专题16 光电效应和原子结构-【教育机构专用】2021年春季高二物理辅导讲义

专题16 光电效应和原子结构（学生版） 一、目标要求 目标要求 重、难点 光电效应 重难点 康普顿效应 原子的核式结构模型 重点 氢原子光谱与玻尔氢原子模型 重点 二、知识点解析 1．光电效应 (1)光电效应现象：光照射在金属板上，金属板表面有电子逸出的现象，把这种电子叫做光电子； (2)爱因斯坦光电效应方程 爱因斯坦认为，光是由一个个不可分割的能量子组成，频率为ν的光的能量子为hν，h为普朗克常量，这些能量子称为光子． 光电效应中，金属中电子吸收一个光子获得能量，其中一部分用于克服金属原子引力做功，剩下的能量表现为光电子的初动能Ek： 其中W0称为金属的逸出功，是使电子脱离金属原子束缚所需做功的最小值，不同金属的逸出功不相同． (3)光电效应的规律：如图1所示 图1 ①饱和电流 逐渐增大两板之间的电压，电流表示数开始时逐渐增大，后保持不变，说明单位时间从K板逸出的电子个数是确定的；光电流的最大值称为饱和电流；入射光的光照强度越大，单位时间内发生光电效应的光电子数目越多，饱和光电流越大； ②遏止电压 设光电子逸出时的初速度为v0，改变两极板的电性，使光电子逸出后做减速运动，当电流表示数恰好为零时，两极板间的电压称为遏止电压，用Uc表示： 可见遏止电压与入射光的频率和金属种类有关，与入射光的光照强度无关； 光电流与电压的关系如图2所示： 图2 ③截止频率（极限频率） 只有入射光的频率超过某一极限值时才会发生光电效应，这个极限值称为入射光的截止频率ν0； 令Ek=0，即0=hν0－W0，解得，可见截止频率与金属的种类有关； 若某频率的光照射金属板时不发生光电效应，则无论怎样增大光照强度都不能使金属逸出光电子；而若某频率的光能使金属发生光电效应，极微弱的光照强度也能产生光电子． ④瞬时性：当入射光的频率超过截止频率，无论入射光光照强度如何，从照射到逸出光电子的时间不超过10-9s，即光电效应几乎是瞬时的． 2．康普顿效应 (1)光的散射：光在介质中与物质微粒相互作用，从而使得传播方向发生变化，这种现象称为光的散射； (2)康普顿效应：美国物理学家康普顿在研究石墨对X射线的散射作用时，发现部分散射光的波长变长了，经过大量的实验，康普顿提出，光子除了具有能量ε=hν外，同时具有动量p，如图3所示； 图3 光子的动量为： 康普顿效应中，光子与晶体中的电子发生碰撞，将一部分动量转移给电子，从而光子的动量减小，对应的波长增大． 3．原子结构 (1)电子的发现：英国物理学家J．J．汤姆孙认为阴极射线是一种带电粒子流，并在1897年测定了组成阴极射线的粒子的比荷，并将其命名为电子． (2)原子核式结构 ①汤姆孙的“枣糕模型”：汤姆孙认为原子是一个实心球体，正电荷弥漫性地均匀分布在球体内部，电子镶嵌其中，如图4所示．但“枣糕”模型不能解释高速电子流能透过原子的现象． 图4 ②卢瑟福的“核式结构”：1911年新西兰英籍物理学家卢瑟福在用α粒子轰击金箔时，发现大部分粒子都穿透金箔，少数粒子有偏转，极少数粒子有较大角度的偏转； 卢瑟福认为：在原子内部，正电部分仅占很小的空间，通过计算，原子的直径大约为10-10m，但带正电的核的直径仅有10-15m，而电子充斥在原子空旷的内部中高速运动，如图5所示，这就是卢瑟福提出的原子核式结构． 图5 (3)质子的发现：1918年，提出原子核式结构的卢瑟福用α粒子轰击氮核得到质子； (4)中子的发现：自卢瑟福发现质子后，科学界认为原子核是由质子组成的，但这与原子的质量有较大的差异，因此卢瑟福预言，原子核内还应有一种不带电的粒子，这种粒子的质量与质子相近；1932年由英国物理学家查德威克利用α粒子轰击铍核得到了这种粒子，并命名为中子． 4．玻尔的原子模型 利用经典物理学解释原子结构仍然有一定的困难，丹麦物理学家玻尔提出了自己的原子结构假说． (1)轨道量子化 电子的轨道半径不是连续的，而是有特定的半径，即电子的轨道是量子化的而不是连续的，原子核内存在分立的轨道； 若电子绕原子运动的最小半径为r1，则第n条轨道的半径满足：rn=n2r1 电子只能在这些特定的轨道中运动，不可能出现在任意相邻两条轨道之间． (2)能量量子化 电子在不同轨道运动时，原子具有不同的能量，玻尔将这些不同的能量值称为能级，原子中具有确定能量的稳定状态称为定态；当电子在最低轨道中运动时，原子具有最小的能量，把原子处于最低能量的状态称为基态，其他能量状态称为激发态； 以氢原子核为例，已知电子带电荷量为－e，氢原子核带电荷量为+e，相距为R的Q和q之间具有的电势能为，设电子的轨道半径为rn 根据库仑力提供向心力： 可得电子的动能：，以及电势能： 故电子在第n条轨道上时，原子的能量为 结合rn=n2r1，可知各能级之间的能量满足