高三物理光電效應(yīng)

要澄清一些易混淆的概念，如“光子”“光電子”“光子的能量”“入射光的強度”“光電子的動能”與“光電子的最大初動能”等，這對理解光電效應(yīng)的規(guī)律具有重要意義。

1.“光子”與“光電子”光子是指光在空間傳播時的每一份能量(即能量是不連續(xù)的)，光子不帶電，是微觀領(lǐng)域中的一種粒子；而光電子是金屬表面受到光照時發(fā)射出來的電子，因此其本質(zhì)就是電子。

2.“光子的能量”與“入射光的強度”光子的能量是一份一份的，每一份的能量為ε=hν，其大小由光的頻率決定；而入射光的強度是指單位時間內(nèi)入射光中包含光子數(shù)的多少，入射光的強度可表示為I=nhν，其中n為單位時間內(nèi)的光子數(shù)。

3.“光電子的最大初動能”與“光電子的動能”光照射到金屬表面時，電子吸收光子的能量，只需克服原子核的引力做功就能從金屬表面逸出，那么這些光電子具有最大初動能，其值為Ek=hν-W0(式中W0為金屬的逸出功)。而不從金屬表面發(fā)射的光電子，在逸出的過程中損失的能量會更多，所以此時光電子的動能Ek′<Ek。要點一關(guān)于對光電效應(yīng)現(xiàn)象和光電效應(yīng)規(guī)律的理解學(xué)案3光電效應(yīng)原子與原子核1.由于光子的能量是一份一份的，那么金屬中的電子也只能一份一份地吸收光子的能量，而且這個傳遞能量的過程只能是一個光子對一個電子的行為。如果光的頻率低于極限頻率，則光子提供給電子的能量不足以克服原子的束縛，就不能發(fā)生光電效應(yīng)。

2.而當(dāng)光的頻率高于極限頻率時，能量傳遞給電子以后，電子擺脫束縛要消耗一部分能量，剩余的能量以光電子的動能形式存在，這樣光電子的最大初動能Ek=1/2mvm2=hν-W0，其中W0為金屬的逸出功，可見光的頻率越高，電子的初動能越大。

3.電子一次性吸收光子的全部能量，不需要積累能量的時間，所以光電效應(yīng)的發(fā)生幾乎是瞬時的。

4.發(fā)生光電效應(yīng)時，單位時間內(nèi)逸出的光電子數(shù)與光強度成正比，光強度越大意味著單位時間內(nèi)打在金屬上的光子數(shù)越多，那么逸出的光電子數(shù)目也就越多，飽和光電流也就越大。要點二光子說對光電效應(yīng)的解釋1.氫原子能級對氫原子而言，核外的一個電子繞核運動時，若半徑不同，則對應(yīng)著的原子能量也不同，若使原子電離，外界必須對原子做功，使電子擺脫它與原子核之間的庫侖力的束縛，所以原子電離后的能量比原子其他狀態(tài)的能量都高。我們把原子電離后的能量記為零，即選取電子離核無窮遠(yuǎn)處時氫原子的能量為零，則其他狀態(tài)下的能量值就是負(fù)的。原子各能級的關(guān)系為：En=(n=1,2,3,…)。對于氫原子而言，基態(tài)能量：E1=-13.6eV。其他各激發(fā)態(tài)的能量為：

E2=-3.4eV，E3=-1.51eV……

要點三氫原子能級圖3.5-3-12.能級圖氫原子的能級圖如圖3.5-3-1所示。1.原子從低能級向高能級躍遷：吸收一定能量的光子，當(dāng)一個光子的能量滿足hν=E末-E初時，才能被某一個原子吸收，使原子從低能級E初向高能級E末躍遷，而當(dāng)光子能量hν大于或小于E末-E初時都不能被原子吸收。

2.原子從高能級向低能級躍遷，以光子的形式向外輻射能量，所輻射的光子能量恰等于發(fā)生躍遷時的兩能級間的能量差。

3.當(dāng)光子能量大于或等于13.6eV時，也可以被氫原子吸收，使氫原子電離；當(dāng)氫原子吸收的光子能量大于13.6eV，氫原子電離后，電子具有一定的初動能。一群氫原子處于量子數(shù)為n的激發(fā)態(tài)時，可能輻射出的光譜線條數(shù)為N=n(n-1)/2=。

4.原子還可吸收外來實物粒子(例如自由電子)的能量而被激發(fā)，由于實物粒子的動能可全部或部分地被原子吸收，所以只要入射粒子的能量大于或等于兩能級的差值(E=Em-En且m>n)，均可使原子發(fā)生能級躍遷。

5.躍遷時電子動能、原子勢能與原子能量的變化當(dāng)軌道半徑減小時，庫侖引力做正功，原子的電勢能Ep減小，電子動能增大，原子能量減小。反之，軌道半徑增大時，原子電勢能增大，電子動能減小，原子能量增大。要點四氫原子能級躍遷特別提醒：

原子在各能級間躍遷時，所吸收的光子的能量只能等于兩能級間的能級差。原子電離時所吸收的光子的能量可以大于或等于某一能級的能量絕對值，即ΔE≥E∞-En。2.γ衰變：γ衰變是伴隨著α衰變或β衰變同時發(fā)生的，γ衰變不改變原子核的電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)。其實質(zhì)是放射性原子核在發(fā)生α衰變或β衰變過程中，產(chǎn)生的新核由于具有過多的能量(核處于激發(fā)態(tài))而輻射出光子。要點五核反應(yīng)類型1.α衰變和β衰變的比較衰變類型α衰變β衰變衰變方程衰變實質(zhì)2個質(zhì)子和2個中子結(jié)合成一個整體射出中子轉(zhuǎn)化為質(zhì)子和電子衰變規(guī)律電荷數(shù)守恒、質(zhì)量數(shù)守恒特別提醒：

(1)核反應(yīng)過程一般都是不可逆的，所以核反應(yīng)方程只能用單向箭頭表示反應(yīng)方向，不能用等號連接。

(2)核反應(yīng)的生成物一定要以實驗為基礎(chǔ)，不能憑空只依據(jù)兩個守恒規(guī)律杜撰出生成物來寫核反應(yīng)方程。

(3)核反應(yīng)方程遵循質(zhì)量數(shù)守恒而不是質(zhì)量守恒；遵循電荷數(shù)守恒。3.核反應(yīng)四種類型比較4.半衰期用N0、m0分別表示衰變前的原子核數(shù)目和質(zhì)量，N、m分別表示衰變后剩余的原子核的數(shù)目和質(zhì)量，τ為半衰期，t表示衰變過程所經(jīng)歷的時間，則2.核能的產(chǎn)生

(1)重核裂變：某些重核分裂成中等質(zhì)量的核的反應(yīng)過程，同時釋放大量的核能。要使鈾235發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)以持續(xù)地輸出能量，鈾塊的體積應(yīng)大于它的臨界體積。重核的裂變：如應(yīng)用：原子彈、核反應(yīng)堆

(2)輕核聚變：某些輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核的反應(yīng)過程，同時釋放出大量的核能，要想使氘核和氚核結(jié)合成氦核，必須達(dá)到幾百萬度以上的高溫，因此聚變反應(yīng)又叫熱核反應(yīng)。輕核的聚變：如。應(yīng)用：氫彈、可控?zé)岷朔磻?yīng)。要點六核能的產(chǎn)生和計算特別提醒：

(1)質(zhì)量數(shù)與質(zhì)量是兩個不同的概念。核反應(yīng)中質(zhì)量數(shù)、電荷數(shù)都守恒，但核反應(yīng)中依然有質(zhì)量虧損。

(2)愛因斯坦的質(zhì)能方程反映了原子核質(zhì)量虧損和釋放出核能這兩種現(xiàn)象之間的聯(lián)系，并不表示質(zhì)量和能量之間的轉(zhuǎn)變關(guān)系(即：核反應(yīng)中的質(zhì)量虧損，并不是這部分質(zhì)量消失或質(zhì)量轉(zhuǎn)化為能量)。質(zhì)量虧損也不是核子個數(shù)的減少，核反應(yīng)中核子的個數(shù)是不變的。

(3)質(zhì)量虧損并不否定質(zhì)量守恒定律。1.核能的計算方法

(1)根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程列式計算：即ΔE=Δmc2(Δm的單位:kg)。

(2)根據(jù)1原子質(zhì)量單位(u)相當(dāng)于931.5兆電子伏能量，則ΔE=Δm×931.5MeV(Δm的單位:u,1u=1.6606×10-27kg)?！纠?】［2009年高考寧夏理綜卷］關(guān)于光電效應(yīng)，下列說法正確的是____(填入選項前的字母，有填錯的不得分)。

A.極限頻率越大的金屬材料逸出功越大

B.只要光照射的時間足夠長，任何金屬都能產(chǎn)生光電效應(yīng)

C.從金屬表面出來的光電子的最大初動能越大，這種金屬的逸出功越小

D.入射光的光強一定時，頻率越高，單位時間內(nèi)逸出的光電子數(shù)就越多熱點一光電效應(yīng)A【解析】逸出功W=hν0，W∝ν0——極限頻率，A正確；只有照射光的頻率ν大于等于金屬極限頻率ν0，才能產(chǎn)生光電效應(yīng)現(xiàn)象，B錯；由光電效應(yīng)方程Ekm=hν-W知，因ν不確定時，無法確定Ekm與W的關(guān)系，C錯；光強E=nhν，ν越大，E一定，則光子數(shù)n越小，單位時間內(nèi)逸出的光電子數(shù)就越少，D錯?！纠?】1911年盧瑟福依據(jù)α粒子散射實驗中少數(shù)α粒子發(fā)生了

____(選填“大”或“小”)角度散射現(xiàn)象，提出了原子的核式結(jié)構(gòu)模型。若用動能為1MeV的α粒子轟擊金箔，其速度約為

_________m/s。(質(zhì)子和中子的質(zhì)量均為1.67×10-27kg，

1MeV=1×106eV)熱點二原子結(jié)構(gòu)、α粒子散射實驗【解析】盧瑟福在α粒子散射實驗中發(fā)現(xiàn)了大多數(shù)α粒子沒有大的偏轉(zhuǎn)，少數(shù)發(fā)生了較大的偏轉(zhuǎn)，盧瑟福抓住了這個現(xiàn)象進(jìn)行分析，提出了原子的核式結(jié)構(gòu)模型；

1MeV=1×106×1.6×10-19=(1/2)mv2，解得v=6.9×106m/s。大6.9×106【例3】在氫原子光譜中，電子從較高能級躍遷到n=2能級發(fā)出的譜線屬于巴耳末線系。若一群氫原子自發(fā)躍遷時發(fā)出的譜線中只有2條屬于巴耳末線系，則這群氫原子自發(fā)躍遷時最多可發(fā)出___條不同頻率的譜線?！窘馕觥坑捎谶@群氫原子自發(fā)躍遷發(fā)出的譜線中只有2條屬于巴耳末線系，故可判斷這群氫原子的最高能級為n=4，畫出氫原子譜線示意圖(如圖3.5-3-2所示)可知，這群氫原子自發(fā)躍遷時最多可發(fā)出6條不同頻率的譜線。熱點三氫原子光譜6圖3.5-3-2【例4】(1)天然放射性元素經(jīng)過___次α衰變和___次β衰變，最后變成鉛的同位素____。(填入鉛的三種同位素、、中的一種)(2)放射性元素的原子核在α衰變或β衰變生成新原子核時，往往會同時伴隨

___輻射。已知A、B兩種放射性元素的半衰期分別為T1和T2，經(jīng)過t=T1·T2

時間后測得這兩種放射性元素的質(zhì)量相等，那么它們原來的質(zhì)量之比

mA:mB=_________。熱點四衰變半衰期【解析】(1)設(shè)經(jīng)m次α衰變，由質(zhì)量數(shù)守恒239-207=4m,m=8，據(jù)電荷數(shù)守恒，設(shè)經(jīng)n次β衰變，94-82=2m-n，所以n=4，鉛的同位素為。

(2)放射性元素的原子核在發(fā)生α衰變、β衰變時，蘊藏在核內(nèi)的能量會釋放出來，使產(chǎn)生的新核處于高能級，這時它要向低能級躍遷，能量以γ光子的形式輻射出來，因此，γ射線經(jīng)常是伴隨α射線和β射線產(chǎn)生的。設(shè)t時間后放射性元素的質(zhì)量均為m，由衰變規(guī)律知：。γ48【例5】［2009年高考天津理綜卷］下列說法正確的是()A.是α衰變方程

B.是核聚變反應(yīng)方程

C.是核裂變反應(yīng)方程

D.是原子核的人工轉(zhuǎn)變方程【解析】本題考查了幾種核反應(yīng)類型，衰變、聚變、裂變、人工轉(zhuǎn)變的特點要分清，考查學(xué)生的理解能力。A為人工核反應(yīng)，B為核聚變反應(yīng)，C為α衰變方程，D為人工轉(zhuǎn)變方程，故B、D正確。BD熱點五核反應(yīng)方程【例6】天文學(xué)家測得銀河系中氦的含量約為25%。有關(guān)研究表明，宇宙中氦生成的途徑有兩條：一是在宇宙誕生后3分鐘左右生成的；二是在宇宙演化到恒星誕生后，由恒星內(nèi)部的氫核聚變反應(yīng)生成的。

(1)把氫核聚變反應(yīng)簡化為4個氫核()聚變成氦核()，同時放出2個正電子()和2個中微子νe，請寫出該氫核聚變反應(yīng)的方程，并計算一次反應(yīng)釋放的能量；

(2)研究表明，銀河系的年齡約為t=3.8×1017s，每秒鐘銀河系產(chǎn)生的能量約為1×1037J(即P＝

1×1037J/s)?，F(xiàn)假定該能量全部來自上述氫核聚變反應(yīng)，試估算銀河系中氦的含量(最后結(jié)果保留一位有效數(shù)字)；

(3)根據(jù)你的估算結(jié)果，對銀河系中氦的主要生成途徑作出判斷。(可能用到的數(shù)據(jù)：銀河系質(zhì)量約為

M＝3×1041kg，原子質(zhì)量單位1u=1.66×10-27kg,1u相當(dāng)于1.5×10-10J的能量，電子質(zhì)量me＝

0.0005u，氦核質(zhì)量mα=4.0026u，氫核質(zhì)量mp＝1.0078u，中微子νe質(zhì)量為零)熱點六核能【解析】(1)Δm=4mp-mα-2meΔE=Δmc2=4.14×10-12J。

(2)m==6.1×1039kg

氦的含量ｋ＝ｍ/Ｍ＝(6.1×1039)/(３×1041)≈2%。

(3)由估算結(jié)果可知，ｋ≈2%遠(yuǎn)小于25％的實際值，所以銀河系中的氦主要是宇宙誕生后不久生成的?！敬鸢浮?1)4.14×10-12J(2)2％

(3)宇宙誕生后不久生成的【例7】一速度為v的高速α粒子()與同方向運動的氖核

()發(fā)生彈性正碰，碰后α粒子恰好靜止。求碰撞前后氖核的速度(不計相對論修正)。熱點七原子核與動量守恒

【解析】設(shè)碰撞前后氖核的速度分別為v0、vt由動量守恒和能量守恒，得

mα·v+mNe·v0=mNe·vt

其中mα:mNe=1:5

解方程組，得【答案】；/kdjzhibiao/kdj金叉vgd14wjw代，自由對于女子來說，那本身就是一個遙不可及的夢?！捌鋵?，我知道這些想法不可實現(xiàn)，所以我也希望自己活在仁家，有一個溫暖完整的家就行了。爹娘都在，弟弟長大之后能入仕為官，只是改朝換代之后，我們?nèi)始沂遣豢赡茉儆幸唤z光明的了?！闭f罷，仁玉又從剛才略顯歡快的語氣中回到一股悲痛之感中。聽了這么多，我算是基本了解了仁玉這女生的了。她是個有著一些很好的夢想的女孩，而且熱愛家人，是個重親情的人兒，只是社會的時代背景讓她敢想不敢做，最后與命運相碰，選擇了結(jié)束生命這一條路。聽了這么久的話，衣服也差不多甩干了，體力也恢復(fù)得差不多了。于是我站起身來，走到仁