賞析原子物理創新題探索創新命題之根源

■河南省安陽市實驗中學 黃琳

原子物理是《選修3—5》的內容，包括原子結構、原子核和波粒二象性，從2017年開始被調整為高考必考內容。高考對這部分內容的考查均為Ⅰ級要求，常以選擇題的形式出現，考查知識點以氫原子能級、核反應和光電效應為主，著重考查考生的理解能力。

一、原子結構

創新題1：氦原子被電離出一個核外電子，形成類氫結構的氦離子，其能級示意圖如圖1所示。當分別用能量均為48.4eV的電子和光子作用于處在基態的氦離子時（ ）。

圖1

A.氦離子可能輻射能量為40.8eV的光子

B.氦離子可能從基態躍遷到n=3的能級

C.氦離子一定能從基態躍遷到n=2的能級

D.若僅以能量為60eV的電子入射，則氦離子一定不會輻射光子

解析：氦原子只能吸收整個光子的能量，卻能吸收實物粒子的部分能量，而實現能級的躍遷。用能量均為48.4eV的電子和光子作用于處在基態的氦離子時，可使氦離子先從基態躍遷到n=3的能級（E3-E1=48.4eV），再向低能級躍遷。此時，氦離子有可能從n=3的能級直接向基態躍遷，也可能先從n=3的能級躍遷到n=2的能級，再從n=2的能級躍遷到基態。氦離子在從n=2的能級躍遷到基態的過程中，就會輻射能量為40.8eV的光子（E2-E1=40.8eV）。氦離子從基態躍遷到n=2的能級需吸收40.8eV的能量，這時能量為48.4eV的電子可提供部分能量，但能量為48.4eV的光子則無法被整個吸收。若僅以能量為60eV的電子入射，則處在基態的氦離子可吸收電子的部分能量而被激發，然后可能向低能級躍遷而輻射光子。

答案：AB

命題根源：如圖2所示為氫原子的能級圖。欲使處于基態的氫原子激發，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光子的能量而實現能級的躍遷。用10.2eV的光子照射，可使處于基態的氫原子激發到n=2的激發態。用11eV的光子照射，不能使處于基態的氫原子激發。用14eV的光子照射，可使處于基態的氫原子激發而電離，且電離后的自由電子獲得0.4eV的動能。氫原子能夠吸收實物粒子的部分能量而實現能級的躍遷。用11eV的電子碰撞，可使處于基態的氫原子激發到n=2的激發態，同時電子剩余0.8eV的動能。

答案：ACD

小結：創新題1和上述常規題均涉及原子或離子對光子與實物粒子能量的吸收。需要指出的是，現行教材僅涉及氫原子的躍遷，而創新題1則將問題拓展到了氦離子，旨在考查考生的知識遷移能力和創新思維能力。

二、原子核

創新題2：（2018年高考天津卷）國家大科學工程——中國散裂中子源（CSNS）于2017年8月28日首次打靶成功，獲得中子束流，可以為諸多領域的研究和工業應用提供先進的研究平臺。下列核反應中放出的粒子為中子的是（ ）。

解析：根據核反應前后的質量數守恒和核電荷數守恒，寫出各選項中核反應方程為。

答案：B

命題根源：在下列四個方程中，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是質子

C.x3是α粒子 D.x4是氘核

解析：核反應過程中應滿足反應前后核電荷數和質量數守恒，由此可知x1為中子，x2為氘核，x3為α粒子，x4為質子。

答案：AC

小結：創新題2和上述常規題均涉及核反應方程的配平及重要的粒子符號的書寫，創新題2新在聯系了我國的重大科學成果實際，富有時代氣息。

三、波粒二象性

創新題3：如圖3所示為研究光電效應的裝置和圖像。下列關于甲、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，驗電器的錫箔張開，說明鋅板帶負電

B.乙圖中，可以研究單位時間發射的光電子數與照射光的強度有關

C.丙圖中，強黃光和弱黃光曲線交于U軸同一點，說明光電子最大初動能與光的強度無關

D.丙圖中，黃光和紫光曲線交于U軸不同點，說明不同金屬發生光電效應的極限頻率不同

解析：甲圖中，弧光燈照射鋅板，驗電器的錫箔張開，只能說明鋅板帶電，不能說明鋅板一定帶負電。乙圖中，光電管加的是反向電壓，實驗只能證明光電效應存在遏止電壓，無法研究單位時間發射的光電子數與照射光的強度有關。由得，因此強黃光和弱黃光曲線交于U軸同一點，說明光電子最大初動能相等，與光的強度無關；黃光和紫光曲線交于U軸不同點，只能說明光電子最大初動能不等，無法說明不同金屬發生光電效應的極限頻率不同。

答案：C

命題根源：對光電效應的解釋，下列說法中正確的是（ ）。

A.金屬內的每個電子可以吸收一個或一個以上的光子，當它積累的動能足夠大時，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所需做的最小功，便不能發生光電效應

C.發生光電效應時，入射光越強，光子的能量就越大，光電子的最大初動能就越大

D.因為不同金屬的逸出功是不相同的，所以使不同金屬產生光電效應的入射光的最低頻率也不同

解析：按照愛因斯坦的光子說，光子的能量是由光的頻率決定的，與光強無關。入射光的頻率越大，發生光電效應時產生的光電子的最大初動能越大。要使電子離開金屬，須使電子具有足夠的動能，而電子增加的動能只能來源于照射光的光子能量。電子只能吸收一個光子，不能同時吸收多個光子，否則當光的頻率低，而照射時間足夠長時，也會發生光電效應。處在金屬表面的電子從金屬中逸出時克服原子核的引力所做的功最小，這個功稱為逸出功。不同金屬的逸出功不同。

答案：BD

小結：創新題3和上述常規題均涉及對光電效應現象的分析。不同的是，上述常規題著重于理論分析，而創新題3則以實驗為基礎，考查考生對實驗現象的理解與對圖像進行分析的能力。

跟蹤訓練

1.如圖4所示四幅圖涉及不同的物理知識，其中說法正確的是（ ）。

圖4

A.盧瑟福通過分析甲圖中的α粒子散射實驗結果，提出了原子的核式結構模型

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.丙圖表示的是磁場對α、β和γ射線的作用情況，其中①是β射線，②是γ射線

D.丁圖表示的核反應屬于重核裂變，是人工無法控制的核反應

B.反應過程中吸收能量

C.中微子的動量與處于激發態新核的動量大小相等

D.中微子的動能與處于激發態新核的動能相等

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

A.從n=4能級躍遷到n=1能級時輻射光的波長最長

B.氫原子躍遷時，向外輻射的光子中有4種能使該金屬發生光電效應現象

C.用輻射出的光子照射該金屬時，光子的頻率越大，該金屬的逸出功越大

D.當該金屬發生光電效應時，入射光的強度越大，光電子的最大初動能越大

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，因為只有入射光的頻率大于極限頻率時才能產生光電效應。丙圖表示的是磁場對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。丁圖表示的核反應屬于重核裂變，重核裂變可以在人工控制下進行。

3.B 提示：氫原子從n=4能級躍遷到n=1能級時輻射光的光子能量最大，輻射光的波長最短。氫原子只有從n=4能級躍遷到n=3、n=2、n=1能級，以及從n=3能級躍遷到n=1能級時，輻射的這4種光子能使該金屬發生光電效應現象。