高二物理原子光谱与物质波知识精讲 人教版

高二物理原子光谱与物质波知识精讲 人教版

高二物理原子光谱与物质波知识精讲 人教版 ‎ 一. 本周教学内容：‎ 高三新课：原子光谱与物质波 二. 知识要点：‎ ‎（一）原子光谱 ‎1. 原子光谱：稀薄气体通电后能发光产生的光谱，不过这种光谱不连续，只有几条分立的亮线（频率确定的几条光），不同气体，亮线位置，条数不同，所以叫原子光谱。‎ 原子光谱能表征元素原子的特征，它包括明线光谱和吸收光谱。‎ ‎2. 光谱分析：利用光谱确定样品中包含的元素，也能确定遥远星球上物质成分。‎ ‎（二）物质波 ‎1. 两类物质 实物：质子、电子以及原子、分子等都是实物粒子 场：如电场、磁场以及引力场等都是场 ‎2. 物质波：‎ 物质波：德布罗意认为：任何一个运动的物体，小到电子、质子、大到行星、太阳，都有一种波和它相对应，波长是：。‎ ‎ 根据上述计算。宏观物体的德布罗意波长太小，所以，很难观察到它们的波动性。‎ 微观粒子的情况不同，可以找到与其波长差不多的孔、如晶体的晶格，电子通过晶格的衍射图样的实验成功，证实了德布罗意波的论断正确。‎ 注：‎ ‎（1）德布罗意波是一种假设。后来被实验证实这种假设是正确的。‎ ‎（2）德布罗意波证实了实物粒子也具有波动性，说明波粒二象性也适用于运动着的微观粒子。‎ ‎（3）物质波是一种概率波。‎ ‎3. 牛顿力学的局限性 客观领域里，只要知道物体在某一时刻的位置，速度和受力情况，就可用牛顿定律计算出它这一时刻的速度、位置。‎ 微观领域内，粒子的位置是测不准的，实物粒子在空间的位置的分布概率是受波动规律支配的。‎ 牛顿定律是在研究宏观物体的低速运动的基础上总结出来的，只适用于宏观的、低速运动的物体，对于微观的、高速运动的物体就不适用了。‎ 说明：研究微观粒子的运动规律用量子力学，研究高速运动的物体用相对论力学。‎ ‎（三）原子的核式结构、原子核 ‎1. 原子的核式结构的发现 ‎（1）电子的发现：汤姆生发现电子，电子是原子的组成部分。‎ ‎（2）汤姆生原子模型（枣糕模型）：原子是一个球体，正电荷均匀分布，电子像枣糕里的枣子嵌在原子里。‎ ‎（3）粒子散射实验：‎ 实验结果是：① 绝大多数的粒子不发生偏转；② 少数粒子发生了较大偏转；③ 极少数粒子出现大角度的偏转（甚至被反弹回来），实验结果与汤姆生模型推算出来的结果根本不符合。‎ ‎2. 卢瑟福原子模型（核式结构模型）‎ 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空间里绕核旋转，原子的核式结构学说可圆满解释粒子散射实验。‎ ‎3. 原子和原子核的大小：原子核大小约，原子的半径约。‎ ‎4. 原子核的组成 ‎（1）质子：1919年卢瑟福用粒子轰击氮核，打出一种粒子，并测定了电荷量与质量，知道它是氢原子核，把它叫做质子。‎ ‎（2）中子：因为原子核的质量与质子质量比大于核电荷数与质子电荷数之比，卢瑟福预言核内还有另一种不带电的质量与质子相等的粒子称为中子。‎ 核子：质子、中子统称为核子 核电荷数=质子数=核外电子数 核质量数=质子数+中子数 同位素：具有相同的质子数而中子数不相同的原子，互称同位素，如、、都是氢的同位素，核符号。 ——核内质子数 ——核质量数=质子数+中子数 ‎（四）放射性同位素的应用、衰变、放射性同位素的应用 ‎1. 天然放射现象 ‎（1）放射性和放射性元素：物质发射某种看不见的射线的性质叫放射性，具有放射性的元素叫放射性元素，元素具有自发地放出射线的现象叫天然放射现象。‎ ‎（2）射线的偏转实验：带正电的为射线、带负电的为射线，不带电的为射线。‎ ‎2. 放射线的性质 ‎（1）射线：是速度约为光速十分之一的氦核流。电离本领大，贯穿力小；‎ ‎（2）射线：是接近光速的高速电子流。电离本领较小，贯穿力较大。‎ ‎（3）射线：是波长极短的光子流。电离作用很小，贯穿能力很大。‎ ‎3. 放射性元素的衰变 ‎（1）衰变：原子核由于放出某种粒子而转变为新核的变化称为衰变。‎ ‎（2）衰变规律：‎ ‎① 衰变：（新核比原核质量数减4，电荷数减2）‎ ‎② 衰变：（新核和原核质量数不变，电荷数加1）‎ 注意：衰变方程中两边的质量数和电荷数都守恒。‎ ‎4. 半衰期 ‎（1）半衰期：有半数原子核发生了衰变所用的时间，由元素本身性质所决定。‎ ‎（2）衰变规律：或，其中。（不要求计算有关半衰期的问题）（式中：、为衰变后剩余的原子核数和质量，、为衰变前原子核数和质量，为半衰期个数，是所用时间）。‎ 注：一种元素的半衰期与这种元素是以单质形式还是以化合物形式存在，或者加压，增温均不可改变。‎ ‎5. 放射性同位素 ‎（1）正电子的发现：‎ ‎（2）放射性同位素：具有放射性的同位素。‎ ‎（3）放射性同位素的应用：① 利用它的射线作探测和辐照等；② 作为示踪原子。‎ 三. 光谱和光谱分析中的几个问题：‎ ‎（一）如果原子的能级是不连续的，连续光谱又从何而来？‎ 气体、液体和固体，在压强很大、密度很高时，由于原子、分子之间的相互作用很强，导致原子、分子的能级分裂，派生出许多新能级。这些能级非常接近，且原子、分子数目越多，能级越密，几乎连续，以至可认为是连续光谱。‎ 有些连续光谱可能是分子的贡献。分子光谱是由几个不连续的光谱带组成的，每个光谱带是连续的。这些连续的分子光谱带又是如何形成的呢？原子、分子在两个能级E1与E2间跃迁时，产生的光子频率为。对分子而言，与中任何一个的数值可连续变化，所以的数值也将连续变化，从而产生连续光谱。‎ ‎（二）为什么稀薄气体或金属蒸汽发射明线光谱？‎ 由于稀薄气体和金属蒸汽中的原子处于游离状态，在这种情况下，原子基本上是独立和自由的。因为原子能级的不连续性，所以发出的光就形成由一些不连续的亮线组成的光谱，这就是明线光谱。‎ ‎（三）吸收光谱是如何产生的？‎ 当白光通过物质时，某些频率的光子被电子吸收，电子吸收光子的能量后跃迁到激发态，处于激发态的电子有的可通过与其他原子碰撞使电子的动能转化为热能而不发射光子；有的则可发出某种频率的光。因此，白光通过物质后就少了某些频率的光子从而形成了暗线，即吸收光谱。‎ ‎（四）为什么同一物质吸收光谱线比线状谱线少？‎ 由于吸收光谱往往是电子从单一的基态跃迁到激发态形成，而发射光谱则是由每一个较高激发态向所有的较低能级（包括基态）跃迁，所以吸收光谱的谱线少于线状光谱的谱线。‎ ‎（五）为何线状谱线和吸收光谱线都是原子的特征谱线？‎ 实验证明，每种元素的原子都有一定的明线光谱，即每种原子只能发出具有本身特征的某些波长的光，因此，线状谱线叫做原子的特征谱线。各种原子的吸收光谱中的每一条暗线，都跟该种原子的明线光谱中的一条明线相对应，这就表明，低温气体原子吸收的光，恰好就是这种原子在高温时发出的光。所以，吸收光谱中的暗线，也是原子的特征谱线。‎ ‎（六）为什么太阳光谱中的暗线不是地球大气吸收的结果？‎ 物质发出的光，只有通过低温（相对而言）物质时，才能被物质吸收。从太阳内部发出的白光温度高于太阳表面大气的温度，所以当阳光穿过太阳大气层时，某些频率的光子就被太阳大气层中所含的元素吸收了。但当阳光通过宇宙空间传到地球表面的大气层中，比较而言，地球大气不算是低温气体，所以太阳光在通过地球大气层时不会被吸收。‎ ‎【典型例题】‎ ‎[例1] 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小 D. 有可能不发生光电效应 分析：发生光电效应几乎是瞬时的，跟入射光的强度无关。故A错误。能否发生光电效应，与入射光的强度无关，只要入射光的频率大于极限频率即可。故D错误。‎ 光电子的最大初动能跟入射光的频率有关，跟入射光的强度无关。故B错误。‎ 入射光强度减弱，即入射光子数减少，入射光子与逸出光电子是一对一的关系，所以逸出的光电子数也减少，故C正确。‎ 答案：C 说明：该题的关键是记住光电效应的实验规律，清楚入射光的强度与什么因素有关，与什么因素无关，及在什么条件下产生光电效应现象。‎ ‎[例2] 两束与主光轴距离相等的蓝光A和红光B，平行于主光轴射向凸透镜，如图1所示，这两束光经透镜折射后相交于某一点。则（ ）‎ A. 相交点在主光轴的下方 B. 相交点在主光轴的上方 C. 蓝光在透镜玻璃中的速度比红光大 D. 在透镜玻璃中红光的光子能量比蓝光小 分析：因红光经透镜的偏折角小于蓝光的偏折角，所以焦距，即相交点在主光轴的下方，故A正确。又因折射率，根据公式得 ‎，故C错误。频率，根据知，故D正确。‎ 答案：A、D。‎ 说明：平行光经透镜折射后折射线与主光轴的相交点即为焦点，由偏折角的大小得。对于不同色光在同一介质中的折射率不同，且偏折角小的，折射率小，该点需记住。‎ ‎[例3] 已知每秒钟从太阳射到地球的垂直于太阳光的每平方米截面上的辐射能为J。其中可见光部分约占45%。假设认为可见光的波长均为，太阳向各个方向的辐射是均匀的，日地间距离，普朗克常数。由此可估算出太阳每秒钟辐射出的可见光的光子数约为 。（只要求二位有效数字）‎ 分析：太阳向各个方向辐射能量，实质上是以太阳为球心的球面向前推进。计算出太阳每秒辐射出的能量E，根据题意有：，即可求出太阳每秒钟辐射出的可见光的光子数。‎ 解答：太阳每秒钟辐射出来的能量 根据题意有：‎ 故（个）个 说明：该题的关键是把太阳向各个方向辐射能量看作以太阳为球心的球面向前的推进。‎ ‎[例4] 根据玻尔理论，在氢原子中，量子数越大，则（ ）‎ A. 电子轨道半径越小 B. 核外电子速度越小 C. 原子能级的能量越小 D. 原子的电势能越小 分析：由知越大，越大。所以A错误。根据库仑定律和圆周运动知识有：可见越大越小，故B正确。由而，可见越大，越大，故C错误。根据电子由离核近的轨道向离核远的轨道跃迁，克服电场力做功，故电势能增大。所以D错误。‎ 答案：B。‎ 说明：在氢原子中，量子数与氢原子核外电子做圆周运动的轨道是相对应的，量子数越大，电子运动的轨道离核越远。而电子绕核做圆周运动的向心力就是由原子核对电子的静电引力提供的。当增大时，静电引力变小，所以电子的速度变小。在氢原子中，原子的能量是由电子的动能和电势能共同决定的，电势能为负值，电势能的绝对值为电子动能的两倍，氢原子的总能量为负值，当增大时，电势能增大，动能减小，原子的总能量增大（这时需要吸收光子）。‎ ‎[例5] 图2给出氢原子最低的四个能级，氢原子在这些能级之间跃迁所辐射的光子的频率最多有 种，其中最小的频率等于 Hz（保留两位有效数字）。‎ 分析：原子从激发态向基态或向较低的激发态跃迁辐射光子，由数学知识得辐射种光子，再由，即可求得最小频率。‎ 解答：根据数学知识有：种 由。得最小频率 说明：‎ 从能级图可以看出，原子要辐射光子，原子必须从激发态向基态或者向较低的激发态跃迁才能辐射光子，所以从数学知识可得辐射种的光子，而光子的能量是由光的频率决定的，要找出最小频率的光子，两个能级之间的能量差最小，根据，即可算出该光子的最小频率。‎ ‎【模拟试题】‎ ‎1. 关于量子的概念，正确的理解应该是（ ）‎ A. 量子论中的“量子”，实际上是指“微粒”的意思 B. 量子论中的“量子”，正确的理解应该是“不连续”的意思 C. 爱因斯坦在普朗克“能量子”概念的基础上提出了光子的概念 D. 玻尔在研究原子结构中，引入了轨道量子化和能量量子化的概念 ‎2. 用某一波长的单色光照射某种金属时，没有发生光电效应，要发生光电效应，可采取的办法有（ ）‎ A. 增长光的照射时间 B. 改用波长更短的色光照射 C. 改用波长更长的色光照射 D. 保持原照射色光的波长和照射时间都不变，只要增强照射光的强度即可 ‎3. 两束能量相同的色光，都垂直地照射在物体的表面上，第一束光在某段时间内打在物体表面上的光子数与第二束光在相同的时间内打在物体表面上的光子数之比为4:5，则这两束光的光子能量比及波长比为（ ）‎ A. 5:4，4:5 B. 4:5，4:‎5 C. 5:4，5:4 D. 4:5，5:4‎ ‎4. 用频率相同，但强度不同的两束紫外线分别去照射两种不同的金属，结果都发生了光电效应，则（ ）‎ A. 用强度大的紫外线照射的那种金属，逸出的光电子的最大初动能一定大 B. 由于两束紫外线的频率相同，照射两种金属时，逸出的光电子的最大初动能一定相同 C. 从逸出功大的那种金属中逸出的具有最大初动能的光电子的速度小 D. 用强度大的紫外线照射的那种金属在相同的时间内逸出的光电子数多 ‎5. 波长为200nm的紫外线的光子能量为 J，等于 ，如果用它照射逸出功为4.8eV的金属，释放出来的光子的最大初动能为 。‎ ‎6. 由不同元素的原子结构不同，能级也 ，因而它们可能辐射的光子 ，所以，每种元素的原子光谱的 ，因此，利用光谱可以分析 ，这种分析方法叫光谱分析。‎ ‎7. 原子从一种定态（设能级为E1）跃迁到另一种定态（设能级为E2）它辐射（或吸收）一定频率的光子，这种光子的能量为 ，光子的频率为 Hz。‎ ‎[参考答案]‎ http://www.DearEDU.com ‎1. BCD 2. B 3. A 4. CD 5. ；6.20；1.40‎ ‎6. 就各不相同；具有的波长不同，光谱线的分布各不相同；物质中所含元素原子有哪些 ‎7. ； ‎