陜西省西安市2013屆高三物理二輪復(fù)習(xí) 專題6 第3講 原子物理

1、(三)原 子 物 理知識(shí)網(wǎng)絡(luò)考點(diǎn)預(yù)測(cè)近代物理部分相對(duì)獨(dú)立，主干知識(shí)是原子的量子化結(jié)構(gòu)和核能，復(fù)習(xí)時(shí)要圍繞玻爾理論、衰變規(guī)律和愛(ài)因斯坦質(zhì)能方程等重點(diǎn)知識(shí)進(jìn)行模塊內(nèi)的綜合主要是近代物理知識(shí)與動(dòng)量守恒定律的綜合利用碰撞探究微觀粒子的規(guī)律是高能物理常用的研究手段，如粒子散射實(shí)驗(yàn)粒子與氮、鈹、鋁的碰撞分別發(fā)現(xiàn)了質(zhì)子、中子和放射性同位素，加速器、對(duì)撞機(jī)等都是研究核物理的常用工具近年近代物理試題中出現(xiàn)不少中學(xué)教材中沒(méi)有的新知識(shí)背景，如“超重元素”、“雙電荷交換反應(yīng)”、俄歇效應(yīng)、原子內(nèi)層空位產(chǎn)生的內(nèi)轉(zhuǎn)換機(jī)制、氫原子等在訓(xùn)練學(xué)生讀題時(shí)，要引導(dǎo)他們盡力將新情境中的問(wèn)題與已學(xué)過(guò)的知識(shí)聯(lián)系起來(lái)，在學(xué)習(xí)心理學(xué)中，就是“

2、圖式”的“同化”與“順應(yīng)”的過(guò)程，這類問(wèn)題其實(shí)是“新瓶裝舊酒”，還是考查課本上的知識(shí)點(diǎn)，只是對(duì)學(xué)生的能力要求提高了，要真正理解才能變通“聯(lián)系實(shí)際，聯(lián)系生活，聯(lián)系高科技”已成為高考命題的趨勢(shì)，考查內(nèi)容體現(xiàn)時(shí)代氣息，用新名詞包裝的試題增加試題越來(lái)越重視知識(shí)的聯(lián)系，體現(xiàn)學(xué)科的綜合性要點(diǎn)歸納一、原子的核式結(jié)構(gòu)盧瑟福根據(jù)粒子散射實(shí)驗(yàn)觀察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象推斷出了原子的核式結(jié)構(gòu)粒子散射實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象是：絕大多數(shù)粒子穿過(guò)金箔后基本上仍沿原來(lái)的方向前進(jìn)；極少數(shù)粒子則發(fā)生了較大的偏轉(zhuǎn)甚至返回注意，核式結(jié)構(gòu)并沒(méi)有指出原子核的組成二、波爾原子模型玻爾理論的主要內(nèi)容：1“定態(tài)假設(shè)”：原子只能處于一系列不連續(xù)的能量狀態(tài)中，在這些

3、狀態(tài)中，電子雖做變速運(yùn)動(dòng)，但并不向外輻射電磁波，這樣的相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)稱為定態(tài)定態(tài)假設(shè)實(shí)際上只是給經(jīng)典的電磁理論限制了適用范圍：原子中的電子繞核轉(zhuǎn)動(dòng)處于定態(tài)時(shí)不受該理論的制約2“躍遷假設(shè)”：電子繞核轉(zhuǎn)動(dòng)處于定態(tài)時(shí)不輻射電磁波，但電子在兩個(gè)不同定態(tài)間發(fā)生躍遷時(shí)，卻要輻射(吸收)電磁波(光子)，其頻率由兩個(gè)定態(tài)的能量差值決定hEmEn3“能量量子化假設(shè)”和“軌道量子化假設(shè)”：由于能量狀態(tài)的不連續(xù)，因此電子繞核轉(zhuǎn)動(dòng)的軌道半徑也不能任意取值三、原子核的衰變及三種射線的性質(zhì)1衰變與衰變方程衰變：衰變：2和衰變次數(shù)的確定方法先由質(zhì)量數(shù)確定衰變的次數(shù)，再由核電荷數(shù)守恒確定衰變的次數(shù)3半衰期(T)：放射性元素的

4、原子核有半數(shù)發(fā)生衰變所需的時(shí)間4特征：只由核本身的因素所決定，而與原子所處的物理狀態(tài)或化學(xué)狀態(tài)無(wú)關(guān)5規(guī)律：NN06三種射線射線射線射線射線物質(zhì)微粒氦核 電子光子帶電情況帶正電(2e)帶負(fù)電(e)不帶電速度約為c接近c(diǎn)c貫穿本領(lǐng)小(空氣中飛行幾厘米)中(穿透幾毫米厚的鋁板)大(穿透幾厘米厚的鉛板)電離作用強(qiáng)次弱四、核能1愛(ài)因斯坦質(zhì)能方程：Emc22核能的計(jì)算(1)若m以千克為單位，則：Emc2(2)若m以原子的質(zhì)量單位u為單位，則：Em×931.5 MeV3核能的獲取途徑(1)重核裂變：例如 10(2)輕核聚變：例如 聚變的條件：物質(zhì)應(yīng)達(dá)到超高溫(幾百萬(wàn)度以上)狀態(tài)，故聚變反應(yīng)亦稱熱核

5、反應(yīng)熱點(diǎn)、重點(diǎn)、難點(diǎn)一、玻爾模型能級(jí)概念例1氫原子的能級(jí)如圖610 所示，已知可見(jiàn)光的光子能量范圍約為1.62 eV3.11 eV，下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是()圖610A處于n3能級(jí)的氫原子可以吸收任意頻率的紫外線，并發(fā)生電離B大量氫原子從高能級(jí)向n3能級(jí)躍遷時(shí)，發(fā)出的光具有顯著的熱效應(yīng)C大量處于n4能級(jí)的氫原子向低能級(jí)躍遷時(shí)，可能發(fā)出6種不同頻率的光D大量處于n4能級(jí)的氫原子向低能級(jí)躍遷時(shí)，可能發(fā)出3種不同頻率的可見(jiàn)光【解析】處于n3能級(jí)的氫原子吸收光子而發(fā)生電離的最小能量是1.51 eV，又因紫外線的頻率大于可見(jiàn)光的頻率，所以紫外線的光子能量E3.11 eV，故A正確由能級(jí)躍遷理論知，氫原子由高能

6、級(jí)向n3能級(jí)躍遷時(shí)，發(fā)出光子的能量E1.51 eV，所以發(fā)出光子能量小于可見(jiàn)光的光子能量由Eh知，發(fā)出光子頻率小于可見(jiàn)光的光子頻率，發(fā)出光子為紅外線，具有較強(qiáng)的熱效應(yīng)，故B正確由能級(jí)躍遷理論知，n4能級(jí)的氫原子向低能級(jí)躍遷時(shí)，最多可發(fā)出6種頻率的光子，故C正確由能級(jí)躍遷理論知，大量處于n4能級(jí)的氫原子向低能級(jí)躍遷時(shí)，發(fā)出光子的能量分別為：0.66 eV(43)，2.55 eV(42),12.75 eV(41),1.89 eV(32),12.09 eV(31)，10.2 eV(21)，所以只有32和42躍遷時(shí)發(fā)出的2種頻率的光子屬于可見(jiàn)光，故D錯(cuò)誤答案D【點(diǎn)評(píng)】原子由定態(tài)n(n2)向低能級(jí)躍遷時(shí)

7、可能輻射的光子頻率的種類為原子躍遷時(shí)，所吸收或釋放的光子能量只能等于兩能級(jí)之間的能量差原子電離時(shí)，所吸收的能量可以大于或等于某一能級(jí)能量的絕對(duì)值計(jì)算時(shí)應(yīng)注意：因一般取 遠(yuǎn)處為零電勢(shì)參考面，故各能級(jí)的能量值均為負(fù)值；能量單位 1 eV1.6×1019 J二、考查衰變、裂變、聚變以及人工轉(zhuǎn)變概念例2現(xiàn)有三個(gè)核反應(yīng)：_；_；_完成上述核反應(yīng)方程，并判斷下列說(shuō)法正確的是()A是裂變，是衰變，是聚變B是聚變，是裂變，是衰變C是衰變，是裂變，是聚變D是衰變，是聚變，是裂變答案3C【點(diǎn)評(píng)】原子核自發(fā)地放出某種粒子成為新的原子核，叫做衰變；原子序數(shù)較大的重核分裂成原子序數(shù)較小的原子核，叫做重核裂變；

8、原子序數(shù)很小的原子核聚合成原子序數(shù)較大的原子核，叫做輕核聚變所有核反應(yīng)都遵循質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒的規(guī)律，情況復(fù)雜時(shí)可列方程組求解三、核能和質(zhì)量虧損例3某科學(xué)家提出年輕熱星體中核聚變的一種理論，其中的兩個(gè)核反應(yīng)方程為Q1XQ2方程中Q1、Q2表示釋放的能量，相關(guān)的原子核質(zhì)量見(jiàn)下表：原子核 質(zhì)量/u1.00783.01604.002612.000013.005715.0001下列判斷正確的是2009年高考·重慶理綜卷()AX是，Q2>Q1BX是，Q2>Q1CX是，Q2<Q1DX是，Q2<Q1【解析】核反應(yīng)方程：中的質(zhì)量虧損為：m11.0078 u12.0000 u1

9、3.0057 u0.0021 u根據(jù)電荷數(shù)守恒、質(zhì)量數(shù)守恒可知：其質(zhì)量虧損為：m21.0078 u15.0001 u12.0000 u4.0026 u0.0053 u根據(jù)愛(ài)因斯坦質(zhì)能方程得：Q1m1c2，Q2m2c2故Q1Q2答案B【點(diǎn)評(píng)】要注意u為質(zhì)量單位，并不是能量單位，其中1 u1.6606×1027 kg,1 uc2931.5 MeV四、近代物理中的前沿科技問(wèn)題近幾年來(lái)，高考試題中STS(科學(xué)·技術(shù)·社會(huì))問(wèn)題(如反物質(zhì)、中微子、介子、夸克、弗蘭克赫茲實(shí)驗(yàn)等)占有較大的比例，出現(xiàn)了以科技前沿為背景的信息題解決這類試題的關(guān)鍵在于：認(rèn)真閱讀題目、理解題意，捕獲

10、有效信息、刪除干擾信息；仔細(xì)分析問(wèn)題所描述的物理狀態(tài)或物理過(guò)程，并從中建立起相應(yīng)的物理模型；最后運(yùn)用相關(guān)的物理規(guī)律求解例4K介子的衰變方程為K0，其中K介子和介子所帶電荷量為元電荷e，0介子不帶電如圖611所示，兩勻強(qiáng)磁場(chǎng)方向相同，以虛線MN為理想邊界，磁感應(yīng)強(qiáng)度分別為B1、B2今有一個(gè)K介子沿垂直于磁場(chǎng)的方向射入勻強(qiáng)磁場(chǎng)B1中，其軌跡為圓弧AP，P在MN上，K在P點(diǎn)時(shí)的速度為v，方向與MN垂直在P點(diǎn)該介子發(fā)生了上述衰變，衰變后產(chǎn)生的介子沿速度v的反方向射出，其運(yùn)動(dòng)軌跡如“心”形圖線所示則以下說(shuō)法正確的是()圖611A介子的運(yùn)行軌跡為PENCMDPB介子運(yùn)行一周回到P用的時(shí)間TCB14B2D0

11、介子做勻速直線運(yùn)動(dòng)【解析】由題意可知，K介子衰變?yōu)榻樽雍?介子后，介子沿速度v的反方向射出，而介子帶負(fù)電，根據(jù)左手定則可以判斷，介子的運(yùn)行軌跡為PDMCNEP，則選項(xiàng)A錯(cuò)誤；設(shè)介子在左右兩側(cè)磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的半徑分別為R1和R2，運(yùn)動(dòng)周期分別為T(mén)1和T2，由圖可知：，又R1、R2，則B12B2，即選項(xiàng)C錯(cuò)誤；而T1，T2，則介子運(yùn)行一周回到P所用的時(shí)間T T1，即選項(xiàng)B正確；0介子由于不帶電而不受洛倫茲力作用，它將做勻速直線運(yùn)動(dòng)，即選項(xiàng)D正確綜上所述，選項(xiàng)B、D正確答案BD【點(diǎn)評(píng)】本題涉及勻速圓周運(yùn)動(dòng)、線速度、角速度、周期、向心力、洛倫茲力、左手定則、牛頓第二定律等知識(shí)點(diǎn)，考查學(xué)生對(duì)上述知

12、識(shí)的理解和掌握程度，以及分析、推理的能力和信息處理的能力解決本題的關(guān)鍵在于：先利用左手定則判斷介子的運(yùn)行軌跡，再運(yùn)用洛倫茲力、牛頓第二定律等知識(shí)分析求解同類拓展2006年3月24日，由中國(guó)自行研究、設(shè)計(jì)的世界上第一個(gè)全超導(dǎo)非圓截面托卡馬克EAST核聚變實(shí)驗(yàn)裝置(又稱“人造太陽(yáng)”)，如圖612所示，已成功完成首次工作調(diào)試由于它和太陽(yáng)產(chǎn)生能量的原理相同，都是熱核聚變反應(yīng)，所以被外界稱為“人造太陽(yáng)”“人造太陽(yáng)”的原理就是在這臺(tái)裝置的真空室內(nèi)加入少量氫的同位素氘和氚，使其在一定條件下發(fā)生聚變反應(yīng)，反應(yīng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生巨大的能量核聚變的主要原料是氘和氚，在海水中含量極其豐富則下列說(shuō)法中錯(cuò)誤的是()圖612A

13、“人造太陽(yáng)”的核反應(yīng)方程是B“人造太陽(yáng)”的核反應(yīng)方程是 3C“人造太陽(yáng)”釋放的能量大小的計(jì)算公式是Emc2D與這種熱核聚變比較，核裂變反應(yīng)堆產(chǎn)生的廢物具有放射性【解析】“人造太陽(yáng)”中的核反應(yīng)為輕核的聚變，故A正確、B錯(cuò)誤核反應(yīng)釋放的能量都遵循質(zhì)能方程Emc2，C正確聚變方程產(chǎn)生的不具有放射性，而裂變反應(yīng)產(chǎn)生的廢物會(huì)衰變放出或射線，D正確答案B 經(jīng)典考題本專題中的四部分內(nèi)容在高考中一般都會(huì)以選擇題出現(xiàn)，只是往往難度較低，題型相對(duì)單調(diào)，復(fù)習(xí)備考時(shí)應(yīng)重基礎(chǔ)，重在近年考題中總結(jié)命題的規(guī)律1類比是一種有效的學(xué)習(xí)方法，通過(guò)歸類和比較，有助于掌握新知識(shí)，提高學(xué)習(xí)效率在類比過(guò)程中，既要找出共同之處，又要抓住不

14、同之處某同學(xué)對(duì)機(jī)械波和電磁波進(jìn)行類比，總結(jié)出下列內(nèi)容，其中不正確的是2009年高考·北京理綜卷()A機(jī)械波的頻率、波長(zhǎng)和波速三者滿足的關(guān)系，對(duì)電磁波也適用B機(jī)械波和電磁波都能產(chǎn)生干涉和衍射現(xiàn)象C機(jī)械波的傳播依賴于介質(zhì)，而電磁波可以在真空中傳播D機(jī)械波既有橫波又有縱波，而電磁波只有縱波【解析】波長(zhǎng)、波速、頻率的關(guān)系對(duì)任何波都是成立的，對(duì)電磁波當(dāng)然成立，故A正確干涉和衍射是波的特性，機(jī)械波、電磁波都是波，這些特性都具有，故B正確機(jī)械波是機(jī)械振動(dòng)在介質(zhì)中傳播形成的，所以機(jī)械波的傳播需要介質(zhì)；電磁波是交替變化的電場(chǎng)和磁場(chǎng)由近及遠(yuǎn)地傳播形成的，所以電磁波的傳播不需要介質(zhì)，故C正確機(jī)械波既有橫波

15、又有縱波，但是電磁波只能是橫波，其證據(jù)就是電磁波能夠發(fā)生偏振現(xiàn)象，而偏振現(xiàn)象是橫波才有的， D錯(cuò)誤故正確答案應(yīng)為D答案D2科學(xué)家發(fā)現(xiàn)在月球上含有豐富的(氦3)它是一種高效、清潔、安全的核聚變?nèi)剂?，其參與的一種核聚變反應(yīng)的方程式為2關(guān)于聚變，下列表述正確的是2009年高考·廣東物理卷()A聚變反應(yīng)不會(huì)釋放能量B聚變反應(yīng)產(chǎn)生了新的原子核C聚變反應(yīng)沒(méi)有質(zhì)量虧損D目前核電站都采用聚變反應(yīng)發(fā)電【解析】聚變反應(yīng)時(shí)將質(zhì)量較小的輕核聚變成質(zhì)量較大的核，聚變過(guò)程會(huì)有質(zhì)量虧損，會(huì)放出大量的能量但目前核電站都采用鈾核的裂變反應(yīng)因此B正確答案B【點(diǎn)評(píng)】同質(zhì)量的核燃料聚變反應(yīng)放出的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)裂變反應(yīng)，而且聚

16、變反應(yīng)的產(chǎn)物往往無(wú)放射性但由于聚變反應(yīng)需要幾百萬(wàn)攝氏度以上的高溫以及難以控制反應(yīng)速度，故目前還沒(méi)能用于發(fā)電3密閉有空氣的薄塑料瓶因降溫而變扁，此過(guò)程中瓶?jī)?nèi)空氣(不計(jì)分子勢(shì)能)2009年高考·重慶理綜卷()A內(nèi)能增大，放出熱量B內(nèi)能減小，吸收熱量C內(nèi)能增大，對(duì)外界做功D內(nèi)能減小，外界對(duì)其做功【解析】不計(jì)分子勢(shì)能，空氣的內(nèi)能由溫度決定，內(nèi)能隨溫度降低而減小，A、C均錯(cuò)誤；薄塑料瓶因降溫而變扁，此時(shí)瓶?jī)?nèi)空氣的體積減小，外界壓縮空氣做功，D正確；空氣的內(nèi)能減小、外界對(duì)空氣做功，根據(jù)熱力學(xué)第一定律可知空氣向外界放熱，B錯(cuò)誤答案D【點(diǎn)評(píng)】本類題型在高考對(duì)熱學(xué)的考查中最常見(jiàn)4氫原子能級(jí)的示意圖如圖

17、所示，大量氫原子從n4的能級(jí)向n2 的能級(jí)躍遷時(shí)輻射出可見(jiàn)光a，從n3的能級(jí)向n2的能級(jí)躍遷時(shí)輻射出可見(jiàn)光b，則2009年高考·四川理綜卷()A氫原子從高能級(jí)向低能級(jí)躍遷時(shí)可能會(huì)輻射出射線B氫原子從n4的能級(jí)向n3的能級(jí)躍遷時(shí)會(huì)輻射出紫外線C在水中傳播時(shí)，a光較b光的速度小D氫原子在n2的能級(jí)時(shí)可吸收任意頻率的光而發(fā)生電離【解析】射線的產(chǎn)生機(jī)理是原子核受激發(fā)，是原子核變化才產(chǎn)生的，A錯(cuò)誤；根據(jù)躍遷規(guī)律可知高能級(jí)向低能級(jí)躍遷時(shí)輻射光子的能量等于這兩個(gè)能級(jí)差，從n4的能級(jí)向n3的能級(jí)躍遷時(shí)會(huì)輻射出的光子能量小于a光子的能量，不可能為紫外線，B錯(cuò)誤；根據(jù)躍遷規(guī)律可知從n4的能級(jí)向n2的能級(jí)

18、躍遷時(shí)輻射光子的能量大于從n3的能級(jí)向n2的能級(jí)躍遷時(shí)輻射光子的能量，則可見(jiàn)光a的光子能量大于b的，又根據(jù)光子能量Eh可得a光子的頻率大于b的，則a的折射率大于b的，又v可得在水中傳播時(shí)，a光較b光的速度小，C正確；欲使在n2的能級(jí)處的氫原子發(fā)生電離，則吸收的能量一定不小于 3.4 eV，D錯(cuò)誤答案C5一列簡(jiǎn)諧橫波在某一時(shí)刻的波形圖如圖甲所示，圖中P、Q兩質(zhì)點(diǎn)的橫坐標(biāo)分別為x1.5 m和x4.5 mP點(diǎn)的振動(dòng)圖象如圖乙所示在下列四幅圖中，Q點(diǎn)的振動(dòng)圖象可能是2009年高考·全國(guó)理綜卷()【解析】本題考查波的傳播該波的波長(zhǎng)為4 m，P、Q兩質(zhì)點(diǎn)間的距離為3 m若波沿x軸正方向傳播，當(dāng)P在平衡位置向上振動(dòng)時(shí)，Q點(diǎn)此時(shí)應(yīng)處于波峰，B正確；若波沿x軸負(fù)方向傳播，P點(diǎn)處于向上振動(dòng)時(shí)，Q點(diǎn)應(yīng)處于波谷，C正確答案BC【點(diǎn)評(píng)】高考對(duì)波的圖象考查時(shí)要求較高，難度大，