专题14光子模型-高考物理模型系列之对象模型原卷版

1、高中物埋系列模型之对象模型14.光子模型模型界定本模型是有关于光的本性、光的粒子性及光子与其它物体的作用规律，不涉及光的波动性规律问题。模型破解1 .光子起源1900年，M.普朗克解释黑体辐射能量分布时作出量子假设，物质振子与辐射之间的能量交换是不连续的，一份一份的，每一份的能量为hv；1905年阿尔伯特爱因斯坦进一步提出光波本身就不是连续的而具有粒子性，爱因斯坦称之为光量子；1923年A.H.康普顿成功地用光量子概念解释了X光被物质散射时波长变化的康普顿效应，从而光量子概念被广泛接受和应用，1926年正式命名为光子。2 .光子的粒子特性(i)光子是光线中携带能量的粒子。一个光子能量的多少正比

2、于光波的频率大小，频率越高，能量越高，E=hv.当一个光子被原子吸收时，就有一个电子获得足够的能量从而从内轨道跃迁到外轨道，具有电子跃迁的原子就从基态变成了激发态。(ii)光子具有能量，也具有动量，更具有质量2h按照质能万程，E=mc=hv,求出光子的质量为mf，光子的动量为chhp=mc=c光子由于无法静止，所以它没有静止质量，这儿的质量是光子的相对论质量(iii)光子速度在真空中光子的速度为光速，能量E和动量p之间关系通过光速相联系p=E/c;(iv)光子的能量和动量仅与光子的频率V有关；或者说仅与波长入有关。3 .光子具有波粒二象性光子像一粒一粒的粒子的特性又有像声波一样的波动性，光子的

3、波动性有光子的衍射而证明，光子的粒子性是由光电效应证明。光子对时间的平均特性表现为波动性，瞬时特性表现为粒子性，也即大量光子的集体行为表现为波动性少量光子表现为粒子性.波长越长波动性越显著衍射能力越强；波长越短粒子性越显著，贯穿能力越强.4 .光子的产生光子能够在很多自然过程中产生，例如：在分子、原子或原子核从高能级向低能级跃迁时电荷被加速的过程中会辐射光子，粒子和反粒子湮灭时也会产生光子；在上述的时间反演过程中光子能够被吸收，即分子、原子或原子核从低能级向高能级跃迁，粒子和反粒子对的产生。粒子和其反粒子的湮灭过程一定产生至少两个光子，如;e+：e-20T。原因是在质心系下粒子和其反粒子组成的

4、系统总动量为零，由于动量守恒，所产生光子的总动量也必须为零；由于单个光子总具有不为零的动量，系统只能产生两个或两个以上的光子来满足总动量为零。所产生光子的频率，即它们的能量，则由能量-动量守恒定律(四维动量守恒)决定。5 .黑体辐射(i)黑体如果某种物体能够完全吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射，这种物体就是绝对黑体，简称黑体.(ii)黑体辐射实验规律随着温度的升高，黑体辐射一方面各种波长的辐射强度都增加，另一方面，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动(iii)能量量子化能量子振动着的带电微粒的能量只能是某一最小能量值E的整数倍，这个不可再分的最小能量值E叫做能量子:V是电磁波的频率，h是

5、普朗克常量，其值为h=6.62610-34Js在微观世界中，能量不能连续变经，只能取某些分立值，这种现象叫做能量量子化.在吸引或发射能量的时间，粒子只能从这些状诚之一飞跃地过渡到其他的任何一个状态，而不能停留在不符合这些能量的任何中间状态.因而物质在吸引或发射能量时也只能是E的整数倍.6 .光电效应光电效应在光的照射下物体发射电子的现象，叫做光电效应，发射出来的电子叫做光电子（ii）实验规律.每一种金属在产生光电效应是都存在一极限频率（或称截止频率），即照射光的频率不能低于某一临界值。相应的波长被称做极限波长（或称红限波长）。当入射光的频率低于极限频率时，无论多强的光都无法使电子逸出。.光电效

6、应中产生的光电子的速度与光的频率有关，而与光强无关。.光电效应的瞬时性。实验发现，只要光的频率高于金属的极限频率，光的亮度无论强弱，光子的产生都几乎是瞬时的，即几乎在照到金属时立即产生光电流。响应时间不超过十的负九次方秒（1ns）。.入射光的强度只影响光电流的强弱，即只影响在单位时间内由单位面积是逸出的光电子数目。在光颜色不变的情况下，入射光越强，饱和电流越大，即一定颜色的光，入射光越强，一定时间内发射的电子数目越多。（iii）光子说1905年，爱因斯坦把普朗克的量子化概念进一步推广。他指出：不仅黑体和辐射场的能量交换是量子化的，而且辐射场本身就是由不连续的光量子组成，每一个光量子的与辐射场频

7、率之间满足E=hv,即它的能量只与光量子的频率有关，而与强度（振幅）无关。（iv）爱因斯坦光电效应方程根据爱因斯坦的光量子理论，射向金属表面的光，实质上就是具有能量E=hv的光子流。如果照射光的频率过低，即光子流中每个光子能量较小，当他照射到金属表面时，电子吸收了这一光子，它所增加的E=hv的能量仍然小于电子脱离金属表面所需要的逸出功，电子就不能脱离开金属表面，因而不能产生光电效应。如果照射光的频率高到能使电子吸收后其能量足以克服逸出功而脱离金属表面，就会产生光电效应。此时逸出电子的动能、光子能量和逸出功之间的关系可以表示成：光子能量=移出一个电子所需的能量（逸出1 2功）+被发射的电子的动能

8、，即hvmvW。.2根据爱因斯坦光量子理论，光电效应中光电子的能量决定于照射光的频率，而与照射光的强度无关，故可以解释实验规律的第一、第二两条。其中的极限频率期0是指光量子的能量刚好满足克服金属逸出功的光量子频率，即h0-Wo而不同的金属电子逸出所需要的能量不同，所以不同金属的极限频率不同。对第三条，由于当光量子的能量足够，不管光强(只决定于光量子的数目)如何，电子在吸收了光量子后都可马上逸出，故可立即产生光电效应，不需要积累过程。当光照射到金属表面时，其强度越大表明光量子数越多，它被金属中电子吸收的可能性越大，因此就可以解释为什么被打出的电子数只与光的强度有关而与光的频率无关。7 .康普顿效

9、应(i)康普顿效应在散射波中，除有与入射波的波长相同的射线外，还有波长比入射波的波长更大的射线.人们把这种波长变化的现象叫彳物羡普顿效应.(ii)对康普顿效应的解释在X射线散射现象中，假定X射线光子与电子发生完全弹性碰撞，这种碰撞跟台球比赛中的两球碰撞很相似.按照爱因斯坦的光子说，一个X射线光子不仅具有能量E=hv,而且还具有动量.相对X射线光子的能量，物质中电子的动能是很小的，电子可以近似看成是静止的.这个光子与静止的电子发生弹性斜碰，碰撞过程中光子和电子的总能量守恒，总动量守恒，光子把部分能量转移给了电子，能量由hv减小为hv,因此频率减小，波长增大.同时，光子要把一部分动量转移给电子，因

10、而光子动量变小，从p=h/入看，动量p减小也意味着波长入变大，因此有些光子散射后波长变大.(iii)康普顿效应的意义证明了爱因斯坦光子说的正确性.揭示了光子不仅具有能量，还具有动量.揭示了光具有粒子性的一面.证实了在微观粒子的单个碰撞事件中动量守恒定律和能量守恒定律仍然成立例1.下列描绘两种温度下黑体辐射强度与波长关系的图中，符合黑体辐射规律的是他射强度独射强网川强唯加的惧度(A)(U)(：)(D)例2.在光电效应试验中，某金属的截止频率相应的波长为九0,该金属的逸出功为。若用波长为九(K%0)单色光做实验，则其截止电压为。已知电子的电荷量，真空中的光速和布朗克常量分别为e,c和h例3.已知金

11、属甲发生光电效应时产生光电子的最大初动能跟人射光的频率关系如直线I所示.现用某单色光照射金属甲的表面，产生光电子的最大初动能为Ei,若用同样的单色光照射金属乙表面，产生的光电子的最大初动能如图所示.则金属乙发生光电效应时产生光电子的最大初动能跟人射光的频率关系图线应是A.aB.bC.cD.上述三条图线都有可能例4.关于光电效应，下列说法正确的是A.极限频率越大的金属材料逸出功越大8 .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例5.美国物理学家康普顿在研究石墨对

12、X射线的散射时，发现光子除了有能量之外还有动量，其实验装置如图所示，被电子散射的X光子与入射的X光子相比.A,速度减小B.频率减小C.波长减小D.能量减小模型演练1 .关于近代物理，下列说法正确的是。(填选项前的字母)A.射线是高速运动的氯原子B.核聚变反应方程：/弁迫髓即中，标表示质子C.从金属表面逸出的光电子的最大初动能与照射光的频率成正比D.玻尔将量子观念引入原子领域，其理论能够解释氯原子光谱的特征1921年的诺贝尔物理学奖。某种金2 .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属逸出光电子的最大初动能Ekm与入射光频率V的关系如图所示，其中0为极限频率。从图中可以确定的。

13、（填选项前的字母）A.逸出功与v有关B.Ekm于入射光强度成正比C.vo时，会逸出光电子D.图中直线的斜率与普朗克常量有关K),钠极板发射出的光电子被阳极A吸收，在电路中形成光电流。下列光电流I与AK之间的电压Uak的关3 .研究光电效应电路如图所示，用频率相同、强度不同的光分别照射密封真空管的钠极板（阴极系图象中，正确的是（2）钠金属中的电子吸收光子的能量，从金属表面逸出，这就是光电子。光电子从金属表面逸出的过程中，其动量的大小（选填增大、减小”或不变”）原因是4 .用频率为v的光照射某金属表面，逸出光电子的最大初动能为E;若改用频率为V的另一种光照射该金属表面，逸出光电子的最大初动能为。(

14、填选项前的字母)vA.3vB.-35.(1)下列说法正确的是3E。已知普朗克常量为h,则v=C. 2EvhD. 2E-vhA、黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体的温度有关B、普朗克提出了物质波的概念，认为一切物体都具有波粒二象性。C、波尔理论的假设之一是原子能量的量子化D、氢原子辐射出一个光子后能量减小，核外电子的运动加速度减小(2)如图所示是研究光电效应规律的电路。图中标有A和K的为光电管，其中K为阴极，A为阳极。现接通电源，用光子能量为10.5eV的光照射阴极K,电流计中有示数，若将滑动变阻器的滑片P缓慢向右滑动，电流计的读数逐渐减小，当滑至某一位置时电流计的读数恰好为零，读出此时电

15、压表的示数为6.0V;则光电管阴极材料的逸出功为eV,现保持滑片P位置不变，增大入射光的强度，电流计的读数。(选填为零”、或不为零”)6.(1)在光电效应实验中，小明同学用同一实验装置(如图1)在甲、乙、丙三种光的照射下得到了三条电流表与电压表读数之间的关系曲线，如图(2)所示.则图(A)乙光的频率小于甲光的频率(B)甲光的波长大于丙光的波长(C)丙光的光子能量小于甲光的光子能量(D)乙光对应的光电子最大初动能小于丙光的光电子最大初动能(2)用加速后动能为Ek0的质子：；H轰击静止的原子核x,生成两个动能均为Ek的；He核，并释放出一个频率为v的光子.写出上述核反应方程并计算核反应中的质量亏损

16、.（光在真空中传播速度为c）7 .光照射到金属上时，一个光子只能将其全部能量传递给一个电子，一个电子一次只能获取一个光子的能量，成为光电子，因此极限频率是由（金属/照射光）决定的。如图所示，当用光照射光电管时，毫安表的指针发生偏转，若再将滑动变阻器的滑片P向右移动，毫安表的读数不可能（变大/变小/不变）。Fi?8 .如图所示是光电管的使用原理图，已知当有波长为九。的光照射到阴极K上时，电路中有光电流，则苴流电源-A.若换用波长为（%A%）的光照射阴极K时，电路中一定没有光电流B.若换用波长为（%）的光照射阴极K时，电路中一定有光电流C.增加电路中电源两极电压，电路中光电流一定增大D.若将电源极

17、性反接，电路中一定没有光电流产生9 .用波长为九和2K的光照射同一种金属，分别产生的速度最快的光电子速度之比为2:1,普朗克常数和真空中光速分别是陆Dc表示，那么下列说法正确的有（）A.该种金属的逸出功为hc/3九B.该种金属的逸出功为hc/九C.波长超过2九的光都不能使该金属发生光电效应D.波长超过4九的光都不能使该金属发生光电效应10 .金属中存在大量的价电子（可理解为原子的最外层电子），价电子在原子核和核外的其他电子产生的电场中运动，电子在金属外部时的电势能比它在金属内部作为价电子时的电势能大，前后两者电势能的差值称为势垒，用符号V表示，价电子就像被关在深度为V的方箱里的粒子，这个方箱叫做势阱，价电子在势阱内运动具有动能，但动能的取值是连续的，价电子处于最高能级时的动能称为费米能，用Ef表示.用红宝石激光器向金属发射频率为v的光子，具有费米能的电子如果吸收了一个频率为v的光子而跳出势阱。则A.具有费米能的电子跳出势阱时的动能为Ek=hv-V+EfB.具有费米能的电子跳出势阱时的动能为Ek=hv-V-EfC.若增大激光的强度，具有费米能的电子跳出势阱时的动能增大D.若