高中物理粤教版 (2019)必修 第三册第五节 量子化现象导学案

第五节　量子化现象

学习目标：1.[物理观念]知道光子说及其对光电效应的解释。　2.[物理观念]知道光的波粒二象性。　3.[物理观念]知道玻尔原子理论的基本假设的主要内容。

一、光是一种电磁波

光与电磁波的物理本质是一致的，光是一种电磁波，它通过电场和磁场的相互激发可以在真空中传播。物理学家赫兹用实验证实了电磁波的存在，并且证明了电磁波和光一样具有反射、折射、干涉等性质。

二、能量子假说

1．能量子

能量的发射和吸收不是连续的，只能是一份一份的进行。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＝6.626×10－34 J·s.(一般取h＝6.63×10－34 J·s)

三、光子假说

1．光电效应定义

光照射在金属上时，有时会有电子从金属表面逸出的现象。

2．光电子

光电效应中逸出来的电子。

3．光电效应的实验规律

用不同频率的光去照射阴极时，发现光的频率越高，光电子动能越大，频率低于某一数值时，不论光的强度多大，都不能产生光电子。

4．爱因斯坦的光子说

(1)内容

光不仅在发射和吸收时能量是一份一份的，而且光本身就是由一个个不可分割的能量子组成的，频率为ν的光的能量子为hν，这些能量子称为光子。

(2)光子能量

公式为ε＝hν，其中ν指光的频率。

(3)解释：光照射到金属表面上时，能量为hν的光子被电子所吸收，电子把这些能量中的一部分用来脱离金属表面，另一部分是电子离开金属表面时的动能。如果光子的能量大于电子脱离金属表面所需的能量，则电子脱离金属表面产生光电子，且光的强度越大，光电子越多，否则无论光的强度多大，都无法产生光电子。

四、光的波粒二象性

1．光即具有波动性又具有粒子性的性质称为光的波粒二象性。

2．概率波：概率大的地方落下的光子多，形成亮纹；概率小的地方落下的光子少，形成暗纹。

五、原子结构的玻尔理论

1．玻尔原子理论的基本假设：电子轨道半径量子化，电子只能在某些特定的轨道上运动，电子在不同轨道上具有不同的能量，这些量子化的能量值称为能级，只有当电子在不同轨道之间跃迁时，才辐射光子。

2．局限性：成功的解释了氢原子的稳定性和氢原子光谱的分立特征，但是这一理论没有彻底摆脱经典物理学理论的束缚。

1．正误判断(正确的打“√”，错误的打“×”)

(1)能量子的能量不是任意的，其大小与电磁波的频率成正比。   (√)

(2)电子能吸收任意频率的光子发生跃迁。 (×)

(3)玻尔理论能成功地解释氢光谱。 (√)

(4)金属表面是否发生光电效应与入射光的强弱有关。 (×)

(5)入射光若能使某金属发生光电效应，则入射光的强度越大，照射出的光电子越多。  (√)

2．在光电效应实验中，用单色光照射某种金属表面，有光电子逸出，则光电子的最大初动能取决于入射光的 (　　)

A．频率　　　B．强度　　　C．照射时间　D．光子数目

A　[光电子的最大初动能只与入射光的频率有关，与其它无关。而光照强度，照射时间及光子数目与逸出的光电子数量的关，故A正确，BCD错误。]

3．(多选)关于电磁场和电磁波，正确说法是(　　)

A．电磁波传播速度总是 3×108 m/s

B．电磁波是一种物质，可以在真空中传播

C．电场和磁场总是相互联系，它们统称为电磁场

D．光是一种电磁波

BD　[电磁波只有在真空中传播速度才是3×108 m/s，故A错误；电磁场本身就是一种物质，可以不依赖物质传播。故B正确；变化的电场和变化的磁场是相互联系的，它们统称为电磁场，故C错误；光是一种电磁波。故D正确。]

1．光子与光电子：光子指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，光照射金属是因，产生光电子是果。

2．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。

3．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hν与入射光子数n的乘积。即光强等于nhν。

【例1】　(多选)一束绿光照射某金属发生了光电效应，已知紫光的频率大于绿光则下列说法正确的是(　　)

A．若增加绿光的照射强度，则逸出的光电子数增加

B．若增加绿光的照射强度，则逸出的光电子最大初动能增加

C．若改用紫光照射，则可能不会发生光电效应

D．若改用紫光照射，则逸出的光电子的最大初动能增加

AD　[光电效应的规律表明：入射光的频率决定着是否发生光电效应以及发生光电效应时产生的光电子的最大初动能的大小，当入射光频率增加后，产生的光电子最大初动能也增加，而照射光的强度增加，会使单位时间内逸出的光电子数增加，又知紫光频率高于绿光，故选项正确的有A、D。]

关于光电效应的两点提醒

(1)发生光电效应时需满足：照射光的光子的能量ε＞W0。

(2)光电子的最大初动能只与照射光的频率及金属的逸出功有关，而与照射光的强弱无关，强度大小决定了逸出光电子的数目多少。

1．某单色光照射某金属时不能产生光电效应，则下述措施中可能使该金属产生光电效应的是(　　)

A．延长光照时间

B．增大光的强度

C．换用频率较高的光照射

D．换用频率较低的光照射

C　[光照射金属时能否产生光电效应，取决于入射光的频率是否大于金属的截止频率，与入射光的强度和照射时间无关，故选项A、B、D均错误，所以选项C正确。]

1.

2．大量光子表现出波动性，个别光子表现出粒子性，光具有波粒二象性。

【例2】　有关光的本性，下列说法正确的是(　　)

A．光既具有波动性，又具有粒子性，两种性质是不相容的

B．光的波动性类似于机械波，光的粒子性类似于质点

C．大量光子才具有波动性，个别光子只具有粒子性

D．由于光既具有波动性，又具有粒子性，无法只用其中一种去说明光的一切行为，只能认为光具有波粒二象性

D　[光既具有波动性，又具有粒子性，但它又不同于宏观观念中的机械波和粒子。波动性和粒子性是光在不同情况下的不同表现，是同一客体的两个不同侧面、不同属性，我们无法用其中的一种去说明光的一切行为，只能认为光具有波粒二象性。只有选项D正确。]

1光既有波动性又有粒子性，二者是统一的。

2光表现为波动性，只是光的波动性显著，粒子性不显著而已。

3光表现为粒子性，只是光的粒子性显著，波动性不显著而已。

2．(多选)对光的认识，下列说法中正确的是(　　)

A．个别光子的行为表现为粒子性，大量光子的行为表现为波动性

B．光的波动性是光子本身的一种属性，不是光子之间的相互作用引起的

C．光表现出波动性时，就不具有粒子性了；光表现出粒子性时，就不具有波动性了

D．光的波粒二象性应理解为：在某种场合下光的波动性表现明显，在另外某种场合下，光的粒子性表现明显

ABD　[个别光子的行为表现为粒子性，大量光子的行为表现为波动性；光与物质相互作用，表现为粒子性，光的传播表现为波动性；光的波动性与粒子性都是光的本质属性，因为波动性表现为粒子分布概率，光的粒子性表现明显时仍具有波动性，因为大量粒子的个别行为呈现出波动规律，故正确选项有A、B、D。]

1．轨道量子化

轨道半径只能够是一些不连续的、某些分立的数值。

2．能量量子化

电子在可能轨道上运动时，尽管是变速运动，但它并不释放能量，原子是稳定的。

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，高能级Em低能级En。

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。玻尔将这种现象叫做电子的跃迁。

【例3】　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至另一半径为rb的轨道，已知ra＞rb，则在此过程中(　　)

A．原子发出一系列频率的光子

B．原子要吸收一系列频率的光子

C．原子要吸收某一频率的光子

D．原子要辐射某一频率的光子

D　[因为是从高能级向低能级跃迁，所以应放出光子，故B、C错误；“直接”从一能级跃迁到另一能级，只对应某一能级差，故只能放出某一频率的光子，故A错误，D正确。]

解决玻尔原子模型问题的两个关键

(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．(多选)根据玻尔理论，以下说法正确的是(　　)

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不连续的

D．原子能级跃迁时，辐射或吸收光子的能量取决于两个轨道的能量差

BCD　[根据玻尔理论，电子绕核运动有加速度，但并不向外辐射能量，也不会向外辐射电磁波，故选项A错误，选项B正确；玻尔理论中的第二条假设，就是电子绕核运动可能的轨道半径是量子化的，不连续的，选项C正确；原子在发生能级跃迁时，要放出或吸收一定频率的光子，光子能量取决于两个轨道的能量差，故选项D正确。]

1．预言了电磁波的存在，而且还揭示了电、磁、光现象在本质上是统一的物理学家是(　　)

A．洛伦兹　　B．赫兹　　C．法拉第　　D．麦克斯韦

D　[麦克斯韦从理论上预言了电磁波的存在，揭示了电、磁、光现象在本质上是统一的。ABC错误，D正确。]

2．下列关于光电效应现象的表述中，错误的表述是(　　)

A．光电效应是指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

B．光电效应存在截止频率

C．照射光光强太弱时不可能发生光电效应

D．光电效应几乎是瞬时发生的

C　[光电效应是指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，选项A正确，不符合题意；光电效应存在截止频率，当入射光的频率大于截止频率时才能发生光电效应，选项B正确，不符合题意；能否发生光电效应与入射光的强度无关，只与光的频率有光，选项C错误，符合题意；光电效应几乎是瞬时发生的，不需要时间积累，选项D正确，不符合题意。]

3．物理学家做了一个有趣的实验：在光屏处放上照相用的底片。若减弱光的强度，使光子只能一个一个地通过狭缝。实验结果表明，如果曝光时间不太长，底片只能出现一些不规则的点子；如果曝光时间足够长，底片上就会出现规则的干涉条纹，对这个实验结果有下列认识，其中正确的是(　　)

A．曝光时间不长时，底片上只能出现不规则的点子，表现出光的波动性

B．单个光子通过双缝后的落点可以预测

C．只有大量光子的行为才能表现出光的粒子性

D．干涉条纹中明亮的部分是光子到达机会较多的地方

D　[曝光时间不太长时，底片上只能出现一些不规则的点子，表现出单个光子的粒子性，故A项错误；光子的粒子性指的是微观实物粒子的粒子性，故单个光子通过双缝后的落点无法预测，故B项错误；题目中说：如果曝光时间足够长，底片上就会出现规则的干涉条纹。说明大量光子表现为波动性，故C项错误；光子到达的多的区域表现为亮条纹，而光子到达的少的区域表现为暗条纹，故D项正确。]

4．原子光谱的发现说明(　　)

A．原子的能量是连续的

B．原子的能量是量子化的

C．只有氢原子的能量是量子化的

D．所有物质的能量都是连续的

B　[原子光谱说明原子的能量是量子化的，不只是氢原子是这样，所有物质的原子都是这样的，故B项正确，A、C、D三项错误。]

5．(多选)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，下列说法属于能量子假说内容的是(　　)

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E＝hν，ν为辐射的频率，h为普朗克常量

D．能量子假说认为能量是连续的，是不可分割的

ABC　[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，故A项符合题意，D项不符合题意；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，每一份能量单位，称为“能量子”， 能量子的能量E＝hν，ν为辐射的频率，h为普朗克常量，故B、C两项正确。]