第十六章 原子物理 讲义-2027届高考物理一轮复习重点题型知识点归纳及典型案例

该高中物理高考复习讲义聚焦原子物理核心考点，涵盖光电效应、光的粒子性、核反应等高考重点内容，按“考点必记-典型案例”逻辑架构梳理知识内在联系。通过考点梳理（如光电效应方程、核衰变规律）、方法指导（如光电管图像分析）、真题训练（典型案例题型）等环节，帮助学生系统突破难点，体现复习的针对性。 讲义突出科学思维与物理观念培养，如光电效应图像分析中引导学生通过E_k-ν图像斜率理解普朗克常量，核反应计算中结合质量亏损与质能方程强化能量观念。设置分层题型（易错题、高频题）配合详细解析，助力学生在有限时间内提升解题能力，为教师把控复习节奏提供清晰教学路径。

高中物理高考重点题型知识点归纳及典型案例 第十六章 原子物理 考点必记 1.光电效应 (1)黑体辐射 ①热辐射现象 任何物体在任何温度下都要发射各种波长的电磁波，并且其辐射能量的大小及辐射能量按波长的分布都与温度有关，所以称为热辐射。 ②黑体 物体具有辐射能量的本领，又有吸收外界辐射来的能量的本领。绝对黑体(简称黑体)是指能够完全吸收入射的各种波长电磁波而不发生反射的物体，而黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体的温度有关。 ③实验规律：随着温度的升高，黑体的辐射强度都有增加并且随着温度的升高，辐射强度的极大值向波长较短方向移动。 ④能量子理论 普朗克假定：组成黑体的振动着的带电微粒的能量只能是某一最小能量值ε 的整数倍。例如，可能是 ε 或2ε、3ε……他把这个不可再分的最小能量值 ε 叫作能量子，它的表达式为 ε = hv，这里的ν是带电微粒的振动频率，也即带电微粒吸收或辐射电磁波的频率。h是一个常量，后人称之为普朗克常量，其值为 (2)光电效应现象 物体在光(包括不可见光)的照射下发射电子的现象称为光电效应。 (3)光电效应实验规律： ①任何金属都有一个极限频率(又叫截止频率)，入射光的频率必须大于这个极限频率，才能产生光电效应；低于这个频率的光不能产生光电效应。 ②光电子的最大初动能与入射光的强度无关，只随着入射光频率的增大而增大。 ③入射光照到金属上时，光电子的发射几乎是瞬时的，一般不超过10⁻⁹s。 ④当入射光的频率大于极限频率时，入射光的强度越强，单位时间内发射的电子数越多，即饱和光电流越大。 (4)光电效应方程 ①逸出功 W：电子脱离金属离子束缚，逸出金属表面克服离子引力所做功的最小值。 ②光电效应方程 如果入射光子的能量大于逸出功 W，那么有些光电子在脱离金属表面后还有剩余的动能，根据能量守恒定律可得，出射光子的最大初动能E与入射光子的能量 hv逸出功 W的关系式是 (其中 是指出射光电子的最大初动能)。 ③截止频率 金属内部的电子一般一次只能吸收一个光子的能量，入射光子的能量 hv小于逸出功 W时，电子不可能逸出，这就是光电效应存在截止频率的原因。 ④截止电压 如果施加反向电压，也就是阴极接电源正极、阳极接电源负极，在光电管两极间形成使电子减速的电场，电流有可能为0。使光电流减小到0的反向电压 Uc称为截止电压。 由 和 得 遏制电压只与入射光频率有关，与入射光的强度无关。 2.光的粒子性 (1)爱因斯坦的光子说 光不仅在发射和吸收时能量是一份一份的，而且光本身就是由一个个不可分割的能量子组成的，每一个能量子叫一个光子，光子的能量E跟光的频率v成正比，即E= hv，其中h是普朗克常量。 (2)康普顿效应 ①用X射线照射物体时，一部分散射出来的X射线的波长会变长，这个现象叫康普顿效应。康普顿效应是验证光的波粒二象性的重要实验之一。 ②康普顿效应证明了爱因斯坦光子假说的正确性，揭示了光子不仅具有能量，还具有动量，光子的动量为 ③现象解释：碰撞前后光子与电子总能量守恒，总动量也守恒。碰撞前，电子可近似视为静止的，碰撞后，电子获得一定的能量和动量，X光子的能量和动量减小，所以X射线光子的波长变长。 (3)物质波 德布罗意提出假设：实物粒子也具有波动性，即每一个运动的粒子都与一个对应的波相联系。粒子的能量 ε 和动量p跟它所对应的波的频率ν和波长λ之间，遵从如下关系： 这种与实物粒子相联系的波后来被称为德布罗意波，也叫作物质波。1927年戴维孙和G. P.汤姆孙分别用单晶和多晶晶体做了电子束衍射的实验，得到了电子的衍射图样，从而证实了电子的波动性。 3.电子的发现 (1)阴极射线 1897年英国物理学家J·J汤姆孙，对阴极射线进行了一系列研究，从而发现了电子。电子的发现表明原子存在精细结构，从而打破了原子不可再分的观念。 (2)枣糕模型 J·J汤姆孙生设想原子是一个带电小球，它的正电荷均匀分布在整个球体内，而带负电的电子镶嵌在正电荷中。 (3)α粒子散射实验 ①实验者：卢瑟福。 ②现象：绝大多数粒子穿过金箔后，仍沿原来方向运动，不发生偏转；有少数粒子发生较大角度的偏转；有极少数粒子的偏转角超过了90°，有的几乎达到180°，即被反向弹回。 ③核式结构理论 在原子中心存在一个很小的核，称为原子核，原子核集中了原子所有正电荷和几乎全部的质量，带负电荷的电子在核外空间绕核旋转。α粒子散射可以用来估算核半径。对于一般的原子核，实验确定的核半径的数量级为 而整个原子半径的数量级是 两者相差十万倍之多。 4.三种射线 (1)天然放射现象 ①发现者：法国物理学家贝克勒尔。 ②现象：发现铀或铀矿石能放射出某种人眼看不见的射线。这种射线可穿透黑纸而使照相底片感光。 ③物质能发射出上述射线的性质称放射性，具有放射性的元素称放射性元素。 (2)三种射线的性质比较 种类 本质 质量(u) 电荷(e) 速度(c) 电离性 贯穿性 α 射线 氦核 4 +2 0.1 最强 最弱，纸能挡住 β 射线 电子 -1 0.99 较强 较强，穿几毫米铝板 γ射线 光子 0 0 1 最弱 最强，穿几厘米铅版 5.核反应 (1)核衰变 原子核由于放出某种粒子而转变成新核的变化称为衰变，在衰变过程中原子核的电荷数和质量数守恒。 ①衰变本质 α衰变本质：两个中子和两个质子能十分紧密地结合在一起，在一定条件下它们会作为一个整体(氦核)从较大的原子核中被抛射出来。 β 衰变本质：核内中子转化成了一个质子和一个电子，转化产生的电子发射到核外，就是β 粒子；与此同时，新核少了一个中子，却增加了一个质子。 γ 衰变本质：放射性的原子核在发生α 衰变、β衰变时产生的新核处于高能级，这时它要向低能级跃迁，并放出γ光子。因此，γ射线经常是伴随α 射线和 β 射线产生的。 ②衰变应用 射线测厚仪：工业部门可以使用放射性同位素发出的射线来测厚度。 放射治疗：在医疗方面，患了癌症的病人可以接受钴60的放射治疗。 培优、保鲜：利用γ射线照射种子，会使种子的遗传基因发生变异，经过筛选，可以培育出新品种。用γ射线照射食品可以杀死使食物腐败的细菌，抑制蔬菜发芽，延长保存期。 示踪原子：我们可以用放射性同位素代替非放 射性的同位素来制成各种化合物，这种化合物的原子跟通 常的化合物一样参与所有化学反应，但却带有“放射性标记”，可以用仪器探测出来。这种原子就是示踪原子。 碳14测年技术：碳14的半衰期T₁₂为5730年。碳14不断产生又不断衰变，达到动态平衡，因此，它在大气中的含量相当稳定。活的植物通过光合作用和呼吸作用与环境交换碳元素，体内碳14的比例与大气中的相同。植物枯死后，遗体内的碳14仍在衰变，不断减少，但是不能得到补充。因此，根据放射性强度减小的情况就可以推算植物死亡的时间。 (2)核裂变 ①核裂变：重核在一定条件下转变成两个中等质量的核的反应，叫原子核的裂变反应。例如 ②链式反应：在裂变反应用产生的中子，再被其他铀核浮获使反应继续下去。链式反应的条件有临界体积极高的温度。 ③目前的所有正式运行的核电站都是应用裂变发电的。 (3)核聚变 聚变反应：轻核聚合成较重的原子核的反应，称为聚变反应。(需要几百万度高温，所以又叫热核反应) 例如： (4)人工核转变 原子核在其他粒子的轰击下产生新原子核的过程，称为核反应。与衰变过程一样，在核反应中，质量数守恒、电荷数守恒。 卢瑟福α 粒子轰击氦核： 查德威克α粒子轰击铍核： 约里奥居里夫妇 α 粒子轰击铝片，发现放射性同位素： 6.半衰期 放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间，叫作这种元素的半衰期。对于一个特定的氡原子，我们只知道它发生衰变的概率，而不知道它将何时发生衰变。量子理论可以对大量原子核的行为作出统计预测。 对大量原子核统计，半衰期的计算式为 N表示核的个数，此式也可以演变成 或 式中m表示放射性物质的质量，n表示单位时间内放出的射线粒子数。以上各式左边的量都表示时间t后的剩余量。 典型案例1 光电管图像问题 知识点 光电效应这部分常考两类图像问题： (1)光电效应与爱因斯坦光电效应方程图像问题 光照到材料上，将能量传递给电子，如果能量比较高时，可以克服材料对电子的束缚，将电子打出来，该现象被称为光电效应，逸出的电子被称为光电子。逸出光电子的最大初动能 满足方程 其中v为入射光的频率，h为普朗克常量， 为金属的逸出功，光子能量 这个方程也被称为爱因斯坦光电效应方程。 依据爱因斯坦光电效应方程，光电子的最大初动能随入射光频率变化而变化的图像如下。图线在横轴上的截距在数值上等于金属的截止频率，代表打出光电子所需的最小频率。图线在纵轴上的截距在数值上等于金属的逸出功，斜率大小等于普朗克常量。这一方程说明，当入射光的频率低于截止频率时，无论使用的光强有多大，无论光照的时间有多久，都无法从金属板中打出光电子。 (2)不同的光源，光电流随外电压变化而变化的规律图像 其中纵轴表示光电流，横轴表示阴、阳两极处所加外电压。当U=uc时，光电流恰好为零，此时能求出光电子的最大初动能，即 此电压称为遏止电压。当 时，光电流恰达到饱和光电流，此时所有光电子都参与了导电，电流最大为Imax。不同频率的光的遏止电压不同，不同光强的光的饱和电流不同。 题型1 易错题(多选) 某金属在光的照射下，光电子最大初动能 与入射光频率ν的关系图像如图所示，由图像可知( ) A.该金属的逸出功等于E B.该金属的逸出功等于hv₀ C.入射光的频率为v₀时，产生的光电子的最大初动能为E D.入射光的频率为2v₀时，产生的光电子的最大初动能为2E 参考答案解析 【答案】AB 【解析】根据光电效应方程 可知，当 时， 当 时， A、B正确；入射光的频率为v₀时，产生的光电子的最大初动能为0，C错误；入射光的频率为2v₀时，产生的光电子的最大初动能为E，D错误。 题型2 易错题 在光电效应实验中，用同一光电管在不同实验条件下得到了三条光电流与电压之间的关系曲线，如图所示。则可判断出 A.甲光的频率大于乙光的频率 B.乙光的波长大于丙光的波长 C.乙光对应的遏止频率大于丙光的遏止频率 D.甲光对应的光电子最大初动能大于丙光的光电子最大初动能 参考答案解析 【答案】B 【解析】根据 可知，入射光的频率越高，对应的遏止电压越大。甲光、乙光的遏止电压相等，所以甲光、乙光的频率相等，A错误；丙光的遏止电压大于乙光的遏止电压，所以丙光的频率大于乙光的频率，则乙光的波长大于丙光的波长，B正确；同一金属材料的遏止频率相同，与入射光无关，故C错误；丙光的遏止电压大于甲光的遏止电压，所以甲光对应的光电子最大初动能小于丙光的光电子最大初动能，D错误。 典型案例2 光压问题 知识点 光压问题的核心是光子动量的计算。光子和物体碰撞，它们组成的系统动量守恒，所以光子的动量变化量在数值上等于物体动量的变化量，也等于光子对物体的冲量，进而可以计算出光子对物体的作用力。核心步骤如下： (1)光子能量E=hv，光子动量光的波长可以得到光子动量和能量的关系 (2)由光子的照射面积、反光率等计算单位时间光子动量变化量。 (3)由动量守恒及动量定理计算物体受到的平均作用力及光压。 题型3 高频题 光子既具有能量也有动量，当光照射到物体表面时，会对物体产生压力，光对物体单位面积的压力叫“光压”。若每个光子的平均能量为E，则光子的动量为 (光速 某激光器能发出功率 横截面积 的激光束，该激光束垂直射到某固定的平整墙面，墙面对此激光的反光率为80%，即有80%的光子照射到墙面时以原速率返回，有20%的光子照射到墙面时速度变为零。则该激光束在墙面上产生的光压为( ) A. 12 Pa B. 10.7 Pa D. 24 Pa 参考答案解析 【答案】A 【解析】设激光器在单位时间内发射出的光子数为N，则有 在 △t时间内，射到面积为S的墙面的光子，有80%照射到墙面时以原速率返回，有20%照射到墙面时速度变为零，该激光束在墙面上产生的光压为I，由动量定理得 (-p)]+20%×N△t[0 - (-p)] 其中 联立解得 代入数据得I=12 Pa,故 B、C、D错误, A正确。 题型4 高频题 有人设想在遥远的宇宙探测时，给探测器安上反射率极高(可认为100%)的薄膜，并让它正对太阳，用光压作为动力推动探测器加速。已知某探测器在轨道上运行，阳光恰好垂直照射在薄膜上，薄膜面积为S，每秒每平方米面积获得的太阳光能为E，若探测器总质量为M，光速为c，则探测器获得的加速度大小的表达式是(光子动量为 ( ) A. B. C. D. 参考答案解析 【答案】A 【解析】由 以及光在真空中光速c=λv知，光子的动量和能量之间关系为 设时间t内射到探测器上的光子个数为n，每个光子的能量为E，光子射到探测器上后全部反射，则这时光对探测器的光压最大，设这个压强为 每秒每平方米面积获得的太阳光能为 由动量定理得 压强 对探测器应用牛顿第二定律F=Ma 可得 联立可得 故A正确, B、C、D错误。 典型案例3 氢原子能级跃迁问题 知识点 当电子处在不同的轨道上运动时，原子处于不同的状态，在不同的状态下原子有不同的能量。这些量子化的能量值，叫能级。这些具有确定能量的稳定状态，叫定态。能量最低的状态叫基态，其他的状态叫激发态。以氢原子为例， (1)跃迁：原子由一个能量态变为另一个能量态的过程，称为跃迁。这里的“跃”字，包含着“不连续”的意思。 (2)频率条件：当原子从高能态(能量为 )跃迁到低能态(能量为 En)时，会放出能量为hv的光子。这个光子的能量由前后两个能级的能量差决定，即 这个式子称为频率条件，又称辐射条件。 (3)原子吸收光子时，会从低能态跃迁到高能态，吸收光子的能量同样由频率条件决定。 (4)氢原子光谱 一群氢原子处于量子数为n的激发态时，就有可能向量子数为 诸能级跃迁，共可形成n-1条谱线，而跃迁至量子数为n-1的氢原子又可向 .诸能级跃迁。将以上结果求和，可得大量氢原子从量子数为n的能级向低能级跃迁时，形成的谱线总数为 条。数学表达示为 题型5 易错题 一种利用红外线感应控制的紫外线灯，人在时，自动切断紫外线灯电源，人离开时，自动开启紫外线灯杀菌消毒。已知红外线的光子最高能量是1.61eV，紫外线的光子最低能量是3.11eV，是氢原子能级示意图如图，则大量氢原子( ) A.从n=2能级跃迁到低能级过程只可能辐射出红外线 B.从n=3能级跃迁到低能级过程不可能辐射出红外线 C.从n=4能级跃迁到低能级过程只可能辐射出紫外线 D.从n=5能级跃迁到低能级过程不可能辐射出紫外线 参考答案解析 【答案】B 【解析】由于E₂₁=E₂-E₁=-3.4eV-(-13.6eV)=10.2eV>3.11eV, 所以氢原子从n=2能级跃迁到低能级过程只可能辐射出紫外线，A错误；氢原子从n=3能级跃迁到n=2能级过程中辐射出的光子能量最小，由于 所以氢原子从n=3跃迁到低能级过程不可能辐射出红外线，B正确；由于 0.66eV<1.61eV，所以氢原子从n=4跃迁到低能级过程中可能辐射红外线，C错误；由于 所以氢原子从n=5跃迁到低能级过程中可能辐射出紫外线，D错误。 题型6 高频题 (多选) 氢原子的能级图如图所示，大量处于基态的氢原子在一束光的照射下发生跃迁后能产生6条谱线，其中有3条可使某金属发生光电效应。已知可见光的光子能量在1.62eV到3.11eV之间，下列有关描述正确的是( ) A.氢原子的能级是分立的，6条谱线中有2条谱线在可见光范围内 B.入射光束中光子的能量为10.2eV时才能实现题中的跃迁情况 C.该金属的逸出功小于2.55eV D.若改用12.7eV的电子撞击氢原子使之跃迁后所辐射出的光也能使该金属发生光电效应 参考答案解析 【答案】AD 【解析】氢原子跃迁后能产生6条谱线，根据 即处于基态的氢原子在一束光的照射下发生跃迁后跃迁到了n=4能级；氢原子从n=4能级向n=3能级跃迁时辐射的光子能量为 不在可见光范围内；氢原子从n=4能级向n=2能级跃迁时辐射的光子能量为 2.55eV，在可见光范围内；氢原子从n=4向n=1能级跃迁时辐射的光子能量为 不在可见光范围内；氢原子从n=3向n=2能级跃迁时辐射的光子能量为 在可见光范围内；氢原子从n=3向n=1能级跃迁时辐射的光子能量为 -1.51eV-(-13.6eV)=12.09eV,不在可见光范围内;氢原子从n=2向n=1能级跃迁时辐射的光子能量为 不在可见光范围内，故 A正确。由于能量最大的光子的能量为12.75eV，可知入射光的能量为12.75eV，故B错误；由于其中有3条谱线可使某金属发生光电效应，则此三种谱线对应的频率最大、能量最大的光子的能量分别为12.75eV、12.09eV和10.2eV,可次为2.55eV,可知,该金属的逸出功大于2.55eV，小于10.2eV。故C错误；若改用12.7eV的电子撞击氢原子，由于12.7eV小于12.75eV，所以最多只能使基态的氢原子跃迁到n=3的能级，最少只能使基态的氢原子跃迁到氢原子从n=2的能级；n=2能级向n=1能级跃迁时所辐射出的光的能量为10.2eV，此光子也能使该金属发生光电效应，故D正确。 典型案例4 核能问题 知识点 (1)结合能与核能 ①结合能：原子核凭借核力结合在一起，要把它们分开也需要能量，这就是原子核的结合能。 ②比结合能：结合能与核子数之比，称作比结合能，也叫平均结合能。比结合能越大，原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定。 ③核能：核反应中放出的能叫核能。 (2)质量亏损 核子结合生成原子核，所生成的原子核的质量比生成它的核子的总质量要小些，这种现象叫质量亏损。 (3)质能方程 爱因斯坦的相对论指出：物体的能量和质量之间存在着密切的联系。它们的关系是 这就是爱因斯坦的质能方程。 质能方程的另一个表达形式是 核反应中释放的能量△E与亏损的质量△m满足该质能方程关系式。 以上两式中的各个物理量都必须采用国际单位。在非国际单位里，可以用lu=931.5MeV。它表示1原子质量单位的质量跟931.5MeV的能量相对应。 在有关核能的计算中，一定要根据已知和题解的要求明确所使用的单位制。 题型7 高频题 不同原子核的比结合能不同，如图是按照实际测量结果画出的比结合能图线.下列判断正确的是 ( ) A.中等质量大小的核的比结合能最大，最稳定 B.重核裂变生成产物比结合能增大，吸收能量 C.轻核聚变产物平均核子质量比聚变前的大 D.比结合能大的原子核的平均核子质量大 参考答案解析 【答案】A 【解析】中等质量核的比结合能大，稳定，故A正确；重核裂变释放能量，故B错误；轻核聚变释放能量，比结合能增大，有质量亏损，平均核子质量减小，故C错误；比结合能大的原子核的平均核子质量小，故D错误。 题型8 易错题 (多选)钚的一种同位素 衰变时释放巨大能量，如图所示，其衰变方程为 则( ) A.核燃料总是利用比结合能小的核 B.核反应中γ光子的能量就是 的结合能 C. U核比 Pu核更稳定， 说明 的结合能大 D.由于衰变时释放巨大能量，所以 比 的比结合能小 参考答案解析 【答案】AD 【解析】根据比结合能越大，越稳定，可知核燃料总是利用比结合能小的核，故A正确；核反应中γ光子的能量就是 U的结合能，故B错误；因为 衰变为 时会释放巨大的能量，所以 Pu比²³⁶₂U的比结合能小，故C错误，D正确。 — 3 — 学科网（北京）股份有限公司 $