高中物理一輪復(fù)習(xí) 第2章 近代原子物理課件 新人教版選修35

第第1節(jié)節(jié) 波粒二象性波粒二象性一、光電效應(yīng) 定義：物體在光照下釋放出電子的現(xiàn)象.愛因斯坦光電效應(yīng)方程Ek=1/2mv20=h-W0任何一種金屬，都有一個(gè)極限頻率，入射光的頻率必須大于這個(gè)極限頻率才能產(chǎn)生光電效應(yīng).光電效應(yīng)規(guī)律光電子的最大初動能與入射光的強(qiáng)度無關(guān)，只隨入射光頻率的增大而增大.入射光照到金屬上時(shí)，光電子的發(fā)射幾乎是瞬時(shí)的.當(dāng)入射光的頻率大于極限頻率時(shí)，（飽和）光電流強(qiáng)度與入射光的強(qiáng)度成正比.解釋光子：光在空間傳播中不是連續(xù)的，而是一份一份的，每一份是一個(gè)光子，能量為h.二、康普頓效應(yīng) 康普頓在研究電子對X射線的散射時(shí)發(fā)現(xiàn)：有些散射波的波長比入射波的波長略大. 康普頓認(rèn)為這是因?yàn)楣庾硬粌H有能量，也有動量. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明這個(gè)設(shè)想是正確的， 因此康普頓效應(yīng)證明了光具有粒子性. 特別提醒:（1）入射光的頻率決定光子的能量，決定電子的初動能，決定能否發(fā)生光電效應(yīng). 入射光的強(qiáng)度決定單位時(shí)間內(nèi)接受到的光子數(shù)，決定單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射的光子數(shù). （2）金屬中的電子吸收一個(gè)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，剩余的表現(xiàn)為逸出后電子的最大動能Ek=1/2mv2.三、光的波粒二象性 四、對物質(zhì)波的理解1. 德布羅意波：任何運(yùn)動的物體，小到電子、質(zhì)子，大到天體都有一種波與之對應(yīng)，其波長為h/p. 我們之所以觀察不到宏觀物體的波動性，是因?yàn)楹暧^物體對應(yīng)的波長太短，難以觀測. 2. 德布羅意波是概率波. 光子和粒子在空間各處出現(xiàn)的頻率受波動規(guī)律支配，概率大的地方，光子或粒子出現(xiàn)的次數(shù)多，反之就少. 不要以宏觀觀點(diǎn)中的波來理解德布羅意波. 3. 德布羅意波假說是光的波粒二象性的一種推廣，使之包含了物質(zhì)粒子，即光子和實(shí)物粒子都具有粒子性，又都具有波動性，與光子對應(yīng)的波是電磁波，與實(shí)物粒子對應(yīng)的波是德布羅意波. 光電效應(yīng)規(guī)律的理解光電效應(yīng)規(guī)律的理解 (2009高考寧夏卷)關(guān)于光電效應(yīng)，下列說法正確的是_(填入選項(xiàng)前的字母)A. 極限頻率越大的金屬材料逸出功越大B. 只要光照射的時(shí)間足夠長，任何金屬都能產(chǎn)生光電效應(yīng)C. 從金屬表面出來的光電子的最大初動能越大，這種金屬的逸出功越小 D. 入射光的光強(qiáng)一定時(shí)，頻率越高，單位時(shí)間內(nèi)逸出的光電子數(shù)就越多 【點(diǎn)撥】弄清光電效應(yīng)發(fā)生的條件、光電子的最大初動能和光電子的的決定因素是解答本題的關(guān)鍵 解析：金屬材料逸出功W0與極限頻率0的關(guān)系為W0h0，A正確. 只有照射光的頻率大于金屬的逸出功，才能產(chǎn)出光電效應(yīng)，與光照射的時(shí)間無關(guān)，B錯誤. 由光電效應(yīng)方程可知光電子的最大初動能1/2mv02hW0，由入射光的頻率決定，C錯誤. 產(chǎn)生光電效應(yīng)時(shí)單位時(shí)間內(nèi)逸出的光電子數(shù)由入射光的光子數(shù)決定，與入射光的頻率無關(guān)，D錯誤. 正確選項(xiàng)為A.答案：A 愛因斯坦光電效應(yīng)方程的應(yīng)用愛因斯坦光電效應(yīng)方程的應(yīng)用 (2010常州模擬)如圖所示，當(dāng)開關(guān)S斷開時(shí)，用光子能量為2.5 eV的一束光照射陰極P，發(fā)現(xiàn)電流表讀數(shù)不為零. 合上開關(guān)，調(diào)節(jié)滑動變阻器，發(fā)現(xiàn)當(dāng)電壓表讀數(shù)小于0.60 V時(shí)，電流表讀數(shù)仍不為零；當(dāng)電壓表讀數(shù)大于或等于0.60 V時(shí)，電流表讀數(shù)為零. (1)求此時(shí)光電子的最大初動能的大小. (2)求該陰極材料的逸出功 解析：設(shè)用光子能量為2.5 eV的光照射時(shí)，光電子的最大初動能為Ek，陰極材料逸出功為W0. 當(dāng)反向電壓達(dá)到U0.60 V以后，具有最大初動能的光電子也達(dá)不到陽極，因此eUEk. 由光電效應(yīng)方程EkhW0由以上二式Ek0.6 eV，W01.9 eV，所以此時(shí)最大初動能為0.6 eV，該陰極材料的逸出功為1.9 eV. 答案：(1)0.6 eV(2)1.9 eV 點(diǎn)睛筆記光電效應(yīng)現(xiàn)象中射出的光電子具有一定動能,因此易與電場、磁場相結(jié)合命制綜合性較強(qiáng)的試題. 射出的光電子的動能是解決這類問題的重要條件,可由愛因斯坦光電效應(yīng)方程求得. 第第2節(jié)節(jié) 原子結(jié)構(gòu)原子結(jié)構(gòu) 氫原子光譜氫原子光譜一、三種原子模型的對比 特別提醒:認(rèn)識原子結(jié)構(gòu)的線索:氣體放電的研究陰極射線發(fā)現(xiàn)電子湯姆孫的“棗糕”模型粒子散射實(shí)驗(yàn)盧瑟福核式結(jié)構(gòu)模型氫原子光譜的研究玻爾模型二、原子結(jié)構(gòu)1. 電子的發(fā)現(xiàn)1897年湯姆孫確定陰極射線是由帶負(fù)電的粒子組成的，并測定出它的比荷，確定它是組成各種物質(zhì)的基本成分， 稱之為電子之后密立根用油滴實(shí)驗(yàn)更精確的測定了它的電荷量. 2. 粒子散射實(shí)驗(yàn) 三、氫原子光譜(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)成分和強(qiáng)度分布的記錄，即光譜. (2)光譜的分類光譜四、玻尓理論能級1. 玻爾理論2. 氫原子的能級圖和軌道半徑3. 氫原子的躍遷和電離(1)氫原子受激發(fā)由低能級向高能級躍遷當(dāng)光子作用使原子發(fā)生躍遷時(shí)，只有光子的能量滿足hEmEn時(shí)，才能被某一個(gè)原子吸收，使原子從低能級En向高能級Em躍遷，而當(dāng)光子能量h大于或小于EmEn時(shí)都不能被原子吸收. 當(dāng)用電子等實(shí)物粒子作用在原子上時(shí)，原子可以根據(jù)“需要”吸收其中的一部分能量，只要入射粒子的動能大于或等于原子某兩“定態(tài)”能量之差EmEn，即可以使原子受激發(fā)而向較高的能級躍遷. 如果光子或?qū)嵨锪Ｗ优c原子作用而使原子電離(繞核電子脫離原子的束縛而成為“自由電子”，即n的狀態(tài))時(shí)，原子吸收能量的原則是吸收的能量等于或大于原子的電離能，不再受躍遷條件限制，只不過入射光子或?qū)嵨锪Ｗ拥哪芰吭酱?，原子電離后產(chǎn)生的自由電子的動能就越大. 圖為盧瑟福和他的同事們做粒子散射實(shí)驗(yàn)的裝置示意圖，熒光屏和顯微鏡一起分別放在圖中的A、B、C、D四個(gè)位置時(shí)，觀察到的現(xiàn)象描述錯誤的是() A. 在A位置時(shí)，相同時(shí)間內(nèi)觀察到屏上的閃光次數(shù)最多B. 在B位置時(shí)，相同時(shí)間內(nèi)觀察到屏上的閃光次數(shù)比在A位置時(shí)少得多C. 在C、D位置時(shí)，屏上觀察不到閃光D. 在D位置時(shí)，屏上仍能觀察到一些閃光，但次數(shù)極少【點(diǎn)撥】解答此題要掌握好粒子散射實(shí)驗(yàn)中的大多數(shù)、少數(shù)、極少數(shù)粒子通過金箔后運(yùn)動情況. 解析：因?yàn)榻^大多數(shù)粒子穿過金箔后仍然沿原來方向前進(jìn)，在A位置時(shí)，相同時(shí)間內(nèi)觀察到屏上的閃光次數(shù)最多，A正確；因?yàn)樯贁?shù)粒子穿過金箔后發(fā)生了較大偏轉(zhuǎn)，在B位置時(shí)，相同時(shí)間內(nèi)觀察到屏上的閃光次數(shù)比在A位置時(shí)要少得多，B正確；粒子散射實(shí)驗(yàn)中有極少數(shù)粒子偏轉(zhuǎn)角超過90，甚至接近180，在C、D位置仍能觀察到閃光，但次數(shù)極少. 所以C錯誤，D正確. 答案：C (2010重慶理綜)氫原子的能級示意圖如圖所示，不同色光的光子能量如下表所示. 能量分析和計(jì)算處于某激發(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【點(diǎn)撥】分別計(jì)算不同能級間光子躍遷發(fā)出的光子的能量與表中數(shù)據(jù)比較即可判斷 解析：根據(jù)玻爾理論，如果激發(fā)態(tài)的氫原子處于第二能級，只能夠發(fā)出10.2 eV的光子，不屬于可見光范圍；如果激發(fā)態(tài)的氫原子處于第三能級，能夠發(fā)出12.09 eV、10.2 eV、1.89 eV的三種光子，只有1.89 eV屬于可見光；如果激發(fā)態(tài)的氫原子處于第四能級，能夠發(fā)出12.75 eV、12.09 eV、10.2 eV、2.55 eV、1.89 eV、0.66 eV的六種光子，1.89 eV和2.55 eV屬于可見光，1.89 eV的光子為紅光，2.55 eV光子為藍(lán)靛，所以選項(xiàng)A正確答案：A 能級和庫侖定律的綜合問題能級和庫侖定律的綜合問題 (2010銀川模擬)氫原子在基態(tài)時(shí)軌道半徑r10.531010 m，能量E113.6 eV. 求氫原子處于基態(tài)時(shí)：(1)電子的動能. (2)原子的電勢能. (3)用波長是多少的光照射可使其電離？【點(diǎn)撥】解答本題的關(guān)鍵是：(1)電子繞原子核做圓周運(yùn)動，庫侖力提供向心力；(2)氫原子的能量是電子動能和原子電勢能之和；(3)要使原子電離，電子的能量要大于或等于其電離能答案：(1)13.6 eV (2)27.2 eV (3)大于等于0.914 1107 m 如圖所示為氫原子的能級圖，現(xiàn)讓一束單色光照射到大量處于基態(tài)(量子數(shù)n1) 的氫原子上，受激的氫原子能自發(fā)地發(fā)出三種不同頻率的光，則照射氫原子的單色光的光子能量為 ()A. 13.6 eVB. 12.75 eV C. 10.2 eV D. 12.09 eV 【錯解】錯選B. 對原子躍遷的規(guī)律不清楚，認(rèn)為只有從4能級向1、2、3躍遷才能產(chǎn)生三種光子. 錯選C. 認(rèn)為躍遷時(shí)必須從1到2，不知道各能級間都可直接躍遷 【正解】多個(gè)氫原子處于n3能級對應(yīng)的激發(fā)態(tài)，才能夠正好產(chǎn)生三種不同頻率的光子，分別為h1E3 E2，h2E2E1，h3E3E1. 故吸收光子能量必滿足hE3E112.09 eV. D正確. 原子的躍遷條件hEmEn對于吸收光子和放出光子都適用. 注意若吸收光子的能量大于基態(tài)電離能時(shí)，原子對光子的吸收不再受能級差限制. 【答案】D 第第3節(jié)節(jié) 放射性元素的衰變核能放射性元素的衰變核能一、原子核1. 原子核的組成(1)原子核由質(zhì)子和中子組成，質(zhì)子和中子統(tǒng)稱為核子. (2)原子核的核電荷數(shù)質(zhì)子數(shù)，原子核的質(zhì)量數(shù)質(zhì)子數(shù)中子數(shù)，質(zhì)子和中子的質(zhì)量都為一個(gè)原子質(zhì)量單位. 2. 三種射線的比較特別提醒：(1)自然界中原子序數(shù)大于或等于83的所有元素，都能自發(fā)地放出射線；原子序數(shù)小于83的元素，有的也具有放射性. (2)天然放射現(xiàn)象說明原子核是有內(nèi)部結(jié)構(gòu)的. 元素的放射性與元素是以單質(zhì)形式存在還是化合物形式存在無關(guān). 二、原子核的衰變1. 衰變(1)定義：放射性元素的原子核放出射線，變成另一種新核的現(xiàn)象. (2)原子核的衰變規(guī)律 2. 衰變次數(shù)的確定方法一：設(shè)放射性元素X經(jīng)過n次衰變和m次衰變后，變成穩(wěn)定的新元素Y則表示該核反應(yīng)的方程為：XYnHeme.根據(jù)電荷數(shù)守恒和質(zhì)量數(shù)守恒可列方程：AA4n，ZZ2nm. 解方程可得m、n. 方法二：因?yàn)樗プ儗|(zhì)量數(shù)無影響，先由質(zhì)量數(shù)的改變確定衰變的次數(shù)，然后再根據(jù)衰變規(guī)律確定衰變的次數(shù). 特別提醒：半衰期是大量原子核衰變時(shí)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，個(gè)別原子核經(jīng)多長時(shí)間衰變無法預(yù)測，對個(gè)別或極少數(shù)原子核，無半衰期可言四、核反應(yīng)1. 四類核反應(yīng)的比較 六、核力和核能1. 核力：組成原子核的核子之間有很強(qiáng)的相互作用力，使核子能克服庫侖力而緊密地結(jié)合在一起，這種力稱為核力. 其特點(diǎn)為：(1)核力是強(qiáng)相互作用力，在原子核的尺度內(nèi)，核力比庫侖力大得多. (2)核力是短程力，作用范圍在1.51015 m之內(nèi). (3)核力具有飽和性，每個(gè)核子只跟相鄰核子發(fā)生核力作用. 2. 核能(1)結(jié)合能：把構(gòu)成原子核的結(jié)合在一起的核子分開所需要的能量. (2)比結(jié)合能：定義：原子核的結(jié)合能與核子數(shù)之比稱為比結(jié)合能，也叫平均結(jié)合能. 性質(zhì)：不同原子核的比結(jié)合能不同，原子核的比結(jié)合能越大，表示原子核中核子結(jié)合得越牢固，原子核越穩(wěn)定. 3. 質(zhì)量虧損：原子核的質(zhì)量小于組成它的核子的質(zhì)量之和，這個(gè)現(xiàn)象叫做質(zhì)量虧損. 4. 質(zhì)能方程：一定的能量和一定的質(zhì)量相聯(lián)系，物體的總能量和它的質(zhì)量成正比，即Emc2方程含義：物體具有的能量與它的質(zhì)量之間存在著簡單的正比關(guān)系，物體的質(zhì)量增大能量也增大，質(zhì)量減小能量也減小(1)核子在結(jié)合成原子核時(shí)，出現(xiàn)質(zhì)量虧損m，其能量也相應(yīng)減小E，其關(guān)系式為Emc2.(2)原子核分解成核子時(shí)，要吸收一定的能量，相應(yīng)的質(zhì)量增加為m，吸收的能量為Emc2.5. 核能的獲得方法：重核的裂變和輕核的聚變. 6. 核能的計(jì)算方法(1)根據(jù)Emc2計(jì)算核能時(shí)，質(zhì)量虧損m是質(zhì)量不是質(zhì)量數(shù)，其單位是“kg”，c的單位是“m/s”，E的單位是“J”. (2)根據(jù)Em931.5 MeV計(jì)算核能時(shí)，因一原子質(zhì)量單位(u)相當(dāng)于931.5 MeV的能量，所以計(jì)算時(shí)m的單位是“u”，E的單位是“MeV”. 半衰期的理解和計(jì)算半衰期的理解和計(jì)算 (2010福建理綜)14C測年法是利用14C衰變規(guī)律對古生物進(jìn)行年代測定的方法. 若以橫坐標(biāo)t表示時(shí)間，縱坐標(biāo)m表示任意時(shí)刻14C的質(zhì)量，m0為t0時(shí)14C的質(zhì)量. 下面四幅圖中能正確反映14C衰變規(guī)律的是_. (填選項(xiàng)前的字母) 核反應(yīng)方程及其類型核反應(yīng)方程及其類型 答案：AC 核能的計(jì)算核能的計(jì)算 太陽的能量來源是輕核的聚變，太陽中存在的主要元素是氫，核聚變反應(yīng)可以看做是4個(gè)氫核結(jié)合成1個(gè)氦核同時(shí)放出2個(gè)正電子. 試寫出核反應(yīng)方程，并由表中數(shù)據(jù)計(jì)算出該聚變反應(yīng)過程中釋放的能量(取1 u1/61026 kg). 關(guān)于半衰期，以下說法正確的是 ()A. 同種放射性元素在化合物中的半衰期比單質(zhì)中的長B. 升高溫度可以使半衰期縮短C. 氡的半衰期為3.8天，若有4個(gè)氡原子核，經(jīng)過7.6天就只剩下一個(gè)D. 氡的半衰期為3.8天，4克氡原子核，經(jīng)過7.6天就只剩下1克【錯解】每經(jīng)過3.8天就有半數(shù)的氡核發(fā)生衰變，經(jīng)過兩個(gè)半衰期即7.6天后，只剩下四分之一的氡，故選C、D. 【正解】放射性元素的原子核有半數(shù)發(fā)生衰變所需要的時(shí)間是一種統(tǒng)計(jì)規(guī)律，半衰期對幾個(gè)原子核來說是無意義的. 上述解法忽視了這一事實(shí)，故錯選了C. 放射性元素衰變的快慢由原子核內(nèi)部因素決定，跟原子所處的物理狀態(tài)(如溫度、壓強(qiáng))或化學(xué)狀態(tài)(如單質(zhì)、化合物)無關(guān)，故A、B錯誤；考慮到半衰期是一種統(tǒng)計(jì)規(guī)律，對少數(shù)幾個(gè)原子核衰變不適用. 因此，正確選項(xiàng)只有D. 【答案】D 十三、類比法十三、類比法一、方法簡介類比是由一種物理現(xiàn)象聯(lián)想到另一種物理現(xiàn)象，并對兩種物理現(xiàn)象進(jìn)行比較，由已知物理現(xiàn)象的規(guī)律去推出另一種物理現(xiàn)象的規(guī)律，或解決另一種物理現(xiàn)象中的問題的思維方法，在研究物理問題時(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)某些不同問題在一定范圍內(nèi)具有形式上的相似性，其中包括數(shù)學(xué)表達(dá)式上的相似性和物理圖象上的相似性類比法的關(guān)鍵在于發(fā)現(xiàn)和探索這一相似性，從而利用已知系統(tǒng)的物理規(guī)律去尋找未知系統(tǒng)的物理規(guī)律二、典例分析1. 過程相似類比兩個(gè)物理問題描述的情境具有動態(tài)過程相似的特點(diǎn)，那么，研究一個(gè)問題的動態(tài)過程，可以認(rèn)識另一物體的動態(tài)變化規(guī)律。 (2011唐山模擬)如圖(a)所示，豎直絕緣桿處于方向彼此垂直、大小分別為E、B的混合場中，其中電場與磁場都是均勻分布的一個(gè)質(zhì)量為m、帶電量為q的小球穿在桿上，球與桿之間的動摩擦因數(shù)為.現(xiàn)在讓小球從靜止開始沿桿下滑，求它下滑的最大速度 (a)(b)2. 模型類比法研究對象與原有模型之間具有相同或相似的關(guān)系而進(jìn)行的一種類比運(yùn)用這種類比方法解題的實(shí)質(zhì)是將研究的問題轉(zhuǎn)化為一種熟悉的或簡單的物理問題 如圖所示，半徑R10 cm的光滑凹球面容器固定在地面上，有一小物塊在與容器最低點(diǎn)P相距5 mm的C點(diǎn)由靜止無摩擦滑下，則物塊自靜止下滑到第二次通過P點(diǎn)時(shí)所經(jīng)歷的時(shí)間是多少？若此裝置放在以加速度a豎直向上運(yùn)動的實(shí)驗(yàn)艙中，上述所求的時(shí)間又是多少？【答案】見解析3. 因果類比法 以已知問題中條件與目標(biāo)之間的因果關(guān)系為中介，從而探索與之相似的新問題的原因或結(jié)果 (2011內(nèi)蒙古師大附中測試)根據(jù)玻爾理論，氫原子的電子由外層軌道躍遷到內(nèi)層軌道后() A. 原子的能量增加，電子的動能減少 B. 原子的能量增加，電子的動能增加 C. 原子的能量減少，電子的動能減少 D. 原子的能量減少，電子的動能增加【解析】氫原子核外電子繞核運(yùn)動情況與衛(wèi)星繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)的情況相似，所以可以把原子的總能量與衛(wèi)星的機(jī)械能類比，電子的動能與衛(wèi)星的動能類比，根據(jù)萬有引力提供向心力可以得出的結(jié)論是：衛(wèi)星運(yùn)動的軌道半徑r減小時(shí)，衛(wèi)星的機(jī)械能減少，引力做正功，衛(wèi)星的動能增加，可以判斷出原子總能量減少，電子的動能增加，D正確 【答案】D 4目標(biāo)相似類比新問題與舊問題所求物理量相似或相同的特點(diǎn)，從解決舊問題的思路中得到啟發(fā)，進(jìn)而找到解決新問題的方法 一個(gè)質(zhì)量為m，帶電量為q(q0)的小物體，可在水平軌道Ox上運(yùn)動O端有一與軌道垂直的固定墻壁，軌道處于勻強(qiáng)電場中，場強(qiáng)大小為E，方向沿Ox正方向，如圖 (a)所示小物體以初速度v0，從坐標(biāo)為x0的點(diǎn)開始向x軸正方向沿軌道運(yùn)動，運(yùn)動時(shí)受到大小不變的摩擦力f作用，且fqE.設(shè)小物體與墻碰撞時(shí)不損失機(jī)械能，且電量保持不變求它在停止運(yùn)動前所通過的總路程s. (a)(b)