1、第十四章 近代物理,-2-,第1节 光电效应 波粒二象性 原子结构 玻尔理论,-4-,知识梳理,考点自诊,一、光电效应 1.定义:在光的照射下从物体发射出 电子 的现象(发射出的电子称为光电子)。 2.产生条件:入射光的频率 大于或等于 极限频率。 3.光电效应规律 (1)存在着饱和电流:对于一定颜色的光,入射光强度越大,单位时间内发射出的光电子数 越多 。 (2)存在着遏止电压和截止频率:光电子的能量只与入射光的 频率 有关,而与入射光的 强弱 无关。当入射光的频率低于截止频率时不发生光电效应。 (3)光电效应具有瞬时性:当频率超过截止频率时,无论入射光怎样微弱,几乎在照到金属时立即产生光电
2、流,时间不超过10-9 s。,-5-,知识梳理,考点自诊,二、光子说及光电效应方程 1.光子说 空间传播的光是一份一份的,每一份叫一个光子,一个光子的能量为E=h,其中h=6.6310-34 Js(称为普朗克常量)。 2.光电效应方程 (1)表达式:光电子的最大初动能Ek与入射光光子的能量h和逸出功W0之间的关系:Ek= h-W0 。其中逸出功是指使某种金属原子中的电子脱离金属所做功的 最小值 。 (2)物理意义:金属中电子吸收一个光子获得的能量是h,这些能量一部分用于克服金属的 逸出功 ,剩下的表现为逸出电子的 初动能 。,-6-,知识梳理,考点自诊,三、光的波粒二象性与物质波 1.光的波粒
3、二象性 (1)光的干涉、衍射、偏振现象证明光具有 波动 性。 (2)光电效应说明光具有 粒子 性。 (3)光既具有波动性,又具有粒子性,称为光的 波粒二象 性。 2.物质波 (1)概率波:光的干涉现象是大量光子的运动遵守波动规律的表现,亮条纹是光子到达概率 大 的地方,暗条纹是光子到达概率 小 的地方,因此光波又叫概率波。 (2)物质波:任何一个运动着的物体,小到微观粒子大到宏观物体都有一种波与它对应,其波长= ,p为运动物体的动量,h为普朗克常量。,-7-,知识梳理,考点自诊,四、原子结构 1.电子的发现 英国物理学家汤姆孙在研究阴极射线时发现了 电子 ,提出了原子的“枣糕模型”。 2.原子
4、的核式结构 (1)英籍物理学家 卢瑟福 进行了粒子散射实验,提出了核式结构模型。,-8-,知识梳理,考点自诊,(2)粒子散射实验的结果:绝大多数粒子穿过金箔后,基本上仍沿原来的方向前进,但有少数粒子发生了 大角度偏转 ,偏转的角度甚至 大于90 ,也就是说它们几乎被“撞了回来”,如图所示。 粒子散射实验图象 (3)原子的核式结构模型:原子中带正电部分的体积 很小 ,但几乎占有全部 质量 ,电子在正电体的外面运动。,-9-,知识梳理,考点自诊,五、氢原子光谱、玻尔理论 1.光谱:用光栅或棱镜可以把光按波长展开,获得光的 波长 (频率)和强度分布的记录,即光谱。 2.光谱分类,3.氢原子光谱的实验
5、规律,-10-,知识梳理,考点自诊,4.光谱分析:利用每种原子都有自己的 线状 谱线,可以用来鉴别物质和确定物质的组成成分,且灵敏度很高,在发现和鉴别化学元素上有着重大的意义。,-11-,知识梳理,考点自诊,六、氢原子的能级结构、能级公式 1.定态:原子只能处于一系列 不连续 的能量状态中,在这些能量状态中原子是 稳定 的,电子虽然绕核运动,但并不向外辐射能量。 2.跃迁:原子从一种定态跃迁到另一种定态时,它 辐射 或 吸收 一定频率的光子,光子的能量由这两个定态的能量差决定,即h= Em-En 。(h是普朗克常量,h=6.62610-34 Js) 3.轨道:原子的不同能量状态跟电子在不同的圆
6、周轨道绕核运动相对应。原子的定态是不连续的,因此电子的可能轨道也是 不连续 的。,-12-,知识梳理,考点自诊,4.氢原子的能级、能级公式 (1)氢原子的能级图(如图所示),-13-,知识梳理,考点自诊,(2)氢原子的能级和轨道半径,E1为基态能量,其数值为E1=-13.6 eV。 氢原子的轨道半径公式:rn=n2r1(n=1,2,3,),其中r1为基态半径,又称玻尔半径,其数值为r1=0.5310-10 m。 5.电离 电离态:n=,E=0 基态电离态:E吸=0-(-13.6 eV)=13.6 eV电离能。 n=2电离态:E吸=0-E2=3.4 eV 如吸收能量足够大,克服电离能后,获得自由
7、的电子还携带动能。,-14-,知识梳理,考点自诊,1.判断下列说法的正误。 (1)只要光照射的时间足够长,任何金属都能发生光电效应。( ) (2)光电子就是光子。( ) (3)极限频率越大的金属材料逸出功越大。( ) (4)从金属表面出来的光电子的最大初动能越大,这种金属的逸出功越小。( ) (5)入射光的频率越大,逸出功越大。( ) (6)原子核集中了原子全部的正电荷和质量。( ) (7)核式结构学说是卢瑟福在粒子散射实验的基础上提出的。( ) (8)在玻尔模型中,原子的状态是不连续的。( ) (9)发射光谱可能是连续光谱,也可能是线状谱。( ) (10)玻尔理论成功地解释了氢原子光谱,也成
8、功地解释了氦原子光谱。( ),答案,-15-,知识梳理,考点自诊,2.(2018山东济南一模)用一束紫外线照射某金属时不能产生光电效应,可能使该金属产生光电效应的措施是 ( ) A.改用红光照射 B.改用X射线照射 C.改用强度更大的原紫外线照射 D.延长原紫外线的照射时间,答案,解析,-16-,知识梳理,考点自诊,3.(2018河南新乡三模)如图甲所示,用频率为0的光照射某种金属发生光电效应,测出光电流i随电压U的变化图象如图乙所示,已知普朗克常量为h,带电荷量为e。下列说法中正确的是( ),-17-,知识梳理,考点自诊,A.入射光越强,光电子的能量越高 B.光电子的最大初动能为h0 C.该
9、金属的逸出功为h0-eUc,答案,解析,-18-,知识梳理,考点自诊,4.(2018河北“名校联盟”质量监测)氢原子能级如图所示,已知可见光光子的能量在1.613.10 eV范围内,则下列选项说法正确的是( )A.氢原子能量状态由n=2能级跃迁到n=1能级,放出光子为可见光 B.大量氢原子处于n=4能级时,向低能级跃迁能发出6种频率的光子 C.氢原子光谱是连续光谱 D.氢原子处于n=2能级时,可吸收2.54 eV的能量跃迁到高能级,答案,解析,-19-,知识梳理,考点自诊,5.(2018辽宁沈阳期中)氢原子处于基态时,原子的能量为E1=-13.6 eV,当处于激发态时,能量为En= (普朗克常
10、量h=6.6310-34Js,真空中光速c=3.0108 m/s) (1)若有大量的氢原子处于n=4的激发态则在跃迁过程中可能释放出几种频率的光子? (2)当氢原子从n=3的激发态跃迁到n=1的基态时,向外辐射光子的波长是多少?(结果保留3位有效数字) (3)若要使处于基态的氢原子电离,至少要用多大频率的电磁波照射原子?(结果保留3位有效数字),答案,解析,-20-,命题点一,命题点二,命题点三,对光电效应的理解 与光电效应有关的概念对比 1.光子与光电子:光子不带电;光电子是光电效应时发射出来的电子,其本质是电子。 2.光电子的初动能与光电子的最大初动能:光电子的初动能小于等于光电子的最大初
11、动能。 3.光电流和饱和光电流:金属板飞出的光电子到达阳极,回路中便产生光电流,随着所加正向电压的增大,光电流趋于一个饱和值,这个饱和值是饱和光电流。在一定的光照条件下,饱和光电流与所加电压大小无关。 4.入射光强度与光子能量:入射光强度是指单位时间内照射到单位面积上的总能量,与光子的能量和单位时间内光子的数目有关。 5.光的强度与饱和光电流:频率相同的光照射金属产生光电效应,入射光越强,饱和光电流越大。,命题点四,命题点五,-21-,命题点一,命题点二,命题点三,典例1(多选)(2016全国卷)现用某一光电管进行光电效应实验,当用某一频率的光入射时,有光电流产生。下列说法正确的是( ) A.
12、保持入射光的频率不变,入射光的光强变大,饱和光电流变大 B.入射光的频率变高,饱和光电流变大 C.入射光的频率变高,光电子的最大初动能变大 D.保持入射光的光强不变,不断减小入射光的频率,始终有光电流产生 E.遏止电压的大小与入射光的频率有关,与入射光的光强无关,答案,解析,命题点四,命题点五,-22-,命题点一,命题点二,命题点三,光电效应问题的分析思路 (1)两条线索:,(2)两条对应关系: 光强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,命题点四,命题点五,-23-,命题点一,命题点二,命题点三,即学即练 1.(多选)(2017全国卷)在光电效应实验中,分别
13、用频率为a、b的单色光a、b照射到同种金属上,测得相应的遏止电压分别为Ua和Ub、光电子的最大初动能分别为Eka和Ekb。h为普朗克常量。下列说法正确的是( ) A.若ab,则一定有Uab,则一定有EkaEkb C.若Uab,则一定有ha-Ekahb-Ekb,答案,解析,命题点四,命题点五,-24-,命题点一,命题点二,命题点三,2.(2018全国卷,17)用波长为300 nm的光照射锌板,电子逸出锌板表面的最大初动能为1.2810-19 J,已知普朗克常量为6.6310-34 Js,真空中的光速为3.00108 ms-1,能使锌产生光电效应的单色光的最低频率约为( ) A.11014 Hz
14、B.81014 Hz C.21015 Hz D.81015 Hz,答案,解析,命题点四,命题点五,-25-,命题点一,命题点二,命题点三,光电效应四类图象问题 四类图象,命题点四,命题点五,-26-,命题点一,命题点二,命题点三,命题点四,命题点五,-27-,命题点一,命题点二,命题点三,典例2(2018江西南昌模拟)如图甲所示是研究光电效应的电路图。某同学利用该装置在不同实验条件下得到了三条光电流I与A、K两极之间的电压UAK的关系曲线(甲光、乙光、丙光),如图乙所示。则下列说法正确的是 ( ),命题点四,命题点五,-28-,命题点一,命题点二,命题点三,A.甲光照射光电管发出光电子的初动能
15、一定小于丙光照射光电管发出光电子的初动能 B.单位时间内甲光照射光电管发出光电子比乙光的少 C.用强度相同的甲、丙光照射该光电管,则单位时间内逸出的光电子数相等 D.对于不同种金属,若照射光频率不变,则逸出光电子的最大初动能与金属的逸出功为线性关系,答案:D,命题点四,命题点五,-29-,命题点一,命题点二,命题点三,解析:当光照射到K极时,如果入射光的频率足够大(大于K极金属的极限频率),就会从K极发出光电子。当反向电压增加到某一值时,电流表A中电流就会变为零,此时 ,式中vc表示光电子的最大初速度,e为电子的电荷量,Uc为遏止电压,根据爱因斯坦光电效应方程可知丙光的最大初动能较大,故丙光的
16、频率较大,但丙光照射光电管发出光电子的初动能不一定比甲光照射光电管发出光电子的初动能大,所以A错误。对于甲、乙两束频率相同的光来说,入射光越强,单位时间内发射的光电子数越多,所以B错误。对甲、丙两束不同频率的光来说,光强相同是单位时间内照射到光电管单位面积上的光子的总能量相等,由于丙光的光子频率较高,每个光子的能量较大,所以单位时间内照射到光电管单位面积上的光子数就较少,所以单位时间内发出的光电子数就较少,因此C错误。对于不同金属,若照射光频率不变,根据爱因斯坦光电效应方程Ek=h-W,知Ek与金属的逸出功为线性关系,D正确。,命题点四,命题点五,-30-,命题点一,命题点二,命题点三,思维点
17、拨(1)在题图乙中,Uc1和Uc2的意义是什么?由此能否得出,甲、乙、丙三种光的频率关系? (2)光强相同的两种色光,如何比较单位时间内照射到单位面积上的光子数的多少? 提示 (1)Uc表示光电流为零时的反向电压,也就是遏止电压。此时 。由以上两式得Uc大的光的大,所以甲、乙、丙三种光的频率关系为丙甲=乙。 (2)频率大的光子能量大,在光强相同时,单位时间内照射到单位面积上的光子数就少。通过该题要进一步明确研究光电效应的方法,明确实验原理,弄清图象中点线的物理意义,体会爱因斯坦光电方程的作用。,命题点四,命题点五,-31-,命题点一,命题点二,命题点三,即学即练 3.(2018甘肃天水质检)用
18、同一光电管研究a、b两种单色光产生的光电效应,得到光电流I与光电管两极间所加电压U的关系如图所示。下列说法中正确的是( ),A.a光光子的频率大于b光光子的频率,a光的强度小于b光的强度 B.a光光子的频率小于b光光子的频率,a光的强度小于b光的强度 C.如果使b光的强度减半,则在任何电压下,b光产生的光电流强度一定比a光产生的光电流强度小 D.另一个光电管加一定的正向电压,如果a光能使该光电管产生光电流,则b光一定能使该光电管产生光电流,答案,解析,命题点四,命题点五,-32-,命题点一,命题点二,命题点三,4.(多选) (2018河南郑州期末下图是用光照射某种金属时逸出的光电子的最大初动能
19、随入射光频率的变化图线(直线与横轴的交点坐标4.27,与纵轴交点坐标0.5)。已知普朗克常量为6.6310-34 Js,则由图可知( )A.该金属的截止频率为4.271014 Hz B.该金属的截止频率为5.51014 Hz C.该图线的斜率表示普朗克常量 D.该金属的逸出功为0.5 eV,答案,解析,命题点四,命题点五,-33-,命题点一,命题点二,命题点三,5.(2018广西桂林、白色和崇左市联考)从金属在光的照射下产生光电效应,其遏止电压Uc与入射光频率的关系图象如图所示。则由图象可知( ) A.入射光频率越大,该金属的逸出功越大 B.入射光的频率越大,则遏止电压越大D.光电子的最大初动
20、能与入射光的频率成正比,答案,解析,命题点四,命题点五,-34-,命题点一,命题点二,命题点三,对波粒二象性的理解,命题点四,命题点五,-35-,命题点一,命题点二,命题点三,命题点四,命题点五,-36-,命题点一,命题点二,命题点三,典例3(2018黑龙江南岗期中)1927年戴维孙和汤姆孙分别完成了电子衍射实验,该实验是荣获诺贝尔奖的重大近代物理实验之一。如图所示的是该实验装置的简化图,下列说法不正确的是( )A.亮条纹是电子到达概率大的地方 B.该实验说明物质波理论是正确的 C.该实验再次说明光子具有波动性 D.该实验说明实物粒子具有波动性,答案,解析,命题点四,命题点五,-37-,命题点
21、一,命题点二,命题点三,即学即练 6.(2018北京房山二模)用电子做双缝干涉实验,下面三幅图分别为100个,3 000个,7 000个左右的电子通过双缝后,在胶片上出现的干涉图样。该实验表明( ) A.电子具有波动性,不具有粒子性 B.电子具有粒子性,不具有波动性 C.电子既有波动性又有粒子性 D.电子到达胶片上不同位置的概率相同,答案,解析,命题点四,命题点五,-38-,命题点一,命题点二,命题点三,7.(2017江苏卷)质子 被加速到相同动能时,质子的动量 (选填“大于”“小于”或“等于”)粒子的动量,质子和粒子的德布罗意波波长之比为 。,答案,解析,命题点四,命题点五,-39-,命题点
22、一,命题点二,命题点三,命题点四,命题点五,原子的核式结构 1.粒子散射实验 (1)粒子散射实验装置(2)粒子散射实验的结果:绝大多数粒子穿过金箔后基本上仍沿原来的方向前进,但少数粒子穿过金箔后发生了大角度偏转,极少数粒子甚至被“撞了回来”。,-40-,命题点一,命题点二,命题点三,命题点四,命题点五,2.原子的核式结构模型 (1)粒子散射实验结果分析 核外电子不会使粒子的速度发生明显改变。 汤姆孙模型不能解释粒子的大角度散射。 绝大多数粒子沿直线穿过金箔,说明原子中绝大部分是空的;少数粒子发生较大角度偏转,反映了原子内部集中存在着对粒子有斥力的正电荷;极少数粒子甚至被“撞了回来”,反映了个别
23、粒子正对着质量比粒子大得多的物体运动时,受到该物体很大的斥力作用。 (2)核式结构模型的局限性 卢瑟福的原子核式结构模型能够很好地解释粒子散射实验现象,但不能解释原子光谱是特征光谱和原子的稳定性。,-41-,命题点一,命题点二,命题点三,命题点四,命题点五,典例4(2018浙江台州期中)电子带负电,原子不带电,说明原子内存在着带正电荷的部分,它们是均匀分布还是集中分布的呢?1910年英国科学家卢瑟福进行了著名的粒子轰击金箔实验。实验做法如图1:绝大多数粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进,但是有少数粒子却发生了较大的偏转,并且有极少数粒子的偏转超过90,有的甚至几乎达到180,像是被金箔弹了回来。
24、 【猜想与假设】粒子遇到电子后,就像飞行的子弹碰到灰尘一样运动方向不会发生明显的改变,而结果却出乎意料,除非原子的大部分质量集中到了一个很小的结构上,否则大角度的散射是不可能的。,-42-,命题点一,命题点二,命题点三,命题点四,命题点五,【解释与结论】 (1)大多数粒子不改变原来的运动方向,原因是 。 (2)若原子质量、正电荷在原子内均匀分布,则极少数粒子就 (选填“会”或“不会”)发生大角度散射。卢瑟福所说的“除非原子的大部分质量集中到了一个很小的结构上”中的“很小的结构”指的是 。,-43-,命题点一,命题点二,命题点三,命题点四,命题点五,(3)科学家对原子结构的探究经历了三个过程,通
25、过粒子散射实验,你认为原子结构为图2的 。,-44-,命题点一,命题点二,命题点三,命题点四,命题点五,答案: (1)原子内部绝大部分空间是空的 (2)不会 原子核 (3)C 解析: (1)绝大多数粒子穿过后方向不变,这是由于它们穿过了原子内部的空间,这也说明原子内部绝大部分空间是空的;(2)若原子质量、正电荷在原子内均匀分布,则极少数粒子就不会发生大角度散射。原子中“很小的结构”指的是原子核;(3)由粒子散射实验可推断,原子是由具有原子中心带正电的原子核和核外带负电的电子构成,与C模型最相符。,-45-,命题点一,命题点二,命题点三,命题点四,命题点五,思维点拨根据原子结构和粒子散射实验的现
26、象进行分析解答;原子的质量主要集中在原子核上,核外有一个非常大的空间,原子不是个实心球体。通过该题的练习,进一步了解人类探索原子及其结构的历史和方法:知道原子的核式结构模型,知道所有的物理结论都必须接受实践的检验,在学习和研究中做到实事求是,不迷信权威。,-46-,命题点一,命题点二,命题点三,命题点四,命题点五,即学即练 8.(2016上海卷)卢瑟福通过对粒子散射实验结果的分析,提出了原子内部存在( ) A.电子 B.中子 C.质子 D.原子核,答案,解析,-47-,命题点一,命题点二,命题点三,命题点四,命题点五,9.(多选)根据粒子散射实验,卢瑟福提出了原子的核式结构模型。如图所示为原子
27、核式结构模型的粒子散射图景,图中实线表示粒子运动轨迹。其中一个粒子在从a运动到b、再运动到c的过程中,粒子在b点时距原子核最近。下列说法正确的是( ) A.卢瑟福在粒子散射实验中发现了电子 B.粒子出现较大角偏转的原因是粒子 接近原子核时受到的库仑斥力较大 C.粒子出现较大角偏转的过程中电势能 先变小后变大 D.粒子出现较大角偏转的过程中加速度 先变大后变小,答案,解析,-48-,命题点一,命题点二,命题点三,命题点四,命题点五,氢原子的能级及能级跃迁 1.定态间的跃迁满足能级差,h=Em-En 2.电离 电离态与电离能 电离态:n=,E=0 基态电离态:E吸0-(-13.6 eV)=13.6
28、 eV。 激发态电离态:E吸0-En=En 如吸收能量足够大,克服电离能后,获得自由的电子还携带动能。,-49-,命题点一,命题点二,命题点三,命题点四,命题点五,典例5(多选)(2018山东东营垦利月考)氢原子能级如图所示,当氢原子从n=3能级跃迁到n=2的能级时,辐射光的波长为656 nm。以下判断正确的是( ) A.氢原子从n=2能级跃迁到n=1的能级时, 辐射光的波长大于656 nm B.用波长为325 nm的光照射,可使氢原子 从n=1跃迁到n=2的能级 C.一群处于n=3能级上的氢原子向低能级 跃迁时最多产生3种谱线 D.用波长为633 nm的光照射,不能使氢原 子从n=2能级跃迁
29、到n=3的能级,答案,解析,-50-,命题点一,命题点二,命题点三,命题点四,命题点五,解答氢原子能级图和原子跃迁问题的注意事项 (1)能级之间发生跃迁时放出(吸收)光子的频率由h=Em-En决定,波长可由公式c=求得。 (2)一群氢原子跃迁发出可能的光谱线条数的两种求解方法利用能级图求解:在氢原子能级图中将氢原子跃迁的各种可能情况一一画出,然后相加。,-51-,命题点一,命题点二,命题点三,命题点四,命题点五,即学即练 10.(2016北京卷)处于n=3能级的大量氢原子,向低能级跃迁时,辐射光的频率有( ) A.1种 B.2种 C.3种 D.4种,答案,解析,-52-,命题点一,命题点二,命题点三,命题点四,命题点五,11.(2018河南中原名校四模)如图所示为氢原子的能级分布图,已知可见光光子的能量在1.61 eV3.10 eV范围内,由图可知( ),A.基态氢原子吸收能量为10.3 eV的光子能从 n=1能级跃迁到n=2能级 B.基态氢原子的电离能为13.6 eV C.一群处于n=5能级的氢原子向低能级跃迁时,可辐射6种不同频率的光子 D.氢原子从n=4能级跃迁到n=3能级,辐射的光子是可见光,答案,解析,
