第1講 原子結(jié)構(gòu)和波粒二象性
目標(biāo)要求 1.了解黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律.2.知道什么是光電效應(yīng)，理解光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律．會利用光電效應(yīng)方程計算逸出功、截止頻率、最大初動能等物理量.3.知道原子的核式結(jié)構(gòu)，掌握玻爾理論及能級躍遷規(guī)律.4.了解實(shí)物粒子的波動性，知道物質(zhì)波的概念．
考點(diǎn)一 黑體輻射及實(shí)驗(yàn)規(guī)律
1．熱輻射
(1)定義：周圍的一切物體都在輻射電磁波，這種輻射與物體的溫度有關(guān)，所以叫熱輻射．
(2)特點(diǎn)：熱輻射強(qiáng)度按波長的分布情況隨物體溫度的不同而有所不同．
2．黑體、黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律
(1)黑體：能夠完全吸收入射的各種波長的電磁波而不發(fā)生反射的物體．
(2)黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律
①對于一般材料的物體，輻射電磁波的情況除與溫度有關(guān)外，還與材料的種類及表面狀況有關(guān)．
②黑體輻射電磁波的強(qiáng)度按波長的分布只與黑體的溫度有關(guān)．隨著溫度的升高，一方面，各種波長的輻射強(qiáng)度都有增加，另一方面，輻射強(qiáng)度的極大值向波長較短的方向移動，如圖．
3．能量子
(1)定義：普朗克認(rèn)為，當(dāng)帶電微粒輻射或吸收能量時，只能輻射或吸收某個最小能量值ε的整數(shù)倍，這個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是帶電微粒吸收或輻射電磁波的頻率，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)．
1．黑體能夠反射各種波長的電磁波，但不會輻射電磁波．( × )
2．黑體輻射電磁波的強(qiáng)度按波長的分布只與溫度有關(guān)，隨著溫度的升高，各種波長的輻射強(qiáng)度都增加，輻射強(qiáng)度極大值向波長較短的方向移動．( √ )
3．玻爾為得出黑體輻射的強(qiáng)度按波長分布的公式，提出了能量子的假說．( × )
例1 (多選)關(guān)于黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律如圖所示，下列說法正確的是( )
A．黑體能夠完全吸收照射到它上面的光波
B．隨著溫度的降低，各種波長的光輻射強(qiáng)度都有所增加
C．隨著溫度的升高，輻射強(qiáng)度極大值向波長較長的方向移動
D．黑體輻射的強(qiáng)度只與它的溫度有關(guān)，與形狀和黑體材料無關(guān)
答案 AD
解析 能完全吸收照射到它上面的各種頻率的電磁輻射的物體稱為黑體，A正確；由題圖可知，隨溫度的降低，各種波長的光輻射強(qiáng)度都有所減小，選項(xiàng)B錯誤；隨著溫度的升高，黑體輻射強(qiáng)度的極大值向波長較短的方向移動，選項(xiàng)C錯誤；一般物體輻射電磁波的情況與溫度有關(guān)，還與材料的種類及表面情況有關(guān)，但黑體輻射電磁波的情況只與它的溫度有關(guān)，選項(xiàng)D正確．
例2 在“焊接”視網(wǎng)膜的眼科手術(shù)中，所用激光的波長λ＝6.4×10－7 m，每個激光脈沖的能量E＝1.5×10－2 J．求每個脈沖中的光子數(shù)目．(已知普朗克常量h＝6.63×10－34 J·s，光速c＝3×108 m/s.計算結(jié)果保留一位有效數(shù)字)
答案 5×1016
解析 每個光子的能量為E0＝hν＝heq \f(c,λ)，每個激光脈沖的能量為E，所以每個脈沖中的光子數(shù)目為：N＝eq \f(E,E0)，聯(lián)立且代入數(shù)據(jù)解得：N＝5×1016個．
考點(diǎn)二 光電效應(yīng)
1．光電效應(yīng)及其規(guī)律
(1)光電效應(yīng)現(xiàn)象
照射到金屬表面的光，能使金屬中的電子從表面逸出，這個現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)，這種電子常稱為光電子．
(2)光電效應(yīng)的產(chǎn)生條件
入射光的頻率大于或等于金屬的截止頻率．
(3)光電效應(yīng)規(guī)律
①每種金屬都有一個截止頻率νc，入射光的頻率必須大于或等于這個截止頻率才能產(chǎn)生光電效應(yīng)．
②光電子的最大初動能與入射光的強(qiáng)度無關(guān)，只隨入射光頻率的增大而增大．
③光電效應(yīng)的發(fā)生幾乎是瞬時的，一般不超過10－9 s.
④當(dāng)入射光的頻率大于或等于截止頻率時，在光的顏色不變的情況下，入射光越強(qiáng)，飽和電流越大，逸出的光電子數(shù)越多，逸出光電子的數(shù)目與入射光的強(qiáng)度成正比，飽和電流的大小與入射光的強(qiáng)度成正比．
2．愛因斯坦光電效應(yīng)方程
(1)光電效應(yīng)方程
①表達(dá)式：hν＝Ek＋W0或Ek＝hν－W0.
②物理意義：金屬表面的電子吸收一個光子獲得的能量是hν，這些能量的一部分用來克服金屬的逸出功W0，剩下的表現(xiàn)為逸出后電子的最大初動能．
(2)逸出功W0：電子從金屬中逸出所需做功的最小值，W0＝hνc＝heq \f(c,λc).
(3)最大初動能：發(fā)生光電效應(yīng)時，金屬表面上的電子吸收光子后克服原子核的引力逸出時所具有的動能的最大值．
1．光子和光電子都不是實(shí)物粒子．( × )
2．只要入射光的強(qiáng)度足夠大，就可以使金屬發(fā)生光電效應(yīng)．( × )
3．要使某金屬發(fā)生光電效應(yīng)，入射光子的能量必須大于或等于金屬的逸出功．( √ )
4．光電子的最大初動能與入射光子的頻率成正比．( × )
1．光電效應(yīng)的分析思路
2．光電效應(yīng)圖像
考向1 光電效應(yīng)的規(guī)律
例3 研究光電效應(yīng)的電路圖如圖所示，關(guān)于光電效應(yīng)，下列說法正確的是( )
A．任何一種頻率的光，只要照射時間足夠長，電流表就會有示數(shù)
B．若電源電動勢足夠大，滑動變阻器滑片向右滑，電流表的示數(shù)能一直增大
C．調(diào)換電源的正負(fù)極，調(diào)節(jié)滑動變阻器的滑片，電流表的示數(shù)可能變?yōu)榱?br>D．光電效應(yīng)反映了光具有波動性
答案 C
解析 能否發(fā)生光電效應(yīng)取決于光的頻率，與照射時間長短無關(guān)，A錯誤；增加極板間電壓，會出現(xiàn)飽和電流，電流表示數(shù)不會一直增大，B錯誤；調(diào)換電源正負(fù)極，若反向電壓達(dá)到遏止電壓，則電流表示數(shù)變?yōu)榱?，C正確；光電效應(yīng)反映了光具有粒子性，D錯誤．
考向2 光電效應(yīng)的圖像
例4 (多選)如圖所示，甲、乙、丙、丁是關(guān)于光電效應(yīng)的四個圖像，以下說法正確的是( )
A．由圖甲可求得普朗克常量h＝eq \f(be,a)
B．由圖乙可知虛線對應(yīng)金屬的逸出功比實(shí)線對應(yīng)金屬的逸出功小
C．由圖丙可知在光的顏色不變的情況下，入射光越強(qiáng)，飽和電流越大
D．由圖丁可知電壓越高，則光電流越大
答案 BC
解析 根據(jù)光電效應(yīng)方程，結(jié)合動能定理可知eUc＝Ek＝hν－W0＝hν－h(huán)νc，變式可得Uc＝eq \f(h,e)ν－eq \f(h,e)νc，斜率k＝eq \f(b,2a)＝eq \f(h,e)，解得普朗克常量為h＝eq \f(be,2a)，故A錯誤；根據(jù)愛因斯坦光電效應(yīng)方程Ek＝hν－W0可知，縱軸截距的絕對值表示逸出功，則實(shí)線對應(yīng)金屬的逸出功比虛線對應(yīng)金屬的逸出功大，故B正確；入射光頻率一定，飽和電流由入射光的強(qiáng)度決定，即光的顏色不變的情況下，入射光越強(qiáng)，光子數(shù)越多，飽和電流越大，故C正確；分析題圖丁可知，當(dāng)達(dá)到飽和電流以后，增加光電管兩端的電壓，光電流不變，故D錯誤．
例5 (多選)一定強(qiáng)度的激光(含有三種頻率的復(fù)色光)沿半徑方向入射到半圓形玻璃磚的圓心O點(diǎn)，如圖甲所示．現(xiàn)讓經(jīng)過玻璃磚后的A、B、C三束光分別照射相同的光電管的陰極(如圖乙所示)，其中C光照射時恰好有光電流產(chǎn)生，則( )
A．若用B光照射光電管的陰極，一定有光電子逸出
B．若用A光和C光分別照射光電管的陰極，A光照射時逸出的光電子的最大初動能較大
C．若入射光的入射角從0開始增大，C光比B光先消失
D．若是激發(fā)態(tài)的氫原子直接躍遷到基態(tài)輻射出B光、C光，則C光對應(yīng)的能級較低
答案 BC
解析 由題圖甲可得，B光和C光為單色光，C光的折射率大，頻率高；A光除了B、C光的反射光線外，還含有第三種頻率的光，為三種光的復(fù)合光．C光照射光電管恰好有光電流產(chǎn)生，用B光照射同一光電管，不能發(fā)生光電效應(yīng)，故A錯誤；A光為三種頻率的復(fù)合光，但A光中某頻率的光發(fā)生了全反射，其臨界角最小，折射率最大，頻率最高，則A光和C光分別照射光電管的陰極時，A光照射時逸出的光電子的最大初動能較大，故B正確；根據(jù)sin C＝eq \f(1,n)可知，C光的臨界角比B光小，若入射光的入射角從0開始增大，C光比B光先消失，故C正確；C光的頻率比B光高，根據(jù)能級躍遷規(guī)律可知，若是激發(fā)態(tài)的氫原子直接躍遷到基態(tài)輻射出B光、C光，則C光對應(yīng)的能級較高，故D錯誤．
考點(diǎn)三 光的波粒二象性與物質(zhì)波
1．光的波粒二象性
(1)光的干涉、衍射、偏振現(xiàn)象證明光具有波動性．
(2)光電效應(yīng)說明光具有粒子性．
(3)光既具有波動性，又具有粒子性，稱為光的波粒二象性．
2．物質(zhì)波
(1)概率波：光的干涉現(xiàn)象是大量光子的運(yùn)動遵守波動規(guī)律的表現(xiàn)，亮條紋是光子到達(dá)概率大的地方，暗條紋是光子到達(dá)概率小的地方，因此光波又叫概率波．
(2)物質(zhì)波：任何一個運(yùn)動著的物體，小到微觀粒子，大到宏觀物體，都有一種波與它對應(yīng)，其波長λ＝eq \f(h,p)，p為運(yùn)動物體的動量，h為普朗克常量．
1．光的頻率越高，光的粒子性越明顯，但仍具有波動性．( √ )
2．法國物理學(xué)家德布羅意大膽預(yù)言了實(shí)物粒子在一定條件下會表現(xiàn)為波動性．( √ )
例6 (2022·上海師大附中高三學(xué)業(yè)考試)用極微弱的可見光做雙縫干涉實(shí)驗(yàn)，隨著時間的增加，在屏上先后出現(xiàn)如圖(a)(b)(c)所示的圖像，則( )
A．圖像(a)表明光具有波動性
B．圖像(c)表明光具有粒子性
C．用紫外線觀察不到類似的圖像
D．實(shí)驗(yàn)表明光是一種概率波
答案 D
解析 題圖(a)只有分散的亮點(diǎn)，表明光具有粒子性；題圖(c)呈現(xiàn)干涉條紋，表明光具有波動性，A、B錯誤；紫外線也具有波粒二象性，也可以觀察到類似的圖像，C錯誤；實(shí)驗(yàn)表明光是一種概率波，D正確．
考點(diǎn)四 原子結(jié)構(gòu)
1．電子的發(fā)現(xiàn)：英國物理學(xué)家湯姆孫發(fā)現(xiàn)了電子．
2．α粒子散射實(shí)驗(yàn)：1909年，英國物理學(xué)家盧瑟福和他的助手進(jìn)行了用α粒子轟擊金箔的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)α粒子穿過金箔后基本上仍沿原來方向前進(jìn)，但有少數(shù)α粒子發(fā)生了大角度偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)的角度甚至大于90°，也就是說它們幾乎被“撞”了回來．
3．原子的核式結(jié)構(gòu)模型：在原子中心有一個很小的核，原子全部的正電荷和幾乎全部質(zhì)量都集中在核里，帶負(fù)電的電子在核外空間繞核旋轉(zhuǎn)．
1．在α粒子散射實(shí)驗(yàn)中，少數(shù)α粒子發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)是由于它跟金原子中的電子發(fā)生了碰撞．( × )
2．原子中絕大部分是空的，原子核很?。? √ )
3．核式結(jié)構(gòu)模型是盧瑟福在α粒子散射實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出的．( √ )
例7 關(guān)于α粒子散射實(shí)驗(yàn)的下述說法中正確的是( )
A．在實(shí)驗(yàn)中觀察到的現(xiàn)象是絕大多數(shù)α粒子穿過金箔后，仍沿原來方向前進(jìn)，少數(shù)發(fā)生了較大偏轉(zhuǎn)，極少數(shù)偏轉(zhuǎn)超過90°，有的甚至被彈回接近180°
B．使α粒子發(fā)生明顯偏轉(zhuǎn)的力來自帶正電的核及核外電子，當(dāng)α粒子接近核時是核的排斥力使α粒子發(fā)生明顯偏轉(zhuǎn)，當(dāng)α粒子接近電子時，是電子的吸引力使之發(fā)生明顯偏轉(zhuǎn)
C．實(shí)驗(yàn)表明原子中心有一個極小的核，它占有原子體積的極小部分，實(shí)驗(yàn)事實(shí)肯定了湯姆孫的原子結(jié)構(gòu)模型
D．實(shí)驗(yàn)表明原子中心的核帶有原子的全部正電及全部質(zhì)量
答案 A
解析 在實(shí)驗(yàn)中觀察到的現(xiàn)象是絕大多數(shù)α粒子穿過金箔后，仍沿原來方向前進(jìn)，少數(shù)發(fā)生了較大偏轉(zhuǎn)，極少數(shù)偏轉(zhuǎn)超過90°，有的甚至被彈回接近180°，所以A正確；使α粒子發(fā)生明顯偏轉(zhuǎn)的力是來自帶正電的核，當(dāng)α粒子接近核時，核的排斥力使α粒子發(fā)生明顯偏轉(zhuǎn)，電子對α粒子的影響忽略不計，所以B錯誤；實(shí)驗(yàn)表明原子中心有一個極小的核，它占有原子體積的極小部分，實(shí)驗(yàn)事實(shí)否定了湯姆孫的原子結(jié)構(gòu)模型，所以C錯誤；實(shí)驗(yàn)表明原子中心的核帶有原子的全部正電及絕大部分質(zhì)量，所以D錯誤．
考點(diǎn)五 玻爾理論 能級躍遷
1．玻爾理論
(1)定態(tài)假設(shè)：電子只能處于一系列不連續(xù)的能量狀態(tài)中，在這些能量狀態(tài)中電子繞核的運(yùn)動是穩(wěn)定的，電子雖然繞核運(yùn)動，但并不產(chǎn)生電磁輻射．
(2)躍遷假設(shè)：電子從能量較高的定態(tài)軌道(其能量記為En)躍遷到能量較低的定態(tài)軌道(能量記為Em，m

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