2023届高考物理一轮复习：第31讲 原子物理

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第31 讲 原子物理
知识图谱
原子物理
知识精讲
一．波粒二象性
1．光电效应
（1）光电效应实验
在光的照射下物体发射电子的现象，叫做光电效应，发射出来的电子叫做光电子。光通过小窗照到阴极
K上，在光的作用下，电子从电极 K逸出，并受电场加速而形成电流，这种电流称为光电流。
（2）光电效应规律
任何一种金属都对应一个极限（截止）频率，入射光频率必须大于极限频率才会产生光电效应。
（3）光电子的最大初动能与入射光的强度无关，只随着入射光频率的增大而增大。
（4）当入射光频率大于极限频率时，保持频率不变，光电流的强度与入射光的强度成正比。
（5）入射光照到金属上时，光电子的发射几乎是瞬时的，一般不超过 10－9 s。
（6）爱因斯坦光电效应方程：Ek＝hν－W0，W0表示金属的逸出功，若 νc表示金属的极限频率，则 W0＝
hνc。
为了解释光电效应的所有实验结果，1905 年爱因斯坦推广了普朗克关于能量子的概念，提出了光子说，
光子说能够很好地解释光电效应。把光子的概念应用于光电效应时，爱因斯坦认为一个光子的能量是传递给
金属中的单个电子的。电子吸收一个光子后，把能量的一部分用来挣脱金属对它的束缚，余下的一部分就变
成电子离开金属表面后的动能 。
（7）康普顿效应
光子与石墨中的电子发生碰撞后，成分中出现波长变长的光子的现象。康普顿因此获得 1927 年的诺贝尔物理
学奖。
康普顿效应证实了光子不仅具有能量，也具有动量，入射光和电子的作用可以看成弹性碰撞，则当光子与电
子碰撞时，光子的一些能量转移给了电子，光子与静止电子碰撞后，电子的运动方向，则碰撞过程中动量守恒，
能量守恒，碰后光子可能沿 1方向运动，并且波长变长。
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，深入揭示了光的粒子性的一面，
也再次证明了爱因斯坦光子说的正确性。光电效应应用于电子吸收光子的问题，而康普顿效应讨论光子与电子碰
撞且没有被电子吸收的问题。
3．用图象表示光电效应的规律
（1） 图象
根据爱因斯坦光电效应方程 Ek＝hν－W0，光电子的最大初动能 Ek是入射光频率 ν的一次函数，图象如图
所示，其横轴截距为金属的极限频率 νc，纵轴截距是金属的逸出功的负值，斜率为普朗克常量 h。
（2）IU 图象
光电流强度 I随光电管两极间电压 U的变化图象，如图所示，图中 Im为饱和光电流，Uc为遏止电压。在
一定的光照条件下，单位时间内阴极发射的光电子的数目是一定的，光电流随着电压的增加而增加，但是当
电流增加到一定值之后，即使电压再增大，因此存在 饱和电流。当电压减小为零时，电流并不为零，说明，
只有施加反向电压，在光电管的两极形成减速的电场，电流才有可能为零。遏止电压 Uc的存在说明，光电子
具有一定的初速度。利用 可得光电子的最大初动能。
（3）存在截止频率
任何一种金属都有一个极限频率 ，入射光的频率低于 “极限频率”时，无论入射光多强，都不能
发生光电效应，这个极限频率称为截止频率。实验表明，不同的金属的截止频率不同。
4．实物粒子的波粒二象性——实物粒子的波动性
（1）德布罗意波（物质波）：任何运动的实物粒子都有一种波长与之对应：
λ=h
P
；任何粒子都有一种
频率与之对应：
ν=ε
h
。
科学家在实验室里，用晶体做了电子束衍射（波的特性）实验，得到了电子束的衍射图样，从而证明了
实物粒子也具有波动性，如图所示。
二．原子的结构
1．电子的发现
（1）电子的发现
汤姆孙发现，用不同材料的阴极和不同的方法做实验，所得比荷的数值是相等的。这说明，这种粒子是
构成各种物质的共有成分。汤姆生把新发现的这种粒子称之为电子。
2．原子的核式结构模型
（1）α粒子散射实验的原理
（2）原子的核式结构模型的提出：
绝大多数α粒子不偏移，说明原子内部绝大部分是“空”的。
少数α粒子发生较大偏转，说明原子内部有“核”存在。
极少数α粒子被弹回表明，作用力很大；质量很大；电量集中。
实验中发现极少数α粒子发生了大角度偏转，甚至反弹回来，表明这些 α粒子在原子中某个地方受到了
质量、电量均比它本身大得多的物体的作用，可见原子中的正电荷、质量应都集中在一个中心上。
（3）原子核的电荷和大小
原子半径的数量级是m，而原子核半径的数量级是m，但几乎占有全部质量，电子在正电体的
外面运动。原子核的半径只相当于原子半径的万分之一。
3．氢原子光谱
（1）氢原子光谱的实验规律
实验装置：玻璃管中稀薄气体的分子在强电场的作用下会电离，成为自由移动的正负电荷，于是气体变
成导体，导电时会发光。当玻璃管中充入氢气时，就可以获得氢原子光谱图。
（2）氢原子光谱的理解
特征：只有几种特定频率的光；光谱是一些分立的亮线；
1885 年，瑞士物理学家巴尔末提出氢原子光谱线的波长公式：
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