（广西专用）高考物理一轮复习 15.1光电效应 原子结构 原子光谱课件 新人教版.ppt

第1讲光电效应原子结构原子光谱 考点1光电效应爱因斯坦光电效应方程 1 光电效应 1 光电效应 在光 包括不可见光 的照射下物体发射 的现象 发射出来的电子叫 这一现象是首先发现的 电子 光电子 赫兹 2 光电效应的规律 每种金属都有一个频率 入射光的频率必须这个极限频率才能发生光电效应 光电子的与入射光的强度无关 只随入射光 的增大而增大 光电效应的发生几乎是的 不超过10 9s 当入射光的频率大于极限频率时 光电流的强度与入射光的成正比 极限 大于 最大初动能 频率 瞬时 强度 2 爱因斯坦光电效应方程 1 光子说 光是一份一份地不连续传播的 每一份叫做一个光子 光子的能量跟它的成正比 即e 普朗克常量h 6 63 10 34j s 2 逸出功 使电子脱离金属所做功的 3 最大初动能 金属表面上的电子吸收光子后逸出时所具有动能的 4 光电效应方程 根据能量守恒定律 光电子的最大初动能跟入射光子的能量h 和逸出功w的关系 频率 h 最小值 最大值 ek h w 1 光子说对光电效应及其规律的解释 1 光照射金属时 电子吸收一个光子的能量后 成为光电子 动能立即增大 不需要积累能量的过程 2 只有直接从金属表面飞出的光电子才具有最大初动能 对于确定的金属 逸出功w是一定的 故光电子的最大初动能只随入射光频率的增大而增大 同一光照射同一金属产生光电子的初动能也各不相同 3 如图所示 在研究光电效应的实验中 加正向电压 使a板电势比k板高 时 当正向电压增到几伏时 光电流达到饱和值 再增加电压 光电流也不再增大 这表明k板发射的光电子已全部被a板吸去 4 在研究光电效应的实验中 加反向电压 使a板电势低于k板电势 当反向电压增大到某一数值时 那些具有最大初动能的光电子恰好不足以克服反向电场的阻力而到达极板a 就没有光电流了 此时的反向电压称为遏止电压 这时 光电子的最大初动能ekm与遏止电压u之间有 ekm eu 2 应用光电效应方程解题时要注意的两点 1 深刻理解极限频率和逸出功的概念 从能量转化的角度理解最大初动能 2 应用光电效应方程解决问题时 要注意光电效应方程各项表示的意义 同时要认真理解发生光电效应的条件 3 分析光电效应问题的两条线索 1 通过频率分析 光子频率高 光子能量大 产生光电子的最大初动能大 2 通过光的强度分析 入射光强度大 光子数目多 产生的光电子多 光电流大 2011 新课标全国卷 在光电效应实验中 某金属的截止频率相应的波长为 0 该金属的逸出功为 若用波长为 0 的单色光做实验 则其遏止电压为 已知电子的电荷量 真空中的光速和普朗克常量分别为e c和h 解析 由又ek eu 光电效应方程 ek h w 且则答案 考点2光的波粒二象性物质波 1 光的波粒二象性光的干涉 衍射 偏振现象证明光具有 光电效应 康普顿效应现象证明光具有 无法用其中一种性质解释所有光现象 所以光既有波动性 又有粒子性 即光具有 波动性 粒子性 波粒二 象性 2 物质波一切运动着的物体 小到电子 质子 大到行星 太阳 都具有 其波长与动量的关系都符合德布罗意公式 这种波叫物质波或德布罗意波 物质波是一种 波粒二象性 概率波 1 深入理解光的波粒二象性 1 光的波粒二象性本质 个别光子产生的效果往往显示出粒子性 大量光子产生的效果往往显示出波动性 光在传播过程中往往显示出波动性 在与物质作用时往往显示出粒子性 频率越高的光子能量越大 粒子性越明显 频率越低的光子能量越小 波动性越明显 2 光波是概率波 光子在空间各点出现的可能性的大小 概率 可以用波动规律来描述 因此光波又叫概率波 光在干涉 衍射现象中的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 2 对物质波的理解 1 宏观物体与微观粒子一样 也存在波动性 只是波长太小很难被观察到 物质波和光波一样 都属于概率波 2 电子在金属晶格中的衍射是物质波存在的典型例证 2012 福州模拟 2003年全世界物理学家评选出 十大最美物理实验 排名第一的是物理学家利用如图所示的 托马斯 杨双缝干涉实验 装置进行电子干涉的实验 从辐射源射出的电子束经两个靠近的狭缝后在显微镜的荧光屏上出现干涉条纹 该实验说明 a 光具有波动性b 光具有波粒二象性c 微观粒子也具有波动性d 微观粒子也是一种电磁波 解析 选c 电子束通过两个狭缝后在荧光屏上出现干涉条纹 这是波特有的现象 说明电子也具有波动性 故a b错 c正确 物质波不同于电磁波 故d错 考点3氢原子的能级结构光子的发射和吸收 1 氢原子的能级结构 1 玻尔理论的主要内容 定态 原子只能处于一系列的能量状态中 在这些能量状态中原子是的 电子虽然绕核做运动 但并不向外辐射能量 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 光子的能量由这两定态的决定 即 不连续 稳定 加速 光子 能量差 h em en 轨道 原子的不同能量状态跟电子在不同的圆形轨道绕核运动相对应 原子的定态是的 因此电子的可能轨道也是的 2 氢原子的能级和轨道半径 在玻尔模型中 原子的可能状态是不连续的 对应的能量也是的 这些不连续的叫能级 其中e1 13 6ev 对应的轨道半径rn n2r1 其中r1 0 53 10 10m n 1 2 3 不连续 不连续 不连续 能量值 氢原子的能级图 基态 在正常情况下 原子处于能级 电子在离核 的轨道上运动的定态 激发态 原子吸收能量后从基态跃迁到能级 电子在的轨道上运动的定态 最低 最近 较高 较远 2 光子的发射和吸收 1 原子从基态向激发态跃迁的过程 是能量的过程 这个能量可以从与其他原子的相互碰撞或从中吸收 2 原子从激发态向基态跃迁的过程 是能量的过程 这个能量以的形式辐射出去 这就是原子发光的现象 3 原子光谱 1 原子光谱是分立的 2 稀薄气体发出的光谱是的 只发出几种确定频率的光 3 每种元素的原子只能发出具有的某些波长的光 吸收 入射光子 辐射 光子 线状谱 不连续 本身特征 1 对氢原子能级跃迁的理解 1 光子和氢原子作用 原子在各定态之间跃迁 跃迁条件 h em en 原子的一次跃迁 只能吸收 或辐射 一个光子的能量 且该光子的能量恰好等于跃迁的能级差 氢原子的电离 光子的能量只要大于h 0 em 就会被处于量子数为m的氢原子吸收而发生电离 只不过入射光子的能量越大 原子电离后产生的自由电子的动能越大 2 实物粒子和氢原子作用 由于实物粒子的动能可全部或部分地被氢原子吸收 所以只要入射粒子的动能大于或等于原子某两定态能量之差 也可以使原子受激发而向较高能级跃迁或电离 2 对氢原子能量变化的理解氢原子各定态的能量值为电子在对应轨道上绕核运动的动能ek和原子电势能ep的代数和 由量子观念与经典物理理论相结合知 当轨道半径减小时 库仑力做正功 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 电势能增大 电子动能减小 原子能量增大 3 注意一群氢原子和一个氢原子跃迁的区别 1 一群氢原子处于n能级激发态 当它向基态跃迁时 会产生条光谱线 2 一个氢原子处于n能级激发态 当它向基态跃迁时 最多产生 n 1 条光谱线 2011 大纲版全国卷 已知氢原子的基态能量为e1 激发态能量其中n 2 3 用h表示普朗克常量 c表示真空中的光速 能使氢原子从第一激发态电离的光子的最大波长为 a b c d 解析 选c 氢原子从第一激发态到电离状态吸收的能量又 e h 所以 a b d错 c正确 考点4 粒子散射实验原子的核式结构 1 粒子散射实验 1 实验装置 如图所示 2 实验现象 粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进 少数 粒子发生了 并且有极少数 粒子偏转角超过了90 有的甚至被 偏转角几乎达到180 如图所示 3 实验结论 否定了汤姆生的原子模型 卢瑟福提出了原子的 绝大多数 偏转 弹回 核式结构模型 2 原子的核式结构 1 核式结构模型 在原子的中心有一个很小的核 原子的全部正电荷和几乎都集中在原子核里 带负电的 在核外空间里绕核旋转 原子核所带的正电荷数等于核外的电子数 2 原子和原子核的大小 原子直径的数量级为 原子核直径的数量级为 全部的质量 电子 10 10m 10 15m 对 粒子散射实验的理解 1 轰击靶采用金箔的原因 柔软性好 能做得很薄 厚度接近单原子的直径 不会因为厚度而影响实验结论 原子序数很大 核电荷数很大 电子接近原子核时能受到很大的库仑力作用 2 在实验中 粒子穿过原子时影响 粒子运动的主要是原子核 粒子受到核的库仑力作用 当 粒子离原子核较远时 斥力小 粒子的运动方向改变也小 当 粒子离原子核较近时 斥力大 粒子的运动方向改变也大 当 粒子与原子核发生正碰时 粒子则被弹回来 2011 天津高考 下列能揭示原子具有核式结构的实验是 a 光电效应实验b 伦琴射线的发现c 粒子散射实验d 氢原子光谱的发现 解析 选c 光电效应现象证明了光的粒子性本质 与原子结构无关 故a错 伦琴射线的发现以及氢原子光谱的发现都与原子的能级结构有关 都是原子能级跃迁的结果 故b d错 卢瑟福的 粒子散射实验揭示了原子的核式结构 故c正确 氢原子的能级跃迁问题 例证1 2011 四川高考 氢原子从能级m跃迁到能级n时辐射红光的频率为 1 从能级n跃迁到能级k时吸收紫光的频率为 2 已知普朗克常量为h 若氢原子从能级k跃迁到能级m 则 a 吸收光子的能量为h 1 h 2b 辐射光子的能量为h 1 h 2c 吸收光子的能量为h 2 h 1d 辐射光子的能量为h 2 h 1 解题指南 解答本题时应把握以下两点 1 依题意画出氢原子跃迁能级图 2 根据能级图确定光子的能量 自主解答 选d 氢原子从能级m跃迁到能级n时 辐射红光 则m高于n 又从能级n跃迁到k时吸收紫光 说明k也高于n 由于紫光的频率 2大于红光的频率 1 所以h 2 h 1 所以能级k高于能级m 因此氢原子从能级k跃迁到能级m时应向外辐射光子 且光子的能量e h 2 h 1 故d正确 总结提升 氢原子能量变化的分析方法处理氢原子能量变化的问题应注意以下两个方面 1 要清楚氢原子的能量是由核外电子的动能和原子的电势能组成 即en ek ep 2 要理解电子的动能可由经典物理理论求得为氢原子的能量可由量子论和经典物理理论相结合求得为 变式训练 下列说法中正确的是 a 氢原子由较高能级跃迁到较低能级时 电子的动能增大 原子的电势能减小b 氢原子被激发后发出的可见光光子的能量大于紫外线光子的能量c 处于激发态的氡原子发出一束绿光照射到某金属板上能发生光电效应 若这束绿光被遮住一半 则不会发生光电效应d 用微弱的光照射金属 需较长时间才能发生光电效应 解析 选a 由于可见光的频率小于紫外线的频率 即可见光光子能量一定小于紫外线光子能量 故b错 光电效应的发生与光照的强度无关 只与频率有关 光电效应的发生不需要时间积累 故c d错 氢原子的能量由电子的动能和原子的电势能组成 即en ek ep 由于电子在库仑力作用下绕核做圆周运动 有则当氢原子由较高能级跃迁到较低能级时 半径减小 增大 减小 故a正确 光电效应方程的应用 例证2 2012 赣州模拟 15分 如图所示 真空中金属板m n相距为d 当n板用波长为 的光照射时 电路中的电流为i 设电子的电荷量为e 质量为m 真空中光速为c 1 求每秒到达m板的电子数 2 当垂直于纸面再加一匀强磁场 且磁感应强度为b时 电路中的电流恰好为零 求从n板逸出的光电子的最大初动能和n板的逸出功 解题指南 解答本题时应注意以下两点 1 单位时间内到达m板的电子数等于单位时间内通过导体横截面积的电子数 2 具有最大初动能的电子刚好不能到达m板 是电路中电流恰好为零的原因 规范解答 1 设每秒到达m板的电子数为n 由电流的定义有 i ne 2分 则 n 1分 2 由光电效应原理可知 从n板逸出的光电子的动能和速度方向各不相同 加上磁场后 只要平行于n板且动能最大的电子不能到达m板 则在其他方向上无论动能多大的电子均不能到达m板 此时 电路中的电流恰好为0 设具有最大初动能的电子速率为v 则 轨道半径为r 2分 由牛顿第二定律有 2分 解得 2分 故电子的最大初动能 2分 根据光电效应方程 设n板的逸出功为w 则有 2分 解得 2分 答案 1 2 总结提升 爱因斯坦光电效应方程应用问题的规范求解1 一般解题步骤 1 根据题意写出光电效应方程 2 涉及到遏止电压时写出方程 3 应用h 0 w求解极限频率或逸出功 2 应注意的事项 1 教材图表中逸出功的单位是电子伏特 使用光电效应方程时要注意能量的单位换算 2 遏止电压是使光电流减小到恰好为0时的电压 在i u图象中图线与u轴的交点即为遏止电压 变式训练 2012 南京模拟 如图为通过某光电管的光电流与两极间电压的关系 当用光子能量为4 5ev的蓝光照射光电管的阴极k时 对应图线与横轴的交点u1 2 37v 普朗克常量h 6 63 10 34j s 电子电量e 1 6 10 19c 以下计算结果保留两位有效数字 1 求阴极k发生光电效应的极限频率 2 当用光子能量为7 0ev的紫外线持续照射光电管的阴极k时 测得饱和电流为0 32 a 求阴极k单位时间发射的光电子数 解析 1 依题意 由能量守恒得 e u1 h w则w h e u1 4 5ev 2 37ev 2 13ev因此极限频率 2 设单位时间内通过导体横截面的电子数为n 则 个 阴极k单位时间内发射的光电子数等于单位时间内通过导体横截面的电子数 即为2 0 1012个答案 1 5 1 1014hz 2 2 0 1012个 变式备选 如图所示为伦琴射线管的示意图 k为阴极钨丝 发射的电子的初速度为零 a为对阴极 阳极 当ak之间加直流电压u 30kv时 电子被加速打在对阴极a上 使之发出伦琴射线 设电子的动能全部转化为伦琴射线的能量 试求 1 电子到达对阴极的速度是多大 2 由对阴极发出的伦琴射线的最短波长是多大 3 若ak间的电流为10ma 那么每秒钟从对阴极最多能辐射出多少个伦琴射线光子 电子电荷量e 1 6 10 19c 质量m 0 91 10 30kg 普朗克常量h 6 63 10 34j s 解析 1 依题意由动能定理有 则 1 0 108m s 2 由h eu且则 3 由于光子数最多与电子数相等 因此有 个 6 25 1016个答案 1 1 0 108m s 2 4 1 10 11m 3 6 25 1016个 光的波粒二象性和极限频率问题 例证3 2012 宝山模拟 如图所示 与锌板相连的验电器的铝箔原来是张开的 现在让弧光灯发出的光经一狭缝后照射到锌板 发现在锌板上形成明暗相间的条纹 同时与锌板相连的验电器的铝箔张角变大 以上实验事实说明 a 光具有波粒二象性b 验电器的铝箔原来带负电c 锌板上亮条纹是平行等宽度的d 若改用激光器发出的红光照射锌板 观察到验电器的铝箔张角一定会变得更大 解题指南 解答本题时应把握以下两点 1 由铝箔张角变大推知验电器原来与锌板带同种电荷 2 光经一条狭缝形成明暗相间的条纹是由于衍射现象 自主解答 选a 使锌板发生光电效应说明光具有粒子性 在锌板上发生衍射说明光具有波动性 故a正确 发生光电效应使锌板带正电 验电器的铝箔张角变大 说明验电器原来带正电 故b错 衍射图样是中央条纹宽 两侧条纹越来越窄 故c错 弧光灯发出的主要是紫色光 由于红光频率小于紫光频率 红光子的能量小于紫光子的能量 不一定能发生光电效应 故d错 总结提升 解答本题的关键在于要清楚题目中的实验装置可以同时验证光的粒子性和波动性 这是一个实验创新 解答本题的易错选项及错误原因具体分析如下 变式训练 现代物理学认为 光和实物粒子都具有波粒二象性 下列事实中突出体现波动性的是 a 一定频率的光照射到锌板上 光的强度越大 单位时间内锌板上发射的光电子就越多b 肥皂液是无色的 吹出的肥皂泡却是彩色的c 质量为10 3kg 速度为10 2m s的小球 其德布罗意波长约为10 29m 不过我们能清晰地观测到小球运动的轨迹d 人们常利用热中子研究晶体的结构 因为热中子的德布罗意波长与晶体中原子间距大致相同 解析 选b d 光子照到锌板上 发生光电效应 说明光有粒子性 a错误 白光在肥皂泡上发生薄膜干涉时 会出现彩色条纹 光的干涉现象说明了光有波动性 b正确 由于小球的波长很小 波动性不明显 表现为粒子性 所以能看到小球的轨迹 c错误 用热中子研究晶体结构 其实是通过中子的衍射来 观察 晶体的 是利用中子的波动性 d正确 例证 一个具有ek0 13 6ev初动能 处于基态的氢原子与一个静止的 同样处于基态的氢原子发生对心碰撞 正碰 试确定碰撞的性质 是弹性还是非弹性的 已知氢原子的能级公式为 规范解答 两个处于基态的氢原子发生正碰 若是有动能损失 则由能量守恒可知 损失的动能转化为原子的结合能 即原子的能量 原子的能级跃迁可能是吸收光子 也可能是在原子碰撞中获得能量 从而发生跃迁 在碰撞中 动能损失最大的碰撞是完全非弹性碰撞 也就是碰撞后两个氢原子获得共同速度 由动量与能量的关系及动量守恒定律可得 p0 pt 解得 ekt 6 8ev 故碰撞过程中损失的动能为这两个氢原子在碰撞过程中损失的最大动能为 ek 6 8ev 这个能量不足以使处于基态的氢原子向激发态跃迁 因为基态的氢原子跃迁到激发态所需的最小能量为10 2ev 所以这两个氢原子碰撞不会损失动能 只能是弹性碰撞 答案 弹性碰撞 1 2011 广东高考 光电效应实验中 下列表述正确的是 a 光照时间越长光电流越大b 入射光足够强就可以有光电流c 遏止电压与入射光的频率有关d 入射光频率大于极限频率才能产生光电子 解析 选c d 只有当入射光的频率大于所照射金属的极限频率时才能发生光电效应 当入射光的频率小于极限频率时 不管光的强度多大都不会发生光电效应 与光照时间无关 故a b错 d正确 对同一种金属 入射光的频率越大 光电子的最大初动能越大 要让光电流为零 需要的遏止电压就越大 故c正确 2 2011 福建高考 爱因斯坦提出了光量子概念并成功地解释光电效应的规律而获得1921年诺贝尔物理学奖 某种金属逸出光电子的最大初动能ekm与入射光频率 的关系如图所示 其中 0为极限频率 从图中可以确定的是 a 逸出功与 有关b ekm与入射光强度成正比c 当 0时 会逸出光电子d 图中直线的斜率与普朗克常量有关 解析 选d 金