近代物理初步.参考学生版.doc

近代物理初步考试要求内容基本要求略高要求较高要求光电效应发生光电效应的结论有关光电效应方程的计算原子模型汤姆生原子模型、汤姆生原子模型、波尔原子模型有关氢原子能级跃迁的计算原子核天然放射现象、核反应方程、半衰期有关半衰期、质量亏损方程的计算相对论相对论的两个基本假设质量速度关系、长度速度关系、时间速度关系知识点睛一、光电效应1光电效应实验光的电磁说，使光的理论发展到相当完美的地步，取得了巨大成就，但是并不能解释所有的光现象，光电效应现象的出现，光的电磁说遇到了不可克服的困难演示光电效应实验：锌板被光照后，验电器带正电，说明从锌板表面上发射出电子在光（包括不可见光）照射下从物体发射出电子（光子）的现象叫做光电效应2光电效应结论（1）任何一种金属，都有一个极限频率，入射光的频率必须大于这个极限频率，才能产生光电效应；低于这个频率的光不能产生光电效应（2）光电子的最大初动能与入射光的强度无关，只随入射光的频率的增大而增大（3）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（4）当入射光的频率大于极限频率时，光电流的强度与入射光的强度成正比3光电效应与光的电磁说的冲突光的电磁说不能解释前三条实验结论（1）按照光的电磁说，光是电磁波，是变化的电场与变化的磁场的传播入射光照射到金属上时，金属中的自由电子受变化电场的驱动力作用而做受迫振动，增大入射光的强度，光波的振幅增大，当电子做受迫振动的振幅足够大时，总可挣脱金属束缚而逸出，成为光电子，不应存在极限频率（2）按照光的电磁说，光的强度应由光波的振幅决定，因此光电子的最大初动能应与入射光的强度有关（3）按照光的电磁说，光电子的产生需要较长的时间而不是瞬间光电磁说与光电效应现象产生了尖锐的矛盾是谁最终成功地解释了光电效应现象？4光子说年德国物理学家普朗克在研究“电磁场辐射的能量分布”时发现，只有认为电磁波的发射和吸收不是连续的，而是一份一份地进行的，每一份的能量等于 ，理论计算的结果才能跟实验事实完全符合普朗克恒量爱因斯坦在上述学说的启发下,于年提出光的光子说,在空间传播的光也不是连续的,而是一份一份的,每一份叫做一个光子,光子的能量与频率成正比. 光子说对光电效应的解释:光子的能量只与光的频率有关，金属中的电子吸收的光子的频率越大，电子获得的能量也就越多，当能量足以使电子摆脱金属束缚时就能从金属表面逸出，成为光电子因而存在一个能使电子获得足够能量的频率，即极限频率上述解释同样能解释光电效应第二条结论电子吸收了光子后，动能立刻就增加了，不需要能量的积累过程，因此光电子的发射几乎是瞬时的根据能量守恒定律: (光电方程)5光电效应的应用（1）将光能量转化成其它能量，将太阳能转化为化学能太阳能电池（2）用来检查光信号（3）光电管光电管：如图所示光电管是利用光电效应把光信号转化为电信号的器件为抽成真空的光电管，是石英窗口，光线可通过它照射到金属板上，金属板和组成一对电极与外部电路相连接光源为白炽灯，在光源和石英窗口之间插入不同颜色的滤光片可以改变入射光的频率，光源的亮度可以通过另一套装置调节 制成光电管，可将光信号转化为声音信号如电影，以前需一边放一边配音，现在则不用了，直接得声音信号（4）自动化装置、无线电传真和光纤通信技术中二、光的波粒二象性1波粒二象性光的干涉、衍射、偏振现象和光的电磁说，证明光具有波动性；光电效应现象和光子说证明光具有粒子性.无法用其中的一种性质解释所有光现象，所以认定光既有粒子性，又有波动性，即具有波粒二象性.2波粒二象性的统一不能把光当成宏观概念中的波或粒子，因为宏观世界的波动性与粒子性是对立的，而光的波动性与粒子性是统一在同一客体光子上了.个别光子表现为粒子性，大量光子的行为表现为波动性;频率大的光子粒子性明显，而频率小的光子波动性明显;当光子和其他物质发生相互作用时往往显示粒子性，光在传播过程中往往显示波动性.3光波是一种概率波光的干涉、衍射现象等是大量光子的运动遵守波动规律的表现，亮条纹是光子到达概率大的地方，暗条纹是光子到达概率小的地方，因而光波又叫概率波.三、原子模型1汤姆生模型（枣糕模型）汤姆生发现了电子，使人们认识到原子有复杂结构2卢瑟福的核式结构模型（行星式模型）粒子散射实验是用粒子轰击金箔，结果是绝大多数粒子穿过金箔后基本上仍沿原来的方向前进，但是有少数粒子发生了较大的偏转这说明原子的正电荷和质量一定集中在一个很小的核上卢瑟福由粒子散射实验提出：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，带负电的电子在核外空间运动由粒子散射实验的实验数据还可以估算出原子核大小的数量级是10-15m3玻尔模型（引入量子理论，量子化就是不连续性，整数n叫量子数）（1）玻尔的三条假设（量子化）轨道量子化 能量量子化： 原子在两个能级间跃迁时辐射或吸收光子的能量（2）从高能级向低能级跃迁时放出光子，从低能级向高能级跃迁时可能是吸收光子，也可能是由于碰撞（用加热的方法，使分子热运动加剧，分子间的相互碰撞可以传递能量）原子从低能级向高能级跃迁时只能吸收一定频率的光子；而从某一能级到被电离可以吸收能量大于或等于电离能的任何频率的光子（如在基态，可以吸收E 13.6eV的任何光子，所吸收的能量除用于电离外，都转化为电离出去的电子的动能）（3）玻尔理论的局限性由于引进了量子理论（轨道量子化和能量量子化），玻尔理论成功地解释了氢光谱的规律但由于它保留了过多的经典物理理论（牛顿第二定律、向心力、库仑力等），所以在解释其他原子的光谱上都遇到很大的困难4光谱和光谱分析（1）炽热的固体、液体和高压气体发出的光形成连续光谱（2）稀薄气体发光形成线状谱（又叫明线光谱、原子光谱）根据玻尔理论，不同原子的结构不同，能级不同，可能辐射的光子就有不同的波长所以每种原子都有自己特定的线状谱，因此这些谱线也叫元素的特征谱线根据光谱鉴别物质和确定它的化学组成，这种方法叫做光谱分析这种方法的优点是非常灵敏而且迅速只要某种元素在物质中的含量达到，就可以从光谱中发现它的特征谱线四、天然放射现象 1天然放射现象天然放射现象的发现，使人们认识到原子核也有复杂结构2各种放射线的性质比较种 类本 质质量（u）电荷（e）速度（c）电离性贯穿性射线氦核4+20.1最强最弱，纸能挡住射线电子1/1840-10.99较强较强，穿几mm铝板射线光子001最弱最强，穿几cm铅版三种射线在匀强磁场、匀强电场、正交电场和磁场中的偏转情况比较：如（1）、（2）图所示，在匀强磁场和匀强电场中都是比的偏转大，不偏转；区别是：在磁场中偏转轨迹是圆弧，在电场中偏转轨迹是抛物线（3）图中肯定打在O点；如果也打在O点，则必打在O点下方；如果也打在O点，则必打在O点下方五、核反应1核反应类型（1）衰变：衰变：（核内） 衰变：（核内） +衰变：（核内） 衰变：原子核处于较高能级，辐射光子后跃迁到低能级（2）人工转变：（发现质子的核反应） （发现中子的核反应） （人工制造放射性同位素）（3）重核的裂变： 在一定条件下（超过临界体积），裂变反应会连续不断地进行下去，这就是链式反应（4）轻核的聚变：（需要几百万度高温，所以又叫热核反应）所有核反应的反应前后都遵守：质量数守恒、电荷数守恒（注意：质量并不守恒）2半衰期放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间叫半衰期（对大量原子核的统计规律）计算式为：，N表示核的个数 ，此式也可以演变成 或，式中m表示放射性物质的质量，n 表示单位时间内放出的射线粒子数以上各式左边的量都表示时间t后的剩余量半衰期由核内部本身的因素决定，跟原子所处的物理、化学状态无关3放射性同位素的应用（1）利用其射线：射线电离性强，用于使空气电离，将静电泄出，从而消除有害静电射线贯穿性强，可用于金属探伤，也可用于治疗恶性肿瘤各种射线均可使DNA发生突变，可用于生物工程，基因工程（2）作为示踪原子用于研究农作物化肥需求情况，诊断甲状腺疾病的类型，研究生物大分子结构及其功能（3）进行考古研究利用放射性同位素碳14，判定出土木质文物的产生年代六、核能1核能核反应中放出的能叫核能2质量亏损核子结合生成原子核，所生成的原子核的质量比生成它的核子的总质量要小些，这种现象叫做质量亏损3质能方程爱因斯坦的相对论指出：物体的能量和质量之间存在着密切的联系，它们的关系是：E = mc2，这就是爱因斯坦的质能方程质能方程的另一个表达形式是：E=mc2以上两式中的各个物理量都必须采用国际单位在非国际单位里，可以用1u=931.5MeV它表示1原子质量单位的质量跟931.5MeV的能量相对应在有关核能的计算中，一定要根据已知和题解的要求明确所使用的单位制4释放核能的途径凡是释放核能的核反应都有质量亏损核子组成不同的原子核时，平均每个核子的质量亏损是不同的，所以各种原子核中核子的平均质量不同核子平均质量小的，每个核子平均放的能多铁原子核中核子的平均质量最小，所以铁原子核最稳定凡是由平均质量大的核，生成平均质量小的核的核反应都是释放核能的5核反应堆目前的所有正式运行的核电站都是应用裂变发电的核反应堆的主要组成是：（1）核燃料用浓缩铀（能吸收慢中子的铀235占3%4%）（2）减速剂用石墨或重水（使裂变中产生的中子减速，以便被铀235吸收）（3）控制棒用镉做成（镉吸收中子的能力很强）（4）冷却剂用水或液态钠（把反应堆内的热量传输出去用于发电，同时使反应堆冷却，保证安全）（5）水泥防护层用来屏蔽裂变产物放出的各种射线6氢原子中的电子云对于宏观质点，只要知道它在某一时刻的位置和速度以及受力情况，就可以应用牛顿定律确定该质点运动的轨道，算出它在以后任意时刻的位置和速度对电子等微观粒子，牛顿定律已不再适用，因此不能用确定的坐标描述它们在原子中的位置玻尔理论中说的“电子轨道”实际上也是没有意义的更加彻底的量子理论认为，我们只能知道电子在原子核附近各点出现的概率的大小在不同的能量状态下，电子在各个位置出现的概率是不同的如果用疏密不同的点子表示电子在各个位置出现的概率，画出图来，就像一片云雾一样，可以形象地称之为电子云7粒子物理学到19世纪末，人们认识到物质由分子组成，分子由原子组成，原子由原子核和电子组成，原子核由质子和中子组成20世纪30年代以来，人们认识了正电子、子、K介子、介子等粒子后来又发现了各种粒子的反粒子（质量相同而电荷及其它一些物理量相反）现在已经发现的粒子达400多种，形成了粒子物理学按照粒子物理理论，可以将粒子分成三大类：媒介子、轻子和强子，其中强子是由更基本的粒子夸克组成从目前的观点看，媒介子、轻子和夸克是没有内部结构的“点状”粒子七、相对论1. 狭义相对论的基本假设（1）狭义相对性原理：在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的.（2）光速不变原理：真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的，光速与光源、观察者间的相对运动没有关系.2. 质速关系（1）物体以速度运动时质量与静止时的质量之间有如下关系：.（2），故，微观粒子的运动速度很高时，其质量会明显大于静止质量.3. 质能方程：（是物体的质量，是它具有的能量）例题精讲【例1】 在光电效应实验中，下述结论中正确的是（ ）A发生光电效应时，使入射光的强度增大，单位时间内产生的光电子数也随之增加 B发生光电效应时，使入射光的波长减小，有可能不产生光电子C紫光照射能产生光电子，则射线照射一定能产生光电子 D发生光电效应时，使入射光的频率增大，产生的光电子最大初动能也一定增大【例2】 用绿光照射一光电管，能产生光电效应，欲使光电子从阴极逸出时最大初动能增大，应（ ）A改用红光照射B增大绿光强度C增大光电管上的加速电压D改用紫光照射【例3】 利用光电管产生光电流的电路如图所示电源的正极应接在 端（填或）；若电流表读数为，则每秒从光电管阴极发射的光电子至少是 个（已知电子电荷量为）【例4】 如图所示，当开关断开时，用光子能量为的一束光照射阴极，发现电流表读数不为零合上开关，调节滑动变阻器，发现当电压表读数小于时，电流表读数仍不为零；当电压表读数大于或等于时，电流表读数为零由此可知阴极材料的逸出功为（ ）AB C D【例5】 用某种频率的紫外线分别照射铯、锌、铂几种金属，从铯中发射出的光电子的最大初动能是，从锌中发射出的光电子的最大初动能是，铂没有光电子射出，则对这三种金属逸出功大小的判断下列结论正确的是 （ ）A铯的逸出功最大，铂的逸出功最小B锌的逸出功最大，铂的逸出功最小C铂的逸出功最大，铯的逸出功最小D铂的逸出功最大，锌的逸出功最小【例6】 分别用波长为和的单色光照射同一金属板，发出的光电子的最大初动能之比为以表示普朗克常量，表示真空中的光速，则此金属板的逸出功为（ ）A B C D【例7】 卢瑟福的粒子散射实验结果表明了（ ）A原子核是由质子和中子组成的，质子带正电，中子不带电B某些原子核容易发生衰变，自身变成另一种元素的原子核C原子的正电部分和几乎全部质量都集中在体积很小的核上，整个原子很空旷D电子是原子的组成部分，原子不可再分的观念被打破【例8】 下列说法正确的是（ ）A太阳辐射的能量主要来自太阳内部的核裂变反应B汤姆生发现电子，表明原子具有核式结构C一束光照射到某种金属上不能发生光电效应，是因为该束光的波长太短D按照玻尔理论，氢原子核外电子从半径较小的轨道跃迁到半径较大的轨道时，电子的动能减小，原子总能量增大【例9】 氢原子的能级图如图所示欲使一处于基态的氢原子释放出一个电子而变成氢离子，该氢原子需要吸收的能量至少是 （ ）ABCD【例10】 如图所示为氢原子能级图，可见光的光子能量范围约为. 下列说法正确的是（ ）A. 大量处在的高能级的氢原子向能级跃迁时，发出的光有一部分是可见光B. 大量处在的氢原子向能级跃迁时，发出的光是紫外线C. 大量处在能级的氢原子向能级跃迁时，发出的光都应具有显著的热效应D. 处在能级的氢原子吸收任意频率的紫外线光子都能发生电离【例11】 现有l200个氢原子被激发到一量子数为4的能级上，若这些受激氢原子最后都回到基态，则在此过程中发出的光子总数是（假定处在量子数为的激发态的氢原子跃迁到各较低能级的原子数都是处在该激发态能级上的原子总数的）（ ）A2 200 B2 000C1 200D2 400【例12】 如图所示为氢原子的能级示意图，一群氢原子处于的激发态，原子在向较低能级跃迁的过程中向外发出光子若用这些光照射逸出功为的金属钠，则下列说法正确的是（ ）A这群氢原子能发出三种频率不同的光，其中从跃迁到发出的光波长最短B这群氢原子能发出两种频率不同的光，其中从跃迁到所发出的光频率最高C金属钠表面所发出的光电子的初动能最大值为D金属钠表面所发出的光电子的初动能最大值为【例13】 图中为放在匀强电场中的天然放射源，其放出的射线在电场的作用下分成、三束，以下判断正确的是（ ）A为射线，为射线B为射线，为射线C为射线，为射线D为射线，为射线【例14】 一置于铅盒中的放射源发射的和射线，由铅盒的小孔射出，在小孔外放一铝箔后，铝箔后的空间有一匀强电场进入电场后，射线变为两束，射线沿原来方向行进，射线发生了偏转，如图所示，则图中的射线为_射线，射线为_射线【例15】 人类认识原子结构和开发利用原子能经历了十分曲折的过程.请按要求回答下列问题.（1）卢瑟福、玻尔、查德威克等科学家在原子结构或原子核的研究方向做出了卓越的贡献. 请选择其中的两位，指出他们的主要成绩. . .在贝克勒尔发现天然放射现象后，人们对放射线的性质进行了深入研究，如图所示为三种射线在同一磁场中的运动轨迹，请从三种射线中任选一种，写出它的名称和一种用途 .（2）在可控核反应堆中需要给快中子减速，轻水、重水和石墨等常用作减速剂.中子在重水中可与核碰撞减速，在石墨中与核碰撞减速.上述碰撞可简化为弹性碰撞模型.某反应堆中快中子与静止的靶核发生对心正碰，通过计算说明，仅从一次碰撞考虑，用重水和石墨作减速剂，哪种减速效果更好？【例16】 在下列核反应方程中，代表质子的方程是 （ ）ABCD【例17】 下列说法不正确的是 （ ）A是聚变B是裂变C是衰变D是裂变【例18】 是一种半衰期为年的