人教版高中物理选择性必修第三册第四章原子结构和波粒二象性知识点考点重点难点归纳总结.pdf

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1、第四章原子结构和波粒二象性1.普朗克黑体辐射理论.-1-2.光电效应.-1-3.原子的核式结构模型.-10-4.氢原子光谱和玻尔的原子模型.-17-5.粒子的波动性和量子力学的建立.-25-1.普朗克黑体辐射理论2.光电效应一、能量量子化1.黑体辐射(1)随着温度的升高，一方面，各种波长的辐射强度都有增加,另一方面，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动。(2)维恩和瑞利的理论解释建立理论的基础：依据热力学和电磁学的知识寻求黑体辐射的理论解释。维恩公式：在短波区与实验非常接近,在长波区则与实验偏离很大。瑞利公式：在怅遁区与实验基本一致，但 在 瀛 妪 与 实 验 严 重 不 符，由理论得出的荒谬

2、结果被称为“紫外灾难”。2.能量子(1)普朗克的假设组成黑体的振动着的带电微粒的能量只能是某一最小能量值的整数倍。即能的辐射或者吸收只能是一份一份的。这个不可再分的最小能量值 叫作能量子。(2)能量子公式e=h v,其 中u是电磁波的频率，称为普朗克常量。/?=6.626X 10 3 4J-So(一般取=6.6 3 X 10 3 4J.S)(3)能量的量子化微观粒子的能量是量子化的,或者说微观粒子的能量是分立的。这种现象叫能量的量子化。说明：黑体辐射的电磁波强度按波长的分布只跟黑体温度有关。二 光电效应现象和规律1.光电效应定义照射到金属表面的光，能使金属中的虹从表面逸出的现象。2.光电子光电

3、效应中发射出来的电子。3.光电效应的实验规律(1)截止频率：当入射光的频率减小到某一数值也时，光电流消失，表面已经没有光电子了，心称为截止频率。存在着饱和电流。入射光强度一定，单位时间内阴极K 发射的光电子数二定。入射光越强，饱和电流越大,表明入射光越强，单位时间内发射的光电子数越多。(3)遏止电压：施加反向电压，使光电流减小到0 的反向电压”称为遏止电压。(4)光电效应具有瞬时性：当频率超过截止频率之时，光电效应几乎是瞬时发生的。4.逸出功使电子脱离某种金属所做功的最小值,叫作这种金属的逸出功，用 Wo表示，不同金属的逸出功不同。三 爱因斯坦的光子说及光电效应方程1.光子说(1)内容光不仅在

4、发射和吸收时能量是一份一份的,而且光本身就是由一个个不可分割的能量子组 成 的,频 率 为 u 的光的能量子为 亚，这些能量子称为光子。(2)光子能量公 式 为 =加，其 中 V指光的频率。2.光电效应方程(1)对光电效应的说明在光电效应中，金属中的电子吸收一个光子获得的能量是h v,其中一部分用来克服金属的逸出功死,另一部分为光电子的初动能Ek。(2)光电效应方程Ej=hvWj)o3.对光电效应规律的解释(1)光电子的最大初动能与入射光频率有关，与光的强弱无关。只 有 当hvW0时，才有光电子逸出。(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。(3)对于同种颜色的光，光较强时，包

5、含的光子数较多,照射金属时产生的光电子较多,因而饱和电流较大。说明：光越强，包含的光子数越多，照射金属时产生的光电子就多，因而饱和电流大；入射光的强度，指单位时间照射在金属单位面积上的光子总能量，在入射光频率不变的情况下，光强与光子数成正比；单位时间内发射出来的电子数由光强决定。四、康普顿效应和光子的动量1.康普顿效应在散射的X射线中，除了与入射波长筋相同的成分外，还有波长大于Ao的成分，这个现象称为康普顿效应。2.光子的动量光子不仅具有能量，而且具有动量,公式：p=K考点一对黑体辐射、能量子的理解美国科学家约翰 马瑟和乔治 斯穆特由于发现了宇宙微波背景辐射的黑体形式和各向异性而获得诺贝尔物理

6、学奖。他们的出色工作被誉为是宇宙学研究进入精密科学时代的起点。试探究：(1)黑体的辐射实际上是什么辐射？(2)普朗克对此提出了什么假说？提示：(1)实际是电磁辐射。(2)提出了能量子假说。1.一般物体与黑体的比较热辐射特点吸收、反射特点2.黑体辐射的实验规律一般物体辐射电磁波的情况与温度有关，与材料的种类及表面状况有关既吸收又反射，其能力与材料的种类及入射波长等因素有关黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体的温度有关完全吸收各种入射电磁波，不反射(1)温度一定时，黑体辐射强度随波长的分布有一个极大值。(2)随着温度的升高各种波长的辐射强度都有增加；辐射强度的极大值向波长较短的方向移动。特别提

7、醒热辐射不一定要高温，任何温度的物体都发出一定的热辐射，只是温度低时热辐射弱，温度高时热辐射强；黑体是一个理想化的物理模型，实际不存在；黑体看上去不一定是黑的，有些可看作黑体的物体由于自身有较强的辐射,看起来还会很明亮。3.能量子的有关问题(1)对能量子的理解：物体热辐射所发出的电磁波是通过内部的带电谐振子向外辐射的，谐振子的能量是不连续的，只能是加的整数倍。(2)能量子假说的意义：解决了“紫外灾难”的问题，破除了“能量连续变化”的传统观念。【例1】(多选)黑体辐射的实验规律如图所示，由 图 可 知()A.随温度升高，各种波长的辐射强度都增加B.随温度降低，各种波长的辐射强度都增加C.随温度升

8、高，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动D.随温度降低，辐射强度的极大值向波长较长的方向移动思路点拨：温度升高，各种波长的辐射强度都增加，且极大值向波长短的方向移动；反之亦然。A C D 由图可知，随温度升高，各种波长的辐射强度都增加，且辐射强度的极大值向波长较短的方向移动，当温度降低时，上述变化都将反之，故A、C、D正确，B错误。考点二对光电效应现象的理解教材P 7 3 “思考与讨论”提示：金属表面层内存在一种力，阻碍电子逃逸，当温度不是很高时，大多数电子能量不够大，因此不能大量逸出金属表面。一验电器与锌板相连，如图所示，用一紫外线灯照射锌板，关灯后，验电器指针保持一定偏角。紫外线灯试探究：

9、(1)现用一带负电的金属小球与锌板接触，则验电器指针偏角将怎样变化？(2)使验电器指针回到零，再用相同强度的钠灯发出的黄光照射锌板，验电器指针无偏转。那么，若改用强度更大的红外线灯照射锌板可观察到验电器指针如何偏转？提示：偏角减小。(2)指针不偏转。1.认识几个概念(1)光子与光电子光子指光在空间传播时的每一份能量，光子不带电，光电子是金属表面受到光照射时发射出来的电子，其本质是电子，光子是光电效应的因，光电子是果。(2)光电子的动能与光电子的最大初动能光照射到金属表面时，光子的能量全部被电子吸收，电子吸收了光子的能量,可能向各个方向运动，需克服原子核和其他原子的阻碍而损失一部分能量，剩余部分

10、为光电子的初动能；只有金属表面的电子直接向外飞出时，只需克服原子核的引力做功，才具有最大初动能。光电子的初动能小于或等于光电子的最大初动能。(3)光子的能量与入射光的强度光子的能量即每个光子的能量，其 值 为=hv(v为光子的频率)，其大小由光的频率决定。入射光的强度指单位时间内照射到金属表面单位面积上的总能量，入射光的强度等于单位时间内光子能量与入射光子数的乘积。(4)光电流与饱和光电流金属板飞出的光电子到达阳极，回路中便产生光电流，随着所加正向电压的增大，光电流趋于一个饱和值，这个饱和值就是饱和光电流，在一定的光照条件下，饱和光电流与所加电压大小无关。(5)光的强度与饱和光电流饱和光电流与

11、入射光强度成正比的规律是对频率相同的光照射金属产生光电效应而言的，对于不同频率的光，由于每个光子的能量不同，饱和光电流与入射光强度之间不是简单的正比关系。2.光电效应与经典电磁理论的矛盾(1)矛盾之一：遏止电压由入射光频率决定，与光的强弱无关按照光的经典电磁理论，光越强，光电子的初动能应该越大，所以遏止电压应与光的强弱有关，而实验表明：遏止电压由入射光的频率决定，与光强无关。(2)矛盾之二：存在截止频率按照光的经典电磁理论，不管光的频率如何，只要光足够强，电子都可获得足够的能量从而逸出表面，不应存在截止频率。而实验表明：不同金属有不同的截止频率，入射光频率大于截止频率时才会发生光电效应。(3)

12、矛盾之三：具有瞬时性按照光的经典电磁理论，如果光很弱，电子需几分钟到十几分钟的时间才能获得逸出表面所需的能量。而实验表明：无论入射光怎样微弱，光电效应几乎是瞬时的。【例 2利用光电管研究光电效应实验如图所示，用频率为v 的可见光照射阴极K,电流表中有电流通过，则()A.用紫外线照射，电流表一定有电流通过B.用红光照射，电流表一定无电流通过C.用红外线照射，电流表一定无电流通过D.用频率为u的可见光照射K,当滑动变阻器的滑动触头移到A端时，电流表中一定无电流通过思路点拨：(1)紫外线照射，可以发生光电效应。(2)可见光、红外线照射均不能发生光电效应。A 因紫外线的频率比可见光的频率高，所以用紫外

13、线照射时，电流表中一定有电流通过，选项A正确；因不知阴极K的截止频率，所以用红光或红外线照射时，也可能发生光电效应，选 项B、C错误；即 使UAK=O，电流表中也可能有电流通过，选项D错误。【一题多变】在 例2中，若将电路中的电源正负极对调，其他条件不变。则电路中是否还有电流？若有电流，将滑动触头左右移动，电流表示数如何变化？【提示】电路中不一定有电流。若将触头向A端移动，则电流可能逐渐增大，向8端移动电流可能逐渐减小。关于光电效应的两点提醒(1)发生光电效应时需满足：照射光的频率大于金属的极限频率，即u%，或光子的能量 W)o(2)光电子的最大初动能只与照射光的频率及金属的逸出功有关，而与照

14、射光的强弱无关，强度大小决定了逸出光电子的数目多少。深沉的夜色中，在大海上航行的船舶依靠航标灯指引航道，如图所示是一个考点三对光电效应方程的理解与应用航标灯自动控制电路的示意图。电路中的光电管阴极K涂有可发生光电效应的金属。下表反映的是各种金属发生光电效应的极限频率和极限波长，又知可见光的波长在 400770 nm(l nm=10-9 m)o各种金属发生光电效应的极限频率和极限波长:金属钠锌银粕极限频率(Hz)4.545 X10148.065 X10141.153X10151.529X1015极限波长(/zm)0.660 00.372 00.260 00.196 2试探究：(1)光电管阴极K上

15、应涂有哪种金属？控制电路中的开关S应 接 触“a 还 是“？提示：(1)因为可见光的波长只小于钝的极限波长，所以光电管阴极K上应涂有金属宪。(2)夜晚没有光，不能发生光电效应，但是指示灯亮，知开关S与匕端相连。1.光 电 效 应 方 程=一胸的理解(1)式中的反是光电子的最大初动能，就某个光电子而言，其离开金属时剩余动能大小可以是0取 范围内的任何数值。(2)光电效应方程实质上是能量守恒方程：能 量 为E=h v的光子被电子所吸收，电子把这些能量的一部分用来克服金属表面对它的吸引，另一部分就是电子离开金属表面时的动能。如果克服吸引力做功最少为例)，则电子离开金属表面时动能最大为瓦，根据能量守恒

16、定律可知：Ek=hv Woo(3)光电效应方程包含了产生光电效应的条件：若发生光电效应，则光电子的最大初动能必须大于零，即E k=h v-W o O,亦即 加 Wo,u *=%，而%=詈 恰 好是光电效应的截止频率。(4)Ekm-V图线:如图所示是光电子最大初动能Ekm随入射光频率V的变化图线。这里，横轴上的截距是截止频率或极限频率；纵轴上的截距是逸出功的负值；斜率为普朗克常量。2.光电效应规律中的两条线索、两个关系（1）两条线索：f强度决定着每秒种光源发射的光子数 照射光频率决定着每个光子的能量e=hvn)能级差越大，放出光子的频率就越高。4.使原子能级跃迁的两种粒子光子与实物粒子(1)原子

17、若是吸收光子的能量而被激发，其光子的能量必须等于两能级的能量差，否则不被吸收，不存在激发到能级时能量有余，而激发到+1时能量不足，则可激发到能级的问题。(2)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部分地被原子吸收，所以只要入射粒子的能量大于两能级的能量差值(E=E“一Ek),就可使原子发生能级跃迁。【例3】氢原子的能级图如图所示，已知可见光光子能量范围为1.62 3.11eV o下列说法正确的是()E“/eV2-3.41-13.6A.处于=3能级的氢原子可以吸收任意频率的紫外线，并发生电离B.大量氢原子从高能级向=3能级跃迁时，发出的光中一定包含可见光C.

18、大量处于=2能级的氢原子向基态跃迁时，发出的光子能量较大，有明显的热效应D.大量处于“=4能级的氢原子向低能级跃迁时，只可能发出3种不同频率的光思路点拨：(1)紫外线光子能量若大于1.51 eV则能电离，否则不能。(2)辐射光子能量在1.623.11 eV内则为可见光，红外线有明显的热效应。A 紫外线光子的能量一定大于可见光光子的能量，即一定大于3.11 e V,而从 第3能级电离只需要1.51 eV能量，选 项A正确；从高能级向第3能级跃迁时辐射出光子的能量一定小于1.51 e V,因此不含可见光，选 项B错误；氢原子从第2能级向基态跃迂，辐射光子的能量为10.2 e V,是紫外线，只有红外

19、线才有明显的热效应，选 项C错误；大量氢原子从第4能级向低能级跃迁，能产生6种可能的光子，选项D错误。能级跃迁规律大量处于“激发态的氢原子向基态跃迁时，最多可辐 射 地 产 种 频率的光子。一个处于“激发态的氢原子向基态跃迁时，最多可辐射(-1)种频率的光子。5.粒子的波动性和量子力学的建立一、粒子的波动性和实验验证1.粒子的波动性(1)德布罗意波1924年法国巴黎大学的德布罗意提出假设：实物粒子也具有波动性,每一个运动的粒子都与一个对应的波相联系，这种与实物粒子相联系的波称为德布罗意波，也叫物质波。(2)物质波的波长、频率关系式力=V-2.物质波的实验验证(1)实验探究思路干涉、衍射是波特有

20、的现象，如果实物粒子具有波动性，则在一定条件下，也应该发生干涉或衍射现象。(2)实验验证1927年戴维孙和汤姆孙分别利用晶体做了电子束衍射实验，得到了电子的衍射图样，如图所示，证实了电子的波动性。电子束穿过铝箔后的衍射图样(3)说明人们陆续证实了质子、中子以及原子、分子的波动性。对于这些粒子，德p h布罗意给出的v=会和4=:关系同样正确。宏观物体的质量比微观粒子大得多，运动时的动量很大,对应的德布罗意波的波长很 小,根本无法观察到它的波动性。说明：所有物体都具有波动性和粒子性。二 量子力学的建立与应用1.量子力学的建立(1)普朗克黑体辐射理论、爱因斯坦光电效应理论、康普顿散射理论、玻尔氢原壬

21、理论以及德布罗意物质法假说等一系列理论在解释实验方面都取得了成功。(2)在以玻恩、海森堡、薛定谤以及英国的狄拉克和奥地利的泡利为代表的众多物理学家的共同努力下，描述微观世界行为的理论被逐步完善并最终完整地建立起来，它被称为量子力学。2.量子力学的应用(1)量子力学推动了核物理和粒子物理的发展。(2)量子力学推动了原子、分子物理和光学的发展。(3)量子力学推动了固体物理的发展。我们说光具有波粒二象性，即光有波动性，同时光也具有粒子性，那么哪些现象可以证明光具有波动性？哪些现象证明光具有粒子性？大量光子体现的什么性更强？考点一对光的波粒二象性的理解提示：光的干涉和衍射证明光具有波动性；光电效应、康

22、普顿效应则说明光具有粒子性。大量光子的作用效果往往表现为波动性。1.对光的本性认识史人类对光的认识经历了漫长的历程，从牛顿的光的微粒说到托马斯杨和菲涅耳的波动说，从麦克斯韦的光的电磁说到爱因斯坦的光子说。直 到20世纪初，对于光的本性的认识才提升到一个更高层次，即光具有波粒二象性。对于光的本性认识史，列表如下：学说名微粒说波动说电磁说光子说波粒二象性2.对光的波粒二象性的理解称内容要点光是一群弹性粒子光 是 一种 机 械波光 是 一种 电 磁波光 是 由一 份 一份 光 子组成的光是具有电磁本性的物质，既有波动性又有粒子性理论领域宏观世界宏观世界微观世界微观世界微观世界 特别提醒 大量光子表现

23、出波动性，个别光子表现出粒子性，光具有波粒二项目实验基础表现说明光的波动性干涉和衍射(1)光子在空间各点出现的可能性大小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)少量或个别光子容易显示出光的粒子性(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象性。【例 1】有关光的本性，下列说法正确的是()A.光既具有波动性，又具有粒子性，两种性质是不相容的B.

24、光的波动性类似于机械波，光的粒子性类似于质点C.大量光子才具有波动性，个别光子只具有粒子性D.由于光既具有波动性，又具有粒子性，无法只用其中一种去说明光的一切行为，只能认为光具有波粒二象性思路点拨：(1)光的粒子性与波动性是对立统一的。(2)光表现出粒子性或波动性，只是说明哪一个方面表现得更显著。D 光既具有波动性，又具有粒子性，但它又不同于宏观观念中的机械波和粒子。波动性和粒子性是光在不同情况下的不同表现，是同一客体的两个不同侧面、不同属性，我们无法用其中的一种去说明光的一切行为，只能认为光具有波粒二象性。选项 D正确。(1)光既有波动性又有粒子性，二者是统一的。(2)光表现为波动性，只是光

25、的波动性显著，粒子性不显著而已。(3)光表现为粒子性，只是光的粒子性显著，波动性不显著而已。考点二对物质波的理解(1)1 9 2 7 年戴维森和G.P.汤姆孙分别用单晶和多晶晶体做了电子束衍射实验,得到如图甲的衍射图样，试问该图样证明了什么？甲 乙(2)1 9 6 0 年，约恩孙直接做了电子双缝干涉实验，从屏上摄得了类似杨氏双缝干涉图样的照片，试问这证明了什么？提示：(1)证明电子的波动性。(2)证明电子的波动性。1 .任 何 物 体，小到电子、质子，大到行星、太阳都存在波动性，我们之所以观察不到宏观物体的波动性，是因为宏观物体对应的波长太小。h P2 .物质波波长的计算公式为丸=/，频率公式

26、为丫=余3 .德布罗意假说是光子的波粒二象性的一种推广，使之包括了所有的物质粒子，即光子与实物粒子都具有粒子性，又都具有波动性，与光子对应的波是电磁波，与实物粒子对应的波是物质波。特别提醒一般宏观物体物质波的波长很短，波动性很不明显，难以观察到其衍射现象,如只有利用金属晶格中的狭缝才能观察到电子的衍射图样。例2 如果一个中子和一个质量为1 0 g的子弹都以1 03 m/s的速度运动，则它们的德布罗意波的波长分别是多长？(中子的质量为1.6 7 X 1 0-2 7女 的思路点拨：(1)据公式p=ao计算出它们的动量。据 寸 算 出 波长。解析 中子的动量为p i=a m子弹的动量为p2=m2Vh

27、据2=/知中子和子弹的德布罗意波的波长分别为,h.hA i=,h=P l P 2,h h联立以上各式解得：丸1=m2二V，2=nt2TV将2 1 =1.6 7*1 0-2 7 1 ,I X 1()3 m/s,/?=6.6 3 X 1 0-3 4 J-s,m2=1.0 X 1 0 2 k g代入上面两式可解得九-4.0 X 1 0 r m,方=6.6 3 X I 0-3 5 m。答案4.0 X 1 0-m 6.6 3 X 1 0-3 5 m宏观物体波动性的三点提醒(1)一切运动着的物体都具有波动性，宏观物体观察不到其波动性，但并不能否定其波动性。(2)要注意大量光子、个别光子、宏观物体、微观粒子等相关概念的区别。(3)在宏观世界中，波与粒子是对立的概念；在微观世界中，波与粒子可以统