01 第40讲　原子结构和波粒二象性 【正文】听课手册

第40讲原子结构和波粒二象性一、普朗克黑体辐射理论1.热辐射(1)定义:周围的一切物体都在辐射,这种辐射与物体的有关,所以叫热辐射.

(2)特点:热辐射强度按波长的分布情况随物体温度的不同而有所不同.2.黑体、黑体辐射的实验规律(1)黑体:能够完全吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射的物体.(2)黑体辐射的实验规律①对于一般材料的物体,辐射电磁波的情况除与有关外,还与材料的及表面状况有关.

②黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体的有关.随着温度的升高,一方面,各种波长的辐射强度都有,另一方面,辐射强度的极大值向波长较的方向移动,如图所示.

3.能量子(1)定义:普朗克认为,当带电微粒辐射或吸收能量时,只能辐射或吸收某个最小能量值ε的,这个不可再分的最小能量值ε叫作能量子.

(2)能量子大小:ε=,其中ν是带电微粒吸收或辐射电磁波的频率,h称为普朗克常量.h=6.626×10-34J·s(一般取h=6.63×10-34J·s).

二、光电效应及其规律1.光电效应现象:在光的照射下金属中的电子从金属表面逸出的现象,称为光电效应,发射出来的电子称为.光电效应现象最早是发现的.

2.爱因斯坦光电效应方程(1)表达式:Ek=.

(2)物理意义:金属表面的电子吸收一个光子获得的能量是hν,这些能量的一部分用来克服金属的逸出功W0,剩下的表现为逸出后电子的.

三、光的波粒二象性和粒子的波动性1.光的波粒二象性 (1)光的干涉、衍射等现象证明光具有波动性.(2)光电效应和效应说明光具有粒子性.

(3)光子的动量与光子的波长关系为p=hλ2.粒子的波动性(1)物质波的定义:法国物理学家德布罗意将光的波粒二象性推广到实物粒子,提出实物粒子也具有波动性,即每一个运动的粒子都与一个对应联系的波,也叫作德布罗意波.(2)粒子的能量ε和动量p跟它所对应的波的频率ν和波长λ之间的关系为:①ν=;②λ=.

四、原子的核式结构模型1.电子的发现:英国物理学家发现了电子.

2.α粒子散射实验(1)英国物理学家和他的助手进行了α粒子散射实验.

(2)现象:α粒子穿过金箔后,基本上仍沿原来方向前进,但有α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.

3.卢瑟福的原子核式结构模型:在原子中心有一个很小的核,原子全部的和几乎全部都集中在核里,带负电荷的电子在核外空间绕核旋转.

五、氢原子光谱和玻尔的原子模型1.光谱(1)定义:用光栅或棱镜可以把物质发出的光按波长(频率)展开,获得波长(频率)和强度分布的记录,即光谱.(2)光谱分类(3)氢原子光谱规律:巴耳末系是氢光谱在可见光区的谱线,其波长满足公式1λ=R∞122-1n2,(n=3,4,5,…),R∞是里德伯常量,R∞2.玻尔的原子模型(1)玻尔原子模型的三条假设定态假设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稳定的,电子虽然绕核运动,但并不向外辐射能量

跃迁假设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hν=(m<n,h是普朗克常量,h=6.63×10-34J·s)

轨道假设原子的不同能量状态跟电子在不同的圆周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)氢原子的能量和能级跃迁①氢原子的能级图(如图所示)②能级和半径公式a.能级公式:En=1n2E1(n=1,2,3,…),其中E1为基态能量,其数值为E1=b.半径公式:rn=(n=1,2,3,…),其中r1为基态轨道半径,其数值为r1=0.53×10-10m.

【辨别明理】1.光子和光电子都是实物粒子.()2.光电子的最大初动能与入射光子的频率成正比.()3.美国物理学家康普顿发现了康普顿效应,证实了光的粒子性.()4.按照玻尔理论,核外电子均匀分布在各个不连续的轨道上.()5.核式结构学说是卢瑟福在α粒子散射实验的基础上提出的. ()黑体辐射能量量子化例12020年12月我国科学家在量子计算领域取得了重大成果,构建了一台76个光子100个模式的量子计算机“九章”,它处理“高斯玻色取样”的速度比超级计算机“富岳”快一百万亿倍.关于量子,下列说法正确的是()A.是计算机运算的一种程序B.表示运算速度的一个单位C.表示微观世界的不连续性观念D.是类似于质子、中子的微观粒子[反思感悟]

例2[2024·江苏南京一中模拟]利用分光技术和热电偶等设备,可以测出黑体辐射电磁波的强度按波长分布的情况,1700K和1500K两种温度下的黑体,其辐射强度按波长分布的情况是()ABCD[反思感悟]

光电效应对光电效应规律的解释对应规律对规律的产生的解释截止频率νc电子要从金属表面逸出,必须克服金属原子核的引力做功W0(逸出功),照射光子的能量不能小于W0,对应的频率νc=W0h即截止频率(最大初动能电子吸收光子能量后,一部分克服阻碍作用做功,剩余部分转化为光电子的初动能,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,W0是一定的,所以光电子的最大初动能只随照射光频率的增大而增大,与照射光强度无关瞬时性光照射金属时,电子吸收一个光子的能量后,动能立即增大,不需要能量积累的过程饱和电流当发生光电效应时,增大照射光强度,包含的光子数增多,照射金属时产生的光电子增多,因而饱和电流变大考向一光电效应的理解1.“四点”提醒(1)能否发生光电效应,不取决于光的强度而取决于光的频率.(2)光电效应中的“光”不是特指可见光,也包括不可见光.(3)逸出功的大小由金属本身决定,与入射光无关.(4)光电子不是光子,而是电子.2.“两条”关系(1)光的强度大→光子数目多→发射光电子多→光电流大.(2)光的频率高→光子能量大→产生光电子的最大初动能大→遏止电压大.3.“三个”关系式(1)爱因斯坦光电效应方程:Ek=hν-W0,其中Ek=12mev(2)最大初动能与遏止电压的关系:12mevc2=(3)逸出功与截止频率的关系:W0=hνc.例3[2024·河北石家庄模拟]某同学用频率范围为5.5×1014~8.0×1014Hz的电磁波照射钨、钙、钠、钾、铷五种金属,下表给出了这五种金属的逸出功.已知普朗克常量为6.63×10-34J·s.下列说法正确的是()金属钨钙钠钾铷W0/eV4.543.202.292.252.13A.五种金属都能发生光电效应B.只有三种金属能够发生光电效应C.钨不能发生光电效应D.逸出的光电子的最大初动能的最大值为3.32eV例4[2024·海南卷]利用如图所示的装置研究光电效应,闭合单刀双掷开关S1,用频率为ν1的光照射光电管,调节滑动变阻器,使电流表的示数刚好为0,此时电压表的示数为U1,已知电子电荷量为e,普朗克常量为h,下列说法正确的是()A.其他条件不变,增大光强,电压表示数增大B.改用比ν1更大频率的光照射,调整电流表的示数为零,此时电压表示数仍为U1C.其他条件不变,使开关接S2,电流表示数仍为零D.光电管阴极材料的截止频率νc=ν1-e[反思感悟]

考向二光电效应的图像常见的四类图像图像名称图线形状由图线直接(间接)得到的物理量最大初动能Ek与入射光频率ν的关系图线①截止频率:图线与ν轴交点的横坐标νc②逸出功:图线与Ek轴交点的纵坐标的绝对值W0=|-E|=E③普朗克常量:图线的斜率k=h遏止电压Uc与入射光频率ν的关系图线①截止频率:图线与横轴交点的横坐标νc②遏止电压Uc随入射光频率ν的增大而增大③普朗克常量h等于图线的斜率与电子电荷量的乘积,即h=ke(注:此时两极之间接反向电压)颜色不同时,光电流与电压的关系①遏止电压Uc1、Uc2②饱和电流Im1、Im2③最大初动能Ek1=eUc1,Ek2=eUc2颜色相同、强度不同的光,光电流与电压的关系①遏止电压:图线与横轴的交点的横坐标Uc②饱和电流:光电流的最大值Im1、Im2③最大初动能:Ek=eUc例5(多选)[2024·山西太原模拟]如图所示,甲图为用光电管演示光电效应的实验装置;乙图为a、b、c三种单色光照射下得到的三条电流表与电压表读数之间的关系曲线;图丙为遏止电压与照射光波长倒数的关系图像.已知光在真空中传播速度为c,电子电荷量大小为e,则下列说法正确的是()A.由图乙可知,单色光a的光强比单色光b的光强小B.由图乙可知,单色光a的频率比单色光c的频率高C.由图丙可知,该光电管阴极材料的逸出功大小为egD.由图丙可知,普朗克常量等于eg变式1[2024·山东济南模拟]科学探究小组使用如图甲所示的电路图研究光电效应,图乙为光电管发生光电效应时遏止电压Uc与入射光频率ν的关系图像,已知光电子的电荷量为e.下列说法正确的是()A.单刀双掷开关S空掷时,即使能发生光电效应,电流传感器的示数也一定为零B.为得到图乙的图像,单刀双掷开关S应掷于1处C.光电管中金属材料的逸出功为eaD.普朗克常量h=a[反思感悟]

变式2[2024·四川成都模拟]如图甲,分别用a、b两种材料作K极进行光电效应实验研究,用频率为ν的入射光照射K极,且保持入射光不变,则光电子到达A极时动能的最大值Ekm随电压U变化关系图像如图乙所示,且两线平行,已知普朗克常量为h.则下列说法正确的是()A.图线a、b斜率k是普朗克常量hB.图线a、b斜率k是电子电荷量eC.材料a的逸出功W1=hν+E0D.材料a、b的逸出功之比为1∶2[反思感悟]

光的波粒二象性与物质波光的波粒二象性项目实验基础表现说明光的波动性干涉和衍射(1)光是一种概率波,即光子在空间各点出现的可能性大小(概率)可用波动规律来描述(2)大量的光子在传播时,表现出波的性质(1)光的波动性是光子本身的一种属性,不是光子之间相互作用产生的(2)光的波动性不同于宏观观念的波光的粒子性光电效应、康普顿效应(1)当光与物质发生作用时,这种作用是“一份一份”进行的,表现出粒子的性质(2)少量或个别光子清楚地显示出光的粒子性(1)粒子的含义是“不连续”“一份一份”的(2)光子不同于宏观观念的粒子光的波粒二象性解释(1)大量光子易显示出波动性,而少量光子易显示出粒子性(2)波长长(频率低)的光波动性强,而波长短(频率高)的光粒子性强(1)光子说并未否定波动说,E=hν=hcλ中,ν和λ(2)波和粒子在宏观世界是不能统一的,而在微观世界却是统一的例6[2024·湖南卷]量子技术是当前物理学应用研究的热点,下列关于量子论的说法正确的是()A.普朗克认为黑体辐射的能量是连续的B.光电效应实验中,红光照射可以让电子从某金属表面逸出,若改用紫光照射也可以让电子从该金属表面逸出C.康普顿研究石墨对X射线散射时,发现散射后仅有波长小于原波长的射线部分D.德布罗意认为质子具有波动性,而电子不具有波动性[反思感悟]

例7(多选)[2023·浙江6月选考]有一种新型光电效应量子材料,其逸出功为W0.当紫外光照射该材料时,只产生动能和动量单一的相干光电子束.用该电子束照射间距为d的双缝,在与缝相距为L的观测屏上形成干涉条纹,测得条纹间距为Δx.已知电子质量为m,普朗克常量为h,光速为c,则()A.电子的动量pe=hLB.电子的动能Ek=hC.光子的能量E=W0+chLD.光子的动量p=W0c[反思感悟]

原子结构例8卢瑟福指导他的助手进行的α粒子散射实验所用仪器的示意图如图所示.放射源发射的α粒子打在金箔上,通过显微镜观察散射的α粒子.实验发现,绝大多数α粒子穿过金箔后,基本上仍沿原来方向前进,但少数α粒子发生了大角度偏转,极少数偏转的角度甚至大于90°,于是,卢瑟福大胆猜想()A.原子半径的数量级是10-10mB.原子核内存在质子和中子C.原子内部有体积很小、质量很大的核D.造成α粒子偏转的主要原因是它受到了原子中电子的作用[反思感悟]

变式3在α粒子散射实验中,α粒子的偏转是由于受到原子内正电荷的库仑力作用而发生的,其中有极少数α粒子发生了大角度偏转,甚至被反向弹回.假定一个速度为v的高速α粒子(24He)与金原子核(79197Au)发生弹性正碰(碰撞前金原子核可认为是静止的),则A.α粒子在靠近金原子核的过程中电势能逐渐减小B.α粒子散射实验说明原子核是由质子和中子组成的C.α粒子散射实验说明带正电的物质均匀分布在原子内部D.当它们的距离最小时,α粒子与金原子核的动量大小之比为4∶197[反思感悟]

【技法点拨】分析原子的核式结构模型所用的规律(1)库仑定律:F=kq1q2r2,可以用来确定电子和原子核、α粒子和原子核间的相互作用力.(2)牛顿运动定律和圆周运动规律:可以用来分析电子绕原子核做匀速圆周运动的问题.玻尔理论与能级跃迁例9[2024·安徽卷]大连相干光源是我国第一台高增益自由电子激光用户装置,其激光辐射所应用的玻尔原子理论很好地解释了氢原子的光谱特征.图为氢原子的能级示意图,已知紫外光的光子能量大于3.11eV,当大量处于n=3能级的氢原子向低能级跃迁时,辐射不同频率的紫外光有()A.1种 B.2种 C.3种 D.4种[反思感悟]

变式4[2024·江西卷]近年来,江西省科学家发明硅衬底氮化镓基系列发光二极管(LED),开创了国际上第三条LED技术路线.某氮化镓基LED材料的简化能级如图所示,若能级差为2.20eV(约3.52×10-19J),普朗克常量h=6.63×10-34J·s,则发光频率约为()A.6.38×1014HzB.5.67×1014HzC.5.31×1014HzD.4.67×1014Hz[反思感悟]

例10[2024·浙江6月选考]玻尔氢原子电子轨道示意图如图所示,处于n=3能级的原子向低能级跃迁,会产生频