高中物理选修12.原子原子核光电效应.ppt

第十二章 原子 原子核 光电效应,本章知识在考纲中都属于级要求,且该部分内容在高考中仅占8%，一般以选择题的形式出现，两个单项选择或者两个双项选择且有一题与其它内容相联系，难度较低。本章重点是：氢光谱规律、能级公式、核反应方程、光电效应规律及核能的简单计算。,本章内容属于现代物理学的基础，要采取系统理解、重点记忆方法、紧扣教材，了解规律及特点，掌握其应用。,要澄清一些易混淆的概念，如“光子”“光电子”“光子的能量”“入射光的强度”“光电子的动能”与“光电子的最大初动能”等，这对理解光电效应的规律具有重要意义。 1.“光子”与“光电子” 光子是指光在空间传播时的每一份能量(即能量是不连续的)，光子不带电，是微观领域中的一种粒子；而光电子是金属表面受到光照时发射出来的电子，因此其本质就是电子。 2.“光子的能量”与“入射光的强度” 光子的能量是一份一份的，每一份的能量为=h，其大小由光的频率决定；而入射光的强度是指单位时间内入射光中包含光子数的多少，入射光的强度可表示为I=nh，其中n为单位时间内的光子数。 3.“光电子的最大初动能”与“光电子的动能” 光照射到金属表面时，电子吸收光子的能量，只需克服原子核的引力做功就能从金属表面逸出，那么这些光电子具有最大初动能，其值为Ek=h-W0(式中W0为金属的逸出功)。而不从金属表面发射的光电子，在逸出的过程中损失的能量会更多，所以此时光电子的动能EkEk。,要点一 关于对光电效应现象和光电效应规律的理解,学案 原子 原子核 光电效应,1.由于光子的能量是一份一份的，那么金属中的电子也只能一份一份地吸收光子的能量，而且这个传递能量的过程只能是一个光子对一个电子的行为。如果光的频率低于极限频率，则光子提供给电子的能量不足以克服原子的束缚，就不能发生光电效应。 2.而当光的频率高于极限频率时，能量传递给电子以后，电子摆脱束缚要消耗一部分能量，剩余的能量以光电子的动能形式存在，这样光电子的最大初动能Ek=1/2mvm2=h-W0，其中W0为金属的逸出功，可见光的频率越高，电子的初动能越大。 3.电子一次性吸收光子的全部能量，不需要积累能量的时间，所以光电效应的发生几乎是瞬时的。 4.发生光电效应时，单位时间内逸出的光电子数与光强度成正比，光强度越大意味着单位时间内打在金属上的光子数越多，那么逸出的光电子数目也就越多，饱和光电流也就越大。,要点二 光子说对光电效应的解释,1.氢原子能级 对氢原子而言，核外的一个电子绕核运动时，若半径不同，则对应着的原子能量也不同，若使原子电离，外界必须对原子做功，使电子摆脱它与原子核之间的库仑力的束缚，所以原子电离后的能量比原子其他状态的能量都高。我们把原子电离后的能量记为零，即选取电子离核无穷远处时氢原子的能量为零，则其他状态下的能量值就是负的。 原子各能级的关系为：En= (n=1,2,3,)。 对于氢原子而言，基态能量：E1=-13.6 eV。 其他各激发态的能量为： E2=-3.4 eV，E3=-1.51 eV ,要点三 氢原子能级,图12-1-1,2.能级图 氢原子的能级图如图12-1-1所示。,1.原子从低能级向高能级跃迁：吸收一定能量的光子，当一个光子的能量满足h= E末-E初时，才能被某一个原子吸收，使原子从低能级E初向高能级E末跃迁，而当光子能量h大于或小于E末 -E初时都不能被原子吸收。 2.原子从高能级向低能级跃迁，以光子的形式向外辐射能量，所辐射的光子能量恰等于发生跃迁时的两能级间的能量差。 3.当光子能量大于或等于13.6 eV时，也可以被氢原子吸收，使氢原子电离；当氢原子吸收的光子能量大于13.6 eV，氢原子电离后，电子具有一定的初动能。 一群氢原子处于量子数为n的激发态时，可能辐射出的光谱线条数为N=n(n-1)/2= 。 4.原子还可吸收外来实物粒子(例如自由电子)的能量而被激发，由于实物粒子的动能可全部或部分地被原子吸收，所以只要入射粒子的能量大于或等于两能级的差值(E=Em-En且mn)，均可使原子发生能级跃迁。 5.跃迁时电子动能、原子势能与原子能量的变化 当轨道半径减小时，库仑引力做正功，原子的电势能Ep减小，电子动能增大，原子能量减小。反之，轨道半径增大时，原子电势能增大，电子动能减小，原子能量增大。,要点四 氢原子能级跃迁,特别提醒： 原子在各能级间跃迁时，所吸收的光子的能量只能等于两能级间的能级差。原子电离时所吸收的光子的能量可以大于或等于某一能级的能量绝对值，即EE-En。,2.衰变：衰变是伴随着衰变或衰变同时发生的，衰变不改变原子核的电荷数和质量数。其实质是放射性原子核在发生衰变或衰变过程中，产生的新核由于具有过多的能量(核处于激发态)而辐射出光子。,要点五 核反应类型,1.衰变和衰变的比较,特别提醒： (1)核反应过程一般都是不可逆的，所以核反应方程只能用单向箭头表示反应方向，不能用等号连接。 (2)核反应的生成物一定要以实验为基础，不能凭空只依据两个守恒规律杜撰出生成物来写核反应方程。 (3)核反应方程遵循质量数守恒而不是质量守恒；遵循电荷数守恒。,3.核反应四种类型比较,4.半衰期 用N0、m0分别表示衰变前的原子核数目和质量，N、m分别表示衰变后剩余的原子核的数目和质量，为半衰期，t表示衰变过程所经历的时间，则,2.核能的产生 (1)重核裂变：某些重核分裂成中等质量的核的反应过程，同时释放大量的核能。要使铀235发生链式反应以持续地输出能量，铀块的体积应大于它的临界体积。 重核的裂变：如 应用：原子弹、核反应堆 (2)轻核聚变：某些轻核结合成质量较大的核的反应过程，同时释放出大量的核能，要想使氘核和氚核结合成氦核，必须达到几百万度以上的高温，因此聚变反应又叫热核反应。 轻核的聚变：如 。 应用：氢弹、可控热核反应。,要点六 核能的产生和计算,特别提醒： (1)质量数与质量是两个不同的概念。核反应中质量数、电荷数都守恒，但核反应中依然有质量亏损。 (2)爱因斯坦的质能方程反映了原子核质量亏损和释放出核能这两种现象之间的联系，并不表示质量和能量之间的转变关系(即：核反应中的质量亏损，并不是这部分质量消失或质量转化为能量)。质量亏损也不是核子个数的减少，核反应中核子的个数是不变的。 (3)质量亏损并不否定质量守恒定律。,1.核能的计算方法 (1)根据爱因斯坦质能方程列式计算：即E=mc2 (m的单位:kg)。 (2)根据1原子质量单位(u)相当于931.5兆电子伏能量，则E=m931.5 MeV(m的单位:u,1u=1.660610-27 kg)。,【例1】1911年卢瑟福依据粒子散射实验中少数粒子发生了 _(选填“大”或“小”)角度散射现象，提出了原子的核式结构模 型。若用动能为1 MeV的粒子轰击金箔，其速度约为 _m/s。(质子和中子的质量均为1.6710-27 kg， 1MeV=1106 eV),热点一 原子结构、粒子散射实验,【解析】卢瑟福在粒子散射实验中发现了大多数粒子没有大的偏转，少数发生了较大的偏转，卢瑟福抓住了这个现象进行分析，提出了原子的核式结构模型； 1 MeV=11061.610-19 J =(1/2)mv2，解得v=6.9106 m/s。,大,6.9106,1,(单项选择)卢瑟福通过对粒子散射实验结果的分析，提出 ( ) A.原子的核式结构模型 B.原子核内有中子存在 C.电子是原子的组成部分 D.原子核是由质子和中子组成的,A,【例2】2009年高考全国理综卷(双项选择)氢原子的部分 能级如图12-1-2所示。已知可见光的光子能量在 1.62 eV 到3.11 eV之间。由此可推知, 氢原子( ) A.从高能级向n=1能级跃迁时发出的光的波长比可见光的短 B.从高能级向n=2能级跃迁时发出的光均为可见光 C.从高能级向n=3能级跃迁时发出的光的频率比可见光的高 D.从n=3能级向n=2能级跃迁时发出的光为可见光,热点二 氢原子光谱 能级跃迁,图12-1-2,A D,【解析】本题考查了氢原子的能级图及氢原子在不同能级间的跃迁，注重考查学生的推理能力，属于中等难度的题目。从高能级向n=1能级跃迁的过程中辐射出的最小光子能量为10.20 eV3.11 eV，由=hc/E可判断，从高能级向n=1能级跃迁时最大波长比可见光的最小波长还小，故A正确。已知可见光子能量在1.62 eV到3.11 eV之间，从高能级向n=2能级跃迁时发出的光的能量3.40 eV，B错。从高能级向n=3能级跃迁时发出的光的频率只有能量大于3.11 eV的光的频率才比可见光高,C错。从n=3到n=2的过程中释放的光的能量等于1.89 eV，介于1.62 eV到3.11 eV之间,所以是可见光，D对。,2,(单项选择)氢原子的能级如图12-1-3所示， 已知可见光的光子能量范围约为1.62 eV 3.11 eV。下列说法错误的是( ) A.处于n=3能级的氢原子可以吸收任意频 率的紫外线，并发生电离 B.大量氢原子从高能级向n=3能级跃迁时， 发出的光具有显著的热效应 C.大量处于n=4能级的氢原子向低能级跃迁时，可能发出6种 不同频率的光 D.大量处于n=4能级的氢原子向低能级跃迁时，可能发出3种 不同频率的光,图12-1-3,D,【例3】(单项选择)一个氡核 Rn衰变成钋核 Po并放出一 个粒子，其半衰期为3.8天。1g氡经过7.6天衰变掉氡的质 量，以及 Rn衰变成 Po的过程放出的粒子是 ( ) A0.25 g,粒子 B0.75 g,粒子 C0.25 g,粒子 D0.75 g,粒子,热点三 半衰期,B,【解析】经过了两个半衰期，1 g的氡剩下了0.25 g，衰变了0.75 g，根据核反应方程的规律，反应前后的质量数和电荷数不变可得出是粒子，所以B正确。,3,放射性元素的原子核在衰变或衰变生成新原子核时，往往会同时伴随_辐射。已知A、B两种放射性元素的半衰期分别为T1和T2，经过tT1T2时间后测得这两种放射性元素的质量相等，那么它们原来的质量之比mA:mB=_。,【例4】2009年高考天津理综卷(双项选择)下列说法正确的 是 ( ) A. 是衰变方程 B. 是核聚变反应方程 C. 是核裂变反应方程 D. 是原子核的人工转变方程,热点四 核反应方程,B D,【解析】本题考查了几种核反应类型，衰变、聚变、裂变、人工转变的特点要分清，考查学生的理解能力。A为人工核反应，B为核聚变反应，C为衰变方程，D为人工转变方程，故B、D正确。,4,(单项选择)在下列4个核反应方程中，X表示质子的是( ) A. B. C. D.,C,【例5】(单项选择)原来静止的原子核 X衰变放出的粒子动能 为E0，假设衰变时产生的能量全部以动能形式释放出来， 则在此衰变过程中总的质量亏损是( ) A. B. C. D.,热点五 核能,D,【解析】设衰变过程产生的新核为Y，则有 X He+ Y，Y和粒子组成的系统动量守恒且总动量为零，Y和粒子的动量等大反向，则有： ，EkY= ，系统获得的总动能为E0+EkY= ，由于衰变时产生的能量全部以动能的形式释放出来，根据爱因斯坦质能方程，mc2= ,m= 。,5,太阳内部持续不断地发生着4个质子聚变为1个氦核的热核反应，这个核反应释放出的大量能量就是太阳的能源。 (1)写出这个核反应方程。 (2)这一核反应能释放多少能量？ (3)已知太阳每秒释放的能量为3.81026 J，则太阳每秒减少的质量为多少 千克？ (4)太阳的质量为21030 kg，若太阳质量减少万分之三，热核反应就不能 继续进行，计算太阳还能存在多少年？ (mp=1.0073u，m=4.0015u， me=0.00055u，1u质量相当于931.5 MeV),【答案】 (1) (2)410-12 J (3)4.2109 kg (4)4.53109年,【例6】2009年高考宁夏理综卷(单项选择)关于光电效应，下列说法正确的是 _ (填入选项前的字母，有填错的不得分)。 A.极限频率越大的金属材料逸出功越大 B.只要光照射的时间足够长，任何金属都能产生光电效应 C.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 D.入射光的光强一定时，频率越高，单位时间内逸出的光电子数就越多,热点六 光电效应,A,【解析】逸出功W=h0，W0极限频率，A正确；只有照射光的频率大于等于