賞析原子物理創(chuàng)新題探索創(chuàng)新命題之根源

■河南省安陽(yáng)市實(shí)驗(yàn)中學(xué) 黃琳

原子物理是《選修3—5》的內(nèi)容，包括原子結(jié)構(gòu)、原子核和波粒二象性，從2017年開(kāi)始被調(diào)整為高考必考內(nèi)容。高考對(duì)這部分內(nèi)容的考查均為Ⅰ級(jí)要求，常以選擇題的形式出現(xiàn)，考查知識(shí)點(diǎn)以氫原子能級(jí)、核反應(yīng)和光電效應(yīng)為主，著重考查考生的理解能力。

一、原子結(jié)構(gòu)

創(chuàng)新題1：氦原子被電離出一個(gè)核外電子，形成類氫結(jié)構(gòu)的氦離子，其能級(jí)示意圖如圖1所示。當(dāng)分別用能量均為48.4eV的電子和光子作用于處在基態(tài)的氦離子時(shí)（ ）。

圖1

A.氦離子可能輻射能量為40.8eV的光子

B.氦離子可能從基態(tài)躍遷到n=3的能級(jí)

C.氦離子一定能從基態(tài)躍遷到n=2的能級(jí)

D.若僅以能量為60eV的電子入射，則氦離子一定不會(huì)輻射光子

解析：氦原子只能吸收整個(gè)光子的能量，卻能吸收實(shí)物粒子的部分能量，而實(shí)現(xiàn)能級(jí)的躍遷。用能量均為48.4eV的電子和光子作用于處在基態(tài)的氦離子時(shí)，可使氦離子先從基態(tài)躍遷到n=3的能級(jí)（E3-E1=48.4eV），再向低能級(jí)躍遷。此時(shí)，氦離子有可能從n=3的能級(jí)直接向基態(tài)躍遷，也可能先從n=3的能級(jí)躍遷到n=2的能級(jí)，再?gòu)膎=2的能級(jí)躍遷到基態(tài)。氦離子在從n=2的能級(jí)躍遷到基態(tài)的過(guò)程中，就會(huì)輻射能量為40.8eV的光子（E2-E1=40.8eV）。氦離子從基態(tài)躍遷到n=2的能級(jí)需吸收40.8eV的能量，這時(shí)能量為48.4eV的電子可提供部分能量，但能量為48.4eV的光子則無(wú)法被整個(gè)吸收。若僅以能量為60eV的電子入射，則處在基態(tài)的氦離子可吸收電子的部分能量而被激發(fā)，然后可能向低能級(jí)躍遷而輻射光子。

答案：AB

命題根源：如圖2所示為氫原子的能級(jí)圖。欲使處于基態(tài)的氫原子激發(fā)，下列措施可行的是（ ）。

圖2

A.用10.2eV的光子照射

B.用11eV的光子照射

C.用14eV的光子照射

D.用11eV的電子碰撞

解析：氫原子只能吸收整個(gè)光子的能量而實(shí)現(xiàn)能級(jí)的躍遷。用10.2eV的光子照射，可使處于基態(tài)的氫原子激發(fā)到n=2的激發(fā)態(tài)。用11eV的光子照射，不能使處于基態(tài)的氫原子激發(fā)。用14eV的光子照射，可使處于基態(tài)的氫原子激發(fā)而電離，且電離后的自由電子獲得0.4eV的動(dòng)能。氫原子能夠吸收實(shí)物粒子的部分能量而實(shí)現(xiàn)能級(jí)的躍遷。用11eV的電子碰撞，可使處于基態(tài)的氫原子激發(fā)到n=2的激發(fā)態(tài)，同時(shí)電子剩余0.8eV的動(dòng)能。

答案：ACD

小結(jié)：創(chuàng)新題1和上述常規(guī)題均涉及原子或離子對(duì)光子與實(shí)物粒子能量的吸收。需要指出的是，現(xiàn)行教材僅涉及氫原子的躍遷，而創(chuàng)新題1則將問(wèn)題拓展到了氦離子，旨在考查考生的知識(shí)遷移能力和創(chuàng)新思維能力。

二、原子核

創(chuàng)新題2：（2018年高考天津卷）國(guó)家大科學(xué)工程——中國(guó)散裂中子源（CSNS）于2017年8月28日首次打靶成功，獲得中子束流，可以為諸多領(lǐng)域的研究和工業(yè)應(yīng)用提供先進(jìn)的研究平臺(tái)。下列核反應(yīng)中放出的粒子為中子的是（ ）。

解析：根據(jù)核反應(yīng)前后的質(zhì)量數(shù)守恒和核電荷數(shù)守恒，寫(xiě)出各選項(xiàng)中核反應(yīng)方程為。

答案：B

命題根源：在下列四個(gè)方程中，x1、x2、x3和x4各代表某種粒子。

以下判斷中正確的是（ ）。

A.x1是中子 B.x2是質(zhì)子

C.x3是α粒子 D.x4是氘核

解析：核反應(yīng)過(guò)程中應(yīng)滿足反應(yīng)前后核電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)守恒，由此可知x1為中子，x2為氘核，x3為α粒子，x4為質(zhì)子。

答案：AC

小結(jié)：創(chuàng)新題2和上述常規(guī)題均涉及核反應(yīng)方程的配平及重要的粒子符號(hào)的書(shū)寫(xiě)，創(chuàng)新題2新在聯(lián)系了我國(guó)的重大科學(xué)成果實(shí)際，富有時(shí)代氣息。

三、波粒二象性

創(chuàng)新題3：如圖3所示為研究光電效應(yīng)的裝置和圖像。下列關(guān)于甲、乙、丙各圖的描述中正確的是（ ）。

圖3

A.甲圖中，弧光燈照射鋅板，驗(yàn)電器的錫箔張開(kāi)，說(shuō)明鋅板帶負(fù)電

B.乙圖中，可以研究單位時(shí)間發(fā)射的光電子數(shù)與照射光的強(qiáng)度有關(guān)

C.丙圖中，強(qiáng)黃光和弱黃光曲線交于U軸同一點(diǎn)，說(shuō)明光電子最大初動(dòng)能與光的強(qiáng)度無(wú)關(guān)

D.丙圖中，黃光和紫光曲線交于U軸不同點(diǎn)，說(shuō)明不同金屬發(fā)生光電效應(yīng)的極限頻率不同

解析：甲圖中，弧光燈照射鋅板，驗(yàn)電器的錫箔張開(kāi)，只能說(shuō)明鋅板帶電，不能說(shuō)明鋅板一定帶負(fù)電。乙圖中，光電管加的是反向電壓，實(shí)驗(yàn)只能證明光電效應(yīng)存在遏止電壓，無(wú)法研究單位時(shí)間發(fā)射的光電子數(shù)與照射光的強(qiáng)度有關(guān)。由得，因此強(qiáng)黃光和弱黃光曲線交于U軸同一點(diǎn)，說(shuō)明光電子最大初動(dòng)能相等，與光的強(qiáng)度無(wú)關(guān)；黃光和紫光曲線交于U軸不同點(diǎn)，只能說(shuō)明光電子最大初動(dòng)能不等，無(wú)法說(shuō)明不同金屬發(fā)生光電效應(yīng)的極限頻率不同。

答案：C

命題根源：對(duì)光電效應(yīng)的解釋，下列說(shuō)法中正確的是（ ）。

A.金屬內(nèi)的每個(gè)電子可以吸收一個(gè)或一個(gè)以上的光子，當(dāng)它積累的動(dòng)能足夠大時(shí)，就能逸出金屬

B.如果入射光子的能量小于金屬表面的電子克服原子核的引力而逸出時(shí)所需做的最小功，便不能發(fā)生光電效應(yīng)

C.發(fā)生光電效應(yīng)時(shí)，入射光越強(qiáng)，光子的能量就越大，光電子的最大初動(dòng)能就越大

D.因?yàn)椴煌饘俚囊莩龉κ遣幌嗤模允共煌饘佼a(chǎn)生光電效應(yīng)的入射光的最低頻率也不同

解析：按照愛(ài)因斯坦的光子說(shuō)，光子的能量是由光的頻率決定的，與光強(qiáng)無(wú)關(guān)。入射光的頻率越大，發(fā)生光電效應(yīng)時(shí)產(chǎn)生的光電子的最大初動(dòng)能越大。要使電子離開(kāi)金屬，須使電子具有足夠的動(dòng)能，而電子增加的動(dòng)能只能來(lái)源于照射光的光子能量。電子只能吸收一個(gè)光子，不能同時(shí)吸收多個(gè)光子，否則當(dāng)光的頻率低，而照射時(shí)間足夠長(zhǎng)時(shí)，也會(huì)發(fā)生光電效應(yīng)。處在金屬表面的電子從金屬中逸出時(shí)克服原子核的引力所做的功最小，這個(gè)功稱為逸出功。不同金屬的逸出功不同。

答案：BD

小結(jié)：創(chuàng)新題3和上述常規(guī)題均涉及對(duì)光電效應(yīng)現(xiàn)象的分析。不同的是，上述常規(guī)題著重于理論分析，而創(chuàng)新題3則以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，考查考生對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的理解與對(duì)圖像進(jìn)行分析的能力。

跟蹤訓(xùn)練

1.如圖4所示四幅圖涉及不同的物理知識(shí)，其中說(shuō)法正確的是（ ）。

圖4

A.盧瑟福通過(guò)分析甲圖中的α粒子散射實(shí)驗(yàn)結(jié)果，提出了原子的核式結(jié)構(gòu)模型

B.乙圖表明，只要有光射到金屬板上，就一定有光電子射出

C.丙圖表示的是磁場(chǎng)對(duì)α、β和γ射線的作用情況，其中①是β射線，②是γ射線

D.丁圖表示的核反應(yīng)屬于重核裂變，是人工無(wú)法控制的核反應(yīng)

B.反應(yīng)過(guò)程中吸收能量

C.中微子的動(dòng)量與處于激發(fā)態(tài)新核的動(dòng)量大小相等

D.中微子的動(dòng)能與處于激發(fā)態(tài)新核的動(dòng)能相等

3.大量的氫原子處于n=4能級(jí)，該能級(jí)的氫原子向低能級(jí)躍遷時(shí)能向外輻射不同頻率的光子，從n=3能級(jí)躍遷到n=2能級(jí)時(shí)輻射的光子頻率為ν0。若某種金屬的極限頻率略大于ν0，則下列說(shuō)法中正確的是（ ）。

A.從n=4能級(jí)躍遷到n=1能級(jí)時(shí)輻射光的波長(zhǎng)最長(zhǎng)

B.氫原子躍遷時(shí)，向外輻射的光子中有4種能使該金屬發(fā)生光電效應(yīng)現(xiàn)象

C.用輻射出的光子照射該金屬時(shí)，光子的頻率越大，該金屬的逸出功越大

D.當(dāng)該金屬發(fā)生光電效應(yīng)時(shí)，入射光的強(qiáng)度越大，光電子的最大初動(dòng)能越大

參考答案：

1.A 提示：乙圖并不能表明，只要有光射到金屬板上，就一定有光電子射出，因?yàn)橹挥腥肷涔獾念l率大于極限頻率時(shí)才能產(chǎn)生光電效應(yīng)。丙圖表示的是磁場(chǎng)對(duì)α、β和γ射線的作用情況，其中①是α射線，②是γ射線，③是β射線。丁圖表示的核反應(yīng)屬于重核裂變，重核裂變可以在人工控制下進(jìn)行。

3.B 提示：氫原子從n=4能級(jí)躍遷到n=1能級(jí)時(shí)輻射光的光子能量最大，輻射光的波長(zhǎng)最短。氫原子只有從n=4能級(jí)躍遷到n=3、n=2、n=1能級(jí)，以及從n=3能級(jí)躍遷到n=1能級(jí)時(shí)，輻射的這4種光子能使該金屬發(fā)生光電效應(yīng)現(xiàn)象。