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第二章 波粒二象性 原子结构 原子核,2.1 光电效应 原子结构 氢原子光谱,知 识 精 要 高效梳理知识备考 一粒子散射实验核式结构 1.电子的发现及意义:汤姆生通过阴极射线的研究发现了电子,说明原子也是可分的.2.卢瑟福用粒子轰击金箔,发现绝大多数粒子穿过金箔后仍沿原方向前进,少数粒子发生较大角度偏转,极少数发生大角度偏转,有的达到180而反向弹回.,3.卢瑟福提出原子核式结构学说:在原子的中心有一个很小的核,叫原子核.它集中了原子的全部正电荷和几乎全部质量.带负电的电子在核外绕核旋转.从粒子散射实验可以估计出原子核的大小约为10-15 m.,二氢原子光谱 1.光谱:用光栅或棱镜可以把光按波长展开,获得光的波长成分和强度分布的记录,即光谱.2.线状谱:光谱是一条条的亮线.3.连续谱:光谱看起来不是一条条分立的谱线,而是连在一起的光带.4.特征谱线:不同原子的亮线位置不同,说明不同的原子的发光频率是不一样的,因此这些亮线称为原子的特征谱线.,5.光谱分析:利用原子特征谱线来鉴别物质和确定物质的组成成分,这种方法称为光谱分析.6.氢原子光谱的实验规律 巴耳末系是氢光谱在可见光区的谱线,其波长公式(n=3,4,5,R是里德伯常量,R=1.10107 m-1).,三玻尔理论能级1.玻尔原子模型(1)轨道假设:原子中的电子在库仑引力的作用下,绕原子核做圆周运动,电子绕核运动的轨道是稳定的.(2)定态假设:电子在不同的轨道上运动时,原子处于不同的状态,因而具有不同的能量,即原子的能量是不连续的.这些不同的状态叫定态.在各个定态中,原子是稳定的,不向外辐射能量.,(3)跃迁假设:原子从一个能量状态向另一个能量状态跃迁时要吸收或放出一定频率的光子,该光子的能量等于两个状态的能量差,即h=Em-En.,2.能级:在玻尔理论中,原子的各个可能状态的能量值叫能级.3.基态与激发态:能量最低的状态叫基态;其他能量状态叫激发态.4.量子数:现代物理学认为原子的可能状态是不连续的,各状态的标号1,2,3,叫做量子数,一般用n表示.,四光电效应 1.定义:在光的照射下从物体发射出电子的现象(发射出的电子称为光电子).2.产生条件:入射光的频率大于极限频率.3.光电效应规律(1)每种金属都有一个极限频率,入射光的频率必须大于这个极限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极限频率时,光电流的强度与入射光的强度成正比.,五光电效应方程1.基本物理量(1)光子的能量,=h其中h=6.6310-34 Js(称为普朗克常量).(2)逸出功:使电子脱离某种金属所做功的最小值.(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动能的最大值.,2.光电效应方程 爱因斯坦光电效应方程是根据能量守恒定律推导出来的,描述的是光电子的最大初动能Ek跟入射光子的能量h和逸出功W之间的关系:Ek=h-W.,六波粒二象性 1.光电效应说明光具有粒子性,同时光还具有波动性,即光具有波粒二象性.2.大量光子运动的规律表现出光的波动性,单个光子的运动表现出光的粒子性.3.光的波长越长,波动性越明显,越容易看到光的干涉和衍射现象.光波的频率越高,粒子性越明显,穿透本领越强.,双 基 精 练 自主探究基础备考(2019上海综合能力)二十世纪初,为了研究物质内部的结构,物理学家做了大量的实验,揭示了原子内部的结构,发现了电子中子和质子,图2-1-1所示是()A.卢瑟福的粒子散射实验装置B.卢瑟福发现质子的实验装置C.汤姆生发现电子的实验装置D.查德威克发现中子的实验装置答案:A,2.(2019高考广东卷)有关氢原子光谱的说法正确的是()A.氢原子的发射光谱是连续谱B.氢原子光谱说明氢原子只发出特定频率的光C.氢原子光谱说明氢原子能级是分立的D.氢原子光谱线的频率与氢原子能级的能量差无关答案:BC,答案:B,4.(2009高考上海卷)光电效应的实验结论是:对于某种金属()A.无论光强多强,只要光的频率小于极限频率就不能产生光电效应B.无论光的频率多低,只要光照时间足够长就能产生光电效应C.超过极限频率的入射光强度越弱,所产生的光电子的最大初动能就越小D.超过极限频率的入射光频率越高,所产生的光电子的最大初动能就越大,解析:每种金属都有它的极限频率 0,只有入射光子的频率大于极限频率0时,才会发生光电效应,且入射光的强度越大则产生的光子数越多,光电流越强;由光电效应方程Ek=h-W=h-h0可知,入射光子的频率越大,产生的光电子的最大初动能也越大,与入射光的强度无关,所以AD正确.答案:AD,疑 难 精 讲 名师解疑能力备考 疑难点一.根据玻尔理论,氢原子跃迁时吸收或辐射光子,同时电子动能原子势能原子能量会随之发生变化,请利用所学知识对此进行说明.名师在线:1.原子从低能级向高能级跃迁:吸收一定能量的光子,当一个光子的能量满足h=E末-E初时,才能被某一个原子吸收,使原子从低能级E初向高能级E末跃迁,而当光子能量h大于或小于E末-E初时都不能被原子吸收.,2.原子从高能级向低能级跃迁,以光子的形式向外辐射能量,所辐射的光子能量恰等于发生跃迁时的两能级间的能量差.3.当光子能量大于或等于13.6 eV时,也可以被氢原子吸收,使氢原子电离;当氢原子吸收的光子能量大于13.6 eV,氢原子电离后,电子具有一定的初动能.一群氢原子处于量子数为n的激发态时,可能辐射出的光谱线条数为.,4.原子还可吸收外来实物粒子(例如自由电子)的能量而被激发.由于实物粒子的动能可全部或部分地被原子吸收,所以只要入射粒子的能量大于或等于两能级的能量差值(E=Em-En),均可使原子发生能级跃迁.5.跃迁时电子动能原子势能与原子能量的变化 当轨道半径减小时,库仑引力做正功,原子的电势能Ep减小,电子动能增大,原子能量减小.反之,轨道半径增大时,原子电势能增大,电子动能减小,原子能量增大.,疑难点二.如何理解光既具有波动性,又具有粒子性呢?名师在线:大量光子的运动规律显示波动性,个别光子的行为显示出粒子性,频率越低(波长越长),光的波动性就越明显;频率越高(波长越短),粒子性就越显著.利用爱因斯坦对光电效应的解释可理解光的粒子性,通过把曝光过程不同而曝光量很大的胶片上某种波的双缝干涉图样进行比较,可理解光是一种概率波,光子说并未否定光的波动性,光的波粒二象性是光的客观属性,但它不同于经典物理学中所说的粒子和波.,易 错 点 拨 自我完善误区备考易错点一 对能级跃迁不理解导致出错 自我诊断1 氢原子在某三个相邻能级之间跃迁时,可发出三种不同波长的光.已知其中的两个波长分别为1和2,且12,则另一个波长可能是(),答案:CD,易错点二 对光电效应规律不理解导致出错 自我诊断2 研究光电效应规律的实验装置如图2-1-2所示,以频率为的光照射光电管阴极K时,有光电子产生.由于光电管KA间加的是反向电压,光电子从阴极K发射后将向阳极A做减速运动.光电流i由图中电流表G测出,反向电压U由电压表V测出,当电流表的示数恰好为零时,电压表的示数称为反向遏止电压U0.在图2-1-3表示光电效应实验规律的图象中,错误的是(),答案:B,解析:由光电效应的规律可知,光电效应中:电压频率一定时光电流与光强成正比,存在遏止电压,光电效应具有瞬时性,产生光电流的时间不超过10-9 s.由以上三点可依次得到ACD正确.关于遏止电压与频率的关系,可由以下两式得出:,题 型 研 练互动探究方法备考题型一 粒子散射实验与原子结构【例1】下面列举的现象中,哪个是卢瑟福在粒子散射实验中(如图2-1-4)观察到的,并据此得出原子的核式结构的现象(),A.大多数粒子发生较大角度偏转,少数粒子仍按原方向前进B.极少数粒子发生较大角度偏转,甚至被弹回C.粒子的散射实验证明原子核集中了原子的全部正电荷D.粒子的散射实验证明原子核是由质子和中子组成答案:BC,解析:关于卢瑟福粒子散射实验的现象主要是理解性地记住结论.此实验分析推理路线如下:(1)大多数粒子沿直线穿过,分析推理原子内大部分是空的.(2)少数粒子发生大角度偏转,甚至有的被反弹回来,分析推理原子中带正电的质量都集中在很小的体积上.(3)太阳系结构的启示和类比分析推理电子绕原子核旋转.应选BC.方法总结:认真阅读教材,正确对应物理实验结果和规律是解决此类问题的关键.,创新预测1(1)关于原子结构理论与粒子散射实验的关系,下列说法正确的是_.A.卢瑟福做粒子散射实验是为了验证汤姆生的枣糕模型是错误的B.卢瑟福认识到汤姆生“枣糕模型”的错误后提出了“核式结构”理论C.卢瑟福的粒子散射实验是为了验证核式结构理论的正确性D.卢瑟福依据粒子散射实验的现象提出了原子的“核式结构”理论,D,(2)在粒子散射实验中,粒子的偏转是由于受到原子内正电荷的库仑力而发生的.实验中即使1 mm厚的金箔也大约有3 300层原子,但绝大多数的粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进,只有少数发生了大角度偏转,这说明了什么?_,原子内带正电荷部分在整个原子中占的空间非常小.,解析:(1)由于卢瑟福设计的粒子散射实验是为了探究原子内电荷的分布,并非为了验证汤姆生模型是错误的,A错误;卢瑟福并不是认识到“枣糕模型”的错误而提出“核式结构”理论的,B错误;卢瑟福做了粒子散射实验后,由实验现象提出了“核式结构”理论,C错误,D正确.(2)粒子穿过金箔后绝大多数仍沿原来的方向前进,说明它们距正电荷部分较远,库仑力很小;尽管经过若干层原子,但靠近正电荷部分的机会很小,这说明原子内带正电荷部分在整个原子中占的空间非常小.,题型二能级跃迁【例2】已知氢原子基态的电子轨道半径r1=0.5310-10 m,基态的能级值为E1=-13.6 eV.(1)求电子在n=1的轨道上运动形成的等效电流.(2)有一群氢原子处于量子数n=3的激发态.画出能级图,在图上用箭头标明这些氢原子能发出哪几条光谱线.(3)计算这几条光谱线中最长的波长.,解析:(1)电子绕核运动具有周期性,设运转周期为T,由牛顿第二定律和库仑定律有:又轨道上任一处,每一周期通过该处的电荷量为e,由电流的定义式得所求等效电流 联立式得,(2)由于这群氢原子的自发跃迁辐射,会得到三条光谱线,如图2-1-5所示.,(3)三条光谱线中波长最长的光子能量最小,发生跃迁的两个能级的能量差最小,根据氢原子能级的分布规律可知,氢原子一定是从n=3的能级跃迁到n=2的能级,设波长为,由,答案:(1)1.0510-3A(2)见图2-1-5(3)6.5810-7 m,方法总结:(1)量子数为n的氢原子辐射光子的可能频率的判断方法:如果是一个氢原子,向低能级跃迁时,最多发出的光子数为(n-1);如果是一群氢原子,向低能级跃迁时最多发出的光子为 种.(2)理解氢原子能级图,量子数越大,能级差越小,发出的光频率越小,波长越长.,创新预测2 如图2-1-6所示为氢原子最低的四个能级,当氢原子在这些能级间跃迁时:(1)有可能放出种能量的光子.(2)在哪两个能级间跃迁时,所放出光子波长最长?波长是多少?,答案:(1)6(2)由第4能级向第3能级,1.8810-6 m,(2)氢原子由第4能级向第3能级跃迁时,能级差最小,辐射的光子波长最长.,=1.8810-6 m.,题型三 电效应【例3】入射光照射到某金属表面上发生光电效应,若入射光的强度减弱,而频率保持不变,那么()A.从光照至金属表面上到发射出光电子之间的时间间隔将明显增加 B.逸出的光电子的最大初动能将减小 C.单位时间内从金属表面逸出的光电子数目将减少 D.有可能不发生光电效应,解析:光电效应瞬时(不超过10-9 s)发生,与光强无关,A错;能否发生光电效应,只决定于入射光的频率是否大于极限频率,与光强无关,D错;光电子的最大初动能只与入射光频率有关,入射光频率越大,最大初动能越大,B错;光电子数目多少与入射光强度有关,可理解为一个光子能打出一个电子,光强减弱,逸出的光电子数目减少,C对.答案:C 方法总结:光子频率不变,则光子能量不变,入射光强度减弱是由于单位时间内光子个数减少.,创新预测3 如图2-1-7所示,当开关S断开时,用光子能量为2.5 eV的一束光照射阴极P,发现电流表读数不为零.合上开关,调节滑动变阻器,发现当电压表读数小于0.60 V时,电流表读数仍不为零;当电压表读数大于或等于0.60 V时,电流表读数为零.由此可知阴极材料的逸出功为()A.1.9 eV B.0.6 eV C.2.5 eV D.3.1 eV,解析:由题意知光电子的最大初动能为Ek=qU=0.60 eV,所以根据光电效应方程Ek=h-W得W=h-Ek=(2.5-0.6)eV=1.9 eV.答案:A 方法总结:光电管是依靠光电效应中发射出的光电子把电路导通的,一旦达到和超过遏止电压,电子不能到达阳极,电路被切断.,高 效 作 业 自我测评技能备考一选择题1.卢瑟福通过对粒子散射实验结果的分析,提出()A.原子的核式结构模型B.原子核内有中子存在C.电子是原子的组成部分D.原子核是由质子和中子构成的答案:A,解析:卢瑟福通过对粒子散射实验结果的分析否定了汤姆生“枣糕”式原子结构模型,提出了原子的核式结构模型,故A正确;原子核内有中子存在是通过核反应发现的,故B错;电子是原子的组成部分,是通过汤姆生发现电子而发现的,故C错;原子核是由质子和中子构成的,是通过核反应发现的,故D错.,2.(2009高考全国卷)氢原子的部分能级如图2-1-8所示.已知可见光的光子能量在1.62 eV到3.11 eV之间,由此可推知,氢原子(),A.从高能级向n=1能级跃迁时发出的光的波长比可见光的短 B.从高能级向n=2能级跃迁时发出的光均为可见光 C.从高能级向n=3能级跃迁时发出的光的频率比可见光的高 D.从n=3能级向n=2能级跃迁时发出的光为可见光答案:AD,解析:本题考查玻尔的原子理论.从高能级向n=1能级跃迁的过程中辐射出的最小光子能量为10.2 eV,不在1.62 eV到3.11 eV之间,A正确.已知可见光子能量在1.62 eV到3.11 eV之间,从高能级向n=2能级跃迁时发出的光的能量小于3.40 eV,B错.从高能级向n=3能级跃迁时发出的光的能量小于1.51eV,C错.从n=3到n=2的过程中释放的光的能量等于1.89 eV,介于1.62 eV到3.11 eV之间,所以是可见光,D对.,3.(2009高考广东卷)硅光电池是利用光电效应原理制成的器件,下列表述正确的是()A.硅光电池是把光能转变为电能的一种装置 B.硅光电池中吸收了光子能量的电子都能逸出 C.逸出的光电子的最大初动能与入射光的频率无关 D.任意频率的光照射到硅光电池上都能产生光电效应答案:A,解析:硅光电池是把光能转变为电能的一种装置,A正确;硅光电池是利用光电效应原理制成的器件,依据光电效应方程Ek=h-W=h-h 0,可见只有当入射光子的频率大于极限频率时才能发生光电效应,B错误,C错误,D错误.,4.(2009高考全国卷)氦氖激光器能产生三种波长的激光,其中两种波长分别为1=0.632 8 m,2=3.39 m,已知波长为1的激光是氖原子在能级间隔为E1=1.96 eV的两个能级之间跃迁产生的.用E2表示产生波长为2的激光所对应的跃迁的能级间隔,则E2的近似值为()A.10.50 eV B.0.98 eV C.0.53 eV D.0.36 eV答案:D,解析:本题考查玻尔的原子跃迁理论.根据E=h,可知当E1=1.96 eV,1=0.6328 m,2=3.39 m时,联立可知E2=0.36 eV.,5.氢原子放出一个光子后,根据玻尔理论,氢原子的()A.核外电子的电势能增大B.核外电子的动能增大C.核外电子的转动周期变大D.氢原子能量增大答案:B,解析:据玻尔理论,氢原子由能量较高的定态跃迁到能量较低的定态才辐射出光子,反之会吸收光子,所以D错误.据玻尔理论,氢原子放出一个光子后,核外电子进入低能级轨道运行,半径变小,由 知,随r变小,电子线速度变大,电子的动能增大,所以B正确.由 知,r变小,线速度v变大,所以T变小,C错误.当电子由半径大的轨道跃迁到半径小的轨道时,电场力做正功,所以电子电势能变小,A错误.应选B.,6.光子的频率为,具有的能量为h动量为.将光子打在处于静止状态的电子上,光子将偏离原运动方向,这种现象称为光子的散射.下列关于光子散射的说法中正确的是()A.光子虽然改变原来的运动方向,但频率不变B.由于光子在与电子碰撞中获得能量,因而频率增大C.由于受到电子碰撞,散射后的光子频率小于入射光子的频率D.由于受到电子碰撞,散射后的光子波长小于入射光子的波长答案:C,解析:碰撞过程中电子及光子组成的系统动量守恒,由于光子的动量发生变化,所以静止的电子动量一定发生变化,具有一定的速度,电子在碰撞中获得了动能.根据能量守恒定律,电子动能增大,光子的能量一定减小.根据E=h,所以散射后的光子频率一定小于入射光子的频率.C项正确.,7.在单缝衍射实验中,中央亮纹的光强占从单缝射入的整个光强的95%以上.假设现在只让一个光子通过单缝,那么该光子()A.一定落在中央亮纹处 B.可能落在其他亮纹处 C.不可能落在暗纹处 D.落在中央亮纹处的可能性最大答案:BD,解析:根据光的概率波的概念,对于一个光子通过单缝落在何处是不可确定的,但概率最大的是落在中央亮纹处,可达95%以上.当然也可落在其他亮纹处,还可能落在暗纹处,不过,落在暗纹处的概率很小,故BD正确.,8.(2019高考江苏卷)子与氢原子核(质子)构成的原子称为氢原子(hydrogen muon atom),它在原子核物理的研究中有重要作用.图2-1-9所示为氢原子的能级示意图.假定光子能量为E的一束光照射容器中大量处于n=2能级的氢原子,氢原子吸收光子后,发出频率为12345和6的光,且频率依次增大,则E等于(),A.h(3-1)B.h(5+6)C.h3 D.h4答案:C解析:由6=得n=4,由123456和能级图知,E4-E2=h3,故C选项正确.,9.氢原子从n=3的激发态向低能级状态跃迁可能放出的光子中,只有一种光子不能使金属A产生光电效应,则下列说法正确的是()A.不能使金属A产生光电效应的光子一定是从n=3激发态直接跃迁到基态时放出的 B.不能使金属A产生光电效应的光子一定是从n=3激发态直接跃迁到n=2激发态时放出的 C.从n=4激发态跃迁到n=3激发态,所放出的光子一定不能使金属A产生光电效应 D.从n=4激发态跃迁到基态,所放出的光子一定不能使金属A产生光电效应,答案:BC 解析:氢原子从n=3激发态向低能级跃迁时,各能量差为E32=-1.51 eV-(-3.4)eV=1.89 eV,E31=-1.51 eV-(-13.6)eV=12.09 eV,E21=-3.4 eV-(-13.6)eV=10.2 eV,故32能级差最低,据E=h可知此时辐射的频率最低,因此一定不能使金属A产生光电效应,E43=0.66 eV,故一定不能使A产生光电效应.,10.紫外线照射一些物质时,会发生荧光效应,即物质发出可见光,这些物质中的原子先后发生两次跃迁,其能量变化分别为E1和E2,下列关于原子这两次跃迁的说法中正确的是()A.两次均向高能级跃迁,且|E1|E2|B.两次均向低能级跃迁,且|E1|E2|,答案:D 解析:原子吸收紫外线,使原子由低能级向高能级跃迁,吸收|E1|,再由高能级向低能级跃迁,放出可见光,紫外线光子能量大于可见光,故|E1|E2|,D正确.,二非选择题11.氢原子在基态时轨道半径r1=0.5310-10 m,能量E1=-13.6 eV.求氢原子处于基态时:(1)电子的动能.(2)原子的电势能.(3)用波长是多少的光照射可使其电离?答案:(1)13.6 eV(2)-27.2 eV(3)0.914 110-7 m,解析:(1)设处于基态的氢原子核外电子速度为v1,(2)E1=Ek1+Ep1,故Ep1=E1-Ek1=-13.6 eV-13.6 eV=-27.2 eV.,(3)设用波长的光照射可使氢原子电离:,12.氢原子处于基态时,原子的能量为E1=-13.6 eV,当处于n=3的激发态时,能量为E3=-1.51 eV,则:(1)当氢原子从n=3的激发态跃迁到n=1的基态时,向外辐射的光子的波长是多少?(2)若要使处于基态的氢原子电离,至少要用多大频率的电磁波照射原子?(3)若有大量的氢原子处于n=3的激发态,则在跃迁过程中可能释放出几种不同频率的光子?答案:(1)1.0310-7m(2)3.31015 Hz(3)3种,解析:(1)由跃迁公式得:h=E3-E1 由代入数据得:=1.0310-7m.(2)若要将基态原子电离:h=0-E1,代入数据得=3.31015Hz.(3)光子种数 种.,13.紫光在真空中的波长为4.510-7 m,问:(1)紫光光子的能量是多少?(2)用它照射极限频率为0=4.621014 Hz的金属钾能否产生光电效应?(3)若能产生,则光电子的最大初动能为多少?(h=6.6310-34 Js)答案:(1)4.4210-19 J(2)能(3)1.3610-19 J,解析:(1)E=h=4.4210-19 J.(2)=6.671014Hz.因为0,所以能产生光电效应.(3)Ekmax=h-W0=h(-0)=1.3610-19 J.,74,谢谢！,