第二十一章量子论初步

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,量子论初步,一.演示实验-光电效应,1.实验过程,2.实验现象:用弧光灯(紫外线),照射锌扳,验电器的指针张开,表明锌板带电(正电)了.,3.光电效应: 在光的照射下物体,发射电子的现象.叫做,光电效应,.发射出来的电子叫做,光电子,二.产生光电效应的条件,1.用光的波动理论解释但,用白光去照射锌板时不产生光电效应.,2.研究光电效应时的新发现:,a.,对各种金属都存在极限频率和极限波长,若入射光的频率低于极限频率,无论光多么强照射时间多么长,都不会发生光电效应;若入射光的频率高于极限频率,即使光不强,时间再短,也会发生光电效应.-与光的波动理论发生矛盾.,弧光灯,锌板,验电器,极限频率:,0,-使某一金属发生光电效应的入射光的最低频率,.,极限波长:,0,- 由c,.,得,0,c,/,0,(,为电磁波的频率),b.,光电效应的瞬时性,.发生光电效应时,只要光的频率高于金属的极限频率,光的亮度无论强弱,光电子的产生都几乎是瞬时的,不超过10,9,s.,三.光子.,1.普朗克的量子说要点:,a.认为电磁波的发射和吸收不是连续的,而是一份一份进行的,这样的一份能量叫做能量子(,微观世界中的量不连续性),例如:电荷量,Q n e (n1.2.3) 其中e1.610,19,C,b.普朗克认为每一份能量等于h,.,h是一个常量,叫做普朗克常量.且,h6.6310,34,JS,2.光子.,a.,在空间传播的光不是连续的,而是一份一份的,每一份叫做光量子,简称光子,其能量Eh,(,为光的频率),b.,爱因斯坦提出的光子概念不同于牛顿为代表的光的微粒说,光子不再是小球那样的实物粒子,我们叫它能量包.,c.,据,Eh,每个光子,的能量只决定于光的频率,频率一定,光的强度大,意味着光子的数目多.,四.光子说对光电效应的解释:,1.金属中的电子对于光子的吸收十分迅速,若,0,则电子几乎不需要时间就可以发射出来,这 就是光电效应的瞬时性.,2.,若,0, 则电子 吸收光子能量后不能发射且在与其他粒子相互作用中又迅速的消耗掉,几乎不需要时间,所以电子能量不可能像波动理论所预测的那样,可以是,2h,3,h,等的积累,电子一次吸收的光子的能量必须满足电子能够脱离物体而成为光电子才行.这就是为什么存在极限频率的原因.,五.光电效应方程.,1. 逸 出 功.(W),使电子脱离某种金属所做功的最小值,叫做这,种金属的逸 出 功.,理解逸 出 功时,需要搞清电子的逸 出过程:,a,.电子脱离金属时需要克服原子间的引力,才能成为光电子.这个,过程电子需要获得能量,克服阻力做功,才能脱离金属表面而出来.,b,.若电子脱离金属表面的动能为零,即:,恰好脱离,c,.电子恰好脱离时需要的能量等于Wh,0,而,0,为极限频率,2.光电效应方程: 根据能量守恒原理.,E,k,h,W,其中:,E,k,表示电子,逸 出 金属表面时所获得的最大动能.,(即:逸 出 金属表面的光电子具有的动能),h,表示频率为,的一个光子所具有的能量.,( 即:金属表面的电子一次性 所接收的能量),W,表示 电子脱离金属表面时克服阻力而做的功,( 即:,逸 出 功),思考:当光子的,0,时,0,时,0,时.,能否发生光电效应? 若能发生,光电子的W?,练习:,1.计算波长是0.1220,m的紫外线的光子的能量.,答案:W h v/, 1.63010,18,J,2.用上题中的紫外线照射逸出功是3.010,19,J的铯时,铯发射的光电子的最大初动能时多少?,答案:,E,k,h,0,W 1.33010,18,J,3.某金属在一束黄光照射下,正好有电子逸出,在下述情况下,逸出电子 的多少和电子 的初动能会发生什么变化?,(1)增大光的强度而不改变光的频率;,(2)用一束强度更大的红光代替黄光;,(3)用强度相同的紫光代替黄光.,答案(1) 逸出电子增多,最大初动能不变 (2)不能产生光电效应,(3) 逸出电子数目不变,最大初动能增大.,4.太阳光-电能直接转换的基本原理是利用光电效应,将太阳光辐射能直接转换为电能,如图是测定光电流的电路简图,光电管加正向电压,(1)在图上标出电源正,负极和电流表,的正,负接线柱.,(2)入射光照射在_极上(填A或B),(3)若电流表的读数是10,A,则每秒钟从光电管阴极发射出的光,电子至少是多少个?,答案,(1)电源左正右负,电流表上正下负,(2)B (3)6.2510,13,个,5.用光的电磁说不能解释的现象是:( ),A.光的干涉 B.光的衍射,C.光电效应 D.光的色散,答案: C,A,A,B,电 源,1.光电效应的实验,下列说法正确的是( ),A.用紫外线照射锌板,验电器指针会发生偏转,B.用绿光照射锌板,验电器指针会发生偏转,C.锌板带的是负电荷,D.使验电器发生偏转的是正电荷,答案：A.D,2.某单色光照射到金属时不能产生光电效应,下述措施中可能使该金属产生光电效应的是( ),A.延长光照时间 B.增大光照强度,C.换用波长较短的光照射 D.换用频率较低的光照射,答案：C,3.一束绿光照射某金属发生了光电效应,下列说法正确的是A.若增加绿光的照射强度,则逸出的光电子数增加,B.若增加绿光的照射强度,则逸出的光电子最大初动能增加,C.若改用紫光照射,则可能不会发生光电效应,D.若改用紫光照射,则逸出的光电子最大初动能增加,答案：A.D,4.下列对光电效应的解释正确的是( ),A.金属内的每一个电子要吸收一个或一个以上的光子,当它积累的能量足够大时,就能逸出金属,B.如果入射光子的能量小于金属表面的电子克服原子核的引力而逸出时所必需做的最小功,便不能发生光电效应,C.发生光电效应时,入射光越强,光子能量越大,光电子的最大初动能越大,D.由于不同的金属逸出功是不同的,因此使不同的金属产生光电效应的入射光的最低频率不同,答案：B.D,5.一束光子能量为E的单色光,在某种介质中的波长是,则此介质对该单色光的折射率是_.此单色光在该介质中的传播速度是_.,答案：,6.一细束平行光经玻璃三棱镜折射后分解为互相分离的三束光,分别照到相同的金属板a, b, c上,如图,已知金属板b有光电子,放出,则可知:,A.板a一定不放出光电子.,B.板a一定放出光电子.,C.板c一定不放出光电子.,D.板c一定放出光电子.,答案: D,7.让一束紫外线投射到与验电器相连接的锌扳上,下列说法正确,的是 ( ),A.若原来不带电,其箔片将张开,B.若原来带负电,其箔片将张得更大,C.若原来带正电,其箔片将张得更大,D.若原来带负电,其箔片先合拢再张开,答案:A,C,D,8.关于光电效应的说法正确的是( ),A.金属的逸出功与入射光的频率成正比,B.光电子的初动能与入射光的频率无关,C.用不可见光照射金属一定比用可见光照射同种金属产生的光电子的最大初动能大,D.对于任何一种金属都存在一个最大波长,入射光的最大波长大于此波长时,就不能产生光电效应,9.某金属在一束黄光的照射下正好有光电子逸出,则下列说法中正确的是( ),A.增大光强,而不改变光的频率,光电子的初动能将不变,B.用一束更大强度的红光代替黄光,仍能发生光电效应,C.用强度相同的紫光代替黄光,光电流的强度将增大.,D.用强度较弱的紫光代替黄光,有可能不会发生光电效应,第二节 光的波粒二象性,1.分立与连续是相对的.,例:在地上撒一把米与直接倒一筐米组成米堆,下雨时,一开始的雨点与雨下大以后的雨点的连续,照像机当曝光量很少时与曝光量很多时,胶片上由点变成,结论:,少量光子的行为表现为粒子性,大量光子的行为表现为波动性.,2.概率概念.,a .关于概率.概率表征某一事物出现的可能性.例如:,分子的速度运动与温度的关系.温度升高时.不一定每个分子运动的速率都增加,但多数分子的速率要达到某一速率值的附近,随着温度的升高这一值会向速率大的方向移动,也就是说,个别分子的运动说无规律的,但对大量的分子所做的统计分析却表现出一种规律-概率规律,买彩票也是一样,能拿到大奖的少,拿不到奖的多.,勤劳致富的概率才是最大的.,3.光波是概率波.,(1)明条纹就是光子到达概率大处,而暗条纹是光子到达概率小处.,(2)光波与机械波不同,a.机械波在介质中传播,光波可以在真空中传播,不需要介质.,b.机械波的干涉条纹是波峰与波峰,或波峰与波谷的叠加的图景.,而光波的干涉条纹中的明条纹是光子到达概率大的地方的图景,(3)光具有波粒二象性,光具有波动性也具有粒子性.但它既不是宏观观念的 波.也不是宏观观念的 粒子.,a.少数光子的行为表现为粒子性,大量光子的行为表现为波动性.,b.在传播过程中波动性显著,在与物质作用时粒子性显著.,c.波长越长,波动性越显著,波长越短,粒子性越显著.,1.下列说法不正确的是( ),A.光是一种电磁波. B.光是一种概率波,C.光子相当于高速运动的质点,D.光的直线传播只是宏观近似规律,2.下列说法正确的是( ),A.有的光是波,有的光是粒子,B.光子与电子是同样一种粒子,C.光的波粒二象性是指既可以把波看成宏观概念上的波,也可以看成是微观概念上的粒子,D.光的波长越长,其波动性越显著,波长越短,其粒子性越显著,3.在下列现象中,说明光具有波动性的是( ),A.光的直线传播 B.光的衍射,C.光的干涉 D.光电效应,4.下列关于波的波粒二象性的叙述中正确的是( ),A.光的波粒二象性学说是综合了牛顿的微粒说和惠更斯的波动说而得出的,B.光具有波动性又具有粒子性,二者是统一的,C.大量光子产生的效果往往显示出波动性,D.光的频率越高时波动性越明显,5.在单缝衍射实验中,中央亮纹的光强占从单缝射入的整个光强的95以上.假设现在只让一个光子通过单缝,那么该光子( ),A.一定落在中央亮纹处,B.一定落在亮纹处,C.可能落在暗纹处,D.落在中央亮纹处的可能性最大,6.如图所示,从烛焰P发出的光,穿过圆孔A射到屏M上,烛焰长比P到A的距离小得多.当A孔直径较大时,在屏M上将看到一个圆斑.慢慢减小A孔的直径,直至约0.2,mm,在这个过程中,屏上依次看到的典型物理现象是_,继续减小A孔的直径,使A孔缩小到只能使光子一个一个通过,放置照相底片.在暴光时间较短的条件下,照片上的景象应是_,若暴光时间足够长,照片上景象应是_.,第三节能级,一.原子结构的发现及波尔假设,1.卢瑟福的原子模型的困难,（1）电子绕核运动应辐射电磁波，能量逐渐减少，轨道半径不断减少，最终将落入原子核，即原子是不稳定的，与实际不符。,（2）电子绕核运动辐射的电磁波的频率等于运行频率。随着轨道半径的变小，电磁波的频率将逐渐变小，辐射的电磁波频率是连续的，但是在实际上辐射的电磁波频率是某些不连续的确定的值。,2.波尔理论,.三点假设,（1）定态：,原子只能处于一系列不连续的,能量中，在这些状态中的原子是稳定的，,不发出或吸收能量，各定态有一定的能量，,其数值是彼此分隔的，即.电子在一定的状态,中绕核运动不会辐射能量。每一个定态都对应着,一定的能量E。叫做能级。,基 态,激发态,（,2）跃迁：,原子从一种定态（能量E,1,）跃迁到另一状 态（能量E,2,）需辐射（吸收）一定的光子，光子的能量为：,hE,1,E,2,（,3）轨道量子化：,原子核外电子只能在一系列不连续的轨道上 运动。不同的轨道对应着不同的状态,3.氢原子的两个公式,轨道半径公式：,R,n,n,2,R,1, n1.2.3.,能级公式：,E,n,E,1,/n,2, n1.2.3.,式中,R,1,0.5310,10,m,是电子离核最近的轨道半径：,E113.6 eV，,是氢原子基态的能量,能量值,4.氢原子的能级,A,.氢原子的各种定态时的能量值叫做,能级。右图为氢原子的能级图。,B,.原子最低能级所对应的状态叫基态：,比基态能量高的状态叫激发态。,C,.原子从基态向激发态跃迁，电子克,服库伦引力做功增大电势能，原子,的能量增加要吸收能量。,D.,原子也可以从激发态向基态跃迁，,电子所受库仑力做正功减少电势能，,原子的能量减少要辐射出能量，这一能量以光子的形式放出。,注意1：原子的能量增加是因为电子增加的电势能大于电子减少的动能：反之原子的能量减少是因为电子减少的电势能大于电子增加的动能。,注意2：一个原子可以有许多不同的能量状态和相应的能级，但在某一时刻，一个原子不可能即处于这一状态也处于那一状态，他们之中有的处于这种状态，有的处于那种状态。,1,2,3,4,5,n,E,0 eV,0.54,0.85,1.51,3.4,13.6,氢原子的能级图,二.原子的光谱氢原子光谱,1.氢原子的光谱图,氢光谱的观测，说明了它的光谱线不是一个氢原子发出的，而是不同的氢原子从不同的能级跃迁到另一些不同能级的结果。,2.用波尔理论解释氢光谱,（,1）原子发光是能级间跃迁的结果，所辐射（或吸收）的光子,频率为 （E,m,E,n,）/ h,(2)氢原子从不同高能态向同一低能态跃迁时辐射的光属于同一,线系,（3）氢原子从不同高能态向n2的能级辐射的光属于巴耳末,线系,3.波尔理论成功的原因及其局限性,成功原因：引入量子化概念，无论是电子绕核运动的轨道或原 子的能级都是分立的，不连续。,局限性：依然有电子轨道的经典概念，近代量子力学观点，所谓电子轨道只不过是电子出现几率最大的地方，电子在核外的运动情况，应该用“电子云”来形象描述。,4.原子光谱:,A.,稀薄的气体通电后能够发光,利用分光镜可以得到气体发光的这种分立的线状谱, 叫做原子光谱,B. 光谱分析,.由于不同原子的结构不同,能级也就不同,他们可能辐射的光子也就有不同的波长.每种元素中的谱线都有自己的特点,.各种元素的谱线不相同,这样我们就可以通过光谱的分析知道发光的是什么元素,这种方法叫做光谱分析.,C.原子光谱与能级假设的关系,当原子从高能级跃迁到低能级时辐射光子的能量等于前后两个能量之差，由于原子的能级不连续，所以发射的光子的能量也不连续，从光谱上看，原子辐射光波的频率只有若干分立的值，按照波尔理论能级假设可以很好地计算光谱中谱线的位置，与实际符合。,D.光谱的分类,发射光谱， 吸收光谱,练习,1.根据玻尔的氢原子理论，量子数n越大，则 （ ）,A.电子轨道半径越大， B.核外电子速度越大,B.氢原子能级的能量越大 C.跃迁时可能辐射的谱线越多,答案：A.C.D.,2.一个氢原子由基态跃迁到n4的激发态时，此氢原子的光谱中,A.将出现一条明线 B.将消失一条明线,C.各谱线均无变化 D.将出现连续谱,答案： B,3.设氢原子基态的能量为E,1,，某一激发态的能量是E,2,，当氢原子从这一激发态跃迁到基态时，它辐射的光子频率 _：,在真空中的波长 _（已知光在真空中速度为c，普朗克常数为h),答案：（E,2,E,1,),/ h h c /,（E,2,E,1,),4.,氢原子从n3跃迁到n2时放出的光能使某一金属发生光电效应，则以下跃迁中放出的光也一定能使此金属产生光电效应的是（ ）,A.从n2 跃迁到n1 B.从n4 跃迁到n3,C.从n5 跃迁到n3 D.从n6 跃迁到n5,答案：A,5.要使基态的氢原子的电子变为自由电子，至少要吸收能量为,_eV的光子,答案：13.6,参考题,6.若氢原子的核外电子绕核做半径为 r 的匀速圆周运动，则其角速度,_；,电子绕核的运动可等效为环形电流，则电子运动的等效电流,I_ (已知电子的质量为m，电量为e，静电力恒量用K表示）,答案：e/m k/m r ; e,2,/2,m k/m r,7.假设在NaCl蒸汽中存在自由钠离子Na,和氯离子Cl,靠静电力相互作用构成的单个NaCl分子，若取Na,与,Cl,相距无限远时其电势能为零，一个,NaCl分子的,电势能为6.1eV，已知使一个中性钠原子最外层的电子脱离钠原子面形成,Na,所需的能量（电离能）为5.1eV，使一个中性氯原子结合一个电子形成,Cl,所放出的能量（新合能）为3.8eV，由此可算出，在将一个,NaCl分子分解成彼此远离的中,性钠原子和中性氯原子的过程中，外界供给的总能量等于_eV,答案： 4.8,参考题,8.原子从一个能级跃迁到一个较低的能级时，有可能不发射光子。例如.在某种条件下，铬原子的n2能级上的电子跃迁到n1能级上时并不发射光子，而是将相应的能量转交给n4能级上的电子。使之脱离原子，这一现象叫做俄歇效应，以这种方式脱离了原子的电子叫做俄歇电子，已知铬原子的能级公式可简化为：,EnA,/n,2,，式中n1.2.3表示不同的能级，A是正的已知常数，上述,俄歇电子的动能是_,答案：11A,/16,第四节 物 质 波,一.回顾光的波粒二象性,1.牛顿的微粒说 2.惠更斯的波动说 3.光的波粒二象性,二.由光子的波粒两象性，提出微观粒子的波粒二象性的假设,三.物质的分类,1.实物：如.质子，电子,原子。分子,2.场：如：电场，磁场，电磁场,3.物质波：（法国物理学家德布罗意提出）,任何一个运动着的物体，小到电子，质子，大到行星,太阳，都有一种波与它对应。,运动的物质对应的波叫,做物质波，也叫做德布罗意波,4.物质的德布罗意波长,h,/ p,h是普朗克常量，,p是运动物体的动量,例题,1.某电视显像管中电子的运动速度是4.010,7,m/s；质量为10g的一颗子弹的运动速度是200m/s，分别计算它们的德布罗意波长,解：由,h,/ p,得,电子,6.6310,34,/9.110,31,4.010,7,1.810,11,m,子弹,6.6310,34,/1010,3,2003.310,34,m,从计算结果可以看到：宏观物体的,德布罗意波长比微观粒子的波长小得多。所有的物质都有德布罗意波，只是动量越大其波长越短，变动性越弱，粒子性越强。,所以很难观察到宏观物体的波动性。,练习填空：,1.实物粒子和光子一样具有_,2.德布罗意波长与粒子动量的关系是_,3.物理学把物质分为两大类，一类是_,_等，称为_;,另一类是_,_等，统称为_,答案 ：1.波粒二象性 2. h,/ p,3.质子，电子。实物。,电场，磁场，场。,四.牛顿力学的局限性,A.电子束的衍射实验验证了德布罗意波的假设,电子束通过铝箔时的衍射图样见书本P52,实验证明物质波也是概率波,B.牛顿力学的惯性定律不能解释,质点不受力，只能则匀速直线运动，不可能发生衍射,牛顿力学对于,微观粒子不适用,，以后我们回知道.即使是宏观物体在,高速运动时也不使用,。,五.氢原子的电子云,电子在原子中运动的“轨道”这样的说法没有意义。我们只能知道电子在原子核附近各点出现概率的大小。,在不同的状态下，,例如.当原子处于不同能级时，,电子在各处出现的概率是不一样的,。,用疏密不同的点来表示电子在各个位置出现的概率，画出的图，,就象云雾一样，,可以形象地,称为电子云,。见书本P53,纺锤形电子云对应的原子的能量高 见乙图。,本章总结,一.光的本性光电效应，光子，光的波粒二象性,1.光电效应：在光的照射下物体发射电子的现象。,2.光电效应的条件：入射光的频率高于金属的极限频率。,3.光子的能量：Eh,（h为普朗克常量h6.6310,34,J,s),4.爱因斯坦光电效应方程：E,初, hW,（ E,初,为动能最大的光电子的动能，W为金属的逸出功）,6.光电流：与光强，电压有关,7.另外：光电效应说明了光的粒子性.,光的衍射和干涉说明了光的波动性.,根据光的这些现象说明了光具有波粒二象性.,-+,练习,1.如图.为研究光电效应规律的装置图以下说法正确的是：,A.光线一照到K板上，就有电子被打出来，,且会运动到A板上形成电流。,B.用大于极限频率的光线照射K板，就会形成,电流，但当滑动头P移到a端时。光电流为零。,C.用大于极限频率的光线照射K板，就会形成,电流， 将滑动头P,由图示位置移到b端，,电流数值可能会增加。,D.在图示电路中若把电源极性接反，也可能会出现光电流。,答案：C,D,2.关于光的波粒二象性，下列说法正确的是：,A.有的光是波，有的光是粒子,B.光子和电子是同样的一种粒子，称为光电子,C.光的波长越长，波动性越显著,D.光子数越多，粒子性越显著。,答案： C,K,A,a b,p,G,光线,二.原子的结构（能级，光的发射与吸收，物质波）,根据氢原子的能级图得:,1.原子的状态是不连续的，对应的能级也是不连续的,2.原子能量最低的状态叫基态，能量较高的状态叫激发态。,3.光子的发射与吸收公式：h E,m,E,n,4.原子光谱发现的意义：证明了能级的假设。,5.原子光谱的应用：分析物质中所含的元素。,另外，根据电子的衍射图片得,1.电子的衍射说明了电子具有波动性,2.德布罗意波长： h,/ p.,3.原子核外的电子云.,4.牛顿力学的局限性与物质的波粒二象性.,练习.,1.氢原子从能级A跃迁到能级B时，释放频率为,1,的光子；氢原子从能级B跃迁到C时吸收频率为,2,的光子，若,2,1，,则氢原子从,能级C跃迁到A时，将（ ）,A.吸收频率,2,1,的光子 B.,吸收频率,2,1,的光子,C.释放,频率,2,1,的光子 D.释放,频率,2,1,的光子,答案： C,2.钠发光时有一条590 n m 的明线，太阳光谱中则有一条590 n m,的暗线，此暗线的形成是因为（ ）,A.太阳上缺少钠元素，没有发出这条光,B.太阳光经过太阳大气层时590 n m 被吸收了,C.太阳光经过地球大气层时590 n m 被吸收了,D.以上说法都不正确,答案： B,相关练习题:,1.当某种单色光照射到金属表面时，金属表面有光电子逸出，如果光的强度减弱，频率不变，则 （ ）,A.光的强度减弱到某一最低数值时，就没有光电子逸出.,B.单位时间内逸出的光电子数减少.,C.逸出光电子的最大初动能减少.,D.单位时间内逸出的光电子数和光电子的最大初动能都要减少.,2.某种金属在单色光照射下发射出光电子，这种光电子的最大初动能 （ ）,A.随照射光强度的增大而增大 B.随照射光频率的增大而增大 .,C.随照射光波长的增大而增大 D.与照射光的照射时间无关.,3.下列关于光的说法中正确的是 （ ）,A.在真空中红光的波长比紫光的波长短.,B.红光光子能量比紫光光子能量小.,C.红光和紫光相遇时能产生干涉现象.,D.红光照射某金属时有电子向外发射，紫光照射该金属时,一定也有电子向外发射 .,答案：1. B 2. B D 3. B D,4.红，橙，黄，绿四种单色光中，能量最小的是 （ ）,A.红光 B.橙光 C.黄光 D.绿光,5.某单色光照射某金属时不能发生光电效应，则下述措施中可能使该金属产生光电效应的是 （ ）,A.延长光照时间 B.增大光的强度,C.换用波长较短的光照射 D.换用频率较低的光照射.,6.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.从光照至金属表面到发射出光电子之间的时间间隔将明显增加,B.逸出光电子的最大初动能将减少.,C.单位时间内从金属表面逸出的光电子数目将减少.,D.有可能不发生光电效应.,7.用电磁波照射某原子，使它从能量为E,1,的基态跃迁到能量为E,2,的激发态，该电磁波的频率等于_.,答案：4. A 5. C 6. C 7.（ E,2,E,1,）,/h,