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第十五章
原子结构　波粒二象性　原子核
第1讲　光电效应　波粒二象性
1.知道热辐射和黑体辐射,掌握黑体辐射的实验规律。2.了解光电效应现象,理解光电效应的实验规律,会利用光电效应方程计算逸出功、截止频率、最大初动能等物理量。3.了解实物粒子的波动性,知道物质波的概念。
1.热辐射。
(1)定义:周围的一切物体都在辐射电磁波,这种辐射与物体的_______有关,所以叫热辐射。
(2)特点:热辐射强度按波长的分布情况随物体温度的不同而有所不同。
考点1　黑体辐射及其实验规律
温度
2.黑体、黑体辐射的实验规律。
(1)黑体:能够完全吸收入射的各种波长的电磁波而不发生_______的物体。
(2)黑体辐射的实验规律。
①对于一般材料的物体,辐射电磁波的情况除与温度有关外,还与材料的种类及表面状况有关。
反射
②黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体的_______有关。随着温度的升高,一方面,各种波长的辐射强度都有增加;另一方面,辐射强度的极大值向波长较短的方向移动,如图所示。
温度
3.能量子。
(1)定义:普朗克认为,当带电微粒辐射或吸收能量时,只能辐射或吸收某个最小能量值ε的_______,这个不可再分的最小能量值ε叫作能量子。
(2)能量子大小:ε=_______,其中ν是带电微粒吸收或辐射电磁波的频率,h称为普朗克常量。h=6.626×10-34 J·s(一般取h=6.63×10-34 J·s)。
整数倍
hν
(1)黑体一定是黑色的( )
(2)随着温度的升高,黑体辐射电磁波强度的极大值向频率较大的方向移动( )
【典例1】　在能量子量子化研究的历程中,以下说法正确的是(　　)
A.物质发射(或吸收)能量时,能量不是连续的,而是一份一份进行的
B.黑体既不反射电磁波,也不向外辐射电磁波
C.能量子假说中的能量子的能量ε=hν,ν为带电微粒的运动速率,h为普朗克常量
D.一切物体都在辐射电磁波,这种辐射与物体的温度无关
解析　普朗克在研究物体热辐射的规律时发现,电磁波的发射和吸收不是连续的,而是一份一份地进行的,每一份能量叫作一个能量子,能量子的能量ε=hν,ν为带电微粒的振动频率,h为普朗克常量,A项正确,C项错误;黑体不反射电磁波,但会向外辐射电磁波,即黑体辐射,B项错误;一切物体都在辐射电磁波,这种辐射与物体的温度有关,D项错误。
答案　A


答案　AC
1.光电效应及其规律。
(1)光电效应现象。
照射到金属表面的光,能使金属中的_______从表面逸出,这个现象称为光电效应,这种电子称为光电子。
考点2　光电效应规律
电子
(2)光电效应规律。
①每种金属都有一个截止频率νc,入射光的频率必须大于或等于这个_________才能产生光电效应。
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_______。
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或等于截止频率时,在光的颜色不变的情况下,入射光越强,饱和光电流越大,逸出的光电子数越多,逸出光电子的数目与入射光的强度成正比,饱和光电流的大小与入射光的强度成_______。
截止频率
增大
正比
hν-W0
最大初动能
2.爱因斯坦光电效应方程。
(1)光电效应方程。
①表达式:Ekm=_______。
②物理意义:金属表面的电子吸收一个光子获得的能量是hν,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电子的__________。

(1)光子和光电子都不是实物粒子( )
(2)只要入射光的强度足够大,照射时间足够长,就可以使金属发生光电效应( )
(3)光电子的最大初动能与入射光子的频率成正比 ( )
1.与光电效应有关的五组概念对比。
(1)光子与光电子:光子指光在空间传播时的每一份能量,光子不带电;光电子是金属表面受到光照射时发射出来的电子,其本质是电子。光子是光电效应的因,光电子是光电效应的果。
(2)光电子的初动能与光电子的最大初动能:光照射到金属表面时,电子吸收光子的全部能量,可能向各个方向运动,需克服原子核和其他原子的阻碍而损失一部分能量,剩余部分为光电子的初动能;只有金属表面的电子直接向外飞出,只需克服原子核的引力做功的情况,光电子才具有最大初动能。光电子的初动能小于或等于光电子的最大初动能。
(3)光电流与饱和光电流:金属板飞出的光电子到达阳极,回路中便产生光电流,随着所加正向电压的增大,光电流趋于一个饱和值,这个饱和值是饱和光电流,在一定的光照条件下,饱和光电流与所加电压大小无关。
(4)入射光的强度与光子的能量:入射光的强度指单位时间内照射到金属表面单位面积上的总能量,即I=nhν,n是单位时间照射到单位面积上的光子数。
(5)光的强度与饱和光电流:饱和光电流与入射光的强度成正比的规律是对频率相同的光照射金属产生光电效应而言的,对于不同频率的光,由于每个光子的能量不同,饱和光电流与入射光的强度之间没有简单的正比关系。
2.四点提醒。
(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。
3.三个关系式。
(1)爱因斯坦光电效应方程:Ek=hν-W0。
(2)最大初动能与遏止电压的关系:Ek=eUc。
(3)逸出功与截止频率的关系W0=hνc。
4.两条对应关系。
(1)光强大(频率一定时)→光子数目多→发射光电子多→饱和光电流大。
(2)光子频率高→光子能量大→光电子的最大初动能大。


答案　B
【典例4】　(多选)在光电效应实验中,分别把频率为νa、νb的单色光a、b照射到同种金属上,测得相应的遏止电压分别为Ua和Ub、光电子的最大初动能分别为Eka和Ekb,h为普朗克常量。下列说法正确的是(　　)
A.若νa>νb,则一定有UaB.若νa>νb,则一定有Eka>Ekb
C.若UaD.若νa>νb,则一定有hνa-Eka>hνb-Ekb
解析　对发生光电效应的同种金属,有Ekm=hν-W,eU=Ekm,若νa>νb,金属的逸出功相同,则Eka>Ekb,Ua>Ub,A项错误,B项正确;根据eU=Ekm,若Ua答案　BC
考向1　最大初动能Ek与入射光频率ν的关系图像
(1)对应关系:Ek=hν-W0。
(2)截止频率(极限频率):横轴截距。
(3)逸出功:纵轴截距的绝对值W0=|-E|=E。
(4)普朗克常量:图线的斜率k=h。
考点3　光电效应的图像
【典例5】　用如图甲所示的装置研究光电效应现象。闭合开关S,用频率为ν的光照射光电管时发生了光电效应。图乙是该光电管发生光电效应时光电子的最大初动能Ek与入射光频率ν的关系图像,图线与横轴的交点坐标为(a,0),与纵轴的交点坐标为(0,-b),下列说法中正确的是(　　)


答案　B

【典例6】　(2022·河北卷)如图是密立根于1916年发表的钠金属光电效应的遏止电压Uc与入射光频率ν的实验曲线,该实验直接证明了爱因斯坦光电效应方程,并且第一次利用光电效应实验测定了普朗克常量h。由图像可知(　　)
A.钠的逸出功为hνc
B.钠的截止频率为8.5×1014 Hz
C.图中直线的斜率为普朗克常量h
D.遏止电压Uc与入射光频率ν成正比

答案　A
考向3　光电流与电压的关系图像
1.颜色相同、强度不同的光。
(1)遏止电压Uc:横轴截距。
(2)饱和光电流Im:光强越强,饱和光电流越大。
(3)最大初动能:Ekm=eUc。
2.强度相同、颜色不同的光(以黄光和蓝光为例)。
(1)遏止电压|Uc1|>|Uc2|,理由:ν蓝>ν黄。
(2)饱和光电流I黄>I蓝,理由:光强=光子个数×单个光子能量。
(3)最大初动能Ek1>Ek2,理由:Ek=eUc。
【典例7】　在光电效应实验中,某同学用同一光电管在不同实验条件下得到了三条光电流与电压之间的关系曲线(甲光、乙光、丙光),如图所示。则下列说法正确的是(　　)
A.甲光的频率大于乙光的频率
B.乙光的波长大于丙光的波长
C.乙光对应的截止频率大于丙光对应的截止频率
D.甲光对应的光电子最大初动能大于丙光对应的光电子最大初动能
解析　由题图知,甲、乙光对应的遏止电压相等,由eUc=Ek和hν=W0+Ek得甲、乙光频率相等,A项错误;丙光的频率大于乙光的频率,则丙光的波长小于乙光的波长,B项正确;同一金属截止频率相同,C项错误;由光电效应方程知,甲光对应的光电子最大初动能小于丙光对应的光电子最大初动能,D项错误。
答案　B
1.光的波粒二象性。
(1)光的干涉、衍射、偏振现象证明光具有_______性。
(2)光电效应说明光具有_______性。
(3)光既具有波动性,又具有粒子性,称为光的__________性。
考点4　光的波粒二象性与物质波
波动
粒子
波粒二象

大
小
(1)光的频率越高,光的粒子性越明显,就不具有波动性了( )
(2)实物粒子也具有波动性的一面( )
1.从数量上看。
个别光子的作用效果往往表现为粒子性;大量光子的作用效果往往表现为波动性。
2.从频率上看。
频率越低波动性越显著,越容易看到光的干涉和衍射现象;频率越高粒子性越显著,贯穿本领越强,越不容易看到光的干涉和衍射现象。

【典例8】　(多选)实物粒子和光都具有波粒二象性。下列事实中突出体现波动性的是(　　)
A.电子束通过双缝实验装置后可以形成干涉图样
B.β射线在云室中穿过会留下清晰的径迹
C.人们利用慢中子衍射来研究晶体的结构
D.人们利用电子显微镜观测物质的微观结构
解析　电子束通过双缝实验装置后可以形成干涉图样,说明电子是一种波,A项正确;β射线在云室中穿过会留下清晰的径迹,可以说明β射线是一种粒子,B项错误;人们利用慢中子衍射来研究晶体的结构,中子衍射说明中子是一种波,C项正确;人们利用电子显微镜观测物质的微观结构,利用了电子束的衍射现象,说明电子束是一种波,D项正确。
答案　ACD
【典例9】　(多选)用极微弱的可见光做双缝干涉实验,随着时间的增加,在屏上先后出现如图甲、乙、丙所示的图像,则(　　)
A.图像甲表明光具有粒子性
B.图像丙表明光具有波动性
C.用紫外光观察不到类似的图像
D.实验表明光是一种概率波
解析　题图甲只有分散的亮点,表明光具有粒子性;题图丙呈现干涉条纹,表明光具有波动性;用紫外光也可以观察到类似的图像,实验表明光是一种概率波,A、B、D三项正确。
答案　ABD

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