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專題十二近代物理初步 第1講 光電效應原子結構 考點1 光電效應 1 光電效應 光電子 如圖12 1 1所示 在光的照射下物體發(fā)射電子的現(xiàn)象叫光電效應 發(fā)射出來的電子叫 圖12 1 1 2 光電效應的規(guī)律 0 1 任何一種金屬都有一個極限頻率 0 入射光的頻率 才能產(chǎn)生光電效應 2 光電子的最大初動能與入射光的強度 關 隨入射 光頻率的增大而 無 增大 瞬時 3 入射光照到金屬上時 光電子的發(fā)射幾乎是 的 一般不超過10 9s 4 當入射光的頻率大于極限頻率時 入射光越強光電流 越大 3 愛因斯坦的光子說 光的能量 連續(xù)的 而是一份一份的 每一份叫做一個光子 光子的能量E跟光的頻率 成正比 E h是普朗克常量 不是 h 4 愛因斯坦光電效應方程 1 最大初動能和逸出功金屬表面的電子吸收光子后 克服金屬原子核的引力做功 直接從金屬表面逸出的電子所具有的最大動能稱為最大初動能 克服金屬原子核的引力逃逸出而成為光電子所做的功的最 小值叫 逸出功 Ek h W0 2 光電效應方程 h 極限 W0 Ek是光電子的最大初動能 W0是 即從金屬表面直接飛出 的光電子克服原子核的引力所做的功 逸出功 考點2 盧瑟福核式結構模型 1 湯姆生的 棗糕 模型 湯姆生 1 1897年 發(fā)現(xiàn)電子 提出原子的 棗糕 模 型 揭開了人類研究原子結構的序幕 均勻 2 棗糕 模型 原子是一個球體 正電荷 分布在整個球內(nèi) 電子像棗糕里的棗子那樣鑲嵌在原子里 2 盧瑟福的 核式結構 模型 1 粒子散射實驗裝置 如圖12 1 2所示 圖12 1 2 2 粒子散射實驗規(guī)律及盧瑟福對實驗現(xiàn)象的分析 絕大多數(shù) 3 原子核式結構模型 原子核 在原子的中心有一個很小的核 叫 原子的全部正電荷和幾乎全部的質量都集中在原子核里 帶負電的電子在核外空間里繞著核旋轉 4 原子核的大小 從 粒子散射實驗的數(shù)據(jù)估算出原子核的半徑約為10 15 10 14m 原子的半徑約為10 10m 3 質子和中子統(tǒng)稱 原子核的電荷數(shù)等于其質子數(shù) 原子核的 數(shù)等于其質子數(shù)與中子數(shù)的和 具有相同 數(shù)的原子屬于同一種元素 具有相同的質子數(shù)和不同的中子數(shù)的原子互稱 核子 質量 質子 同位素 考點3 玻爾原子模型 不連續(xù) 穩(wěn)定 1 定態(tài) 原子只能處于一系列 的能量狀態(tài)中 在這些能量狀態(tài)中原子是 的 電子雖然繞核運動 但并 不向外輻射能量 輻射 吸收 Em En 2 躍遷 原子從一種定態(tài)躍遷到另一種定態(tài)時 它 或 一定頻率的光子 光子的能量由這兩個定態(tài)的能量差決定 即h h是普朗克常量 h 6 626 10 34J s 3 軌道 原子的不同能量狀態(tài)跟電子在不同的圓周軌道繞核運動相對應 原子的定態(tài)是不連續(xù)的 因此電子的可能軌道也 是 的 不連續(xù) 4 氫原子的能級 能級公式 1 氫原子的能級圖 如圖12 1 3所示 圖12 1 3 2 氫原子的能級和軌道半徑 氫原子的能級公式 En n 1 2 3 其中 E1為基態(tài)能量 其數(shù)值為E1 13 6eV 氫原子的半徑公式 rn n 1 2 3 其中r1為基態(tài)半徑 又稱玻爾半徑 其數(shù)值為r1 n2r1 0 53 10 10m 基礎自測 1 關于 粒子散射實驗 下列說法正確的是 A 絕大多數(shù) 粒子經(jīng)過重金屬箔后 發(fā)生了角度很大的偏轉B 粒子在接近原子核的過程中 動能減少 電勢能減少C 粒子在離開原子核的過程中 動能增大 電勢能增大D 對 粒子散射實驗的數(shù)據(jù)進行分析 可以估算出原子核的大小答案 D 2 2016年北京卷 處于n 3能級的大量氫原子 向低能級 躍遷時 輻射光的頻率有 A 1種 B 2種 C 3種 D 4種 答案 C3 多選 2015年新課標 卷 實物粒子和光都具有波粒二 象性 下列事實中突出體現(xiàn)波動性的是 A 電子束通過雙縫實驗后可以形成干涉圖樣B 射線在云室中穿過會留下清晰的徑跡C 人們利用中子衍射來研究晶體的結構D 人們利用電子顯微鏡觀測物質的微觀結構答案 ACD 4 2016年河北邢臺模擬 用強度相同的紅光和藍光分別照射同一種金屬 均能使該金屬發(fā)生光電效應 下列判斷正確的是 A 用紅光照射時 該金屬的逸出功小 用藍光照射時該金屬的逸出功大B 用紅光照射時 該金屬的截止頻率低 用藍光照射時該金屬的截止頻率高C 用紅光照射時 逸出光電子所需時間長 用藍光照射時逸出光電子所需時間短D 用紅光照射時 逸出的光電子最大初動能小 用藍光照射時逸出的光電子最大初動能大答案 D 熱點1 光電效應及其方程 熱點歸納 1 光電效應的實質 光子照射到金屬表面 某個電子吸收光子的能量后動能變大 當電子的動能增大到足以克服原子核的引力時 便飛出金屬表面成為光電子 光電效應現(xiàn)象中 每個電子只能吸收一個光子的能量 2 對光電效應規(guī)律的解釋 1 光照射金屬時 電子吸收一個光子 形成光電子 的能量后 動能立即增大 不需要積累能量的過程 2 電子從金屬表面逸出 首先需克服金屬表面原子核的引力做功 逸出功W0 要使照射光子的能量不小于W0 對應頻率 c W0h 為極限頻率 3 光電子的最大初動能只隨照射光頻率的增大而增大 4 照射光越強 單位時間內(nèi)照射到金屬表面的光子數(shù)越多 產(chǎn)生的光電子越多 射出的光電子做定向移動時形成的光電流越大 3 概念辨析 4 用圖象表示光電效應方程 1 最大初動能Ek與入射光頻率 的關系圖線如圖12 1 4所 示 圖12 1 4 2 由圖線可以得到的物理量 極限頻率 圖線與 軸交點的橫坐標 c 逸出功 圖線與Ek軸交點的縱坐標的絕對值W0 E E 普朗克常量 圖線的斜率k h 考向1 光電效應現(xiàn)象 典題1 多選 如圖12 1 5所示 用導線把驗電器與鋅板 相連接 當用紫外線照射鋅板時 發(fā)生的現(xiàn)象是 圖12 1 5 A 有光子從鋅板逸出C 驗電器指針張開一個角度 B 有光電子從鋅板逸出D 鋅板帶負電 解析 用紫外線照射鋅板是能夠發(fā)生光電效應的 鋅板上的電子吸收紫外線的能量從鋅板表面逸出 稱之為光電子 故A錯誤 B正確 鋅板與驗電器相連 帶有相同電性的電荷 鋅板失去電子應該帶正電 且失去電子越多 帶正電的電荷量越多 驗電器指針張角越大 故C正確 D錯誤 答案 BC 考向2 光電效應的規(guī)律 典題2 入射光照到某金屬表面發(fā)生光電效應 若入射 光的強度減弱 而頻率保持不變 則下列說法正確的是 A 從光照射到金屬表面上到金屬發(fā)射出光電子之間的時間間隔將明顯增加B 逸出的光電子的最大初動能減小C 單位時間內(nèi)從金屬表面逸出的光電子數(shù)目將減少D 有可能不發(fā)生光電效應 解析 光電效應瞬時 一般不超過10 9s 發(fā)生 與光強無關 A錯誤 光電子的最大初動能只與入射光的頻率有關 入射光的頻率越大 最大初動能越大 B錯誤 光電子數(shù)目多少與入射光的強度有關 光強減弱 單位時間內(nèi)從金屬表面逸出的光電子數(shù)目減少 C正確 能否發(fā)生光電效應 只取決于入射光的頻率是否大于極限頻率 與光強無關 D錯誤 答案 C 考向3 光子說 典題3 2017年北京卷 2017年初 我國研制的 大連光源 極紫外自由電子激光裝置 發(fā)出了波長在100nm 1nm 10 9 m 附近連續(xù)可調(diào)的世界上最強的極紫外激光脈沖 大連光源因其光子的能量大 密度高 可在能源利用 光刻技術 霧霾治理等領域的研究中發(fā)揮重要作用 一個處于極紫外波段的光子所具有的能量可以電離一個分子 但又不會把分子打碎 據(jù)此判斷 能夠電離一個分子的能量約為 取普朗克常量h 6 6 10 34J s 真空光速c 3 108m s A 10 21JB 10 18JC 10 15JD 10 12J 2 10 18 J 由題意可知 光子的能量應比電離一個分子的能量 稍大 因此數(shù)量級應相同 故選B 答案 B 考向4 光電效應方程 典題4 多選 2017年新課標 卷 在光電效應實驗中 分別用頻率為 a b的單色光a b照射到同種金屬上 測得相應的遏止電壓分別為Ua和Ub 光電子的最大初動能分別為Eka 和Ekb h為普朗克常量 下列說法正確的是 A 若 a b 則一定有Ua b 則一定有Eka EkbC 若Ua b 則一定有h a Eka h b Ekb 解析 由愛因斯坦光電效應方程Ekm h W 又由動能定理有Ekm eU 當 a b時 則Eka Ekb Ua Ub A錯誤 B正確 若Ua Ub 則有Eka Ekb C正確 同種金屬的逸出功不變 則W h Ekm不變 D錯誤 答案 BC 遷移拓展 愛因斯坦提出了光量子概念并成功地解釋了光電效應的規(guī)律而獲得1921年諾貝爾物理學獎 某種金屬逸出光電子的最大初動能Ekm與入射光頻率 的關系如圖12 1 6所 示 其中 0為截止頻率 從圖中可以確定的是 A 逸出功與 有關B Ekm與入射光強度成正比C 當 0時 會逸出光電子D 圖中直線的斜率與普朗克常量有關 圖12 1 6 解析 逸出功由金屬材料本身決定 A錯誤 由Ekm h W0可知B錯誤 D正確 由圖象可知 當 0時會逸出光電子 C錯誤 答案 D 熱點2 原子的核式結構模型 熱點歸納 粒子散射實驗結果分析 1 核外電子不會使 粒子的速度發(fā)生明顯改變 2 湯姆生模型不能解釋 粒子的大角度散射 3 絕大多數(shù) 粒子沿直線穿過金箔 說明原子中絕大部分是空的 少數(shù) 粒子發(fā)生較大角度偏轉 反映了原子內(nèi)部集中存在著對 粒子有斥力的正電荷 極少數(shù) 粒子甚至被 撞了回來 反映了個別 粒子正對著質量比 粒子大得多的物體運動時 受到該物體很大的斥力作用 典題5 盧瑟福的 粒子散射實驗裝置如圖12 1 7所示 在一個小鉛盒里放有少量的放射性元素釙 它發(fā)出的 粒子從鉛盒的小孔射出 形成很細的一束射線 射到金箔上 最后打在 熒光屏上產(chǎn)生閃爍的光點 下列說法正確的是 圖12 1 7 A 該實驗是盧瑟福建立原子核式結構模型的重要依據(jù)B 該實驗證實了湯姆生原子模型的正確性 C 粒子與原子中的電子碰撞會發(fā)生大角度偏轉D 絕大多數(shù)的 粒子發(fā)生大角度偏轉 解析 盧瑟福根據(jù) 粒子散射實驗 提出了原子核式結構模型 選項A正確 B錯誤 電子質量太小 對 粒子的影響不大 選項C錯誤 絕大多數(shù) 粒子穿過金箔后 基本上仍沿原方向前進 D錯誤 答案 A 熱點3 氫原子能級及能級躍遷 熱點歸納 1 兩類能級躍遷 1 自發(fā)躍遷 高能級 低能級 釋放能量 發(fā)出光子 光子的頻率 Eh E高 E低h 2 受激躍遷 低能級 高能級 吸收能量 光照 吸收光子 光子的能量必須恰等于能級差h E 碰撞 加熱等 只要入射粒子能量大于或等于能級差即可 E外 E 大于電離能的光子被吸收 將原子電離 2 譜線條數(shù)的確定方法 1 一個氫原子躍遷發(fā)出可能的光譜線條數(shù)最多為 n 1 2 一群氫原子躍遷發(fā)出可能的光譜線條數(shù)的兩種求解方法 利用能級圖求解 在氫原子能級圖中將氫原子躍遷的各種可能情況一一畫出 然后相加 考向1 氫原子躍遷過程中的特點 典題6 多選 氫原子能級如圖12 1 8所示 當氫原子從n 3躍遷到n 2的能級時 輻射光的波長為656nm 以下判斷 正確的是 圖12 1 8 A 氫原子從n 2躍遷到n 1的能級時 輻射光的波長大 于656nm B 用波長為325nm的光照射 可使氫原子從n 1躍遷到 n 2的能級 C 一群處于n 3能級上的氫原子向低能級躍遷時最多產(chǎn) 生3種譜線 D 用波長為633nm的光照射 不能使氫原子從n 2躍遷 到n 3的能級 解析 根據(jù)氫原子的能級圖和能級躍遷規(guī)律 當氫原子從n 2能級躍遷到n 1的能級時 輻射光的波長一定小于656nm 因此A選項錯誤 根據(jù)發(fā)生躍遷只能吸收和輻射一定頻率的光子 可知B選項錯誤 D選項正確 一群處于n 3能級上的氫原子向低能級躍遷時可以產(chǎn)生3種頻率的光子 所以C選項正確 答案 CD 考向2 氫原子躍遷過程中光譜線的能量關系 典題7 處于激發(fā)態(tài)的氫原子從n 4躍遷到n 3時 輻射的光子波長為 1 從n 3躍遷到n 2時 輻射的光子波 長為 2 那么從n 4躍遷到n 2時輻射的光子的波長為 答案 A 熱點4 對波粒二象性的理解 熱點歸納 分析波粒二象性應注意的 三個 問題 1 個別光子的作用效果往往表現(xiàn)為粒子性 大量光子的作用效果往往表現(xiàn)為波動性 2 頻率越低波動性越顯著 越容易看到光的干涉和衍射現(xiàn)象 頻率越高粒子性越顯著 越不容易看到光的干涉和衍射現(xiàn)象 貫穿本領越強 3 光在傳播過程中往往表現(xiàn)出波動性 在與物質發(fā)生作用時 往往表現(xiàn)為粒子性 典題8 用很弱的光做雙縫干涉實驗 把入射光減弱到可以認為光源和感光膠片之間不可能同時有兩個光子存在 圖12 1 9是不同數(shù)量的光子照射到感光膠片上得到的照片 這些照 片說明 圖12 1 9A 光只有粒子性沒有波動性B 光只有波動性沒有粒子性C 少量光子的運動顯示波動性 大量光子的運動顯示粒子性D 少量光子的運動顯示粒子性 大量光子的運動顯示波動性 解析 光具有波粒二象性 這些照片說明少量光子的運動顯示粒子性 大量光子的運動顯示波動性 故D正確 答案 D