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专题18 近代物理
目录
0
1 考情透视·目标导航
3
......................................................................................................................................................................................4
......................................................................................................................................................................................5
题型一 光电效应.....................................................................................................................................................5
........................................................................................................................................................................................5
一、光电效应的研究思路与光电管............................................................................................................................5
二、与光电效应有关的图像........................................................................................................................................6
........................................................................................................................................................................................7
........................................................................................................................................................................................8
考向一 光电效应和光电管..........................................................................................................................................8
考向二 与光电效应有关的图像问题..........................................................................................................................9
题型二 原子结构、能级跃迁................................................................................................................................10
......................................................................................................................................................................................10
一、 三个基本假设....................................................................................................................................................10
二、 两类跃迁问题和电离........................................................................................................................................10
三、 跃迁产生的谱线条数........................................................................................................................................11
......................................................................................................................................................................................11
......................................................................................................................................................................................12
考向一 受激跃迁和电离............................................................................................................................................12
考向二 与光电效应相结合........................................................................................................................................13
题型三 核反应、核能...........................................................................................................................................14
......................................................................................................................................................................................14
一、 衰变与半衰期....................................................................................................................................................14
二、核反应与核能......................................................................................................................................................14
......................................................................................................................................................................................15
1
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......................................................................................................................................................................................16
考向一 原子核的衰变和半衰期................................................................................................................................16
考向二 核反应方程与核能的计算............................................................................................................................16
命题统计
命题要点
2024 年
2023 年
2022 年
热
考
角
度
光电效应
2024 海南卷T8
2024 辽宁、吉林、黑龙江卷T8
2022 河北卷T4
原子结构、能
级跃迁
2024 湖南卷T1
2023 辽宁卷T6
2022 广东卷 T5
2
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2024 安徽卷T1
2024 江西卷T2
2024 江苏卷T5
2024 新课标卷T17
2023 海南卷T10
2023 河北卷 T1
2023 湖北卷T1
2023 山东卷 T1
2023 江苏卷 T15
2023 新课标卷T16
2022 江苏卷 T4
2022 湖南卷 T1
2022 重庆卷 T7
2022 海南卷T11
核反应、核能
2024·河北卷·T1
2024·湖北卷·T2
2024·广东卷·T2
2024·江苏卷·T3
2024·山东卷·T1
2023·北京卷·T3
2023·广东卷·T1
2023·海南卷·T1
2023·湖南卷·T1
2022·山东卷·T1
2022·海南卷·T2
2022·湖北卷·T1
2022·辽宁卷·T2
2022·浙江6 月卷T14
2022·浙江1 月卷·T14
命题规律
从近三年高考试题来看，试题以选择题为主，对原子结构和核反应的考查
较为频繁，题目难度要求大多不是太高，较为基础。
考向预测
预计在2025 年高考中，还会以选择题的形式考查这三部分内容，重点关注
对核反应和核能，特别是我国在这方面的科技发展和应用。
命题情景
多以我国在核反应和核能应用为命题背景
常用方法
图像法、公式法
质能方程：
∆E ∆
2
聚变：
轻核
裂变：
重核
半衰
期
β 衰
变
α 衰
变
轨道量子
化假设
跃迁假设：hν＝Em
E ( > )
能级
假设
逸出功与截止频率的关
系
W
h
最大初动能与遏止电压的
关系
E
U
爱因斯坦光电效应方程：
E
h
W
核反应
核能
衰变和
半衰期
德布罗意
波长
波尔
理论
α 粒子散
射实验
原子
结构
康普顿效应：光
子具有动量
光电
效应
原
子
波粒二
象性
近代
物理
3
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题型一 光电效应
一、
光电效应的研究思路与光电管
1．光电效应的研究思路
(1)两条线索：
(2)两条对应关系：
入射光强度大→光子数目多→发射光电子多→光电流大；
光子频率高→光子能量大→光电子的最大初动能大。
2.三个定量关系式
（1）爱因斯坦光电效应方程：Ek＝hν－W0.
（2）最大初动能与遏止电压的关系：Ek＝eUc.
（3）逸出功与截止频率的关系：W0＝hνc.
4
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3.光电管上加正向与反向电压情况分析
(1)光电管加正向电压时的情况
①P 右移时,参与导电的光电子数增加;
②P 移到某一位置时,所有逸出的光电子恰好都参与了导电,光电流恰好达到最大值;
③P 再右移时,光电流不再增大。
(2)光电管加反向电压时的情况
①P 右移时,参与导电的光电子数减少;
②P 移到某一位置时,所有逸出的光电子恰好都不参与导电,光电流恰好为0,此时光电管两端加的电压为遏止
电压;
③P 再右移时,光电流始终为0。
二、
与光电效应有关的图像
图像名称
图线形状
读取信息
最大初动能Ek与入射光频
率ν 的关系图线
①截止频率(极限频率)：横轴截距
②逸出功：纵轴截距的绝对值W0＝|－
E|＝E
③普朗克常量：图线的斜率k＝h
遏止电压Uc与入射光频率
ν 的关系图线
①截止频率νc：横轴截距
②遏止电压Uc：随入射光频率的增大
而增大
③普朗克常量h：等于图线的斜率与
电子电荷量的乘积，即h＝ke
5
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颜色相同、强度不同的
光，光电流与电压的关系
①遏止电压Uc：横轴截距
②饱和光电流Im：电流的最大值
③最大初动能：Ekm＝eUc
颜色不同时，光电流与电
压的关系
①遏止电压Uc1、Uc2
②饱和光电流
③最大初动能Ek1＝eUc1，Ek2＝eUc2
1．（2024·海南·高考真题）利用如图所示的装置研究光电效应，闭合单刀双掷开关S1，用频率为ν1的光照
射光电管，调节滑动变阻器，使电流表的示数刚好为0，此时电压表的示数为U 1，已知电子电荷量为e，
普朗克常量为h，下列说法正确的是（ ）
A．其他条件不变，增大光强，电压表示数增大
B．改用比ν1更大频率的光照射，调整电流表的示数为零，此时电压表示数仍为U 1
C．其他条件不变，使开关接S2，电流表示数仍为零
D．光电管阴极材料的截止频率νc = ν1−eU 1
ℎ
【技巧点拨】
（1）光电效应方程中最大初动能预遏止电压的关系Ek=eU=ℎν1−W 0
；
6
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（2）截止频率的公式：νc = ν1−eU 1
ℎ
。
2．（2022·河北·高考真题）如图是密立根于1916 年发表的钠金属光电效应的遏止电压U c与入射光频率ν
的实验曲线，该实验直接证明了爱因斯坦光电效应方程，并且第一次利用光电效应实验测定了普朗克常量
h。由图像可知（ ）
A．钠的逸出功为ℎνc
B．钠的截止频率为8.5×10
14 Hz
C．图中直线的斜率为普朗克常量h
D．遏止电压U c与入射光频率ν成正比
【技巧点拨】
（1）遏止电压与最大初动能的关系有eU c = Ekmax，再根据电效应方程有Ekmax= ν
ℎ
−W 0得图像表达式；
（2）根据得到的函数关系式，明确图线斜率含义，以及遏止电压与入射光频率的关系。
考向一 光电效应和光电管
3．（2024·安徽阜阳·模拟预测）如图所示是研究光电效应的实验装置，滑动变阻器的滑片P 位于中点O 位
置，某同学先用频率为ν的光照射光电管，此时电流表中有电流。调节滑片P 的位置，使电流表示数恰好
变为0，记下此时电压表的示数U。已知电子电荷量的绝对值为e，普朗克常量为h，下列说法正确的是（
）
7
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A．电流表示数为零时，滑片P 位于O 点右侧
B．光电子的最大初动能为eU
C．光电管阴极K 材料的逸出功为ν
ℎ
+eU
D．用频率更大的光照射光电管时，电流表示数一定增大
4．（2024·四川宜宾·三模）某科技小组用如图所示的电路研究“光电效应”现象，现用频率为v 的红光照
射光电管，有光电子从K 极逸出。下列说法正确的是（ ）
A．使用蓝光照射比红光照射需要克服的逸出功更大
B．仅增大入射光的强度，从K 极逃逸出的电子的最大初动能可能增大
C．当滑动变阻器的滑片从左向右滑动时，电流表示数可能先增大后保持不变
D．将电源正负极反接后当滑动变阻器的滑片从左向右滑动时，电流表示数不变
考向二 与光电效应有关的图像问题
5．（2024·安徽合肥·三模）从1907 年起，美国物理学家密立根开始以精湛的技术测量光电效应中几个重
要的物理量。他的目的是：测量金属的截止电压U 与入射光的频率ν，由此算出普朗克常量h，并与普朗克
根据黑体辐射得出的h 相比较，以检验爱因斯坦光电效应方程的正确性。如图所示为某金属的U c−ν图像，
已知电子的电荷量e =1.60×10
−19C，则该金属的逸出功约为（ ）
8
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A．1.7eV
B．1.7J
C．1.3eV
D．1.3J
6．（2024·黑龙江·三模）在研究甲、乙两种金属的光电效应现象实验中，光电子的最大初动能Eₖ 与入射
光频率ν 的关系如图所示，则下列说法正确的是（ ）
A．甲金属的逸出功大于乙金属的逸出功
B．两条图线与横轴的夹角α 和β 可能不相等
C．若增大入射光的频率，则所需遏止电压随之增大
D．若增大入射光的强度，但不改变入射光的频率，则光电子的最大初动能将增大
7．（2024·山东威海·二模）研究光电效应规律的电路图如图甲所示，某同学分别用a、b、c 三束单色光照
射光电管得到的光电流I 与光电管两端电压U 的关系如图乙所示。已知a、c 两条图线与横轴的交点重合。
下列说法正确的是（ ）
A．用a 光照射时，单位时间内逸出的光电子数最多
B．用a 光照射时，逸出光电子的最大初动能最大
C．该光电管用a 光、b 光照射时截止频率不同
D．若b 光照射某金属发生光电效应，则a 光照射该金属也一定发生光电效应
9
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题型二 原子结构、能级跃迁
一、三个基本假设
1.能级假设：氢原子能级En＝(n＝1,2,3，…)，n 为量子数．
2.跃迁假设：hν＝Em－En(m>n)．
3.轨道量子化假设：氢原子的电子轨道半径rn＝n2r1(n＝1,2,3，…)，n 为量子数．
二、两类跃迁问题和电离
1.氢原子能级跃迁
①从低能级(n)――→高能级(m)：动能减少，势能增加，原子能量增加，吸收能量，hν＝Em－En.
②从高能级(m)――→低能级(n)：动能增加，势能减少，原子能量减少，放出能量，hν＝Em－En.
2.受激跃迁有两种方式：
①光照(吸收光子)：光子的能量必须恰好等于能级差，hν＝Em－En。
[注意] 对于大于电离能的光子可被吸收，可将原子电离。
②碰撞、加热等：只要入射粒子能量大于或等于能级差即可，E 外≥Em－En。
3．电离：指原子从基态(n＝1)或某一激发态(n≥2)跃迁到n＝∞状态的现象。
(1)电离态：n＝∞，E＝0。
(2)电离能：指原子从基态或某一激发态跃迁到电离态所需要吸收的最小能量。
对于氢原子：①基态→电离态：E 吸＝0－(－13.6 eV)＝13.6 eV，即为基态的电离能。
②n＝2→电离态：E 吸＝0－E2＝3.4 eV，即为n＝2 激发态的电离能。
[注意] 如果原子吸收能量足够大，克服电离能后，电离出的自由电子还具有一部分动能。
三、跃迁产生的谱线条数
1.一群原子的核外电子向基态跃迁时发射光子的种类：
N=Cn
2=n(n−1)
2
。
2.一个原子的核外电子向基态跃迁时发射最多光子的种类：N=n- 1。
8．（2024·安徽·高考真题）大连相干光源是我国第一台高增益自由电子激光用户装置，其激光辐射所应用
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的玻尔原子理论很好地解释了氢原子的光谱特征。图为氢原子的能级示意图，已知紫外光的光子能量大于
，当大量处于n=3能级的氢原子向低能级跃迁时，辐射不同频率的紫外光有（ ）
A．1 种
B．2 种
C．3 种
D．4 种
【技巧点拨】
（1）根据
N=Cn
2=n(n−1)
2
公式，得出产生谱线的条数；
（2）根据氢原子能级跃迁假设Δ E = EM −EN求出光子的能量大小再做判断。
9．（2023·河北·高考真题）2022 年8 月30 日，国家航天局正式发布了“羲和号”太阳探测卫星国际上首
次在轨获取的太阳H α谱线精细结构。H α是氢原子巴耳末系中波长最长的谱线，其对应的能级跃迁过程为
（ ）
A．从∞跃迁到n=2
B．从n=5跃迁到n=2
C．从n= 4跃迁到n=2
D．从n=3跃迁到n=2
【技巧点拨】
根据ν = c
λ 和玻尔理论中的频率条件ν
ℎ
= En−E2判断能级差、频率高低和波长的长短；
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考向一 受激跃迁和电离
10．（2024·全国·模拟预测）2024 年6 月中国航天科技集团的科研人员通过分析我国首颗探日卫星“羲和
号”对太阳光谱的观测数据，精确绘制出国际首个太阳大气自转的三维图像。太阳光谱中有一条谱线所对
应光的频率与氢原子从较高能级向n=2能级跃迁时发出的光中光子能量最小的那种光的频率相同。则该谱
线所对应光子的能量为（ ）
A．2.86eV
B．1.89eV
C．0.66eV
D．0.31eV
11．（2024·四川南充·一模）我国自主研发的氢原子钟已运用于北斗卫星导航系统中，氢原子钟是利用氢
原子跃迁频率稳定的特性来获取精准时间频率信号的设备，对提高导航的精度极为重要。氢原子能级如图
所示，关于大量处于n=4 能级的氢原子，下列说法正确的是（ ）
A．氢原子向低能级跃迁时最多发出3 种不同频率的光
B．氢原子跃迁时发出的光子中能量最大的为0.85eV
C．动能为0.33eV 的电子碰撞处于n=4 能级的氢原子， 氢原子会发生跃迁
D．氢原子由n=4 能级跃迁到n=3 能级时发出光子的频率大于由n=3 能级跃迁至n=2 能级时发出光子的
频率
考向二 与光电效应相结合
12．（2024·浙江·一模）如图是氢原子的能级，一群处于基态的氢原子吸收某频率光子能量后跃迁到了
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n= 4能级，很快这些氢原子开始向下跃迁，放出不同频率的光，这些光照射在逸出功为3.34eV的锌板上，
已知可见光的光子能量范围为1.62eV到3.11eV，下列说法正确的是（ ）
A．吸收的光子能量可能大于12.75eV
B．跃迁时，最多能发出6 种不同频率的可见光
C．存在可以使锌板发生光电效应的可见光
D．锌板表面逸出光电子的最大初动能为9.41eV
13．（2024·江苏镇江·模拟预测）一群处于第4 能级的氢原子，向低能级跃迁过程中能发出6 种不同频率
的光，将这些光分别照射到图甲电路阴极K的金属上，只能测得2 条电流随电压变化的图像如图乙所示，
已知氢原子的能级图如图丙所示，则下列推断正确的是（ ）
A．图乙中的a光是氢原子由第4 能级向基态跃迁发出的
B．图乙中的b光光子能量为12.75eV
C．动能为1eV 的电子能使处于第3 能级的氢原子电离
D．阴极金属的逸出功可能为W 0=6.75eV
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题型三 核反应、核能
一、衰变
与半衰期
1.α 衰变、β 衰变的比较
2.衰变次数的计算方法
若Z
A X →Z '
A 'Y+n2
4He+m-1
0 e，则A=A'+4n,Z=Z'+2n-m，解以上两式即可求出m 和n。
3.半衰期的理解
(1)半衰期是大量原子核衰变时的统计规律,对个别或少量原子核,无半衰期可言。
(2)根据半衰期的概念,可总结出公式N 余=N 原1
2
t
τ,m 余=m 原1
2
t
τ。式中N 原、m 原表示衰变前的放射性元素的
原子数和质量,N 余、m 余表示衰变后尚未发生衰变的放射性元素的原子数和质量,t 表示衰变时间,τ 表示半衰
期。
二、
核反应
与核能
1.核反应的四种类型
类型
可控性
核反应方程典例
衰变
α 衰变
自发
92
238U →90
234Th+2
4He
β 衰变
自发
90
234Th→91
234Pa+-1
0 e
人工转变
人工控制
7
14 N +2
4He→8
17O+1
1H(卢瑟福发现质子)
衰变类型
α 衰变
β 衰变
衰变方程
Z
A X →Z −2
A −4Y +2
4He
Z
A X →Z +1
A
Y +-1
0 e
衰变实质
2 个质子和2 个中子结合成一个整体射出
1 个中子转化为1 个质子和1 个电子
21
1H+20
1n→2
4He
0
1n→1
1 H +-1
0 e
衰变规律
电荷数守恒、质量数守恒、动量守恒
14
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2
4He+4
9Be→6
12C +0
1n(查德威克发现中子)
13
27Al+2
4He→15
30 P+0
1n
(约里奥-居里夫妇发现放射性同位素)
15
30 P→14
30Si+1
0e
重核
裂变
比较容易进
行人工控制
92
235U +0
1n→56
144Ba+36
89Kr+30
1n
92
235U +0
1n→54
136Xe+38
90Sr+100
1n
轻核聚变
很难控制
1
2 H +1
3 H →2
4He+0
1n
2.核反应方程的书写
(1)熟记常见粒子的符号是正确书写核反应方程的基础。如质子(1
1H)、中子(0
1n)、α 粒子(2
4He)、β 粒子(-1
0
e)、正电子(1
0e)、氘核(1
2H)、氚核(1
3H)等。
(2)掌握核反应方程遵循的规律是正确书写核反应方程或判断某个核反应方程是否正确的依据。由于核反应
不可逆,因此书写核反应方程式时只能用“→”表示反应方向。
(3)核反应过程中质量数守恒,电荷数守恒。
3.核能的计算方法
(1)根据ΔE=Δmc2计算,计算时Δm 的单位是“kg”,c 的单位是“m/s”,ΔE 的单位是“J”。
(2)根据ΔE=Δm×931.5 MeV/u 计算。因1 原子质量单位(1 u)相当于931.5 MeV,所以计算时Δm 的单位是
“u”,ΔE 的单位是“MeV”。
(3)根据核子比结合能来计算核能
原子核的结合能=核子比结合能×核子数。
4.对质能方程的理解
(1)一定的能量和一定的质量相联系,物体的总能量和它的质量成正比,即E=mc2。
方程的含义:物体具有的能量与它的质量之间存在简单的正比关系,物体的能量增大,质量也增大;物体的能量
减少,质量也减少。
(2)核子在结合成原子核时出现质量亏损Δm,其能量也要相应减少,即ΔE=Δmc2。
(3)原子核分解成核子时要吸收一定的能量,相应的质量增加Δm,吸收的能量为ΔE=Δmc2。
14．（2024·浙江·高考真题）发现中子的核反应方程为H
2
4 e+ B
4
9 e→X+ n
0
1 ，“玉兔二号”巡视器的核电池
15
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中钚 238 的衰变方程为型
P
94
238 u→
U
92
234 +Y，下列正确的是（ ）
A．核反应方程中的X 为C
6
12
B．衰变方程中的Y 为H
2
3 e
C．中子n
0
1 的质量数为零
D．钚238 的衰变吸收能量
【技巧点拨】
（1）根据质量数和电荷数守恒判断X 和Y；
（2）根据质能方程，可知是否放能还是吸能。
15．（2024·广东·高考真题）我国正在建设的大科学装置——“强流重离子加速器”。其科学目标之一是
探寻神秘的“119 号”元素，科学家尝试使用核反应Y+
A
95
243 m →
X
119
A +2 n
0
1 产生该元素。关于原子核Y 和质
量数A，下列选项正确的是（ ）
A．Y 为❑26
58Fe,A =299
B．Y 为❑26
58Fe,A =301
C．Y 为❑24
54Cr,A =295
D．Y 为❑24
54Cr,A =297
【技巧点拨】
根据质量数和电荷数守恒做出判断和计算。
考向一 原子核的衰变和半衰期
16．（2024·四川成都·模拟预测）2023 年8 月24 日，日本福岛第一核电站启动核污染水排海。核污染水含
有的放射性元素高达64 种，其中部分放射性物质（如碘129）的半衰期长达1570 万年，下列说法正确的
是（ ）
A．核污染水进入海水后温度降低，会延长放射性元素的半衰期
B．原子核的比结合能越大，原子核越稳定
C．天然放射现象中产生的β 射线中的电子来源于原子核外电子
D．100 个碘129 原子在1570 万年后有50 个未发生衰变
17．（2024·全国·模拟预测）国际原子能机构利用核技术，如沉降放射性核素技术和特定化合物稳定同位
素技术，可以协助各国进行土壤侵蚀的评估，为土壤保护和土地管理提供科学依据。沉降放射性元素
16
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铯-137 随雨水沉积在地面后，被表层土壤吸收，通过测量不同位置表层土壤的放射性，从而确定容易出现
土壤侵蚀的位置。铯-137 发生衰变时的方程为
C
55
137 s→
B
56
137 a+X，其半衰期约为30 年，下列说法正确的是
（ ）
A．铯-137 发生的衰变为α衰变
B．雨后测量需要尽快，防止衰变反应导致
C
55
137 s含量随时间明显降低
C．
C
55
137 s的比结合能比❑56
137 Ba的比结合能更小
D．
C
55
137 s在溶液中比在沉积物中衰变得更快
考向二 核反应方程与核能的计算
18．（2024·全国·模拟预测）我国科学家通过分析“嫦娥六号”探测器带回来的月壤发现，月球上含有丰
富的❑2
3He（氦3），它是安全的核聚变燃料，❑2
3He聚变的核反应方程为
H
2
3 e+ H
2
3 e→2X+ H
2
4 e+12.86 MeV，1u相当于931 MeV，下列表述正确的是（ ）
A．X 为中子
B．方程中核子平均释放的能量约为4.28 MeV
C．反应后总质量减少0.0183 u
D．❑2
3He的比结合能比H
2
4 e的比结合能小
19．（2024·云南大理·一模）2024 年10 月3 日，Physical Review C期刊上发表了中国科学院近代物理研
究所的研究成果：研究团队合成新核素钚−227(❑94
227Pu)，并测量了该新核素的半衰期。已知钚−227的
衰变方程为❑94
227Pu→Y+92
223U，下列说法正确的是（ ）
A．10 个钚−227原子核经过一个半衰期后还剩余5 个
B．钚−227原子核发生的是α衰变
C．钚−227原子核发生衰变时需要吸收能量
D．❑94
227Pu原子核的比结合能比❑92
223U原子核的比结合能大
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