（江蘇版 5年高考3年模擬A版）2020年物理總復習 專題十六 波粒二象性 原子物理課件.ppt

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1、專題十六波粒二象性原子物理,高考物理（江蘇專用）,考點一波粒二象性,考點清單,考向基礎 一、黑體和黑體輻射普朗克能量子假說 1.黑體與黑體輻射 (1)黑體:是指能夠完全吸收入射的各種波長的電磁波而不發(fā)生反射的物體。 (2)黑體輻射的實驗規(guī)律 ()一般材料的物體,輻射的電磁波除與溫度有關外,還與材料的種類及表面狀況有關。,()黑體輻射電磁波的強度按波長的分布只與黑體的溫度有關。 a.隨著溫度的升高,各種波長的輻射強度都增加。 b.隨著溫度的升高,輻射強度的極大值向波長較短的方向移動。 2.能量子 (1)定義:普朗克認為,帶電微粒輻射或者吸收能量時,只能輻射或吸收某個最小能量值的整數(shù)倍。即能量的輻

2、射或者吸收只能是一份一份的。這個不可再分的最小能量值叫做能量子。 (2)能量子的大小:=h,其中是電磁波的頻率,h稱為普朗克常量。h=6.63 10-34 Js。 二、光電效應 1.定義:照射到金屬表面的光,能使金屬中的電子從表面逸出的現(xiàn)象。 2.光電子:光電效應中發(fā)射出來的電子。,3.研究光電效應的電路圖: 其中A是陽極,K是陰極。 4.光電效應規(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產(chǎn)生光電效應。低于這個頻率的光不能產(chǎn)生光電效應。 (2)光電子的最大初動能與入射光的強度無關,只隨入射光頻率 的增大而增大。,(3)光電效應的發(fā)生幾乎是瞬時的,一般不超過10-

3、9 s。 (4)當入射光的頻率大于極限頻率時,飽和光電流的大小與入射光的 強度成正比。 三、愛因斯坦光電效應方程 1.光子說 在空間傳播的光是不連續(xù)的,而是一份一份的,每一份叫做一個光的能量子,簡稱光子,光子的能量=h,其中h=6.6310-34 Js。 2.逸出功W0 使電子脫離某種金屬所做功的最小值。 3.最大初動能 發(fā)生光電效應時,金屬表面上的電子吸收光子后克服原子核的引力逸出時所具有的動能的最大值。,4.遏止電壓與截止頻率 (1)遏止電壓:使光電流減小到零的反向電壓Uc。 (2)截止頻率:能使某種金屬發(fā)生光電效應的最小頻率叫做該種金屬的截止頻率(又叫極限頻率)。不同的金屬對應著不同的極

4、限頻率。 5.愛因斯坦光電效應方程 (1)表達式:Ek=h-W0。 (2)物理意義:金屬表面的電子吸收一個光子獲得的能量是h,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)為逸出后光電子的最大初動能Ek=mev2。,四、光的波粒二象性與物質波 1.光的波粒二象性 (1)光的干涉、衍射、偏振現(xiàn)象證明光具有波動性。 (2)光電效應和康普頓效應說明光具有粒子性。 (3)光既具有波動性,又具有粒子性,即光具有波粒二象性。 2.物質波 (1)概率波:光的干涉現(xiàn)象是大量光子的運動遵守波動規(guī)律的表現(xiàn),亮條紋是光子到達概率大的地方,暗條紋是光子到達概率小的地方,因此光波又叫概率波。 (2)物質波:任何一

5、個運動著的物體,小到微觀粒子大到宏觀物體都有一種波與它對應,其波長=,p為運動物體的動量,h為普朗克常量。,考向突破,考向一光電效應現(xiàn)象 1.四點說明 (1)能否發(fā)生光電效應,不取決于光的強度而取決于光的頻率。 (2)光電效應中的“光”不是特指可見光,也包括不可見光。 (3)逸出功的大小由金屬本身決定,與入射光無關。 (4)光電子不是光子,而是電子。 2.兩條對應關系 (1)光強大光子數(shù)目多發(fā)射光電子多光電流大; (2)光子頻率高光子能量大光電子的最大初動能大。,例1(2014廣東理綜,18,6分)在光電效應實驗中,用頻率為的光照射光電管陰極,發(fā)生了光電效應,下列說法正確的是() A.增大入射

6、光的強度,光電流增大 B.減小入射光的強度,光電效應現(xiàn)象消失 C.改用頻率小于的光照射,一定不發(fā)生光電效應 D.改用頻率大于的光照射,光電子的最大初動能變大,解析增大入射光強度,使單位時間內逸出的光電子數(shù)增加,因此光電流增大,選項A正確;光電效應與入射光的頻率有關,與強度無關,選項B錯誤;當入射光的頻率小于,大于極限頻率時發(fā)生光電效應,選項C錯誤;由Ekm=h-W0知,增大入射光的頻率,光電子的最大初動能變大,選項D正確。,答案AD,3.三個定量關系式 (1)愛因斯坦光電效應方程:Ek=h-W0。 (2)最大初動能與遏止電壓的關系:Ek=eUc。 (3)逸出功與極限頻率的關系:W0=h0。,例

7、2當具有5.0 eV的光子射到一金屬表面時,從金屬表面逸出的電子具有的最大初動能為1.5 eV,為了使這種金屬產(chǎn)生光電效應,入射光子的能量必須不小于() A.1.5 eVB.2.5 eVC.3.5 eVD.5.0 eV,解析根據(jù)愛因斯坦光電效應方程Ek=h-W,得逸出功W=h-Ek=5.0 eV-1.5 eV=3.5 eV,由光電效應產(chǎn)生的條件可知,入射光子的能量必須不小于逸出功,故C正確。,答案C,4.光電效應的四類圖像分析,例3圖甲是光電效應的實驗裝置圖,圖乙是光電流與加在陰極K和陽極A上的電壓的關系圖像,下列說法正確的是() A.由圖線、可知在光的顏色不變的情況下,入射光越強,飽和電流

8、越大 B.由圖線、、可知對某種確定的金屬來說,其遏止電壓只由入射,光的頻率決定 C.只要增大電壓,光電流就會一直增大 D.不論哪種顏色的入射光,只要光足夠強,就能發(fā)生光電效應,解析由圖線、可知在光的顏色不變的情況下,入射光越強,飽和電流越大,故選項A正確;根據(jù)光電效應方程Ekm=h-W0=eUc,可知入射光頻率越大,最大初動能越大,遏止電壓也越大,可知對于確定的金屬,遏止電壓只與入射光的頻率有關,故選項B正確;增大電壓,當電壓增大到一定值,光電流達到飽和電流,便不再增大,故選項C錯誤;發(fā)生光電效應的條件是入射光的頻率大于截止頻率,與入射光的強度無關,故選項D錯誤。,答案AB,例4某金屬在光的照

9、射下產(chǎn)生光電效應,其遏止電壓Uc與入射光頻率的關系圖像如圖所示。則由圖像可知() A.該金屬的逸出功等于h0 B.遏止電壓是確定的,與入射光的頻率無關 C.入射光的頻率為20時,產(chǎn)生的光電子的最大初動能為h0 D.入射光的頻率為30時,產(chǎn)生的光電子的最大初動能為h0,解析當遏止電壓為零時,最大初動能為零,則入射光的能量等于逸出功,所以W0=h0,故選項A正確;根據(jù)光電效應方程Ekm=h-W0和-eUc=0-Ekm得,Uc=-,可知當入射光的頻率大于極限頻率時,遏止電壓與入射光 的頻率成線性關系,故選項B錯誤;從圖像上可知,逸出功W0=h0,根據(jù)光電效應方程可知C選項中Ekm=h20-W0=h0

10、,故選項C正確;D選項中Ekm= h30-W0=2h0,故選項D錯誤。,答案AC,考向二對光的波粒二象性的理解,例5關于物質的波粒二象性,下列說法中不正確的是() A.不僅光子具有波粒二象性,一切運動的微粒都具有波粒二象性 B.運動的微觀粒子與光子一樣,當它們通過一個小孔時,都沒有特定的運動軌道 C.波動性和粒子性,在宏觀現(xiàn)象中是矛盾的、對立的,但在微觀高速運動的現(xiàn)象中是統(tǒng)一的 D.實物的運動有特定的軌道,所以實物不具有波粒二象性,解析光具有波粒二象性是微觀世界具有的特殊規(guī)律,大量光子運動的規(guī)律表現(xiàn)出光的波動性,而單個光子的運動表現(xiàn)出光的粒子性。光的波長越長,波動性越明顯,光的頻率越高,粒子性

11、越明顯。而宏觀物體的德布羅意波的波長太小,實際很難觀察到波動性,不是不具有波粒二象性,選項D錯誤。,答案D,例6如果一個電子的德布羅意波長和一個中子的相等,則它們相等的物理量是() A.速度B.動能C.動量D.總能量,解析根據(jù)=,知電子和中子的動量相等,選項C正確。,答案C,考向基礎 一、原子的核式結構 1.粒子散射實驗與原子核式結構 19091911年,英國物理學家盧瑟福和他的助手進行了用粒子轟擊金箔的實驗,實驗發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)粒子穿過金箔后基本上仍沿原來的 方向前進,但有少數(shù)粒子發(fā)生了大角度偏轉,偏轉的角度甚至大于90, 也就是說它們幾乎被“撞”了回來。 為了解釋粒子的大角度散射,盧瑟福在19

12、11年提出了核式結構模型。在原子的中心有一個很小的核,叫原子核,它集中了原子的全部正電荷和幾乎全部的質量,帶負電的電子在核外空間繞核運動。,考點二氫原子光譜、能級,2.核式結構的局限性 核式結構學說成功地解釋了粒子的散射實驗,但在解釋原子的發(fā)光和原子的穩(wěn)定性時卻遇到了無法解決的困難。 二、氫原子光譜、能級 1.光譜 用光柵或棱鏡可以把各種顏色的光按波長展開,獲得光的波長(頻率)和強度分布的記錄,即光譜。 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。,說明太陽光譜不是連續(xù)光譜,而是吸收光譜,是陽光透過太陽高層大氣射向地球時,太陽高層大氣中含有的

13、元素會吸收它自己特征譜線的光,然后再發(fā)射出去,不過這次發(fā)射是向四面八方發(fā)射。所以到達地球的這些譜線看起來就弱了。這樣就形成了明亮背景下的暗線夫瑯和費暗線。與已知元素的光譜相比較,知道太陽中含有鈉、鎂、銅、鋅、鎳等金屬元素。 2.玻爾理論 (1)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,電子雖然繞核運動,但并不向外輻射能量。 (2)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h=Em-En。(h,是普朗克常量,h=6.6310-34 Js) (3)軌道:原子的不同能量狀態(tài)跟電子在不同的圓周軌道繞核運動相

14、對應。原子的定態(tài)是不連續(xù)的,因此電子的可能軌道也是不連續(xù)的。 3.氫原子的能級、能級公式 (1)氫原子的能級 能級圖如圖所示,(2)氫原子的能級和軌道半徑 a.氫原子的能級公式:En=E1(n=1,2,3,),其中E1為基態(tài)能量,其數(shù)值為 E1=-13.6 eV。 b.氫原子的半徑公式:rn=n2r1(n=1,2,3,),其中r1為基態(tài)半徑,其數(shù)值為r1=,0.5310-10 m。 c.能級,d.激發(fā)的方式,考向一對粒子散射實驗的認識 1.粒子散射實驗用金箔作為靶子,是因為: (1)金的延展性好,容易做成很薄的金箔,實驗用的金箔厚度大約是10-7 m;(2)金原子帶的正電荷多,與粒子間的庫侖力

15、大;(3)金原子質量大約是粒子質量的50倍,因而慣性大,粒子運動狀態(tài)容易改變。 2.原子中有電子,但電子質量很小,不及粒子質量的七千分之一,粒子碰到它,就像飛行的子彈碰到一粒塵埃一樣,運動方向不會發(fā)生明顯改變。粒子散射現(xiàn)象表明,原子內部非?？諘?帶正電的部分體積很小,但集中了幾乎全部質量,當粒子接近原子核時,就會受到很大的庫侖斥力,發(fā)生較大角度的偏轉,由于原子核體積小,粒子穿過金箔時接近原子核的機會很小,所以只有少數(shù)粒子發(fā)生大角度偏轉。,考向突破,3.原子,例7根據(jù)粒子散射實驗,盧瑟福提出了原子的核式結構模型。如圖所示為原子核式結構模型的粒子散射圖景,圖中實線表示粒子運動軌跡。其中一個粒子在從

16、a運動到b、再運動到c的過程中,粒子在b點時距原子核最近。下列說法正確的是。,A.盧瑟福在粒子散射實驗中發(fā)現(xiàn)了電子 B.粒子出現(xiàn)較大角偏轉的原因是粒子接近原子核時受到的庫侖斥力 較大 C.粒子出現(xiàn)較大角偏轉的過程中電勢能先變小后變大 D.粒子出現(xiàn)較大角偏轉的過程中加速度先變大后變小,解析粒子的散射實驗說明原子具有核式結構,湯姆孫發(fā)現(xiàn)了電子,A錯誤;根據(jù)點電荷周圍電場可知,距離原子核近的地方電場強度大,故越靠近原子核加速度越大,粒子加速度先變大后變小,粒子出現(xiàn)較大偏轉角原因是粒子接近原子核時受到的庫侖斥力較大,B、D正確;根據(jù)電場力做功特點可知,粒子運動過程中電場力先做負功后做正功,電勢能先變大

17、后變小,C錯誤。,答案BD,考向二玻爾理論 1.定態(tài)間的躍遷滿足能級差 (1)從低能級(n小)高能級(n大)吸收能量。 h=- (2)從高能級(n大)低能級(n小)放出能量。 h=- 2.電離 電離態(tài):n=,E=0。 基態(tài)電離態(tài):E吸=0-(-13.6 eV)=13.6 eV(電離能)。 n=2電離態(tài):E吸=0-E2=3.4 eV。 如吸收能量足夠大,克服電離能后,獲得自由的電子還攜帶動能。,例8一個氫原子從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.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,

18、故選項B正確,A、C、D錯誤。,答案B,例92014山東理綜,39(1)氫原子能級如圖,當氫原子 從n=3躍遷到n=2的能級時,輻射光的波長為656 nm。 以下判斷正確的是。 a.氫原子從n=2躍遷到n=1的能級時,輻射光的波長大于656 nm b.用波長為325 nm的光照射,可使氫原子從n=1躍遷到n=2的能級 c.一群處于n=3能級上的氫原子向低能級躍遷時最多產(chǎn)生3種譜線 d.用波長為633 nm的光照射,不能使氫原子從n=2躍遷到n=3的能級,解析由E初-E終=h=h可知,氫原子躍遷時始末能級差值越大,輻射的 光子能量越高、波長越短,由能級圖知E3-E2

19、=121.6 nm<325 nm,故b錯誤。由=3可知c正 確。因躍遷中所吸收光子的能量必須等于始末能級的差值,即從n=2躍遷到n=3的能級時必須吸收=656 nm的光子,故d正確。,答案cd,考點三放射性元素的衰變、核反應,考向基礎 一、天然放射現(xiàn)象,半衰期的公式:N余=N原,m余=m原,式中N原、m原表示衰變前的 放射性元素的原子數(shù)和質量,N余、m余表示衰變后尚未發(fā)生衰變的放射性元素的原子數(shù)和質量,t表示衰變時間,表示半衰期。 二、放射性同位素的應用 1.利用它的射線 如利用鈷60放出的很強的射線來檢查金屬內部有沒有砂眼和裂紋,這叫射線探傷。利用放射線的貫穿本領了解物體的厚度和密度的關系,

20、可以用放射性同位素來檢查各種產(chǎn)品的厚度、密封容器中的液面高度,從而自動控制生產(chǎn)過程。再如利用射線的電離作用,可以消除機器在運轉中因摩擦而產(chǎn)生的有害靜電,利用射線殺死人體內的癌細胞等。,2.作為示蹤原子 在生物科學研究方面,示蹤原子起著十分重要的作用。在對輸油管線漏油情況的檢查和對植物生長的檢測方面,示蹤原子同樣起著重要作用。 三、核力與結合能、質量虧損 1.核力 (1)定義: 原子核內部,核子間所特有的相互作用力。 (2)特點: ()核力是強相互作用的一種表現(xiàn); ()核力是短程力,作用范圍在1.510-15 m之內; ()每個核子只跟它的相鄰核子間才有核力作用。,2.結合能 核子結合為原子核時

21、釋放的能量或原子核分解為核子時吸收的能量,叫做原子核的結合能。 3.比結合能 (1)定義: 原子核的結合能與核子數(shù)之比,稱做比結合能,也叫平均結合能。 (2)特點: 不同原子核的比結合能不同,原子核的比結合能越大,表示原子核中核子結合得越牢固,原子核越穩(wěn)定。,4.質能方程、質量虧損 愛因斯坦質能方程E=mc2,原子核的質量必然比組成它的核子的質量和要小m,這就是質量虧損。由質量虧損可求出釋放的核能E=mc2。 四、裂變反應和聚變反應、鏈式反應 1.重核裂變 (1)定義:質量數(shù)較大的原子核受到高能粒子的轟擊而分裂成幾個質量數(shù)較小的原子核的過程。 (2)典型的裂變反應方程: UnBa+n。 (3)

22、鏈式反應:由重核裂變產(chǎn)生的中子使裂變反應一代接一代繼續(xù)下去的過程。,(4)臨界體積和臨界質量:裂變物質能夠發(fā)生鏈式反應的最小體積及其相應的質量。 (5)裂變的應用:原子彈、核反應堆。 (6)反應堆構造:核燃料、減速劑、鎘棒、防護層。 2.輕核聚變 (1)定義:兩輕核結合成質量較大的核反應過程。輕核聚變反應 必須在高溫下進行,因此又叫熱核反應。 (2)典型的聚變反應方程: HHHen+17.6 MeV,五、核反應方程,考向突破,考向一半衰期的計算 不同元素的半衰期是不一樣的,用表示某元素的半衰期,m0與N0表示衰變前該元素的質量和原子核數(shù),m和N表示衰變后該元素的質量和原子核數(shù),n表示半衰期數(shù),

23、則 m==m0, N==N0。,例102014江蘇單科,12C(2)氡222是一種天然放射性氣體,被吸入后,會對人的呼吸系統(tǒng)造成輻射損傷。它是世界衛(wèi)生組織公布的主要環(huán)境致癌物質之一。其衰變方程是 RnPo+。已知Rn的半 衰期約為3.8天,則約經(jīng)過天,16 g的 Rn衰變后還剩1 g。,解析由質量數(shù)、電荷數(shù)守恒有: RnPoHe 由m= n=4,t=nT=43.8天=15.2天,答案He(或)15.2,考向二原子核的衰變規(guī)律及衰變次數(shù)的計算方法 1.衰變:放射性元素的原子核由于放出某種粒子而轉變?yōu)樾潞说淖兓Q為衰變。 2.衰變規(guī)律:電荷數(shù)和質量數(shù)都守恒。 (1)衰變XYHe,衰變的實質是某元素

24、的原子核放出由兩個質 子和兩個中子組成的粒子(即氦核)。 (2)衰變XYe,衰變的實質是某元素的原子核內的一個中子變 為一個質子時放射出一個電子。 (3)輻射:輻射是伴隨衰變或衰變同時發(fā)生的。輻射不改變原子核的電荷數(shù)和質量數(shù)。其實質是放射性原子核在發(fā)生衰變或衰變時,產(chǎn)生的某些新核由于具有過多的能量(核處于激發(fā)態(tài))而輻射出光子。,3.確定衰變次數(shù)的方法:設放射性元素X經(jīng)過m次衰變、n次衰變后, 變成穩(wěn)定的新元素Y,則表示核反應的方程為X Y+He+e。 根據(jù)電荷數(shù)守恒和質量數(shù)守恒可列方程 A=A+4m,Z=Z+2m-n 兩式聯(lián)立得m=,n=+Z-Z 由此可見確定衰變次數(shù)可歸結為解一個二元一次方程

25、組。,例11U經(jīng)過m次衰變和n次衰變,變成Pb,則() A.m=7,n=3B.m=7,n=4 C.m=14,n=9D.m=14,n=18,解析衰變方程為UPb+He+e,由質量數(shù)、電荷數(shù)守恒得:m =7,n=4,因而B項正確。,答案B,方法1解答氫原子躍遷問題的方法 1.能級之間發(fā)生躍遷時放出(吸收)光子的頻率由h=Em-En求得。若求波長可由公式c=求得。 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。 3.一群氫原子躍遷發(fā)出可能的光譜線條數(shù)的兩種求解方法: (1)用數(shù)學中的組合知識求解:N==。 (2)利用能級圖求解:在氫原子能級圖中將氫原子躍遷的各種可能情況一一畫出,然后相加。,

26、方法技巧,例1如圖為氫原子能級示意圖的一部分,則氫原子() 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,解析光子能量E=h=,而E4-33-2,A項正確。由于光波的 波速由介質和頻率共同決定,且在真空中傳播時與頻率無關,故B錯。電子在核外不同能級出現(xiàn)的概率是不同的,故C錯。能級躍遷是核外電子在不同軌道間的躍遷,與原子核無關,故D錯誤。,答案A,方法2質能方程及核能

27、的計算方法 1.質能方程 愛因斯坦的相對論指出,物體的質量和能量之間存在著密切聯(lián)系,即E=mc2。物質的質量和能量之間存在著簡單的正比關系,而不能理解為能量和質量間相互轉化。 (1)核子在結合成原子核時出現(xiàn)質量虧損m,其能量也要相應減少,即E=mc2。 (2)將原子核中的核子分開時要吸收一定的能量,相應的質量增加m,吸收的能量為E=mc2。 2.核能釋放的兩種途徑的理解 (1)使較重的核分裂成中等大小的核。,(2)較小的核結合成中等大小的核。 3.核能的計算 (1)根據(jù)E=mc2計算,計算時m的單位是“kg”,c的單位是“m/s”,E的單位是“J”。 (2)根據(jù)E=m931.5 MeV計算。因

28、1 u相當于931.5 MeV的能量,所以計算時m的單位是“u”,E的單位是“MeV”。,例2氘核和氚核可發(fā)生熱核聚變而釋放出巨大的能量,該反應方程為HHHe+x,式中x是某種粒子。已知HHHe和粒子x的質量分 別為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。由上述反應方程和數(shù)據(jù)可知,粒子x是,該反應釋放出的能量為MeV(結果保留3位有效數(shù)字)。,解析熱核聚變的核反應方程為HHHen,所以x為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,