(新課標(biāo))河南省2015高考物理總復(fù)習(xí)講義 第13章 第2講 光電效應(yīng) 氫原子光譜
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1、 第2講 光電效應(yīng) 氫原子光譜 知識一 光電效應(yīng)現(xiàn)象 1.光電效應(yīng)的實驗規(guī)律 (1)每種金屬都有一個極限頻率,入射光的頻率必須大于這個極限頻率才能發(fā)生光電效應(yīng). (2)光電子的最大初動能與入射光的強(qiáng)度無關(guān),其隨入射光頻率的增大而增大. (3)光電流強(qiáng)度(反映單位時間內(nèi)發(fā)射出的光電子數(shù)的多少)與入射光強(qiáng)度成正比. (4)光電效應(yīng)的發(fā)生幾乎是瞬時的,一般不超過10-9s. 2.光子說 愛因斯坦提出:空間傳播的光不是連續(xù)的,而是一份一份的,每一份稱為一個光子,光子具有的能量與光的頻率成正比,即:ε=hν,其中h=6.6310-34 Js. 3.光電效應(yīng)方程 (1)表達(dá)式:h
2、ν=Ek+W0或Ek=hν-W0. (2)物理意義:金屬中的電子吸收一個光子獲得的能量是hν,這些能量的一部分用來克服金屬的逸出功W0,剩下的表現(xiàn)為逸出后電子的最大初動能Ek=mv2. (3)任何一種金屬都有一個極限頻率,入射光的頻率必須大于這個極限頻率才能發(fā)生光電效應(yīng),低于這個極限頻率則不能發(fā)生光電效應(yīng). 知識二 α粒子散射實驗與核式結(jié)構(gòu)模型 1.盧瑟福的α粒子散射實驗裝置(如圖13-2-1所示) 圖13-2-1 2.α粒子散射實驗的現(xiàn)象 絕大多數(shù)α粒子穿過金箔后,基本上仍沿原來的方向前進(jìn),但少數(shù)α粒子發(fā)生了大角度偏轉(zhuǎn),極少數(shù)α粒子甚至被撞了回來.如圖13-2-2所示.
3、 α粒子散射實驗的分析圖 圖13-2-2 3.盧瑟福的原子核式結(jié)構(gòu)模型 在原子的中心有一個很小的核,叫原子核,原子的所有正電荷和幾乎所有質(zhì)量都集中在原子核里,帶負(fù)電的電子在核外繞核旋轉(zhuǎn). 1 / 10 知識三 氫原子光譜和玻爾理論 1.光譜 (1)光譜:用光柵或棱鏡可以把光按波長展開,獲得光的波長(頻率)和強(qiáng)度分布的記錄,即光譜. (2)光譜分類 有些光譜是一條條的亮線,這樣的光譜叫做線狀譜. 有的光譜是連在一起的光帶,這樣的光譜叫做連續(xù)譜. (3)氫原子光譜的實驗規(guī)律 巴耳末線系是氫原子光譜在可見光區(qū)的譜線,其波長公式=R(-)(n=3,4,5,…),R是里
4、德伯常量,R=1.10107 m-1,n為量子數(shù). 2.玻爾理論 (1)軌道:原子中的電子在庫侖引力的作用下,繞原子核做圓周運(yùn)動,電子繞核運(yùn)動的軌道是不連續(xù)的. (2)定態(tài):原子只能處于一系列不連續(xù)的能量狀態(tài)中,在這些能量狀態(tài)中原子是穩(wěn)定的,電子雖然繞核運(yùn)動,但并不向外輻射能量. (3)躍遷:原子從一種定態(tài)躍遷到另一種定態(tài)時,它輻射或吸收一定頻率的光子,光子的能量由這兩個定態(tài)的能量差決定,即hν=Em-En.(h是普朗克常量,h=6.6310-34 Js) (1)一群氫原子躍遷發(fā)出可能的光譜線數(shù)為N=C=,一個氫原子躍遷發(fā)出可能的光譜線數(shù)最多為(n-1). (
5、2)由能級圖可知,由于電子的軌道半徑不同,氫原子的能級不連續(xù),這種現(xiàn)象叫能量量子化. 考點(diǎn)一 對光電效應(yīng)規(guī)律的理解 一、光電效應(yīng)的實質(zhì) 光子照射到金屬表面,某個電子吸收光子的能量使其動能變大,當(dāng)電子的動能增大到足以克服原子核的引力時,便飛出金屬表面成為光電子. 二、極限頻率的實質(zhì) 光子的能量和頻率有關(guān),而金屬中電子克服原子核引力需要的能量是一定的,光子的能量必須大于金屬的逸出功才能發(fā)生光電效應(yīng).這個能量的最小值等于這種金屬對應(yīng)的逸出功,所以每種金屬都有一定的極限頻率. 三、對光電效應(yīng)瞬時性的理解 光照射到金屬上時,電子吸收光子的能量不需要積累,吸收的能量立即轉(zhuǎn)化為電子的能量,
6、因此電子對光子的吸收十分迅速. 四、 圖13-2-3 光電效應(yīng)方程 電子吸收光子能量后從金屬表面逸出,其中只有直接從金屬表面飛出的光電子才具有最大初動能,根據(jù)能量守恒定律,Ek=hν-W0.如圖13-2-3所示. 五、用光電管研究光電效應(yīng) 1.常見電路(如圖13-2-4所示) 圖13-2-4 2.兩條線索 (1)通過頻率分析:光子頻率高→光子能量大→產(chǎn)生光電子的最大初動能大. (2)通過光的強(qiáng)度分析:入射光強(qiáng)度大→光子數(shù)目多→產(chǎn)生的光電子多→光電流大. 3.常見概念辨析 ——————[1個示范例]—————— (2013浙江高考)小明用金屬銣
7、為陰極的光電管,觀測光電效應(yīng)現(xiàn)象,實驗裝置示意圖如圖13-2-5甲所示.已知普朗克常量h=6.6310-34 Js. 圖13-2-5 (1)圖甲中電極A為光電管的________(填“陰極”或“陽極”); (2)實驗中測得銣的遏止電壓UC與入射光頻率ν之間的關(guān)系如圖乙所示,則銣的截止頻率νc=________Hz,逸出功W0=________J; (3)如果實驗中入射光的頻率ν=7.001014Hz,則產(chǎn)生的光電子的最大初動能Ek=________J. 【解析】 (1)在光電效應(yīng)中,電子向A極運(yùn)動,故電極A為光電管的陽極. (2)由題圖可知,銣的截止頻率νc為5.151014
8、Hz,逸出功W0=hνc=6.6310-345.151014 J≈3.4110-19 J. (3)當(dāng)入射光的頻率為ν=7.001014Hz時,由Ek=hν-h(huán)νc得,光電子的最大初動能為Ek=6.6310-34(7.00-5.15)1014 J≈1.2310-19 J. 【答案】 (1)陽極 (2)5.151014 3.4110-19 (3)1.2310-19 ——————[1個預(yù)測例]—————— A、B兩種光子的能量之比為2∶1,它們都能使某種金屬發(fā)生光電效應(yīng),且所產(chǎn)生的光電子最大初動能分別為EA、EB.求A、B兩種光子的動量之比和該金屬的逸出功. 【解析】 光子能量
9、ε=hν,動量p=,且ν= 得p=,則pA∶pB=2∶1 A照射時,光電子的最大初動能EA=εA-W0.同理,EB=εB-W0 解得W0=EA-2EB. 【答案】 2∶1 W0=EA-2EB 考點(diǎn)二 氫原子能級和能級躍遷 一、氫原子的能級圖 能級圖如圖13-2-6所示. 圖13-2-6 二、能級圖中相關(guān)量意義的說明 相關(guān)量 意義 能級圖中的橫線 表示氫原子可能的能量狀態(tài)——定態(tài) 橫線左端的數(shù)字“1,2,3…” 表示量子數(shù) 橫線右端的數(shù)字 “-13.6,-3.4…” 表示氫原子的能量 相鄰橫線間的距離 表示相鄰的能量差,量子數(shù)越大相鄰的能量差越小,距離
10、越小 帶箭頭的豎線 表示原子由較高能級向較低能級躍遷,原子躍遷的條件為hν=Em-En 三、關(guān)于光譜線條數(shù)的兩點(diǎn)說明 1.一群氫原子躍遷發(fā)出可能的光譜線條數(shù)為N=C=. 2.一個氫原子躍遷發(fā)出可能的光譜線條數(shù)最多為(n-1). ——————[1個示范例]—————— (2012四川高考)如圖13-2-7所示為氫原子能級示意圖的一部分,則氫原子( ) 圖13-2-7 A.從n=4能級躍遷到n=3能級比從n=3能級躍遷到n=2能級輻射出電磁波的波長長 B.從n=5能級躍遷到n=1能級比從n=5能級躍遷到n=4能級輻射出電磁波的速度大 C.處于不同能級時,核外電
11、子在各處出現(xiàn)的概率是一樣的 D.從高能級向低能級躍遷時,氫原子核一定向外放出能量 【解析】 因為E4-E3=0.66 eV<E3-E2=1.89 eV,根據(jù)c=λν和hν=En-Em得從n=4能級躍遷到n=3能級比從n=3能級躍遷到n=2能級輻射出電磁波的波長長,選項A正確;電磁波在真空中的傳播速度都相等,與光子的頻率無關(guān),選項B錯誤;氫原子的核外電子處于不同能級時在各處出現(xiàn)的概率是不同的,能級越低,在靠近原子核較近的地方出現(xiàn)的概率越大,選項C錯誤;氫原子從高能級躍遷到低能級時,是氫原子核外的電子從高能級躍遷到了低能級向外放出能量,選項D錯誤. 【答案】 A ——————[1個預(yù)測例]
12、—————— 氫原子部分能級的示意圖如圖13-2-8所示.不同色光的光子能量如下表所示. 色光 紅 橙 黃 綠 藍(lán)-靛 紫 光子能量 范圍(eV) 1.61~ 2.00 2.00~ 2.07 2.07~ 2.14 2.14~ 2.53 2.53~ 2.76 2.76~ 3.10 圖13-2-8 處于某激發(fā)態(tài)的氫原子,發(fā)射的光的譜線在可見光范圍內(nèi)僅有2條,其顏色分別為( ) A.紅、藍(lán)-靛 B.黃、綠 C.紅、紫 D.藍(lán)-靛、紫 【解析】 原子發(fā)光時放出的光子的能量等于原子能級差,先分別計算各相鄰的能級差,再由小
13、到大排序.結(jié)合可見光的光子能量表可知,有兩個能量分別為1.89 eV和2.55 eV的光子屬于可見光,分別屬于紅光和藍(lán)-靛光的范圍,故答案為A. 【答案】 A 1.(多選)(2011廣東高考)光電效應(yīng)實驗中,下列表述正確的是( ) A.光照時間越長光電流越大 B.入射光足夠強(qiáng)就可以有光電流 C.遏止電壓與入射光的頻率有關(guān) D.入射光頻率大于極限頻率才能產(chǎn)生光電子 【解析】 在光電效應(yīng)中,若照射光的頻率小于極限頻率,無論光照時間多長,光照強(qiáng)度多大,都無光電流,當(dāng)照射光的頻率大于極限頻率時,立刻有光電子產(chǎn)生,故A、B錯誤,D正確.由-eU=0-Ek,Ek=hν-W,可知U=(h
14、ν-W)/e,即遏止電壓與入射光頻率ν有關(guān),C正確. 【答案】 CD 2.盧瑟福和他的助手做α粒子轟擊金箔實驗,獲得了重要發(fā)現(xiàn),關(guān)于α粒子散射實驗的結(jié)果,下列說法正確的是( ) A.證明了質(zhì)子的存在 B.證明了原子核是由質(zhì)子和中子組成的 C.證明了原子的全部正電荷和幾乎全部質(zhì)量都集中在一個很小的核里 D.說明了原子中的電子只能在某些軌道上運(yùn)動 【解析】 α粒子散射實驗發(fā)現(xiàn)了原子內(nèi)存在一個集中了全部正電荷和幾乎全部質(zhì)量的核.?dāng)?shù)年后盧瑟福發(fā)現(xiàn)核內(nèi)有質(zhì)子并預(yù)測核內(nèi)存在中子,所以C對,A、B錯;玻爾發(fā)現(xiàn)了電子軌道量子化,D錯. 【答案】 C 圖13-2-9 3.(多選
15、)如圖13-2-9所示給出了氫原子的6種可能的躍遷,則它們發(fā)出的光( ) A.a(chǎn)的波長最長 B.d的波長最長 C.f的光子比d的光子能量大 D.a(chǎn)的頻率最小 【解析】 由玻爾理論知,原子躍遷時,h=ΔE,從能級圖知ΔEa最小,a的波長最長,頻率最小,則B錯誤,A、D正確;hνd=ΔEd=(-)E1=-E1,hνf=ΔEf=(-)E1=-E1,因此,f的光子的能量比d的光子的能量大,C正確. 【答案】 ACD 4.(2012北京高考)一個氫原子從n=3能級躍遷到n=2能級,該氫原子( ) A.放出光子,能量增加 B.放出光子,能量減少 C.吸收光子,能量增加 D
16、.吸收光子,能量減少 【解析】 氫原子從高能級向低能級躍遷時,放出光子,能量減少,故選項B正確,選項A、C、D錯誤. 【答案】 B 5.(2011福建高考)愛因斯坦因提出了光量子概念并成功地解釋光電效應(yīng)的規(guī)律而獲得1921年諾貝爾物理學(xué)獎.某種金屬逸出光電子的最大初動能Ekm與入射光頻率ν的關(guān)系如圖13-2-10所示,其中ν0為極限頻率.從圖中可以確定的是( ) 圖13-2-10 A.逸出功與ν有關(guān) B.Ekm與入射光強(qiáng)度成正比 C.當(dāng)ν<ν0時,會逸出光電子 D.圖中直線的斜率與普朗克常量有關(guān) 【解析】 由光電效應(yīng)方程Ekm=hν-W、W=hν0,與y=kx+b相對應(yīng)
17、可知只有D項正確. 【答案】 D 6.(2011四川高考)氫原子從能級m躍遷到能級n時輻射紅光的頻率為ν1,從能級n躍遷到能級k時吸收紫光的頻率為ν2,已知普朗克常量為h,若氫原子從能級k躍遷到能級 m,則( ) A.吸收光子的能量為hν1+hν2 B.輻射光子的能量為hν1+hν2 C.吸收光子的能量為hν2-h(huán)ν1 D.輻射光子的能量為hν2-h(huán)ν1 【解析】 由題意可知:Em-En=hν1,Ek-En=hν2.因為紫光的頻率大于紅光的頻率,所以ν2>ν1,即k能級的能量大于m能級的能量,氫原子從能級k躍遷到能級m時向外輻射能量,其值為Ek-Em=hν2-h(huán)ν1,
18、故只有D項正確. 【答案】 D 7.(2013福建高考)在盧瑟福α粒子散射實驗中,金箔中的原子核可以看作靜止不動,下列各圖畫出的是其中兩個α粒子經(jīng)歷金箔散射過程的徑跡,其中正確的是________.(填選圖下方的字母) 【解析】 理解α粒子散射實驗現(xiàn)象,關(guān)鍵是弄清α粒子遇到金原子核時受到強(qiáng)大的斥力作用,才能發(fā)生大角度散射,選項C正確. 【答案】 C 8.(2013江蘇高考)根據(jù)玻爾原子結(jié)構(gòu)理論,氦離子(He+)的能級圖如圖13-2-11所示.電子處在n=3軌道上比處在n=5軌道上離氦核的距離________(選填“近”或“遠(yuǎn)”).當(dāng)大量He+處在n=4的激發(fā)態(tài)時,由于躍遷所發(fā)
19、射的譜線有________條. 圖13-2-11 【解析】 根據(jù)玻爾理論rn=n2r1可知電子處在n=3的軌道上比處在n=5的軌道上離氦核的距離近.大量He+處在n=4的激發(fā)態(tài)時,發(fā)射的譜線有6條. 【答案】 近 6 9.(2011新課標(biāo)全國高考)在光電效應(yīng)實驗中,某金屬的截止頻率相應(yīng)的波長為λ0,該金屬的逸出功為________.若用波長為λ(λ<λ0)的單色光做該實驗,則其遏止電壓為________.已知電子的電荷量、真空中的光速和普朗克常量分別為e、c和h. 【解析】 設(shè)金屬的截止頻率為ν0,則該金屬的逸出功W0=hν0=h;對光電子,由動能定理得eU0=h-W0,解得U0=. 【答案】 10.(2012山東高考)氫原子第n能級的能量為En=,其中E1為基態(tài)能量.當(dāng)氫原子由第4能級躍遷到第2能級時,發(fā)出光子的頻率為ν1;若氫原子由第2能級躍遷到基態(tài),發(fā)出光子的頻率為ν2,則=________. 【解析】 根據(jù)氫原子的能級公式,hν1=E4-E2=-=-E1 hν2=E2-E1=-=-E1 所以==. 【答案】 希望對大家有所幫助,多謝您的瀏覽!
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