第十六章第讲原子结构和波粒二象性

第十六章近代物理第1讲原子结构和波粒二象性学习目标学后评价1.知道黑体辐射的定义及其实验规律,理解能量量子化的意义完成□继续□2.理解光电效应现象及光电效应的实验规律,能利用光电效应方程计算逸出功、截止频率、最大初动能等物理量完成□继续□3.了解实物粒子的波动性,知道物质波的概念完成□继续□4.掌握原子的核式结构及玻尔的原子理论,理解氢原子能级图及原子受激跃迁条件完成□继续□考点一黑体辐射及实验规律【核心要点】1.黑体辐射的实验规律(1)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。(2)黑体的温度升高:①各种波长的辐射强度都有增加;②辐射强度的极大值向波长较短的方向移动。2.能量子及光子(1)能量子:普朗克提出,带电微粒的能量的最小值,ε=hν,ν是带电微粒吸收或辐射电磁波的频率,h被称为普朗克常量。(2)光子:①爱因斯坦提出,光本身是由一份一份不可分割的能量子组成,光子的能量为ε=hν;②康普顿提出,光子也有动量,光子的动量p为p=hλ【典例剖析】【典例1】(多选)(2024·浙江1月选考)下列说法正确的是()A.相同温度下,黑体吸收能力最强,但辐射能力最弱B.具有相同动能的中子和电子,其德布罗意波长相同C.电磁场是真实存在的物质,电磁波具有动量和能量D.自然光经玻璃表面反射后,透过偏振片观察,转动偏振片时可观察到明暗变化【解析】选C、D。相同温度下,黑体吸收和辐射能力最强,A错误;根据λ=hp=h2mEk,可知具有相同动能的中子和电子,电子质量较小,德布罗意波长较长,B错误;电磁场是真实存在的物质,电磁波具有动量和能量,C正确;自然光在玻璃表面反射时,反射光可视为偏振光,【典例2】(多选)(2024·贵州选择考)我国在贵州平塘建成了世界最大单口径球面射电望远镜FAST,其科学目标之一是搜索地外文明。在宇宙中,波长位于搜索地外文明的射电波段的辐射中存在两处较强的辐射,一处是波长为21cm的中性氢辐射,另一处是波长为18cm的羟基辐射。在真空中,这两种波长的辐射相比,中性氢辐射的光子()A.频率更大B.能量更小C.动量更小 D.传播速度更大【解析】选B、C。所有光波在真空中传播的速度相同,都是c,D错误;由光子频率与波长公式ν=cλ,能量公式E=hν,动量与波长公式p=hλ可知,波长更长,频率更小,能量更小,动量更小,A错误,B、考点二光电效应【核心要点】1.光电效应规律的理解和应用(1)发射光电子后,原来电中性的金属因为失去电子而带正电;(2)三个方程:①光电效应方程:Ek=hν-W0。②遏止电压的计算:Ek=eUc。③极限频率的计算:W0=hνc。(3)两条线索(4)四点提醒①光电子是电子,不是光子。②逸出功的大小仅仅由金属本身决定。③光电效应中的入射光包括可见光,也包括不可见光。④能否发生光电效应,取决于光的频率(颜色、波长)而不是光的强度(亮度)。2.四类图像名称图像可求物理量最大初动能Ek与入射光频率ν的关系Ek=hν-W0①截止频率:横截距②逸出功:纵截距的绝对值E③普朗克常量:斜率k=h同颜色、不同强度的光,光电流与电压的关系①遏止电压:横截距的绝对值②饱和光电流③最大初动能:Ek=eUc颜色不同的光,光电流与电压的关系①遏止电压②饱和光电流③最大初动能:Ek=eUc遏止电压Uc与入射光频率ν的关系Uc=hν①极限频率:横截距②普朗克常量:h=ke(k为直线的斜率)【典例剖析】角度1爱因斯坦光电效应方程的应用【典例3】(2024·武汉模拟)现用波长为λ的光照射某金属,已知该金属的极限波长为1.5λ,普朗克常量为h,光在真空中的传播速度为c,电子的电荷量为e,下列说法正确的是()A.该金属的逸出功为hcB.用波长为λ的光照射该金属材料,不能发生光电效应C.用波长为λ的光照射该金属材料,逸出的光电子的最大初动能为hcD.此种情况下对应的遏止电压为2【解析】选C。逸出功W=2hc3λ,A错误;由于光的波长为λ,小于这种金属的极限波长,可知此光的频率大于这种金属的极限频率,用波长为λ的光照射该金属材料,能够发生光电效应,B错误;由爱因斯坦光电效应方程Ekm=hν-W,入射光子的频率ν=cλ,可得逸出的光电子的最大初动能为hc3λ,C正确;根据eUc=E角度2光电效应图像【典例4】(多选)下列四幅图是与光电效应实验有关的图,则关于这四幅图的说法正确的是()A.图(a)中,如果先让锌板带负电,再用紫外线灯照射锌板,则验电器的张角先变小后变大B.图(b)中,同一频率的黄光越强,饱和光电流越大C.图(c)中,图像的斜率为普朗克常量D.图(d)中,E等于该金属的逸出功【解析】选A、B、D。图(a)中,先让锌板带负电,再用紫外线灯照射锌板,由于光电效应激发电子,锌板电荷量减少,则验电器的张角会变小,等锌板电荷量为零时,验电器就无法张开,如果紫外线灯继续照射锌板,就会使锌板带正电,验电器的张角又增大,A正确;由图(b)可知,电压相同时,光照越强,饱和光电流越大,说明饱和光电流与光的强度有关,B正确;根据光电效应方程Ek=hν-W0和动能定理-eUc=0-Ek,联立解得Uc=hνe-W0e,可知Uc-ν图像的斜率为he,C错误;由Ek=hν-W0知,Ek-ν图线的纵轴截距为-W0=-E,可知考点三光的波粒二象性和物质波【核心要点】1.对光的波粒二象性的理解(1)波动性:干涉、衍射、多普勒效应;粒子性:光电效应、康普顿效应。(2)从数量上看:个别光子的作用效果往往表现为粒子性,大量光子的作用效果往往表现为波动性。提醒:“往往”不是只能!是比较容易、经常的意思。(3)从频率上看:频率越低波动性越显著,频率越高粒子性越显著。(4)从传播与作用上看:光在传播过程中往往表现出波动性,与物质发生作用时往往表现出粒子性。2.物质波物质波的波长:λ=hp,p=mv【典例剖析】【典例5】(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【解析】选A、D。电子的动量公式为:pe=hλ根据双缝干涉实验的条纹间距公式可得:Δx=λLd联立解得:pe=hLdΔx,故A正确Ek=pe22m=h2L22md2Δx2,故B错误;光子的能量E=W同时,光子的动量p=mc,光子的能量E=mc2,p=Ec,联立解得:p=W0c+h2L【典例6】(多选)教材互鉴(教科版选必三第六章复习题T3改编)已知一个激光发射器功率为P,发射波长为λ的光,光速为c,普朗克常量为h,则()A.光的频率为cB.光子的能量为hC.光子的动量为hD.在时间t内激光发射器发射的光子数为Ptc【解析】选A、C。由波的知识可知λ=cT=cν,则光的频率为ν=cλ,A正确;由光子说可知,光子能量E=hν=hcλ,光子动量p=hλ,B错误,C正确;时间t内激光发射器发射的光子的总能量为Pt,即n·hcλ=Pt,则考点四原子结构玻尔理论【核心要点】1.原子的跃迁(1)自发跃迁:高能级→低能级,释放能量,发射光子。释放光子的频率满足hν=ΔE=E高-E低。(2)受激跃迁:低能级→高能级,吸收能量。①光照(吸收光子):光子的能量必须严格满足公式hν=Em-En。②其他方式(碰撞、加热、加电压):入射粒子能量大于或等于能级差,E外≥Em-En。(3)电离:原子吸收能量后,跃迁到无穷远处,满足E外=En+Ek。提醒:电离相当于原子从某个能级跃迁到无穷远处。2.发光种类(谱线条数)确定(1)一个氢原子跃迁发出光谱线条数:最多为n-1条;(2)一群(大量)氢原子跃迁发出光谱线条数:Cn2=提醒:一定要看清是“一个”还是“一群”。【典例剖析】【典例7】(多选)(2025·晋陕青宁适应性演练)氢原子能级图如图所示,若大量氢原子处于n=1,2,3,4的能级状态,已知普朗克常量h=6.6×10-34J·s,1eV=1.6×10-19J,某锑铯化合物的逸出功为2.0eV,则()A.这些氢原子跃迁过程中最多可发出3种频率的光B.这些氢原子跃迁过程中产生光子的最小频率为1.6×1014HzC.这些氢原子跃迁过程中有4种频率的光照射该锑铯化合物可使其电子逸出D.一个动能为12.5eV的电子碰撞一个基态氢原子不能使其跃迁到激发态【解析】选B、C。这些氢原子跃迁过程中最多可发出C42=6种频率的光,故A错误;氢原子从n=4能级跃迁到n=3能级发出的光子的能量最小为E=E4-E3=0.这些氢原子跃迁过程中产生光子的最小频率为ν=Eh=0.66×1.6×10-196.6×10-34Hz=1.6×1014Hz