【物理】2018届一轮复习人教版第30讲光电效应原子的跃迁学案

【物理】2018届一轮复习人教版第30讲光电效应原子的跃迁学案

第十二单元 选修35　原子物理 Ø 高考纵览 内容 要求 ‎2013年 ‎2014年 ‎2015年 ‎2016年 卷Ⅰ 卷Ⅱ 卷Ⅰ 卷Ⅱ 卷Ⅰ 卷Ⅱ 卷Ⅰ 卷Ⅱ 卷Ⅲ 光电效应、爱因斯坦光电效应方程 Ⅰ ‎35(1)‎ ‎35(1)‎ ‎35(1)‎ 氢原子光谱 Ⅰ 氢原子的能级结构、能级公式 Ⅰ 原子核的组成、放射性、原子核的衰变、半衰期 Ⅰ ‎35(1)‎ ‎35(1)‎ 放射性同位素 Ⅰ 核力、核反应方程 Ⅰ ‎35(1)‎ ‎35(1)‎ ‎35(1)‎ 结合能、质量亏损 Ⅰ ‎35(1)‎ ‎35(1)‎ Ⅰ ‎35(1)‎ 裂变反应和聚变反应、裂变反应堆 射线的危害与防护 Ⅰ 考情分析 ‎1.从近年高考试题来看，高考对本章内容的考查涉及的考点较多，具有不确定性．考题可能根据某一考点命题，也可以同时涉及多个考点，题型为选择题的概率很高，很少出现计算题．‎ ‎2．从整体命题趋势上看，高考对本部分的命题基本会保持原有命题思路，仍将以光电效应、能级跃迁、核反应方程、核能的分析与计算为命题重点，在2017届高考复习中应多加关注.‎ 第30讲　光电效应　原子的跃迁 Ø 教材知识梳理 一、光电效应 ‎1．光电效应现象 在光的照射下金属中的电子从金属表面逸出的现象，叫作光电效应，发射出来的电子叫作________．‎ ‎2．光电效应规律 ‎(1)每种金属都有一个________．‎ ‎(2)光电子的最大初动能与照射光的________无关，只随照射光的________增大而增大．‎ ‎(3)光照射到金属表面时，光电子的发射几乎是________的．‎ ‎(4)光电流的强度与照射光的________成正比．‎ ‎3．爱因斯坦光电效应方程 ‎(1)光子说：空间传播的光的能量是不连续的，是一份一份的，每一份叫作一个光子．光子的能量为ε＝________，其中h是普朗克常量，其值为6.63×10－34 J·s.‎ ‎(2)光电效应方程：________________．‎ 其中hν为照射光的能量，Ek为光电子的最大初动能，W0是金属的逸出功．‎ 二、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．光电效应和康普顿效应说明光具有________性．‎ ‎3．光既具有波动性，又具有粒子性，称为光的________性．‎ 三、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hν＝________．(h是普朗克常量，h＝6.63×10－34 J·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．‎ ‎【思维辨析】‎ ‎ (1)电子枪发射电子的现象就是光电效应．(　　)‎ ‎(2)不同的金属对应着相同的极限频率．(　　)‎ ‎(3)核外电子虽然绕核运动，但并不向外辐射能量．(　　)‎ ‎(4)核外电子可以吸收或放出任意频率的光子．(　　)‎ ‎【思维拓展】‎ 玻尔的氢原子能级理论成功解释了氢原子光谱不连续的特点，解释了当时出现的“紫外灾难”．该理论也可解释其他原子光谱现象吗？‎ ‎　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　‎ ‎　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　‎ ‎　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　‎ ‎　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　‎ ‎　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　‎ ‎　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　‎ ‎　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　‎ Ø 考点互动探究 ‎　考点一　对光电效应的理解 ‎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后动能变大，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．光电效应现象中，每个电子只能吸收一个光子的能量．‎ ‎2．对光电效应规律的解释 ‎(1)光照射金属时，电子吸收一个光子(形成光电子)的能量后，动能立即增大，不需要积累能量的过程．‎ ‎(2)电子从金属表面逸出，首先需克服金属表面原子核的引力做功(逸出功W0)．要使照射光子的能量不小于W0，对应频率νc＝为极限频率．‎ ‎(3)光电子的最大初动能只随照射光频率的增大而增大．‎ ‎(4)照射光越强，单位时间内照射到金属表面的光子数越多，产生的光电子越多，射出的光电子做定向移动时形成的光电流越大．‎ ‎3．概念辨析 ‎4．用图像表示光电效应方程 ‎(1)最大初动能Ek与入射光频率ν的关系图线如图12301所示．‎ 图12301‎ ‎(2)由图线可以得到的物理量：‎ ‎①极限频率：图线与ν轴交点的横坐标νc.‎ ‎②逸出功：图线与Ek轴交点的纵坐标的绝对值W0＝|－E|＝E.‎ ‎③普朗克常量：图线的斜率k＝h.‎ ‎1 (多选)[2016·全国卷Ⅰ改编] 现用某一光电管进行光电效应实验，当用某一频率的光照射时，有光电流产生．下列说法正确的是(　　)‎ A．保持照射光的频率不变，增大照射光的强度，饱和光电流变大 B．照射光的频率变高，光电子的最大初动能变大 C．保持照射光的强度不变，不断减小照射光的频率，始终有光电流产生 D．遏止电压的大小与照射光的频率有关，与照射光的强度无关 式题 用频率为ν的光照射光电管阴极时，产生的光电流随阳极与阴极间所加电压的变化规律如图12302所示，Uc为遏止电压．已知电子电荷量为－e，普朗克常量为h，求：‎ ‎(1)光电子的最大初动能Ekm；‎ ‎(2)该光电管发生光电效应的极限频率ν0.‎ 图12302‎ ‎　考点二　波粒二象性 ‎1.对光的波粒二象性的理解 光既有波动性，又有粒子性，两者不是孤立的，而是有机的统一体，其表现规律为：‎ ‎(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，越不容易看到光的干涉和衍射现象，贯穿本领越强．‎ ‎(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．‎ ‎(4)波动性与粒子性的统一：由光子的能量E＝hν，光子的动量p＝表达式也可以看出，光的波动性和粒子性并不矛盾：表示粒子性的粒子能量和动量的计算式中都含有表示波的特征的物理量——频率ν和波长λ.‎ ‎(5)理解光的波粒二象性时不可把光当成宏观概念中的波，也不可把光当成微观概念中的粒子．‎ ‎2．概率波与物质波 ‎(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大的地方，暗条纹是光子到达概率小的地方，因此光波是一种概率波．‎ ‎(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λ＝，p为运动物体的动量，h为普朗克常量．‎ ‎2 [2015·全国卷Ⅱ改编] 实物粒子和光都具有波粒二象性，下列事实中不能突出体现波动性的是(　　)‎ A．电子束通过双缝实验后可以形成干涉图样 B．β射线在云室中穿过会留下清晰的径迹 C．人们利用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 式题 (多选)波粒二象性是微观世界的基本特征，以下说法正确的有(　　)‎ A．光电效应现象揭示了光的粒子性 B．热中子束射到晶体上产生衍射图样说明中子具有波动性 C．黑体辐射的实验规律可用光的波动性解释 D．动能相等的质子和电子，它们的德布罗意波长也相等 ‎　考点三　能级的分析与计算 ‎1.氢原子的能级和轨道半径 ‎(1)氢原子的能级公式：En＝E1(n＝1，2，3，…)，其中E1为基态能量，其数值为E1＝－13.6 eV.‎ ‎(2)氢原子的半径公式：rn＝n2r1(n＝1，2，3，…)，其中r1为基态半径，又称玻尔半径，其数值为r1＝0.53×10－10 m.‎ ‎(3)氢原子的能级图：如图12303所示．‎ 图12303‎ ‎2．氢原子跃迁条件 原子跃迁条件hν＝Em－En只适用于光子和原子作用而使原子在各定态之间跃迁的情况．对于光子和原子作用而使氢原子电离时，只要入射光的能量E≥13.6 eV，氢原子就能吸收光子的能量，对于实物粒子与原子作用使氢原子激发时，实物粒子的能量大于或等于能级差即可．‎ ‎3．氢原子跃迁时能量的变化 ‎(1)原子能量：En＝Ekn＋Epn＝，随n增大而增大，其中E1＝－13.6 eV.‎ ‎(2)电子动能：电子绕氢原子核运动时静电力提供向心力，即k＝m，所以Ek＝随r增大而减小．‎ ‎(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，电势能增加．‎ ‎4．光谱线条数 ‎(1)一群氢原子跃迁发出可能的光谱线条数为N＝C＝.‎ ‎(2)一个氢原子跃迁发出可能的光谱线条数最多为(n－1)．‎ ‎3 氢原子基态的能量为E1＝－13.6 eV.大量氢原子处于某一激发态，由这些氢原子可能发出的所有的光子中，频率最大的光子能量为－0.96E1，频率最小的光子的能量为________eV(保留两位有效数字)，这些光子可具有________种不同的频率．‎ 式题 氢原子的能级图如图12304所示．氢原子从n＝3能级向n＝1能级跃迁所放出的光子，恰能使某种金属产生光电效应，则该金属的截止频率为________ Hz；用一群处于n＝4能级的氢原子向低能级跃迁时所发出的光照射该金属，产生的光电子最大初动能为________ eV(普朗克 常量h＝6.63×10－34 J·s，结果均保留2位有效数字)．‎ 图12304‎ 参考答案（听课手册）‎ 第十二单元　选修35　原子物理 第30讲　光电效应　原子的跃迁 ‎【教材知识梳理】‎ 核心填空 一、1.光电子　2.(1)极限频率　(2)强度　频率　(3)瞬时　(4)强度 ‎3．(1)hν　(2)Ek＝hν－W0‎ 二、1.波动　2.粒子　3.波粒二象 三、(1)不连续　稳定　(2)Em－En　(3)不连续　不连续 思维辨析 ‎(1)(×)　(2)(×)　(3)(√)　(4)(×)‎ 思维拓展 玻尔的氢原子能级理论本身是以经典理论为基础，其理论又与经典理论相抵触．它只能解释氢原子以及类氢原子光谱的规律，在解释其他原子的光谱上就遇到了困难，如把理论用于其他原子时，理论结果与实验不符，且不能求出谱线的强度及相邻谱线之间的宽度．这些缺陷主要是由于把微观粒子(电子、原子等)看作是经典力学中的质点，从而把经典力学规律强加于微观粒子上(如轨道概念)而导致的．‎ ‎【考点互动探究】‎ 考点一 例1　ABD　[解析] 根据光电效应实验得出的结论：保持照射光的频率不变，照射光的强度变大，饱和光电流变大，故A正确；根据爱因斯坦光电效应方程得，照射光的频率变高，光电子的最大初动能变大，故B正确；遏止电压的大小与照射光的频率有关，与照射光的强度无关，保持照射光的强度不变，不断减小照射光的频率，若低于截止频率，则没有光电流产生，故C错误，D正确．‎ 变式题　 (1)eUc　(2)ν－ ‎[解析] (1)光电子在光电管内减速，由动能定理有 ‎－eUc＝－Ekm 光电子的最大初动能Ekm＝eUc.‎ ‎(2)由光电效应方程得Ekm＝hν－W0‎ 其中逸出功W0＝hν0‎ 解得ν0＝ν－.‎ 考点二 例2　B　[解析] 干涉、衍射是波的特有现象；β射线在云室中穿过会留下清晰的径迹不能反映波动性；电子显微镜利用了电子束波长短的特性，减轻衍射影响，提高分辨能力．故选B.‎ 变式题　AB　[解析]‎ ‎ 黑体辐射的实验规律只能用光的粒子性解释，普朗克用能量子理论分析，结果与事实完全相符，选项C错误；由于Ek＝mv2，p＝mv，因此p＝，质子和电子动能相等，但质量不等，故动量p也不等，再根据德布罗意波的波长λ＝可知，德布罗意波的波长λ不同，选项D错误．‎ 考点三 例3　0.31　10‎ ‎[解析] 量子数为n的能级的能量En＝，频率最大的光子是从最高能级直接跃迁到基态，则En－E1＝－0.96E1，联立得n＝5，频率最小的光子是从能级n＝5跃迁到n＝4放出的，则E5－E4＝－＝0.306 eV≈0.31 eV；大量氢原子从最高能级n＝5向低能级跃迁，可以放出C＝10种不同频率的光子．‎ 变式题　 2.9×1015　0.66‎ ‎[解析] 能级间跃迁辐射的光子能量等于两能级间的能级差，原子从能级n＝3向n＝1跃迁辐射出的光子的能量为E＝E3－E1＝12.09 eV，因所放出的光子恰能使某种金属产生光电效应，则有hν0＝12.09 eV，解得ν0＝2.9×1015 Hz.当光子能量等于金属的逸出功时，恰好发生光电效应，所以逸出功W0＝12.09 eV.氢原子从n＝4能级向低能级跃迁所放出的光子能量最大为hν＝E4－E1＝12.75 eV，根据光电效应方程得最大初动能Ekm＝hν－W0＝12.75 eV－12.09 eV＝0.66 eV.‎ ‎【教师备用习题】‎ ‎1．(多选)氢原子能级图如图所示，当氢原子从n＝3能级跃迁到n＝2的能级时，辐射光的波长为656 nm.以下判断正确的是(　　)‎ A．氢原子从n＝2能级跃迁到n＝1的能级时，辐射光的波长小于656 nm B．用波长为325 nm的光照射，可使氢原子从n＝1能级跃迁到n＝2的能级 C．一群处于n＝3能级上的氢原子向低能级跃迁时最多产生3种谱线 D．用波长为633 nm的光照射，不能使氢原子从n＝2能级跃迁到n＝3的能级 ‎[解析] ACD　根据氢原子的能级图和能级跃迁规律，hν＝Em－En＝h，当氢原子从n＝2能级跃迁到n＝1的能级时，辐射光的波长为121.6 nm，小于656 nm，A选项正确；根据氢原子发生跃迁时只能吸收或辐射一定频率的光子，可知B选项错误，D选项正确；一群处于n＝3能级上的氢原子向低能级跃迁时可以产生3种频率的光子，C选项正确．‎ ‎2．(多选)如图所示为氢原子能级示意图，现有大量的氢原子处于n＝4的激发态，向低能级跃迁时辐射出若干不同频率的光，下列说法错误的是(　　)‎ A．这些氢原子最多可辐射出3种不同频率的光 B．氢原子由n＝2能级跃迁到n＝1能级产生的光频率最小 C．氢原子由n＝4能级跃迁到n＝1能级产生的光最容易表现出衍射现象 D．氢原子由n＝2能级跃迁到n＝1能级辐射出的光照射逸出功为6.34 eV的金属铂能发生光电效应 ‎[解析] ABC　这些氢原子向低能级跃迁时可辐射出C＝＝6种光子，选项A错误；氢原子由n＝4能级跃迁到n＝3能级产生的光子能量最小，所以频率最小，选项B错误；氢原子由n＝4能级跃迁到n＝1能级产生的光子能量最大，频率最大，波长最小，最不容易表现出衍射现象，选项C错误；氢原子由n＝2能级跃迁到n＝1能级辐射出的光子能量为10.20 eV>6.34 eV，所以能使金属铂发生光电效应，选项D正确．‎