2011年高考总复习物理(课标人教版)一轮复习(同步教学教案)第13章 波粒二象性 原子结构 原子核

第34讲波粒二象性教学目标1.理解光子说及对光电效应的解释.2.理解爱因斯坦光电效应方程并会用来解决简单问题．重点：光电效应现象,光电效应规律,光子说.难点：光电效应方程的应用知识梳理一、光电效应1.光照使物体发射电子的现象叫光电效应现象；所发射的电子叫光电子；光电子定向移动所形成的电流叫光电流。2.光电效应现象所遵循的基本规律。物体在光照的条件下发射电子而发生光电效应现象时遵循如下规律：（1）对于任何一种金属，入射光的频率必须大于某一极限频率才能产生光电效应，低于这个极限频率，无论强度如何，无论照射时间多长，也不能产生光电效应；（2）在单位时间里从金属极板中发射出的光电子数跟入射光的强度成正比；（3）发射出的光电子的最大初动能与入射光强度无关，只随入射光频率的增大而增大；（4）只要入射光的频率高于金属极板的极限频率，无论其强度如何，光电子的产生都几乎是瞬时的，不超过10—9s.二、光子说1.光子说⑴光子：在空间传播的光是不连续的，而是一份一份的，每一份叫做一个光量子，简称光子。⑵光子的能量：hEh为普朗克常量。h=6.63×10-34J·s每个光子的能量只决定于光的频率。⑶光强同样频率的光，光的强弱的不同则反映了单位时间内射到单位面积的光子数的多少．2.光子说对光电效应的解释光子照射到金属上时，光子一次只能将其全部能量传递给一个电子，一个电子一次只能获取一个光子的能量，它们之间存在着一对一的关系．电子吸收光子后，能量增加，如果能量足够大，就能摆脱金属中正电荷对其的束缚，从金属表面逸出，成为光电子．如果光子的能量较小(频率较低)，电子吸收光子后的能量不足以克服金属中正电荷对其的束缚，则立即会将其转化为系统的内能，而不能从金属中逸出，这就是入射光的频率较低时，尽管照射时间足够长，也不能发生光电效应的原因．每一种金属，正电荷对电子的束缚能力都不同，因此，电子逸出所需做的最小功也不一样．光子频率小于该频率，无论如何都不会发生光电效应，这就是每一种金属都存在极限频率的原因．金属中的电子对于光子的吸收是十分迅速的，电子一次性获得的能量足够时，逸出也是十分迅速的，这就是光电效应具有瞬时效应的原因．三、光电效应方程1.金属的逸出功光电效应中，金属中的电子在飞出金属表面时要克服原子核对它的吸引而做功。某种金属中的不同电子，脱离这种金属所需的功不一样。使电子脱离某种金属所做功的最小值，叫做这种金属的逸出功2.爱因斯坦光电效应方程[来源:Zxxk.Com]动能最大的光电子所具有的动能Ek＝hv－w四、康普顿效应在研究电子对X射线的散射时发现：有些散射波的波长比入射波的波长略大。康普顿认为这是因为光子不仅有能量，也具有动量。实验结果证明这个设想是正确的。因此康普顿效应也证明了光具有粒子性。康普顿效应是光子与自由电子之间的相互作用，光子被电子全部吸收后，又重新放出新光子（散射光子不是转移部分能量的入射光子）康普顿效应整个过程的能量和动量守恒。五、光的波粒二象性1.光的波粒二象性干涉、衍射和偏振以无可辩驳的事实表明光是一种波；光电效应和康普顿效应又用无可辩驳的事实表明光是一种粒子；因此现代物理学认为：光具有波粒二象性。2.正确理解波粒二象性波粒二象性中所说的波是一种概率波，对大量光子才有意义。波粒二象性中所说的粒子，是指其不连续性，是一份能量。⑴个别光子的作用效果往往表现为粒子性；大量光子的作用效果往往表现为波动性。⑵ν高的光子容易表现出粒子性；ν低的光子容易表现出波动性。⑶光在传播过程中往往表现出波动性；在与物质发生作用时往往表现为粒子性。⑷由光子的能量E=hν，光子的动量hp表示式也可以看出，光的波动性和粒子性并不矛盾：表示粒子性的粒子能量和动量的计算式中都含有表示波的特征的物理量——频率ν和波长λ。由以上两式和波速公式c=λν还可以得出：E=pc。六、物质波（德布罗意波）由光的波粒二象性的思想推广到微观粒子和任何运动着的物体上去，得出物质波（德布罗意波）的概念：任何一个运动着的物体都有一种波与它对应，该波的波长λ=ph。题型讲解1.光电效应的规律关于光电效应，有如下几种陈述，其中正确的是（）A．金属电子的逸出功与入射光的频率成正比B．光电流的强度与入射光的强度无关C．用不可见光照射金属一定比用可见光照射同种金属产生的光电子的初动能要大D．对于任何一种金属都存在一个“最大波长”，入射光的波长必须小于这个波长，才能产生光电效应【解析】金属的逸出功由该金属决定，与入射光源频率无关，光电流的强度与入射光强度成正比，选项A、B错误。不可见光包括能量大的紫外线、X射线、γ射线，也包括能量比可见光小的红外线、无线电波，选项C错误。所以应选D。【答案】D2.光电效应方程（1）已知金属铯的逸出功为1.9eV，在光电效应实验中，要使铯表面发出的光电子的最大功能为1.0eV，入射光的波长应为__________m【解析】由爱因斯坦光电效应方程可得：hv=W+21m2m∴hv=1.9+1.0=2.9eV=2.9×1.6×10—19J∴λ=19106.19.2103106.6834=4.3×10—7m【答案】m103.47（2）如图所示，电路中所有元件完好，光照射到阴极上时，灵敏电流计中没有电流通过，其原因可能是（）A.入射光太弱；B.入射光波长太长；C.光照时间短；D.电源正负极接反。【解析】在本题电路中形成电流的条件，一是阴极在光的照射下有光电子逸出，这决定于入射光的频率是否高于阴极材料的极限频率，与入射光的强弱、照射时间长短无关；二是逸出的光电子应能在电路中定向移动到达阳极。光电子能否到达阳极，应由光电子的初动能大小和两极间所加电压的正负和大小共同决定。一旦电压正负极接反，即使具有很大初动能的光电子也可能不能到达阳极，即使发生了光电效应现象，电路中也不能形成光电流。故该题的正确答案是B、D。【答案】BD3.光子说原子在不停地做热运动，为了能高精度地研究孤立原子的性质，必须使他们几乎静止下来并能在一个小的空间区域停留一段时间。例如：纳米技术中需要移动或修补分子，科学家已发明了一种称为“激光制冷”的仪器，原理如下：在一个真空室内，一束非常准直的Na-23原子束（通过样品在1000K高温下蒸发而获得，原子做热运动的速率近似为01000/Vms，受一束激光的正面照射，如图所示，设原子处在基态，运动方向与激光光子的运动方向相反，选好激光频率使光子能量E等于纳原子第一激发态与基态间的能量差，原子就能吸收它而发生跃迁，跃迁后原子的速度变为1V，随后该原子发射光子并回到基态，设所发射光子的运动方向与速度0V的方向总是相同，此时原子的速度为2V，接着重复上述过程，直到原子的速度减小到零，求：(1)吸收与发射光子的总次数为多少(2)原子停留在激发态上的时间称为原子在这种状态下的寿命，大小约为8010ts。忽略每次吸收与发射光子的时间，接上述方式，原子从初速度0v减小到零，共需多长时间？该时间内原子总共走过的路程约为多少？（193.3610EJ，纳原子的质量263.8410mkg，阿伏加德罗常数2316.010ANmol，光速83.010/cms）【解析】设吸收与发射光子的总数为n，光速为c，（1）光子的动量Epmcc光①纳原子吸收光子时01mvpmv②纳原子放出光子时12mvmvp③0112pEvvvvvmmc④4003.410vmcvnvE⑤（2）设原子停留在激发态的时间为t，原子总路程为L，则401.7102ttns⑥00.0852vLtm4.康普顿效应频率为v的光，射到一平面镜上，设单位时间内达到镜面单位面积上的入射光光子数目为n，平面镜的反射率为，光对平面镜的入射角为，试求（1）光对平面镜的压力（2）光作用在平面镜上的切向力。【解析】光子说认为光子具有动量hvhpc的观点，除解释康普顿效应外，还可以说明光压的作用，即当光子流遇到障碍物时，会对障碍物施加压力的作用，如同气体分子在容器壁上碰撞形成气体对器壁的压强一样，光压就是光子流产生的压强，本题是光子存在动量的一个例证。（1）设t时间打在平面镜单位面积上的光子数为nt，动量的法向分量为1coshvpntc，反射德光子数为rnt，动量德法向分量为2coshvpntc，方向为1p相反。由动量定理，光对平面镜单位面积德正压力即光压p为coscoshvhvpnncc（2）光作用在平面镜上的切向力由所吸收光子的切向冲量引起，由动量定理(1)sinhvTnc第35讲原子结构能级教学目标1.知道α粒子散射实验.2.知道原子的核式结构模型的主要内容，理解模型提出的主要思想。3.理解能级的概念和原子发射与吸收光子的频率与能级差的关系．4.知道原子光谱为什么是一些分立的值．知道原子光谱的一些应用．5.知道原子光谱为什么是一些分立的值．知道原子光谱的一些应用．重点：卢瑟福α粒子散射实验的现象和所说明的问题，玻尔理论难点：α粒子散射实验，对原子发光现象解释，知识梳理一、α粒子散射实验1.实验装置：放射源：钋放在带小孔的铅盒中，放射出高能粒子(α粒子)带正电，mαme金箔：厚度极小，可至1微米(金原子的质量大，且易延成很薄的箔)．显微镜：能绕金箔在水平面内转动．荧光屏：荧光屏装在显微镜上．2.实验步骤(1)钋放出的α粒子从铅盒的小孔射出，形成很细的一束射线，射到荧光屏上产生闪光，通过显微镜观察(偏离正对位置，无闪光)．(2)放上金箔F，正对位置可观察到大量的闪光点．(3)转动显微镜，在不同偏转角θ处，可看到α粒子散射现象．[来源:学科网ZXXK]3.实验结果⑴绝大多数α粒子穿过金箔后基本上仍沿原来的方向前进．(2)少数α粒子发生了较大角度的偏转二、卢瑟福核式结构模型1.在原子的中心有一个很小的核，叫做原子核，原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里，带负电的电子在核外的空间运动。原子核的发现有重大意义，因为它开辟了原子核物理的新领域，卢瑟福被人们尊称为原子核物理之父．2.原子核式结构的模型，是建立在α粒子散射实验的基础上的．3.原子、原子核的大小：原子直径数量级10—10m原子核直径数量级10—15m原子核直径是原子直径的十万分之一．如果原子是直径100m的操场，原子核只有一个直径为几毫米的玻璃球那么大．4.原子核是由质子和中子组成，质子和中子统称为核子。三、原子光谱1.光谱:按一定次序排列的彩色光带.⑴发射光谱:由发光物体直接产生的光谱叫做发射光谱。连续光谱：炽热的固体、液体及高压气体的，由波长连续分布的光组成的光谱．例如电灯灯丝发出的光，炽热钢水发出的光。明线光谱：稀薄气体发光，产生一些不连续的亮线组成的光谱．把固态或液态物质放到煤气灯的火焰氢原子的能级图nE/eV∞01-13.62-3.43-1.514-0.853E1E2E3或电弧中去烧，使它们气化后发光，就可以得到它们的明线光谱．明线光谱是由游离状态的原子发出的，也叫原子光谱．每种元素的原子只能发出某些具有特定波长的光谱线,这些谱线叫做那种元素的特征谱线.⑵吸收光谱:每种气体都从通过它的白光中吸收跟它的特征谱线波长相同的那些光，使白光的连续光谱中出现暗线．连续光谱中某些波长的光被物质吸收后产生的光谱，叫做吸收光谱．白光通过每一种气体时，光谱中都会产生一组暗线，每条暗线的波长都跟那种气体原子的一条特征谱线相对应．吸收光谱中的暗线也是原子的特征谱线.只是通常在吸收光谱中看到的特征谱线比明线光谱中的要少一些．2.玻尔理论解释氢原子光谱某种稀薄气体尽管元素成分较单一，但各原子分别处于不同的能量状态．它们由高能级向低能级的跃迁会出现多种可能，每一种可能对应发出某一频率的光子．而这些可能又由对应的能级差决定．能级是不连续的，能级差也是不连续的，所以导致原子光谱的亮线是不连续的．[来源:学科网ZXXK]3.光谱分析由于每种元素都有自己的特征谱线，因此可以根据光谱来鉴别物质和确定它的化学组成．这种方法叫做光谱分析．这种方法的优点是非常