高考物理大一轮复习 第十二章 原子与原子核（第1课时）波粒二象性 能级跃迁课件.ppt

第十二章原子与原子核 统计考情 有的放矢明考情 第1课时波粒二象性能级跃迁 回扣教材 考点扫描 真题在线 回扣教材 梳理知识夯基础 知识整合 一 光电效应1 定义照射到金属表面的光 能使金属中的从表面逸出的现象 2 光电子中发射出来的电子 3 光电效应规律 1 每种金属都有一个截止频率 入射光的频率必须这个截止频率才能产生光电效应 低于这个频率的光不能产生光电效应 2 光电子的最大初动能与入射光的无关 只随入射光频率的增大而 3 光电效应的发生的 一般不超过10 9s 4 当入射光的频率大于截止频率时 饱和光电流的强度与入射光的强度成 电子 光电效应 大于 强度 增大 几乎是瞬时 正比 4 用光电管研究光电效应 1 光电效应电路图 2 光电流与饱和电流 入射光强度 入射到金属表面单位面积上的能量 频率一定时 越大 光子数越多 光电流 光电子在电路中形成的电流 光电流有最大值 未达到最大值以前 其大小和 都有关 达到最大值以后 光电流和成正比 饱和电流 在的光照射下的最大光电流 饱和电流不随电路中的增大而增大 单位时间内 光强 光强 电压 光强 一定频率与强度 电压 二 爱因斯坦光电效应方程1 光子说在空间传播的光是不连续的 而是一份一份的 每一份叫做一个光的能量子 简称光子 光子的能量 其中h 6 63 10 34j s 称为普朗克常量 2 逸出功w0使电子脱离某种金属所做功的 3 最大初动能发生光电效应时 金属表面上的吸收光子后克服原子核的引力逸出时所具有的动能的最大值 4 遏止电压与截止频率 1 遏止电压 使光电流减小到零的反向电压uc 2 截止频率 能使某种金属发生光电效应的频率叫做该种金属的截止频率 又叫极限频率 不同的金属对应着不同的截止频率 h 最小值 电子 最小 5 爱因斯坦光电效应方程 1 表达式 ek h 2 物理意义 金属表面的电子吸收一个光子获得的能量是h 这些能量的一部分用来克服金属的 剩下的表现为逸出后光电子的最大初动能ek 三 光的波粒二象性与物质波1 光的波粒二象性 1 光的干涉 衍射 偏振现象证明光具有性 2 光电效应现象说明光具有性 3 光既具有波动性 又具有粒子性 称为光的性 2 物质波 1 概率波光的干涉现象是大量光子的运动遵守波动规律的表现 亮条纹是光子到达概率的地方 暗条纹是光子到达概率的地方 因此光波是一种概率波 w0 逸出功w0 波动 粒子 波粒二象 大 小 2 物质波任何一个运动着的物体 小到微观粒子大到宏观物体都有一种波与它对应 其波长 p为运动物体的动量 h为普朗克常量 四 光谱1 光谱用光栅或棱镜可以把光按波长展开 获得光的 频率 和强度分布的记录 即 2 光谱分类有些光谱是一条条的 这样的光谱叫做线状谱 有的光谱是连在一起的 这样的光谱叫做连续谱 3 氢原子光谱的实验规律巴耳末系是氢原子光谱在可见光区的谱线 其波长公式 n 3 4 5 r是里德伯常量 r 1 10 107m 1 n为量子数 波长 光谱 亮线 光带 五 氢原子的能级结构 能级公式1 玻尔理论 1 定态 原子只能处于一系列的能量状态中 在这些能量状态中原子是的 电子虽然绕核运动 但并不向外辐射能量 2 跃迁 原子从一种定态跃迁到另一种定态时 它辐射或吸收一定频率的光子 光子的能量由这两个定态的能量差决定 即h h是普朗克常量 h 6 63 10 34j s 3 轨道 原子的不同能量状态跟电子在不同的圆周轨道绕核运动相对应 原子的定态是的 因此电子的可能轨道也是的 2 氢原子的能级 能级公式 1 氢原子的能级能级图如图所示 不连续 稳定 em en 不连续 不连续 2 氢原子的能级和轨道半径 氢原子的能级公式 en n 1 2 3 其中e1为基态能量 其数值为e1 氢原子的半径公式 rn n 1 2 3 其中r1为基态半径 又称玻尔半径 其数值为r1 0 53 10 10m 13 6ev n2r1 问题思考 1 把一块锌板连接在验电器上 并使锌板带负电 验电器指针张开 用紫外线灯照射锌板 观察到验电器指针张角减小至闭合 选修3 5p30图17 2 1 1 如果紫外线的强度增加 将对光电效应产生什么结果 2 金属a在一束绿光照射下恰能发生光电效应 现用紫光或红光照射时 能否发生光电效应 解析 1 紫外线的强度增强 单位时间内发射的光电子的数目增多 2 紫光的频率比绿光的大 紫光照射金属a时会发生光电效应 红光的频率比绿光的小 红光照射金属a时不会发生光电效应 答案 1 单位时间内发射的光电子数目增多 2 紫光照射时会发生光电效应 红光照射时不会发生光电效应 2 如图所示是氢原子的能级图 选修3 5p58图18 4 2 1 请用玻尔理论解释为什么原子的发射光谱都是一些独立的亮线 2 如果大量的氢原子处在n 3的能级 会辐射出几种频率的光 其中波长最短的光是在哪两个能级之间跃迁时发生的 其中光子的能量最大是多大 解析 1 原子从高能态向低能态跃迁时放出的光子的能量等于前后两个能级的能量差 由于原子的能级是分立的 所以放出的光子的能量也是分立的 因此原子的发射光谱只有一些分立的亮线 2 处在n 3能级的氢原子会在能级3与1 能级3与2 能级2与1之间跃迁 会辐射出3种频率的光 其中波长最短的光也是能量最大的光 在能级3与1之间跃迁产生 e 1 51ev 13 6ev 12 09ev 答案 1 见解析 2 3种能级3与能级112 09ev 考点扫描 重点透析通热点 考点一对光电效应的理解 要点透析 1 光电效应的实质光子照射到金属表面 某个电子吸收光子的能量使其动能变大 当电子的动能增大到足以克服原子核的引力时 便飞出金属表面成为光电子 2 截止频率的实质光子的能量和频率有关 而金属中电子克服原子核引力需要的能量是一定的 光子的能量必须大于金属的逸出功时才能发生光电效应 这个能量的最小值等于这种金属对应的逸出功 所以每种金属都有一定的截止频率 3 对光电效应瞬时性的理解光照射到金属上时 电子吸收光子的能量不需要积累 吸收的能量立即转化为电子的能量 因此电子对光子的吸收十分迅速 4 对光电效应规律的解释 5 光电效应的研究思路 1 两条线索 2 两条对应关系 通过频率分析 光子频率高 光子能量大 产生光电子的最大初动能大 通过光的强度分析 入射光强度大 光子数目多 产生的光电子多 光电流大 典例突破 例1 2016 山东莱芜质检 入射光照射到某金属表面上发生光电效应 若入射光的强度减弱 而频率保持不变 那么 a 从光照至金属表面上到发射出光电子之间的时间间隔将明显增加b 逸出的光电子的最大初动能将减小c 单位时间内从金属表面逸出的光电子数目将减少d 有可能不发生光电效应 解析 光电效应瞬时 10 9s 发生 与光强无关 选项a错误 能否发生光电效应 只取决于入射光的频率是否大于截止频率 与光强无关 选项d错误 对于某种特定金属 光电子的最大初动能只与入射光频率有关 入射光频率越大 最大初动能越大 选项b错误 光电子数目多少与入射光强度有关 光强减弱 逸出的光电子数目减少 选项c正确 答案 c 题后反思 光电效应现象的本质 1 光电效应是发生在金属表面的现象 2 不管是否发生光电效应 金属表面的电子都只吸收一个光子 不能同时吸收两个光子 3 逸出功是克服金属表面做功的最小值 4 光电子的速度是不确定的 但有最大值 即最大初动能 5 光的强度简称为光强 光强 光子数 h 1 光电效应产生的条件 2016 山东威海质检 多选 光电效应的实验结论是 对某种金属 a 无论光强多强 只要光的频率小于截止频率就不能发生光电效应b 无论光的频率多低 只要光照时间足够长就能发生光电效应c 超过截止频率的入射光强度越弱 所产生的光电子的最大初动能就越小d 超过截止频率的入射光频率越高 所产生的光电子的最大初动能就越大 即时巩固 解析 每种金属都有它的截止频率 只有入射光的频率大于截止频率时 才会发生光电效应 且入射光的强度越大产生的光子数越多 光电流越强 由光电效应方程 可知入射光的频率越大 产生的光电子的最大初动能也越大 与入射光的强度无关 所以选项a d正确 ad 解析 换波长为 2的单色光照射时 只要光的频率大于截止频率 就可以发生光电效应 但光电流与照射光的强度有关 光电流不一定比前次小 选项a d错误 光电效应发生的时间极短 选项b正确 若电源正 负极反接 只要ek qu 电路中仍有光电流 选项c正确 2 导学号00622792 光电管 多选 如图所示是光电管的工作原理电路图 一束波长为 1的单色光照射到光电管的阴极 电路中产生了光电流 下列判断正确的是 a 若另一束波长为 2的单色光 2 1 照射到光电管的阴极时 电路中也可能产生光电流 但光电流肯定比前次小b 若电路中产生光电流时 光电流几乎跟光照射同时发生c 若电路中电源的正 负极反接后 电路中仍可能有光电流d 入射光的强度一定时 电路中光电流的大小随电压的增大而持续增大 bc 3 光电效应的规律 2016 全国 卷 35 多选 现用某一光电管进行光电效应实验 当用某一频率的光入射时 有光电流产生 下列说法正确的是 a 保持入射光的频率不变 入射光的光强变大 饱和光电流变大b 入射光的频率变高 饱和光电流变大c 入射光的频率变高 光电子的最大初动能变大d 保持入射光的光强不变 不断减小入射光的频率 始终有光电流产生e 遏止电压的大小与入射光的频率有关 与入射光的光强无关 ace 解析 由于用某一频率的光入射时有光电流产生 保持入射光频率不变 当入射光的光强变大 则入射光子增加 产生的光电子增加 则饱和光电流变大 饱和光电流与光强有关 与入射光频率无关 根据光电效应方程ek h w0可知 入射光频率变大则最大初动能变大 若入射光频率减小 小于截止频率时不能产生光电效应 遏止电压uc与最大初动能ek关系为ek euc 而ek与 有关 与光强无关 则uc也与 有关而与光强无关 选项a c e正确 考点二光电效应方程的应用及图像分析 要点透析 1 三个关系 1 爱因斯坦光电效应方程ek h w0 2 光电子的最大初动能ek可以利用光电管用实验的方法测得 即ek euc 其中uc是遏止电压 3 光电效应方程中的w0为逸出功 它与金属的截止频率 c的关系是w0 h c 2 四类图像 典例突破 例2 2016 河北邢台质检 如图 甲 合上开关 用光子能量为2 5ev的一束光照射阴极k 发现电流表读数不为零 调节滑动变阻器 发现当电压表读数小于0 60v时 电流表读数仍不为零 当电压表读数大于或等于0 60v时 电流表读数为零 把电路改为图 乙 当电压表读数为2v时 则逸出功及电子到达阳极时的最大动能为 a 1 5ev0 6evb 1 7ev1 9evc 1 9ev2 6evd 3 1ev4 5ev 核心点拨 解答本题时可按以下思路分析 答案 c 题后反思求解光电效应问题应抓住的三个关系式 1 爱因斯坦光电效应方程 ek h w0 2 最大初动能与遏止电压的关系 ek euc 3 逸出功与截止频率的关系 w0 h c h 即时巩固 1 导学号00622793 i u图像 在光电效应实验中 某同学用同一光电管在不同实验条件下得到了三条光电流与电压之间的关系曲线 甲光 乙光 丙光 如图所示 则可判断出 a 甲光的频率大于乙光的频率b 乙光的波长大于丙光的波长c 乙光对应的截止频率大于丙光对应的截止频率d 甲光对应的光电子最大初动能大于丙光对应的光电子最大初动能 b 解析 由图像知 甲 乙光对应的遏止电压相等 由euc ek和ek h w0 得甲 乙光频率相等 选项a错误 丙光的频率大于乙光的频率 则丙光的波长小于乙光的波长 选项b正确 由h c w0 得甲 乙 丙光对应的截止频率相同 选项c错误 由光电效应方程知 甲光对应的光电子最大初动能小于丙光对应的光电子最大初动能 选项d错误 2 ek 图像 2016 甘肃武威模拟 多选 如图是某金属在光的照射下产生的光电子的最大初动能ek与入射光频率 的关系图像 由图像可知 a 该金属的逸出功等于eb 该金属的逸出功等于h cc 入射光的频率为2 c时 产生的光电子的最大初动能为e abc 3 uc 图像 2015 全国 卷 35 在某次光电效应实验中 得到的遏止电压uc与入射光的频率 的关系如图所示 若该直线的斜率和截距分别为k和b 电子电荷量的绝对值为e 则普朗克常量可表示为 所用材料的逸出功可表示为 答案 ek eb 考点三光的波粒二象性物质波 1 对光的波粒二象性的理解 1 从数量上看 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 2 从频率上看 频率越低波动性越显著 越容易看到光的干涉和衍射现象 频率越高粒子性越显著 贯穿本领越强 越不容易看到光的干涉和衍射现象 3 从传播与作用上看 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 2 物质波 1 定义 任何运动着的物体都有一种波与之对应 这种波叫做物质波 也叫德布罗意波 典例突破 例3 多选 关于物质的波粒二象性 下列说法中正确的是 a 不仅光子具有波粒二象性 一切运动的微粒都具有波粒二象性b 运动的微观粒子与光子一样 当它们通过一个小孔时 都没有特定的运动轨道c 波动性和粒子性 在宏观现象中是矛盾的 对立的 但在微观高速运动的现象中是统一的d 实物的运动有特定的轨道 所以实物不具有波粒二象性 解析 光具有波粒二象性是微观世界具有的特殊规律 大量光子运动的规律表现出光的波动性 而单个光子的运动表现出光的粒子性 光的波长越长 波动性越明显 光的频率越高 粒子性越明显 而宏观物体的德布罗意波长太小 实际很难观察到波动性 不是不具有波粒二象性 d项错误 答案 abc 误区警示波粒二象性的 三个易错点 1 光子表现为波动性 并不否认光子具有粒子性 2 宏观运动物体也具有波动性 3 微观粒子的波动性与机械波不同 微观粒子的波是概率波 1 光的波粒二象性的理解 用很弱的光做双缝干涉实验 把入射光减弱到可以认为光源和感光胶片之间不可能同时有两个光子存在 如图所示是不同数量的光子照射到感光胶片上得到的照片 这些照片说明 a 光只有粒子性没有波动性b 光只有波动性没有粒子性c 少量光子的运动显示波动性 大量光子的运动显示粒子性d 少量光子的运动显示粒子性 大量光子的运动显示波动性 即时巩固 解析 由这些照片可以看出 少量光子的运动显示粒子性 大量光子的运动呈现出波动性 故选项d正确 d 2 导学号00622794 波粒二象性 2015 全国 卷 35 多选 实物粒子和光都具有波粒二象性 下列事实中突出体现波动性的是 a 电子束通过双缝实验装置后可以形成干涉图样b 射线在云室中穿过会留下清晰的径迹c 人们利用慢中子衍射来研究晶体的结构d 人们利用电子显微镜观测物质的微观结构e 光电效应实验中 光电子的最大初动能与入射光的频率有关 与入射光的强度无关 解析 电子束通过双缝产生干涉图样 体现的是波动性 a正确 射线在云室中留下清晰的径迹 不能体现波动性 b错误 衍射体现的是波动性 c正确 电子显微镜利用了电子的波动性来观测物质的微观结构 d正确 光电效应体现的是光的粒子性 e错误 acd 3 物质波 如果一个电子的德布罗意波长和一个中子的相等 则它们的也相等 a 速度b 动能c 动量d 总能量 解析 根据 如果一个电子和一个中子的德布罗意波长相等 则它们的动量大小相等 选项c正确 答案 c 考点四能级跃迁及光谱分析 1 能级 3 电势能 通过库仑力做功判断电势能的增减 当轨道半径减小时 库仑力做正功 电势能减小 反之 轨道半径增大时 电势能增加 2 玻尔理论 1 原子从低能级向高能级跃迁 吸收一定能量的光子 当一个光子的能量满足h e末 e初时 才能被某一个原子吸收 使原子从低能级e初向高能级e末跃迁 而当光子能量h 大于或小于e末 e初时都不能被原子吸收 2 原子从高能级向低能级跃迁 以光子的形式向外辐射能量 所辐射的光子能量恰等于发生跃迁时的两能级间的能量差 3 当光子能量大于或等于13 6ev时 也可以被处于基态的氢原子吸收 使氢原子电离 当处于基态的氢原子吸收的光子能量大于13 6ev 氢原子电离后 电子具有一定的初动能 4 原子还可吸收外来实物粒子 例如自由电子 的能量而被激发 由于实物粒子的动能可全部或部分地被原子吸收 所以只要入射粒子的能量大于或等于两能级的能量差值 e em en 就可使原子发生能级跃迁 特别提醒原子跃迁时 不管是吸收还是辐射光子 其光子的能量都必须等于这两个能级的能量差 若想把处于某一定态上的原子的电子电离出去 就需要给原子一定的能量 处于基态的氢原子的电离能为13 6ev 而处于某能级en的氢原子的电离能为 en 3 光谱的分类 典例突破 例4 如图为氢原子能级的示意图 现有大量的氢原子处于n 4的激发态 当向低能级跃迁时辐射出若干不同频率的光 关于这些光下列说法正确的是 a 最容易表现出衍射现象的光是由n 4能级跃迁到n 1能级产生的b 频率最小的光是由n 2能级跃迁到n 1能级产生的c 这些氢原子总共可辐射出3种不同频率的光d 用n 2跃迁到n 1能级辐射出的光照射逸出功为6 34ev的金属铂能发生光电效应 答案 d 题后反思氢原子跃迁产生谱线的条数当一群氢原子处于某个能级向低能级跃迁时 可能产生的谱线条数为 当一个氢原子处于某个能级向低能级跃迁时 最多可产生的谱线条数为 n 1 若氢原子从高能级向某一确定的低能级跃迁 只能产生一条谱线 1 能级跃迁和氢原子光谱 2016 山东淄博诊断 多选 如图所示是氢原子的能级图 大量处于n 4激发态的氢原子向低能级跃迁时 一共可以辐射出6种不同频率的光子 其中巴耳末系是指氢原子由高能级向n 2能级跃迁时释放的光子 则下列说法正确的是 a 6种光子中波长最长的是n 4激发态跃迁到基态时产生的b 6种光子中有2种属于巴耳末系c 使n 4能级的氢原子电离至少要0 85ev的能量d 从n 2能级跃迁到基态释放光子的能量小于n 3能级跃迁到n 2能级释放光子的能量 即时巩固 解析 6种光子中波长最长的对应着能级差最小的跃迁 即是n 4激发态跃迁到n 3时产生的 选项a错误 因为巴耳末系是指氢原子由高能级向n 2能级跃迁时释放的光子 故只有由n 4到n 2和由n 3到n 2两种 即6种光子中只有2种属于