第16章 原子结构 波粒二象性 原子核(教用Word)-【赢在微点·顶层设计】2027年高中物理高考一轮总复习

 

第十六章　原子结构　波粒二象性　原子核

第1讲　能量量子化　光电效应

■目标要求

1.掌握黑体辐射的定义及其实验规律，理解能量量子化的意义。2.理解光电效应现象及光电效应的实验规律，会利用光电效应方程计算逸出功、截止频率、最大初动能等物理量。3.会分析光电效应常见的三类图像。

考点1　黑体及黑体辐射

　　　　　　 　　　　　　　　　　　　

必|备|知|识

1.热辐射。

(1)定义：周围的一切物体都在辐射电磁波，这种辐射与物体的温度有关，所以叫热辐射。

(2)特点：热辐射强度按波长的分布情况随物体温度的不同而有所不同。

2.黑体、黑体辐射的实验规律。

(1)黑体：能够完全吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射的物体。

(2)黑体辐射的实验规律。

①对于一般材料的物体，辐射电磁波的情况除与温度有关外，还与材料的种类及表面状况有关。

②黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体的温度有关。随着温度的升高，一方面，各种波长的辐射强度都有增加；另一方面，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动，如图所示。

3.能量子。

(1)定义：普朗克认为，当带电微粒辐射或吸收能量时，只能辐射或吸收某个最小能量值ε的整数倍，这个不可再分的最小能量值ε叫作能量子。

(2)能量子大小：ε=hν，其中ν是带电微粒吸收或辐射电磁波的频率，h称为普朗克常量。h=6.626×10-34 J·s(一般取h=6.63×10-34 J·s)。

(1)黑体一定是黑色的(×)

(2)随着温度的升高，黑体辐射电磁波强度的极大值向频率较大的方向移动(√)

关|键|能|力

　　　　　　 　　　　　　　　　　　　

【典例1】　在能量量子化研究的历程中，下列说法正确的是(A)

A.物质发射(或吸收)能量时，能量不是连续的，而是一份一份进行的

B.黑体既不反射电磁波，也不向外辐射电磁波

C.能量子假说中的能量子的能量ε=hν，ν为带电微粒的运动速率，h为普朗克常量

D.一切物体都在辐射电磁波，这种辐射与物体的温度无关

解析　普朗克在研究物体热辐射的规律时发现，电磁波的发射和吸收不是连续的，而是一份一份地进行的，每一份能量叫作一个能量子，能量子的能量ε=hν，ν为带电微粒的振动频率，h为普朗克常量，A项正确，C项错误；黑体不反射电磁波，但会向外辐射电磁波，即黑体辐射，B项错误；一切物体都在辐射电磁波，这种辐射与物体的温度有关，D项错误。

【典例2】　(多选)(2023·海南卷)已知一个激光发射器功率为P，发射波长为λ的光，光速为c，普朗克常量为h，则(AC)

A.光的频率为

B.光子的能量为

C.光子的动量为

D.在时间t内激光器发射的光子数为

解析　由波的知识可知λ=cT=，则光的频率为ν=，A项正确；由光子说可知，光子能量ε=hν=h，光子动量p=，B项错误，C项正确；时间t内发射的光子的总能量为Pt，即n·h=Pt，则n=，D项错误。

考点2　光电效应的规律

　　　　　　 　　　　　　　　　　　　

必|备|知|识

1.光电效应及其规律。

(1)光电效应现象。

照射到金属表面的光，能使金属中的电子从表面逸出，这个现象称为光电效应，这种电子称为光电子。

(2)光电效应规律。

①每种金属都有一个截止频率νc，入射光的频率必须大于或等于这个截止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无关，只随入射光频率的增大而增大。

③光电效应的发生几乎是瞬时的，一般不超过10-9 s。

④当入射光的频率大于或等于截止频率时，在光的颜色不变的情况下，入射光越强，饱和光电流越大，逸出的光电子数越多，逸出光电子的数目与入射光的强度成正比，饱和光电流的大小与入射光的强度成正比。

2.爱因斯坦光电效应方程。

(1)光电效应方程。

①表达式：Ek=hν-W0。

②物理意义：金属表面的电子吸收一个光子获得的能量是hν，这些能量的一部分用来克服金属的逸出功W0，剩下的表现为逸出后电子的最大初动能。

(2)逸出功W0：电子从金属中逸出所需做功的最小值，W0=hνc=h。

(3)最大初动能：发生光电效应时，金属表面上的电子吸收光子后克服原子核的引力逸出时所具有的动能的最大值。

(1)光子和光电子都不是实物粒子(×)

(2)只要入射光的强度足够大，照射时间足够长，就可以使金属发生光电效应(×)

(3)光电子的最大初动能与入射光子的频率成正比 (×)

关|键|能|力

　　　　　　 　　　　　　　　　　　　

1.与光电效应有关的五组概念对比。

(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。光子是光电效应的因，光电子是光电效应的果。

(2)光电子的初动能与光电子的最大初动能：光照射到金属表面时，电子吸收光子的全部能量，可能向各个方向运动，需克服原子核和其他原子的阻碍而损失一部分能量，剩余部分为光电子的初动能；只有金属表面的电子直接向外飞出，只需克服原子核的引力做功的情况，光电子才具有最大初动能。光电子的初动能小于或等于光电子的最大初动能。

(3)光电流与饱和光电流：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)入射光的强度与光子的能量：入射光的强度指单位时间内照射到金属表面单位面积上的总能量，即I=nhν，n是单位时间照射到单位面积上的光子数。

(5)光的强度与饱和光电流：饱和光电流与入射光的强度成正比的规律是对频率相同的光照射金属产生光电效应而言的，对于不同频率的光，由于每个光子的能量不同，饱和光电流与入射光的强度之间没有简单的正比关系。

2.四点提醒。

(1)能否发生光电效应，不取决于光的强度而取决于光的频率。

(2)光电效应中的“光”不是特指可见光，也包括不可见光。

(3)逸出功的大小由金属本身决定，与入射光无关。

(4)光电子不是光子，而是电子。

3.三个关系式。

(1)爱因斯坦光电效应方程：Ek=hν-W0。

(2)最大初动能与遏止电压的关系：Ek=eUc。

(3)逸出功与截止频率的关系W0=hνc。

4.两条对应关系。

(1)光强大(频率一定时)→光子数目多→发射光电子多→饱和光电流大。

(2)光子频率高→光子能量大→光电子的最大初动能大。

【典例3】　(多选)(2024·黑吉辽卷)X射线光电子能谱仪是利用X光照射材料表面激发出光电子，并对光电子进行分析的科研仪器，用某一频率的X光照射某种金属表面，逸出了光电子，若增加此X光的强度，则(BD)

A.该金属的逸出功增大

B.X光的光子能量不变

C.逸出的光电子最大初动能增大

D.单位时间逸出的光电子增多

解析　金属的逸出功由金属本身决定，与入射光无关，逸出功不变，A项错误；由光电效应的规律可知，X光的频率不变，光子能量不变，B项正确；由光电效应方程知逸出光电子的最大初动能不变，C项错误；X光的强度增大，则单位时间内照射到金属表面的光子数目增多，单位时间内逸出的光电子数目也增多，D项正确。

【典例4】　(2024·海南卷)利用如图所示的装置研究光电效应，闭合单刀双掷开关S接1，用频率为ν1的光照射光电管，调节滑动变阻器，使电流表的示数刚好为0，此时电压表的示数为U1，已知电子电荷量为e，普朗克常量为h，下列说法正确的是(D)

A.其他条件不变，增大光强，电压表示数增大

B.改用比ν1更大频率的光照射，调整电流表的示数为零，此时电压表示数仍为U1

C.其他条件不变，使开关S接2，电流表示数仍为零

D.光电管阴极材料的截止频率νc=ν1-

解析　当开关S接1时，由爱因斯坦光电效应方程eU1=hν1-W0，故其他条件不变时，增大光强，电压表的示数不变，A项错误；若改用比ν1更大频率的光照射时，调整电流表的示数为零，而金属的逸出功不变，故遏止电压变大，即此时电压表示数大于U1，B项错误；其他条件不变时，hν1>W0，可发生光电效应，使开关S接2时，光电管两端加正向电压，故电流表