专题十三-近代物理初步

知识清单方法技巧栏目索引专题十三近代物理初步高考物理知识清单方法技巧栏目索引一光电效应照射到金属表面的光,能使金属中的电子从表面逸出的现象。二光子说为解释光电效应,爱因斯坦于1905年提出,在空间传播的光不是连续的,而是一份一份的,每份叫做一个光子,光子的能量跟它的频率成正比,即E=①hν,h=6.626×10-34J·s,为普朗克常量。考点一光电效应知识清单基础知识知识清单方法技巧栏目索引三光电效应方程光电效应方程:②Ek=hν-W0。式中Ek表示逸出电子的最大初动能,W0表示逸出功。电子克服原子核的束缚,从金属表面逸出所需的最小能量,称为逸出功。电子吸收光子能量后,金属表面的电子在克服逸出功飞出金属表面时具有最大初动能,根据能量守恒,可得光电效应方程。知识清单方法技巧栏目索引一、光电效应1.电路图 2.实验发现的规律(1)存在饱和电流。(2)存在着遏止电压和截止频率。(3)光电效应具有瞬时性。重点难点知识清单方法技巧栏目索引二、光子说对光电效应的解释1.一个电子只能吸收一个光子,光电子的初动能Ek只随入射光的频率ν增大而增大,与光强无关。只有当hνW0时,才有光电子逸出,νc= 就是光电效应的截止频率或极限频率。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.电子一次性吸收光子的全部能量,不需要积累能量的时间,光电效应几乎是瞬时发生的,一般不超过10-9s。3.在入射光的频率大于极限频率的前提下,光强较大时,包含的光子数较多,照射金属时产生的光电子多,因而饱和电流大。0Wh知识清单方法技巧栏目索引说明(1)光电效应中的光包括不可见光,如紫外线。(2)光电子是金属表面受光照而逸出的电子,与光子不同。(3)光电效应方程是能量守恒定律在光电效应现象中的具体体现。三、对光电效应规律的理解1.光电子的最大初动能Ek,随入射光频率ν的增大而增大;由爱因斯坦光电效应方程知:Ek=hν-W0对于某一金属而言,逸出功W0是一定值,普朗克常量h是一常数,故从上式可以看出,最大初动能Ek与入射光频率ν成一次函数关系,但不是成正比的,函数图像如图所示:知识清单方法技巧栏目索引当光照射到金属表面上时,能量为E的光子被电子所吸收,电子把这个能量的一部分用来克服金属表面对它的吸引,剩余部分就是电子离开金属表面时的动能。(1)由爱因斯坦的光电效应方程可知,只有当光子的能量hνW0时才会有光电效应发生。由W0=hνc可得极限频率νc= 。因不同金属的逸出功0Wh知识清单方法技巧栏目索引不同,因此不同金属对应的极限频率也不同。(2)电子吸收光子后能量立即增大,不需要能量的积累过程。因此光电效应的发生几乎是瞬时的。(3)电子每次只吸收一个光子,由能量守恒可知,光电子的最大初动能Ek=hν-W0,且Ek随入射光频率的增大而增大,与光的强度无关。2.光电流的大小跟入射光强度成正比(1)如何区分“光子的能量”和“光的强弱”首先从研究对象上区分,光是大量光子的集合;其次从概念上区分,“一个光子的能量”仅取决于光的频率。而“光的强弱”可理解为单位时间内照射到单位面积上光子的总能量。显然,“光的强弱”取决于两个因素,一是每个光子的能量,二是单位时间照射到单位面积上光子的个知识清单方法技巧栏目索引数,其中起主要作用的是光子的个数。(2)如何区分“光子”和“光电子”在空间传播的光不是连续的,而是一份一份的,每一份叫做一个光子。而光电子是指光照射金属表面时,从金属中飞出的电子。(3)光电流的大小是由从金属表面逸出的光电子数目决定的,而从金属表面逸出的光电子数目由入射光子的数目决定。知识清单方法技巧栏目索引例1(2014广东理综,18,6分)在光电效应实验中,用频率为ν的光照射光电管阴极,发生了光电效应,下列说法正确的是 ()A.增大入射光的强度,光电流增大B.减小入射光的强度,光电效应现象消失C.改用频率小于ν的光照射,一定不发生光电效应D.改用频率大于ν的光照射,光电子的最大初动能变大知识清单方法技巧栏目索引 解析增大入射光强度,使单位时间内逸出的光电子数增加,因此光电流增大,选项A正确;光电效应与入射光的频率有关,与强度无关,选项B错误;当入射光的频率小于ν,大于极限频率时发生光电效应,选项C错误;由Ekm=hν-W0知,增大入射光的频率,光电子的最大初动能变大,选项D正确。 答案AD知识清单方法技巧栏目索引例2在做光电效应的实验时,某金属被光照射发生了光电效应,实验测得光电子的最大初动能Ek与入射光的频率ν的关系如图所示,由实验图线可求出 () A.该金属的极限频率和极限波长B.普朗克常量C.该金属的逸出功D.单位时间逸出的光电子数知识清单方法技巧栏目索引 解析依据光电效应方程Ek=hν-W0可知,当Ek=0时,ν=νc,即图像中横轴的截距在数值上等于金属的极限频率,再由c=νλ可求极限波长。图线的斜率是k=tanθ= ,可见图线的斜率在数值上等于普朗克常量。据图像,假设图线的延长线与Ek轴的交点为C,其截距为W,有tanθ= ,而tanθ=h,即图像中纵轴截距的绝对值在数值上等于金属的逸出功。由题给条件无法求单位时间逸出的光电子数。 答案ABCkcEννc||Wν知识清单方法技巧栏目索引概念当光入射到物质上被散射后,在散射波中,除有与入射波的波长相同的射线外,还有波长比入射波的波长更长的射线。人们把这种波长变化的现象叫做康普顿效应解释在康普顿效应中,入射光的光子与物质中的自由电子发生弹性碰撞,碰撞中满足动量守恒与能量守恒,光子的一部分能量传递给电子,从而引起被散射光子的能量减小,频率减小,波长变长意义(1)证明了爱因斯坦光子说的正确性(2)揭示了光子不仅具有能量,还具有动量(3)揭示了光具有粒子性的一面(4)证实了在微观粒子的单个碰撞事件中动量守恒定律和能量守恒定律仍然成立四、康普顿效应知识清单方法技巧栏目索引说明光子的动量由动量的定义有p=mc,结合光子能量E=hν、爱因斯坦的质能方程E=mc2及c=λν可得p= 。五、对光的波粒二象性的理解hλ光的波动性实验基础:干涉和衍射①光是一种概率波,即光子在空间各点出现的可能性大小(概率)可用波动规律来描述②足够能量的光在传播时,表现出波的性质①光的波动性是光子本身的一种属性,不是光子之间相互作用产生的②光的波动性不同于宏观观念的波光的粒子性实验基础:光电效应、康普顿效应①当光同物质发生作用时,这种作用是“一份一份”进行的,表现出粒子的性质②少量或个别光子清楚地显示出光的粒子性①粒子的含义是“不连续”“一份一份”的②光子不同于宏观观念的粒子波动性和粒子性的对立、统一①大量光子易显示出波动性,而少量光子易显示出粒子性②波长长(频率低)的光波动性强,而波长短(频率高)的光粒子性强①光子说并未否定波动性,E=hν=hc/λ中,ν和λ都是描述波的物理量②波和粒子在宏观世界是不能统一的,而在微观世界却是统一的知识清单方法技巧栏目索引一原子的核式结构1.α粒子散射实验与原子核式结构1909—1911年,英国物理学家卢瑟福和他的助手进行了用α粒子轰击金箔的实验,实验发现绝大多数α粒子穿过金箔后基本上仍沿①原来的方向前进,但有少数α粒子发生了大角度偏转,偏转的角度甚至大于90°,也就是说它们几乎被“撞”了回来。为了解释α粒子的大角度散射现象,卢瑟福在1911年提出了核式结构模型。在原子的中心有一个很小的核,叫②原子核,它集中了原子的全部正电荷和几乎全部的质量,带负电的电子在核外空间绕核运动。考点二氢原子光谱、能级基础知识知识清单方法技巧栏目索引2.核式结构的局限性核式结构学说成功地解释了α粒子的散射实验,但在解释原子的发光和原子的稳定性时却遇到了无法解决的困难。二氢原子光谱氢原子光谱线是最早发现、研究的光谱线,这些光谱线可用一个统一的公式表示: =R 式中m=1,2,3,…对每一个m,有n=m+1,m+2,m+3,…构成一个谱线系。说明氢原子光谱是线状的、不连续的,波长只能是分立的值。三能级在玻尔模型中,原子的可能状态是③不连续的,因此各状态对应的能量也是④不连续的,这些能量值叫做能级。1λ2211mn知识清单方法技巧栏目索引各状态的标号1、2、3…叫做量子数,通常用n表示。能量最低的状态叫做⑤基态,其他状态叫做⑥激发态,基态和激发态的能量分别用E1、E2、E3…表示。知识清单方法技巧栏目索引一、对α粒子散射实验的认识1.α粒子散射实验用金箔作为靶子,是因为:(1)金的延展性好,容易做成很薄的箔,实验用的金箔厚度大约是10-7m;(2)金原子带的正电荷多,与α粒子间的库仑力大;(3)金原子质量大约是α粒子质量的50倍,因而惯性大,α粒子运动状态容易改变。2.原子中有电子,但电子质量很小,不及α粒子质量的七千分之一,α粒子碰到它,就像飞行的子弹碰到一粒尘埃一样,运动方向不会发生明显改变。α粒子散射现象表明,原子内部非常空旷,带正电的部分体积很小,但集中了几乎全部质量,当α粒子接近原子核时,就会受到很大的库仑斥力,发生较大角度的偏转,由于原子核体积小,α粒子穿过金箔时接近原子核重点难点知识清单方法技巧栏目索引的机会很小,所以只有少数α粒子发生大角度偏转。3.原子 ,带正电原子核几乎集中了原子全部质量电子带负电电子绕核运动知识清单方法技巧栏目索引例1[2013福建理综,30(1)]在卢瑟福α粒子散射实验中,金箔中的原子核可以看做静止不动,下列各图画出的是其中两个α粒子经历金箔散射过程的径迹,其中正确的是 ()知识清单方法技巧栏目索引 解析金箔中的原子核与α粒子都带正电,α粒子接近原子核过程中受到斥力而不是引力作用,A、D错误;由原子核对α粒子的斥力作用,及物体做曲线运动的条件,知选项B错、C对。 答案C知识清单方法技巧栏目索引分类发射光谱发光物体直接产生的光谱连续谱特点连续分布的包含从红光到紫光各种色光的光谱产生由炽热的固体、液体,高压气体产生线状谱特点只含有一些不连续的亮线的光谱,又称为原子光谱产生由单原子的稀薄气体或金属蒸气产生带状谱特点由一系列光谱带组成产生由分子辐射产生 高温物体发出的白光通过某种物质后,某些波长的光被物质吸收后形成的光谱特点连续光谱的背景上出现一些暗线产生由炽热的物体(或高压气体)发出的白光通过温度较低的气体产生与线状谱的关系各种原子的吸收光谱的暗线和线状谱的亮线相对应,即表明某种原子发出的光和吸收的光的频率是特定的,通常吸收光谱中的暗线比线状谱中的亮线要少一些。这些亮线或暗线称为该原子的特征谱线定义用光栅或棱镜可以把各种颜色的光按波长展开,获得光的波长(频率)和强度分布的记录,即光谱二、光谱知识清单方法技巧栏目索引 概念各种元素都有自己的特征谱线。如果在某种物质的线状谱或吸收谱中出现了若干种元素的特征谱线,表明该物质中含有这种元素的成分,这种对物质进行化学组成的分析和鉴别的方法称为光谱分析优点灵敏、快捷,某种元素在物质中的含量只要有10-10g,就能够从光谱中发现它的特征谱线应用①检测材料纯度②历史上帮助发现新元素③研究天体的物质成分④鉴定文物、食品优劣等知识清单方法技巧栏目索引说明太阳光谱不是连续光谱,而是吸收光谱,是阳光透过太阳高层大气射向地球时,太阳高层大气中含有的元素会吸收它自己特征谱线的光,然后再发射出去,不过这次发射是向四面八方发射。所以到达地球的这些谱线看起来就弱了。这样就形成了明亮背景下的暗线——夫琅和费暗线。与已知元素的光谱相比较,知道太阳中含有钠、镁、铜、锌、镍等金属元素。知识清单方法技巧栏目索引概念在玻尔模型中,原子的可能状态是不连续的,因此各状态对应的能量也是不连续的。这些能量值叫做能级基态与激发态各状态的标号1,2,3…叫做量子数,通常用n表示。能量最低的状态叫做基态,其他状态叫做激发态。基态和激发态的能量分别用E1,E2,E3…代表基态与离核最近的轨道相对应,量子数n=1激发态对应的量子数依次为n=2,3,4…,分别称之为第二能级、第三能级、第四能级……或第一激发态、第二激发态、第三激发态…