1、第十二章 原子与原子核 高考考纲备考建议内容要求说明从近几年高考试题来看,光电效应方程、核反应方程以及与动量结合是考查的重点,以选择题的形式考查,分值为6分.根据全国卷命题特点,预计2019年高考中,可能考查面扩大,考查会集中在 粒子散射实验,氢原子光谱和能级结构及光电效应方程,核反应中的衰变,粒子的波动性,核力和结合能、质能方程等知识点.氢原子光谱氢原子的能级结构、能级公式原子核的组成、放射性、原子核的衰变、半衰期放射性同位素核力、核反应方程结合能、质量亏损裂变反应和聚变反应、裂变反应堆射线的危害与防护光电效应爱因斯坦光电效应方程第1课时 光电效应 波粒二象性 基础回顾核心探究演练提升基础回
2、顾自主梳理融会贯通 知识梳理 一、光电效应 1.定义 当光照射在金属表面上时,金属中的 会因吸收光的能量而逸出金属表面的现象.电子 2.光电子 光电效应中发射出来的电子.3.光电效应的特征(1)对于给定的光电阴极材料,都存在一个发生光电效应所需的入射光的最小频率 0,叫做光电效应的截止频率,只有 截止频率的光,才能引起光电效应.不同金属材料的截止频率不同.超过(2)当入射光的频率高于截止频率、光电流出现时,光电流的大小由光强 ,光强越大,光电流越 .(3)从阴极发出的光电子的最大初动能与入射光的频率成 .(4)只要光的频率大于截止频率,即使用极弱的入射光,光电子总能 (约10-9 s)发射出来
3、.决定 大 线性关系 立刻 4.用光电管研究光电效应(1)电路如图所示(2)光电流与饱和电流 入射光强度:入射到金属表面单位面积上的能量.频率一定时,越大,光子数越多.光电流:光电子在电路中形成的电流.光电流有最大值,未达到最大值以前,其大小和 、都有关,达到最大值以后,光电流与光强成正比.饱和电流:在 的光照射下的最大光电流,饱和电流不随电路中 的增大而增大.单位时间内 光强 光强 电压 一定频率与强度 电压 拓展思考把一块锌板连接在验电器上,并使锌板带负电,验电器指针张开,用紫外线灯照射锌板,观察到验电器指针张角减小至闭合又张开.(1)验电器指针张角为何会变化?(2)如果紫外线的强度增加,
4、将对光电效应产生什么影响?答案:(1)开始验电器带负电,用紫外线照射锌板后,锌板发生光电效应,锌板带正电,结果使验电器负电荷中和后带正电.(2)当紫外线强度增加时,锌板上的正电荷数增加,使验电器指针张角增大.二、爱因斯坦光电效应方程 1.光子 每一光子的能量为=.不同频率的光子具有不同的能量.h 2.爱因斯坦光电效应方程(1)表达式:h=.212mvW(2)物理意义:金属板内的电子从入射光中吸收一个光子的能量h 之后,一部分消耗于电子由金属内逸出表面时所需做的功W,叫 ;另一部分转化为光电子的动能 mv2.逸出功 12三、光的波粒二象性与物质波 1.光的波粒二象性(1)光的干涉、衍射、偏振现象
5、证明光具有 性.波动(2)光电效应现象说明光具有 性.(3)光既具有波动性,又具有粒子性,称为光的 性.2.物质波(1)概率波 光的干涉现象是大量光子的运动遵守波动规律的表现,亮条纹是光子到达概率 的地方,暗条纹是光子到达概率 的地方,因此光波是一种概率波.粒子 波粒二象 大 小(2)物质波 任何一个运动着的物体,小到微观粒子大到宏观物体都有一种波与它对应,其波长=,p为运动物体的动量,h为普朗克常量.hp自主检测 1.思考判断(1)光子和光电子都是与之相对应的一种波.()(2)只要入射光的强度足够强,就可以使金属发生光电效应.()(3)要使某金属发生光电效应,入射光子的能量必须大于金属的逸出
6、功.()(4)光电子的最大初动能与入射光子的频率成正比.()(5)光的频率越高,光的粒子性越明显.()(6)德国物理学家普朗克提出了量子假说,成功地解释了光电效应规律.()(7)美国物理学家康普顿发现了康普顿效应,进一步证实了光的粒子性.()(8)法国物理学家德布罗意大胆预言了实物粒子在一定条件下会表现为波动性.()答案:(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)(8)2.(2018湖北天门模拟)(多选)在光电效应实验中,用频率为 的光照射光电管阴极,发生了光电效应,下列说法正确的是()A.增大入射光的强度,光电流增大 B.减小入射光的强度,光电效应现象消失 C.改用频率小于 的光照射,一定不
7、发生光电效应 D.改用频率大于 的光照射,光电子的最大初动能变大 AD 解析:用频率为的光照射光电管阴极,发生光电效应,改用频率较小的光照射时,有可能发生光电效应,故C错误;根据h=mv2+W可知增加照射光的频率,光电子最大初动能增大,故D正确;增大入射光强度,单位时间内照射到单位面积的光子数增加,则光电流将增大,故A正确;光电效应是否发生与照射光频率有关而与照射光强度无关,故B错误.123.入射光照到某金属表面上发生光电效应,若入射光的强度减弱,而频率保持不变,那么以下说法正确的是()A.从光照射到金属表面到发射出光电子之间的时间间隔将明显增加 B.逸出的光电子的最大初动能减小 C.逸出的光
8、电子的最大初动能增大 D.单位时间内从金属表面逸出的光电子数目将减少 D 解析:电子吸收光子时间非常短,是瞬时性的,故A错误;同一光电效应中,频率不变,光电子飞出的最大初动能不变,故B,C错误;入射光的强度减弱,而频率不变,则单位时间内吸收光子的电子数减少,相应地从金属表面逸出的光电子数也减少,故D正确.核心探究分类探究各个击破 考点一 光电效应规律 1.光电效应的实质 光子照射到金属表面,某个电子吸收光子的能量使其动能变大,当电子的动能增大到足以克服原子核的引力时,便飞出金属表面成为光电子.2.截止频率的实质 光子的能量与频率有关,而金属中电子克服原子核引力需要的能量是一定的,光子的能量必须
9、大于金属的逸出功时才能发生光电效应.这个能量的最小值等于这种金属对应的逸出功,所以每种金属都有一定的截止频率.3.对光电效应瞬时性的理解 光照射到金属上时,电子吸收光子的能量不需要积累,吸收的能量立即转化为电子的能量,因此电子对光子的吸收十分迅速.存在截止频率 电子从金属表面逸出,首先要克服金属原子核的引力做功 W,即要使入射光子能量不小于 W,对应的频率 0=Wh,即截止频率 光电效应具有瞬时性 光照射金属时,电子吸收一个光子的能量后,动能立即增大,不需要能量积累的过程 光较强时饱和电流大 光较强时,包含的光子数较多,照射金属时产生的光电子较多,因而饱和电流较大 4.对光电效应规律的解释 5
10、.光电子的最大初动能 电子吸收光子能量后,一部分克服阻碍作用做功,剩余部分转化为光电子的初动能,只有直接从金属表面飞出的光电子才具有最大初动能.对于确定的金属,W是一定的,故光电子的最大初动能只随入射光的频率增大而增大 6.光电效应中的对应关系【典例1】(2017黑龙江鹤岗一模)关于光电效应,下列说法正确的是()A.截止频率越大的金属材料逸出功越大 B.只要光照射的时间足够长,任何金属都能产生光电效应 C.从金属表面出来的光电子的最大初动能越大,这种金属的逸出功越小 D.入射光的强度一定时,频率越高,单位时间内逸出的光电子数就越多 A 核心点拨(1)是否产生光电子,决定于入射光的最低频率,不是
11、看光照时间.(2)产生多少光电子,看入射光的强度和频率.解析:逸出功W=h0,知截止频率越大,逸出功越大,故A正确;光电效应的条件是入射光的频率大于金属的截止频率,与光照时间无关,故B错误.根据光电效应方程h=mv2+W知,最大初动能与入射光的频率成一次函数关系,不会影响金属的逸出功,故C错误;入射光的强度一定时,频率越高,光子的能量值越大,入射光中的光子的数目越少,单位时间内逸出的光电子数就越少,故D错误.12反思总结 光电效应现象的本质(1)光电效应是发生在金属表面的现象.(2)不管是否发生光电效应,金属表面的电子都只吸收一个光子,不能同时吸收两个光子.(3)逸出功是克服金属表面做功的最小
12、值.(4)光电子的速度是不确定的,但有最大值,即光电子具有最大初动能.(5)光的强度简称为光强,光强决定于光子的频率与入射光子数.多维训练 1.光电效应现象(2018广东中山模拟)(多选)如图所示,用导线把验电器与锌板相连接,当用紫外线照射锌板时,发生的现象是()A.有光子从锌板逸出 B.有光电子从锌板逸出 C.验电器指针张开一个角度 D.锌板带负电 BC 解析:用紫外线照射锌板是能够发生光电效应的,锌板上的电子吸收紫外线的能量从锌板表面逸出,称之为光电子,故A错误,B正确;锌板与验电器相连,带有相同电性的电荷,锌板失去电子应该带正电,则验电器指针张开一角度,故C正确,D错误.2.光电效应方程
13、的应用(2018成都模拟)分别用波长为 和 35 的单色光照射同一金属板,发出的光电子的最大初动能之比为 13,以 h 表示普朗克常量,c 表示真空中的光速,则此金属板的逸出功为()A.45hc B.23hc C.35hc D.3hc B 解析:设此金属的逸出功为 W,根据光电效应方程当用波长为的光照射时有 Ek1=hc-W.当用波长为 35的光照射时有 Ek2=35hc-W 又12kkEE=13可解得 W=23hc,故选 B.考点二 光电效应图像问题 四类图像 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 的关系图线截止频率:图线与 轴交点的横坐标 c 逸出功:纵
14、轴截距|-E|=W0,又W0=h c 图线的斜率:k=h颜色相同、强度不同的光,光电流与电压的关系遏止电压Uc相同,为图线与横轴的交点 光强时饱和光电流大 最大初动能为Ek=eUc颜色不同时,光电流与电压的关系遏止电压Uc1,Uc2不同 最大初动能分别为Ek1=eUc1,Ek2=eUc2遏止电压Uc与入射光频率的关系图线截止频率 c 遏止电压Uc随入射光频率的增大而增大【典例2】(2018宜兴市模拟)从1907年起,密立根就开始测量金属的遏止电压Uc(即图1所示的电路中电流表G的读数减小到零时加在电极K,A之间的反向电压)与入射光的频率,由此算出普朗克常量h,并与普朗克根据黑体辐射得出的h相比
15、较,以检验爱因斯坦光电效应方程的正确性.按照密立根的方法我们利用图示装置进行实验,得到了某金属的Uc-图像如图2所示.下列说法正确的是()A.该金属的截止频率约为4.271014Hz B.该金属的截止频率约为5.501014Hz C.该图线的斜率为普朗克常量 D.该图线的斜率为这种金属的逸出功 A(2)由 h=12mv2+W 和 12mv2=eUc推导出 Uc与的函数表达式.核心点拨(1)金属Uc-图线与横轴的交点坐标表示该金属遏止电压为0时,入射光的频率.解析:设金属的逸出功为W,截止频率为0,则有 W=h0;光电子的最大初动能 12mv2与遏止电压Uc的关系是 12mv2=eUc,光电效应
16、方程为 12mv2=h-W;由此可得Uc=he-We,故 Uc与图像的斜率为 he,故 C,D 错误;当 Uc=0时,可解得=Wh=0,此时读图可知,04.271014 Hz,即金属的截止频率约为 4.271014 Hz,A 正确,B 错误.题后反思 求解光电效应问题应抓住的三个关系式(1)爱因斯坦光电效应方程 h=12mv2+W.(2)光电子的最大初动能 12mv2.可以利用光电管用实验的方法测得,即 12mv2=eUc,其中 Uc是遏止电压.(3)光电效应方程中的 W 为逸出功,它与截止频率0(或极限波长)的关系是 W=h0=h0c.多维训练 1.I-U图像(2018九江模拟)研究光电效应
17、的电路如图所示,用频率相同、强度不同的光分别照射密封真空管的钠极板(阴极K),钠极板发射出的光电子被阳极A吸收,在电路中形成光电流.下列光电流I与A,K之间的电压UAK的关系图像中,正确的是()C 解析:同种光对应的遏止电压即光电流I=0时对应的反向电压为一确定值;在发生光电效应的条件下,光越强,饱和电流越大.故C正确,A,B,D错误.2.导学号 58826245 12mv2-图像(2018甘肃兰州模拟)(多选)如图是某金属在光的照射下产生的光电子的最大初动能 12mv2与入射光频率 的关系图像.由图像可知()A.该金属的逸出功等于|-E|B.该金属的逸出功等于 h0 C.入射光的频率为 2
18、0时,产生的光电子的最大初动能为|-E|D.入射光的频率为02v 时,产生的光电子的最大初动能为2E ABC 解析:由爱因斯坦的光电效应方程可得 h=12mv2+W,对应图线可得,该金属的逸出功 W=|-E|=h0,A,B 均正确;若入射光的频率为 20,则产生的光电子的最大初动能Ek=2h0-W=h0=|-E|,故C正确;入射光的频率为02v 时,该金属不发生光电效应,D 错误.考点三 光的波粒二象性 物质波 1.对光的波粒二象性的进一步理解 表现说明二者关系波动性 干涉和衍射光是一种概率波,即光子在空间各点出现的可能性大小(概率)不同 大量的光子在传播时,表现出波的性质光的波动性是光本身的
19、属性,不是光子之间相互作用产生的 光的波动性不同于宏观观念的波光子说并未否定波动说,E=h=中,和 就是波的概念 波和粒子在宏观世界是对立的,而在微观世界却是统一的 粒子性 光电效应、康普顿效应光与物质发生作用时,表现出粒子性 少量或个别光子显示出粒子性 粒 子 的 含 义是“不 连 续”“一 份 一 份”的 光 子 不 同 于宏 观 观 念 的 粒子hc(2)波长或频率:=hp,=Eh,h 是普朗克常量.2.物质波(1)定义:任何运动着的物体都有一种波与之对应.这种波也叫德布罗意波.【典例3】(2018陕西宝鸡模拟)关于物质的波粒二象性,下列说法中不正确的是()A.不仅光子具有波粒二象性,一
20、切运动的微粒都具有波粒二象性 B.大量光子的行为表现出光的波动性,而少量光子的行为表现出光的粒子性 C.光的波长越长,粒子性越明显,光的频率越高,波动性越明显 D.宏观物体的德布罗意波的波长太小,实际很难观察到波动性 C 解析:光具有波粒二象性是微观世界具有的特殊规律,大量光子的行为表现出光的波动性,而少量光子表现出光的粒子性.光的波长越长,波动性越明显,光的频率越高,粒子性越明显.宏观物体的德布罗意波的波长太小,实际很难观察到波动性,故A,B,D正确,C错误.误区警示 波粒二象性的“三个易错点”(1)光子的粒子性并不否认光的波动性.(2)宏观运动物体也具有波动性,只是波长太短,很难观察到.(
21、3)微观粒子的波动性与机械波不同,微观粒子的波是概 率波.AB 1.波粒二象性问题(2018河北邢台模拟)(多选)波粒二象性是微观世界的基本特征,以下说法正确的有()A.光电效应现象揭示了光的粒子性 B.热中子束射到晶体上产生衍射图样说明中子具有波动性 C.黑体辐射的实验规律可用光的波动性解释 D.动能相等的质子和电子,它们的德布罗意波长也相等 多维训练 解析:光电效应现象、黑体辐射的实验规律都只能用光的粒子性解释,选项 A正确,C 错误;热中子束射到晶体上产生衍射图样说明中子具有波动性,选项 B正确;由德布罗意波长公式=hp和 p2=2mEk知动能相等的质子和电子动量不同,德布罗意波长不相等
22、,选项 D 错误.2.物质波(2018南昌质检)(多选)关于物质波下列说法中正确的是()A.实物粒子与光子一样都具有波粒二象性,所以实物粒子与光子是相同本质的物质 B.物质波和光波都是概率波 C.粒子的动量越大,其波动性越易观察 D.粒子的动量越小,其波动性越易观察 BD 解析:实物粒子与光子一样都具有波粒二象性,但实物粒子与光子不是同一种物质,故A错误;根据德布罗意的物质波理论,物质波和光波一样都是概率波,故B正确;根据德布罗意的物质波理论公式=,可知粒子的动量越大,波长越小,其波动性越不明显,粒子的动量越小,波长越长,其波动性越明显,越容易观察,故D正确,C错误.hp演练提升真题体验强化提
23、升 1.光电效应问题(2017全国卷,19)(多选)在光电效应实验中,分别用频率为 a,b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 a b,则一定有Ua b,则一定有EkaEkb C.若UaUb,则一定有Eka b,则一定有h a-Ekah b-Ekb BC 解析:由爱因斯坦光电效应方程知,Eka=ha-W,Ekb=hb-W,当ab时,EkaEkb,选项B正确;由最大初动能和遏止电压的关系知,eUa=Eka,eUb=Ekb,若ab,得EkaEkb进而知UaUb,选项A错误;若UaUb,
24、则一定有Eka Ekb,选项C正确;对同一种金属逸出功相同,则有ha-Eka=hb-Ekb=W,选项D错误.2.光子能量问题(2017北京卷,18)2017年年初,我国研制的“大连光源”极紫外自由电子激光装置,发出了波长在100 nm(1 nm=10-9 m)附近连续可调的世界上最强的极紫外激光脉冲.“大连光源”因其光子的能量大、密度高,可在能源利用、光刻技术、雾霾治理等领域的研究中发挥重要作用.一个处于极紫外波段的光子所具有的能量可以电离一个分子,但又不会把分子打碎.据此判断,能够电离一个分子的能量约为(取普朗克常量h=6.610-34Js,真空光速c=3108 m/s)()A.10-21
25、J B.10-18 J C.10-15 J D.10-12 J B 解析:光子能量E=h=h ,将h=6.610-34 Js,c=3108 m/s代入得E=1.9810-18 J,故选项B正确.c3.波粒二象性问题(2015全国卷,35)(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.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 E.光电效应实验中,光电子的最大初动能与入射光的频率有关,与入射光的强度无关 ACD 解析:电子束通过双缝产生干涉图样,体现的是波动性,A正确;射线在云室中留下清晰的径迹,不能体现波动性,B错误;衍射体现的是波动性,C正确;电子显微镜利用了电子的波动性来观测物质的微观结构,D正确;光电效应体现的是光的粒子性,E错误.4.光电效应的图像问题(2015全国卷,35)在某次光电效应实验中,得到的遏止电压Uc与入射光的频率 的关系如图所示.若该直线的斜率和截距分别为k和b,电子电荷量的绝对值为e,则普朗克常量可表示为 ,所用材料的逸出功可表示为 .解析:根据爱因斯坦光电效应方程 Ekm=h-W,又因为 Ekm=eUc,得到 Uc=he-We,所以 he=k,h=ek;-We=b,W=-eb.答案:ek-eb