■河南省安阳市实验中学 黄琳

原子物理是《选修3—5》的内容，包括原子结构、原子核和波粒二象性，从2017年开始被调整为高考必考内容。高考对这部分内容的考查均为Ⅰ级要求，常以选择题的形式出现，考查知识点以氢原子能级、核反应和光电效应为主，着重考查考生的理解能力。

一、原子结构

创新题1：氦原子被电离出一个核外电子，形成类氢结构的氦离子，其能级示意图如图1所示。当分别用能量均为48.4eV的电子和光子作用于处在基态的氦离子时（ ）。

图1

A.氦离子可能辐射能量为40.8eV的光子

B.氦离子可能从基态跃迁到n=3的能级

C.氦离子一定能从基态跃迁到n=2的能级

D.若仅以能量为60eV的电子入射，则氦离子一定不会辐射光子

解析：氦原子只能吸收整个光子的能量，却能吸收实物粒子的部分能量，而实现能级的跃迁。用能量均为48.4eV的电子和光子作用于处在基态的氦离子时，可使氦离子先从基态跃迁到n=3的能级（E3-E1=48.4eV），再向低能级跃迁。此时，氦离子有可能从n=3的能级直接向基态跃迁，也可能先从n=3的能级跃迁到n=2的能级，再从n=2的能级跃迁到基态。氦离子在从n=2的能级跃迁到基态的过程中，就会辐射能量为40.8eV的光子（E2-E1=40.8eV）。氦离子从基态跃迁到n=2的能级需吸收40.8eV的能量，这时能量为48.4eV的电子可提供部分能量，但能量为48.4eV的光子则无法被整个吸收。若仅以能量为60eV的电子入射，则处在基态的氦离子可吸收电子的部分能量而被激发，然后可能向低能级跃迁而辐射光子。

答案：AB

命题根源：如图2所示为氢原子的能级图。欲使处于基态的氢原子激发，下列措施可行的是（ ）。

图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的电子碰撞

解析：氢原子只能吸收整个光子的能量而实现能级的跃迁。用10.2eV的光子照射，可使处于基态的氢原子激发到n=2的激发态。用11eV的光子照射，不能使处于基态的氢原子激发。用14eV的光子照射，可使处于基态的氢原子激发而电离，且电离后的自由电子获得0.4eV的动能。氢原子能够吸收实物粒子的部分能量而实现能级的跃迁。用11eV的电子碰撞，可使处于基态的氢原子激发到n=2的激发态，同时电子剩余0.8eV的动能。

答案：ACD

小结：创新题1和上述常规题均涉及原子或离子对光子与实物粒子能量的吸收。需要指出的是，现行教材仅涉及氢原子的跃迁，而创新题1则将问题拓展到了氦离子，旨在考查考生的知识迁移能力和创新思维能力。

二、原子核

创新题2：（2018年高考天津卷）国家大科学工程——中国散裂中子源（CSNS）于2017年8月28日首次打靶成功，获得中子束流，可以为诸多领域的研究和工业应用提供先进的研究平台。下列核反应中放出的粒子为中子的是（ ）。

解析：根据核反应前后的质量数守恒和核电荷数守恒，写出各选项中核反应方程为。

答案：B

命题根源：在下列四个方程中，x1、x2、x3和x4各代表某种粒子。

以下判断中正确的是（ ）。

A.x1是中子 B.x2是质子

C.x3是α粒子 D.x4是氘核

解析：核反应过程中应满足反应前后核电荷数和质量数守恒，由此可知x1为中子，x2为氘核，x3为α粒子，x4为质子。

答案：AC

小结：创新题2和上述常规题均涉及核反应方程的配平及重要的粒子符号的书写，创新题2新在联系了我国的重大科学成果实际，富有时代气息。

三、波粒二象性

创新题3：如图3所示为研究光电效应的装置和图像。下列关于甲、乙、丙各图的描述中正确的是（ ）。

图3

A.甲图中，弧光灯照射锌板，验电器的锡箔张开，说明锌板带负电

B.乙图中，可以研究单位时间发射的光电子数与照射光的强度有关

C.丙图中，强黄光和弱黄光曲线交于U轴同一点，说明光电子最大初动能与光的强度无关

D.丙图中，黄光和紫光曲线交于U轴不同点，说明不同金属发生光电效应的极限频率不同

解析：甲图中，弧光灯照射锌板，验电器的锡箔张开，只能说明锌板带电，不能说明锌板一定带负电。乙图中，光电管加的是反向电压，实验只能证明光电效应存在遏止电压，无法研究单位时间发射的光电子数与照射光的强度有关。由得，因此强黄光和弱黄光曲线交于U轴同一点，说明光电子最大初动能相等，与光的强度无关；黄光和紫光曲线交于U轴不同点，只能说明光电子最大初动能不等，无法说明不同金属发生光电效应的极限频率不同。

答案：C

命题根源：对光电效应的解释，下列说法中正确的是（ ）。

A.金属内的每个电子可以吸收一个或一个以上的光子，当它积累的动能足够大时，就能逸出金属

B.如果入射光子的能量小于金属表面的电子克服原子核的引力而逸出时所需做的最小功，便不能发生光电效应

C.发生光电效应时，入射光越强，光子的能量就越大，光电子的最大初动能就越大

D.因为不同金属的逸出功是不相同的，所以使不同金属产生光电效应的入射光的最低频率也不同

解析：按照爱因斯坦的光子说，光子的能量是由光的频率决定的，与光强无关。入射光的频率越大，发生光电效应时产生的光电子的最大初动能越大。要使电子离开金属，须使电子具有足够的动能，而电子增加的动能只能来源于照射光的光子能量。电子只能吸收一个光子，不能同时吸收多个光子，否则当光的频率低，而照射时间足够长时，也会发生光电效应。处在金属表面的电子从金属中逸出时克服原子核的引力所做的功最小，这个功称为逸出功。不同金属的逸出功不同。

答案：BD

小结：创新题3和上述常规题均涉及对光电效应现象的分析。不同的是，上述常规题着重于理论分析，而创新题3则以实验为基础，考查考生对实验现象的理解与对图像进行分析的能力。

跟踪训练

1.如图4所示四幅图涉及不同的物理知识，其中说法正确的是（ ）。

图4

A.卢瑟福通过分析甲图中的α粒子散射实验结果，提出了原子的核式结构模型

B.乙图表明，只要有光射到金属板上，就一定有光电子射出

C.丙图表示的是磁场对α、β和γ射线的作用情况，其中①是β射线，②是γ射线

D.丁图表示的核反应属于重核裂变，是人工无法控制的核反应

B.反应过程中吸收能量

C.中微子的动量与处于激发态新核的动量大小相等

D.中微子的动能与处于激发态新核的动能相等

3.大量的氢原子处于n=4能级，该能级的氢原子向低能级跃迁时能向外辐射不同频率的光子，从n=3能级跃迁到n=2能级时辐射的光子频率为ν0。若某种金属的极限频率略大于ν0，则下列说法中正确的是（ ）。

A.从n=4能级跃迁到n=1能级时辐射光的波长最长

B.氢原子跃迁时，向外辐射的光子中有4种能使该金属发生光电效应现象

C.用辐射出的光子照射该金属时，光子的频率越大，该金属的逸出功越大

D.当该金属发生光电效应时，入射光的强度越大，光电子的最大初动能越大

参考答案：

1.A 提示：乙图并不能表明，只要有光射到金属板上，就一定有光电子射出，因为只有入射光的频率大于极限频率时才能产生光电效应。丙图表示的是磁场对α、β和γ射线的作用情况，其中①是α射线，②是γ射线，③是β射线。丁图表示的核反应属于重核裂变，重核裂变可以在人工控制下进行。

3.B 提示：氢原子从n=4能级跃迁到n=1能级时辐射光的光子能量最大，辐射光的波长最短。氢原子只有从n=4能级跃迁到n=3、n=2、n=1能级，以及从n=3能级跃迁到n=1能级时，辐射的这4种光子能使该金属发生光电效应现象。