(共70张PPT)
第四章 原子结构和波粒二象性
4 氢原子光谱和玻尔的原子模型
学习目标 学法与考法
1．了解氢原子光谱的特点，知道巴耳末公式及里德伯常量(重点)
2．了解玻尔理论的局限性(难点)
3．了解能级跃迁、能量量子化及基态、激发态等概念(重点)
4．会用玻尔的原子结构理论解释氢光谱(重难点) 学法：①通过对氢原子光谱的分析，了解原子的能级结构；②通过学习玻尔理论，进一步了解氢原子光谱
考法：①考查对光谱、氢原子光谱的实验规律、经典理论的局限的理解；②考查对玻尔理论的理解；③考查对跃迁和能级的理解和应用
知识导图
课前 自主预习
光谱、氢原子光谱的实验规律、经典理论的困难
1．光谱
(1)定义：用光栅或棱镜可以把各种颜色的光按________展开，获得光的波长(频率)和强度分布的记录，即光谱．
(2)分类．
①线状谱：由一条条的________组成的光谱．
②连续谱：由连在一起的________组成的光谱．
波长
亮线
光带
(3)特征谱线．
各种原子的发射光谱都是________，且不同原子的亮线位置_____，故这些亮线称为原子的________谱线．
(4)光谱分析．
①定义：利用原子的___________来鉴别物质和确定物质的组成成分．
②优点：灵敏度高．
线状谱
不同
特征
特征谱线
2．氢原子光谱的实验规律
(1)光谱研究的意义．
许多情况下光是由原子________电子的运动产生的，因此光谱研究是探索原子结构的重要途径．
(2)气体发光原理．
①气体放电：玻璃管中稀薄气体在强电场的作用下会电离，形成自由移动的正负电荷，于是气体变成导体，导电时会发光．
②氢光谱：从氢气放电管可以获得氢原子光谱．
内部
(3)巴耳末公式．
①公式：________________________________．
②意义：巴耳末公式以简洁的形式反映了氢原子的线状光谱，即辐射波长的________特征．
分立
3．经典理论的困难
(1)用经典(电磁)理论在解释原子的_________和原子光谱的_______特征时遇到了困难．
(2)经典理论可以很好地应用于宏观物体，但不能用来解释________世界的现象．
稳定性
分立
原子
在巴耳末公式中，n值越大，氢光谱的波长越长吗？
【答案】不对，原子光谱是线状谱，只能是一些分立的谱线，不是连续谱．
氢是自然界中最简单的元素，下列关于氢原子光谱的说法正确的是 ( )
A．氢原子光谱是连续谱
B．氢原子光谱是氢原子的特性谱线
C．经典物理学可以解释氢原子光谱
D．不同化合物中的氢的光谱不同
【答案】B
【解析】原子光谱是线状谱，只能是一些分立的谱线，不是连续谱，A错误；不同原子的原子光谱是不同的，氢原子光谱是氢原子的特性谱线，明线光谱中的明线和吸收光谱中的暗线都是特征谱线，可以进行元素的光谱分析，B正确；经典物理学不可以解释氢原子光谱的分立特性，C错误；不同化合物中的氢的光谱相同，氢原子光谱是氢原子的特性谱线，D错误．
玻尔原子理论的基本假设
1．轨道量子论
原子中的电子在________力的作用下，绕_________做圆周运动，围绕原子核运动的电子轨道只能是某些_________，所以电子绕核运动的轨道是_________的．
库仑
原子核
分立值
量子化
2．定态
电子在这些轨道上绕核的转动是_______的，且不产生__________.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________的能量，即原子的能量是________的，这些量子化的能量值叫作________，原子具有确定能量的稳定状态，称为________．能量最低的状态叫作________，其他的能量状态叫作_________．
稳定
电磁辐射
不同
量子化
能级
定态
基态
激发态
3．跃迁
当电子从能量较高的定态轨道(其能量记为Em)________到能量较低的定态轨道(其能量记为En，m＞n)时，会________能量为hν的光子，该光子的能量hν＝________，这个式子被称为_______条件，又称_______条件．
跃迁
放出
Em－En
频率
辐射
电子能吸收任意频率的光子发生跃迁吗？
【答案】不能，电子能吸收任意频率的光子的前提是光子的能量大于0－En．
(多选)由玻尔理论可知，下列说法中正确的是 ( )
A．电子绕核运动有加速度，就要向外辐射电磁波
B．处于定态的原子，其电子做变速运动，但它并不向外辐射能量
C．原子内电子的可能轨道是连续的
D．原子的轨道是不连续的
【答案】BD
【解析】按照经典物理学的观点，电子绕核运动有加速度，一定会向外辐射电磁波，很短时间内电子的能量就会消失，与客观事实相矛盾，由玻尔理论可知A、C错误，B正确；原子轨道是不连续的，D正确．
玻尔理论对氢光谱的解释和局限性
1．玻尔理论对氢光谱的解释
(1)解释巴耳末公式．
①按照玻尔理论，从高能级跃迁到低能级时辐射的光子的能量为hν＝____________．
②巴耳末公式中的正整数n和2正好代表能级跃迁之前和之后所处的____________的量子数n和2．并且理论上的计算和实验测量的____________符合得很好．
Em－En
定态轨道
里德伯常量
(2)解释氢原子光谱的不连续性．
原子从较高能级向低能级跃迁时放出光子的能量等于前后_______ _________，由于原子的能级是________的，所以放出的光子的能量也是________的，因此原子的发射光谱只有一些分立的亮线．
两个
能级差
分立
分立
2．玻尔理论的局限性
(1)成功之处．
玻尔理论第一次将__________引入原子领域，提出了____________的概念，成功解释了________光谱的实验规律．
(2)局限性．
保留了__________的观念，把电子的运动仍然看作经典力学描述下的________运动．
量子观念
定态和跃迁
氢原子
经典粒子
轨道
(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________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________一样分布在原子核周围，故称__________．
概率
云雾
电子云
巴耳末公式是玻尔理论的一种特殊情况吗？玻尔理论为什么能成功地解释氢光谱？
【答案】巴耳末公式是玻尔理论的一种特殊情况．玻尔理论能成功地解释氢光谱是因为将量子理论引入了原子结构中．
(多选)已知氢原子的能级图如图所示，现用光子能量介于10～12.9 eV范围内的光去照射一群处于基态的氢原子，则下列说法中正确的是 ( )
A．在照射光中可能被吸收的光子能量有无数种
B．在照射光中可能被吸收的光子能量只有3种
C．照射后可能观测到氢原子发射不同波长的光有6种
D．照射后可能观测到氢原子发射不同波长的光有3种
【答案】BC
【解析】根据跃迁规律hν＝Em－En和能级图，可知A错误，B正确；氢原子吸收光子后能跃迁到最高为n＝4的能级，能发射的光子的波长有C＝6种，故C正确，D错误．
课堂 重难探究
－对氢原子光谱的理解
1．氢原子的光谱
从氢气放电管可以获得氢原子光谱，如图所示．
2．氢原子光谱的特点
在氢原子光谱图中的可见光区内，由右向左，相邻谱线间的距离越来越小，表现出明显的规律性．
3．巴耳末公式
(2)公式中只能取n≥3的整数，不能连续取值，波长是分立的值．
4．其他谱线
除了巴耳末系，氢原子光谱在红外和紫外光区的其他谱线，也都满足与巴耳末公式类似的关系式．
对氢原子光谱的理解
例1 氢原子光谱的巴耳末系中波长最长的谱线的波长为λ1，其次为λ2，问：
(2)其中最长波长的光子能量是多少？
变式1 光谱分析为深入原子世界打开了道路．关于光谱，下列说法正确的是 ( )
A．原子发射连续光谱是因为电子绕原子核运动的变化是连续的
B．玻尔的原子理论能成功的解释各种原子光谱的实验规律
C．原子吸收光谱中的每一条暗线都跟这种原子的发射光谱中的一条亮线相对应
D．进行光谱分析时，可以用连续谱，也可以用线状谱
【答案】C
【解析】电子绕原子核运动的变化都是不连续的，我们看到的原子光谱都是线状谱，A错误；玻尔原子理论仅能成功的解释氢原子光谱的实验规律，B错误；原子都是由原子核和电子组成的，但不同原子的原子结构不同，各种原子的原子光谱都有各自的特征谱线，原子吸收光谱中的每一条暗线都跟这种原子发射光谱中的一条亮线相对应，C正确；只有线状谱和吸收光谱与原子的结构有关，可以用来鉴别物质，D错误．
巴耳末公式的应用及注意问题
1．巴耳末公式反映氢原子发光的规律特征，不能描述其他原子．
2．公式中n只能取整数，不能连续取值，因此波长也是分立的值．
3．公式是在对可见光区的四条谱线分析时总结出来的，在紫外光区的其他谱线也都满足与巴耳末公式类似的关系式．
4．应用时熟记公式，当n取不同值时求出一一对应的波长．
－对玻尔理论的理解
1．轨道量子化
轨道半径只能是一些不连续的、某些分立的值，不可能出现介于这些轨道半径之间的其他值．
2．能量量子化
(1)电子在可能轨道上运动时，虽然是变速运动，但它并不释放能量，原子是稳定的，这样的状态也称之为定态．
(2)由于原子的可能状态(定态)是不连续的，具有的能量也是不连续的．这样的能量值，称为能级．量子数n越大，表示能级越高．
(3)原子的能量包括：原子的原子核与电子所具有的电势能和电子运动的动能．
3．跃迁：原子从一种定态(设能量为E2)跃迁到另一种定态(设能量为E1)时，它辐射(或吸收)一定频率的光子，光子的能量由这两种定态的能量差决定，
可见，电子如果从一个轨道到另一个轨道，不是以螺旋线的形式改变半径大小的，而是从一个轨道上“跳跃”到另一个轨道上．玻尔将这种现象叫作电子的跃迁．
对玻尔理论的理解
例2 (多选)按照玻尔原子理论，下列表述正确的是 ( )
A．核外电子运动轨道半径可取任意值
B．氢原子中的电子离原子核越远，氢原子的能量越大
C．电子跃迁时，辐射或吸收光子的能量由能级的能量差决定，即hν＝Em－En(m＞n)
D．氢原子从激发态向基态跃迁的过程，可能辐射能量，也可能吸收能量
【答案】BC
【解析】根据玻尔理论，核外电子运动的轨道半径是确定的值，而不是任意值，A错误；氢原子中的电子离原子核越远，能级越高，能量越大，B正确；由跃迁规律可知C正确；氢原子从激发态向基态跃迁的过程中，应辐射能量，D错误．
变式2 (多选)关于玻尔的原子模型，下列说法中正确的有 ( )
A．它彻底否定了经典的电磁理论
B．它发展了卢瑟福的核式结构学说
C．它完全抛弃了经典的电磁理论
D．它引入了普朗克的量子理论
【答案】BD
【解析】原子核式结构模型与经典电磁理论的种种矛盾说明，经典电磁理论已不适用于原子系统，玻尔从光谱学成就得到启发，利用普朗克的能量量子化的概念，提出了量子化的原子模型；但在玻尔的原子模型中仍然认为原子中有一很小的原子核，电子在核外绕核做匀速圆周运动，电子受到的库仑力提供向心力，并没有完全抛弃经典的电磁理论．
解决玻尔原子模型问题的四个关键
1．电子绕核做圆周运动时，不向外辐射能量．
2．原子辐射的能量与电子绕核运动无关，只由跃迁前后的两个能级差决定．
3．处于基态的原子是稳定的，而处于激发态的原子是不稳定的．
4．原子的能量与电子的轨道半径相对应，轨道半径大，原子的能量大，轨道半径小，原子的能量小．
－玻尔理论对氢光谱的解释、对玻尔理论的局限性的理解
1．能级图的理解：如图所示为氢原子能级图．
(1)能级图中n称为量子数，E1代表氢原子的基态能量，即量子数n＝1时对应的能量，其值为－13.6 eV．En代表电子在第n个轨道上运动时的能量．
(2)作能级图时，能级横线间的距离和相应的能级差相对应，能级差越大，间隔越宽，所以量子数越大，能级越密，竖直线的箭头表示原子跃迁方向，长度表示辐射光子能量的大小，n＝1是原子的基态，n→∞是原子电离时对应的状态．
3．光子的发射：原子由高能级向低能级跃迁时以光子的形式放出能量，发射光子的频率由下式决定．
hν＝Em－En(Em、En是始末两个能级且m＞n)
能级差越大，放出光子的频率就越高．
4．使原子能级跃迁的两种粒子——光子与实物粒子
(1)原子若是吸收光子的能量而被激发，其光子的能量必须等于两能级的能量差，否则不被吸收，不存在激发到n能级时能量有余，而激发到n＋1时能量不足，则可激发到n能级的问题．
(2)原子还可吸收外来实物粒子(例如，自由电子)的能量而被激发，由于实物粒子的动能可部分地被原子吸收，所以只要入射粒子的能量大于两能级的能量差值(E＝En－Ek)，就可使原子发生能级跃迁．
5．原子的电离：若入射光子的能量大于原子的电离能，如处于基态的氢原子电离能为13.6 eV，则原子也会被激发跃迁，这时核外电子脱离原子核的束缚成为自由电子，光子能量大于电离能的部分成为自由电子的动能．
对原子能级和能级跃迁的理解
例3 (多选)关于氢原子能级的跃迁，下列叙述中正确的是 ( )
A．用波长为60 nm的X射线照射，可使处于基态的氢原子电离出自由电子
B．用能量为10.2 eV的光子照射，可使处于基态的氢原子跃迁到激发态
C．用能量为11.0 eV的光子照射，可使处于基态的氢原子跃迁到激发态
D．用能量为12.5 eV的光子照射，可使处于基态的氢原子跃迁到激发态
【答案】AB
变式3 如图所示为氢原子的能级图．用光子能量为13.06 eV的光照射一群处于基态的氢原子，可能观测到氢原子发射不同波长的光有 ( )
A．15种 B．10种
C．4种 D．1种
【答案】B
【解析】由hν＝En－E1得，En＝E1＋hν＝－0.54 eV，由能级图知n＝5，即氢原子吸收光子后处于n＝5的激发态，则发出的光子种类为N＝C＝10种，故B正确．
对跃迁中光子的能量的理解
例4 (多选)一群处于基态的氢原子吸收某种光子后，向外辐射了ν1、ν2、ν3三种频率的光子，且ν1＞ν2＞ν3，则 ( )
A．被氢原子吸收的光子的能量为hν1
B．被氢原子吸收的光子的能量为hν2
C．ν1＝ν2＋ν3
D．hν1＝hν2＋hν3
【答案】ACD
【解析】氢原子吸收光子能向外辐射出三种频率的光子，说明氢原子从基态跃迁到了第三能级，在第三能级不稳定，又向低能级跃迁，发出光子，其中第三能级跃迁到第一能级的光子能量最大，为hν1，从第二能级跃迁到第一能级的光子能量比从第三能级跃迁到第二能级的光子能量大，其能级跃迁图如题图所示．由能量守恒可知，氢原子一定是吸收了能量为hν1的光子，则hν1＝hν2＋hν3，ν1＝ν2＋ν3，故A、C、D正确．
【答案】C
2．跃迁中光子的能量
(1)若光子的能量大于处于某一定态的原子的电离能，则可被吸收，多余的能量为电子的动能．
(2)当一个氢原子从某一轨道向另一轨道跃迁时，可能的情况只有一种，但大量的氢原子就会出现多种情况．
小练 随堂巩固
1．(多选)关于线状谱，下列说法中正确的是 ( )
A．每种原子处在不同温度下发光的线状谱不同
B．每种原子处在不同的物质中的线状谱相同
C．每种原子在任何条件下发光的线状谱都相同
D．两种不同的原子发光的线状谱可能相同
【答案】BC
【解析】每种原子都有自己的结构，只能发出由内部结构决定的自己的特征谱线，不会因温度、物质不同而改变，B、C正确．
A．此公式是巴耳末在研究氢原子光谱特征时发现的
B．公式中n可取任意值，故氢原子光谱是连续谱
C．公式中n只能取不小于3的整数值，故氢原子光谱是线状谱
D．公式仅适用于氢原子光谱的分析，不适用于其他原子的光谱
【答案】B
【解析】此公式是巴耳末在研究氢原子光谱在可见光区的四条谱线中得到的，只适用于氢原子光谱的分析，A、D正确；公式中n只能取大于等于3的整数，λ不能连续取值，故氢原子光谱是线状谱，B错误，C正确．
3．根据玻尔理论，下列关于氢原子的论述正确的是 ( )
A．若氢原子由能量为En的定态向低能级Em跃迁，则氢原子要辐射的光子能量为hν＝En－Em
B．电子沿某一轨道绕核运动，若圆周运动的频率为ν，则其发光的频率也是ν
C．一个氢原子中的电子从一个半径为ra的轨道自发地直接跃迁到另一半径为rb的轨道，已知ra＞rb，则此过程原子要吸收某一频率的光子
D．氢原子吸收光子后，将从高能级向低能级跃迁
【答案】A
【解析】原子由能量为En的定态向低能级跃迁时，辐射的光子能量等于能级差，故A正确；电子沿某一轨道绕核运动，处于某一定态，不向外辐射能量，故B错误；电子由半径大的轨道跃迁到半径小的轨道，能级降低，因而要辐射某一频率的光子，故C错误；原子吸收光子后能量增加，能级升高，故D错误．
4．(2023年衡阳期末)二十大报告中提到我国进入创新型国家的行列， 在一些尖端科技如卫星通信等方面取得了重大进展．“北斗三号”采用星载氢原子钟，其精度比“北斗二号”的星载铷原子钟提高一个数量级．如图所示为氢原子的能级图，以下判断正确的是
( )
A．处于n＝3能级的氢原子可以辐射任意频率的光子
B．欲使处于基态的氢原子被激发，可用12.09 eV的光子照射
C．当氢原子从能级n＝5的状态跃迁到能级n＝3的状态时，要吸收光子
D．用能级n＝2跃迁到能级n＝1辐射出的光照射金属铂(逸出功为6.34 eV)时不能发生光电效应
【答案】B
【解析】处于n＝3能级的大量氢原子只能辐射出能量等于能级差的光子，所以n＝3能级的大量氢原子最多可以辐射3种频率的光子，A错误；1能级与2能级的能量之差为12.09 eV，所以可用12.09 eV的光子照射能使处于基态的氢原子被激发，B正确；当氢原子从n＝5的状态跃迁到n＝3的状态时，从高能级往低能级跃迁要辐射光子，C错误；用n＝2能级跃迁到n＝1能级辐射出的光的能量为12.09 eV，该光子的能量大于了金属铂的逸出功6.34 eV，所以去照射金属铂(逸出功为6.34 eV)时能发生光电效应，D错误．
5．如图为氢原子能级的示意图，现有大量的氢原子处于n＝4的激发态，当其向低能级跃迁时辐射出若干不同频率的光．关于这些光，下列说法正确的是 ( )
A．最容易表现出衍射现象的光是由n＝4能级跃迁到n＝1能级产生的
B．频率最小的光是由n＝2能级跃迁到n＝1能级产生的
C．这些氢原子总共可辐射出3种不同频率的光
D．用n＝2能级跃迁到n＝1能级辐射出的光照射逸出功为6.34 eV的金属铂能发生光电效应
【答案】D
【解析】光的波长越长，频率越低，越容易表现出衍射现象，故应是从n＝4跃迁到n＝3能级产生的光，A、B错误；n＝4能级的大量氢原子总共辐射6种频率的光子，C错误；从n＝2跃迁到n＝1能级所辐射光子的能量为E＝hν＝－3.4 eV－(－13.60) eV＝10.2 eV，大于金属铂的逸出功，能产生光电效应，D正确．
6．(多选)根据玻尔理论，氢原子核外电子在n＝1和n＝2的轨道上运动，其运动的 ( )
A．轨道半径之比为1∶4 B．动能之比为4∶1
C．速度大小之比为4∶1 D．周期之比为1∶8
【答案】ABD(共54张PPT)
第四章 原子结构和波粒二象性
3 原子的核式结构模型
学习目标 学法与考法
1．了解汤姆孙原子模型(重点)
2．知道α粒子散射实验的现象、方法和结果(重难点)
3．知道原子的核式结构模型(重点、难点) 学法：①通过发现电子的学习，理解汤姆孙对阴极射线研究的方法及发现电子的意义；②通过对α粒子散射实验结果的讨论与交流，培养学生对现象的分析和归纳中得出结论的逻辑推理能力；③通过核式结构模型的建立，体会建立模型对研究物理问题的重要作用，理解物理模型的演化及其在物理学发展过程中的作用
考法：①对电子的发现过程综合电场和磁场的性质进行考查；②对α粒子散射实验现象的理解及现象分析的考查；③对α粒子散射现象结合电场力和能量的考查
知识导图
课前 自主预习
电子的发现
1．阴极射线：科学家在研究___________放电时发现，当玻璃管内的气体足够稀薄时，阴极发出一种射线，这种射线能使玻璃管壁发出荧光，这种射线称为___________．
2．汤姆孙对阴极射线本质的探究
(1)实验巧妙利用静电偏转力和磁场偏转力相抵消的方法，确定了阴极射线粒子的速度，并测量出了粒子的_______．
(2)换用不同材料的阴极和不同的气体，所得粒子的_______相同，这说明不同物质都能发射这种带电粒子，它是各种物质中共有的成分．
稀薄气体
阴极射线
比荷
比荷
3．结论
(1)阴极射线是______________．
(2)不同物质都能发射这种带电粒子，它是各种物质中共有的成分，比最轻的氢原子的质量还要小得多，汤姆孙将这种带电粒子称为________．
(3)电子的发现说明原子具有一定的________，即原子是由电子和其他物质组成的．
4．电子发现的意义：电子的发现揭开了认识原子结构的序幕．
带电粒子流
电子
结构
电子的发现，说明了什么？
【答案】电子的发现，说明原子可以再分．
关于阴极射线的本质，下列说法正确的是 ( )
A．阴极射线本质是氢原子
B．阴极射线本质是电磁波
C．阴极射线本质是电子流
D．阴极射线本质是X射线
【答案】C
【解析】阴极射线本质上是电子流，带负电，A、B、D错误，C正确．
α粒子散射实验
1．汤姆孙的原子模型
汤姆孙在1904年提出原子的枣糕模型：原子是一个_______，正电荷_______地分布在整个球内，电子像枣糕上的枣子一样___________，被正电荷吸引着．原子内正、负电荷_______，原子整体呈中性．
2．α粒子散射实验目的
α粒子通过金箔时，用这些已知的粒子与金属内的原子_________，根据粒子的__________来获得原子内部的信息．
球体
均匀
嵌在球中
相等
相互作用
偏转情况
3．α粒子散射实验方法
用由放射源发射的α粒子束轰击________，利用荧光屏接收、探测通过金箔后的α粒子偏转情况．
4．α粒子散射实验结果
__________α粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进，但是有少数α粒子发生了大角度偏转，有__________α粒子偏转角超过了90°，有的甚
至被_______弹回，α粒子被反射回来的概率竟然有________．
金箔
绝大多数
极少数
原路
做α粒子散射实验时有哪些现象？为什么会出现这些现象？
【答案】α粒子散射实验的现象是：绝大多数α粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进，但是有少数α粒子发生了大角度偏转，有极少数α粒子偏转角度超过了90°，有的甚至被原路弹回．因为原子中带正电的部分集中在一个很小的核上．
(多选)关于α粒子散射实验的现象，下列说法正确的是 ( )
A．绝大部分α粒子穿过金箔后，都不同程度发生了偏转
B．极少数α粒子偏转角度超过90°
C．α粒子发生偏转的原因是金原子核对它的库仑力作用
D．α粒子发生偏转的原因是金原子核与它发生碰撞时的碰撞力
【答案】BC
【解析】α粒子散射实验的现象是绝大多数α粒子几乎不发生偏转，少数α粒子发生了较大的角度偏转，极少数α粒子发生了大角度偏转(偏转角度超过90°，有的甚至几乎达到180°，被反弹回来)，A错误，B正确；造成α粒子散射角度大的原因，是受到的原子核的斥力比较大，C正确，D错误．
卢瑟福的原子模型
1．核式结构模型
(1)原子的内部有一个很小的核，叫________，原子的全部正电荷和几乎___________都集中在原子核内，带负电的电子绕核运动．
(2)原子的核式结构模型又被称为___________．
2．原子的大小
(1)原子直径数量级：________m．
(2)原子核直径数量级：________m．
原子核
全部质量
行星模型
10－10
10－15
原子的核式结构模型是怎样的？
【答案】原子由位于原子中的带正电的原子核和核外带负电的电子构成，电子在核外绕核高速旋转，库仑力提供向心力，原子中绝大部分是空的，原子核很小．
(多选)下列对原子结构的认识中，正确的是 ( )
A．原子中绝大部分是空的，原子核很小
B．电子在核外旋转，库仑力提供向心力
C．原子的全部正电荷都集中在原子核里
D．原子核的直径大约是10－10 m
【答案】ABC
【解析】原子由位于原子中的带正电的原子核和核外带负电的电子构成，电子在核外绕核高速旋转，库仑力提供向心力，由此可判定B、C正确．原子中绝大部分是空的，原子核很小，原子核直径的数量级为10－15 m，而原子直径的数量级为10－10 m，故A正确，D错误．
课堂 重难探究
－对电子发现的认识
1．对阴极射线的认识
(1)现象：真空玻璃管两极加上高电压，玻璃管壁上发出荧光及管中物体在玻璃壁上呈现影子．
(2)命名：德国物理学家戈尔德斯泰因将阴极发出的射线命名为阴极射线．
(3)猜想：
①阴极射线是一种电磁辐射．
②阴极射线是带电微粒．
(4)验证：英国物理学家汤姆孙让阴极射线在电场和磁场中偏转，发现阴极射线带负电并测出了粒子的比荷进而发现电子．
(5)实验：密立根通过“油滴实验”精确测定了电子的电荷量和电子的质量．
2．电子比荷的测定方法
甲
乙
对电子发现的认识
变式1 密立根油滴实验如图所示，A、B是两块平行放置的水平金属板，A板带正电，B板带负电，从喷雾器嘴喷出的小油滴落到A、B两板之间的电场中，小油滴由于摩擦而带负电，调节A、B两板间的电压，可使小油滴受到的电场
力和重力平衡，已知小油滴静止时的电场强度是1.92×105 N/C，油滴半径是1.64×10－4 cm，油的密度是0.851 g/cm3，求油滴所带的电荷量，这个电荷量是电子电荷量的多少倍？
测量带电粒子比荷常用的两种方法
－对发现原子核式结构实验的理解
1．实验背景
α粒子散射实验是卢瑟福指导他的学生做的一个著名的物理实验，实验的目的是想验证汤姆孙原子模型的正确性，实验结果却成了否定汤姆孙原子模型的有力证据．在此基础上，卢瑟福提出了原子核式结构模型．
2．否定汤姆孙的原子结构模型
(1)质量远小于原子的电子，对α粒子的运动影响完全可以忽略，不应该发生大角度偏转．
(2)α粒子在穿过原子时，受到各方向正电荷的斥力基本上会相互平衡，对α粒子运动方向的影响不会很大，也不应该发生大角度偏转．
(3)α粒子的大角度偏转，否定汤姆孙的原子结构模型．
3．大角度偏转的实验现象分析
(1)由于电子质量远小于α粒子质量，所以电子不可能使α粒子发生大角度偏转．
(2)使α粒子发生大角度偏转的只能是原子中带正电的部分．按照汤姆孙原子模型，正电荷在原子内是均匀分布的，α粒子穿过原子时，它受到的两侧斥力大部分抵消，因而也不可能使α粒子发生大角度偏转，更不能使α粒子反向弹回，这与α粒子散射实验相矛盾．
(3)实验现象表明原子绝大部分是空的，原子的几乎全部质量和所有正电荷都集中在原子中心的一个很小的核上，否则α粒子大角度散射是不可能的．
对α粒子散射实验的理解
例2 (多选)如图为卢瑟福所做的α粒子散射实验装置的示意图，荧光屏和显微镜一起分别放在图中的A、B、C、D四个位置时，下列说法中正确的是 ( )
A．相同时间内在A位置观察到屏上的闪光次数最多
B．相同时间内在B位置观察到屏上的闪光次数比放在C时稍少些
C．放在D位置时屏上仍能观察到一些闪光
D．放在C、D位置时屏上观察不到闪光
【答案】AC
【解析】在卢瑟福α粒子散射实验中，α粒子穿过金箔后，绝大多数α粒子仍沿原来的方向前进，故A正确．少数α粒子发生大角度偏转，极少数α粒子偏转角度大于90°，极个别α粒子反弹回来，所以在B位置只能观察到少数的闪光，在C、D两位置能观察到的闪光次数极少，故B、D错误，C正确．
变式2 在卢瑟福的α粒子散射实验中，有少数α粒子发生了大角度的偏转，其主要原因是 ( )
A．原子中有带负电的电子，电子会对α粒子有引力的作用
B．正电荷在原子中是均匀分布的
C．原子的正电荷和绝大部分的质量都集中在一个很小的核上
D．原子是可再分的
【答案】C
【解析】在α粒子散射实验中，有少数α粒子发生大角度偏转说明三点：一是原子内有一质量很大的粒子存在；二是这一粒子带有较大的正电荷；三是这一粒子的体积很小，C正确，A、B、D错误．
解决α粒子散射实验问题的技巧
1．熟悉实验装置及原理．
2．核外电子不会使α粒子的速度发生明显改变．
3．汤姆孙的原子模型不能解释α粒子的大角度散射．
4．少数α粒子发生了大角度偏转，甚至反弹回来，表明这些α粒子在原子中的某个地方受到了质量、电荷量均比它本身大得多的物体的作用．
5．绝大多数α粒子在穿过厚厚的金原子层时运动方向没有明显变化，说明原子中绝大部分是空的，原子的质量、电荷量都集中在体积很小的核内．
－对卢瑟福的原子模型的理解
1．汤姆孙的原子结构模型与卢瑟福的原子核式结构对比
项目 汤姆孙的葡萄干面包模型 卢瑟福的原子核式模型
分布
情况 正电荷和质量均匀分布，负电荷镶嵌在其中 正电荷和几乎全部质量集中在原子中心的一个极小核内，电子质量很小，分布在很大空间内
项目 汤姆孙的葡萄干面包模型 卢瑟福的原子核式模型
受力
情况 α粒子在原子内部时，受到的库仑斥力相互抵消，几乎为零 少数靠近原子核的α粒子受到的库仑力大，而大多数离核较远的α粒子受到的库仑力较小
偏转
情况 不会发生大角度偏转，更不会被弹回 绝大多数α粒子运动方向不变，少数α粒子发生大角度偏转，极少数α粒子偏转角度超过90°，有的甚至被弹回
分析
结论 不符合α粒子散射实验现象 符合α粒子散射实验现象
2．原子的核式结构模型对α粒子散射实验结果的解释
(1)当α粒子穿过原子时，如果离核较远，受到原子核的斥力很小，α粒子就像穿过“一片空地”一样，无遮无挡，运动方向改变很小．因为原子核很小，所以绝大多数α粒子不发生偏转．
(2)只有当α粒子十分接近原子核穿过时，才受到很大的库仑力作用，发生大角度偏转，而这种机会很少，所以有少数粒子发生了大角度偏转．
(3)如果α粒子正对着原子核射来，偏转角几乎达到180°，这种机会极少，如图所示，所以极少数粒子的偏转角度甚至大于90°．
3．原子内的电荷关系：原子核的电荷数与核外的电子数相等，非常接近它们的原子序数．
4．原子核的组成：原子核由质子和中子组成，原子核的电荷数等于原子核的质子数．
5．原子半径的数量级是10－10 m，原子核半径的数量级是10－15 m，两者相差10万倍之多．
对卢瑟福的原子核式模型的理解及应用
例3 卢瑟福指导他的助手进行的α粒子散射实验所用仪器的示意图如图．放射源发射的α粒子打在金箔上，通过显微镜观察散射的α粒子．实验发现，绝大多数α粒子穿过金箔后，基本上仍沿原来方向前进，但少数α粒子发生了大角度偏转，极少数的角度甚至大于90°，于是，卢瑟福大胆猜想 ( )
A．原子半径的数量级是10－10 m
B．原子核内存在质子和中子
C．原子内部有体积很小、质量很大的核
D．造成α粒子偏转的主要原因是它受到了原子中电子的作用
【答案】C
【解析】原子半径的数量级是通过油膜法测出来的，该实验不能确定原子半径的数量级，A错误；卢瑟福用α粒子轰击氮核，证实了在原子核内存在质子，中子是查德威克发现的，B错误；从绝大多数α粒子几乎不发生偏转，可以推测使粒子受到排斥力的原子核体积极小；从极少数α粒子发生了大角度的偏转，说明原子中心的核带有原子的全部正电和绝大部分质量，C正确；造成α粒子偏转的主要原因是它受到了原子内部正电荷的作用，D错误．
变式3 (多选)下列对α粒子散射实验的解释，正确的是 ( )
A．使α粒子产生偏转的主要原因是原子中电子对α粒子的作用力
B．使α粒子产生偏转的力是库仑力
C．原子核很小，α粒子接近它的机会很小，所以绝大多数的α粒子仍沿原来的方向前进
D．能产生大角度偏转的α粒子是穿过原子时离原子核近的α粒子
【答案】BCD
【解析】原子核带正电，与α粒子之间存在库仑力，当α粒子靠近原子核时受库仑力而偏转，电子对它的影响可忽略，故A错误，B正确；由于原子核非常小，绝大多数粒子经过时离核较远因而运动方向几乎不变，只有离核很近的α粒子受到的库仑力较大，方向改变较多，故C、D正确．
变式4 如图，卢瑟福进行的α粒子散射实验现象表明( )
A．在原子的中心有一个很小的核
B．原子核具有复杂结构
C．原子核集中了原子所有的质量
D．核外电子在绕核做圆周运动
【答案】A
【解析】为了解释α粒子散射实验现象，卢瑟福提出了原子核式结构模型：在原子的中心有一个很小的核，叫原子核，原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里，A正确，C错误；实验现象不能说明原子核具有复杂结构，也不能说明核外电子的运动规律，B、D错误．
分析α粒子散射实验中的力电问题规律
2．牛顿第二定律：该实验中α粒子只受库仑力，可根据库仑力的变化分析加速度的变化．
3．功能关系：根据库仑力做功，可分析动能的变化，也能分析电势能的变化．
4．原子核带正电，其周围的电场相当于正点电荷的电场，注意应用其电场线和等势面的特点．
小练 随堂巩固
1．α粒子散射实验中，使α粒子发生散射的原因是 ( )
A．α粒子与原子核外电子碰撞
B．α粒子与原子核发生接触碰撞
C．α粒子发生明显衍射
D．α粒子与原子核的库仑力作用
【答案】D
2．借助阴极射线管，我们看到的是 ( )
A．每个电子的运动轨迹 B．所有电子整体的运动轨迹
C．看到的是真实的电子 D．看到的是错误的假象
【答案】B
【解析】阴极射线管中不能看到每个电子的运动轨迹，借助阴极射线管，我们看到的是电子束的运动轨迹，即所有电子整体的运动轨迹，B正确．
3．(多选)(2023年北京期末)在α粒子散射实验中，如果一个α粒子跟金箔中的电子相碰，下列说法正确的是 ( )
A．α粒子发生大角度的偏转 B．α粒子不会发生明显偏转
C．α粒子可能被弹回 D．α粒子能量几乎不变
【答案】BD
【解析】粒子间的碰撞满足动量守恒定律，因为α粒子的质量远远大于电子的质量，α粒子动量几乎不变，所以α粒子不会发生明显偏转，不可能被弹回，能量也几乎不会发生改变，A、C错误，B、D正确．
4．物理学家卢瑟福用α粒子轰击金箔，发现了α粒子的散射现象．如图所示，O表示金原子核的位置，则能合理表示该实验中经过金原子核附近的α粒子的运动轨迹的图是 ( )
【答案】D
【解析】α粒子散射实验中，α粒子受到金原子核的斥力作用，故A、B、C错误；越靠近原子核的粒子受到的斥力越大，轨迹的偏转角越大，且库仑力指向轨迹的内侧．故D正确．
5．(2023年厦门检测)许多物理学家的科学研究推动了人类文明的进程．如图是科学史上一个著名的实验，以下说法正确的是 ( )
A．此实验是库仑测量油滴电荷量的实验
B．此实验是法拉第测量电子电荷量的实验
C．通过此油滴实验直接测定了元电荷的数值
D．通过多次实验测量，发现油滴所带的电荷量虽不相同，但都是某个最小电荷量的整数倍，这个最小电荷量被认为是元电荷
【答案】D
【解析】题图为密立根油滴实验的示意图，密立根通过油滴实验直接测定了油滴的电荷量．通过多次实验测量，发现油滴所带的电荷量虽不相同，但都是某个最小电荷量的整数倍，这个最小电荷量被认为是元电荷，D正确．(共37张PPT)
第四章 原子结构和波粒二象性
5 粒子的波动性和量子力学的建立
学习目标 学法与考法
1．知道光的波粒二象性，理解实物粒子的波动性(重点)
2．理解德布罗意波，会解释相关现象(重难点)
3．了解量子力学的建立过程和应用(重点) 学法：①通过对实物粒子具有波动性的学习，了解微观世界的量子化特征，体会量子力学的建立对人们认识物质世界的影响；②了解波粒二象性的物理思想，量子力学的建立过程，体会人们对物质本性认识的不断发展
考法：①考查对德布罗意波的理解；②考查对物质波波长的计算；③考查量子力学的建立过程的物理史
知识导图
课前 自主预习
粒子的波动性
1．德布罗意波：每一个________的粒子都与一个对应的波相联系，这种与__________相联系的波称为德布罗意波，也叫________．
2．物质波的波长、频率关系式：
物质波波长、频率的计算公式为λ＝______，ν＝_______．
运动
实物粒子
物质波
一切宏观物体都伴随物质波吗？湖面上的水波是物质波吗？
【答案】宏观物体的波动性不明显．湖面上的水波是机械波．
(多选)以下说法正确的是 ( )
A．宏观粒子也具有波动性
B．抖动细绳一端，绳上的波就是物质波
C．物质波也是一种概率波
D．物质波就是光波
【答案】AC
【解析】任何物体都具有波动性，故A正确．对宏观物体而言，其波动性难以观测，我们所看到的绳波是机械波，不是物质波，故B错误．物质波与光波一样，也是一种概率波，即粒子在各点出现的概率遵循波动规律，但物质波不是光波，故C正确，D错误．
物质波的实验验证
1．实验探究思路：________、衍射是波特有的现象，如果实物粒子具有波动性，则在一定条件下，也应该发生干涉或衍射现象．
2．实验验证：1927年戴维孙和汤姆孙分别利用晶体做了________衍射实验，得到了_______的衍射图样，证实了电子的________．
干涉
电子束
电子
波动性
3．说明
(2)宏观物体的质量比微观粒子的质量大得多，运动时的_______很大，对应的德布罗意波的波长_______，根本无法观察到它的波动性．
波动性
动量
很小
科学家通过什么方法证明实物粒子具有波动性？
【答案】电子束在晶体上的衍射实验．
(2023年菏泽阶段检测)科研人员利用冷冻电镜断层扫描技术首次拍摄到某种新型病毒的3D清晰影像，冷冻电镜是利用高速电子具有波动性原理，其分辨率比光学显微镜高1 000倍以上．下列说法正确的是 ( )
A．电子的实物波是电磁波
B．电子的德布罗意波长与其动量成正比
C．冷冻电镜的分辨率与电子加速电压有关，加速电压越高，则分辨率越低
D．若用相同动能的质子代替电子，理论上也能拍摄到这种病毒的3D清晰影像
【答案】D
量子力学的建立和量子力学的应用
1．量子力学的建立
(1)19、20世纪之交，人们在____________、______________、______________等许多类问题中，都发现了经典物理学无法解释的现象．
(2)德国物理学家海森堡和玻恩等人对玻尔的氢原子理论进行了推广和改造，使之可以适用于更普遍的情况．他们建立的理论被称为____________．
黑体辐射
光电效应
氢原子光谱
矩阵力学
(3)1926年，奥地利物理学家薛定谔提出了物质波满足的方程——______________，使玻尔理论的局限得以消除．由于这个理论的关键是物质波，因此被称为____________．
(4)1926年，薛定谔和美国物理学家埃卡特很快又证明，波动力学和矩阵力学在数学上是等价的，它们是同一种理论的两种表达方式．
随后数年，在以玻恩、海森堡、薛定谔以及英国的狄拉克和奥地利的泡利为代表的众多物理学家的共同努力下，描述微观世界行为的理论被逐步完善并最终完整地建立起来，它被称为量子力学．
薛定谔方程
波动力学
2．量子力学的应用
(1)借助量子力学，人们深入认识了___________________________．
(2)量子力学推动了_____________________的发展．
(3)量子力学推动了________、____________和________的发展．如激光、核磁共振、原子钟，等等．
(4)量子力学推动了____________的发展．
微观世界的组成、结构和属性
核物理和粒子物理
原子
分子物理
光学
固体物理
课堂 重难探究
－对粒子的波动性的理解
1．对物质波的理解
(1)任何物体，小到电子、质子，大到行星、太阳都存在波动性，我们之所以观察不到宏观物体的波动性，是因为宏观物体对应的波长太小的缘故．
(2)粒子在空间各处出现的概率受统计规律支配，不要以宏观观点中的波来理解德布罗意波．
(3)德布罗意假说是光子的波粒二象性的一种推广，使之包括了所有的物质粒子，即光子与实物粒子都具有粒子性，又都具有波动性，与光子对应的波是电磁波，与实物粒子对应的波是物质波．
2．计算物质波波长的方法
(1)根据已知条件，写出宏观物体或微观粒子动量的表达式p＝mv．
对物质波的理解
例1 下列关于德布罗意波的认识，正确的解释是 ( )
A．任何一个物体都有一种波和它对应，这就是物质波
B．X光的衍射证实了物质波的假设是正确的
C．电子的衍射证实了物质波的假设是正确的
D．宏观物体运动时，看不到它的衍射或干涉现象，所以宏观物体不具有波动性
【答案】C
【解析】运动的物体才具有波动性，A错误；宏观物体由于动量太大，德布罗意波长太小，所以看不到它的干涉、衍射现象，但仍具有波动性，D错误；X光是波长极短的电磁波，是光子，它的衍射不能证实物质波的存在，B错误．
变式1 下列说法中正确的是 ( )
A．物质波属于机械波
B．物质波与机械波没有本质区别
C．只有像电子、质子、中子这样的微观粒子才具有波动性
D．德布罗意认为，任何一个运动着的物体，小到电子、质子，大到行星、太阳，都有一种波和它对应，这种波叫物质波
【答案】D
【解析】物质波是一切运动着的物体所具有的波，与机械波性质不同，A、B错误；宏观物体也具有波动性，只是干涉、衍射现象不明显，看不出来，C错误；德布罗意认为，任何一个运动着的物体，小到电子、质子，大到行星、太阳，都有一种波和它对应，这种波叫物质波，D正确．
对物质波波长的计算
例2 如果一个中子和一个质量为10 g的子弹都以103 m/s的速度运动，则它们的德布罗意波的波长分别是多长？(中子的质量为1.67×10－27 kg)
解：中子的动量为p1＝m1v，
子弹的动量为p2＝m2v，
将m1＝1.67×10－27 kg，v＝1×103 m/s，h＝6.63×10－34 J·s，
m2＝1.0×10－2 kg代入上面两式可解得
λ1＝4.0×10－10 m，λ2＝6.63×10－35 m．
变式2 1924年德布罗意提出假设：实物粒子也具有波动性，即每一个运动的粒子都与一个对应的波相联系．下列关于德布罗意波的波长的说法正确的是 ( )
A．速度相同的电子与质子，质子的德布罗意波的波长较长
B．动量相同的电子与质子，电子的德布罗意波的波长较长
C．动能相同的电子与质子，电子的德布罗意波的波长较长
D．加速度相同的电子与质子，质子的德布罗意波的波长较长
【答案】C
宏观物体波动性的三点提醒
1．一切运动着的物体都具有波动性，宏观物体观察不到其波动性，但并不能否定其波动性．
2．要注意大量光子、个别光子、宏观物体、微观粒子等相关概念的区别．
3．在宏观世界中，波与粒子是对立的概念；在微观世界中，波动性与粒子性可以共存．
小练 随堂巩固
1．(多选)下列关于实物粒子的说法正确的是 ( )
A．向前飞行的子弹不具有波动性
B．射击运动员之所以很难射中靶子，是因为子弹具有波动性
C．子弹既具有粒子性，又具有波动性
D．子弹具有波动性，但波长很短表现不出来
【答案】CD
【解析】运动的实物粒子具有波粒二象性，对子弹来说，其德布罗意波长很短，很难表现出波动性，子弹的波动性对射击的准确性没有任何影响，故C、D正确，A、B错误．
2．如果一个电子和一个中子的德布罗意波长相等，则下列与此相关的物理量也相等的是 ( )
A．速度 B．动能
C．动量 D．总能量
【答案】C
3．(2023年南京联考)量子理论是现代物理学两大支柱之一，量子理论的核心观念是“不连续”．关于量子理论，以下说法错误的是( )
A．普朗克为解释黑体辐射，首先提出“能量子”的概念，他被称为“量子之父”
B．爱因斯坦实际上是利用量子观念和能量守恒解释了光电效应
C．康普顿效应证明光具有动量，也说明光是不连续的
D．氢原子中，量子数N越大，核外电子的速率越大
【答案】D
4．(多选)对于物质波，下列认识正确的是 ( )
A．任何运动的物体(质点)都对应一种波，这种波叫物质波
B．X射线的衍射实验证实了物质波假说是正确的
C．电子的衍射实验证实了物质波假说是正确的
D．宏观物体尽管可以看成物质波，但无法观察到其干涉、衍射等现象
【答案】ACD
【解析】由德布罗意假说可判断A正确；X射线的衍射实验证实了X射线是波长很短的电磁波，故B错误；电子的衍射实验证实了电子具有波动性，故C正确；宏观物体对应的物质波的波长极短，实验室无法进行实验，D正确．
5．下列说法中正确的是 ( )
A．质量大的物体，其德布罗意波长较短
B．速度大的物体，其德布罗意波长较短
C．动量大的物体，其德布罗意波长较短
D．动能大的物体，其德布罗意波长较短
【答案】C
6．电子经电势差为U＝220 V的电场加速，在v＜c的情况下，求此电子的德布罗意波长．(已知：电子质量为9.11×10－31 kg，电子电荷量为1.6×10－19 C)(共66张PPT)
第四章 原子结构和波粒二象性
2 光电效应
学习目标 学法与考法
1．知道光电效应及其实验现象(重点)
2．知道光子说和爱因斯坦光电效应方程，能够利用它解释光电效应实验的现象(重难点)
3．知道什么是康普顿效应及X射线实验原理(重点) 学法：①通过实验，了解光电效应现象和光电效应的实验规律，知道爱因斯坦光电效应方程及其意义，能根据实验结论说明光的波粒二象性；②通过波粒二象性学习，知道实物粒子具有波动性，了解微观世界的量子化特征，体会量子论的建立对人们认识物质世界的影响
考法：①考查对光电效应现象和光电效应的实验规律的理解；②考查爱因斯坦光电效应方程的应用；③考查康普顿效应
知识导图
课前 自主预习
光电效应
1．光电效应现象：在物理学中，在光的照射下_______从物体表面逸出的现象．
2．光电效应的实验规律
(1)发生的条件：每一种金属对应一种光的__________，又称极限频率．只有当光的频率__________________________时，才会产生______ _______．当光的频率小于这个最小频率时，即使增加___________或___________，也不能产生光电效应．
电子
最小频率
大于或等于这个最小频率
光电
效应
光的强度
照射时间
(2)与光的强度的关系：产生光电效应时，光的强度______，单位时间内逸出的光电子数________．
(3)发生光电效应所需的时间：从光照射到金属表面至产生光电效应的时间间隔很短，通常可在________内发生光电效应．
3．光子说：看似连续的光实际上是由个数有限、分立于空间各点的________组成的，每一个________的能量为______．光在发射和吸收时能量是一份一份的．
越大
越多
10－9 s
光子
光子
hν
4．光电效应方程
(1)表达式：Ek＝hν－W0．
(2)物理意义：金属中电子吸收一个光子获得的能量是hν，这些能量一部分用于从金属表面逸出时做功，剩下的表现为电子逸出后具有______________．
5．光电效应的应用
(1)_____________．
(2)微光夜视仪．
(3)__________．
最大初动能
光电开关
光电池
你对光电效应中的“光”是怎样认识的？在光电效应实验中，光照时间越长光电流越大吗？
【答案】当光线照射在金属表面时，金属中有电子逸出的现象，称为光电效应，而逸出的电子称为光电子．光电流的大小取决于照射光的强度，与光照时间长短无关．
入射光照射到某金属表面上发生光电效应，若入射光的强度减弱，而频率保持不变，那么 ( )
A．从光照射到金属表面上到发射出光电子的时间间隔将明显增大
B．逸出的光电子的最大初动能将减小
C．单位时间内从金属表面逸出的光电子数目将减少
D．有可能不发生光电效应
【答案】C
【解析】光电效应几乎是瞬时发生的，与入射光的强度无关，A错误．由于已经发生光电效应，说明入射光的频率大于该金属的截止频率，当频率保持不变时，一定能发生光电效应，D错误．入射光的强度减弱，说明单位时间内入射到金属表面的光子数减少，所以单位时间内从金属表面逸出的光电子数目也将减少，C正确．逸出的光电子的最大初动能与入射光的频率有关，与入射光的强度无关，B错误．
康普顿效应及光的波粒二象性
1．光的散射：光在介质中与物体微粒的相互作用，使光的传播方向____________的现象．
2．康普顿效应
在光的散射现象中，部分散射光的波长________，波长改变的多少与__________有关．这种现象称为______________．
发生改变
变长
散射角
康普顿效应
3．康普顿的理论
当光子与电子相互作用时，既遵守________守恒定律，又遵守________守恒定律．在碰撞中光子将能量hν的一部分传递给了________，光子能量减少，波长________．
4．康普顿效应的意义
康普顿效应表明光子除了具有能量之外，还具有动量，深入揭示了光的_________的一面，为光子说提供了又一例证．
能量
动量
电子
变长
粒子性
5．光电效应与康普顿效应
发生光电效应或康普顿效应取决于入射光的波长．当波长较短的X射线或γ射线入射时，产生______________；当波长较长的可见光或紫外光入射时，主要产生__________．
康普顿效应
光电效应
6．光的波粒二象性
(1)光的本性：光子既有________的特征，又有______的特征，即光具有____________．
(2)光是一种_________．
(3)当光的波长较长时，光在传播过程中波动性明显；当光的波长较短时，光子与粒子相互作用时，________明显．
粒子
波
波粒二象性
电磁波
粒子性
康普顿效应证实了光子具有什么？进一步说明光具什么性？
【答案】康普顿效应证实了光子具有粒子性，又进一步说明光具有波动性．
康普顿散射的主要特征是 ( )
A．散射光的波长与入射光的波长全然不同
B．散射光的波长有些与入射光的相同，但有些变短了，散射角的大小与散射波长无关
C．散射光的波长有些与入射光的相同，但也有变长的，也有变短的
D．散射光的波长有些与入射光的相同，有些散射光的波长比入射光的波长长些，且散射光波长的改变量与散射角的大小有关
【答案】D
【解析】光子和电子相碰撞，光子有一部分能量传给电子，散射光子的能量减少，于是散射光的波长大于入射光的波长．散射角不同，能量减少情况不同，散射光的波长也有所不同，也有一部分光子与原子交换能量，由于光子质量远小于原子质量，碰撞前后光子能量几乎不变，波长不变，故D正确．
课堂 重难探究
－对光电效应的理解
1．实验装置及电路
2．概念辨析
(1)饱和光电流(Im)：在光照条件不变时，电流随电压升高而增大到的最大值．
(2)遏止电压(Uc)：使光电流减小到0时的反向电压．
(3)截止频率(νc)：使某种金属发生光电效应的最小频率．又叫极限频率．不同金属截止频率不同．
3．光电效应的实验规律
(1)任何一种金属都有一个截止频率，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．低于截止频率时，无论光照强度多强，都不会发生光电效应现象．
(2)光电子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)入射光照射到金属上时，光电效应的发生几乎是瞬时的，一般不超过10－9 s．
(4)当入射光的频率高于截止频率时，饱和光电流的大小与入射光的强度成正比．
4．电磁理论解释光电效应的三个局限
电磁理论认为：光的能量是由光的强度决定，而光的强度又是由光波的振幅所决定的，跟频率无关．
局限 电磁理论 光电效应实验结果
局限1 按照光的波动理论，不论入射光的频率是多少，只要光强足够大，总可以使电子获得足够的能量从而发生光电效应 如果光的频率小于金属的截止频率，无论光强多大，都不能发生光电效应
局限 电磁理论 光电效应实验结果
局限2 光强越大，电子可获得更多的能量，光电子的最大初动能也应该越大，遏止电压也越大．即出射电子的动能应该由入射光的能量即光强来决定 遏止电压与光强无关，与频率有关
局限3 光强大时，电子能量积累的时间就短，光强小时，能量积累的时间就长 当入射光照射到光电管的阴极时，无论光强怎样微弱，几乎瞬时就产生了光电子
5．光电效应方程的理解
(1)光电效应方程Ek＝hν－W0中，Ek为光电子的最大初动能，就某个光电子而言，其离开金属时的动能大小可以是零到最大值范围内的任何数值．
(2)光电效应方程表明，光电子的最大初动能与入射光的频率ν呈线性关系(注意不是正比关系)，与光强无关．
(4)光电效应方程实质上是能量守恒方程．
(5)逸出功W0：电子从金属中逸出所需要克服原子核的束缚而消耗的能量的最小值，叫作金属的逸出功．光电效应中，从金属表面逸出的电子消耗能量最少．
6．光子说对光电效应的解释
(1)由于光的能量是一份一份的，那么金属中的电子也只能一份一份地吸收光子的能量，而且这个传递能量的过程只能是一个光子对一个电子的行为．如果光的频率低于截止频率，则光子提供给电子的能量不足以克服原子的束缚，就不能发生光电效应．
(3)电子一次性吸收光子的全部能量，不需要积累能量的时间，所以光电效应的发生几乎是瞬时的．
(4)发生光电效应时，单位时间内逸出的光电子数与光强度成正比，光强度越大意味着单位时间内打在金属上的光子数越多，那么逸出的光电子数目也就越多，光电流也就越大．
对光电效应实验规律的理解
例1 利用光电管研究光电效应实验，如图所示，用频率为ν1的可见光照射阴极K，电流表中有电流通过，则 ( )
A．用紫外线照射，电流表中不一定有电流通过
B．用红外线照射，电流表中一定无电流通过
C．用频率为ν1的可见光照射阴极K，当滑动变阻器的滑片移到a端，电流表中一定无电流通过
D．用频率为ν1的可见光照射阴极K，当滑动变阻器的滑片向b端滑动时，电流表示数可能不变
【答案】D
【解析】因为紫外线的频率比可见光的频率高，所以用紫外线照射时，电流表中一定有电流通过，A错误．因为不知道阴极K的截止频率，所以用红外线照射时，不一定发生光电效应，B错误．即使UAK＝0，电流表中也有电流，C错误．当滑片向b端滑动时UAK增大，阳极A吸收光电子的能力增强，光电流会增大，当射出的所有光电子都能达到阳极A时，光电流达到最大，即饱和电流，若在滑动前，光电流已经达到饱和电流，那么再增大UAK，光电流也不会增大，D正确．
变式1 关于光电效应实验，下列表述正确的是 ( )
A．光照时间越长光电流越大
B．入射光足够强就可以有光电流
C．遏止电压与入射光的频率无关
D．入射光频率大于截止频率才能产生光电子
【答案】D
【解析】在光电效应中，若照射光的频率小于截止频率，无论光照时间多长，光照强度多大，都无光电流，当照射光的频率大于截止频率时，立刻有光电子产生，时间间隔很小，故A、B错误，D正确．遏止电压与入射光频率ν有关，故C错误．
关于光电效应的三点提醒
1．发生光电效应时需满足：照射光的频率大于金属的截止频率，即ν＞ν0．
2．光电子的最大初动能与照射光的频率及金属的截止频率有关，而与照射光的强弱无关，照射光的强度大小决定了逸出光电子的数目多少．
3．在一定的光照条件下，饱和光电流与所加电压大小无关．
对光电效应方程的理解及应用
例2 紫光在真空中的波长为4.5×10－7 m，问：
(1)紫光光子的能量是多少？
(2)用它照射截止频率ν0＝4.62×1014 Hz的金属钾时能否产生光电效应？
(3)若能产生，则光电子的最大初动能为多少？(h＝6.63×10－34 J·s)
因为ν＞ν0，所以能产生光电效应．
(3)光电子的最大初动能为
Ekm＝hν－W0＝h(ν－ν0)＝1.36×10－19 J．
变式2 (多选)在做光电效应的实验时，某金属被光照射发生了光电效应，实验测得光电子的最大初动能Ek与入射光的频率ν的关系如图所示，由实验图线可求出 ( )
A．该金属的截止频率和截止波长
B．普朗克常量
C．该金属的逸出功
D．单位时间内逸出的光电子数
【答案】ABC
1．截止频率为ν0的光照射金属对应逸出电子的最大初动能为零，逸出功W0＝hν0．
2．某种金属的逸出功是一定值，随入射光频率的增大，光电子的最大初动能增大，但光电子的最大初动能与入射光的频率不成正比．
－对康普顿效应及光的波粒二象性的理解
1．对康普顿效应的理解
(1)实验现象．
X射线管发出波长为λ0的X射线，通过小孔投射到散射物石墨上．X射线在石墨上被散射，部分散射光的波长变长，波长改变的多少与散射角有关．
(2)康普顿效应与经典物理理论的矛盾．
按照经典物理理论，入射光引起物质内部带电粒子的受迫振动，振动着的带电粒子从入射光吸收能量，并向四周辐射，这就是散射光．散射光的频率应该等于粒子受迫振动的频率(即入射光的频率)．因此散射光的波长与入射光的波长应该相同，不应该出现波长变长的散射光．另外，经典物理理论无法解释波长改变与散射角的关系．
(3)光子说对康普顿效应的解释．
假定X射线光子与电子发生弹性碰撞．
①光子和电子相碰撞时，光子有一部分能量传给电子，散射光子的能量减少，于是散射光的波长大于入射光的波长．
②因为碰撞中交换的能量与碰撞的角度有关，所以波长的改变与散射角有关．
2．对光的波粒二象性的理解
(1)光的粒子性的含义．
①当光同物质发生作用时，表现出粒子的性质．
②少量或个别光子易显示出光的粒子性．
③频率高、波长短的光，粒子性特征显著．
(2)光的波动性的含义．
①足够能量的光(大量光子)在传播时，表现出波的性质．
②频率低、波长长的光，波动性特征显著．
(3)光的波粒二象性．
①光的粒子性并不否定光的波动性，光既具有波动性，又具有粒子性，波动性、粒子性都是光的本质属性，只是在不同条件下的表现不同．
②只有从波粒二象性的角度，才能统一说明光的各种行为．
对康普顿效应的理解
例3 (多选)美国物理学家康普顿在研究石墨对X射线的散射时，发现在散射的X射线中，除了有与入射波长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．关于康普顿效应，下列说法正确的是 ( )
A．康普顿效应现象说明光具有波动性
B．康普顿效应现象说明光具有粒子性
C．当光子与晶体中的电子碰撞后，其能量增加
D．当光子与晶体中的电子碰撞后，其能量减少
【答案】BD
【解析】康普顿用光子的模型成功地解释了康普顿效应，在散射过程中X射线的光子与晶体中的电子碰撞时要遵循动量守恒定律和能量守恒定律，故B、D正确，A、C错误．
变式3 科学研究证明，光子有能量也有动量，当光子与电子碰撞时，光子的一些能量转移给了电子．假设光子与电子碰撞前的波长为λ，碰撞后的波长为λ′，则碰撞过程中 ( )
A．能量守恒，动量守恒，且λ＝λ′
B．能量不守恒，动量不守恒，且λ＝λ′
C．能量守恒，动量守恒，且λ＜λ′
D．能量守恒，动量守恒，且λ＞λ′
【答案】C
对康普顿效应的三点认识
1．光电效应属于电子吸收光子的问题；而康普顿效应属于讨论光子与电子碰撞且没有被电子吸收的问题．
2．假定X射线光子与电子发生弹性碰撞．光子和电子相碰撞时，光子有一部分能量传给电子，散射光子的能量减少，于是散射光的波长大于入射光的波长．
3．康普顿效应进一步揭示了光的粒子性，也再次证明了爱因斯坦光子说的正确性．
对光的波粒二象性的理解
例4 (多选)下列关于光的波粒二象性的说法中，正确的是 ( )
A．光电效应现象说明光具有波粒二象性
B．频率越大的光其粒子性越显著，频率越小的光其波动性越显著
C．光在传播时往往表现出波动性，光在跟物质相互作用时往往表现出粒子性
D．光不可能同时既具有波动性，又具有粒子性
【答案】BC
【解析】光电效应现象说明光具有粒子性，A错误；在光的波粒二象性中，频率越大的光其粒子性越显著，频率越小的光其波动性越显著，B正确；光在传播时往往表现出波动性，光在跟物质相互作用时往往表现出粒子性，C正确；光的波粒二象性是指光有时表现为波动性，有时表现为粒子性，二者是统一的，D错误．
变式4 (多选)下列说法正确的是 ( )
A．有的光是波，有的光是粒子
B．光子与电子是同样的一种粒子
C．光子和电子是不同的两种粒子，但都具有波粒二象性
D．光的波长越长，其波动性越显著；波长越短，其粒子性越显著
【答案】CD
【解析】光同时具有波粒二象性，只不过在有的情况下波动性显著，有的情况下粒子性显著，光的波长越长，越容易观察到其波动特性．光子不同于一般的实物粒子，它没有静止质量，是一个个的能量团，是光的能量的最小单位．C、D正确．
对光的波粒二象性的两点提醒
1．光的干涉和衍射及偏振说明光具有波动性，而光电效应和康普顿效应是光具有粒子性的例证．
2．波动性和粒子性都是光的本质属性，只是在不同条件下的表现不同．当光与其他物质发生作用时，表现出粒子的性质；少量或个别光子易显示出光的粒子性；频率高波长短的光，粒子性显著．大量光子在传播时表现为波动性；频率低、波长长的光，波动性显著．
小练 随堂巩固
1．某小组做光电效应实验的电路如图所示，滑动变阻器滑片处于图示位置．用绿光照射阴极K时，电流表示数为零．能使电流表有示数的方法是 ( )
A．可将照射光改为红光
B．可将电源正负极调换
C．可改变阴极K的材料
D．可将滑动变阻器滑片向左移动
【答案】C
【解析】此时光电管加的是正向电压，电流表示数为零，说明没有发生光电效应．将照射光改为红光，则照射光频率减小，仍不会发生光电效应，A不符合题意；将电源正负极调换或将滑动变阻器滑片向左移动，仍不会发生光电效应，B、D不符合题意；改变阴极K的材料，当入射光子能量大于阴极材料的逸出功时即可发生光电效应，C符合题意．
2．白天的天空各处都是亮的，是大气分子对太阳光散射的结果．美国物理学家康普顿由于在这方面的研究而荣获了1927年的诺贝尔物理学奖．假设一个运动的光子和一个静止的自由电子碰撞以后，电子向某一个方向运动，光子沿另一方向散射出去，则这个散射光子跟原来的光子相比 ( )
A．频率变大 B．速度变小
C．光子能量变大 D．波长变长
【答案】D
3．(多选)用极微弱的可见光做双缝干涉实验，随着时间的增加，在屏上先后出现如图甲、乙、丙所示的图像，则下列说法正确的是( )
A．图像甲表明光具有粒子性 B．图像丙表明光具有波动性
C．实验表明光是一种概率波 D．实验表明光是一种电磁波
【答案】ABC
【解析】用很弱的光做双缝干涉实验得到的图片上的一个一个无分布规律的光点，体现了光的粒子性，故A正确；经过较长时间曝光的图片丙，出现了明暗相间的条纹，波动性较为明显，本实验表明光是一种概率波，但不能表明光是一种电磁波，故B、C正确，D错误．
4．(多选)关于光电效应实验，下列表述正确的是 ( )
A．光照时间越长，光电子最大初动能越大
B．入射光足够强就可以有光电流
C．遏止电压与入射光的频率有关
D．入射光频率够大才能产生光电子
【答案】CD
5．(多选)对于光的波粒二象性的理解正确的是 ( )
A．大量光子的效果往往表现出波动性，个别光子的行为往往表现出粒子性
B．光在传播时是波，而与物质相互作用时就转变成粒子
C．高频光是粒子，低频光是波
D．波粒二象性是光的根本属性，有时它的波动性显著，有时它的粒子性显著
【答案】AD
【解析】光具有波粒二象性，大量光子显示波动性、个别光子显示出粒子性，光传播时显示波动性，与物质相互作用时显示粒子性，频率高显示粒子性，频率低显示波动性，而不是粒子和波转换．故B、C错误，A、D正确．
6．(多选)实验得到金属钙的光电子的最大初动能Ekm与入射光频率ν的关系如图所示．下表中列出了几种金属的截止频率和逸出功，参照下表可以确定的是 ( )
金属 钨 钙 钠
截止频率ν0/(×1014Hz) 10.95 7.73 5.53
逸出功W/eV 4.54 3.20 2.29
A．如用金属钨做实验得到的Ekm－ν图线也是一条直线，其斜率比图中直线的斜率大
B．如用金属钠做实验得到的Ekm－ν图线也是一条直线，其斜率比图中直线的斜率大
C．如用金属钠做实验得到的Ekm－ν图线也是一条直线，设其延长线与纵轴交点的坐标为(0，－Ek2)，则Ek2＜Ek1
D．如用金属钨做实验，当入射光的频率ν＜ν1时，不可能有光电子逸出
【答案】CD
【解析】由光电效应方程Ekm＝hν－W可知Ekm－ν图线是直线，且斜率相同，A、B错误；由表中列出的截止频率和逸出功数据可知，C正确；当入射光的频率小于金属钨的截止频率时，不发生光电效应，不可能有光电子逸出，D正确．(共47张PPT)
第四章 原子结构和波粒二象性
①物理观念：通过对原子结构、波粒二象性等内容的教学，完善学生对物质的认识，帮助学生形成相对完整、科学的物理观念、运动与相互作用观念．
②科学思维：对微观世界的研究，提出了各种模型，有汤姆孙原子模型、原子的核式结构模型、玻尔的原子模型，使我们知道物理学的研究需要建构模型；能对常见的物理现象进行简单分析；知道表达观点需要证据，质疑和创新的重要性．
③科学探究：通过光电效应实验的探究，引导学生认识光及实物粒子的波粒二象性，进一步认识光的本性．通过α粒子散射实验分析相关事实或结论，提出可探究的物理问题，作出初步的猜测与假设．
④科学态度与责任：通过关于原子结构以及波粒二象性等相关内容的学习，知道所有物理结论都必须接受实践的检验，在学习与研究中能与他人合作，做到实事求是，不迷信权威．
本章重点 ①黑体、量子论、能级、跃迁、能量量子化及基态、激发态等概念；②黑体辐射规律、光电效应规律、玻尔理论，核式结构理论；③α粒子散射实验，爱因斯坦光电效应方程，用玻尔的原子结构理论解释氢光谱．
本章难点 ①理解能量量子化，会用爱因斯坦光电效应方程解释光电效应实验现象；②α粒子散射实验的现象、方法和结果，原子的能级与跃迁；③用玻尔的原子结构理论解释氢原子光谱，了解玻尔理论的局限性．
1 普朗克黑体辐射理论
学习目标 学法与考法
1．知道什么是热辐射及热辐射的特性，了解黑体与黑体辐射(重点)
2．知道黑体辐射的实验规律，了解黑体辐射的强度与波长的关系(重点)
3．熟悉能量子的概念，理解能量量子化观念(难点) 学法：通过了解黑体、黑体辐射的概念，知道黑体辐射的实验规律，领悟以实验为基础的科学探究方法
考法：①考查对黑体、黑体辐射和黑体辐射的实验规律的理解；②考查对普朗克能量子的理解；③考查能量子的观点在实际中的应用
知识导图
课前 自主预习
黑体、黑体辐射与黑体辐射的实验规律
1．黑体与黑体辐射
(1)热辐射．
物体在任何温度下，都会发射________，温度不同，所发射的电磁波的________、________也不同，这种现象叫作热辐射．热辐射与物体的________有关．
(2)黑体．
能够____________入射到其表面的电磁波而不产生________的物体，我们称之为绝对黑体，简称黑体．
电磁波
频率
强度
温度
完全吸收
反射
2．黑体辐射的实验规律
(1)黑体辐射的实验规律．
黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体的_______有关．
①随着温度的升高，各种波长的辐射强度都_______；
②随着温度的升高，辐射强度的最大值向波长______的方向移动．
温度
增加
较短
(2)维恩公式和瑞利公式．
科学家从理论上解释黑体辐射的规律有维恩公式和瑞利公式．
①维恩公式：德国物理学家维恩从________理论出发，得到的公式只是在________部分与实验相符，________部分存在明显差异．
②瑞利公式：英国物理学家瑞利从经典电磁理论出发，得到的公式在_______部分与实验吻合，_______部分偏差较大，尤其在紫外线一端，当波长趋于零时，辐射强度趋于无穷大，人们称之为“紫外灾难”．
热力学
短波
长波
长波
短波
黑体是指黑颜色的物体吗？温度越高，黑体辐射电磁波的强度越大吗？
【答案】黑体看上去不一定是黑的，只有当自身辐射的可见光非常微弱时看上去才是黑的；有些可看作黑体的物体由于有较强的辐射，看起来还会很明亮．黑体辐射强度只和温度有关，是因为黑体不反射只吸收电磁波，而且自身还会发出电磁波；黑体辐射电磁波强度是和温度有关的，一般是温度越高辐射强度越大．
下列叙述正确的是 ( )
A．只有温度高的物体在辐射电磁波
B．一般物体辐射电磁波的情况只与温度有关
C．一般物体辐射电磁波的情况只与材料有关
D．黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体温度有关
【答案】D
【解析】根据热辐射定义知A错误；根据热辐射和黑体辐射的特点知一般物体辐射电磁波的情况除与温度有关外，还与材料种类和表面状况有关，而黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体温度有关，故B、C错误，D正确．
能量子
1．普朗克公式
德国物理学家普朗克对黑体辐射问题进行了系统的理论研究，推导出了普朗克公式，把它与实验数据进行比较，发现与实验结果“令人满意地相符”．
2．普朗克设想
(1)黑体的空腔壁是由大量振子组成的，其能量E只能是某一______________hν的整数倍，即E＝nhν(n＝1，2，3，…)，式中ν为振子的频率，h是一个常量，h＝__________________．
(2)最小能量hν叫作________．在微观世界中能量________变化，只能取________，这种现象叫作能量的________．
3．意义
普朗克能量子假设，使人类对__________的本质有了全新的认识，对现代物理学的发展产生了________的影响．
最小能量值
6.63×10－34 J·s
能量子
不连续
分立值
量子化
微观世界
革命性
为了得出与实验相符的黑体辐射公式，普朗克提出了什么样的观点？
【答案】普朗克认为，带电微粒的能量只能是某一最小能量值ε的整数倍，当带电微粒辐射或吸收能量时，也只能是辐射或吸收某个最小能量值的整数倍．
(多选)对于带电微粒的辐射和吸收能量时的特点，以下说法正确的是 ( )
A．以某一个最小能量值一份一份地辐射或吸收
B．辐射或吸收的能量是某一最小值的整数倍
C．辐射和吸收的能量是量子化的
D．辐射的能量是量子化的，吸收的能量是连续的
【答案】ABC
【解析】带电微粒辐射和吸收能量时是以最小能量值——能量子ε的整数倍一份一份地辐射或吸收的，是不连续的．故A、B、C正确，D错误．
课堂 重难探究
－对黑体与黑体辐射的实验规律的理解
1．对黑体的理解
绝对的黑体实际上是不存在的，但可以用某装置近似地代替．如图所示，如果在一个空腔壁上开一个小孔，那么射入小孔的电磁波在空腔内表面会发生多次反射和吸收，最终不能从空腔射出，这个小孔就成了一个绝对黑体．
2．一般物体与黑体的比较
比较 热辐射特点 吸收、反射特点
一般物体 辐射电磁波的情况与温度有关，与材料的种类及表面状况有关 既吸收又反射，其能力与材料的种类及入射波长等因素有关
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 完全吸收各种入射电磁波，不反射
3．黑体辐射的实验规律
(1)温度一定时，黑体辐射强度随波长的分布有一个极大值．
(2)随着温度的升高：
①各种波长的辐射强度都有增加；
②辐射强度的极大值向波长较短的方向移动．如图所示．
对黑体与黑体辐射的理解
例1 关于对黑体的认识，下列说法正确的是 ( )
A．黑体只吸收电磁波，不反射电磁波，看上去是黑的
B．黑体辐射电磁波的强度按波长的分布除与温度有关外，还与材料的种类及表面状况有关
C．黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与温度有关，与材料的种类及表面状况无关
D．如果在一个空腔壁上开一个很小的孔，射入小孔的电磁波在空腔内表面经多次反射和吸收，最终不能从小孔射出，这个空腔就成了一个黑体
【答案】C
【解析】黑体自身辐射电磁波，不一定是黑的，A错误．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，B错误，C正确．小孔只吸收电磁波，不反射电磁波，因此小孔成了一个黑体，而不是空腔，D错误．
变式1 下列说法不正确的是 ( )
A．只有温度高的物体才会有热辐射
B．黑体可以向外界辐射能量
C．黑体也可以看起来很明亮，是因为黑体也可以有较强的辐射
D．黑体是一种理想模型，其辐射强度只与温度有关
【答案】A
【解析】任何物体在任何温度下都存在辐射，温度越高辐射的能量越多，A错误；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叫作黑体，黑体不反射电磁波，但可以向外辐射电磁波，有些黑体有较强的辐射，看起来也可以很明亮，B、C、D正确．
对黑体辐射的实验规律的理解
例2 (多选)热辐射是指所有物体在一定的温度下都要向外辐射电磁波的现象，辐射强度是指垂直于电磁波传播方向上的单位面积上单位时间内所接收到的辐射能量．在研究某一黑体热辐射时，得到了四种温度下黑体热辐射的强度与波长的关系如图．图中横轴表示电磁波的波长，纵轴表示某种波长电磁波的辐射强度，则由辐射强度图线可知，同一黑体在不同温度下 ( )
A．向外辐射同一波长的电磁波的辐射强度相同
B．辐射强度的极大值随温度升高而向短波方向移动
C．向外辐射的电磁波的总能量随温度升高而减小
D．向外辐射的电磁波的波长范围是相同的
【答案】BD
【解析】从图中可以看出，温度越高，向外辐射同一波长的电磁波的辐射强度越大，故A错误；从图中可以看出，辐射强度的极大值随温度升高而向短波方向移动，故B正确；从图中可以看出，向外辐射的电磁波的总能量随温度升高而增强，故C错误；从图中可以看出，黑体可以辐射出任何频率的电磁波，故向外辐射的电磁波的波长范围是相同的，故D正确．
变式2 (2023年武汉模拟)人们认识量子论的第一步始于对黑体辐射实验规律的解释，如图画出了T1、T2，两种温度下黑体的辐射强度与其辐射光波长的关系，下列说法正确的是( )
A．T1＜T2
B．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
C．随着温度升高，波长短的辐射强度增大，波长长的辐射强度减小
D．爱因斯坦提出的能量子假说很好地解释了黑体辐射的实验规律
【答案】B
【解析】对于黑体辐射，温度越高，辐射强度越强，且极大值向着波长较短的方向移动，因此根据图像可知，T1＞ T2，A错误；黑体辐射随着波长越短、温度越高则辐射越强，B正确；随着温度升高，各种波长的辐射强度均增大，但辐射强度的极大值向着波长较短的方向移动，C错误；普朗克提出了能量子假说并根据能量子假说很好地解释了黑体辐射的实验规律，破除了“能量是连续变化的”传统观念，D错误．
1．热辐射不一定要高温，任何温度的物体都发出一定的热辐射，只是温度低时辐射弱，温度高时辐射强．
2．黑体是一个理想化的物理模型，实际不存在．
3．黑体看上去不是一定是黑的，只有当自身辐射的可见光非常微弱时看上去才是黑的；有些可看作黑体的物体由于有较强的辐射，看起来还会很明亮，例如：炼钢炉口上的小孔．一些发光的物体(如太阳、白炽灯灯丝)也被看作黑体来处理．
1．概念：普朗克认为，带电微粒的能量只能是某一最小能量值ε的整数倍，当带电微粒辐射或吸收能量时，也只能是辐射或吸收某个最小能量值的整数倍，即：ε，1ε，2ε，3ε，. . . ，nε(n为正整数，称为量子数)．也就是以这个最小能量值为单位一份一份地辐射或吸收的，这个不可再分的最小能量值ε叫作能量子．
能量子大小：对于频率为ν的谐振子最小能量为ε＝hν，h是普朗克常量(h＝6.626×10－34 J·s)．一般取h＝6.63×10－34 J·s．
对能量子的理解
2．能量的量子化：在微观世界里，能量不能连续变化，只能取分立值，这种现象叫作能量的量子化．
意义：可以非常合理地解释某些电磁波的辐射和吸收的实验现象．
3．能量量子化的理解：
(1)物体在发射或接收能量的时候，只能从某一状态“飞跃”地过渡到另一状态，而不可能停留在不符合这些能量的任何一个中间状态．
(2)在宏观尺度内研究物体的运动时我们可以认为：物体的运动是连续的，能量变化是连续的，不必考虑量子化；在研究微观粒子时必须考虑能量量子化．
(3)能量子的能量ε＝hν，其中，h是普朗克常量，ν是电磁波的频率．
4．发光功率与单个光子能量的关系：发光功率P＝n·ε，其中n为单位时间发出的光子数目，ε为单个光子能量．
对能量子的理解
例3 某激光器能发射波长为λ的激光，发射功率为P，c表示光速，h表示普朗克常量，则激光器每秒发射的能量子数为 ( )
【答案】C
变式3 “神光Ⅱ”装置是我国规模最大的高功率固体激光系统，利用它可以获得能量为2 400 J、波长λ＝0.35 μm的紫外激光．已知普朗克常量h＝6.63×10－34 J·s，则该紫外激光所含光子数为多少？(计算结果保留3位有效数字)
解：紫外激光的波长已知，由此可求得紫外激光能量子的值，再根据紫外激光发射的总能量为2 400 J，即可求得紫外激光所含光子数．
紫外激光能量子的值为
则该紫外激光所含光子数
解有关能量子问题的技巧
2．把握宏观能量E＝Pt与微观能量子ε的关系：E＝nε．
3．正确建立模型．
小练 随堂巩固
1．下列宏观概念是“量子化”的是 ( )
A．物体的质量 B．木棒的长度
C．花生米的粒数 D．物体的动能
【答案】C
【解析】粒数的数值只能取正整数，不能取分数或小数，因而是不连续的，是量子化的．其他三个物理量的数值都可以取小数或分数，甚至取无理数也可以，因而是连续的，非量子化的．故只有C正确．
2．所谓黑体是指能全部吸收入射的电磁波而不发生反射的物体．显然，自然界不存在真正的黑体，但许多物体在某些波段上可近似地看成黑体．如图所示，用不透明的材料制成的带小孔的空腔，可近似地看作黑体．这是利用了 ( )
A．控制变量法 B．类比法
C．比值法 D．理想化方法
【答案】D
【解析】黑体实际上是物理模型，把实际物体近似看作黑体，用到的是理想化方法，D正确，A、B、C错误．
3．普朗克在研究黑体辐射的基础上，提出了量子理论，下列描绘两种温度下黑体辐射强度与波长关系的图中，符合黑体辐射实验规律的是 ( )
【答案】D
【解析】黑体辐射以电磁辐射的形式向外辐射能量，温度越高，辐射越强越大，故A、C错误．黑体辐射的波长分布情况也随温度而变，如温度较低时，主要以不可见的红外光进行辐射，在500 ℃以至更高的温度时，则顺次发射可见光以至紫外辐射．即温度越高，辐射的电磁波的波长越短，故B错误，D正确．
4．(多选)以下关于辐射强度与波长关系的说法中正确的是 ( )
A．物体在某一温度下只能辐射某一固定波长的电磁波
B．当铁块呈现黑色时，说明它的温度不太高
C．当铁块的温度较高时会呈现赤红色，说明此时辐射的电磁波中该颜色的光强度最强
D．早、晚时分太阳呈现红色，而中午时分呈现白色，说明中午时分太阳温度最高
【答案】BC
【解析】由辐射强度随波长变化关系图知，随着温度的升高，各种波长的波的辐射强度都增加，而热辐射不是仅辐射一种波长的电磁波，B、C正确．
5．1900年德国物理学家普朗克在研究黑体辐射时提出了一个大胆的假说，即能量子假说，关于能量子假说，下列说法不正确的是( )
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．能量子假说中将每一份能量单位，称为“能量子”
C．能量子假说中的能量子的能量ε＝hν，ν为带电微粒的振动频率，h为普朗克常量
D．能量子假说认为能量是连续的，不可分割的
【答案】D
【解析】能量子假说认为，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，A正确；能量子假说认为，物质发射(或吸收)能量时，能量不连续，是一份一份进行的，每一份能量单位，称为“能量子”，B正确；能量子的能量ε＝hν，其中ν为带电微粒的振动频率，h为普朗克常量，C正确；能量子假说认为，物质发射(或吸收)能量时，能量不是连续的，D错误．
