第1讲 光电效应 原子的跃迁 讲义

第十二单元选修3­ 5 原子物理
➢高考纵览
第1讲光电效应原子的跃迁
➢教材知识梳理
一、光电效应
1．光电效应现象
在光的照射下金属中的电子从金属表面逸出的现象，叫作光电效应，发射出来的电子叫作________．2．光电效应规律
1每种金属都有一个________．
2光电子的最大初动能与照射光的________无关，只随照射光的________增大而增大．
3光照射到金属表面时，光电子的发射几乎是________的．
4光电流的强度与照射光的________成正比．
3．爱因斯坦光电效应方程
1光子说：空间传播的光的能量是不连续的，是一份一份的，每一份叫作一个光子．光子的能量为ε＝________，其中h是普朗克常量，其值为663×10－34 J·
2光电效应方程：________________．
其中hν为照射光的能量，E为光电子的最大初动能，W0是金属的逸出功．
二、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．光电效应和康普顿效应说明光具有________性．
3．光既具有波动性，又具有粒子性，称为光的________性．
三、玻尔理论
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________的，电子虽然绕核运动，但并不向外辐射能量．
2跃迁：原子从一种定态跃迁到另一种定态时，它辐射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hν＝________．h是普朗克常量，h＝663×10－34 J·
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________的，因此电子的可能轨道也是________的．
答案：一、1光电子21极限频率2强度频率3瞬时4强度3．1hν2E＝hν－W0
二、1波动2粒子3波粒二象
三、1不连续稳定2E m－E n3不连续不连续
【思维辨析】
1电子枪发射电子的现象就是光电效应．
2不同的金属对应着相同的极限频率．
3核外电子虽然绕核运动，但并不向外辐射能量．
4核外电子可以吸收或放出任意频率的光子．
答案：1×2×3√4×
【思维拓展】
玻尔的氢原子能级理论成功解释了氢原子光谱不连续的特点，解释了当时出现的“紫外灾难”．该理论也可解释其他原子光谱现象吗？
答案：玻尔的氢原子能级理论本身是以经典理论为基础，其理论又与经典理论相抵触．它只能解释氢原子以及类氢原子光谱的规律，在解释其他原子的光谱上就遇到了困难，如把理论用于其他原子时，理论结果与实验不符，且不能求出谱线的强度及相邻谱线之间的宽度．这些缺陷主要是由于把微观粒子电子、原子等看作是经典力学中的质点，从而把经典力学规律强加于微观粒子上如轨道概念而导致的．
➢考点互动探究
考点一对光电效应的理解
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后动能变大，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．光电效应现象中，每个电子只能吸收一个光子的能量．
2．对光电效应规律的解释
1光照射金属时，电子吸收一个光子形成光电子的能量后，动能立即增大，不需要积累能量的过程．
2电子从金属表面逸出，首先需克服金属表面原子核的引力做功逸出功W0．要使照射光子的能量不小于W0，对应频率νc＝错误!为极限频率．
3光电子的最大初动能只随照射光频率的增大而增大．
4照射光越强，单位时间内照射到金属表面的光子数越多，产生的光电子越多，射出的光电子做定向移动时形成的光电流越大．
3．概念辨析
4．用图像表示光电效应方程
1最大初动能E与入射光频率ν的关系图线如图12-30-1所示．
图12-30-1
2由图线可以得到的物理量：
①极限频率：图线与ν轴交点的横坐标νc
②逸出功：图线与E轴交点的纵坐标的绝对值W0＝|－E|＝E
③普朗克常量：图线的斜率＝h
1 多选[2021·全国卷Ⅰ改编] 现用某一光电管进行光电效应实验，当用某一频率的光照射时，有光电流产生．下列说法正确的是
A．保持照射光的频率不变，增大照射光的强度，饱和光电流变大
B．照射光的频率变高，光电子的最大初动能变大
C．保持照射光的强度不变，不断减小照射光的频率，始终有光电流产生
D．遏止电压的大小与照射光的频率有关，与照射光的强度无关
答案：ABD[解析] 根据光电效应实验得出的结论：保持照射光的频率不变，照射光的强度变大，饱和光电流变大，故A正确；根据爱因斯坦光电效应方程得，照射光的频率变高，光电子的最大初动能变大，故B正确；遏止电压的大小与照射光的频率有关，与照射光的强度无关，保持照射光的强度不变，不断减小照射光的频率，若低于截止频率，则没有光电流产生，故C错误，D正确．
式题用频率为ν的光照射光电管阴极时，产生的光电流随阳极与阴极间所加电压的变化规律如图12-30-2所示，U c为遏止电压．已知电子电荷量为－e，普朗克常量为h，求：
1光电子的最大初动能E m；
2该光电管发生光电效应的极限频率ν0
图12-30-2
[解析] 1光电子在光电管内减速，由动能定理有
－eU c＝－E m
光电子的最大初动能E m＝eU c
2由光电效应方程得E m＝hν－W0
其中逸出功W0＝hν0
解得ν0＝ν－错误!
考点二波粒二象性
1对光的波粒二象性的理解
光既有波动性，又有粒子性，两者不是孤立的，而是有机的统一体，其表现规律为：
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，越不容
易看到光的干涉和衍射现象，贯穿本领越强．
3从传播与作用上看：光在传播过程中往往表现出波动性；在与物质发生作用时往往表现为粒子性．
4波动性与粒子性的统一：由光子的能量E＝hν，光子的动量v2，v，因此，质子和电子动能相等，但质量不
等，故动量
3氢原子的能级图：如图12-30-3所示．
图12-30-3
2．氢原子跃迁条件
原子跃迁条件hν＝E m－E n只适用于光子和原子作用而使原子在各定态之间跃迁的情况．对于光子和原子作
用而使氢原子电离时，只要入射光的能量E≥136 eV，氢原子就能吸收光子的能量，对于实物粒子与原子作用使氢原子激发时，实物粒子的能量大于或等于能级差即可．
3．氢原子跃迁时能量的变化
1原子能量：E n＝E n＋E错误!，所以E＝错误!随r增大而减小．
3电势能：通过库仑力做功判断电势能的增减．当轨道半径减小时，库仑力做正功，电势能减小；反之，电
势能增加．
4．光谱线条数
1一群氢原子跃迁发出可能的光谱线条数为N＝C错误!＝错误!
2一个氢原子跃迁发出可能的光谱线条数最多为n－1．
3 氢原子基态的能量为E1＝－136 eV大量氢原子处于某一激发态，由这些氢原子可能发出的所有的光子中，
频率最大的光子能量为－1，频率最小的光子的能量为________eV保留两位有效数字，这些光子可具有________
种不同的频率．
答案：03110
[解析] 量子数为n的能级的能量E n＝错误!，频率最大的光子是从最高能级直接跃迁到基态，则E n－E1＝－
，联立得n＝5，频率最小的光子是从能级n＝5跃迁到n＝4放出的，则E5－E4＝错误!－错误!＝0306 eV≈031 1
eV；大量氢原子从最高能级n＝5向低能级跃迁，可以放出C错误!＝10种不同频率的光子．
式题氢原子的能级图如图12-30-4所示．氢原子从n＝3能级向n＝1能级跃迁所放出的光子，恰能使某种金属产生光电效应，则该金属的截止频率为________ H；用一群处于n＝4能级的氢原子向低能级跃迁时所发出的光照射该金属，产生的光电子最大初动能为________ eV普朗克
常量h＝663×10－34 J·，结果均保留2位有效数字．
图12-30-4
答案：29×1015066
[解析] 能级间跃迁辐射的光子能量等于两能级间的能级差，原子从能级n＝3向n＝1跃迁辐射出的光子的能量为E＝E3－E1＝12021eV，因所放出的光子恰能使某种金属产生光电效应，则有hν0＝12021eV，解得ν0＝29×1015 H当光子能量等于金属的逸出功时，恰好发生光电效应，所以逸出功W0＝12021＝4能级向低能级跃迁所放出的光子能量最大为hν＝E4－E1＝1275 eV，根据光电效应方程得最大初动能E m＝hν－W0＝1275 eV－12021eV＝066 eV
【教师备用习题】
1．多选氢原子能级图如图所示，当氢原子从n＝3能级跃迁到n＝2的能级时，辐射光的波长为656 nm以下判断正确的是
A．氢原子从n＝2能级跃迁到n＝1的能级时，辐射光的波长小于656 nm
B．用波长为325 nm的光照射，可使氢原子从n＝1能级跃迁到n＝2的能级
C．一群处于n＝3能级上的氢原子向低能级跃迁时最多产生3种谱线
D．用波长为633 nm的光照射，不能使氢原子从n＝2能级跃迁到n＝3的能级
[解析] ACD根据氢原子的能级图和能级跃迁规律，hν＝E m－E n＝h错误!，当氢原子从n＝2能级跃迁到n ＝1的能级时，辐射光的波长为1216 nm，小于656 nm，A选项正确；根据氢原子发生跃迁时只能吸收或辐射一定频率的光子，可知B选项错误，D选项正确；一群处于n＝3能级上的氢原子向低能级跃迁时可以产生3种频率的光子，C选项正确．
2．多选如图所示为氢原子能级示意图，现有大量的氢原子处于n＝4的激发态，向低能级跃迁时辐射出若干不同频率的光，下列说法错误的是
A．这些氢原子最多可辐射出3种不同频率的光
B．氢原子由n＝2能级跃迁到n＝1能级产生的光频率最小
C．氢原子由n＝4能级跃迁到n＝1能级产生的光最容易表现出衍射现象
D．氢原子由n＝2能级跃迁到n＝1能级辐射出的光照射逸出功为634 eV的金属铂能发生光电效应
[解析] ABC这些氢原子向低能级跃迁时可辐射出C错误!＝错误!＝6种光子，选项A错误；氢原子由n＝4能级跃迁到n＝3能级产生的光子能量最小，所以频率最小，选项B错误；氢原子由n＝4能级跃迁到n＝1能级
产生的光子能量最大，频率最大，波长最小，最不容易表现出衍射现象，选项C错误；氢原子由n＝2能级跃迁到n＝1能级辐射出的光子能量为102021V>634 eV，所以能使金属铂发生光电效应，选项D正确．。