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专题十六波粒二象性原子物理,高考物理（江苏专用）,考点一波粒二象性,考点清单,考向基础 一、黑体和黑体辐射普朗克能量子假说 1.黑体与黑体辐射 (1)黑体:是指能够完全吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射的物体。 (2)黑体辐射的实验规律 ()一般材料的物体,辐射的电磁波除与温度有关外,还与材料的种类及表面状况有关。,()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。 a.随着温度的升高,各种波长的辐射强度都增加。 b.随着温度的升高,辐射强度的极大值向波长较短的方向移动。 2.能量子 (1)定义:普朗克认为,带电微粒辐射或者吸收能量时,只能辐射或吸收某个最小能量值的整数倍。即能量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做能量子。 (2)能量子的大小:=h,其中是电磁波的频率,h称为普朗克常量。h=6.63 10-34 Js。 二、光电效应 1.定义:照射到金属表面的光,能使金属中的电子从表面逸出的现象。 2.光电子:光电效应中发射出来的电子。,3.研究光电效应的电路图: 其中A是阳极,K是阴极。 4.光电效应规律 (1)每种金属都有一个极限频率,入射光的频率必须大于这个极限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强度无关,只随入射光频率 的增大而增大。,(3)光电效应的发生几乎是瞬时的,一般不超过10-9 s。 (4)当入射光的频率大于极限频率时,饱和光电流的大小与入射光的 强度成正比。 三、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=h,其中h=6.6310-34 Js。 2.逸出功W0 使电子脱离某种金属所做功的最小值。 3.最大初动能 发生光电效应时,金属表面上的电子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最小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极限频率。 5.爱因斯坦光电效应方程 (1)表达式:Ek=h-W0。 (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逸出功W0,剩下的表现为逸出后光电子的最大初动能Ek=mev2。,四、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波动性。 (2)光电效应和康普顿效应说明光具有粒子性。 (3)光既具有波动性,又具有粒子性,即光具有波粒二象性。 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大的地方,暗条纹是光子到达概率小的地方,因此光波又叫概率波。 (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=,p为运动物体的动量,h为普朗克常量。,考向突破,考向一光电效应现象 1.四点说明 (1)能否发生光电效应,不取决于光的强度而取决于光的频率。 (2)光电效应中的“光”不是特指可见光,也包括不可见光。 (3)逸出功的大小由金属本身决定,与入射光无关。 (4)光电子不是光子,而是电子。 2.两条对应关系 (1)光强大光子数目多发射光电子多光电流大; (2)光子频率高光子能量大光电子的最大初动能大。,例1(2014广东理综,18,6分)在光电效应实验中,用频率为的光照射光电管阴极,发生了光电效应,下列说法正确的是() A.增大入射光的强度,光电流增大 B.减小入射光的强度,光电效应现象消失 C.改用频率小于的光照射,一定不发生光电效应 D.改用频率大于的光照射,光电子的最大初动能变大,解析增大入射光强度,使单位时间内逸出的光电子数增加,因此光电流增大,选项A正确;光电效应与入射光的频率有关,与强度无关,选项B错误;当入射光的频率小于,大于极限频率时发生光电效应,选项C错误;由Ekm=h-W0知,增大入射光的频率,光电子的最大初动能变大,选项D正确。,答案AD,3.三个定量关系式 (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)逸出功与极限频率的关系:W0=h0。,例2当具有5.0 eV的光子射到一金属表面时,从金属表面逸出的电子具有的最大初动能为1.5 eV,为了使这种金属产生光电效应,入射光子的能量必须不小于() A.1.5 eVB.2.5 eVC.3.5 eVD.5.0 eV,解析根据爱因斯坦光电效应方程Ek=h-W,得逸出功W=h-Ek=5.0 eV-1.5 eV=3.5 eV,由光电效应产生的条件可知,入射光子的能量必须不小于逸出功,故C正确。,答案C,4.光电效应的四类图像分析,例3图甲是光电效应的实验装置图,图乙是光电流与加在阴极K和阳极A上的电压的关系图像,下列说法正确的是() A.由图线、可知在光的颜色不变的情况下,入射光越强,饱和电流越大 B.由图线、可知对某种确定的金属来说,其遏止电压只由入射,光的频率决定 C.只要增大电压,光电流就会一直增大 D.不论哪种颜色的入射光,只要光足够强,就能发生光电效应,解析由图线、可知在光的颜色不变的情况下,入射光越强,饱和电流越大,故选项A正确;根据光电效应方程Ekm=h-W0=eUc,可知入射光频率越大,最大初动能越大,遏止电压也越大,可知对于确定的金属,遏止电压只与入射光的频率有关,故选项B正确;增大电压,当电压增大到一定值,光电流达到饱和电流,便不再增大,故选项C错误;发生光电效应的条件是入射光的频率大于截止频率,与入射光的强度无关,故选项D错误。,答案AB,例4某金属在光的照射下产生光电效应,其遏止电压Uc与入射光频率的关系图像如图所示。则由图像可知() A.该金属的逸出功等于h0 B.遏止电压是确定的,与入射光的频率无关 C.入射光的频率为20时,产生的光电子的最大初动能为h0 D.入射光的频率为30时,产生的光电子的最大初动能为h0,解析当遏止电压为零时,最大初动能为零,则入射光的能量等于逸出功,所以W0=h0,故选项A正确;根据光电效应方程Ekm=h-W0和-eUc=0-Ekm得,Uc=-,可知当入射光的频率大于极限频率时,遏止电压与入射光 的频率成线性关系,故选项B错误;从图像上可知,逸出功W0=h0,根据光电效应方程可知C选项中Ekm=h20-W0=h0,故选项C正确;D选项中Ekm= h30-W0=2h0,故选项D错误。,答案AC,考向二对光的波粒二象性的理解,例5关于物质的波粒二象性,下列说法中不正确的是() 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的波长太小,实际很难观察到波动性,不是不具有波粒二象性,选项D错误。,答案D,例6如果一个电子的德布罗意波长和一个中子的相等,则它们相等的物理量是() A.速度B.动能C.动量D.总能量,解析根据=,知电子和中子的动量相等,选项C正确。,答案C,考向基础 一、原子的核式结构 1.粒子散射实验与原子核式结构 19091911年,英国物理学家卢瑟福和他的助手进行了用粒子轰击金箔的实验,实验发现绝大多数粒子穿过金箔后基本上仍沿原来的 方向前进,但有少数粒子发生了大角度偏转,偏转的角度甚至大于90, 也就是说它们几乎被“撞”了回来。 为了解释粒子的大角度散射,卢瑟福在1911年提出了核式结构模型。在原子的中心有一个很小的核,叫原子核,它集中了原子的全部正电荷和几乎全部的质量,带负电的电子在核外空间绕核运动。,考点二氢原子光谱、能级,2.核式结构的局限性 核式结构学说成功地解释了粒子的散射实验,但在解释原子的发光和原子的稳定性时却遇到了无法解决的困难。 二、氢原子光谱、能级 1.光谱 用光栅或棱镜可以把各种颜色的光按波长展开,获得光的波长(频率)和强度分布的记录,即光谱。 有些光谱是一条条的亮线,这样的光谱叫做线状谱。 有的光谱是连在一起的光带,这样的光谱叫做连续谱。,说明太阳光谱不是连续光谱,而是吸收光谱,是阳光透过太阳高层大气射向地球时,太阳高层大气中含有的元素会吸收它自己特征谱线的光,然后再发射出去,不过这次发射是向四面八方发射。所以到达地球的这些谱线看起来就弱了。这样就形成了明亮背景下的暗线夫琅和费暗线。与已知元素的光谱相比较,知道太阳中含有钠、镁、铜、锌、镍等金属元素。 2.玻尔理论 (1)定态:原子只能处于一系列不连续的能量状态中,在这些能量状态中原子是稳定的,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=Em-En。(h,是普朗克常量,h=6.6310-34 Js) (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。原子的定态是不连续的,因此电子的可能轨道也是不连续的。 3.氢原子的能级、能级公式 (1)氢原子的能级 能级图如图所示,(2)氢原子的能级和轨道半径 a.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。 b.氢原子的半径公式:rn=n2r1(n=1,2,3,),其中r1为基态半径,其数值为r1=,0.5310-10 m。 c.能级,d.激发的方式,考向一对粒子散射实验的认识 1.粒子散射实验用金箔作为靶子,是因为: (1)金的延展性好,容易做成很薄的金箔,实验用的金箔厚度大约是10-7 m;(2)金原子带的正电荷多,与粒子间的库仑力大;(3)金原子质量大约是粒子质量的50倍,因而惯性大,粒子运动状态容易改变。 2.原子中有电子,但电子质量很小,不及粒子质量的七千分之一,粒子碰到它,就像飞行的子弹碰到一粒尘埃一样,运动方向不会发生明显改变。粒子散射现象表明,原子内部非常空旷,带正电的部分体积很小,但集中了几乎全部质量,当粒子接近原子核时,就会受到很大的库仑斥力,发生较大角度的偏转,由于原子核体积小,粒子穿过金箔时接近原子核的机会很小,所以只有少数粒子发生大角度偏转。,考向突破,3.原子,例7根据粒子散射实验,卢瑟福提出了原子的核式结构模型。如图所示为原子核式结构模型的粒子散射图景,图中实线表示粒子运动轨迹。其中一个粒子在从a运动到b、再运动到c的过程中,粒子在b点时距原子核最近。下列说法正确的是。,A.卢瑟福在粒子散射实验中发现了电子 B.粒子出现较大角偏转的原因是粒子接近原子核时受到的库仑斥力 较大 C.粒子出现较大角偏转的过程中电势能先变小后变大 D.粒子出现较大角偏转的过程中加速度先变大后变小,解析粒子的散射实验说明原子具有核式结构,汤姆孙发现了电子,A错误;根据点电荷周围电场可知,距离原子核近的地方电场强度大,故越靠近原子核加速度越大,粒子加速度先变大后变小,粒子出现较大偏转角原因是粒子接近原子核时受到的库仑斥力较大,B、D正确;根据电场力做功特点可知,粒子运动过程中电场力先做负功后做正功,电势能先变大后变小,C错误。,答案BD,考向二玻尔理论 1.定态间的跃迁满足能级差 (1)从低能级(n小)高能级(n大)吸收能量。 h=- (2)从高能级(n大)低能级(n小)放出能量。 h=- 2.电离 电离态:n=,E=0。 基态电离态:E吸=0-(-13.6 eV)=13.6 eV(电离能)。 n=2电离态:E吸=0-E2=3.4 eV。 如吸收能量足够大,克服电离能后,获得自由的电子还携带动能。,例8一个氢原子从n=3能级跃迁到n=2能级,该氢原子() A.放出光子,能量增加B.放出光子,能量减少 C.吸收光子,能量增加D.吸收光子,能量减少,解析氢原子从高能级向低能级跃迁时,放出光子,能量减少,故选项B正确,A、C、D错误。,答案B,例92014山东理综,39(1)氢原子能级如图,当氢原子 从n=3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跃迁到n=1的能级时,辐射光的波长大于656 nm b.用波长为325 nm的光照射,可使氢原子从n=1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跃迁到n=3的能级,解析由E初-E终=h=h可知,氢原子跃迁时始末能级差值越大,辐射的 光子能量越高、波长越短,由能级图知E3-E2E2-E1,故a错误。由=得=121.6 nm325 nm,故b错误。由=3可知c正 确。因跃迁中所吸收光子的能量必须等于始末能级的差值,即从n=2跃迁到n=3的能级时必须吸收=656 nm的光子,故d正确。,答案cd,考点三放射性元素的衰变、核反应,考向基础 一、天然放射现象,半衰期的公式:N余=N原,m余=m原,式中N原、m原表示衰变前的 放射性元素的原子数和质量,N余、m余表示衰变后尚未发生衰变的放射性元素的原子数和质量,t表示衰变时间,表示半衰期。 二、放射性同位素的应用 1.利用它的射线 如利用钴60放出的很强的射线来检查金属内部有没有砂眼和裂纹,这叫射线探伤。利用放射线的贯穿本领了解物体的厚度和密度的关系,可以用放射性同位素来检查各种产品的厚度、密封容器中的液面高度,从而自动控制生产过程。再如利用射线的电离作用,可以消除机器在运转中因摩擦而产生的有害静电,利用射线杀死人体内的癌细胞等。,2.作为示踪原子 在生物科学研究方面,示踪原子起着十分重要的作用。在对输油管线漏油情况的检查和对植物生长的检测方面,示踪原子同样起着重要作用。 三、核力与结合能、质量亏损 1.核力 (1)定义: 原子核内部,核子间所特有的相互作用力。 (2)特点: ()核力是强相互作用的一种表现; ()核力是短程力,作用范围在1.510-15 m之内; ()每个核子只跟它的相邻核子间才有核力作用。,2.结合能 核子结合为原子核时释放的能量或原子核分解为核子时吸收的能量,叫做原子核的结合能。 3.比结合能 (1)定义: 原子核的结合能与核子数之比,称做比结合能,也叫平均结合能。 (2)特点: 不同原子核的比结合能不同,原子核的比结合能越大,表示原子核中核子结合得越牢固,原子核越稳定。,4.质能方程、质量亏损 爱因斯坦质能方程E=mc2,原子核的质量必然比组成它的核子的质量和要小m,这就是质量亏损。由质量亏损可求出释放的核能E=mc2。 四、裂变反应和聚变反应、链式反应 1.重核裂变 (1)定义:质量数较大的原子核受到高能粒子的轰击而分裂成几个质量数较小的原子核的过程。 (2)典型的裂变反应方程: UnBa+n。 (3)链式反应:由重核裂变产生的中子使裂变反应一代接一代继续下去的过程。,(4)临界体积和临界质量:裂变物质能够发生链式反应的最小体积及其相应的质量。 (5)裂变的应用:原子弹、核反应堆。 (6)反应堆构造:核燃料、减速剂、镉棒、防护层。 2.轻核聚变 (1)定义:两轻核结合成质量较大的核反应过程。轻核聚变反应 必须在高温下进行,因此又叫热核反应。 (2)典型的聚变反应方程: HHHen+17.6 MeV,五、核反应方程,考向突破,考向一半衰期的计算 不同元素的半衰期是不一样的,用表示某元素的半衰期,m0与N0表示衰变前该元素的质量和原子核数,m和N表示衰变后该元素的质量和原子核数,n表示半衰期数,则 m=m0, N=N0。,例102014江苏单科,12C(2)氡222是一种天然放射性气体,被吸入后,会对人的呼吸系统造成辐射损伤。它是世界卫生组织公布的主要环境致癌物质之一。其衰变方程是 RnPo+。已知Rn的半 衰期约为3.8天,则约经过天,16 g的 Rn衰变后还剩1 g。,解析由质量数、电荷数守恒有: RnPoHe 由m= n=4,t=nT=43.8天=15.2天,答案He(或)15.2,考向二原子核的衰变规律及衰变次数的计算方法 1.衰变:放射性元素的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:电荷数和质量数都守恒。 (1)衰变XYHe,衰变的实质是某元素的原子核放出由两个质 子和两个中子组成的粒子(即氦核)。 (2)衰变XYe,衰变的实质是某元素的原子核内的一个中子变 为一个质子时放射出一个电子。 (3)辐射:辐射是伴随衰变或衰变同时发生的。辐射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衰变或衰变时,产生的某些新核由于具有过多的能量(核处于激发态)而辐射出光子。,3.确定衰变次数的方法:设放射性元素X经过m次衰变、n次衰变后, 变成稳定的新元素Y,则表示核反应的方程为X Y+He+e。 根据电荷数守恒和质量数守恒可列方程 A=A+4m,Z=Z+2m-n 两式联立得m=,n=+Z-Z 由此可见确定衰变次数可归结为解一个二元一次方程组。,例11U经过m次衰变和n次衰变,变成Pb,则() A.m=7,n=3B.m=7,n=4 C.m=14,n=9D.m=14,n=18,解析衰变方程为UPb+He+e,由质量数、电荷数守恒得:m =7,n=4,因而B项正确。,答案B,方法1解答氢原子跃迁问题的方法 1.能级之间发生跃迁时放出(吸收)光子的频率由h=Em-En求得。若求波长可由公式c=求得。 2.一个氢原子跃迁发出可能的光谱线条数最多为n-1。 3.一群氢原子跃迁发出可能的光谱线条数的两种求解方法: (1)用数学中的组合知识求解:N=。 (2)利用能级图求解:在氢原子能级图中将氢原子跃迁的各种可能情况一一画出,然后相加。,方法技巧,例1如图为氢原子能级示意图的一部分,则氢原子() A.从n=4能级跃迁到n=3能级比从n=3能级跃迁到n=2能级辐射出电磁波的波长长 B.从n=5能级跃迁到n=1能级比从n=5能级跃迁到n=4能级辐射出电磁波的速度大 C.处于不同能级时,核外电子在各处出现的概率是一样的 D.从高能级向低能级跃迁时,氢原子核一定向外放出能量,解析光子能量E=h=,而E4-33-2,A项正确。由于光波的 波速由介质和频率共同决定,且在真空中传播时与频率无关,故B错。电子在核外不同能级出现的概率是不同的,故C错。能级跃迁是核外电子在不同轨道间的跃迁,与原子核无关,故D错误。,答案A,方法2质能方程及核能的计算方法 1.质能方程 爱因斯坦的相对论指出,物体的质量和能量之间存在着密切联系,即E=mc2。物质的质量和能量之间存在着简单的正比关系,而不能理解为能量和质量间相互转化。 (1)核子在结合成原子核时出现质量亏损m,其能量也要相应减少,即E=mc2。 (2)将原子核中的核子分开时要吸收一定的能量,相应的质量增加m,吸收的能量为E=mc2。 2.核能释放的两种途径的理解 (1)使较重的核分裂成中等大小的核。,(2)较小的核结合成中等大小的核。 3.核能的计算 (1)根据E=mc2计算,计算时m的单位是“kg”,c的单位是“m/s”,E的单位是“J”。 (2)根据E=m931.5 MeV计算。因1 u相当于931.5 MeV的能量,所以计算时m的单位是“u”,E的单位是“MeV”。,例2氘核和氚核可发生热核聚变而释放出巨大的能量,该反应方程为HHHe+x,式中x是某种粒子。已知HHHe和粒子x的质量分 别为2.014 1 u、3.016 1 u、4.002 6 u和1.008 7 u;1 u=931.5 MeV/c2,c是真空中的光速。由上述反应方程和数据可知,粒子x是,该反应释放出的能量为MeV(结果保留3位有效数字)。,解析热核聚变的核反应方程为HHHen,所以x为n(或中子)。 E=mc2=(2.014 1 u+3.016 1 u-4.002 6 u-1.008 7 u)931.5 MeV=17.6 MeV,答案n(或中子)17.6,
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