實驗中，分別用頻率為νa、νb的單色光a、b照射到同種金屬上，測得相應(yīng)的遏止電壓分別為Ua和Ub，光電子的最大初動能分別為Eka和Ekb。h為普朗克常量。下列說法正確的是()νa＞νb，則一定有Ua＜Ubνa＞νb，則一定有Eka＞EkbUa＜Ub，則一定有Eka＜Ekbνa＞νb，則一定有hνa－Eka＞hνb－Ekb【知識點二】光的波粒二象性和物質(zhì)波個別光子的作用效果往往表現(xiàn)為粒子性；大量光子的作用效果往往表現(xiàn)為波動性。頻率越低波動性越顯著，越容易看到光的干涉和衍射現(xiàn)象；頻率越高粒子性越顯著，貫穿本領(lǐng)越強，越不容易看到光的干涉和衍射現(xiàn)象。光在傳播過程中往往表現(xiàn)出波動性；在與物質(zhì)發(fā)生作用時往往表現(xiàn)為粒子性。由光子的能量E＝hν、光子的動量表達式p＝eq\f(h,λ)也可以看出，光的波動性和粒子性并不矛盾，表示粒子性的能量和動量的計算式中都含有描述波動性的物理量——頻率ν和波長λ。【例2】(2021·朔州模擬)下列有關(guān)光的波粒二象性的說法中，正確的是()A．有的光是波，有的光是粒子B．光子與電子是同樣的一種粒子C．光的波長越長，其波動性越顯著；波長越短，其粒子性越顯著D．大量光子的行為往往顯示出粒子性【素養(yǎng)升華】本題考察的學(xué)科素養(yǎng)主要是物理觀念。【變式訓(xùn)練1】(2021·北京市第13中學(xué)開學(xué)測試)a、b兩束單色光分別用同一雙縫干涉裝置進行實驗，在距雙縫恒定距離的屏上得到如圖所示的干涉圖樣，圖7甲是a光照射時形成的干涉圖樣，圖乙是b光照射時形成的干涉圖樣。下列關(guān)于a、b兩束單色光的說法正確的是()A.a光子的能量較大a光傳播的速度較小b光照射某金屬沒有光電子逸出，則a光照射該金屬時也沒有光電子逸出a光是氫原子的核外電子從第三能級向第二能級躍遷時產(chǎn)生的，則b光可能是氫原子的核外電子從第四能級向第三能級躍遷時產(chǎn)生的【變式訓(xùn)練2】(多選)(2021·四川涼山州第二次診斷)下列說法中正確的有()D.由紅光和綠光組成的一細光束從水中射向空氣，在不斷增大入射角時水面上首先消失的是綠光【知識點三】玻爾理論和能級躍遷1.定態(tài)間的躍遷——滿足能級差(1)從低能級(n)eq\o(→,\s\up11(躍遷),\s\do4())高能級(m)→吸收能量。hν＝Em－En(2)從高能級(m)eq\o(→,\s\up11(躍遷),\s\do4())低能級(n)→放出能量。hν＝Em－En2．電離電離態(tài)與電離能電離態(tài)：n＝∞，E＝0基態(tài)→電離態(tài)：E吸＝0－(－13.6eV)＝13.6eV。激發(fā)態(tài)→電離態(tài)：E吸＞0－En＝|En|。若吸收能量足夠大，克服電離能后，獲得自由的電子還攜帶動能。【例3】(多選)(2021·永州市模擬)如圖所示是玻爾為解釋氫原子光譜畫出的氫原子能級示意圖。大量處于n＝3能級的氫原子向低能級躍遷放出若干頻率的光子，設(shè)普朗克常量為h，下列說法正確的是()A．能產(chǎn)生3種不同頻率的光子B．產(chǎn)生的光子的最大頻率為eq\f(E3－E1,h)C．當(dāng)氫原子從能級n＝2躍遷到n＝1時，氫原子的能量變大D．若氫原子從能級n＝2躍遷到n＝1時放出的光子恰好能使某金屬發(fā)生光電效應(yīng)，則當(dāng)氫原子從能級n＝3躍遷到n＝1時放出的光子照到該金屬表面時，逸出的光電子的最大初動能為E3－E2【素養(yǎng)升華】本題考察的學(xué)科素養(yǎng)主要是科學(xué)思維與物理觀念。【技巧總結(jié)】1．原子的兩類能級躍遷(1)自發(fā)躍遷：高能級→低能級，釋放能量，發(fā)出光子。(2)受激躍遷：通過光照、撞擊或加熱等，低能級→高能級，當(dāng)吸收的能量大于或等于原子所處能級的|En|，原子將發(fā)生電離。(3)原子在兩個能級之間發(fā)生躍遷時，放出(或吸收)光子的頻率是一定的，可由hν＝Em－En求得。若求波長可由公式c＝λν求得。2．電離電離態(tài)與電離能電離態(tài)：n＝∞，E＝0基態(tài)→電離態(tài)：E吸>0－(－13.6eV)＝13.6eV。激發(fā)態(tài)→電離態(tài)：E吸>0－En＝|En|。若吸收能量足夠大，克服電離能后，獲得自由的電子還攜帶動能。3．解答氫原子能級圖與原子躍遷問題應(yīng)注意(1)能級之間發(fā)生躍遷時放出(吸收)光子的頻率由hν＝Em－En決定，波長可由公式c＝λν求得。(2)一個氫原子躍遷發(fā)出可能的光譜線條數(shù)最多為n－1。(3)一群氫原子躍遷發(fā)出可能的光譜線條數(shù)的兩種求解方法。①用數(shù)學(xué)中的組合知識求解：N＝Ceq\o\al(2,n)＝eq\f(nn－1,2)。②利用能級圖求解：在氫原子能級圖中將氫原子躍遷的各種可能情況一一畫出，然后相加。【變式訓(xùn)練1】[2021·江蘇省統(tǒng)考(三)]為了做好疫情防控工作，小區(qū)物業(yè)利用紅外測溫儀對出入人員進行體溫檢測。紅外測溫儀的原理是：被測物體輻射的光線只有紅外線可被捕捉，并轉(zhuǎn)變成電信號。圖為氫原子能級示意圖，已知紅外線單個光子能量的最大值為1.62eV，要使氫原子輻射出的光子可被紅外測溫儀捕捉，最少應(yīng)給處于n＝2激發(fā)態(tài)的氫原子提供的能量為()A.10.20eV B.2.89eVC.2.55eV D.1.89eV【變式訓(xùn)練2】(2021·山東青島市5月統(tǒng)一質(zhì)量檢測)已知氫原子能級公式為En＝eq\f(E1,n2)，其中n為量子數(shù)。氫原子從n能級向n－1能級躍遷時釋放出的能量可以使處于n能級上的氫原子電離，則n的最大值為()A.2 B.3C.2＋eq\r(2) 【知識點四】原子核的衰變及半衰期(1)α衰變和β衰變的比較衰變類型α衰變β衰變衰變過程eq\o\al(A,Z)X→eq\o\al(A－4,Z－2)Y＋eq\o\al(4,2)Heeq\o\al(A,Z)X→eq\o\al(A,Z＋1)Y＋eq\o\al(0,－1)e衰變實質(zhì)2個質(zhì)子和2個中子結(jié)合成一個整體射出1個中子轉(zhuǎn)化為1個質(zhì)子和1個電子2eq\o\al(1,1)H＋2eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(4,2)Heeq\o\al(1,0)n→eq\o\al(1,1)H＋eq\o\al(0,－1)e勻強磁場中軌跡形狀衰變規(guī)律電荷數(shù)守恒、質(zhì)量數(shù)守恒、動量守恒(2)γ射線：γ射線經(jīng)常伴隨著α衰變或β衰變同時產(chǎn)生。其實質(zhì)是放射性原子核在發(fā)生α衰變或β衰變的過程中，產(chǎn)生的新核由于具有過多的能量(原子核處于激發(fā)態(tài))而輻射出光子。因為β衰變對質(zhì)量數(shù)無影響，所以先由質(zhì)量數(shù)的改變確定α衰變的次數(shù)，然后再根據(jù)衰變規(guī)律確定β衰變的次數(shù)。(1)公式：N余＝N原(eq\f(1,2))eq\f(t,τ)，m余＝m原(eq\f(1,2))eq\f(t,τ)。(2)影響因素：放射性元素衰變的快慢是由原子核內(nèi)部自身因素決定的，跟原子所處的物理狀態(tài)(如溫度、壓強)或化學(xué)狀態(tài)(如單質(zhì)、化合物)無關(guān)。4.衰變中的動量問題：滿足動量守恒定律。【例4】(多選)關(guān)于天然放射現(xiàn)象，以下敘述正確的是()A．若使放射性物質(zhì)的溫度升高，其半衰期將變大B．β衰變所釋放的電子是原子核內(nèi)的質(zhì)子轉(zhuǎn)變?yōu)橹凶訒r產(chǎn)生的C．在α、β、γ這三種射線中，γ射線的穿透能力最強，α射線的電離能力最強D．鈾核(eq\o\al(238,92)U)衰變?yōu)殂U核(eq\o\al(206,82)Pb)的過程中，要經(jīng)過8次α衰變和6次β衰變【素養(yǎng)升華】本題考察的學(xué)科素養(yǎng)主要是物理觀念。【技巧總結(jié)】對半衰期的理解(1)半衰期是大量原子核衰變時的統(tǒng)計規(guī)律，對個別或少量原子核，無半衰期可言。(2)根據(jù)半衰期的概念，可總結(jié)出公式N余＝N原eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2)))eq\s\up8(eq\f(t,τ))，m余＝m原eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2)))eq\s\up8(eq\f(t,τ))。式中N原、m原表示衰變前的放射性元素的原子數(shù)和質(zhì)量，N余、m余表示衰變后尚未發(fā)生衰變的放射性元素的原子數(shù)和質(zhì)量，t表示衰變時間，τ表示半衰期。【變式訓(xùn)練1】(多選)(2021·福建泉州市第一次質(zhì)檢)活體生物由于需要呼吸，其體內(nèi)的14C含量大致不變，死后停止呼吸，體內(nèi)的14C含量開始減少。由于碳元素在自然界的各個同位素的比例一直都很穩(wěn)定，人們可通過測定古木的14C含量，來估計它的大概年齡，這種方法稱之為碳定年法。14C衰變?yōu)?4N的半衰期約為5730年，某古木樣品中14C的比例約為現(xiàn)代植物所制樣品的二分之一。下列說法正確的是()A.該古木的年齡約為5730年B.14C與14N具有相同的中子數(shù)C.14C衰變?yōu)?4N的過程中放出β射線14C的衰變【變式訓(xùn)練2】(2021·北京市密云區(qū)下學(xué)期第一次測試)一個eq\o\al(238,92)U原子核靜止在磁感應(yīng)強度為B的勻強磁場中，當(dāng)原子核發(fā)生衰變后，它放出一個α粒子(eq\o\al(4,2)He)，其速度方向與磁場方向垂直。關(guān)于α粒子與衰變后的新核在磁場中做的圓周運動，下列說法正確的是()A.運動半徑之比是45∶1B.運動周期之比是1∶117D.動量總是大小相等，方向相反【知識點五】核反應(yīng)及核反應(yīng)類型類型可控性核反應(yīng)方程典例衰變α衰變自發(fā)eq\o\al(238,92)U→eq\o\al(234,90)Th＋eq\o\al(4,2)Heβ衰變自發(fā)eq\o\al(234,90)Th→eq\o\al(234,91)Pa＋eq\o\al(0,－1)e人工轉(zhuǎn)變?nèi)斯た刂芿q\o\al(14,7)N＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(17,8)O＋eq\o\al(1,1)H(盧瑟福發(fā)現(xiàn)質(zhì)子)eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(9,4)Be→eq\o\al(12,6)C＋eq\o\al(1,0)n(查德威克發(fā)現(xiàn)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(xiàn)放射性同位素，同時發(fā)現(xiàn)正電子eq\o\al(30,15)P→eq\o\al(30,14)Si＋eq\o\al(0,＋1)e重核裂變比較容易進行人工控制eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(144,56)Ba＋eq\o\al(89,36)Kr＋3eq\o\al(1,0)neq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(136,54)Xe＋eq\o\al(90,38)Sr＋10eq\o\al(1,0)n輕核聚變很難控制eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)n(1)熟記常見基本粒子的符號，是正確書寫核反應(yīng)方程的基礎(chǔ)。如質(zhì)子(eq\o\al(1,1)H)、中子(eq\o\al(1,0)n)、α粒子(eq\o\al(4,2)He)、β粒子(eq\o\al(0,－1)e)、正電子(0＋1e)、氘核(eq\o\al(2,1)H)、氚核(eq\o\al(3,1)H)等。(2)掌握核反應(yīng)方程遵守的規(guī)律，是正確書寫核反應(yīng)方程或判斷某個核反應(yīng)方程是否正確的依據(jù)，由于核反應(yīng)不可逆，所以書寫核反應(yīng)方程式時只能用“→”表示反應(yīng)方向。(3)核反應(yīng)過程中質(zhì)量數(shù)守恒，電荷數(shù)守恒。【例5】(2021·山東省等級考試第二次模擬卷)在核反應(yīng)堆中，eq\o\al(238,92)U吸收一個中子后生成eq\o\al(239,94)Pu，eq\o\al(239,94)Pu是重要的核燃料，其衰變方程式為eq\o\al(239,94)Pu→eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(4,2)He＋γ。以下說法正確的是()A.eq\o\al(239,94)Pu衰變過程是一個β衰變過程B.eq\o\al(239,94)Pu衰變過程質(zhì)量數(shù)守恒，所以沒有核能量釋放C.eq\o\al(239,94)Pu衰變過程中的γ光子是由eq\o\al(235,92)U原子核能級躍遷產(chǎn)生的D.eq\o\al(238,92)U吸收一個中子后生成eq\o\al(239,94)Pu的核反應(yīng)過程是一個α衰變過程【變式訓(xùn)練】(2021·山東泰安市一輪檢測)下列關(guān)于核反應(yīng)的說法正確的是()A.eq\o\al(234,90)Th→eq\o\al(234,91)Pa＋eq\o\al(0,－1)e是β衰變方程，eq\o\al(238,92)U→eq\o\al(234,90)Th＋eq\o\al(4,2)He是核裂變方程B.eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(144,56)Ba＋eq\o\al(89,36)Kr＋3eq\o\al(1,0)n是核裂變方程，也是氫彈的核反應(yīng)方程C.eq\o\al(234,90)Th衰變?yōu)閑q\o\al(222,86)Rh，經(jīng)過3次α衰變，2次β衰變eq\o\al(27,13)Al被α粒子擊中后產(chǎn)生的反應(yīng)生成物是磷eq\o\al(30,15)P，同時放出一個質(zhì)子三．講關(guān)鍵能力能力點一會分析光電效應(yīng)的圖像問題圖像名稱圖線形狀由圖線直接(間接)得到的物理量最大初動能Ek與入射光頻率ν的關(guān)系圖線①極限頻率：圖線與ν軸交點的橫坐標(biāo)νc②逸出功：圖線與Ek軸交點的縱坐標(biāo)的絕對值W0＝|－E|＝E③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(guān)系①遏止電壓Uc：圖線與橫軸的交點的橫坐標(biāo)②飽和光電流Im1、Im2：光電流的最大值③最大初動能：Ek＝eUc光的顏色不同時，光電流與電壓的關(guān)系①遏止電壓Uc1、Uc2②飽和光電流③最大初動能Ek1＝eUc1，Ek2＝eUc2遏止電壓Uc與入射光頻率ν的關(guān)系圖線①極限頻率νc：圖線與橫軸的交點的橫坐標(biāo)值②遏止電壓Uc：隨入射光頻率的增大而增大③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：此時光電管兩極之間接反向電壓)【例1】(2021·桂林、百色和崇左市第三次聯(lián)考)金屬在光的照射下產(chǎn)生光電效應(yīng)，其遏止電壓Uc與入射光頻率ν的關(guān)系圖象如圖所示。則由圖象可知()A．入射光頻率越大，該金屬的逸出功越大B．入射光的頻率越大，則遏止電壓越大(ν>ν0)C．由圖可求出普朗克常量h＝eq\f(U,ν0)D．光電子的最大初動能與入射光的頻率成正比【素養(yǎng)升華】本題考察的學(xué)科素養(yǎng)主要是科學(xué)思維與物理觀念。【方法技巧】圖象的分析方法(1)明確點、線的物理意義。(2)明確圖象斜率的物理意義。(3)明確圖象面積的物理意義。【變式訓(xùn)練1】(2021·山東省等級考試第二次模擬卷)如圖甲為光電效應(yīng)實驗的電路圖，利用不同頻率的光進行光電效應(yīng)實驗，測得光電管兩極間所加電壓U與光電流I的關(guān)系如圖乙中a、b、c、d四條曲線所示。用νa、νb、νc、νd表示四種光的頻率，下列判斷正確的是()A.νb＞νc＞νd＞νa B.νd＞νb＞νc＞νaC.νd＞νc＞νb＞νa D.νa＞νc＞νb＞νd【變式訓(xùn)練2】(多選)(2021·遼寧營口市下學(xué)期3月考)某同學(xué)在研究某金屬的光電效應(yīng)現(xiàn)象時，發(fā)現(xiàn)該金屬逸出光電子的最大初動能Ek與入射光頻率ν的關(guān)系如圖所示。若圖線在橫、縱坐標(biāo)軸上的截距分別為a和－b，已知電子所帶電荷量為e，由圖線可以得到()eq\f(b,a)，單位為J·Hza時，逸出光電子的最大初動能為ba時，遏止電壓為eq\f(2b,e)能力點二質(zhì)量虧損及核能的計算(1)根據(jù)核反應(yīng)方程，計算出核反應(yīng)前與核反應(yīng)后的質(zhì)量虧損Δm。(2)根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程ΔE＝Δmc2計算核能。①ΔE＝Δmc2中，若Δm的單位用“kg”，c的單位用“m/s”，則ΔE的單位為“J”。②ΔE＝Δmc2中，若Δm的單位用“u”，則可直接利用ΔE＝Δm×931.5MeV/u計算，此時ΔE的單位為“MeV”，即1u＝1.6606×10－27kg，相當(dāng)于931.5MeV，這個結(jié)論可在計算中直接應(yīng)用。原子核的結(jié)合能＝核子的比結(jié)合能×核子數(shù)。核反應(yīng)中反應(yīng)前系統(tǒng)內(nèi)所有原子核的總結(jié)合能與反應(yīng)后生成的所有新核的總結(jié)合能之差，就是該核反應(yīng)所釋放(或吸收)的核能。【例2】(多選)(2021·武漢質(zhì)檢)我國自主研發(fā)的釷基熔鹽是瞄準(zhǔn)未來20～30年后核能產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求的第四代核反應(yīng)堆，是一種液態(tài)燃料堆，使用釷鈾核燃料循環(huán)，