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第 16 章 近代物理初步
第 1 节 光电效应
学生用书P173
考点 1 黑体辐射与能量子 3.能量子
1.热辐射:一切物体都在辐射电磁波 这种辐 定义 普朗克认为 组成黑体的振动着的
ꎬ (1) : ꎬ
射与物体的温度有关 所以叫作热辐射 带电微粒的能量只能是某一最小能量值 ε 的
ꎬ ꎮ
2.黑体与黑体辐射 整数倍 这个不可再分的最小能量值ε 叫作能
ꎬ
黑体 能够完全吸收入射的各种波长的电 量子
(1) : ꎮ
磁波而不发生反射 这种物体就是绝对黑体 表达式 ε hν ν 是带电微粒吸收或辐射
ꎬ ꎬ (2) : = ꎮ
简称黑体 黑体是一个理想化的模型 电磁波的频率 h 为普朗克常量 一般取 h
ꎮ ꎮ ꎻ ꎬ =
如图 如果在一个空腔壁上开 . -34
ꎬ 6 63×10 Jsꎮ
一个很小的孔 那么射入小孔
考点 2 光电效应规律的理解及应用
ꎬ
的电磁波在空腔内表面会发生
1.光电效应:照射到金属表面的光 能使金属
ꎬ
多次反射和吸收 最终不能从空腔射出 这
中的电子从表面逸出的现象 逸出的电子叫
ꎬ ꎮ
ꎮ
个带小孔的空腔就成了一个绝对黑体
作光电子
ꎮ
ꎮ
黑体辐射 黑体虽然不反射电磁波 却可
2.光电效应的实验规律
(2) : ꎬ
以向外辐射电磁波 这样的辐射叫作黑体
ꎬ
辐射
ꎮ
黑体辐射的实验规律
(3)
对于一般材料的物体 辐射电磁波的情况
① ꎬ
除与温度有关外 还与材料的种类及表面状
ꎬ
况有关
ꎮ
黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与
②
它的温度有关 随着温度的升高 一方面 各
ꎮ ꎬ ꎬ 研究光电效应的电路图
种波长的辐射强度都有增加 另一方面 辐射 存在截止频率 ν 又称极限频率
ꎻ ꎬ (1) c( )
强度的极大值向波长较短的方向移动 如图 当入射光的频率减小到某一数值 ν 时 光电
( c ꎬ
所示 流消失 ν 称为截止频率或极限频率
)ꎮ ꎮ c ꎮ
D
点拨提醒 截止频率只和金属自身的性质有关ꎮ
存在饱和电流
(2)
, 光照条件不变的情况下 光电流随电压的
ꎬ
, 增大而增大 但最终会趋于一个饱和值
ꎬ ꎬ
, 此后即使电压再增大
ꎬ
电流也不会增大
ꎮ
, 对一定频率的光
ꎬ
入射光越强
ꎬ
饱和电流
越大
N ꎮ
第16章 近代物理初步 1 81
存在遏止电压 U 位面积上光子的总能量 光子能量即每个光
(3) c ꎻ
U 是指使光电流减小到 的反向电压 遏止 子的能量 光子总能量等于光子能量与入射
c 0 ꎮ ꎬ
电压的大小取决于入射光的频率 光子数的乘积
ꎮ ꎮ
具有瞬时性 6.光电效应的四种图像分析
(4)
当频率超过截止频率 ν 时 无论入射光怎样
c ꎬ 图像类型 由图像得到的物理量
微弱 照到金属时都会立即产生光电流
ꎬ ꎮ
3.爱因斯坦光电效应方程 最大初动能 E 与入射
k 截止频率 ν 图线与 ν
表达式 E hν W
光频率ν的关系图像 (1) c:
轴交点的横坐标
(1) : k = - 0ꎮ
逸出功 W 电子从金属中逸出所需外界 逸出功 W E E
(2) 0: (2) : 0=|- |=
普朗克常量 h k 图线
c (3) : = (
对它做功的最小值 W hν h
的斜率
ꎮ 0 = c = λ ꎮ )
c
物理意义 金属表面的电子吸收一个光子
(3) :
颜色 频率 相同 强弱
获得的能量是 hν 这些能量的一部分用来克 ( ) 、
遏止电压 U 图线与横
ꎬ 不同的光
ꎬ
光电流与电 (1) c:
服金属的逸出功 W 剩下的表现为逸出后电 轴交点的横坐标
压的关系图像
0ꎬ
饱和电流 光电流的最
子的最大初动能 E
(2) :
kꎮ
大值I I ′
4.光电效应的两种决定关系 m、 m
最大初动能 E eU
(3) : k= c
+ **+
M( M(P 6FP 6
颜色 频率 不同时 光
( ) ꎬ
K 电流 与 电 压 的 关 系 遏止电压 U U
(1) : c1、 c2
+ &F K* * 图像 饱和电流 I I
D =L+ +* " (2) : 1、 2
最大初动能
, (3) :
E eU E eU
k1= c1、 k2= c2
5.光电效应中应区分的几个概念
光子与光电子
(1)
截止频率 ν 图线与横
光本身是由一个个不可分割的能量子组成 (1) c:
遏止电压 U 与入射光 轴交点的横坐标
的 这些能量子被称为光子 光电子是金属 c
ꎬ ꎮ
频率ν的关系图像
(2)
遏止电压 U
c:
随入射光
表面在受到光照射时吸收光子的能量从金属 频率的增大而增大 U
ꎬ c =
表面逸出的电子 hν W
ꎮ 0
e - e
光电子的动能与光电子的最大初动能
(2) 普朗克常量h 等于图线
(3) :
光照射到金属表面时 电子吸收光子的能量
的斜率与电子电荷量的乘
ꎬ ꎬ
可能向各个方向运动 除了脱离金属需要的 积 即h ke
ꎬ ꎬ =
最小能量 逸出功 外 还要克服原子的其他
( ) ꎬ 典例 在光电效应实验中 小明同学用同一实
ꎬ
束缚力做功 剩余的能量为光电子的动能 处
ꎬ ꎻ 验装置如图 在甲 乙 丙三种光的照射下
(a)ꎬ 、 、
于金属表面的电子直接向外逸出时 具有最
ꎬ 得到了三条电流表与电压表读数之间的关系
大初动能
ꎮ 曲线 如图 所示 下列说法正确的是
ꎬ (b) ꎮ
入射光强度与光子能量
(3)
( )
入射光强度指单位时间内照射到金属表面单
1 82 5年高考3年模拟 A版 高考物理
/ *" 揭示了光具有粒子性
③ ꎻ
* 证实了光子和微观粒子的相互作用过程也
④
" 严格遵循动量守恒定律和能量守恒定律
ꎮ
7 2.光的波粒二象性
6 6 0 67 现象 表现 说明
图 图 光的波动性是光
(a) (b) 光是一种概率波 ①
乙光的频率小于甲光的频率 光 ꎬ 子本身的一种属性
A. 即光子在空间各点 ꎬ
的 干涉和 不是光子之间相互
甲光的波长大于丙光的波长 波 出现的可能性大小
B. 动 衍射 作用产生的
丙光的光子能量小于甲光的光子能量 性 概率 可用波动规
C. ( ) 光的波动性不同
律来描述 ②
乙光对应的光电子最大初动能小于丙光对应 于宏观概念的波
D.
的光电子最大初动能 当光同物质发生作
光 光电效 粒子的含义是 不
用时 这种作用是 ① “
答案 B 的 应 康 ꎬ 连续 一份一份 的
粒 、 一份一份 进行 ”“ ”
子 普顿 “ ” 光子不同于宏观
考点 3 对波粒二象性和物质波的理解 的 表现出粒子的 ②
性
效应 ꎬ 概念的粒子
性质
1.康普顿效应
光子说并未否定
概念 当 射线入射到物质上被散射后 波 大量光子易显示出波动 ①
(1) : X ꎬ 动 ① 光的波动性 E hν
在散射的 射线中 除了与入射波长相同的 性 性 而少量光子易显示出粒 ꎬ = =
X ꎬ 和 子 ꎬ 性 hc 中 ν 和 λ 就是波
成分外 还有波长比入射波长更长的成分 粒 λ ꎬ
ꎬ ꎮ 子 波长长 频率低 的光波
② ( ) 动的体现
人们把这种现象叫作康普顿效应 性
动性强 而波长短 频率高
ꎮ 的 ꎬ ( ) 波和粒子在宏观
h 对 的光粒子性强 ②
光子的动量 p 立 世界是不能统一的
(2) : = λꎮ 统 ③ 光的波动性和粒子性是 而在微观世界却是 ꎬ
一 同时存在的
推导 由动量的定义有 p mc 结合光子能量 统一的
: = ꎬ
E hν 爱因斯坦的质能方程 E mc2 及 c λν 3.物质波
= 、 = =
h 定义 任何运动着的物体都有一种波与之
可得 p
(1) :
= λꎮ
对应 这种波叫作物质波 也叫德布罗意波
ꎬ ( )ꎮ
意义
(3) h h
物质波的波长 λ h 是普朗克
证明了爱因斯坦光子说的正确性 (2) : = p = mvꎬ
① ꎻ
揭示了光子不仅具有能量 还具有动量
常量
② ꎬ ꎻ
ꎮ
第16章 近代物理初步 1 83
第 2 节 原子结构
学生用书P175
考点 1 原子结构和氢原子光谱 实验装置
(1)
1.电子的发现:英国物理学家汤姆孙在研究阴
极射线时发现了电子 电子的发现说明原子
ꎮ
不是组成物质的最小微粒
ꎮ
2. 粒子散射实验:英国物理学家卢瑟福进行
实验现象 绝大多数 粒子穿过金箔后基
α
(2) : α
了 粒子散射实验 提出了原子的核式结构
本上仍沿原来的方向前进 但有少数 粒子
α ꎬ
ꎬ α
模型
发生了大角度偏转 极少数 粒子偏转的角
ꎮ
ꎬ α
度甚至大于 ° 也就是说 它们几乎被 撞 2.氢原子的能级图
90 ꎬ ꎬ “ ”
了回来
ꎮ
3.原子的核式结构模型:在原子的中心有一个
很小的核 叫作原子核 原子的全部正电荷和
ꎬ ꎬ
几乎全部质量都集中在原子核里 带负电的
ꎬ
电子在核外空间绕核旋转
ꎮ
4.氢原子光谱
光谱 用棱镜或光栅可以把物质发出的光
(1) :
按波长 频率 展开 获得波长 频率 和强度
3.两类能级跃迁
( ) ꎬ ( )
分布的记录 即光谱
自发跃迁 高能级 低能级 释放能量 放
ꎬ ꎮ
(1) : → ꎬ ꎬ
光谱分类
(2)
出光子 光子的频率 ν Δ
E E 高- E 低
线状谱是一条条的亮线 ꎮ = h = h ꎮ
① ꎮ
连续谱是连在一起的光带
受激跃迁 低能级 高能级 吸收能量
② ꎮ
(2) : → ꎬ ꎮ
氢原子光谱的实验规律
吸收光子的能量必须恰好等于能级差
(3)
① ꎬ
巴耳末系是氢原子光谱在可见光区的一组
即 hν E
① =Δ ꎮ
æ ö 碰撞 加热等 只要入射粒子能量大于或
谱线 其波长公式为 1 R çç1 1÷÷ n ② 、 ꎮ
ꎬ λ = ∞ è 2 2 -n2ø( =3ꎬ4ꎬ 等于能级差即可 即 E E
ꎬ 外≥Δ ꎮ
R 是里德伯常量 R . 7 -1
5ꎬ)ꎬ ∞ ꎬ ∞ =1 10×10 m ꎬ 知识拓展 电离
此公式称为巴耳末公式 ( )电离态:n ꎬE ꎮ
ꎮ 1 =∞ =0
氢原子光谱在红外和紫外光区的其他谱线 ( )电离能:指原子从基态或某一激发态跃迁到电离态
2
②
所需要吸收的最小能量ꎮ
也都满足与巴耳末公式类似的关系式
ꎮ 例如:基态 电离态ꎬE ( . ) . ꎮ
→ 吸=0- -13 6 eV = 13 6 eV
考点 2 玻尔原子理论 能级跃迁 ( )吸收的能量足够大ꎬ电离后ꎬ获得自由的电子还具有
3
动能ꎮ
1.玻尔理论
4.光谱线条数的确定方法
轨道量子化与定态
(1) 大量的氢原子处于 n 能级的激发态 当这
电子绕核运动的可能轨道不是任意的 各 (1) ꎬ
① ꎬ 些氢原子向低能级跃迁时 辐射出的光的频
可能轨道的半径 r n2r n 其中 ꎬ
n= 1( =1ꎬ2ꎬ3ꎬ)ꎬ n n
r 为基态轨道半径 率有 N 2 ( -1)种
1 ꎮ =Cn= ꎮ
2
原子只能处于一系列不连续的 稳定的能
② 、 一个氢原子处于n能级的激发态时 可辐
(2) ꎬ
量状态 定态 其总能量 E 与基态总能量
( )ꎬ n 射出的光的频率最多有 n 种
-1 ꎮ
E
E 的关系为 E 1 n 5.光子与电子使原子发生能级跃迁的主要区别
1 n=n2 ( =1ꎬ2ꎬ3ꎬ)ꎮ
原子若是吸收光子的能量而被激发 其光子
频率条件 ꎬ
(2) 的能量必须等于能级差 否则不被吸收 原
ꎬ ꎮ
原子在两个定态之间跃迁时 将辐射 或
ꎬ ( 子吸收外来电子的能量而被激发时 只要入
ꎬ
吸收 一定频率的光子 光子的能量为
) ꎬ 射电子的能量大于或等于能级差 均可使原
ꎬ
hν E E
= | 初- 末 |ꎮ 子发生能级跃迁
ꎮ
1 84 5年高考3年模拟 A版 高考物理
典例1 ( 届宁波十校联盟 月联考)(多选) 图丙中的 a 光照射阴极 光电流达到饱和时
2024 3 D. ꎬ ꎬ
如图甲为氢原子的能级图 现用频率为 ν 的光 阴极每秒射出的光电子数大约为 18
ꎬ 0 6×10
照射大量处于基态的氢原子 只能发射出频率 解题导引 用频率为ν 的光照射大量处于基态的氢原子ꎬ
ꎬ 0
只能发射出三条谱线ꎬ说明大量处于基态的氢原子吸收光
为 ν ν ν 的三条谱线 现用这三种频率的光
a、 b、 c ꎬ 子能量之后ꎬ跃迁至n 能级ꎮ 从n 能级向低能级跃
=3 =3
去照射图乙所示的研究光电效应的实验装置
迁ꎬ放出的光子能量最多的为 . ꎬ对应的频率为ν ꎮ
ꎬ 1209 eV a
其中只有 a b 两种光能得到图丙所示的电流与 答案 AC
、
电压的关系曲线 ꎮ 已知e =1 . 6×10 -19 Cꎮ 以下说 典例2 为了更形象地描述氢原子能级和氢原
法正确的是
子电子轨道的关系 作出如图所示的能级轨道
( )
ꎬ
O &F7
图 氢原子从 n 能级跃迁到 n 能级发出的
ꎬ =2 =1
, "
光的波长和频率分别为 λ 和 ν 氢原子从 n
,/ 1 1ꎬ =
能级分别跃迁到 n 能级和 n 能级发出
"
3 =2 =1
的光的波长和频率分别为 λ λ 和 ν ν 下列
B1 C 2、 3 2、 3ꎬ
0 关系正确的是
( )
甲 乙
*"
B
C
0
6 67
DB
丙
一定有 ν ν ν ν ν ν ν
A. 0 = a A. 3 = 1 + 2 B. 1< 2
图乙中滑片 P 从 O 向 b 端移动过程中 电流 λ λ λ λ λ
B. ꎬ C. 3 = 1 + 2 D. 3> 2
表示数减小 答案 A
图丙中 U .
C. c a=9 84 V
第16章 近代物理初步 1 85
第 3 节 原子核
学生用书P177
考点 1 原子核的衰变 半衰期 2.γ 射线: 射线经常是伴随着 射线或 射
γ α β
1. 衰变和 衰变的比较 线同时产生的
α β ꎮ
3.依据“两个守恒”确定衰变次数
衰变 衰变
α β
设放射性元素 A 经过 n 次 衰变和 m 次
衰变方程 A ZX→ A Z - - 4 2Y+2 4 He A ZX→ Z + A 1Y+- 0 1e ZX α β
衰变后 变成稳定的新元素 A′ 则表示核反
个质子和 个中子 个中子转化为 个 ꎬ Z′Yꎬ
2 2 1 1
衰变实质 结合成一个整体 质子和 个电子 应的方程为 A A′ n4 m 0
1 ZX → Z′Y+ 2He+ -1eꎮ
根据质量数守恒和电荷数守恒可列方程
1 1 4 1 1 0
21H+20n→2He 0n→1H+-1e
匀强磁 A A′ n Z Z′ n m
= +4 ꎬ = +2 - ꎬ
场中轨
A A′ A A′
两式联立得 n - m - Z′ Z
迹形状
= ꎬ = + - ꎮ
4 2
衰变规律 电荷数守恒 质量数守恒
、
4.三种射线的比较 续表
类型 核反应方程 实际意义或作用
本质 射出速度 电离本领 穿透本领
轻核
高速 弱 小纸片即 2 3 4 1 太阳 氢弹原理
射线 . c 很强 ( 聚变 1H+1H→2He+0n 、
α 氦核流 0 1 可挡住
)
高速 较强 能穿透几 典例2 关于核反应的知识 下列说法正确的是
射线 . c 较弱 ( ꎬ
β 电子流 0 99 毫米厚的铝板
)
( )
c 强 能穿透几厘
射线 光子流 很弱 ( 222 218 是 粒子
γ 光速 米厚的铅板 A. 86Rn→ 84Po+XꎬX α
( ) )
中子轰击 一定能发生链式反应
235
B. 92Uꎬ
235 1 144 89 1 是核裂变方程 也是
C. 92U+ 0n→ 56Ba+ 36Kr+30n ꎬ
氢弹的核反应方程
核的平均结合能大于 核的平均结合能
235 144
D. 92U 56Ba
三种射线在磁场和电场中的运动轨迹 答案 A
5.半衰期
考点 3 质量亏损及核能的计算
t t
公式 N N
æ
ç1
ö
÷
T 1/2
m m
æ
ç1
ö
÷
T 1/2 1.对结合能与比结合能的理解
(1) : 余= 原 è ø ꎬ 余= 原 è ø ꎮ
2 2 对结合能的理解
(1)
影响因素 放射性元素衰变的快慢是由核内部
(2) : 结合能是针对由核子组成的原子核来说
①
自身的因素决定的 跟原子所处的外部条件 例如温
ꎬ ( 的 孤立核子如质子或中子无结合能
ꎬ ꎮ
度 压强 和化学状态 例如单质 化合物 无关
、 ) ( 、 ) ꎮ 质量数越大的原子核结合能越大
② ꎮ
典例1 (依据质量数守恒和电荷数守恒判断 、
对比结合能的理解
α β
(2)
衰变的次数)放射性同位素钍 经 衰变
比结合能的大小能够反映原子核的稳定程
232 α、β
①
会变成氡 其衰变方程为 232 220 x y 度 比结合能越大 原子核就越难被拆分开
ꎬ 90Th→ 86Rn+ α+ βꎬ
ꎬ ꎬ ꎬ
其中
表示该核就越稳定
( )
ꎮ
x y x y 核子数较小的轻核与核子数较大的重核
A. =1ꎬ =3 B. =2ꎬ =3 ② ꎬ
x y x y 其比结合能都比较小 中等大小的核的比结
C. =3ꎬ =1 D. =3ꎬ =2 ꎬ
答案 D 合能较大 表示这些原子核较稳定
ꎬ ꎮ
当比结合能较小的原子核变成比结合能较
考点 2 核反应
③
大的原子核时 就可释放核能
核反应的四种类型 除了上面提到的衰变之外
ꎬ ꎮ
: ꎬ
2.核能的计算
还有三种核反应类型如表所示
ꎮ
对质能方程的理解
类型 核反应方程 实际意义或作用 (1)
一定的能量和一定的质量相联系 物体的
4 14 17 1 卢瑟福发现质子 ① ꎬ
原子
2He+ 7N→ 8O+1H
总能量和它的质量成正比 即 E mc2
4 9 12 1 查德威克发现中子 ꎬ = ꎮ
核的 2He+4Be→ 6C+0n
核子在结合成原子核时出现质量亏损 m
人工 约里奥 居里 ② Δ ꎬ
27 4 30 1 -
13Al+2He→15P+0n 夫妇发现人工 其能量也要相应减少 释放的能量 E mc2
转变 ꎬ Δ =Δ ꎮ
30 30 0
15P→14Si+1e 放射性同位素 原子核分解成核子时要吸收一定的能量
③ ꎬ
重核 23
9
5
2U+0
1
n→
14
5
4
6Ba+3
8
6
9
Kr+3
1
0n
原子弹
、
相应的质量增加
Δ
m
ꎬ
吸收的能量
Δ
E
=Δ
mc2
ꎮ
裂变 核电站原理
23 9 5 2U+0 1 n→ 13 5 6 4Xe+3 9 8 0 Sr+10 1 0n 与核反应相关的能量计算方法
(2)
1 86 5年高考3年模拟 A版 高考物理
根据 E mc2 计算 计算时 m 的单位 单位是 E 的单位是
① Δ =Δ ꎮ Δ “u”ꎬΔ “MeV”ꎮ
是 c 的单位是 E 的单位是 原子核的结合能 原子核的比结合能 核
“kg”ꎬ “m/s”ꎬΔ “J”ꎮ ③ = ×
根据 E m . 计算 因 子数
② Δ =Δ ×931 5 (MeV) ꎮ 1 u ꎮ
相当于 . 的能量 所以计算时 m 的
931 5 MeV ꎬ Δ
第16章 近代物理初步 1 87