第四章 原子结构和波粒二象性 知识点 高二下学期物理人教版（2019）选择性必修第三册

能量量子化
1．黑体辐射
(1)随着温度的升高，各种波长的辐射强度都有__增强__，辐射强度的极大值向__波长较短__的方向移动。
(2)维恩：在__短波__与实验非常接近，在__长波__则与实验偏离很大。
瑞利：在__长波__与实验基本一致，在__短波__与实验严重不符，由理论得出的荒谬结果被称为“紫外灾难”。
普朗克：长波+短波都适用。
注意：任何温度的物体都发出一定的热辐射，只是温度低时热辐射弱，温度高时热辐射强；
黑体是一个理想化的物理模型，实际不存在；
黑体只辐射不反射；
黑体看上去不一定是黑色的，有些可看作黑体的物体由于自身有较强的辐射，看起来还会很明亮；
黑体辐射的电磁波强度按波长的分布只跟黑体温度有关；
2．能量子
(1)普朗克的假设
组成黑体的振动着的带电微粒的能量只能是某一最小能量值ε的_整数倍_。这个不可再分的最小能量值ε叫作__能量子__。
(2)能量子公式
ε＝hν，其中ν是电磁波的频率，h称为__普朗克常量__。h＝6.63×10－34J·s
(3)能量的量子化
微观粒子的能量是_量子化___的，或者说微观粒子的能量是_分立___的。这种现象叫能量的量子化。
(4)能量子假说的意义：解决了“紫外灾难”的问题，破除了“能量连续变化”的传统观念。
光电效应现象和规律
（赫兹最早发现；勒纳德、J.J.汤姆孙证实；爱因斯坦光电效应方程）
1．光电效应定义：照射到金属表面的光，能使金属中的__电子__从表面逸出的现象。
2．光电效应发生条件：入射光频率大于等于截止频率νc
3．光电子：光电效应中发射出来的__电子__。
4．光电效应的实验规律
(1)截止频率：发生光电效应的最小频率νc，由材料决定。
(2)存在着饱和电流：由光强、频率决定，与电压无关。
(3)遏止电压：施加反向电压，使光电流减小为0的电压Uc，由频率、逸出功决定eUc=Ek＝hν－W0。
(4)光电效应具有瞬时性：当频率超过截止频率νc时，光电效应几乎是__瞬时__发生的。
5．逸出功：使电子脱离某种金属所做功的_最小值___，叫作这种金属的逸出功W0，由金属材料决定。
爱因斯坦的光子说及光电效应方程
1．光子说：频率为ν的光的能量子为__hν__，这些能量子称为光子。
2．光电效应方程:Ekm＝hν－W0
3．对光电效应规律的解释
(1)光电子的最大初动能与入射光__频率__有关，与光的__强度__无关。只有当hν ≥W0时，才有光电子逸出。
(2)电子__瞬时__吸收光子的全部能量，_不需要___积累能量的时间。
(3)对于同种颜色的光，光较强时，包含的__光子__较多，照射金属时产生的_光电子_较多，因而饱和电流较大。
4.注意：
(1)e＝1.6*10-19C 1ev=1.6*10-19J
(2)Ek是光电子最大初动能，就某个光电子而言，其离开金属时剩余动能大小可以是0～Ek范围内的任何数值。
(3)Ekm ν图线：如图所示是光电子最大初动能Ekm随入射光频率ν的变化图线。横截距是截止频率或极限频率；纵截距是逸出功的负值；斜率为普朗克常量。
(4)光越强→光子数目多→发射光电子多→光电流大；
光子频率高→光子能量大→产生光电子的最大初动能大。
(5)光子是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，光电子是果。
(6)光电子的动能与光电子的最大初动能
光照射到金属表面时，光子的能量全部被电子吸收，电子吸收了光子的能量，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时，只需克服原子核的引力做功，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。
(7)光子的能量与入射光的强度
光子的能量即每个光子的能量，其值为ε＝hν(ν为光子的频率)，其大小由光的频率决定。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，入射光的强度等于单位时间内光子能量与入射光子数的乘积。
(8)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，这个饱和值就是饱和光电流，在一定的光照条件下，饱和光电流与所加电压大小无关。
(9)光的强度与饱和光电流
饱和光电流与入射光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强度之间不是简单的正比关系。
5．光电效应与经典电磁理论的矛盾
(1)矛盾之一：遏止电压由入射光频率决定，与光的强弱无关
按照光的经典电磁理论，光越强，光电子的初动能应该越大，所以遏止电压应与光的强弱有关，而实验表明：遏止电压由入射光的频率决定，与光强无关。
(2)矛盾之二：存在截止频率
按照光的经典电磁理论，不管光的频率如何，只要光足够强，电子都可获得足够的能量从而逸出表面，不应存在截止频率。而实验表明：不同金属有不同的截止频率，入射光频率大于截止频率时才会发生光电效应。
(3)矛盾之三：具有瞬时性
按照光的经典电磁理论，如果光很弱，电子需几分钟到十几分钟的时间才能获得逸出表面所需的能量。而实验表明：无论入射光怎样微弱，光电效应几乎是瞬时的。
康普顿效应和光子的动量
1．康普顿效应
在散射的X射线中，除了与入射波长λ0相同的成分外，还有波长__大于__λ0的成分，这个现象称为康普顿效应。
2．光子的动量
光子不仅具有能量，而且具有__动量__，公式：p＝
光的粒子性：光电效应，康普顿效应、氢原子光谱，光的直线传播，光的反射、折射和色散
光的波动性：叠加，干涉，衍射，偏振，柏松光斑
原子核式结构
汤姆孙——阴极射线（实质是带负电的电子流）——电子——原子可分
阴极射线电磁波说，代表人物——赫兹，他认为这种射线是一种电磁辐射。
阴极射线粒子说，代表人物——汤姆孙，他认为这种射线是一种带电粒子流。
二．密立根——油滴实验——e＝1.6*10-19C——电荷是量子化的，任何带电体的电荷只能是e的整数倍
电子的质量：me＝9.109 383 56×10－31 kg，质子质量与电子质量的比＝1836。
三、原子的核式结构模型
1．汤姆孙——枣糕模型
2．卢瑟福——α粒子散射实验——核式结构（全部的正电荷和几乎全部的质量，电子在核外空间运动。）
a.绝大多数的α粒子穿过金箔后仍沿原方向前进。
b.少数α粒子发生了大角度的偏转。
c.极少数α粒子的偏转角大于90度，甚至有极个别α粒子被反弹回来。
3．原子量级10-10m，原子核量级10-15m，因此原子内部是十分“空旷”的
氢原子光谱和玻尔理论
一、光谱及氢原子光谱的实验规律
1．光谱
线状谱：有些光谱是一条条的亮线，叫作谱线，这样的光谱叫作线状谱。
连续谱：有的光谱看起来不是一条条分立的谱线，而是连在一起的光带，叫作连续谱。
气体中中性原子的发射光谱都是线状谱，且不同原子的亮线位置不同，故这些亮线称为原子的特征谱线。
光谱分析：利用原子的特征谱线来鉴别物质和确定物质的组成成分。优点：灵敏度高。
2．氢原子光谱的实验规律和经典理论的困难
(1)氢原子光谱的实验规律
巴耳末公式＝R∞　n＝3，4，5，…
意义：巴耳末公式以简洁的形式反映了氢原子的线状光谱的特征，但只适用氢原子。
(2)经典理论的困难：用经典电磁理论无法解释原子的稳定绕核运动。（稳定）
用经典电磁理论无法解释原子光谱是的线状谱。（不连续）
二、玻尔原子理论的基本假设（轨道量子化、能量量子化、跃迁）
1．轨道量子化
(1)电子在库仑力的作用下，绕原子核做圆周运动，离核越近速度越大。
(2)电子绕核运动的轨道是量子化的。
(3)电子在这些轨道上绕核的转动是稳定的，且不产电磁辐射。
2．能量量子化（低能级能量小）
当电子在不同轨道上运动时，原子处于不同的状态，原子在不同的状态中具有不同的能量，这些量子化的能量值叫作能级，原子具有确定能量的稳定状态，称为定态。能量最低的状态叫作基态，其他的能量状态叫作激发态。
3．跃迁
当电子从能量较高的定态轨道(其能量记为En)跃迁到能量较低的定态轨道(其能量记为Em，n＞m)时，会放出能量为hν的光子，该光子的能量hν＝En-Em，这个式子被称为频率条件，又称辐射条件。
三、玻尔理论对氢原子光谱的解释
1．玻尔理论对氢光谱的解释
(1)解释巴耳末公式
(2)解释氢原子光谱的不连续性
2．玻尔理论的局限性
(1)成功之处
玻尔理论第一次将量子观念引入原子领域，提出了定态（轨道量子化）、跃迁的概念，成功解释了氢原子光谱的实验规律。
(2)局限性
保留了经典粒子的观念，把电子的运动仍然看做经典力学描述下的固定轨道运动；只能解释氢原子光谱。
(3)电子云
原子中的电子没有确定的坐标值，我们只能描述电子在某个位置出现规律的多少，把电子这种概率分布用疏密不同的点表示时，这种图像就像云雾一样分布在原子核周围，故称电子云。
粒子波动性和量子力学
一、德布罗意波：任何一个运动着的物体，小到电子、质子，大到行星、太阳，都有一种波与它对应，这种与实物粒子相联系的波称为德布罗意波，也称物质波。
物质的波长、频率的关系：λ=h/p v=ε/h
二、戴维孙和G.P.汤姆孙分别利用晶体做了电子束衍射实验的实验，，从而证实电子波动性、物质波。
电子干涉条纹也说明实物粒子波动性，物质波。
波粒二象性是微观粒子的特殊规律，一切微观粒子都存在波动性；宏观物体也存在波动性，只是波长太小