2023版步步高物理一轮复习讲义第十六章 第1讲　原子结构和波粒二象性

第1讲　原子结构和波粒二象性目标要求　1.了解黑体辐射的实验规律.2.知道什么是光电效应，理解光电效应的实验规律．会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.3.知道原子的核式结构，掌握玻尔理论及能级跃迁规律.4.了解实物粒子的波动性，知道物质波的概念．考点一　黑体辐射及实验规律1．热辐射(1)定义：周围的一切物体都在辐射电磁波，这种辐射与物体的温度有关，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温度有关外，还与材料的种类及表面状况有关．②黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体的温度有关．随着温度的升高，一方面，各种波长的辐射强度都有增加，另一方面，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动，如图．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的整数倍，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＝hν，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＝6.626×10－34 J·s(一般取h＝6.63×10－34 J·s)．1．黑体能够反射各种波长的电磁波，但不会辐射电磁波．(　×　)2．黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与温度有关，随着温度的升高，各种波长的辐射强度都增加，辐射强度极大值向波长较短的方向移动．(　√　)3．玻尔为得出黑体辐射的强度按波长分布的公式，提出了能量子的假说．(　×　)例1　(多选)关于黑体辐射的实验规律如图所示，下列说法正确的是(　　)A．黑体能够完全吸收照射到它上面的光波B．随着温度的降低，各种波长的光辐射强度都有所增加C．随着温度的升高，辐射强度极大值向波长较长的方向移动D．黑体辐射的强度只与它的温度有关，与形状和黑体材料无关答案　AD解析　能完全吸收照射到它上面的各种频率的电磁辐射的物体称为黑体，A正确；由题图可知，随温度的降低，各种波长的光辐射强度都有所减小，选项B错误；随着温度的升高，黑体辐射强度的极大值向波长较短的方向移动，选项C错误；一般物体辐射电磁波的情况与温度有关，还与材料的种类及表面情况有关，但黑体辐射电磁波的情况只与它的温度有关，选项D正确．例2　在“焊接”视网膜的眼科手术中，所用激光的波长λ＝6.4×10－7 m，每个激光脉冲的能量E＝1.5×10－2 J．求每个脉冲中的光子数目．(已知普朗克常量h＝6.63×10－34 J·s，光速c＝3×108 m/s.计算结果保留一位有效数字)答案　5×1016解析　每个光子的能量为E0＝hν＝heq \f(c,λ)，每个激光脉冲的能量为E，所以每个脉冲中的光子数目为：N＝eq \f(E,E0)，联立且代入数据解得：N＝5×1016个．考点二　光电效应1．光电效应及其规律(1)光电效应现象照射到金属表面的光，能使金属中的电子从表面逸出，这个现象称为光电效应，这种电子常称为光电子．(2)光电效应的产生条件入射光的频率大于或等于金属的截止频率．(3)光电效应规律①每种金属都有一个截止频率νc，入射光的频率必须大于或等于这个截止频率才能产生光电效应．②光电子的最大初动能与入射光的强度无关，只随入射光频率的增大而增大．③光电效应的发生几乎是瞬时的，一般不超过10－9 s.④当入射光的频率大于或等于截止频率时，在光的颜色不变的情况下，入射光越强，饱和电流越大，逸出的光电子数越多，逸出光电子的数目与入射光的强度成正比，饱和电流的大小与入射光的强度成正比．2．爱因斯坦光电效应方程(1)光电效应方程①表达式：hν＝Ek＋W0或Ek＝hν－W0.②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最大初动能．(2)逸出功W0：电子从金属中逸出所需做功的最小值，W0＝hνc＝heq \f(c,λc).(3)最大初动能：发生光电效应时，金属表面上的电子吸收光子后克服原子核的引力逸出时所具有的动能的最大值．1．光子和光电子都不是实物粒子．(　×　)2．只要入射光的强度足够大，就可以使金属发生光电效应．(　×　)3．要使某金属发生光电效应，入射光子的能量必须大于或等于金属的逸出功．(　√　)4．光电子的最大初动能与入射光子的频率成正比．(　×　)1．光电效应的分析思路2．光电效应图像 考向1　光电效应的规律例3　研究光电效应的电路图如图所示，关于光电效应，下列说法正确的是(　　)A．任何一种频率的光，只要照射时间足够长，电流表就会有示数B．若电源电动势足够大，滑动变阻器滑片向右滑，电流表的示数能一直增大C．调换电源的正负极，调节滑动变阻器的滑片，电流表的示数可能变为零D．光电效应反映了光具有波动性答案　C解析　能否发生光电效应取决于光的频率，与照射时间长短无关，A错误；增加极板间电压，会出现饱和电流，电流表示数不会一直增大，B错误；调换电源正负极，若反向电压达到遏止电压，则电流表示数变为零，C正确；光电效应反映了光具有粒子性，D错误． 考向2　光电效应的图像例4　(多选)如图所示，甲、乙、丙、丁是关于光电效应的四个图像，以下说法正确的是(　　)A．由图甲可求得普朗克常量h＝eq \f(be,a)B．由图乙可知虚线对应金属的逸出功比实线对应金属的逸出功小C．由图丙可知在光的颜色不变的情况下，入射光越强，饱和电流越大D．由图丁可知电压越高，则光电流越大答案　BC解析　根据光电效应方程，结合动能定理可知eUc＝Ek＝hν－W0＝hν－hνc，变式可得Uc＝eq \f(h,e)ν－eq \f(h,e)νc，斜率k＝eq \f(b,2a)＝eq \f(h,e)，解得普朗克常量为h＝eq \f(be,2a)，故A错误；根据爱因斯坦光电效应方程Ek＝hν－W0可知，纵轴截距的绝对值表示逸出功，则实线对应金属的逸出功比虚线对应金属的逸出功大，故B正确；入射光频率一定，饱和电流由入射光的强度决定，即光的颜色不变的情况下，入射光越强，光子数越多，饱和电流越大，故C正确；分析题图丁可知，当达到饱和电流以后，增加光电管两端的电压，光电流不变，故D错误．例5　(多选)一定强度的激光(含有三种频率的复色光)沿半径方向入射到半圆形玻璃砖的圆心O点，如图甲所示．现让经过玻璃砖后的A、B、C三束光分别照射相同的光电管的阴极(如图乙所示)，其中C光照射时恰好有光电流产生，则(　　)A．若用B光照射光电管的阴极，一定有光电子逸出B．若用A光和C光分别照射光电管的阴极，A光照射时逸出的光电子的最大初动能较大C．若入射光的入射角从0开始增大，C光比B光先消失D．若是激发态的氢原子直接跃迁到基态辐射出B光、C光，则C光对应的能级较低答案　BC解析　由题图甲可得，B光和C光为单色光，C光的折射率大，频率高；A光除了B、C光的反射光线外，还含有第三种频率的光，为三种光的复合光．C光照射光电管恰好有光电流产生，用B光照射同一光电管，不能发生光电效应，故A错误；A光为三种频率的复合光，但A光中某频率的光发生了全反射，其临界角最小，折射率最大，频率最高，则A光和C光分别照射光电管的阴极时，A光照射时逸出的光电子的最大初动能较大，故B正确；根据sin C＝eq \f(1,n)可知，C光的临界角比B光小，若入射光的入射角从0开始增大，C光比B光先消失，故C正确；C光的频率比B光高，根据能级跃迁规律可知，若是激发态的氢原子直接跃迁到基态辐射出B光、C光，则C光对应的能级较高，故D错误．考点三　光的波粒二象性与物质波1．光的波粒二象性(1)光的干涉、衍射、偏振现象证明光具有波动性．(2)光电效应说明光具有粒子性．(3)光既具有波动性，又具有粒子性，称为光的波粒二象性．2．物质波(1)概率波：光的干涉现象是大量光子的运动遵守波动规律的表现，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，因此光波又叫概率波．(2)物质波：任何一个运动着的物体，小到微观粒子，大到宏观物体，都有一种波与它对应，其波长λ＝eq \f(h,p)，p为运动物体的动量，h为普朗克常量．1．光的频率越高，光的粒子性越明显，但仍具有波动性．(　√　)2．法国物理学家德布罗意大胆预言了实物粒子在一定条件下会表现为波动性．(　√　)例6　(2022·上海师大附中高三学业考试)用极微弱的可见光做双缝干涉实验，随着时间的增加，在屏上先后出现如图(a)(b)(c)所示的图像，则(　　)A．图像(a)表明光具有波动性B．图像(c)表明光具有粒子性C．用紫外线观察不到类似的图像D．实验表明光是一种概率波答案　D解析　题图(a)只有分散的亮点，表明光具有粒子性；题图(c)呈现干涉条纹，表明光具有波动性，A、B错误；紫外线也具有波粒二象性，也可以观察到类似的图像，C错误；实验表明光是一种概率波，D正确．考点四　原子结构1．电子的发现：英国物理学家汤姆孙发现了电子．2．α粒子散射实验：1909年，英国物理学家卢瑟福和他的助手进行了用α粒子轰击金箔的实验，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，但有少数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．原子的核式结构模型：在原子中心有一个很小的核，原子全部的正电荷和几乎全部质量都集中在核里，带负电的电子在核外空间绕核旋转．1．在α粒子散射实验中，少数α粒子发生大角度偏转是由于它跟金原子中的电子发生了碰撞．(　×　)2．原子中绝大部分是空的，原子核很小．(　√　)3．核式结构模型是卢瑟福在α粒子散射实验的基础上提出的．(　√　)例7　关于α粒子散射实验的下述说法中正确的是(　　)A．在实验中观察到的现象是绝大多数α粒子穿过金箔后，仍沿原来方向前进，少数发生了较大偏转，极少数偏转超过90°，有的甚至被弹回接近180°B．使α粒子发生明显偏转的力来自带正电的核及核外电子，当α粒子接近核时是核的排斥力使α粒子发生明显偏转，当α粒子接近电子时，是电子的吸引力使之发生明显偏转C．实验表明原子中心有一个极小的核，它占有原子体积的极小部分，实验事实肯定了汤姆孙的原子结构模型D．实验表明原子中心的核带有原子的全部正电及全部质量答案　A解析　在实验中观察到的现象是绝大多数α粒子穿过金箔后，仍沿原来方向前进，少数发生了较大偏转，极少数偏转超过90°，有的甚至被弹回接近180°，所以A正确；使α粒子发生明显偏转的力是来自带正电的核，当α粒子接近核时，核的排斥力使α粒子发生明显偏转，电子对α粒子的影响忽略不计，所以B错误；实验表明原子中心有一个极小的核，它占有原子体积的极小部分，实验事实否定了汤姆孙的原子结构模型，所以C错误；实验表明原子中心的核带有原子的全部正电及绝大部分质量，所以D错误．考点五　玻尔理论　能级跃迁1．玻尔理论(1)定态假设：电子只能处于一系列不连续的能量状态中，在这些能量状态中电子绕核的运动是稳定的，电子虽然绕核运动，但并不产生电磁辐射．(2)跃迁假设：电子从能量较高的定态轨道(其能量记为En)跃迁到能量较低的定态轨道(能量记为Em，m