高三物理光电效应

要澄清一些易混淆的概念，如“光子”“光电子”“光子的能量”“入射光的强度”“光电子的动能”与“光电子的最大初动能”等，这对理解光电效应的规律具有重要意义。

1.“光子”与“光电子”光子是指光在空间传播时的每一份能量(即能量是不连续的)，光子不带电，是微观领域中的一种粒子；而光电子是金属表面受到光照时发射出来的电子，因此其本质就是电子。

2.“光子的能量”与“入射光的强度”光子的能量是一份一份的，每一份的能量为ε=hν，其大小由光的频率决定；而入射光的强度是指单位时间内入射光中包含光子数的多少，入射光的强度可表示为I=nhν，其中n为单位时间内的光子数。

3.“光电子的最大初动能”与“光电子的动能”光照射到金属表面时，电子吸收光子的能量，只需克服原子核的引力做功就能从金属表面逸出，那么这些光电子具有最大初动能，其值为Ek=hν-W0(式中W0为金属的逸出功)。而不从金属表面发射的光电子，在逸出的过程中损失的能量会更多，所以此时光电子的动能Ek′<Ek。要点一关于对光电效应现象和光电效应规律的理解学案3光电效应原子与原子核1.由于光子的能量是一份一份的，那么金属中的电子也只能一份一份地吸收光子的能量，而且这个传递能量的过程只能是一个光子对一个电子的行为。如果光的频率低于极限频率，则光子提供给电子的能量不足以克服原子的束缚，就不能发生光电效应。

2.而当光的频率高于极限频率时，能量传递给电子以后，电子摆脱束缚要消耗一部分能量，剩余的能量以光电子的动能形式存在，这样光电子的最大初动能Ek=1/2mvm2=hν-W0，其中W0为金属的逸出功，可见光的频率越高，电子的初动能越大。

3.电子一次性吸收光子的全部能量，不需要积累能量的时间，所以光电效应的发生几乎是瞬时的。

4.发生光电效应时，单位时间内逸出的光电子数与光强度成正比，光强度越大意味着单位时间内打在金属上的光子数越多，那么逸出的光电子数目也就越多，饱和光电流也就越大。要点二光子说对光电效应的解释1.氢原子能级对氢原子而言，核外的一个电子绕核运动时，若半径不同，则对应着的原子能量也不同，若使原子电离，外界必须对原子做功，使电子摆脱它与原子核之间的库仑力的束缚，所以原子电离后的能量比原子其他状态的能量都高。我们把原子电离后的能量记为零，即选取电子离核无穷远处时氢原子的能量为零，则其他状态下的能量值就是负的。原子各能级的关系为：En=(n=1,2,3,…)。对于氢原子而言，基态能量：E1=-13.6eV。其他各激发态的能量为：

E2=-3.4eV，E3=-1.51eV……

要点三氢原子能级图3.5-3-12.能级图氢原子的能级图如图3.5-3-1所示。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hν=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hν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，也可以被氢原子吸收，使氢原子电离；当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。一群氢原子处于量子数为n的激发态时，可能辐射出的光谱线条数为N=n(n-1)/2=。

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差值(E=Em-En且m>n)，均可使原子发生能级跃迁。

5.跃迁时电子动能、原子势能与原子能量的变化当轨道半径减小时，库仑引力做正功，原子的电势能Ep减小，电子动能增大，原子能量减小。反之，轨道半径增大时，原子电势能增大，电子动能减小，原子能量增大。要点四氢原子能级跃迁特别提醒：

原子在各能级间跃迁时，所吸收的光子的能量只能等于两能级间的能级差。原子电离时所吸收的光子的能量可以大于或等于某一能级的能量绝对值，即ΔE≥E∞-En。2.γ衰变：γ衰变是伴随着α衰变或β衰变同时发生的，γ衰变不改变原子核的电荷数和质量数。其实质是放射性原子核在发生α衰变或β衰变过程中，产生的新核由于具有过多的能量(核处于激发态)而辐射出光子。要点五核反应类型1.α衰变和β衰变的比较衰变类型α衰变β衰变衰变方程衰变实质2个质子和2个中子结合成一个整体射出中子转化为质子和电子衰变规律电荷数守恒、质量数守恒特别提醒：

(1)核反应过程一般都是不可逆的，所以核反应方程只能用单向箭头表示反应方向，不能用等号连接。

(2)核反应的生成物一定要以实验为基础，不能凭空只依据两个守恒规律杜撰出生成物来写核反应方程。

(3)核反应方程遵循质量数守恒而不是质量守恒；遵循电荷数守恒。3.核反应四种类型比较4.半衰期用N0、m0分别表示衰变前的原子核数目和质量，N、m分别表示衰变后剩余的原子核的数目和质量，τ为半衰期，t表示衰变过程所经历的时间，则2.核能的产生

(1)重核裂变：某些重核分裂成中等质量的核的反应过程，同时释放大量的核能。要使铀235发生链式反应以持续地输出能量，铀块的体积应大于它的临界体积。重核的裂变：如应用：原子弹、核反应堆

(2)轻核聚变：某些轻核结合成质量较大的核的反应过程，同时释放出大量的核能，要想使氘核和氚核结合成氦核，必须达到几百万度以上的高温，因此聚变反应又叫热核反应。轻核的聚变：如。应用：氢弹、可控热核反应。要点六核能的产生和计算特别提醒：

(1)质量数与质量是两个不同的概念。核反应中质量数、电荷数都守恒，但核反应中依然有质量亏损。

(2)爱因斯坦的质能方程反映了原子核质量亏损和释放出核能这两种现象之间的联系，并不表示质量和能量之间的转变关系(即：核反应中的质量亏损，并不是这部分质量消失或质量转化为能量)。质量亏损也不是核子个数的减少，核反应中核子的个数是不变的。

(3)质量亏损并不否定质量守恒定律。1.核能的计算方法

(1)根据爱因斯坦质能方程列式计算：即ΔE=Δmc2(Δm的单位:kg)。

(2)根据1原子质量单位(u)相当于931.5兆电子伏能量，则ΔE=Δm×931.5MeV(Δm的单位:u,1u=1.6606×10-27kg)。【例1】［2009年高考宁夏理综卷］关于光电效应，下列说法正确的是____(填入选项前的字母，有填错的不得分)。

A.极限频率越大的金属材料逸出功越大

B.只要光照射的时间足够长，任何金属都能产生光电效应

C.从金属表面出来的光电子的最大初动能越大，这种金属的逸出功越小

D.入射光的光强一定时，频率越高，单位时间内逸出的光电子数就越多热点一光电效应A【解析】逸出功W=hν0，W∝ν0——极限频率，A正确；只有照射光的频率ν大于等于金属极限频率ν0，才能产生光电效应现象，B错；由光电效应方程Ekm=hν-W知，因ν不确定时，无法确定Ekm与W的关系，C错；光强E=nhν，ν越大，E一定，则光子数n越小，单位时间内逸出的光电子数就越少，D错。【例2】1911年卢瑟福依据α粒子散射实验中少数α粒子发生了

____(选填“大”或“小”)角度散射现象，提出了原子的核式结构模型。若用动能为1MeV的α粒子轰击金箔，其速度约为

_________m/s。(质子和中子的质量均为1.67×10-27kg，

1MeV=1×106eV)热点二原子结构、α粒子散射实验【解析】卢瑟福在α粒子散射实验中发现了大多数α粒子没有大的偏转，少数发生了较大的偏转，卢瑟福抓住了这个现象进行分析，提出了原子的核式结构模型；

1MeV=1×106×1.6×10-19=(1/2)mv2，解得v=6.9×106m/s。大6.9×106【例3】在氢原子光谱中，电子从较高能级跃迁到n=2能级发出的谱线属于巴耳末线系。若一群氢原子自发跃迁时发出的谱线中只有2条属于巴耳末线系，则这群氢原子自发跃迁时最多可发出___条不同频率的谱线。【解析】由于这群氢原子自发跃迁发出的谱线中只有2条属于巴耳末线系，故可判断这群氢原子的最高能级为n=4，画出氢原子谱线示意图(如图3.5-3-2所示)可知，这群氢原子自发跃迁时最多可发出6条不同频率的谱线。热点三氢原子光谱6图3.5-3-2【例4】(1)天然放射性元素经过___次α衰变和___次β衰变，最后变成铅的同位素____。(填入铅的三种同位素、、中的一种)(2)放射性元素的原子核在α衰变或β衰变生成新原子核时，往往会同时伴随

___辐射。已知A、B两种放射性元素的半衰期分别为T1和T2，经过t=T1·T2

时间后测得这两种放射性元素的质量相等，那么它们原来的质量之比

mA:mB=_________。热点四衰变半衰期【解析】(1)设经m次α衰变，由质量数守恒239-207=4m,m=8，据电荷数守恒，设经n次β衰变，94-82=2m-n，所以n=4，铅的同位素为。

(2)放射性元素的原子核在发生α衰变、β衰变时，蕴藏在核内的能量会释放出来，使产生的新核处于高能级，这时它要向低能级跃迁，能量以γ光子的形式辐射出来，因此，γ射线经常是伴随α射线和β射线产生的。设t时间后放射性元素的质量均为m，由衰变规律知：。γ48【例5】［2009年高考天津理综卷］下列说法正确的是()A.是α衰变方程

B.是核聚变反应方程

C.是核裂变反应方程

D.是原子核的人工转变方程【解析】本题考查了几种核反应类型，衰变、聚变、裂变、人工转变的特点要分清，考查学生的理解能力。A为人工核反应，B为核聚变反应，C为α衰变方程，D为人工转变方程，故B、D正确。BD热点五核反应方程【例6】天文学家测得银河系中氦的含量约为25%。有关研究表明，宇宙中氦生成的途径有两条：一是在宇宙诞生后3分钟左右生成的；二是在宇宙演化到恒星诞生后，由恒星内部的氢核聚变反应生成的。

(1)把氢核聚变反应简化为4个氢核()聚变成氦核()，同时放出2个正电子()和2个中微子νe，请写出该氢核聚变反应的方程，并计算一次反应释放的能量；

(2)研究表明，银河系的年龄约为t=3.8×1017s，每秒钟银河系产生的能量约为1×1037J(即P＝

1×1037J/s)。现假定该能量全部来自上述氢核聚变反应，试估算银河系中氦的含量(最后结果保留一位有效数字)；

(3)根据你的估算结果，对银河系中氦的主要生成途径作出判断。(可能用到的数据：银河系质量约为

M＝3×1041kg，原子质量单位1u=1.66×10-27kg,1u相当于1.5×10-10J的能量，电子质量me＝

0.0005u，氦核质量mα=4.0026u，氢核质量mp＝1.0078u，中微子νe质量为零)热点六核能【解析】(1)Δm=4mp-mα-2meΔE=Δmc2=4.14×10-12J。

(2)m==6.1×1039kg

氦的含量ｋ＝ｍ/Ｍ＝(6.1×1039)/(３×1041)≈2%。

(3)由估算结果可知，ｋ≈2%远小于25％的实际值，所以银河系中的氦主要是宇宙诞生后不久生成的。【答案】(1)4.14×10-12J(2)2％

(3)宇宙诞生后不久生成的【例7】一速度为v的高速α粒子()与同方向运动的氖核

()发生弹性正碰，碰后α粒子恰好静止。求碰撞前后氖核的速度(不计相对论修正)。热点七原子核与动量守恒

【解析】设碰撞前后氖核的速度分别为v0、vt由动量守恒和能量守恒，得

mα·v+mNe·v0=mNe·vt

其中mα:mNe=1:5

解方程组，得【答案】；/kdjzhibiao/kdj金叉vgd14wjw代，自由对于女子来说，那本身就是一个遥不可及的梦。“其实，我知道这些想法不可实现，所以我也希望自己活在仁家，有一个温暖完整的家就行了。爹娘都在，弟弟长大之后能入仕为官，只是改朝换代之后，我们仁家是不可能再有一丝光明的了。”说罢，仁玉又从刚才略显欢快的语气中回到一股悲痛之感中。听了这么多，我算是基本了解了仁玉这女生的了。她是个有着一些很好的梦想的女孩，而且热爱家人，是个重亲情的人儿，只是社会的时代背景让她敢想不敢做，最后与命运相碰，选择了结束生命这一条路。听了这么久的话，衣服也差不多甩干了，体力也恢复得差不多了。于是我站起身来，走到仁