1、专题十二 近代物理初步 课标要求1.了解微观世界中的量子化现象.比较宏观物体和微观粒子的能量变化特点.体会量子论的建立深化了人们对于物质世界的认识.2.通过实验了解光电效应.知道爱因斯坦光电方程以及意义.3.了解康普顿效应.4.根据实验说明光的波粒二象性.知道光是一种概率波.5.知道实物粒子具有波动性.知道电子云.初步了解不确定性关系.6.通过典型事例了解人类直接经验的局限性.体会人类对世界的探究是不断深入的.7.了解人类探索原子结构的历史以及有关经典实验.热点考向1.光电效应现象与光电效应方程的应用.2.原子核式结构.3.氢原子光谱规律、能级跃迁.4.核衰变与核反应方程.5.核能与爱因斯坦质
2、能方程.(续表)热点考向课标要求8.通过对氢原子光谱的分析，了解原子的能级结构.9.知道原子核的组成.知道放射性和原子核的衰变.会用半衰期描述衰变速度，知道半衰期的统计意义.10.了解放射性同位素的应用.知道射线的危害和防护.11.知道核力的性质.能简单解释轻核与重核内中子数、质子数具有不同比例的原因.会根据质量数守恒和电荷守恒写出核反应方程.12.认识原子核的结合能.知道裂变反应和聚变反应.关注受控聚变反应研究的进展.13.知道链式反应的发生条件.了解裂变反应堆的工作原理.了解常用裂变反应堆的类型.知道核电站的工作模式.14.通过核能的利用，思考科学技术与社会的关系.15.初步了解恒星的演化
3、.初步了解粒子物理学的基础知识.第1讲光电效应 原子结构 1.光电效应光电子如图 12-1-1 所示，在光的照射下物体发射电子的现象叫光电效应，发射出来的电子叫_.图 12-1-1考点 1 光电效应(1)任何 一种金 属 都有一个极 限频率 0，入 射 光的 频率 _，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_关，随入射光频率的增大而增大.(3)入射光照到金属上时，光电子的发射几乎是_的，一般不超过 109 s.(4)当入射光的频率大于极限频率时，入射光越强光电流_.2.光电效应的规律0无瞬时越大3.爱因斯坦的光子说：光的能量_连续的，而是一份一份的，每一份叫做一个光子，光子的
4、能量 E 跟光的频率成正比：E_(h 是普朗克常量).不是h4.爱因斯坦光电效应方程(1)最大初动能和逸出功金属表面的电子吸收光子后，克服金属原子核的引力做功.直接从金属表面逸出的电子所具有的最大动能称为最大初动能，克服金属原子核的引力逃逸出而成为光电子所做的功的最小值叫_.逸出功EkhW0(2)光电效应方程：_，h极限 W0.(Ek 是光电子的最大初动能；W0 是逸出功，即从金属表面直接飞出的光电子克服原子核的引力所做的功).考点 2 卢瑟福核式结构模型1.汤姆生的“枣糕”模型汤姆生均匀(1)1897 年_发现电子，提出原子的“枣糕”模型，揭开了人类研究原子结构的序幕.(2)“枣糕”模型：原
5、子是一个球体，正电荷_分布在整个球内，电子像枣糕里的枣子那样镶嵌在原子里.2.卢瑟福的“核式结构”模型(1)粒子散射实验装置：如图 12-1-2 所示.图 12-1-2实验规律卢瑟福的分析_粒子仍沿原来的方向前进原子中绝大部分是空隙少数粒子发生了较大的偏转，极少数的偏转角超过了 90，有的甚至被弹回，偏转角几乎达到180粒子碰到了质量比自己大得多的带正电的物质，原子的全部正电荷和几乎全部的质量都集中在一个很小的范围内(2)粒子散射实验规律及卢瑟福对实验现象的分析绝大多数(3)原子核式结构模型在原子的中心有一个很小的核，叫_.原子的全部正电荷和几乎全部的质量都集中在原子核里.带负电的电子在核外空
6、间里绕着核旋转.(4)原子核的大小：从粒子散射实验的数据估算出原子核的半径约为 10151014 m；原子的半径约为 1010 m.3.质子和中子统称_，原子核的电荷数等于其质子数，原子核的_数等于其质子数与中子数的和.具有相同质子数的原子属于同一种元素；具有相同的质子数和不同的中子数的原子互称同位素.原子核核子质量考点 3 玻尔原子模型1.定态：原子只能处于一系列_的能量状态中，在这些能量状态中原子是稳定的，电子虽然绕核运动，但并不向外辐射能量.不连续辐射EmEn不连续2.跃迁：原子从一种定态跃迁到另一种定态时，它_或吸收一定频率的光子，光子的能量由这两个定态的能量差决定.即 h_.(h 是
7、普朗克常量，h6.6261034 Js)3.轨道：原子的不同能量状态跟电子在不同的圆周轨道绕核运动相对应.原子的定态是不连续的，因此电子的可能轨道也是_的.4.氢原子的能级、能级公式(1)氢原子的能级图(如图 12-1-3 所示)图 12-1-3(2)氢原子的能级和轨道半径13.6 eV氢原子的能级公式：En_(n1,2,3，)，其中E1 为基态能量，其数值为 E1_.氢原子的半径公式：rnn2r1(n1,2,3，)，其中 r1 为基态半径，又称玻尔半径，其数值为 r10.531010 m.1n2E1【基础自测】1.(多选)用粒子轰击金箔，粒子在接近金原子核时发生偏)转的情况如图 12-1-4
8、 所示，则粒子的路径可能是(A.aB.bC.cD.a、b、c 都是不可能的图 12-1-4解析：粒子散射的原因是原子核对其有库仑斥力的作用，离核越近，斥力越大，偏转越明显，当正好击中原子核时，由于粒子质量较小而反弹.故 A、C 正确.答案：AC2.如图 12-1-5 所示为氢原子的能级图，A、B、C 分别表示)电子在三种不同能级跃迁时放出的光子，其中(图 12-1-5A.频率最高的是 AC.频率最低的是 AB.波长最长的是 CD.波长最长的是 B正确.答案：B解析：由 Ehhc 可知，B 频率最大，C 波长最长，B3.(多选)光电效应实验的装置如图 12-1-6 所示，则下列说法中正确的是()
9、图 12-1-6A.用紫外线照射锌板，验电器指针会发生偏转B.用红色光照射锌板，验电器指针会发生偏转C.锌板带的是负电荷D.使验电器指针发生偏转的是正电荷解析：紫外线的频率大于锌板的极限频率，用紫外线照射，发生光电效应，有电子从锌板逸出，锌板失去电子带正电，所以使验电器指针发生偏转的是正电荷，红色光的频率小于锌板的极限频率，不能发生光电效应，A、D 正确.答案：AD4.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 12-1-7 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
10、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图 12-1-7答案：B解析：该题考查了光电效应问题，应根据截止电压判断频率.由 eUc12mv2hW 可知 越高，Uc 越大.甲光、乙光有Uc 相等，所以甲光、乙光的频率相等，丙光 Uc 大于乙光 Uc，所以乙光频率小于丙光，丙光波长小于乙光，同种金属，截止频率相同，丙光 Uc 大于甲光 Uc，所以甲光对应的光电子初动能小于丙光的，故 B 正确.热点 1 光电效应热点归纳1.用光电管研究光电效应(1)常见电路图(如图 12-1-8 所示)图 12-1-8(2)光电流与饱和电流入射光强度：指单位时间内入射到金属表面单位
11、面积上的能量，可以理解为频率一定时，光强越大，单位时间内照射金属表面的光子数越多.光电流：指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，其大小和光强、电压都有关，达到最大值以后，光电流和光强度成正比.饱和电流：指在一定频率与强度的光照射下的最大光电流，饱和电流不随电路中电压的增大而增大.2.区分光电效应中的四组概念(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.(2)光电子的动能与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
12、才具有最大初动能.(3)光电流和饱和光电流：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)入射光强度与光子能量：入射光强度指单位时间内照射到金属表面单位面积上的总能量.光子能量为普朗克常量和电磁辐射频率的乘积，Eh.对应规律对规律的产生的解释光电子的最大初动能随着入射光频率的增大而增大，与入射光强度无关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，逸出功 W0 是一定的，故光电
13、子的最大初动能只随入射光频率的增大而增大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光电流大光较强时，包含的光子数较多，照射金属时产生的光电子较多，因而饱和光电流较大3.对光电效应规律的解释4.光电效应的研究思路(1)两条线索：(2)两条对应关系：入射光强度大光子数目多发射光电子多光电流大；光子频率高光子能量大光电子的最大初动能大.考向 1 光电效应现象【典题 1】(多选)如图 12-1-9 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.
14、锌板带负电图 12-1-9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，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，且失去电子越多，带正电的电荷量越多，验电器指针张角越大，C 正确，D 错误.答案：BC考向 2 光电效应的规律【典题 2】入射光照到某金属表面发生光电效应，若入射光的强度减弱，而频率保持不变，则下列说法正确的是()A.从光照射到金属表面上到金属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.单位时间内从金属表面逸出的光电子数目将减少D.有可能不发生光电效应解析：光电
15、效应瞬时(一般不超过 109 s)发生，与光强无关，A 错误；光电子的最大初动能只与入射光的频率有关，入射光的频率越大，最大初动能越大，B 错误；光电子数目多少与入射光的强度有关，光强减弱，单位时间内从金属表面逸出的光电子数目减少，C 正确；能否发生光电效应，只取决于入射光的频率是否大于极限频率，与光强无关，D 错误.答案：C考向 3 光子说【典题 3】(2019 年江苏卷)在“焊接”视网膜的眼科手术中，所用激光的波长6.4107 m，每个激光脉冲的能量 E1.510 2 J.求每个脉冲中的光子数目.(已知普朗克常量 h 6.631034 Js，光速 c3108 m/s.计算结果保留 1 位有
16、效数字)解：每个光子的能量为 E0hvhc，每个激光脉冲的能量为 E，所以每个脉冲中的光子个数为：N EE0，联立且代入数据解得：N51016 个.图象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极限频率：图线与轴交点的横坐标0逸出功：图线与 Ek 轴交点的纵坐标的绝对值 W0|E|E普朗克常量：图线的斜率 kh热点 2 光电效应方程及图象分析图象名称图线形状由图线直接(间接)得到的物理量颜色相同、强弱不同的光，光电流与电压的关系遏止电压 Uc：图线与横轴的交点饱和光电流 Im：电流的最大值最大初动能：EkmeUc颜色不同时，光电流与电压的关系遏止电压 Uc
17、1、Uc2饱和光电流最大初动能 Ek1eUc1、Ek2eUc2(续表)图象名称图线形状由图线直接(间接)得到的物理量遏止电压 Uc 与入射光频率的关系图线截止频率0：图线与横轴的交点遏止电压 Uc：随入射光频率的增大而增大普朗克常量 h：等于图线的斜率与电子电荷量的乘积，即 hke(注：此时两极之间接反向电压)(续表)Js，真空中的光速为 3.00108 ms1，考向 1 光电效应方程【典题 4】(2018 年新课标卷)用波长为 300 nm 的光照射锌板，电子逸出锌板表面的最大初动能为 1.281019 J.已知普朗克常量为 6.631034能使锌产生光电效应的单色光的最低频率约为()A.1
18、1014 HzC.21015 HzB.81014 HzD.81015 Hz解析：由光电效应方程式得EkhW0刚好发生光电效应的临界频率为0则 W0h0，代入数据可得：081014 Hz，B 正确.答案：B得：W0hEkhcEk【迁移拓展】(多选，2017 年新课标卷)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ab，则一定有 Uab，则一定有 EkaEkbC.若 UaUb，则一定有 Ekab，则一定有 haEkahbEkb解析：由爱因
19、斯坦光电效应方程 EkmhW，又由动能定理有 EkmeU，当ab 时，则 EkaEkb，UaUb，A 错误，B 正确；若 UaUb，则有 EkaEkb，C 正确；同种金属的逸出功不变，则 WhEkm 不变，D 错误.答案：BC考向 2 光电效应图象【典题 5】(2019 年北京西城模拟)利用如图 12-1-10 所示的电路研究光电效应中电子的发射情况与光照的强弱、光的频率等物理量间的关系.K、A 是密封在真空玻璃管中的两个电极，K 受到光照时能够发射电子.K 与 A 之间的电压大小可以调整，电源的正负极也可以对调.(1)a.电源按图 12-1-10 所示的方式连接，且将滑动变阻器中的滑片置于中
20、央位置附近.试判断：光电管中从 K 发射出的电子由 K 向 A 的运动是加速运动还是减速运动？b.现有一电子从 K 极板逸出，初动能忽略不计，已知电子的电量为 e，电子经电压 U 加速后到达 A 极板.求电子到达 A 极板时的动能 Ek.图 12-1-10(2)在图 12-1-10 装置中，通过改变电源的正、负极，以及移动变阻器的滑片，可以获得电流表示数，与电压表示数 U 之间的关系，如图 12-1-11 所示，图中 Uc 叫遏止电压.实验表明，对于一定频率的光，无论光的强弱如何，遏止电压都是一样的.请写出光电效应方程，并对“一定频率的光，无论光的强弱如何，遏止电压都是一样的”做出解释.图 1
21、2-1-11(3)美国物理学家密立根为了检验爱因斯坦光电效应方程的正确性，设计实验并测量了某金属的遏止电压 Uc 与入射光的频率.根据他的方法获得的实验数据绘制成如图 12-1-12 所示的图线.已知电子的电量 e1.61019 C，求普朗克常量 h.(运算结果保留 l 位有效数字)图 12-1-12解：(1)a.加速运动；b.由动能定理得 EkeU.(2)由爱因斯坦光电效应方程 EkhvW，可知遏止电压对应为具有最大初动能的光电子由 K 极板运动到 A 极板动能减为0，根据动能定理有：EkeUc.可见，对于确定的金属来说，一定频率的光，无论光的强弱如体，遏止电压都是一样的.(3)由题图 12
22、-1-12 可知，图线的斜率为普朗克常量与元电荷常量之比由图象求得斜率 k41015 VS得普照朗克常量：hke代入数据得：h61034 Js.【迁移拓展】爱因斯坦提出了光量子概念并成功地解释了光电效应的规律而获得 1921 年诺贝尔物理学奖.某种金属逸出光电子的最大初动能 Ekm 与入射光频率的关系如图 12-1-13 所示，其中0 为截止频率.从图中可以确定的是(A.逸出功与有关B.Ekm 与入射光强度成正比C.当0 时，会逸出光电子D.图中直线的斜率与普朗克常量有关)图 12-1-13解析：逸出功由金属材料本身决定，A 错误；由 Ekm hW0 可知 B 错误，D 正确；由图象可知，当0
23、 时才会逸出光电子，C 错误.答案：D热点 3 氢原子能级及能级跃迁热点归纳1.两类能级跃迁：(1)自发跃迁：高能级低能级，释放能量，发出光子.(2)受激跃迁：低能级高能级，吸收能量.光照(吸收光子)：光子的能量必须恰等于能级差 hE.碰撞、加热等：只要入射粒子能量大于或等于能级差即可，E外E.大于电离能的光子被吸收，将原子电离.光子的频率 Eh E高E低h.2.谱线条数的确定方法：(1)一个氢原子跃迁发出可能的光谱线条数最多为(n1).(2)一群氢原子跃迁发出可能的光谱线条数的两种求解方法：利用能级图求解：在氢原子能级图中将氢原子跃迁的各种可能情况一一画出，然后相加.用数学中的组合知识求解：
24、NC2nnn12.考向 1 氢原子跃迁过程中的特点【典题 6】(2018 届广西桂林、贺州、崇左三市调研)氢原子能级如图 12-1-14 所示，当氢原子从 n3 跃迁到 n2 的能)级时，辐射光子 Z 的波长为 656 nm.以下判断正确的是(图 12-1-14A.氢原子从 n3 跃迁到 n1 的能级时，辐射光子的波长大于 656 nmB.氢原子从 n3 跃迁到 n1 的能级时辐射光子照射某金属表面有光电子逸出，若换用光子 Z 照射该金属表面时不一定有光子逸出C.一个处于 n3 能级上的氢原子向低能级跃迁时最多产生的 3 种谱线D.用波长 633 nm 的光照射，能使氢原子从 n 2 跃迁到n
25、3 的能级解析：氢原子从 n3 跃迁到 n2 的能级时辐射的能量为656 nm，那么从 n3 跃迁到 n1 的能级时，辐射光的波长应该小于 656 nm，A 错误；氢原子从 n3 跃迁到 n1 的能级时辐射光子的能量大于从 n3 跃迁到 n2 辐射光子 Z 的能量，换成光子 Z 照金属不一定发生光电效应，B 正确；一个处于n3 能级上的氢原子向低能级跃迁时最多产生的 2 种谱线，C错误；若要使氢原子从 n2 跃迁到 n3 的能级所吸收的能量一定是波长为 656 nm 对应的能量才可以，D 错误.答案：BEE3E21.89 eV，根据 Ehc，可解得辐射光的波长为【迁移拓展】(2019 年北京东
26、城区模拟)如图 12-1-15 是氢原子的能级图.一个氢原子从 n4 的能级向低能级跃迁，则以下判断正确的是()A.该氢原子最多可辐射出 6 种不同频率的光子B.该氢原子跃迁到基态时需要吸收 12.75 eV的能量图 12-1-15C.该氢原子只有吸收 0.85 eV 的光子时才能电离D.该氢原子向低能级跃迁时，向外辐射的光子的能量是特定值解析：本题研究的是单个氢原子，单个处于 n 能级的氢原子向低能级跃迁时最多可辐射出 n1 条不同频率的光子，故该氢原子向低能级跃迁时最多可辐射出 3 种不同频率的光子，A错误；该氢原子跃迁到基态时需要释放0.85 eV(13.6 eV)12.75 eV 的能
27、量，B 错误；只要吸收的光子的能量大于0.85 eV，该氢原子就能电离，C 错误；氢原子向低能级跃迁时，向外辐射的光子的能量等于两能级的能量差，此能量差为一特定值，D 正确.答案：D考向 2 氢原子跃迁过程中光谱线的能量关系 【典题 7】(2019 年新课标卷)氢原子能级示意图如图12-1-16 所示.光子能量在 1.63 eV3.10 eV 的光为可见光.要使处于基态(n1)的氢原子被激发后可辐射出可见光光子，最少应给氢原子提供的能量为()图 12-1-16A.12.09 eVB.10.20 eVC.1.89 eVD.1.5l eV解析：由题意可知，基态(n1)氢原子被激发后，至少被激发到 n3 能级后，跃迁才可能产生能量在 1.63eV3.10eV的可见光.故E1.51(13.60)eV12.09 eV.故 A 正确.答案：A【迁移拓展】(2018 年辽宁朝阳模拟)如图 12-1-17 所示，氢原子在不同能级间发生 a、b、c 三种跃迁时，释放光子的波长)分别是a、b、c，下列关系式正确的是(图 12-1-17A.bacB.a bcbcC.b acacD.c abab答案：C解析：因为 EmEnhv，知 EbEaEc，所以hcbhcahcc得：1b1a1c，即 b acac，C 正确.
