04-第四章原子結(jié)構(gòu)和波粒二象性

第四章原子結(jié)構(gòu)和波粒二象性一、單項(xiàng)選擇題(本題共8小題,每小題3分,共24分。每小題只有一個(gè)選項(xiàng)符合題目要求)1.光譜分析為深入原子世界打開了道路。關(guān)于光譜,下列說法正確的是()A.原子發(fā)射連續(xù)光譜是因?yàn)殡娮永@原子核運(yùn)動(dòng)的變化是連續(xù)的B.玻爾的原子理論能成功解釋各種原子光譜的實(shí)驗(yàn)規(guī)律C.原子吸收光譜中的每一條暗線都跟這種原子的發(fā)射光譜中的一條亮線相對應(yīng)D.利用光譜分析鑒別物質(zhì)時(shí),可以用連續(xù)譜,也可以用線狀譜2.如圖,α粒子散射實(shí)驗(yàn)中,絕大多數(shù)α粒子穿過金箔后運(yùn)動(dòng)方向基本不改變,這是因?yàn)?)A.金原子核很小,核外空曠B.這些α粒子離金原子核遠(yuǎn),不受庫侖斥力C.這些α粒子未與金原子中的電子碰撞D.金原子核由質(zhì)子和中子組成3.氫原子能級(jí)圖如圖所示,用某單色光照射大量處于基態(tài)的氫原子后,氫原子輻射的光對應(yīng)譜線只有兩根譜線屬于巴耳末系,則該單色光的光子能量為()eV4.氫原子的能級(jí)公式為En=E1n2(E1<0,量子數(shù)n=2,3,4,…),E1是基態(tài)氫原子的能量值,光在真空中的傳播速度為c,大量處于n=4能級(jí)的氫原子向低能級(jí)躍遷輻射的多種不同頻率的光子中A.15E116cB.155.波長為λ的光子與一靜止電子發(fā)生正碰,測得碰撞后(未反彈)的光子波長增大了Δλ,普朗克常量為h,不考慮相對論效應(yīng),碰后電子的動(dòng)量為()A.?λ+?ΔλB.?λ+?λ+6.如圖甲為研究光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置,用頻率為ν的單色光照射光電管的陰極K,得到光電流I與光電管兩端電壓U的關(guān)系圖線如圖乙所示,已知電子電荷量為e,普朗克常量為h,則()A.測量遏止電壓Uc時(shí)開關(guān)S應(yīng)扳向“2”B.陰極K所用材料的極限頻率為?νC.只增大光照強(qiáng)度時(shí),圖乙中I0的值將不變D.只增大光照強(qiáng)度時(shí),圖乙中Uc的值會(huì)增大7.如圖甲所示是一款光電煙霧探測器的原理圖。當(dāng)有煙霧進(jìn)入時(shí),來自光源S的光被煙霧散射后進(jìn)入光電管C,光射到光電管中的金屬表面時(shí)會(huì)產(chǎn)生光電流。如果產(chǎn)生的光電流大于108A,便會(huì)觸發(fā)報(bào)警系統(tǒng)。光電管中金屬的遏止電壓Uc隨入射光頻率ν的變化規(guī)律如圖乙所示,已知光速c=3.0×108m/s,電子的電荷量e=1.6×1019C,普朗克常量h=6.63×1034J·s,則()A.光電管中金屬的逸出功為6eVB.圖乙中圖線斜率的物理意義為普朗克常量hC.要使該探測器正常工作,光源S發(fā)出的光波波長不能小于5.0×107mD.觸發(fā)報(bào)警系統(tǒng)時(shí)金屬表面每秒釋放出的光電子數(shù)應(yīng)大于N=6.25×1010個(gè)8.激光冷卻中性原子的原理如圖所示,質(zhì)量為m、速度為v0的原子連續(xù)吸收多個(gè)迎面射來的頻率為ν的光子后,速度減小。不考慮原子質(zhì)量的變化,光速為c。下列說法正確的是()A.激光冷卻利用了光的波動(dòng)性B.原子吸收第一個(gè)光子后速度的變化量為Δv=?νC.原子每吸收一個(gè)光子后速度的變化量不同D.原子吸收mcv二、多項(xiàng)選擇題(本題共4小題,每小題4分,共16分。每小題有多個(gè)選項(xiàng)符合題目要求,全選對得4分,選對但不全的得2分,選錯(cuò)或不選得0分)9.關(guān)于光的本質(zhì),下列說法正確的是()A.光波是一種概率波B.光波是一種電磁波C.光的波長越長,光子的能量越大D.光的干涉和衍射現(xiàn)象說明光具有波動(dòng)性10.氫原子的能級(jí)示意圖如圖所示,已知可見光的光子能量范圍約為1.62eV~3.11eV,下列說法正確的是()A.一個(gè)處于n=4能級(jí)的氫原子向低能級(jí)躍遷時(shí),最多可向外輻射6種不同頻率的光子B.如果n=1能級(jí)的氫原子依靠某電子的撞擊獲得能量躍遷到n=4能級(jí),則該電子的能量一定等于12.75eVC.處于n=3能級(jí)的氫原子可以吸收任意頻率的紫外線,并且使氫原子電離D.用氫原子從n=4能級(jí)躍遷到n=1能級(jí)輻射出的光照射逸出功為2.25eV的金屬時(shí),逸出的光電子的最大初動(dòng)能為10.5eV11.圖甲為氫原子能級(jí)圖,圖乙為研究光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置,一群處于n=4能級(jí)的氫原子向低能級(jí)躍遷會(huì)發(fā)出一系列不同頻率的光,將這些光分別照射到圖乙電路陰極K的金屬上,只能測得3條電流隨電壓變化的圖線,如圖丙所示。下列說法正確的是()A.圖丙中的c光是氫原子由n=2能級(jí)向基態(tài)躍遷發(fā)出的B.圖丙中的b光光子能量為12.09eVC.動(dòng)能為1eV的電子不能使處于n=4能級(jí)的氫原子電離D.陰極金屬的逸出功可能為W0=7.25eV12.氫原子從某一能級(jí)向低能級(jí)躍遷時(shí),產(chǎn)生了頻率分別為ν1、ν2的兩種光Ⅰ、Ⅱ。用光Ⅰ照射圖中的實(shí)驗(yàn)裝置,電流表中有電流通過,調(diào)節(jié)滑片P,當(dāng)電壓表示數(shù)為U1時(shí),電流表示數(shù)恰好為0。此時(shí)保持裝置不變,改用光Ⅱ照射,電流表示數(shù)為0,調(diào)節(jié)滑片P,當(dāng)電壓表示數(shù)為U2時(shí),電流表中開始有電流通過。則()A.ν1U2=ν2U1B.產(chǎn)生光Ⅰ時(shí),氫原子躍遷到的能級(jí)更低C.用同一裝置研究雙縫干涉現(xiàn)象,光Ⅱ的條紋間距更大D.改用光Ⅱ照射后,滑片P向a端移動(dòng)電流表中才能有電流三、非選擇題(本題共6小題,共60分)13.(6分)如圖所示是英國物理學(xué)家盧瑟福用α粒子轟擊金箔的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。(1)關(guān)于α粒子散射實(shí)驗(yàn),下列說法正確的是。

A.α粒子轟擊金箔的實(shí)驗(yàn)需要在真空條件下完成B.金箔可用鋁箔替代C.熒光屏360°旋轉(zhuǎn)的目的是觀察α粒子各個(gè)角度的散射情況D.α粒子源是一個(gè)可以將靜止α粒子加速的電場(2)有關(guān)α粒子散射實(shí)驗(yàn)的下圖中,O表示金原子核的位置,則能正確表示該實(shí)驗(yàn)中經(jīng)過金原子核附近的α粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡的是。

14.(8分)如圖所示,一驗(yàn)電器與鋅板相連,在A處用一紫外線燈照射鋅板,關(guān)燈后,驗(yàn)電器指針保持一定偏角。(1)現(xiàn)用一帶少量負(fù)電的金屬小球與鋅板接觸,則驗(yàn)電器指針偏角將(選填“增大”“減小”或“不變”)。

(2)使驗(yàn)電器指針回到零,再用相同強(qiáng)度的鈉燈發(fā)出的黃光照射鋅板,驗(yàn)電器指針無偏轉(zhuǎn)。那么,若改用強(qiáng)度更大的紅外線燈照射鋅板,可觀察到驗(yàn)電器指針(選填“有”或“無”)偏轉(zhuǎn)。

(3)為了進(jìn)一步研究光電效應(yīng)的規(guī)律,甲組設(shè)計(jì)了如圖所示的電路,圖中標(biāo)有A和K的為光電管,其中K為陰極,A為陽極。現(xiàn)接通電源,用光子能量為10.5eV的光照射陰極K,電流表中有示數(shù),若將滑動(dòng)變阻器的滑片P緩慢向右滑動(dòng),電流表的讀數(shù)逐漸減小,當(dāng)滑至某一位置時(shí)電流表的讀數(shù)恰好為零,讀出此時(shí)電壓表的示數(shù)為6.0V,則光電管陰極材料的逸出功為eV;現(xiàn)保持滑片P位置不變,僅增大入射光的強(qiáng)度,電流表的讀數(shù)(選填“為零”或“不為零”)。

(4)已知黃光的頻率小于藍(lán)光的頻率,乙組用強(qiáng)黃光、弱黃光、強(qiáng)藍(lán)光、弱藍(lán)光分別照射同一個(gè)光電管做光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn),得到四條光電流I與電壓U的關(guān)系曲線,如圖所示(其中有一條曲線圖中未畫出),則曲線甲對應(yīng)的入射光為(填“強(qiáng)黃光”“弱黃光”“強(qiáng)藍(lán)光”或“弱藍(lán)光”)。

15.(10分)鉻原子n=2能級(jí)上的電子躍遷到n=1能級(jí)上時(shí)并不發(fā)射光子,而是將相應(yīng)的能量轉(zhuǎn)交給n=4能級(jí)上的電子,使之能脫離原子,脫離原子的電子叫作俄歇電子,已知鉻原子的能級(jí)公式可簡化為En=An2,式中A(1)鉻原子從n=2能級(jí)躍遷到n=1能級(jí)釋放的能量ΔE;(2)上述俄歇電子的動(dòng)能Ek。16.(10分)大量處于n=3能級(jí)的氫原子,向低能級(jí)躍遷時(shí)輻射光子的最短波長為λ。已知?dú)湓拥哪芗?jí)公式為En=E1n2(E1未知),普朗克常量為h,光速為(1)氫原子的基態(tài)能量E1;(2)氫原子輻射光子的最小動(dòng)量p。17.(12分)如圖所示,光電管的陰極K用某種金屬制成,閉合開關(guān)S,用發(fā)光功率為P的激光光源直接照射陰極K時(shí),產(chǎn)生了光電流。移動(dòng)滑動(dòng)變阻器的滑片,當(dāng)光電流恰好為零時(shí),電壓表的示數(shù)為U,已知該金屬的逸出功為W0,普朗克常量為h,電子電荷量為e,真空中的光速為c,求:(1)激光在真空中的波長λ;(2)激光光源單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的光子數(shù)N;(3)滑片移動(dòng)到最左端時(shí),電流為I,求該狀態(tài)下,單位時(shí)間內(nèi)通過電流表的電子數(shù)Ne。18.(14分)在弗蘭克赫茲實(shí)驗(yàn)中,電子碰撞原子,原子吸收電子的動(dòng)能從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)。假設(shè)改用質(zhì)子碰撞氫原子來實(shí)現(xiàn)氫原子的能級(jí)躍遷,實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。緊靠電極A的O點(diǎn)處的質(zhì)子經(jīng)電壓為U1的電場加速后,進(jìn)入兩金屬網(wǎng)電極B和C之間的等勢區(qū)。在BC區(qū)質(zhì)子與靜止的氫原子發(fā)生碰撞,氫原子吸收能量由基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)。質(zhì)子在碰撞后繼續(xù)運(yùn)動(dòng)進(jìn)入CD減速區(qū),若質(zhì)子能夠到達(dá)電極D,則在電流表上可以觀測到電流脈沖。已知質(zhì)子質(zhì)量mp與氫原子質(zhì)量mH均為m,質(zhì)子的電荷量為e,氫原子能級(jí)圖如圖2所示,忽略質(zhì)子在O點(diǎn)時(shí)的初速度,質(zhì)子和氫原子只發(fā)生一次正碰。(1)求質(zhì)子到達(dá)電極B時(shí)的速度v0;(2)假定質(zhì)子和氫原子碰撞時(shí),質(zhì)子初動(dòng)能的14被氫原子吸收用于能級(jí)躍遷,要出現(xiàn)電流脈沖,求C、D間電壓U2的最大值(3)要使碰撞后氫原子從基態(tài)躍遷到n=3的激發(fā)態(tài),求U1的最小值。

答案與解析第四章原子結(jié)構(gòu)和波粒二象性1.C2.A3.B4.A5.D6.B7.D8.B9.ABD10.CD11.ABD12.BC1.C電子繞原子核運(yùn)動(dòng)的變化都是不連續(xù)的,我們看到的原子光譜都是線狀譜,選項(xiàng)A錯(cuò)誤;玻爾原子理論僅能成功解釋氫原子光譜的實(shí)驗(yàn)規(guī)律,選項(xiàng)B錯(cuò)誤;每種原子都有各自的特征譜線,原子吸收光譜中的每一條暗線都跟這種原子的發(fā)射光譜中的一條亮線相對應(yīng),可以利用線狀譜和吸收光譜來鑒別物質(zhì),選項(xiàng)C正確,D錯(cuò)誤。2.Aα粒子散射實(shí)驗(yàn)中,絕大多數(shù)α粒子穿過金箔后運(yùn)動(dòng)方向基本不改變,這是因?yàn)榻鹪雍撕苄?核外空曠,選項(xiàng)A正確。3.B巴耳末系是高能級(jí)氫原子躍遷到n=2能級(jí)的譜線圖,根據(jù)題意可知?dú)湓虞椛涞墓鈱?yīng)譜線只有兩根譜線屬于巴耳末系,則知?dú)湓訌膎=4能級(jí)躍遷,則單色光的光子能量為E=0.85eV(13.6eV)=12.75eV,選項(xiàng)B正確。4.A從n=4能級(jí)直接躍遷到n=1能級(jí)輻射的光子能量最大,動(dòng)量最大,即E4E1=?cλ=pc,得p=15E1165.D根據(jù)動(dòng)量和波長的關(guān)系可知碰前光子的動(dòng)量p=?λ,設(shè)碰后電子的動(dòng)量為p0,光子與電子碰撞過程滿足動(dòng)量守恒,因?yàn)榕龊蠊庾游捶磸?所以?λ=?λ+Δλ+p0,解得p0=6.B測量遏止電壓Uc時(shí)光電管兩端加反向電壓,則開關(guān)S應(yīng)扳向“1”,選項(xiàng)A錯(cuò)誤;根據(jù)Uce=Ekm=hνhν0,可得陰極K所用材料的極限頻率為ν0=?ν-eUc?,選項(xiàng)B正確;只增大光照強(qiáng)度時(shí),飽和電流增大,則圖乙中I0的值將變大,選項(xiàng)C錯(cuò)誤;只增大光照強(qiáng)度時(shí),光的頻率不變,則圖乙中Uc7.D由愛因斯坦光電效應(yīng)方程及遏止電壓與光電子最大初動(dòng)能的關(guān)系可得eUc=Ek=hνW0,即Uc=?eνW0e,可知光電管中金屬的逸出功為2.5eV,圖線的斜率為?e,選項(xiàng)A、B錯(cuò)誤;金屬的截止頻率為νc=Uc·e?=2.5×1.6×10-196.63×10-34Hz=6.0×1014Hz,則有λ=cνc=3.0×1086.0×1014m=5.0×107m,則可知光源S發(fā)出的光波波長應(yīng)小于5.0×107m,選項(xiàng)C錯(cuò)誤;當(dāng)光電流等于108A時(shí),每秒產(chǎn)生的光電子的個(gè)數(shù)為N=Ite8.B激光冷卻利用了光的粒子性,選項(xiàng)A錯(cuò)誤;根據(jù)德布羅意波長公式有λ=?pc=cν,可得一個(gè)光子的動(dòng)量為pc=?νc,根據(jù)動(dòng)量守恒有mv0pc=mv1,所以原子吸收第一個(gè)光子后速度的變化量為Δv=v1v0=?νmc,選項(xiàng)B正確;由于動(dòng)量守恒,每個(gè)光子的動(dòng)量相同,因此原子每吸收一個(gè)光子后速度改變量相同,選項(xiàng)C錯(cuò)誤;原子吸收mcv0?ν個(gè)光子后,根據(jù)動(dòng)量守恒有mv0npc=mv2,即mv0mcv0?ν·9.ABD光波在空間各點(diǎn)出現(xiàn)的概率大小可以用波動(dòng)規(guī)律來描述,但單個(gè)光子無法預(yù)測軌跡,所以光波是一種概率波,選項(xiàng)A正確;光波是一種電磁波,選項(xiàng)B正確;光的波長越長頻率越小,光子的能量也越小,選項(xiàng)C錯(cuò)誤;只有波才會(huì)出現(xiàn)干涉和衍射現(xiàn)象,所以光的干涉和衍射現(xiàn)象說明光具有波動(dòng)性,選項(xiàng)D正確。10.CD一群處于n=4能級(jí)的氫原子向低能級(jí)躍遷時(shí),最多可向外輻射6種不同頻率的光子,而一個(gè)處于n=4能級(jí)的氫原子向低能級(jí)躍遷時(shí),最多可向外輻射3種不同頻率的光子,選項(xiàng)A錯(cuò)誤;如果n=1能級(jí)的氫原子依靠某電子的撞擊獲得能量躍遷到n=4能級(jí),0.85eV(13.6eV)=12.75eV,吸收的能量一定等于12.75eV,因此該電子的能量大于或者等于12.75eV即可,選項(xiàng)B錯(cuò)誤;紫外線的光子能量大于3.11eV,處于n=3能級(jí)的氫原子可以吸收任意頻率的紫外線后發(fā)生電離,選項(xiàng)C正確;氫原子從n=4能級(jí)躍遷到n=1能級(jí)輻射出的光子的能量為0.85eV(13.6eV)=12.75eV,如果用該光照射逸出功為2.25eV的金屬,由愛因斯坦光電效應(yīng)方程Ekm=hνW0,得逸出的光電子的最大初動(dòng)能為10.5eV,選項(xiàng)D正確。11.ABD一群處于n=4能級(jí)的氫原子,向低能級(jí)躍遷過程中可能的情況為n=4→3,n=4→2,n=4→1,n=3→2,n=3→1,n=2→1,能發(fā)出6種不同頻率的光;輻射的光子的能量值從大到小排列為n=4→1,n=3→1,n=2→1,n=4→2,n=3→2,n=4→3,但題中只能測得3條電流隨電壓變化的圖線,所以n=4→1,n=3→1,n=2→1這幾種情況發(fā)出的光能產(chǎn)生光電效應(yīng),由圖丙可知,a光的遏止電壓最大,其次是b和c,根據(jù)eU=Ek=hνW0,所以a對應(yīng)n=4→1,b對應(yīng)n=3→1,c對應(yīng)n=2→1,選項(xiàng)A正確。b光的光子能量為Eb=E3E1=1.51eV(13.6eV)=12.09eV,選項(xiàng)B正確。要使處于n=4能級(jí)的氫原子電離,所需的最小能量為0.85eV,所以動(dòng)能為1eV的電子能使處于n=4能級(jí)的氫原子電離,選項(xiàng)C錯(cuò)誤。氫原子由n=2能級(jí)躍遷到n=1能級(jí)輻射的光子的能量值E21=E2E1=(3.4eV)(13.6eV)=10.2eV,能量值排第4(n=4→2)的光子的能量值E42=E4E2=(0.85eV)(3.4eV)=2.55eV,只有三種光子能發(fā)生光電效應(yīng),則該金屬的逸出功大于2.55eV,小于等于10.2eV,選項(xiàng)D正確。12.BC當(dāng)電壓表示數(shù)為U1時(shí),電流表示數(shù)恰好為0,則有Ek1=hν1W0,eU1=Ek1,聯(lián)立解得eU1=hν1W0,同理,當(dāng)電壓表示數(shù)為U2時(shí),有eU2=hν2W0,聯(lián)立解得hν1eU1=hν2eU2,將A中式子代入驗(yàn)證,可知A中式子不成立,選項(xiàng)A錯(cuò)誤;由題可知,光Ⅰ的頻率更大,故光Ⅰ的能量更高,所以產(chǎn)生光Ⅰ時(shí)氫原子躍遷到的能級(jí)更低,選項(xiàng)B正確;由題可知,光Ⅱ的頻率更小,則其波長更長,根據(jù)Δx=Ldλ,可知用同一裝置研究雙縫干涉現(xiàn)象,光Ⅱ的條紋間距更大,選項(xiàng)C正確;由題意,改用光Ⅱ照射后,滑片P向b端移動(dòng)電流表中才能有電流,選項(xiàng)D13.答案(1)AC(3分)(2)B(3分)解析(1)α粒子轟擊金箔的實(shí)驗(yàn)需要在真空條件下完成,避免α粒子和空氣中的原子碰撞影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果,選項(xiàng)A正確;如果不用金箔改用鋁箔也會(huì)發(fā)生散射現(xiàn)象,只是鋁的延展性不如金的好,不可以做到很薄,所以實(shí)驗(yàn)結(jié)果會(huì)受到影響,同時(shí)由于金原子核電荷量大、質(zhì)量大,易形成大角度散射,選項(xiàng)B錯(cuò)誤;熒光屏360°旋轉(zhuǎn)的目的是觀察α粒子各個(gè)角度的散射情況,選項(xiàng)C正確;α粒子源用以提供所需的α粒子,不能加速,選項(xiàng)D錯(cuò)誤。(2)在α粒子散射實(shí)驗(yàn)中,粒子所受原子核的作用力為斥力,指向軌跡彎曲的內(nèi)側(cè),大多數(shù)粒子穿過金箔后,偏轉(zhuǎn)很小,少數(shù)粒子發(fā)生很大角度的偏轉(zhuǎn),且越靠近金原子核的粒子受到的斥力越大,偏轉(zhuǎn)角越大,故選B。14.答案(1)減小(2分)(2)無(2分)(3)4.5(1分)為零(1分)(4)強(qiáng)黃光(2分)解析(1)在A處用一紫外線燈照射鋅板,鋅板發(fā)生光電效應(yīng),光電子逸出后鋅板帶正電,用一帶少量負(fù)電的金屬小球與鋅板接觸,會(huì)使鋅板上帶的正電減少,驗(yàn)電器指針偏角將減小。(2)用鈉燈發(fā)出的黃光照射鋅板,驗(yàn)電器指針無偏轉(zhuǎn),說明黃光不能使鋅板產(chǎn)生光電效應(yīng);改用紅外線燈照射鋅板,紅外線的頻率小于黃光的頻率,紅外線也不能使鋅板產(chǎn)生光電效應(yīng),驗(yàn)電器指針無偏轉(zhuǎn)。(3)當(dāng)滑片滑至某一位置時(shí)電流表的讀數(shù)恰好為零,讀出此時(shí)電壓表的示數(shù)為6.0V,說明遏止電壓為6.0V,光電子的最大初動(dòng)能Ek=6.0eV,根據(jù)Ek=hνW0可知,光電管陰極材料的逸出功為4.5eV?，F(xiàn)保持滑片P位置不變,僅增大入射光的強(qiáng)度,電流表的讀數(shù)為零。(4)入射光頻率越大,遏止電壓越大,所以甲、乙為同一種光,且甲、乙的頻率小于丙的頻率,則甲、乙為黃光,丙為藍(lán)光。而頻率一定時(shí),入射光越強(qiáng),飽和電流越大,所以甲為強(qiáng)黃光。15.答案(1)34A(2)11解析(1)由題意可得ΔE=E2E1(2分)解得ΔE=34A(2分(2)n=4能級(jí)上的電子的電離能E'=0E4(2分)俄歇電子的動(dòng)能Ek=ΔEE'(2