重難點17近代物理

光電效應及其圖像、原子結構與能級躍遷、衰變、核反應與核能的計算

_______________

命題趨勢&

考點分析三年考情分析2025命題熱點

2024：黑吉遼卷

光電效應及其圖像2023：浙江6月選考卷

2022：河北卷

原子雄構與育匕級躍2024：江西卷、安徽卷

[2023：湖北卷、遼寧卷、山東卷、新課標卷1、核反應方程與核能

2022：海南卷、湖南卷2、光電效應、原子結用3

2024：廣東卷、廣西卷、江蘇卷、甘肅卷、湖與能級躍遷

★希田北卷、河北卷、山東卷、全國甲卷

衰變、核反應與核

士2023：海南卷、全國甲卷、全國乙卷、湖南卷、

能的計算、心十口四土土

浙江6月選考卷

2022：海南卷、湖北卷、遼寧卷、山東卷

【課標要求】

1.知道光電效應現象，掌握光電效應的規律，理解逸出功、截止頻率、最大初動能、遏止

電壓等有關物理量。

2.理解玻爾理論及能級躍遷規律。

3.理解原子核的衰變、人工轉變以及核能的計算。

【考查方向】

原子物理作為物理學的一大分支，考點分散，要求不高，基本以選擇題為主，難度不大。

突出考查光電效應的理解，能級躍遷問題、核反應方程的書寫、核能的計算、半衰期的理解及

其應用。

【備考建議】

復習本章時，重點應注意以下幾點內容：

(1)原子的能級躍遷；

(2)原子核的衰變規律；

(3)核反應方程的書寫；

(4)質量虧損和核能的計算；

(5)三種射線的特點及應用；

(6)光電效應的規律及應用等。備考過程注意加強對基本概念和規律的理解和記憶。

-------------

重難詮釋

【高分技巧】

一、光電效應四類圖像

圖像名稱圖線形狀考占八、、

①截止頻率：圖線與V軸交點的橫坐標心

大初動能Ek與入射光②逸出功：圖線與Ek軸交點的縱坐標的值

頻率V的關系圖線Wo=\—E\=E

一③普朗克常量：圖線的斜率左=//

顏色相同、強度不同的①遏止電壓氏：圖線與橫軸的交點

'-7--強光(黃)

4.弱光(黃)

光，光電流與電壓的關②飽和光電流/m：電流的最大值

系UccU③最大初動能：E^=eUc

D—黃光①遏止電壓伍1、0C2

顏色不同時，光電流與

②飽和光電流

電壓的關系

Uq\UC20U③最大初動能Eki=eUci,Ek2=eUc2

①截止頻率/：圖線與橫軸的交點

遏止電壓Uc-v的關系圖

u\u

c②遏止電壓氏：隨入射光頻率的增大而增大

線，表達式為：Uc=k

e③普朗克常量等于圖線的斜率與電子電量

_Wo的乘積，即h=keo(注：此時兩極之間接反

e

向電壓)

二、能級躍遷：

只有光子能量恰好等于躍遷所需的能量時,原子才會吸收光子并躍遷到激發態，對于大于電離

能的光子可被吸收，可將原子電離。

躍遷產生的譜線條數：①一群原子的核外電子向基態躍遷時發射光子的種類：

N=或者在氫原子能級圖中將氫原子躍遷的各種可能情況畫出并相加；②一個原

子的核外電子向基態躍遷時發射最多光子的種類：N=n-lo

能級之間發生躍遷時放出（吸收）光子的頻率由近=紇，-紇求得.若求波長可由公式

c=2D求得。

能級之間發生躍遷時放出（吸收）的光子頻率是不連續的。

三、三種放射線

種類a射線B射線Y射線

本質高速氫核流高速電子流光子流（高頻電磁波）

電荷量2e-e0

4m,m-

質量p靜止質量為零

加p=1.67x10々7kg1836

速度0.1c0.99cC

在電場磁場中偏轉與a射線偏轉方向相反不偏轉

最弱，用紙能擋較強，能穿透幾毫米的鋁最強，能穿透幾厘米的鉛

貫穿本領

住板板

對空氣的

很強較弱很弱

電離作用

四、兩種衰變類型

衰變類型a衰變B衰變

衰變過程外f「Y+；HezXW+iY+'e

2個質子和2個中子結合成一個整體

1個中子轉化為1個質子和1個電子

衰變實質射出

2\H+THe\nH+\e

衰變規律電荷數守恒、質量數守恒、動量守恒

五、幾種核反應類型

衰變、人工轉變、裂變和聚變，如下表所示。

類型可控性核反應方程典例

a衰

衰變自發23虹1-23§oTh+蛆e

變

P衰

自發23^oTh^23^iPa+_i°e

變

以+皿一40+口

（盧瑟福發現質子）

夕He+?Bef126c+An

人工轉變人工控制（查德威克發現中子）

召A1+蛆e-即+

約里奧一居里夫婦發現放射

An

性同位素，同時發現正電子

日P-劉Si++i°e

23§2U+Jnfi&Ba+黑Kr+Bjn

重核裂變容易控制

23±U+313g4Xe+戮Sr+103n

輕核聚變現階段很難控制iH+ftiTHe+bn

<1

限時提升練

一、單選題

1.（2024?河北?模擬預測）2024年6月我國探月工程嫦娥六號搭載的氨氣測量儀主要探測月壤

中氫222和氮220同位素及其衰變產物。已知靜止的氫原子核年Rn自發衰變為針原子核；；叩。同

時放出一個粒子X,且氫的半衰期為3.8天，下列說法正確的是（）

A.若該核反應在月球上進行，經過3.8天后剩余個數一定多于原來的一半

B.該核反應屬于尸衰變

C.反應過程中釋放7射線和另一種射線，7射線穿透能力最強，另一種射線電離能力最強

D.反應前、后的質量守恒，電荷數也守恒

【答案】C

【知識點】B衰變的特點、本質及其方程的寫法、半衰期的概念、利用質能方程公式進行計算、

a和0、丫三種射線的性質

【詳解】A.半衰期是一種統計規律，半衰期的大小由原子核內部自身因素決定，與所處的物

理環境和化學狀態無關，故A錯誤；

B.核反應方程滿足質量數和電荷數守恒，所以X的質量數為222-218=4,電荷數為86-84=2,

可知X為氫原子核，所以該反應屬于a衰變，故B錯誤；

C.c衰變同時伴隨7射線的產生，a射線與7射線相比，a射線電離能力最強，穿透能力最弱,

，射線穿透能力最強，電離能力最弱，故C正確；

D.核反應前后的電荷數和質量數都守恒，但質量有虧損，因為核反應過程伴隨有能量產生，

虧損的質量以能量形式釋放，故D錯誤。

故選C。

2.（2024?全國?模擬預測）2024年6月中國航天科技集團的科研人員通過分析我國首顆探日衛

星“羲和號”對太陽光譜的觀測數據，精確繪制出國際首個太陽大氣自轉的三維圖像。太陽光譜

中有一條譜線所對應光的頻率與氫原子從較高能級向"=2能級躍遷時發出的光中光子能量最

小的那種光的頻3率相同。則該譜線所對應光子的能量為（）

8〃eov

5二4

二.5

4二-05

3-0.81

二-31.45

2-o

1----------------13.6

A.2.86eVB.1.89eVC.0.66eVD.0.3leV

【答案】B

【知識點】計算電子躍遷時吸收或釋放光子的頻率和波長

【詳解】光子的能量

￡=hv

光子能量最小時頻率最小，根據玻爾原子理論的頻率條件

hv=Em-En

可知，當氫原子從〃=3能級向"=2能級躍遷時發出的光的光子能量最小，最小能量

^-1.51eV-（-3.4eV）=1.89eV

B正確。

故選B。

3.（2024?北京大興?三模）針對下面幾個圖說法正確的是（)

E/eV

----------------------0

鍛A?-------------------------0.54

二9------------------------0.85

吁t-----------------------1.51

AA

簸

?竄-------------------------3.40

、A

?

------------13.6

甲

乙丁

A.甲圖中鋅板和驗電器總是帶異種電荷

B.乙圖是太陽內部的核反應

C.丙圖中的實驗揭示了原子核內部有復雜結構

D.丁圖中處于第2能級的氫原子可以吸收一個能量為3.5eV的光子并電離

【答案】D

【知識點】光電效應現象及其解釋、a粒子散射實驗的裝置、現象和結果分析、基態、激發態、

躍遷、電離、核裂變現象和產生條件

【詳解】A.甲圖中，光電效應實驗中，驗電器和鋅板帶同種電荷，故A錯誤；

B.乙圖是鈾核裂變的反應圖，太陽內部的核反應是氫核聚變，故B錯誤；

C.盧瑟福通過a粒子散射實驗的研究，提出來原子的核式結構，故C錯誤；

D.丁圖中處于第2能級的氫原子至少吸收3.4eV的光子才能電離，則可以吸收一個能量為3.5eV

的光子并電離，故D正確。

故選D。

4.（2024?安徽?一模）光電管是根據光電效應制成的，是一種可以把光信號轉化為電信號的儀

器，在太陽能電池研究、光纖通信以及自動控制等方面有廣泛的應用。小明同學用圖示電路研

究光電管的性能，其中光電管的陰極和陽極由不同的金屬材料制成，實驗時保持開關閉合，用

某種波長的光照射陰極，未發生光電效應，則以下說法正確的是（）

A.若把滑動變阻器的滑動片。向b端移動，則可以產生光電流

B.若只增大入射光的強度，一定可以產生光電流

C.若減小入射光的波長，則電流表中可能有電流通過

D.若只延長照射時間，一定可以產生光電流

【答案】C

【知識點】光電效應現象及其解釋

【詳解】ABD.入射光的頻率大于極限頻率，才能產生光電效應，才能產生光電流，故ABD

錯誤；

C.根據口=?可得若減小入射光的波長即增大入射光的頻率，有可能會產生光電效應，則電流

/I

表中可能有電流通過，故C正確。

故選C。

5.(2024?全國?模擬預測)同位素熱源是利用放射性同位素的衰變熱制成的熱源，具有抗干擾

性強、工作準確可靠和可長期使用的優點，可為電子設備保溫，是未來宇宙深空探索不可或缺

的能源裝置。當前的同位素熱源主要采用錮;;Sr與杯蓍Pu等半衰期長的同位素，衰變方程分別

為gT；Y+X、小puf^u+Z。已知鍋朋r與杯修Pu的半衰期分別約為29年、87年,若大

量的鋸g與杯善Pu衰變前的數目相等，經歷174年，衰變釋放出的X、Z的總電荷量分別約

為2、2,則()

Q_630_320_32Q_21

232a263JQ221匕Q232

【答案】D

【知識點】a衰變的特點、本質及其方程的寫法、B衰變的特點、本質及其方程的寫法

【詳解】根據衰變方程遵循質量數守恒和電荷數守恒，可知;;Sr衰變為器Y時產生電子。R,*Pu

衰變為二U時產生;He,設銅雕r與杯蓍Pu衰變前的數目均為N,則

21=eN-52=2eN

21_=21

&-32

故選Do

6.（2024?四川遂寧?模擬預測）;"N與元素X作用后變成元素Y與;H,此反應放出的核能為綜；

式與元素X作用后變成;七。已知;"N、Y,"、黑0的比結合能分別為昂E2、4、旦，下列說

法正確的是（）

A.元素X是"粒子

B.Y與;6。不是同位素

C.X比結合能為I’--:。74.

D."與X作用釋放核能為16旦-124

【答案】C

【知識點】根據條件寫出核反應方程、分析原子核的結合能與比結合能

【詳解】A."與元素X作用后變成;七的核反應方程為

,c+；x甘o

則X為He,即a粒子，故A錯誤；

B.與元素X作用的核反應方程為

:N+：XHY+；H

則;2丫是;7。，是;6。的同位素，故B錯誤;

C.設X的比結合能為E,由能量守恒可得第一個核反應放出的核能

Eo=17￡2-14￡1-4￡,

解得

EnE.-E.-14E,

4

故c正確；

D.第二個核反應放出的核能為

AE=16E4-12E3-4E

綜合可得

AE=16E4+11E2_14g_12&-EO

故D錯誤。

故選c。

7.（2024?黑龍江哈爾濱?模擬預測）19世紀末至20世紀初是近代物理學發展的黃金時代。杰

出物理學家們的研究成果直接推動了“近代物理學”的建立和發展。以下關于物理知識的描述哪

一個是正確的（）

Elev

------------------0.54光子

一UA.33,一//

-L51啾絲—號子＜

——二:粒子

二=^^原子核

電子\

1------------13.60碰撞前碰撞后

氫原子能級示意圖

圖2

A.貝克勒爾發現了天然放射現象，圖1為產生的三種射線在電場中偏轉情況，其中③線代

表的射線穿透能力最強

B.一群處于〃=3能級的氫原子向低能級躍遷，最多可以放出3種不同頻率的光子

C.圖3為康普頓效應的示意圖，入射光子與靜止的電子發生碰撞，碰后散射光的波長變短

D.圖4展示了e粒子散射實驗的現象，據此現象，盧瑟福發現了質子和中子

【答案】B

【知識點】康普頓效應的現象及其解釋、a粒子散射實驗的裝置、現象和結果分析、計算電子

躍遷中釋放的光子頻率種數、a和「、丁三種射線的性質

【詳解】A.貝克勒爾發現了天然放射現象，圖1為產生的三種射線在電場中偏轉情況，其中

②線代表的是丫射線穿透能力最強，故A錯誤；

B.一群處于〃=3能級的氫原子向低能級躍遷，最多可以放出端=3種不同頻率的光子，故B

正確；

C.圖3為康普頓效應的示意圖，入射光子與靜止的電子發生碰撞，碰后散射光的波長變長，

故C錯誤；

D.圖4展示了a粒子散射實驗的現象，據此現象，盧瑟福提出了原子的核式結構模型，故D

錯誤。

故選B。

8.（2024?安徽合肥?三模）以下說法正確的是（）

比結合能/MeV

￡/eV

-----------0

-------------0.85eV

-------------1.51eV

-------------3.40eV

“H質量數

-------------13.60eV102050100150200250

丁

A.由甲圖中的a粒子散射的實驗數據可以估計出原子核半徑的數量級是10-10m

B.由乙圖的氫原子能級圖可知，一個處于〃=3能級的氫原子向低能級躍遷可能發出3種不

同頻率的光

C.a、Ac三束單色光照射同一光電管得到光電流/與光電管兩極間的電壓。的關系曲線

如丙圖，則。、6、c光的頻率關系為t=匕<監

D.由圖丁可知案Kr核的結合能比北U核的大

【答案】C

【知識點】遏止電壓的本質及其決定因素、a粒子散射實驗的裝置、現象和結果分析、計算電

子躍遷中釋放的光子頻率種數、分析原子核的結合能與比結合能

【詳解】A.原子核半徑的數量級是故A錯誤；

B.一個〃=3能級的氫原子向低能級躍遷，最多可以輻射出兩種頻率的光子，故B錯誤；

C.由圖得

U（22>0C1

據Ekm=e〃，可得三束光產生光電子的最大初動能間關系為

Ekb>Eka-Ekc

則a、A、c光的頻率關系為

/>匕=vc

故C正確；

D.由圖可知，案Kr核的比結合能比％U核的大，但結合能較小，故D錯誤。

故選C。

9.（2024?山東?模擬預測）用如圖（a）所示的裝置進行光電效應實驗，所得圖像如圖（b）

所示，當極板間電壓UAK=34時，從K極發出的初動能最大的光電子，到達A極時的德布羅

意波長是從K極發出時的（）

A.g倍D.2倍

【答案】B

【知識點】愛因斯坦光電效應方程、光子的動量及其公式

【詳解】結合題圖（b）可知，從K極發射的光電子的最大初動能

E.=eUc

當UAK=3UC時，極板間加正向電壓，到達A極時該電子的動能

Eu=4eUc

由

,h1,

彳=-,p=mvE.=-mv"

P2

電子的德布羅意波長與動能的關系為

則1/科=34時，從K極發出的初動能最大的光電子，到達A極時的德布羅意波長是從K極發

出時的g倍。

故選B。

10.（2024?浙江?一模）如圖甲所示是弗蘭克―赫茲實驗，該實驗為能量量子化假設提供了直

接證據。實驗前，裝置內僅充滿汞原子，實驗中，燈絲發射出初速度可忽略的電子，先經過陰

極K與柵極G之間的電場加速，再經過柵極G與集電極A之間的反向電場減速。電子在整個

運動過程中會和汞原子碰撞，實驗中記錄了柵極G到陰極K的電壓大小4K，以及通過集電極

A的電流/,電流越大說明單位時間到達集電極A的電子越多。實驗結果如圖乙所示，電流/

的極大值呈周期性出現，峰值的水平間距為4.9V從中得出汞原子能量具有量子化的結論。由

于電子質量遠遠小于汞原子質量，通過彈性碰撞轉移給汞原子的動能可以忽略不計。結合以上

內容判斷下列說法錯誤的是（）

A.4K<4.9V時，電子與汞原子碰撞不會使處于基態的汞原子激發

B.峰值的水平間距為4.9V,說明汞原子第一激發態與基態的能量差為4.9eV

C.只有當電子的動能等于4.9eV或其整數倍才能使汞原子從基態躍遷到第一激發態

D.UGK=10V時，有大量電子兩次與汞原子碰撞，使汞原子從基態躍遷到第一激發態

【答案】C

【知識點】基態、激發態、躍遷、電離

【詳解】AB.由乙圖可知，電壓。每升高4.9V時，電流表的示數/就會顯著下降，說明汞原

子基態和第一激發態之間的能極之差等于4.9eV。當UGK<4.9V時，電子與汞原子碰撞不會使處

于基態的汞原子激發。故AB正確，與題意不符；

C.根據玻爾的躍遷條件可知，當電子的動能等于或者大于4.9eV都可能使汞原子從基態躍遷

到第一激發態。故C錯誤，與題意相符；

D.電子運動過程中有可能與汞原子發生一次，也有可能沒發生碰撞，還可能發生多次碰撞，

所以當UGK=10V時，有大量電子兩次與汞原子碰撞，使汞原子從基態躍遷到第一激發態。故D

正確，與題意不符。

本題選錯誤的，故選C。

二、多選題

11.（2025?廣東?模擬預測）太陽能量的來源主要通過質子一質子鏈反應（簡稱尸尸鏈），太陽

產生的能量約99%來自該鏈反應。科學研究發現，該鏈反應主要通過如下方程發生：

3；H-X+：e+匕①；2XfY+2；H②，其中:e為正電子，匕為太陽中微子，下列說法正確的是

()

A.方程式中X為汨e,y為;He

B.方程式中X為汨，y為;He

C.反應①屬于核聚變反應

D.Y的比結合能大于X的比結合能

【答案】ACD

【知識點】分析原子核的結合能與比結合能、典型的核聚變方程

【詳解】AB.根據質量數守恒和電荷數守恒，方程式中X為汨e,Y為;He,故A正確，B錯

誤;

CD.反應①、②均屬于核聚變反應，Y的比結合能大于X的比結合能，故CD正確。

故ACD。

12.（2025?浙江?模擬預測）下列說法正確的有（）

A.圖1可以看出隨著溫度的升高黑體輻射的強度的極大值向波長較長的方向移動

B.圖2電子的干涉圖像說明物質波是一種概率波

C.圖3鏈式反應的示意圖，鈾塊的體積足夠大反應才能一代一代繼續下去

D.圖4核電反應堆示意圖，控制棒插入深一些，讓它吸收更多中子，反應速率會慢一些

【答案】BCD

【知識點】黑體輻射的實驗規律、德布羅意波的公式、核裂變現象和產生條件

【詳解】A.圖1可以看出隨著溫度的升高黑體輻射的強度的極大值向波長較短的方向移動,

故A錯誤；

B.物質波也就是德布羅意波，指粒子在空間中某點某時刻可能出現的幾率符合一定的概率函

數規律，圖2電子的干涉圖像說明物質波是一種概率波，故B正確；

C.重核裂變時用中子轟擊重核，產生多個中子，中子又會撞擊重核，產生更多的中子，使裂

變不斷進行下去，這就是鏈式反應。能夠發生鏈式反應的鈾塊的最小體積叫做它的臨界體積。

圖3鏈式反應的示意圖，鈾塊的體積足夠大反應才能一代一代繼續下去，故C正確；

D.根據核反應堆，控制棒的作用可知，圖4核電反應堆示意圖，控制棒插入深一些，讓它吸

收更多中子，中子數減少，反應速率會慢一些，故D正確；

故選BCDo

13.（2024?北京朝陽?模擬預測）在如圖所示的勻強磁場中，有一個氫原子核（瞪Rn）靜止在z

點，某時刻氫原子核發生。衰變，若。粒子的徑跡是紙面內的一個半徑為用的圓，衰變產生的

新核的徑跡是紙面內的一個半徑為此的圓。下列判斷正確的有（）

XXXX

B

XXXX

*

Xx/XX

XXXX

A.兩圓一定內切B.兩圓一定都沿逆時針方向轉動

C.AR=1：42D.在。粒子轉動42圈之內，二者都不會相撞

【答案】BD

【知識點】a衰變的特點、本質及其方程的寫法

【詳解】AB.靜止的氫原子核由于衰變放出。粒子而生成一個新的原子核的過程動量守恒，

則衰變產生的a粒子與新核的動量等大反向，。粒子與新核都帶正電，根據左手定則可知兩圓

一定都沿逆時針方向轉動，兩圓一定外切，故A錯誤，B正確；

C.設a粒子和新核的質量分別為叫、m2,速度大小分別為匕、匕，電荷量分別為％、%。&粒

子做圓周運動過程中洛倫茲力提供向心力

V,2

qW=嗎—

則新核做圓周運動的半徑為

夫也

同理可得，新核做圓周運動的半徑為

凡=吧

一見8

靜止的氯原子核由于衰變放出a粒子而生成一個新的原子核的過程動量守恒，則有

加1%=m2V2

根據核反應質量數和電荷數守恒，可知新核的核電荷數為84,質量數為218,聯立可得

&i_%_84_42

R2qx21

故c錯誤；

D.。粒子做圓周運動的周期為

T_2萬叫

新核做圓周運動的周期為

T_2萬加2_109T

21

~q2B~~84

可知a粒子第一次與新核碰撞時，新核轉動84圈，。粒子轉動109圈，故在。粒子轉動42圈

之內，二者都不會相撞，故D正確。

故選BDo

14.（2024?湖南長沙?模擬預測）如圖，間距為d的A、K極板足夠大，將一束頻率恰等于陰極

K截止頻率的光射向陰極K,移動滑動變阻器的滑片，當電壓表示數為時，保持滑片位置

不變，此時電流表有一定示數，已知電子的質量為他，電荷量大小為e。現在A、K間加一垂

直紙面向里、平行于極板平面的可變磁場，調節磁場的磁感應強度大小的取值，下列磁場的磁

感應強度大小的值可以使電流表示數變為零的是（）

￡13叫￡B叫

'd\2e'd\e

C.4淬D.1嚴

【答案】BC

【知識點】帶電粒子在疊加場中的一般曲線運動、愛因斯坦光電效應方程

【詳解】一束頻率恰等于陰極K截止頻率的光射向陰極K