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人教社2019版高中物理选择性必修三
第四章 原子结构和波粒二象性
单元整合与知识拓展
核心素养
物理观念
1.了解人类探索原子及其结构的历史。知道原子的核式结构模型。通过对氢原子光谱的分析，了解原子的能级结构 。
2.通过实验，了解光电效应现象。知道爱因斯坦光电效应方程及其意义。能根据实验结论说明光的波粒二象性。
3.知道实物粒子具有波动性，了解微观世界的量子化特征。体会量子论的建立对人们认识物质世界的影响。
科学思维
1.从科学概念蜕变的历史轨迹中领悟科学家的科学探究
2.学习康普顿效应，提高证据意识，深化电磁场物质性的认识。
3.贯穿原子结构发现的历史和科学的研究方法，正确认识创新和继承的关系。
第四章 原子结构和波粒二象性
全章知识网络构建
第四章 原子结构和波粒二象性
1.黑体
某种物体能够完全“吸收” 入射的各种波长的电磁波而不发生反射,这种物体就是绝对黑体,简称黑体。
2.黑体辐射
(1)黑体虽然不反射电磁波,但却可以向外辐射电磁波, 这样的辐射叫作黑体辐射。
(2)黑体辐射特点: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。

3.黑体辐射的实验规律（如图所示）
a.温度一定时,黑体辐射强度随波长的分布有一个极大值。
b.随着温度的升高,各种波长的辐射强度都会增加,辐射强度的极大值增大且向波长较短的方向移动（左移）。
一、黑体与黑体辐射
黑体结构示意图
黑体辐射的实验规律
单元整合与知识拓展
1.对黑体的认识,下列说法中正确的是(　　)
A.黑体只吸收电磁波,不反射电磁波,看上去是黑的
B.黑体辐射电磁波的强度按波长的分布除与黑体的温度有关外, 还与材料的种类及表面状况有关
C.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,与材料的种类及表面状况无关
D.如果在一个空腔壁上开一个很小的孔,射入小孔的电磁波在空腔内表面经多次反射和吸收,最终不能从小孔射出,这个空腔就成了一个黑体
课堂演练
解析：由于黑体自身辐射电磁波,所以看上去不一定是黑的,所以选项A错误;由于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,所以选项B错误,选项C正确;小孔只吸收电磁波,不反射电磁波,因此 空腔成了一个黑体,所以选项D错误。
答案CD
2.(2020江苏模拟)“测温枪”(学名“红外线辐射测温仪”)具有响应快、非接触和操作方便等优点。它是根据黑体辐射规律设计出来的,能将接收到的人体热辐射转换成温度显示。若人体温度升高,则人体热辐射强度I及其极大值对应的波长λ的变化情况是(　　)
A.I 增大,λ 增大 B.I 增大,λ 减小
C.I 减小,λ 增大 D.I 减小,λ 减小
课堂演练
解析根据黑体辐射实验的规律可知,随着温度的升高,一方面,各种波长的辐射强度I都有增强,另一方面,辐射强度的极大值向波长较短的方向移动,故若人体温度升高,则人体热辐射强度I增大,辐射强度极大值对应的波长λ减小,故B正确,A、C、D错误。
答案B
3.黑体辐射的研究表明:辐射强度、波长分布与辐射体的温度有密切关系。此研究对冶金工业的迅速发展有巨大贡献,如图所示,图中画出了四种温度下黑体辐射的强度与波长的关系,从中可以看出(　　)

A.温度越高,辐射电磁波的波长越短
B.温度越低,辐射电磁波的波长越长
C.同一波长的辐射强度随着温度的升高而增强
D.不同温度时辐射强度的最大值变化无规律可循
课堂演练
解析无论温度高低,黑体都会辐射所有波长的电磁波,故A、B错误;同一波长的辐射强度随着温度的升高而增强,故C正确;温度升高,辐射强度的最大值向短波长、高频率的方向移动,故D错误。
答案C
4.某广播电台的发射功率为10 kW,发射的是在空气中波长为187.5 m的电磁波,则:(普朗克常量h=6.63×10-34 J·s,光速c=3×108 m/s)
(1)该电台每秒从天线发射多少个能量子?
(2)若发射的能量子在以天线为球心的同一球面上的分布视为均匀的,求在离天线2.5 km处,直径为2 m的球状天线每秒接收的能量子个数以及接收功率。
课堂演练
分析1：E总 =Nε= P t
能量子
n=N????′????=N????????????????????
?
分析????：?????????=????′????
?
P收=????????????
?
????=??????????????
?
S=4πR2
S'=πr2
答案(1)9.4×1030个　(2)3.76×1023个　4×10-4 W
解析(1)每个能量子的能量
ε=hν=????????????=????.????????×?????????????????×????×????????????????????????.????J=1.06×10-27 J
则每秒电台发射上述波长能量子数N=????????????=9.4×1030个
(2)设球状天线每秒接收能量子数为n个,以电台发射天线为球心,则半径为R的球面积S=4πR2,而球状天线的有效接收面积S'=πr2,所以n=N????????′????=N????????????????????=9.4×1030×????????????×(????.????×????????????)????个=3.76×1023个
接收功率P收=????????????=3.76×1023×1.06×10-27 W=4×10-4 W。
?
1.存在截止频率（极限频率）：
入射光频率减小 到光电流为0（无光电子了）时的频率?c即为截止频率。
当入射光的频率低于截止频率时，怎样都不会发生光电效应。
金属要发生光电效应必须满足入射光频率大于截止频率，与入射光强弱无关。
2.存在饱和电流： 光照条件不变，增大电压UAK，光电流趋于达到一个饱和值。
在光的频率（颜色）不变的情况下，入射光越强，
饱和电流越大。（如图中所示）
3.存在遏止电压（截止电压）： 在K、A间加反向电压，当光电流恰为0时的反向电压Uc叫作遏止电压
对于一定频率(颜色)的光, 无论光的强弱如何,遏止电压是一样的;
光的频率? 改变，遏止电压也会改变。（如图所示蓝光、黄光）
4.具有瞬时性：发生光电效应时，会立即产生光电流。
（一）、光电效应的实验规律
二、光电效应
光电流和电压的关系
阴极
阳极
光电效应
单元整合与知识拓展
1.光子：
光本身就是由一个个不可分割的能量子组成的，频率为ν的光的能量子为hν。这些光的能量子后来被称为光子。光子的能量：
(二)、爱因斯坦的光电效应理论
2.爱因斯坦的光电效应方程：
一个电子吸收一个光子的能量hv后，一部分能量用来克服金属的逸出功W0，剩下的是逸出后电子的初动能Ek，即：
—光电子的最大初动能
（爱因斯坦光电效应方程）
光子能量
逸出功
截止频率
-W0
斜率k=h=W0/?c
W0=h ?c
?c
二、光电效应
3.爱因斯坦光电效应方程的应用：
遏止电压UC
截止频率?c
入射光频率?
斜率k=h/e
=
(二)、爱因斯坦的光电效应理论
让人们意识到光既具有波动性，又具有粒子性，
即光具有波粒二象性。
（三）、光的波粒二象性：
光电效应、康普顿效应重新揭示了光在与物质发生作用时表现出的粒子性。
光子能量：
光子动量：
????=????????
?
????=????????????=????????
?
粒子性
波动性
二、光电效应
（四）、光电效应的几种图像
图像名称
图线形状
由图线直接(间接)得到的物理量
最大初动能Ek与入射光频率ν的关系图线,光电方程Ek=hν-W0
?
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轴交点的纵坐标的值W0=E
③普朗克常量:图线的斜率k=h
颜色不同即入射光的频率ν不同时,光电流与电压的关系
?
①遏止电压Uc:图线与横轴的交点
②饱和光电流Im:电流的最大值
③最大初动能:Ekm=eUc
二、光电效应
图像名称
图线形状
由图线直接(间接)得到的物理量
遏止电压Uc与入射光频率ν的关系图线
?
①截止频率νc:图线与横轴的交点
②遏止电压Uc:随入射光频率的增大而增大
③普朗克常量h:等于图线的斜率与电子电量的乘积,即h=ke(注:此时两极之间接反向电压)
{5C22544A-7EE6-4342-B048-85BDC9FD1C3A}
遏止电压Uc与入射光频率ν的关系图线
①截止频率νc:图线与横轴的交点
②遏止电压Uc:随入射光频率的增大而增大
③普朗克常量h:等于图线的斜率与电子电量的乘积,即h=ke(注:此时两极之间接反向电压)
（四）、光电效应的几种图像
1. (2020河北石家庄三模)物理学家密立根利用如图甲所示的电路研究金属钾的遏止电压Uc与入射光频率ν的关系,其图像如图乙所示。已知电子的电荷量为e。
课堂演练
Ek=hν-W0
A.若仅增大入射光的光强,则光电子的最大初动能增大
B.若增大入射光的频率,则光电子的最大初动能保持不变
C.由Uc-ν图像可知,金属钾的截止频率为ν0
D.由Uc-ν图像可求出普朗克常量为

解析根据爱因斯坦光电效应方程可知,Ekm=hν-W0,光电子的最大初动能与入射光的强度无关,与入射光的频率有关,随着入射光频率的增大,光电子的最大初动能增大,故AB错误;
课堂演练
Ek=hν-W0
下列说法正确的是(　　)
答案D
2. (2020山东青岛二模)图甲为某实验小组探究光电效应规律的实验装置,使用a、b、c三束单色光在同一光电管中实验,得到光电流与对应电压之间的关系图像如图乙所示,下列说法正确的是(　　)
A.a光频率最大,c光频率最小
B.a光与c光为同种色光,但a光强度大
C.a光波长小于b光波长
D.a光与c光照射同一金属,逸出光电子的初动能都相等
课堂演练
Ekm=eUc
答案B
解析根据爱因斯坦光电效应方程可知,Ek=hν-W0,根据动能定理可知,eUc=Ek,入射光的频率越高,对应的遏止电压Uc越大,分析图像可知,a、c光的遏止电压比b光小,则a、c光的频率小于b光,故A错误;分析图像可知,a光和c光的遏止电压相等,则频率相等,a光与c光为同种色光,a光的饱和光电流大,则a光内含有的光子个数多,即a光的光强大于c光,故B正确;a光的遏止电压小于b光的遏止电压,则a光的频率小于b光的频率,根据频率和波长的关系可知, ,则b光的波长小于a光的波长,故C错误;a光的遏止电压等于c光的遏止电压,由Ekm=eUc可知,a光产生的光电子的最大初动能等于c光产生的光电子的最大初动能,但并不是逸出光电子的初动能都相等,故D错误。
答案B
3. (2020广西贺州二模)钠金属的极限波长为540 nm,白光是由多种色光组成的,其波长范围为400~760 nm。若用白光照射钠金属,则下面四幅表示逸出的光电子的最大初动能Ek与入射光波长λ(或波长的倒数 )的关系图像中,可能正确的是(　　)
课堂演练
答案C
一束α粒子射线,打到很薄的金箔上，用带有荧光屏的显微镜可以沿图中虚线转动,以统计向不同方向散射的α粒子的数目。
1 . α粒子散射实验装置及过程:
绝大多数α粒子穿过金箔后,基本上仍沿原来的方向前进,但有少数α粒子发生了大角度偏转,极少数偏转的角度甚至大于90°，它们几乎被“撞了回来”。
2. α粒子散射实验的实验现象:
卢瑟福认为在原子的中心有一个很小的核,称为原子核,原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里,带负电的电子在核外空间运动。
3.卢瑟福原子的核式结构模型：
三、原子的核式结构模型
（一）、 α粒子散射实验
单元整合与知识拓展
1.(2020四川绵阳模拟)20世纪初,物理学家卢瑟福及盖革等用α粒子轰击金箔的实验装置如图所示。实验发现,α粒子穿过金箔后只有极少数发生了大角度偏转,此现象说明(　　)

A.原子不显电性
B.原子核由质子和中子组成
C.电子占原子质量小部分但体积大带负电
D.原子核占原子质量绝大部分且体积小带正电
课堂演练
解析根据α粒子散射实验的现象可知,极少数α粒子发生了大角度偏转,从绝大多数α粒子几乎不发生偏转,可以推测使粒子受到排斥力的原子核体积极小,所以带正电的物质只占整个原子的很小空间,同时原子核几乎集中了原子的全部质量;对于原子显电性和原子核由质子和中子组成是无法说明的,故D正确,A、B、C错误。
答案D
（二）、带电粒子比荷的测定
常见的三种测量带电粒子的比荷的方法
1.利用磁偏转测量
(1)让带电粒子通过相互垂直的电场和磁场(如图),让其做匀速直线运动,根据二力平衡,即F洛=F电(Bqv=qE),得到粒子的运动速度
三、原子的核式结构模型
（二）、带电粒子比荷的测定

2.如图所示,电子以初速度v0从O点进入长为l、板间距离为d、电势差为U 的平行板电容器中,出电场时打在屏上P点,经测量O‘P距离为Y0,求电子的比荷？
课堂演练
分析：电子在电场中做类平抛运动满足：
x=v0t ；
3.电子的比荷最早由美国科学家密立根通过油滴实验测出,如图所示,两块水平放置的平行金属板上、下极板与电源正负极相接,上、下极板分别带正、负电荷,油滴从喷雾器喷出后,由于摩擦而带负电,油滴进入上极板中央小孔后落到匀强电场中,通过显微镜可以观察到油滴的运动,两金属板间距为d,不计空气阻力和浮力。
(1)调节两板的电势差u,当u=U0时,使得某个质量为m1的油滴恰好做匀速直线运动,求油滴所带的电荷量q为多少?
(2)若油滴进入电场时的速度可以忽略,当两金属板间的电势差u=U时,观察到某个质量为m2的油滴进入电场后做匀加速运动,经过时间t运动到下极板,求此油滴的电荷量Q。

课堂演练
分析1：用力的平衡条件求解
分析2：用牛顿第二定律求解
（一）、玻尔原子理论的基本假设
1.轨道量子化

(1)波尔认为电子轨道半径只能够是某些
分立的数值。即电子的轨道是量子化的。


(2)波尔认为氢原子的电子最小轨道半径r1=0.053 nm,其余轨道半径满足：rn=n2r1,
n为量子数（n=1、2、3、…）
四.氢原子光谱和玻尔的原子模型
氢原子的电子轨道示意图
单元整合与知识拓展
2.能量量子化
(1)波尔认为不同轨道对应原子不同的稳定状态（定态）, 原子在不同状态有不同的能量, 原子的能量（能级）是量子化的。
(2)基态（n=1）:
原子最低的能量状态称为基态,对应的电子在离核最近的轨道上运动,氢原子基态能量:E1=-13.6 eV。
(3)激发态(n=2,3,…)
较高的能量状态称为激发态,对应的电子在离核较远的轨道上运动。
(4)氢原子各能级的关系为: ( E1=-13.6 eV , n=1,2,3,…)
（一）、玻尔原子理论的基本假设
3.能级跃迁的频率条件(或辐射条件)
原子从一种定态跃迁到另一种定态时,会辐射或吸收一定频率的光子,这个光子的能量由这两种定态的能量差决定,即:

高能级Em 低能级En。

原子从高能级跃迁到低能级时,它辐射一定频率的光子。
原子从低能级跃迁到高能级时,它吸收一定频率的光子。
（一）、玻尔原子理论的基本假设
hν=En-Em
(二)、玻尔理论对氢原子光谱的解释
赖曼系
n 1
巴尔末系
n 2
帕邢系
n 3
布喇开系
n 4
1、氢原子能级图
波尔理论：氢原子从由高能级向低能级跃迁时能产生相应的光谱
巴耳末公式:
巴尔末光谱线系
n 2
基态
激发态
( E1=-13.6 eV , n=1,2,3,…)
电离态
能级越密
能级差越小
2可替换为1、3、4对应其它光谱线系
四.氢原子光谱和玻尔的原子模型
2.能级跃迁
处于激发态的原子是不稳定的,它会自发地向
较低能级跃迁,经过一次或几次跃迁到达基态。
（如氢原子能级图中箭头所示）
一群氢原子处于量子数为n的激发态时,可能辐射出的光谱线条数为
一个氢原子处于量子数为n的激发态时,可能辐射出的光谱线条数为（n-1）.
3.光子的发射和吸收
（1）原子由高能级向低能级跃迁时可放出光子,放出光子的能量与频率 ，
由 hν=En-Em （能级差）决定。(Em、En是始末两个能级且m （2）原子由低能级向高能级跃迁时需吸收光子，吸收光子的能量与频率，
由 hν=En-Em （能级差）决定。 (Em、En是始末两个能级且m （3）能级差越大,放出光子的频率就越高，光的波长越短；能级差越小,放出光子的频率就越小，光的波长越长。

4.使原子能级跃迁的两种粒子——光子与实物粒子
(1)原子对光子的吸收, 必须满足其光子的能量等于某两能级间的能量差,否则光子不会被吸收 ，也不会发生能级跃迁。
(2)原子对外来实物粒子(如自由电子)的吸收, 只要入射粒子的能量大于两能级的能量差值(E=En-Ek),就可使原子发生能级跃迁。
(二)、玻尔理论对氢原子光谱的解释
1.(多选)设氢原子由n=3的状态向n=2的状态跃迁时放出能量为E、频率为ν的光子。则氢原子(　　)

A.跃迁时可以放出或吸收能量为任意值的光子
B.由n=2的状态向n=1的状态跃迁时放出光子的能量大于E
C.由n=2的状态向n=3的状态跃迁时吸收光子的能量等于E
D.由n=4的状态向n=3的状态跃迁时放出光子的频率大于ν
课堂演练
解析原子跃迁时可以放出或吸收能量为特定值的光子,A错;由n=2的状态向n=1的状态跃迁时,能量比由n=3的状态向n=2的状态跃迁时要大,所以放出光子的能量大于E,B项正确;由n=2的状态向n=3的状态跃迁时吸收光子的能量等于由n=3的状态向n=2的状态跃迁时放出的能量E,C项正确;由n=4的状态向n=3的状态跃迁时放出光子的能量较小,所以频率小于ν,D项错。
答案BC
2.甲、乙两幅图是氢原子的能级图,图中箭头表示出核外电子在两能级间跃迁的方向;在光电效应实验中,分别用蓝光和不同强度的黄光来研究光电流与电压的关系,得出的图像分别如丙、丁两幅图像所示。则甲、乙图中,电子在跃迁时吸收光子的是哪幅图?丙、丁图中,能正确表示光电流与电压关系的是哪幅图?(　　)

　　　　　　　　　　　　　　　　
A.甲、丙 B.乙、丙 C.甲、丁 D.乙、丁

课堂演练
解析在跃迁中吸收光子,因此是从低能级向高能级跃迁,故乙图正确;丙、丁两图,频率相同的光照射金属发生光电效应,光电子的最大初动能相等,根据eUc=12mvm2,知遏止电压相等,蓝光的频率大于黄光的频率,则蓝光照射产生的光电子最大初动能大,则遏止电压大。强光产生的饱和电流大,故丁图正确。故A、B、C错误,D正确。
答案D
3.(2020广东广州二模)一种利用红外线感应控制的紫外线灯,人在时自动切断紫外线灯电源,人离开时自动开启紫外线灯杀菌消毒。已知红外线的光子最高能量是1.61 eV,紫外线的光子最低能量是3.11 eV,如图是氢原子能级示意图,则大量氢原子(　　)

A.从n=2跃迁到低能级过程只可能辐射出红外线
B.从n=3跃迁到低能级过程不可能辐射出红外线
C.从n=4跃迁到低能级过程只可能辐射出紫外线
D.从n=5跃迁到低能级过程不可能辐射出紫外线
课堂演练
解析根据能级跃迁公式ΔE=Em-En可知,由于E21=E2-E1=-3.4 eV-(-13.6 eV)=10.2 eV>3.11 eV,所以从n=2跃迁到低能级过程只可能辐射出紫外线,故A错误;从n=3能级跃迁到n=2能级过程中光子能量最小,由于E32=E3-E2=1.89 eV>1.61 eV,所以从n=3跃迁到低能级过程不可能辐射出红外线,故B正确;由于E43=E4-E3=0.66 eV<1.61 eV,所以从n=4跃迁到低能级过程中可能辐射红外线,故C错误;由于E51=E5-E1=13.06 eV>3.11 eV,所以从n=5跃迁到低能级过程中可能辐射出紫外线,故D错误。
答案B
知识架构
第四章 原子结构和波粒二象性
光具有粒子性
康普顿
效应
光的波粒
二象性
光具有
波动性
知识归纳
光子的
动量
光的波粒二象性
X射线散射的实验
康普顿
效应
光的
粒子性
光电效应现象
爱因斯坦光电效应理论
光电效应
实验规律
光电效应
????=????????=????????????
?
第四章 原子结构和波粒二象性
波尔原子模型
卢瑟福原子核式结构模型
原子结构
轨道量子化、能量量子化、频率条件
卢瑟福认为在原子的中心有原子核,原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里,带负电的电子在核外空间运动。

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