3　氢原子光谱ppt配套的教学设计及说课稿

人教版

高中物理选修3-5 《第十七章 波粒二象性》

章末总结

★重难点一、光电效应方程应用★

1.有关光电效应的问题主要是两个方面,一是关于光电效应现象中有关规律的判断,另一方面是应用光电效应方程进行简单的计算,处理该类问题关键是掌握光电效应的规律,明确各概念之间的决定关系。

2.光电效应的规律。

(1)截止频率(极限频率)是能使金属发生光电效应的最低频率,这也是判断能否发生光电效应的依据。若照射光的频率小于截止频率,则无论用多强的光照射,都不能发生光电效应。

(2)光电子的最大初动能与入射光的频率和金属的逸出功有关,与光强无关。

(3)饱和光电流与光的强度有关,光强正比于单位时间内照射到金属表面单位面积上的光子数。

3.光电子的最大初动能跟入射光的能量hν、金属的逸出功W0的关系为光电效应方程,表达式为Ek=hν-W0,反映了光电效应现象中的能量转化和守恒。

4.正确理解光电流。

(1)光电流,即光电子形成的电流。

只有当光电子从阴极流到阳极时才会形成电流,而到达阳极的光电子数除了与阴极发射的电子数目的多少(即入射光的强度)有关外,还与光电管的阴阳两极间的电压有关。若两极间电压达到一定程度,阳极把所有光电子都吸收过来时,光电流达到最大,我们称之为“饱和光电流”。饱和光电流的大小决定于光电子的数目,而光电子的数目又取决于入射光子的数目,在光的频率一定的前提下,光子的数目又由入射光的强度决定。因此在入射光的频率一定时,饱和光电流的大小与入射光的强度成正比。

(2)要特别注意的两种错误认识: 错误一:认为频率高,光子能量大,光就强,产生的光电流也强。

错误二:认为光电子的动能大,电子跑得快,光电流就强。

我们所研究的光电流是所有光电子都参与了导电,而由爱因斯坦光电效应方程可知电子和光子是一对一产生的,因而有一个光子就对应着一个光电子,因而光电流关键取决于单位时间来了多少个光子,即光强。而光电子的最大初动能与频率有关,它们的关系如下:

应用光电效应方程解题的方法

光电效应方程表达式为Ek＝hν－W0。

1其中，Ek＝2mev2为光电子的最大初动能，W0为逸出功。

光电效应方程表明，光电子最大初动能与入射光的频率ν呈线性关系，与光强无关。只有当hν>W0时，才

1

有光电子逸出，νc＝h就是光电效应的截止频率。

(1)常见物理量的求解

物理量

最大初动能Ek

遏止电压Uc

截止频率νc

(2)应用光电效应规律解题应当明确

①光电效应规律中“光电流的强度”指的是光电流的饱和值(对应从阴极发射出的电子全部被拉向阳极的状态)。因为光电流未达到饱和值之前，其大小不仅与入射光的强度有关，还与光电管两极间的电压有关，只有在光电流达到饱和值以后才和入射光的强度成正比。

②明确两个决定关系

a．逸出功W0一定时，入射光的频率决定着能否产生光电效应以及光电子的最大初动能。

b．入射光的频率一定时，入射光的强度决定着单位时间内发射出来的光电子数。

【典型例题】

如图所示,一光电管的阴极用极限波长

λ0=5 000 Å的钠制成,用波长λ=3 000 Å的紫外线照射阴极,光电管阳极A和阴极K之间的电势差

U=2.1 V,光电流的饱和值I=0.56 μA。求: 求解方法

W0cEk＝hν－W0，ν＝λ

EkmeUc＝Ekm⇒Uc＝e

νc＝h

W0

(1)每秒内由K极发射的光电子; (2)电子到达A极时的最大动能。(普朗克常量h=6.63×10-34 J·s) 【审题指导】

在做题之前一定要掌握光电效应的全过程,只有理解了光电效应实验现象发生的全过程,即大于极限频率的光照射在阴极上,光子激发出光电子,光电子在电源形成的电场的作用下加速(或减速)打在光电管的阳极上,形成回路中的光电流,才可能理解题目之所求。

【答案】(1)3.5×1012个

(2)6.012×10-19 J 【解析】(1)光电流达到饱和时,每秒内到达阳极A的电子数等于每秒内从阴极K发射出的光电子数,设每秒内发射的光电子数为n,则n==3.5×1012(个)。

(2)根据爱因斯坦光电效应方程,当用波长为λ的紫光照射阴极时,光电子的最大初动能Ekm=hν-W0。而

2

ν=,W0=hν0=h,所以Ekm=h-h=hc()。

在A、K之间加上电压U时,设电子到达A极时最大动能为Ekm',根据动能定理可得eU=Ekm'-Ekm,所以Ekm'=eU+Ekm=eU+hc(J。

)=1.60×10-19×2.1 J+6.63×10-34×3×108×() J=6.012×10-19

★重难点二、光的波粒二象性★

1．大量光子产生的效果显示出波动性，比如干涉、衍射现象中，如果用强光照射，在光屏上立刻出现了干涉、衍射条纹，波动性体现了出来；个别光子产生的效果显示出粒子性。如果用微弱的光照射，在屏上就只能观察到一些分布毫无规律的光点，粒子性充分体现；但是如果微弱的光在照射时间加长的情况下，在感光底片上的光点分布又会出现一定的规律性，倾向于干涉、衍射的分布规律。这些实验为人们认识光的波粒二象性提供了良好的依据。

2．光子和电子、质子等实物粒子一样，具有能量和动量。和其他物质相互作用时，粒子性起主导作用。

3．光子的能量与其对应的频率成正比，而频率是波动性特征的物理量，因此E＝hν，揭示了光的粒子性和波动性之间的密切联系。

4．对不同频率的光，频率低、波长长的光，波动性特征显著；而频率高、波长短的光，粒子性特征显著。

5．光在传播时体现出波动性，在与其他物质相互作用时体现出粒子性。处理光的波粒二象性问题的关键是正确理解其二象性，搞清光波是一种概率波。

【典型例题】

若一个光子的能量等于一个电子的静能量,试问该光子的动量和波长是多少?在电磁波谱中它属于何种射线? 【答案】2.73×10-22 kg·m·s-1

2.4×10-3 nm

γ射线

【解析】一个电子静止能量为m0c2,按题意hν=m0c2, 光子的动量

p==m0c≈2.73×10-22 kg·m·s-1。

光子的波长λ=≈2.4×10-12 m=2.4×10-3 nm。

因电磁波谱中γ射线的波长在1 nm以下,所以该光子在电磁波谱中属于γ射线。

原子结构

1、了解人类发现电子的过程。知道α粒子散射实验的原理及实验结果。（重点）

2、知道原子核式结构模型；了解氢原子的光谱。（重点与难点）

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3、了解原子的能级结构；知道能量量子化。（重点与难点）

一、电子的发现：1897年，英国物理学家 发现了电子，明确电子是原子的组成部分，揭开了研究原子结构的序幕． 通过“油滴实验”测定了电子所带的电荷量，同时发现了电荷是 的。

二、原子的核式结构模型

1．汤姆孙提出了“西瓜模型”或“枣糕模型”

2．卢瑟福粒子散射实验

（1）结果： 粒子穿过金箔后，基本上仍沿 前进，但有 粒子发生了 偏转， 偏转角大于 ，有的甚至被 。

金箔

显微镜

α源

（2）卢瑟福的原子的核式结构模型：

在原子中心有一个很小的核叫原

子核，原子 的正电荷和几乎全部

都集中在原子核上，带负电的电子在核外空间绕核高速旋转．

（3）对粒子散射实验结果的解释：

由于原子核很小，α粒子在金箔中十分接近原子核的机会很少，故绝大多数粒子穿过金箔后，基本上仍沿原方向前进，极少数粒子距离原子核很近，由于原子核质量、电量均比较大，故发生了大角度偏转，甚至反弹回来。

3．原子核的电荷与尺度

-10-15 原子半径的数量级为10ｍ左右，原子核半径的数量级为10ｍ左右。

三、氢原子光谱

1．线状谱和连续谱：光谱是一条条分立的 ，称为线状谱。光谱是连在一起的 ，称为连续谱。

2．原子的特征谱线：各种原子的发射光谱都是 。不同原子的线状谱 ，我们把这些不同的谱线称为原子的 。利用原子的特征谱线分析物质的方法称为 。

四、玻尔的原子模型

1．玻尔的原子理论

（1）能级（定态）假设：原子只能处于一系列 的能量状态中，在这些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。这些状态叫

。原子在不同的状态中具有不同的能量，因此原子的能量是 的。这些量子化的能量值叫做 。能量最低的状态叫做 ，其他的状态叫做 。（本假设是针对原子稳定性提出的）

（2）跃迁假设：原子从一种定态（设能量为En）跃迁到另一种定态（设能量为Em）时，它 （或 ）一定频率的光子，光子的能量由这两种定态的 决定，即

hEmEn（h为普朗克恒量）（本假设针对线状谱提出）（3）轨道量子化假设：原子的不同能量状态跟电子沿不同的圆形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的分布也是 的。（针对原子核式模型提出，是能级假设的补充）

2．氢原子的能级图从玻尔的基本假设出发，运用经典电磁学和经典力学的理论，可以计算氢原子中电子的可能轨道半径和相应的能量。（1）氢原子的大小：氢原子的电子的各条可能轨道的半径rn：rnn2r1 n=1，2，3……

4

r1代表第一条（离核最近的一条）可能轨道的半径

r1=0.53×10-10 m（2）氢原子的能级：①原子在各个定态时的能量值En称为原子的能级。它对应电子在各条可能轨道上运动时的能量En（包括动能和势能）En1E1 n=1，2，3……n2E1代表电子在第一条可能轨道（即离核最近的）上运动时的能量

E1=-13.6eV 注意：计算能量时取离核无限远处的电势能为零，电子带负电，在正电荷的场中为负值，电子的动能为电势能绝对值的一半，总能量为负值。n是正整数，叫量子数。氢原子的能级图如图所示。

3．玻尔理论的局限性

(1)玻尔理论虽然把量子理论引入原子领域，提出定态和跃迁概念，成功解释了氢原子光谱，但对多电子原子光谱无法解释，因为玻尔理论仍然以经典理论为基础。如粒子的观念和轨道。量子化条件的引进没有适当的理论解释。(2)电子在某处单位体积内出现的概率——电子云。用疏密不同的点子表示。原子核

【学习目标】

1、了解天然放射现象；知道三种射线的本质及特性。（重点）

2、知道衰变现象；会写衰变方程；知道半衰期的统计意义。（重点与难点）

3、了解质能方程；会用质能方程进行简单计算。知道裂变和聚变的特点。（重、难点）

【知识要点】

一、原子核的组成

1．天然放射现象（1）物质发射射线的性质称为

。元素这种自发的放出射线的现象叫做

．具有放射性的元素称为

．（2）放射性不是少数几种元素才有的，研究发现，原子序数大于

的所有元素，都能自发的放出射线，原子序数小于83的元素，有的也具有放射性．2．三种射线的比较射线种类

组成

高速氦核流

速度

0.1C

贯穿本领

最弱（用纸能挡住）

电离作用

很强

射线

5

射线

高速电子流

0.99C 较强（穿透几毫米的铝板）

最强（穿透几厘较弱

γ射线

光子流（高频电磁波）

C 米的铅板和几十厘米厚的混凝土）

很弱

小结：①实验发现：元素具有放射性是由原子核

决定的，跟原子所处的物理或化学状态

。不管该元素是以

的形式存在，还是以

形式存在，或者对它施加

，或者升高它的

，它都具有放射性。②三种射线都是高速运动的粒子，能量很高，都来自于原子核

，这说明原子核内部也有复杂的结构。

3．原子核的组成①1919年 用α粒子轰击氮原子核，发现了 。质子带

电荷，电荷量与一个电子所带电荷量

，mp1.67262311027kg②卢瑟福提出了在原子核内部存在 的设想，1932年 通过实验证实了这个猜想。中子不-27带

，ｍｎ＝１．６７４９２８６×10kg③数据显示：质子和中子的质量十分接近，统称为

，组成

。④原子核的电荷数= 数= 数= 序数

⑤原子核的质量数= 数= 数+ 数

A⑥符号ZX表示原子核，X： 符号；A：核的 数；Z： 数

4．同位素

（1）定义：具有相同

而

不同的原子，在元素周期表中处于同一位置，因而互称同位素。

（2）性质：原子核的质子数决定了核外

数目，也决定了电子在核外的分布情况，进而决定了这种元素的

性质，因而同种元素的同位素具有相同的

性质。

二、放射性元素的衰变

1．概念：原子核放出α粒子或β粒子，由于 变了，它在周期表中的 就变了，变成 原子核。我们把这种变化称为原子核的 。2．衰变的种类

⑴α衰变：铀238核放出一个α粒子后，核的质量数减少4，核电荷数减少2，变成新核-----钍234核。那这种放出α粒子的衰变叫做α衰变。衰变方程： 普遍方程： 衰变实质：2个质子和2个中子结合成一个整体射出

⑵β衰变：钍234核也具有放射性，它能放出一个β粒子而变成23491Pa（镤），它进行的是β衰变，衰变方程： 普遍方程： 衰变实质：中子转化为 子和 子，方程为：

3．γ射线的产生

γ射线是由于原子核在发生α衰变和β衰变时原子核处于激发态而产生的光（能量）辐射，通常是 α射线和β射线而产生。γ射线的本质是能量。即γ射线的本质，不能单独发生。

4．半衰期

（1）概念：放射性元素的原子核，有 发生衰变所需的时间，叫

氡的衰变

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做这种元素的

（2）半衰期是表示放射性元素的衰变的 物理量。

（3）半衰期描述的对象是 的原子核，不是 原子核，这是一个 规律

（4）放射性元素衰变的快慢是由原子核内部 的因素决定的，跟原子所处的 和 无关。一种放射性元素，不管它是以 形式存在，还是以 形式存在，或者对它施加 ，提高 ，都不能改变它的半衰期。

三、放射性的应用与防护

1．核反应：原子核在其它粒子的 下产生 的过程叫核反应。在核反应中质量数守恒、电荷数守恒。

卢瑟福发现质子的核反应方程为： ；

查德威克发现中子的核反应方程为： ；

2．人工放射性同位素（1）放射性同位素：有些同位素具有放射性，叫做放射性同位素。放射性同位素有天然和人造两种，它们的化学性质相同。（2）人工放射性同位素30居里夫妇用α粒子轰击铝产生15P的核反应方程为 30150，其衰变方程为： P即为人工放射性同位素，它可以发生衰变放出正电子（1e）（3）人工放射性同位素的优点：放射强度容易控制；形状容易控制；半衰期短，废料容易处理。（4）凡是用到射线时，都用人造放射性同位素3．放射性同位素的应用1、利用射线：（1）射线测厚装置（2）烟雾报警器（3）放射治疗（4）培育新品种，延长保质期2、作为示踪原子：（1）棉花对磷肥的吸收（2）甲状腺疾病的诊断四、核力与结合能

1．核力的特点

（1）核力是 (强力)的一种表现。（2）核力是 ，作用范围在1.5×10-15 m之内。（3）核力存在于核子之间，每个核子只跟 的核子发生核力作用，这种性质称为核力的 。2．四种基本相互作用力① （弱相互作用）：弱相互作用是引起原子核β衰变的原因→短程力② （强相互作用）：在原子核内，强力将核子束缚在一起→短程力③ ：电磁力在原子核外，电磁力使电子不脱离原子核而形成原子，使原了结合成分子，使分子结合成液体和固体。→长程力④ ：引力主要在宏观和宇观尺度上“独领风骚”。是引力使行星绕着恒星转，并且联系着星系团，决定着宇宙的现状。→长程力

3．结合能

（1）概念：把原子核分开成核子要 能量，核子结合成原子核要 能量，这个能量叫做原子核的 。

（2）原子核越大，它的结合能越高,因此有意义的是它的结合能与核子数之比，称做

，也叫 。比结合能 ，表示原子核中核子结合得越 ，原子核越 。4．质量亏损科学家研究证明在核反应中原子核的总质量并不相等，例如精确计算表明：氘核的质量比一个中子和

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一个质子的质量之和要小一些，这种现象叫做 ，质量亏损只有在核反应中才能明显的表现出来. （1）爱因斯坦质能方程： 爱因斯坦质能方程表明：物体所具有的能量跟它的质量成 。

（2）核反应中由于质量亏损而释放的能量： 特别说明：★★★

①物体的质量包括静止质量和运动质量，质量亏损指的是静止质量的减少，减少的静止质量转化为和辐射能量有关的运动质量。

②质量亏损并不是这部分质量消失或转变为能量，只是静止质量的减少

③在核反应中仍然遵守质量守恒定律、能量守恒定律; ④质量只是物体具有能量多少及能量转变多少的一种量度。

即质量不是能量、能量也不是质量，质量不能转化能量，能量也不能转化质量，质量只是物体具有能量多少及能量转变多少的一种量度。阅读课本82页原子核的比结合能图，得出结论： 的核的比结合能最大(平均每个核子的质量亏损最大)，这些核最稳定。 五、重核的裂变

1．重核分裂成 的核，释放出 的反应，称为 。

2．铀核的裂变：

最典型的一种核反应方程式

3．链式反应： 应用：原子弹

（1）定义：由重核裂变产生的 使裂变反应一代接一代继续下去的过程，叫做核裂变的链式反应。

（2）临界体积（临界质量）：通常把裂变物质能够发生链式反应的 叫做它的临界体积，相应的质量叫做临界质量。

六、核聚变 应用：氢弹

1、概念：两个 结合成 的核，这样的反应叫做聚变。

2、聚变方程： 3、核聚变发生的条件微观上：参与反应的原子核必须接近到原子核大小的尺寸范围，即10-15

m，要使原子核接近到这种程度，必须使它们具有很大的动能以克服原子核之间巨大的库仑斥力。宏观上：要使原子核有如此大的动能，就要把它加热到几百万摄氏度的高温。

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