第五節(jié)　量子化現(xiàn)象學(xué)習(xí)目標(biāo)：1.[物理觀念]知道光子說及其對光電效應(yīng)的解釋。　2.[物理觀念]知道光的波粒二象性?！?.[物理觀念]知道玻爾原子理論的基本假設(shè)的主要內(nèi)容。一、光是一種電磁波光與電磁波的物理本質(zhì)是一致的，光是一種電磁波，它通過電場和磁場的相互激發(fā)可以在真空中傳播。物理學(xué)家赫茲用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了電磁波的存在，并且證明了電磁波和光一樣具有反射、折射、干涉等性質(zhì)。二、能量子假說1．能量子能量的發(fā)射和吸收不是連續(xù)的，只能是一份一份的進(jìn)行。這個(gè)不可再分的最小能量值ε叫作能量子。2．能量子公式ε＝hν，其中ν是電磁波的頻率，h稱為普朗克常量。h＝6.626×10－34 J·s.(一般取h＝6.63×10－34 J·s)三、光子假說1．光電效應(yīng)定義光照射在金屬上時(shí)，有時(shí)會有電子從金屬表面逸出的現(xiàn)象。2．光電子光電效應(yīng)中逸出來的電子。3．光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律用不同頻率的光去照射陰極時(shí)，發(fā)現(xiàn)光的頻率越高，光電子動能越大，頻率低于某一數(shù)值時(shí)，不論光的強(qiáng)度多大，都不能產(chǎn)生光電子。4．愛因斯坦的光子說(1)內(nèi)容光不僅在發(fā)射和吸收時(shí)能量是一份一份的，而且光本身就是由一個(gè)個(gè)不可分割的能量子組成的，頻率為ν的光的能量子為hν，這些能量子稱為光子。(2)光子能量公式為ε＝hν，其中ν指光的頻率。(3)解釋：光照射到金屬表面上時(shí)，能量為hν的光子被電子所吸收，電子把這些能量中的一部分用來脫離金屬表面，另一部分是電子離開金屬表面時(shí)的動能。如果光子的能量大于電子脫離金屬表面所需的能量，則電子脫離金屬表面產(chǎn)生光電子，且光的強(qiáng)度越大，光電子越多，否則無論光的強(qiáng)度多大，都無法產(chǎn)生光電子。四、光的波粒二象性1．光即具有波動性又具有粒子性的性質(zhì)稱為光的波粒二象性。2．概率波：概率大的地方落下的光子多，形成亮紋；概率小的地方落下的光子少，形成暗紋。五、原子結(jié)構(gòu)的玻爾理論1．玻爾原子理論的基本假設(shè)：電子軌道半徑量子化，電子只能在某些特定的軌道上運(yùn)動，電子在不同軌道上具有不同的能量，這些量子化的能量值稱為能級，只有當(dāng)電子在不同軌道之間躍遷時(shí)，才輻射光子。2．局限性：成功的解釋了氫原子的穩(wěn)定性和氫原子光譜的分立特征，但是這一理論沒有徹底擺脫經(jīng)典物理學(xué)理論的束縛。1．正誤判斷(正確的打“√”，錯(cuò)誤的打“×”)(1)能量子的能量不是任意的，其大小與電磁波的頻率成正比。   (√)(2)電子能吸收任意頻率的光子發(fā)生躍遷。 (×)(3)玻爾理論能成功地解釋氫光譜。 (√)(4)金屬表面是否發(fā)生光電效應(yīng)與入射光的強(qiáng)弱有關(guān)。 (×)(5)入射光若能使某金屬發(fā)生光電效應(yīng)，則入射光的強(qiáng)度越大，照射出的光電子越多。  (√)2．在光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中，用單色光照射某種金屬表面，有光電子逸出，則光電子的最大初動能取決于入射光的 (　　)A．頻率　　　B．強(qiáng)度　　　C．照射時(shí)間　D．光子數(shù)目A　[光電子的最大初動能只與入射光的頻率有關(guān)，與其它無關(guān)。而光照強(qiáng)度，照射時(shí)間及光子數(shù)目與逸出的光電子數(shù)量的關(guān)，故A正確，BCD錯(cuò)誤。]3．(多選)關(guān)于電磁場和電磁波，正確說法是(　　)A．電磁波傳播速度總是 3×108 m/sB．電磁波是一種物質(zhì)，可以在真空中傳播C．電場和磁場總是相互聯(lián)系，它們統(tǒng)稱為電磁場D．光是一種電磁波BD　[電磁波只有在真空中傳播速度才是3×108 m/s，故A錯(cuò)誤；電磁場本身就是一種物質(zhì)，可以不依賴物質(zhì)傳播。故B正確；變化的電場和變化的磁場是相互聯(lián)系的，它們統(tǒng)稱為電磁場，故C錯(cuò)誤；光是一種電磁波。故D正確。]對光電效應(yīng)現(xiàn)象的理解當(dāng)我們走到有自動門的處所時(shí)，在光電池電子眼探測到我們到來時(shí)，門就會自動打開，這種傳感器可以對光做出響應(yīng)。當(dāng)光的強(qiáng)度變化時(shí)，傳感器產(chǎn)生的電流大小將發(fā)生改變，與相應(yīng)的電路耦合，就可以觸發(fā)將門打開，你知道其中的道理嗎？提示：這種傳感器代表了光電效應(yīng)的一種應(yīng)用，當(dāng)發(fā)生光電效應(yīng)時(shí)，光照在金屬上是電子從金屬中飛出，這種現(xiàn)象在1839年在法國第一次被發(fā)現(xiàn)，而由愛因斯坦第一個(gè)給出了合理的解釋并將其理論化，他闡明了光有粒子性的行為。1．光子與光電子：光子指光在空間傳播時(shí)的每一份能量，光子不帶電；光電子是金屬表面受到光照射時(shí)發(fā)射出來的電子，其本質(zhì)是電子，光照射金屬是因，產(chǎn)生光電子是果。2．光電子的動能與光電子的最大初動能：光照射到金屬表面時(shí)，光子的能量全部被電子吸收，電子吸收了光子的能量，可能向各個(gè)方向運(yùn)動，需克服原子核和其他原子的阻礙而損失一部分能量，剩余部分為光電子的初動能；只有金屬表面的電子直接向外飛出時(shí)，只需克服原子核的引力做功，才具有最大初動能。光電子的初動能小于或等于光電子的最大初動能。3．光子的能量與入射光的強(qiáng)度：光子的能量即每個(gè)光子的能量，其值為ε＝hν(ν為光子的頻率)，其大小由光的頻率決定。入射光的強(qiáng)度指單位時(shí)間內(nèi)照射到金屬表面單位面積上的總能量，入射光的強(qiáng)度等于單位時(shí)間內(nèi)光子能量hν與入射光子數(shù)n的乘積。即光強(qiáng)等于nhν。【例1】　(多選)一束綠光照射某金屬發(fā)生了光電效應(yīng)，已知紫光的頻率大于綠光則下列說法正確的是(　　)A．若增加綠光的照射強(qiáng)度，則逸出的光電子數(shù)增加B．若增加綠光的照射強(qiáng)度，則逸出的光電子最大初動能增加C．若改用紫光照射，則可能不會發(fā)生光電效應(yīng)D．若改用紫光照射，則逸出的光電子的最大初動能增加AD　[光電效應(yīng)的規(guī)律表明：入射光的頻率決定著是否發(fā)生光電效應(yīng)以及發(fā)生光電效應(yīng)時(shí)產(chǎn)生的光電子的最大初動能的大小，當(dāng)入射光頻率增加后，產(chǎn)生的光電子最大初動能也增加，而照射光的強(qiáng)度增加，會使單位時(shí)間內(nèi)逸出的光電子數(shù)增加，又知紫光頻率高于綠光，故選項(xiàng)正確的有A、D。]關(guān)于光電效應(yīng)的兩點(diǎn)提醒(1)發(fā)生光電效應(yīng)時(shí)需滿足：照射光的光子的能量ε＞W(wǎng)0。(2)光電子的最大初動能只與照射光的頻率及金屬的逸出功有關(guān)，而與照射光的強(qiáng)弱無關(guān)，強(qiáng)度大小決定了逸出光電子的數(shù)目多少。1．某單色光照射某金屬時(shí)不能產(chǎn)生光電效應(yīng)，則下述措施中可能使該金屬產(chǎn)生光電效應(yīng)的是(　　)A．延長光照時(shí)間B．增大光的強(qiáng)度C．換用頻率較高的光照射D．換用頻率較低的光照射C　[光照射金屬時(shí)能否產(chǎn)生光電效應(yīng)，取決于入射光的頻率是否大于金屬的截止頻率，與入射光的強(qiáng)度和照射時(shí)間無關(guān)，故選項(xiàng)A、B、D均錯(cuò)誤，所以選項(xiàng)C正確。]光的波粒二象性曾有一位記者向物理學(xué)家諾貝爾獎(jiǎng)獲得者布拉格請教：光是波還是粒子？布拉格幽默地答道：“星期一、三、五它是一個(gè)波，星期二、四、六它是一個(gè)粒子，星期天物理學(xué)家休息?！蹦敲垂獾谋拘缘降资鞘裁茨?？你是如何理解的？提示：光具有波粒二象性。光既不同于宏觀觀念的粒子，也不同于宏觀觀念的波，但光既具有粒子性又具有波動性，粒子性和波動性都是光本身的屬性。1.2．大量光子表現(xiàn)出波動性，個(gè)別光子表現(xiàn)出粒子性，光具有波粒二象性。【例2】　有關(guān)光的本性，下列說法正確的是(　　)A．光既具有波動性，又具有粒子性，兩種性質(zhì)是不相容的B．光的波動性類似于機(jī)械波，光的粒子性類似于質(zhì)點(diǎn)C．大量光子才具有波動性，個(gè)別光子只具有粒子性D．由于光既具有波動性，又具有粒子性，無法只用其中一種去說明光的一切行為，只能認(rèn)為光具有波粒二象性D　[光既具有波動性，又具有粒子性，但它又不同于宏觀觀念中的機(jī)械波和粒子。波動性和粒子性是光在不同情況下的不同表現(xiàn)，是同一客體的兩個(gè)不同側(cè)面、不同屬性，我們無法用其中的一種去說明光的一切行為，只能認(rèn)為光具有波粒二象性。只有選項(xiàng)D正確。]?1?光既有波動性又有粒子性，二者是統(tǒng)一的。?2?光表現(xiàn)為波動性，只是光的波動性顯著，粒子性不顯著而已。?3?光表現(xiàn)為粒子性，只是光的粒子性顯著，波動性不顯著而已。2．(多選)對光的認(rèn)識，下列說法中正確的是(　　)A．個(gè)別光子的行為表現(xiàn)為粒子性，大量光子的行為表現(xiàn)為波動性B．光的波動性是光子本身的一種屬性，不是光子之間的相互作用引起的C．光表現(xiàn)出波動性時(shí)，就不具有粒子性了；光表現(xiàn)出粒子性時(shí)，就不具有波動性了D．光的波粒二象性應(yīng)理解為：在某種場合下光的波動性表現(xiàn)明顯，在另外某種場合下，光的粒子性表現(xiàn)明顯ABD　[個(gè)別光子的行為表現(xiàn)為粒子性，大量光子的行為表現(xiàn)為波動性；光與物質(zhì)相互作用，表現(xiàn)為粒子性，光的傳播表現(xiàn)為波動性；光的波動性與粒子性都是光的本質(zhì)屬性，因?yàn)椴▌有员憩F(xiàn)為粒子分布概率，光的粒子性表現(xiàn)明顯時(shí)仍具有波動性，因?yàn)榇罅苛Ｗ拥膫€(gè)別行為呈現(xiàn)出波動規(guī)律，故正確選項(xiàng)有A、B、D。]玻爾原子模型的主要物理思想電子在核外的運(yùn)動真的有固定軌道嗎？玻爾理論中的軌道量子化又如何解釋？提示：在原子內(nèi)部，電子繞核運(yùn)動并沒有固定的軌道。只不過當(dāng)原子處于不同的定態(tài)時(shí)，電子出現(xiàn)在一定位置處的概率大。1．軌道量子化軌道半徑只能夠是一些不連續(xù)的、某些分立的數(shù)值。2．能量量子化電子在可能軌道上運(yùn)動時(shí)，盡管是變速運(yùn)動，但它并不釋放能量，原子是穩(wěn)定的。3．躍遷原子從一種定態(tài)(設(shè)能量為E2)躍遷到另一種定態(tài)(設(shè)能量為E1)時(shí)，它輻射(或吸收)一定頻率的光子，光子的能量由這兩種定態(tài)的能量差決定，高能級Em低能級En。可見，電子如果從一個(gè)軌道到另一個(gè)軌道，不是以螺旋線的形式改變半徑大小的，而是從一個(gè)軌道上“跳躍”到另一個(gè)軌道上。玻爾將這種現(xiàn)象叫做電子的躍遷。【例3】　一個(gè)氫原子中的電子從一個(gè)半徑為ra的軌道自發(fā)地直接躍遷至另一半徑為rb的軌道，已知ra＞rb，則在此過程中(　　)A．原子發(fā)出一系列頻率的光子B．原子要吸收一系列頻率的光子C．原子要吸收某一頻率的光子D．原子要輻射某一頻率的光子D　[因?yàn)槭菑母吣芗壪虻湍芗壾S遷，所以應(yīng)放出光子，故B、C錯(cuò)誤；“直接”從一能級躍遷到另一能級，只對應(yīng)某一能級差，故只能放出某一頻率的光子，故A錯(cuò)誤，D正確。]解決玻爾原子模型問題的兩個(gè)關(guān)鍵(1)電子繞核做圓周運(yùn)動時(shí)，不向外輻射能量。(2)原子輻射的能量與電子繞核運(yùn)動無關(guān)，只由躍遷前后的兩個(gè)能級差決定。3．(多選)根據(jù)玻爾理論，以下說法正確的是(　　)A．電子繞核運(yùn)動有加速度，就要向外輻射電磁波B．處于定態(tài)的原子，其電子做變速運(yùn)動，但它并不向外輻射能量C．原子內(nèi)電子的可能軌道是不連續(xù)的D．原子能級躍遷時(shí)，輻射或吸收光子的能量取決于兩個(gè)軌道的能量差BCD　[根據(jù)玻爾理論，電子繞核運(yùn)動有加速度，但并不向外輻射能量，也不會向外輻射電磁波，故選項(xiàng)A錯(cuò)誤，選項(xiàng)B正確；玻爾理論中的第二條假設(shè)，就是電子繞核運(yùn)動可能的軌道半徑是量子化的，不連續(xù)的，選項(xiàng)C正確；原子在發(fā)生能級躍遷時(shí)，要放出或吸收一定頻率的光子，光子能量取決于兩個(gè)軌道的能量差，故選項(xiàng)D正確。]1．預(yù)言了電磁波的存在，而且還揭示了電、磁、光現(xiàn)象在本質(zhì)上是統(tǒng)一的物理學(xué)家是(　　)A．洛倫茲　　B．赫茲　　C．法拉第　　D．麥克斯韋D　[麥克斯韋從理論上預(yù)言了電磁波的存在，揭示了電、磁、光現(xiàn)象在本質(zhì)上是統(tǒng)一的。ABC錯(cuò)誤，D正確。]2．下列關(guān)于光電效應(yīng)現(xiàn)象的表述中，錯(cuò)誤的表述是(　　)A．光電效應(yīng)是指照射到金屬表面的光，能使金屬中的電子從表面逸出的現(xiàn)象B．光電效應(yīng)存在截止頻率C．照射光光強(qiáng)太弱時(shí)不可能發(fā)生光電效應(yīng)D．光電效應(yīng)幾乎是瞬時(shí)發(fā)生的C　[光電效應(yīng)是指照射到金屬表面的光，能使金屬中的電子從表面逸出的現(xiàn)象，選項(xiàng)A正確，不符合題意；光電效應(yīng)存在截止頻率，當(dāng)入射光的頻率大于截止頻率時(shí)才能發(fā)生光電效應(yīng)，選項(xiàng)B正確，不符合題意；能否發(fā)生光電效應(yīng)與入射光的強(qiáng)度無關(guān)，只與光的頻率有光，選項(xiàng)C錯(cuò)誤，符合題意；光電效應(yīng)幾乎是瞬時(shí)發(fā)生的，不需要時(shí)間積累，選項(xiàng)D正確，不符合題意。]3．物理學(xué)家做了一個(gè)有趣的實(shí)驗(yàn)：在光屏處放上照相用的底片。若減弱光的強(qiáng)度，使光子只能一個(gè)一個(gè)地通過狹縫。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，如果曝光時(shí)間不太長，底片只能出現(xiàn)一些不規(guī)則的點(diǎn)子；如果曝光時(shí)間足夠長，底片上就會出現(xiàn)規(guī)則的干涉條紋，對這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有下列認(rèn)識，其中正確的是(　　)A．曝光時(shí)間不長時(shí)，底片上只能出現(xiàn)不規(guī)則的點(diǎn)子，表現(xiàn)出光的波動性B．單個(gè)光子通過雙縫后的落點(diǎn)可以預(yù)測C．只有大量光子的行為才能表現(xiàn)出光的粒子性D．干涉條紋中明亮的部分是光子到達(dá)機(jī)會較多的地方D　[曝光時(shí)間不太長時(shí)，底片上只能出現(xiàn)一些不規(guī)則的點(diǎn)子，表現(xiàn)出單個(gè)光子的粒子性，故A項(xiàng)錯(cuò)誤；光子的粒子性指的是微觀實(shí)物粒子的粒子性，故單個(gè)光子通過雙縫后的落點(diǎn)無法預(yù)測，故B項(xiàng)錯(cuò)誤；題目中說：如果曝光時(shí)間足夠長，底片上就會出現(xiàn)規(guī)則的干涉條紋。說明大量光子表現(xiàn)為波動性，故C項(xiàng)錯(cuò)誤；光子到達(dá)的多的區(qū)域表現(xiàn)為亮條紋，而光子到達(dá)的少的區(qū)域表現(xiàn)為暗條紋，故D項(xiàng)正確。]4．原子光譜的發(fā)現(xiàn)說明(　　)A．原子的能量是連續(xù)的B．原子的能量是量子化的C．只有氫原子的能量是量子化的D．所有物質(zhì)的能量都是連續(xù)的B　[原子光譜說明原子的能量是量子化的，不只是氫原子是這樣，所有物質(zhì)的原子都是這樣的，故B項(xiàng)正確，A、C、D三項(xiàng)錯(cuò)誤。]5．(多選)1900年德國物理學(xué)家普朗克在研究黑體輻射時(shí)提出了一個(gè)大膽的假說，即能量子假說，下列說法屬于能量子假說內(nèi)容的是(　　)A．物質(zhì)發(fā)射(或吸收)能量時(shí)，能量不是連續(xù)的，而是一份一份進(jìn)行的B．能量子假說中將每一份能量單位，稱為“能量子”C．能量子假說中的能量子的能量E＝hν，ν為輻射的頻率，h為普朗克常量D．能量子假說認(rèn)為能量是連續(xù)的，是不可分割的ABC　[能量子假說認(rèn)為，物質(zhì)發(fā)射(或吸收)能量時(shí)，能量不是連續(xù)的，而是一份一份進(jìn)行的，故A項(xiàng)符合題意，D項(xiàng)不符合題意；能量子假說認(rèn)為，物質(zhì)發(fā)射(或吸收)能量時(shí)，能量不是連續(xù)的，而是一份一份進(jìn)行的，每一份能量單位，稱為“能量子”， 能量子的能量E＝hν，ν為輻射的頻率，h為普朗克常量，故B、C兩項(xiàng)正確。]  

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第五節(jié) 量子化現(xiàn)象

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