选修3-5原子物理讲义

1光电效应：光照射金属板时，可以使金属板发射电子的现象。右图中，锌板带正电，验电器也带正电。光电效应中，金属板发射出来的电子叫光电子，光电子的定向移动可以形成光电流。相关知识：电磁波按照频率依次增大（波长依次减小）的顺序排列：无线电波→红外线→可见光→紫外线→x射线→γ射线可见光又分为7中颜色：红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫。光的频率和颜色是对应关系，一个频率对应一种光的颜色。单色光就是单一频率的光。光照强度：单位时间内照射到单位面积上的光的能量。（光线和接收面垂直时）通俗讲，光照强度大就是光线密集的意思。房间里开一盏灯时没有开两盏灯光照强度大。光电效应的规律：（右图为研究光电效应的电路图）1．光电管中存在饱和电流。当光照强度、光的颜色一定时，光电流随着AK极之间的电压增大而增大，但是当电压增大到一定程度以后，光电流就不再增大了，光电流能达到的最大值叫饱和电流。控制光的颜色，饱和电流与光照强度有关，光照越强则饱和电流越大。2．光电管两端存在着遏止电压。当A、K极之间电压为零时，光电流并不为零。当在A、K极加反向电压时，即A极为负极板，K极为正极板时，光电子在两极之间减速运动。反向电压越大，光电流越小，当反向电压达到某一值时，光电流消失，能够使光电流消失的反向电压叫遏止电压，用UC表示。遏止电压与光照强度无关，只与入射光的频率有关，频率越大则遏止电压越大。右图中，甲乙丙三种光的频率大小关系？甲、乙的光照强度大小关系？3．金属能否发生光电效应取决于入射光的频率，与光照强度和光照时间无关。当入射光的频率低于某一值时，无论光照多强，时间多长都不会发生光电效应。而这一值叫做截止频率，又叫极限频率，用νc表示。4．如果入射光的频率超过了截止频率，无论光照强度多么弱，发生光电效应仅需10-9s。爱因斯坦为了解释光电效应，提出了光子说：1．在空间传播的光是不连续的，而是一份一份的，每一份叫做一个光子，光子的能量E=hν。ν指光的频率。2．金属中的自由电子吸收光子能量时，必须是一次只能吸收一个光子，而且不能累计吸收。3．光子不能再分，自由电子吸收光子时要么是全部吸收，要么不吸收。4．自由电子吸收光子仅需10-9s。光子说对光电效应的解释：1．当光照颜色一定时，光照越强，则单位时间内照射到金属上的光子数越多，光子数越多则发射出来的光电子数越多。所以光电流就越大。当A、K极间的电压大到一定程度后，所有的光电子都能从K极到达A极，出现了饱和电流。光照越强，光子数、光电子数相应越多，则饱和电流增大。2．自由电子吸收了光子能量后，能够从金属内部逃逸出来。自由电子从金属中逃逸出来的过程中，要克服原子核对它的引力做功。自由电子从金属中逃逸出来的过程中所要克服引力所做功的最小值，叫金属的逸出功，用W0表示。逸出功是由金属本身决定的，不同的金属有不同的逸出功。若要自由电子能够从金属中逃逸出来，则自由电子吸收的光子能量E=hν必须大于金属的逸出功W0。因此金属存在着截止频率，hνc=W0。当光子能量hνW0时，才能发生光电效应。电子从金属中逃逸出来后剩余的动能，由能量守恒定律可知：EK=hν-W，其中W指自由电子逃逸过程中克服引力做的功，当W最小时，电子剩余的动能则越大，所以，电子的最大初动能EKm=hν-W0。3．在光电管中，当在、K极加反向电压时，电场力对电子做负功，当反向电压达到遏止电压UC时，光电子恰好不能到达A极。如右图，A极接电源负极。则遏止电压UC满足：-eUC=0-EKm=hν-W0，所以，遏止电压只与入射光的频率有关，与光照强度和光照时间无关。2玻尔氢原子理论：产生背景：原子的发光光谱是线状谱，即，原子发出的光的频率（或波长）只能是一些不连续的特定值。每一种原子都有自己独特的线状谱，就好像每一个人都有属于自己独特的指纹一样。玻尔为了解释原子光谱的规律，提出了玻尔氢原子理论。1．轨道量子化假设：原子核外的电子只能在一些不连续的、特定的轨道上绕核匀速圆周运动。好像这些轨道是由上帝安排好的一样。2．定态假设：电子在那些特定轨道上运动时，不会向外辐射电磁波，整个原子的能量不会减少，原子处于相对稳定状态，简称定态。3．能量量子化假设：电子在那些特定轨道上运动时，原子的能量也有一些不连续的特定值与之对应。原子的能量也只能是一些不连续的特定值。电子的轨道不同，原子的能量也不同。原子的能量指：电子的动能和电子与原子核系统的电势能。玻尔认为，电子绕原子核的运动规律与卫星绕地球的运动规律相似。轨道半径越大，则电子的动能越小，而电势能越大，因为从低轨道到高轨道时引力做负功。由微积分计算可知，轨道半径增大的过程中，势能增加的多而动能减小的少，所以轨道半径越大时，原子的能量越大。玻尔以∞轨道为电势能的零点，电子在∞轨道时，动能也是零，所以在∞时原子的能量为零。以∞轨道为电势的零点，玻尔还计算出电子在第一轨道时，原子的能量为-13.6ev。电子在第n轨道时，原子的能量为12nEEn，其中n是轨道数，也叫量子数。4．能级与跃迁：原子的每一个能量值，叫做原子的能级。电子在低轨道时，原子的能量值较小，叫低能级状态。电子在高轨道时，原子的能量值较大，叫高能级状态。高与低都是相对的。电子只能在那些特定的轨道上，所以电子从一个轨道到另一轨道时，好像没有中间过程，叫轨道跃迁。5．基态与激发态：电子在第1轨道上时，原子处于第1能级状态，此时原子最稳定，不会向外辐射能量，叫基态。电子处在2、3……轨道上时，原子处在相对较高的能级状态，叫激发态。6．原子从外界吸收能量时，电子会从低轨道向高轨道跃迁，原子就从低能级跃迁到了高能级。而处于高能级的原子会自发地向低能级跃迁。当原子从高能级向低能级跃迁时，原子的能级会减小，而减小的能量就以光子的形式辐射出去。跃迁一次就会发出一个光子。根据能量守恒可知，原子辐射的光子能量E=hν=两个能级的差值。氢原子的能级是一些特定值，所以能级差也是一些不连续的特定值，所以原子发光的光谱是线状谱。玻尔计算的氢原子的光谱与实际试验观察完全吻合，玻尔因此获得诺贝尔奖。原子吸收光子的能量时，也是选择一定频率的，不是任意能量的光子都可以吸收。经典例题：1．已知能使某金属产生光电效应的极限频率为ν0，则()A．当用频率为2ν0的单色光照射该金属时，一定能产生光电子B．当用频率为2ν0的单色光照射该金属时，所产生的光电子的最大初动能为hν0C．当照射光的频率ν大于ν0时，若ν增大，则逸出功增大D．当照射光的频率ν大于ν0时，若ν增大一倍，则光电子的最大初动能也增大一倍2．如图所示，当电键K断开时，用光子能量为2.5eV的一束光照射阴极P，发现电流表读数不为零。合上电键K，调节滑线变阻器，发现当电压表读数小于0.60V时，电流表读数仍不为零；当电压表读数大于或等于0.60V时，电流表读数为零。由此可知阴极材料的逸出功为（）A．1.9eVB．0.6eVC．2.5eVD．3.1eV3．在光电效应实验中，飞飞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。则可判断出（）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的截止频率D．甲光对应的光电子最大初动能大于丙光的光电子最大初动能第1轨道第2轨道∞轨道34．以往我们认识的光电效应是单光子光电效应，即一个电子只能短时间内能吸收到一个光子而从金属表面逸出。强激光的出现丰富了人们对于光电效应的认识，用强激光照射金属，由于其光子密度极大，一个电子在短时间内吸收多个光子成为可能，从而形成多光子电效应，这已被实验证实。光电效应实验装置示意如图。用频率为v的普通光源照射阴极k，没有发生光电效应，换同样频率为v的强激光照射阴极k，则发生了光电效应；此时，若加上反向电压U，即将阴极k接电源正极，阳极A接电源负极，在kA之间就形成了使光电子减速的电场，逐渐增大U，光电流会逐渐减小；当光电流恰好减小到零时，所加反向电压U可能是下列的（其中W为逸出功，h为普朗克常量，e为电子电量）（）A.U=ewehBU=eweh2C.U=52hweeD.U=5hwee5．已知金属甲发生光电效应时产生光电子的最大初动能跟入射光的频率关系如直线1所示。现用某单色光照射金属甲的表面，产生光电子的最大初动能为E1，若用同样的单色光照射金属乙表面，产生的光电子的最大初动能E2，如图所示。则金属乙发生光电效应时产生光电子的最大初动能跟入射光的频率关系图线应是（）A．aB．bC．cD．上述三条图线都有可能6．下列关于光电效应的陈述中，正确的是()A．金属的逸出功与入射光的频率成正比B．光电流强度与入射光强度无关C．用不可见光照射金属一定比用可见光照同种金属产生的光电子最大初动能大D．对任何一种金属，都有一个“最大波长”，入射光的波长必须小于这个波长才能产生光电效应7．氢原子能级图的一部分如图所示，a、b、c分别表示在不同能级之间的三种跃迁途径，设在a、b、c三种跃迁过程中，放出光子的能量和波长分别是EEEabc、、和abc、、，则（）A.bacB.111bacC.bacD.EEEbac8．用能量为12eV的光子照射处于基态的氢原子时，则下列说法中正确的是（）A.使基态电子电离B.使电子跃迁到n＝3的能级C.使电子跃迁到n＝4的能级D.电子仍处于基态9．用总能量为13eV的一个自由电子与处于基态的氢原子发生碰撞（不计氢原子的动量变化），则电子可能剩余的能量（碰撞中无能量损失）是（）A.10.2eVB.2.8eVC.0.91eVD.12.75eV10．氢原子的核外电子由一个轨道跃迁到另一轨道时，可能发生的情况有（）A.放出光子，电子动能减少，原子势能增加，且动能减少量小于势能的增加量B.放出光子，电子动能增加，原子势能减少，且动能增加量与势能减少量相等C.吸收光子，电子动能减少，原子势能增加，且动能减少量小于势能的增加量D.吸收光子，电子动能增加，原子势能减少，且动能增加量等于势能的减少量10.光子能量为E的一束单色光照射到容器中的氢气上，氢原子吸收光子能量后处于激发态，并能发射光子．现测得该氢气发射的光子共有3种，其频率分别为1、2、3，且321，那么入射光光子的能量E值是（设普朗克常量为h）（）A、)(321hB、)(32hC、1hD、3h4课堂练习：1．当用具有1.87eV能量的光子照射n＝3激发态的氢原子时，氢原子（）A.不会吸收这个光子B.吸收该光子后被电离，电离后的动能为0.36eVC.吸收该光子后被电离，电离后电子的动能为零D.吸收该光子后不会被电离2．氢原子在某三个相邻能级之间跃迁时，可发出三种不同波长的辐射光。已知其中的两个波长分别为21、，且21，则另一个波长可能是（）A.21B.21C.2121D.21213．氢原子的能级如图所示，已知可见的光的光子能量范围约为1.62eV～3.11eV．下列说法错误的是（）A．处于n=3能级的氢原子可以吸收任意频率的紫外线，并发生电离B．大量氢原子从高能级向n=3能级跃迁时，发出的光具有显著的热效应C．大量处于n=4能级的氢原子向低能级跃迁时，可能发出6种不同频率的光D．大量处于n=4是能级的氢原子向低能级跃迁时，可能发出3种不同频率的可见光4．欲使处于基态的氢原子激发,下列措施可行的是()A.用10.2eV的光子照射B.用11eV的光子照射C.用14eV的光子照射D.用11eV的电子碰撞5．对玻尔理论的评论和议论，正确的是（）A．玻尔理论的成功，说明经典电磁理论不适用于原子系统，也说明了电磁理论不适用于电子运动B．玻尔理论成功地解释了氢原子光谱的规律，为量子力学的建立奠定了基础C．玻尔理论的成功之处是引入量子观念D．玻尔理论的成功之处，是它保留了经典理论中的一些观点，如电子轨道的概念6．μ子与氢原子核（质子）构成的原子称为μ氢原子（hydrogenmuonatom），它在原子核物理的研究中有重要