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专题19 原子物理
一、单选题
1．（2024·安徽黄山·二模）近代物理学的发展，催生了一大批新技术，深刻地改变了人们的生活方式和社
会形态，有关近代物理学发展的相关叙述错误的是（ ）
A．普朗克通过对黑体辐射规律的研究，提出“能量子”概念，把物理学带入了量子世界
B．α 粒子散射实验，揭示了原子的“枣糕”结构模型
C．丹麦物理学家玻尔提出了自己的原子结构假说，解释了氢原子的光谱
D．世界上第一座核反应堆装置的建立，标志着人类首次通过可控制的链式反应实现了核能的释放
【答案】B
【详解】A．普朗克通过对黑体辐射规律的研究，提出“能量子”概念，把物理学带入了量子世界，故A
正确，不符合题意；
B．α 粒子散射实验，揭示了原子的核式结构模型，故B 错误，符合题意；
C．丹麦物理学家玻尔提出了自己的原子结构假说，解释了氢原子的光谱，故C 正确，不符合题意；
D．世界上第一座核反应堆装置的建立，标志着人类首次通过可控制的链式反应实现了核能的释放，故D
正确，不符合题意。
故选B。
2．（2024·浙江杭州·二模）下列有关光电效应的说法错误的是（ ）
A．爱因斯坦提出了光电效应理论
B．甲图实验中让锌板带负电，光照后，验电器张角会变小
C．乙图中光电子到达A 板的速度越大，则光电流越大
D．乙图光电流的大小与入射光束的光强有关
【答案】C
1
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【详解】A．爱因斯坦提出了光子说理论，并成功地解释了光电效应实验，故A 正确；
B．由于事先使锌板带负电，验电器张开一定的角度，锌板表面的自由电子溢出后，验电器的指针张角变
小，故B 正确；
C．当达到饱和光电流以后，继续增加光电管两端的电压，即增加光电子到达A 板的速度，光电流不变，
故C 错误；
D．当光电管两端的电压不变，即光电子到达A 板的速度不变，入射光越强，光子数越多，光电流越大，
则光电流的大小与入射光束的光强有关，故D 正确。
本题选错误的，故选C。
3．（23-24 高三下·湖北·阶段练习）
呼气实验可用于检测胃部有无感染幽门螺杆菌，通过检测呼吸呼出
的CO2是否具有放射性即可诊断。已知
发生衰变的半衰期为5730 年，衰变方程为
。下列
说法正确的是（ ）
A．X 为
B．射线比
射线的穿透能力弱
C．衰变产生的
是
核外电子被电离产生的
D．一般服下药物15 分钟后再检测，是为了避免由于
的衰变而明显降低检测准确性
【答案】B
【详解】A．根据核反应前后，质量数和电荷数守恒，可以得到X 为
，故A 错误；
B．三种射线穿透能力依次是
故B 正确；
C．衰变释放的电子是原子的核内一个中子转化为质子和一个电子，来自原子核内部，故C 错误；
D．
的半衰期为5730 年，15 分钟几乎不影响。服药15 分钟后再检测，是为了使药里面的
充分消化
分解，释放到呼吸系统，提高检测准确性，故D 错误。
故选B。
4．（2024·新疆·一模）研究光电效应的电路如图所示，闭合开关用某单色光束照射K 极，电路中光电流为
2
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0，则（ ）
A．光束频率一定小于K 极的截止频率
B．滑片P 向左移动，电流可能不为0
C．滑片P 向右移动，电流一定不为0
D．增大光束的照射强度，电流不为0
【答案】B
【详解】A．光电管中加的是反向电压，光电流为零，可能是反向电压大于截止电压，而光束频率不一定
小于K 极的截止频率，选项A 错误；
B．滑片P 向左移动，反向电压减小，当小于截止电压时，可形成光电流，此时电流不为0，选项B 正确；
C．滑片P 向右移动，反向电压变大，光电管中不可能有光电流，即电流一定为0，选项C 错误；
D．增大光束的照射强度，光电子的最大初动能不变，仍不会有光电子到达A 极板，即电流仍为0，选项D
错误。
故选B。
5．（2024·湖南长沙·一模）根据玻尔理论，电子在第n 轨道运动时氢原子的能量En和电子在第1 轨道运动
时氢原子的能量E1满足关系式
。如图为氢原子的能级图。巴耳末线系的谱线是氢原子的电子从n>2
的能级返回n=2 能级时释放出的谱线，赖曼线系的谱线是氢原子的电子从n>1 的能级跃迁至n=1 能级的一
系列光谱线。则赖曼线系能量最小的光子与巴耳末线系能量最大的光子的能量差约为（ ）
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A．10.2eV
B．6.8eV
C．3.4eV
D．0.54eV
【答案】B
【详解】赖曼线系的光子中，从n2 能级跃迁到n1 基态释放的能量最小，则有
巴耳末线系的光子中，从n能级跃迁至n2 能级释放的能量最大，则有
所以有
故选B。
6．（2024·广东·一模）图甲为研究光电效应的实验装置，用不同频率的单色光照射阴极K，正确操作下，
记录相应电表示数并绘制如图乙所示的
图像，当频率为
时绘制了如图丙所示的
图像，图中所
标数据均为已知量，则下列说法正确的是（ ）
A．饱和电流与K、A 之间的电压有关
B．测量遏止电压
时，滑片P 应向b 移动
4
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C．阴极K 的逸出功
D．普朗克常量
【答案】C
【详解】A．饱和电流只与入射光的光强有关，与外加电压无关，故A 错误；
B．测量遏止电压
时，光电管应接反向电压，滑片P 应向a 移动，故B 错误；
D．根据光电效应方程
根据动能定理
整理得
图像的斜率为
解得普朗克常量
故D 错误；
C．根据
解得阴极K 的逸出功
故C 正确。
故选C。
7．（2024·河南南阳·一模）北京正负电子对撞机，是我国的一座重大科学装置。正负电子对撞机是一种高
能物理实验设备，它的作用是通过将正电子和负电子加速到接近光速，然后让它们碰撞，以探索宇宙的基
5
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本结构和性质。动能大小均为
的一对正负电子相向运动发生对撞并发生湮灭，产生一对光子。已知正、
负电子的静止质量均为m，光在真空中的传播速度为c，则所产生的一个光子的动量大小为（ ）
A．
B．
C．
D．
【答案】D
【详解】设光子的动量为p，根据能量守恒有
而光子的能量为
则
故选D。
8．（2024·北京顺义·一模）1899 年，苏联物理学家列别捷夫首先从实验上证实了“光射到物体表面上时会
产生压力”，和大量气体分子与器壁的频繁碰撞类似，将产生持续均匀的压力，这种压力会对物体表面产
生压强，这就是“光压”。某同学设计了如图所示的探测器，利用太阳光的“光压”为探测器提供动力，
以使太阳光对太阳帆的压力超过太阳对探测器的引力，将太阳系中的探测器送到太阳系以外。假设质量为
m 的探测器正朝远离太阳的方向运动，帆面的面积为S，且始终与太阳光垂直，探测器到太阳中心的距离
为r，不考虑行星对探测器的引力。已知：单位时间内从太阳单位面积辐射的电磁波的总能量与太阳绝对
温度的四次方成正比，即
，其中T 为太阳表面的温度，
为常量。引力常量为G，太阳的质量为
M，太阳的半径为R，光子的动量
，光速为c。下列说法正确的是（ ）
6
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A．常量
的单位为
B．t 时间内探测器在r 处太阳帆受到太阳辐射的能量
C．若照射到太阳帆上的光一半被太阳帆吸收一半被反射，探测器太阳帆的面积S 至少为
D．若照射到太阳帆上的光全部被太阳帆吸收，探测器在r 处太阳帆受到的太阳光对光帆的压力
【答案】D
【详解】A．P0是单位时间从太阳单位面积辐射的电磁波的能量，所以单位为
，则
则常量
的单位为
故A 错误；
B．t 时间内探测器在r 处太阳帆受到太阳辐射的能量
故B 错误；
C．辐射到太阳帆的光子的总数
一半光子被吸收，一半反射，则有
其中
联立可得
7
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故C 错误；
D．若照射到太阳帆上的光全部被太阳帆吸收，则有
可得探测器在r 处太阳帆受到的太阳光对光帆的压力
故D 正确。
故选D。
9．（2024·北京平谷·模拟预测）图示照片是2023 年12 月1 日晚网友在北京怀柔拍摄到的极光。当太阳爆
发的时候，就会发生日冕物质抛射，一次日冕物质抛射过程能将数以亿吨计的太阳物质以数百千米每秒的
高速抛离太阳表面。当日冕物质(带电粒子流)与地球相遇后，其中一部分会随着地球磁场进入地球南北两
极附近地区的高空，并与距离地面一百到四百千米高的大气层发生撞击，撞击的过程伴随着能量交换，这
些能量被大气原子与分子的核外电子吸收之后，又快速得到释放，释放的结果就是产生极光。绿色与红色
极光便是来自氧原子，紫色与蓝色极光则往往来自氮原子。则下列说法中最合理的是（ ）
A．若带正电的粒子流，以与地球表面垂直的方向射向赤道上空的某一点，在地球磁场的作用下将会向
西偏转
B．地球南北两极附近的地磁场最强。但在两极附近，地磁场对垂直射向地球表面的带电粒子的阻挡作
用最弱
C．若氮原子发出紫色极光的光子能量为
，则与该氮原子核外电子发生撞击的带电粒子的能量也为
D．若氧原子的核外电子吸收能量为
的光子后，则该氧原子就会放出能量为
的光子
【答案】B
【详解】A．由左手定则分析可知沿地球赤道平面内射来的宇宙射线中的带正电的粒子流受到东方向的洛
伦兹力，会向东偏转，故A 错误；
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B．如图所示
地球南北两极附近的地磁场最强。但在两极附近，粒子垂直射向地球，纬度越高，粒子运动方向和磁场方
向夹角越小，受到时洛伦兹力越小，越容易射入地球大气，宇宙射线越强，故地磁场对垂直射向地球表面
的带电粒子的阻挡作用最弱，故B 正确；
CD．产生极光的原因是来自大气外的电子和质子撞击高层大气中的原子的作用，若氮原子发出紫色极光的
光子能量为
，则与该氮原子核外电子发生撞击的带电粒子的能量小于
，若氧原子的核外电子吸收能
量为
的光子后，则该氧原子就会放出能量小于等于
的光子，故CD 错误。
故选B。
10．（2024·广东·二模）钙钛矿是新型太阳能电池的重点研发方向之一，我国科研团队刷新大面积全钙钛
矿光伏组件光电转化效率世界纪录。面积为
的太阳能电池板总保持与太阳光线垂直，在电池板处太
阳光的强度为
，假设太阳辐射波长为
的单色光，而且所有辐射到电池板上的光子均被板
吸收，已知
，
，则电池板每秒钟吸收的光子数目约为（ ）
A．
个
B．
个
C．
个
D．
个
【答案】A
【详解】太阳能电池板接收的功率为
一个光子的能量为
则电池板每秒钟吸收的光子数目
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故选A。
二、多选题
11．（2024·浙江杭州·二模）下列说法正确的是（ ）
A．避雷针的原理是静电屏蔽
B．比结合能越小，原子核越稳定
C．硫化镉光敏电阻随着光照的增强，载流子增多，导电性变好
D．将两端开口的细玻璃管竖直插入水中，管中的液面高于水面
【答案】CD
【详解】A．避雷针的工作原理是尖端放电，故A 错误；
B．原子核比结合能越大，核子的平均质量越小，原子核越稳定，故B 错误；
C．硫化镉是一种半导体材料，无光照射时，载流子极少，导电性能不好，且随着光照的增强，载流子增
多，导电性能变好，故C 正确；
D．两端开口的细玻璃管插入水中，已知水浸润玻璃，则管内的液面高于管外水面，故D 正确。
故选CD。
12．（23-24 高三上·全国·阶段练习）如图是研究光电效应的实验装置，O 点是滑动变阻器的中点，变阻器
阻值随滑片位置均匀变化。用某单色光照射时，能够发生光电效应。若电源电动势为20V，内阻不计。滑
动变阻器长为10cm，当滑片P 距离a 端4cm 时，微安表示数恰为0，则（ ）
A．当滑片P 从此位置向左滑动时，微安表有电流
B．当滑片P 从此位置向右滑动时，微安表有电流
C．光电子最大初动能为2eV
D．光电子最大初动能为8eV
【答案】BC
【详解】当滑片P 距离a 端4cm 时，微安表示数恰为0，可知此时两极板间的电压为遏止电压，且滑片P
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距离O 点1cm；则遏止电压大小为
A．当划片P 从此位置向左滑动时，所加反向电压增大，微安表无电流，故A 错误；
B．当滑片P 从此位置向右滑动时，所加反向电压减小，当滑片P 位于O 点右端时，所加电压为正向电压，
微安表有电流，故B 正确；
CD．根据动能定理可得
可得光电子最大初动能为
故C 正确，D 错误。
故选BC。
三、解答题
13．（2024·湖北·二模）极紫外线广泛应用于芯片制造行业，如图甲所示，用波长
的极紫外线照
射光电管，恰好能发生光电效应。已知普朗克常量
，
,
，
。
（1）求阴极 K 材料的逸出功
；
（2）图乙是氢原子的能级图，若大量处于
激发态的氢原子发出的光照射阴极 K，灵敏电流计G 显示
有示数，调整电源和滑动变阻器，测得电流计示数I 与电压表示数U 的关系图像如图丙，则图丙中
的大
小是多少?
【答案】（1）
或
；（2）
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【详解】（1）设波长为110nm 的极紫外线的波长为
，逸出功
频率
代入数据解得
或
（2）处于
能级的氢原子向低能级跃迁时产生多种不同能量的光子，产生的光电流是多种光子产生的
光电子综合表现，要使光电流全部遏止，必须要截住能最大的光电子。能量最大的光子
由光电效应方程可知光电子最大初动能
遏止光压必须满足
解得
14．（2024·吉林·一模）如图，真空中足够大的铝板M 与金属板N 平行放置，通过电流表与电压可调的电
源相连。一束波长。
的紫外光持续照射到M 上，光电子向各个方向逸出。已知铝的逸出功
，光速
，普朗克常量
。
（1）求光电子的最大初动能
（计算结果保留两位有效数字）；
（2）调节电压使电流表的示数减小到0 时，M、N 间的电压为
；当电压为
时，求能到达N 的光电
子中，初速度与M 之间夹角的最小值
。
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【答案】（1）
；（2）60°
【详解】（1）根据光电效应方程可得
（2）因调节电压使电流表的示数减小到0 时，M、N 间的电压为
，则
当电压为
时恰能到达N 的光子满足
解得
则
15．（2024·浙江·二模）研究光电效应的装置如甲图所示，该装置可用于分析光子的信息。在xOy 平面
（纸面）内，垂直纸面的金属薄板M、N 与y 轴平行放置，板N 中间有一小孔
，坐标为
。第一象
限存在垂直向里的匀强磁场，x 轴
处有小孔
，平行板电容器A，K 的上极板与x 轴紧靠且平行，其
长度为L，板间距为
，A 板中央小孔
与
对齐，K 板连接电流表后接地。在入射光的照射下，质量为
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m，电荷量为e 的电子从M 板逸出后经极板电压加速从
点持续不断进入磁场，速度大小在
与
之
间，已知速度为
的电子经磁场偏转后恰能垂直x 轴射入
点，板M 的逸出功为W，普朗克常量为h。忽
略电子之间的相互作用，电子到达边界或极板立即吸收并导走。
（1）求逸出光电子的最大初动能
和入射光的频率；
（2）求匀强磁场的磁感应强度大小和所有能到达x 轴上的电子在磁场中运动的最短时间；
（3）
时，求到达K 板最左端的电子刚从板M 逸出时速度
的大小及与x 轴的夹角
；
（4）若在小孔
处增加一特殊装置，可使进入的电子沿各方向均匀分布在与
轴成0~90°范围内，速率
在
与
之间。监测发现每秒钟有n 个电子通过小孔
，调节加载在k 与A 板之间的电压
，试在乙
图中大致画出流过电流表的电流i 随
变化的关系曲线。标出相关数据，写出必要的计算过程。
【答案】（1）
，
；（2）
，
；（3）
，
；（4）
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【详解】
（1）根据题意，逸出速度为0 时，由动能定理有
逸出速度为
时有
解得
由光电效应方程有
解得
（2）根据题意可知，速度为
的电子经磁场偏转后恰能垂直x 轴射入
点，由几何关系有
又有
解得
15
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由几何关系可知，到
点的电子运动轨迹所对圆心角最新，时间最短时间，对应的圆心角为60°，则最短
时间为
（3）若打中左端，则
刚好为偏转轨迹直径，则有
可得
又有
解得
竖直方向上
解得
即
（4）入射电场的粒子与x 轴负半轴的夹角为
：
当电压为0 时，
的所有粒子都可以被收集，此时电流为
当加反向电压时，若90°的
粒子都无法到达，则其他粒子都不能被收集
则有
16
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解得
当加正向电压时，若0°的
粒子都可到达，则其他粒子都能被收集，则有
又有
解得
画出流过电流表的电流i 随
变化的关系曲线，如图所示
【点睛】
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