【走向高考】高考物理总复习 选35第2讲 波粒二象性原子结构与原子核课件.ppt

温故自查一 光电效性1 光电效应 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 3 对光电效应规律的解释 二 光的波粒二象性光的本性 光既具有波动性 又具有粒子性 即光具有考点精析一 光电效应中入射光强度 频率的影响情况1 入射光频率 决定光子能量 决定光电子最大初动能 2 入射光强度 决定单位时间内接收的光子数 决定单位时间内发射的光电子数 波粒二象性 二 ekm 曲线1 曲线 如图 2 由曲线可以得到的物理量 1 极限频率 图线与 轴交点的横坐标 0 2 逸出功 图线与ekm轴交点的纵坐标的值w0 e 3 普朗克常量 图线的斜率k h 温故自查1 1858年德国物理学家较早发现了气体导电时的辉光放电现象 德国物理学家研究辉光放电现象时认为这是从阴极发出的某种射线引起的 所以他把这种未知射线称之为阴极射线 2 对于阴极射线的本质 有大量的科学家做出大量的科学研究 主要形成了两种观点 1 电磁波说 代表人物 认为这种射线的本质是一种电磁波的传播过程 普吕克尔 戈德斯坦 赫兹 2 粒子说 代表人物 认为这种射线的本质是一种高速粒子流 3 美国物理学家密立根利用油滴实验测量出电子的电量 密立根通过实验还发现 电荷具有量子化的特征 即任何电荷只能是e的整数倍 电子的质量 m kg 电子的电荷量 e 汤姆孙 9 1 10 31 1 6 10 19c 考点精析英国物理学家汤姆孙在研究阴极射线时发现了电子 实验装置如下图所示 从高压电场的阴极发出的阴极射线 穿过c1c2后沿直线打在荧光屏a 上 1 当在平行极板上加一如图所示的电场 发现阴极射线打在荧光屏上的位置向下偏 则可判定 阴极射线带有负电荷 2 为使阴极射线不发生偏转 则请思考可在平行极板区域采取什么措施 温故自查1 汤姆孙通过对的研究发现电子 说明原子也是可分的 2 卢瑟福用 粒子轰击金箔 发现 粒子穿过金箔后仍沿原方向前进 的 粒发生较大角度偏转 极少数发生大角度偏转 达到180 而反向弹回 阴极射线 绝大多数 少数 个别的 3 卢瑟福提出原子核式结构学说 在原子的中心有一个很小的核 叫它集中了原子的和几乎全部 带负电的电子在核外绕核旋转 从 粒子散射实验可以估计出原子核的大小约为考点精析1 粒子散射实验 1 实验装置 如下图所示 原子核 全部正电荷 质量 10 14m 2 实验条件 金属箔是由重金属原子组成 很薄 厚度接近单原子的直径 全部设备装在真空环境中 因为 粒子很容易使气体电离 在空气中只能前进几厘米 显微镜可在底盘上旋转 可在360 的范围内进行观察 3 实验结果 粒子穿过金箔后 绝大多数沿原方向前进 少数发生较大角度偏转 极少数偏转角度大于90 甚至被弹回 粒子的大角度散射现象无法用汤姆孙的原子模型解释 粒子散射实验的结果揭示了 原子内部绝大部分是空的 原子内部有一个很小的 核 2 原子的核式结构卢瑟福对 粒子散射实验结果进行了分析 于1911年提出了原子的核式结构学说 在原子的中心有一个很小的核 叫做原子核 原子的全部正电荷和几乎所有的质量都集中在原子核里 带负电的电子在核外空间里绕着核旋转 原子核所带的单位正电荷数等于核外电子数 原子的直径大约是10 10m 原子核的直径约为10 15 10 14m 3 核式结构模型对 粒子散射实验的解释 1 因为原子核很小 原子的大部分空间是空的 大部分 粒子穿过金箔时离核很远 受到的库仑力很小 运动几乎不受影响 因而大部分 粒子穿过金箔后 运动方向几乎不改变 2 只有少数 粒子从原子核附近飞过 受到原子核的库仑力较大 才发生较大角度的偏转 温故自查1 光谱 复色光经过色散以后形成的彩色图案称为光谱 2 发射光谱 物体发光直接产生的光谱叫做发射光谱 发射光谱有连续光谱和明线光谱两种 连续光谱由炽热的固体 液体或高压气体所发出的光形成 明线光谱是稀薄气体或蒸气发出的光生成的 原子的特征光谱为明线光谱 不同原子的明线光谱不同 3 吸收光谱 吸收光谱是温度很高的光源发出来的白光 通过温度较低的蒸气或气体后产生的 太阳光谱为吸收光谱 2 卢瑟福的原子核式结构模型与经典电磁理论的矛盾主要有两点 按照经典电磁理论 电子在绕核做加速运动的过程中 要向外辐射电磁波 因此能量要减少 电子轨道半径也要变小 最终会落到原子核上 因而原子是不稳定的 电子在转动过程中 随着转动半径的缩小 转动频率不断增大 辐射电磁波的频率不断变化 因而大量原子发光的光谱应该是连续光谱 然而事实上 原子是稳定的 原子光谱也不是连续光谱而是线状光谱 温故自查1 玻尔的原子模型 是以假说的形式提出来的 它包括以下三方面的内容 1 轨道假设 即轨道是的 只能是某些分立的值 2 定态假设 即不同的轨道对应着不同的状态 这些状态中原子是的 不向外辐射能量 量子化 能量 稳定 3 跃迁假设 原子在不同的状态具有不同的 从一个定态向另一个定态跃迁时要一定频率的光子 该光子的能量等于这两个状态的2 能级 在玻尔模型中 原子的可能状态是的 因此各状态对应的能量也是的 这些能量值叫能级 3 基态与激发态 能量状态叫做基态 其他能量状态叫激发态 能量 辐射或吸收 能级差 不连续 不连续 最低的 4 光子的发射与吸收 原子由激发态向基态跃迁时发射出光子 由基态向激发态跃迁时要光子 光子的频率与能级的关系 考点精析1 对原子跃迁条件的理解 1 原子从低能级向高能级跃迁 吸收一定能量的光子 当一个光子的能量满足h e末 e初时 才能被某一个原子吸收 使原子从低能级e初向高能级e末跃迁 而当光子能量h 大于或小于e末 e初时都不能被原子吸收 吸收 h em en 温故自查1 天然放射现象 某些元素放射某些射线的现象称为天然放射现象 这些元素称2 三种射线的本质 射线是 射线是 射线是 自发地 放射性元素 氦核流 电子流 电磁波 考点精析贝克勒耳发现天然放射现象 揭开了人类研究原子核结构的序幕 通过对天然放射现象的研究 人们发现原子序数大于83的所有天然存在的元素都有放射性 原子序数小于83的天然存在的元素有些也具有放射性 它们放射出来的射线共有三种 三种射线的本质和特征对比如下表 温故自查1 定义 原子核自发地放出某种粒子而转变为的变化叫原子核的2 分类 1 衰变 zax z 2a 4y 24he同时放出 射线 2 衰变 zax z 1ay 10e同时放出 射线 新核 衰变 3 半衰期 1 定义 放射性元素的原子核发生衰变需要的时间 2 半衰期的大小由放射性元素的原子核内部本身的因素决定 跟原子所处的 如压强 温度等 或 如单质或化合物 无关 有半数 物理状态 化学状态 4 放射性同位素及应用 1 同位素有些原子的原子核电荷数 但质量数 这样一些具有相同核电荷数和不同中子数的原子互称为同位素 2 放射性同位素的应用 放射性同位素放出的射线应用于工业 探伤 农业 医疗等 作示踪原子 相同 不同 考点精析1 三种衰变的实质 1 衰变 衰变的实质是其元素的原子核同时放出由两个质子和两个中子组成的粒子 即氦核 每发生一次 衰变 新元素与原元素比较 核电荷数减少2 质量数减少4 即 zax z 2a 4y 24he 2 衰变 衰变的实质是其元素的原子核内的一个中子变成质子时放射出一个电子 每发生一次 衰变 新元素与原元素比较 核电荷数增加1 质量数不变 即zax z 1ay 10e 3 衰变 衰变是伴随着 衰变或 衰变同时发生的 衰变不改变原子核的电荷数和质量数 其实质是放射性原子核在发生 衰变或 衰变时 产生的某些新核由于具有过多的能量 核处于激发态 而辐射出光子 2 原子核衰变时遵守三个守恒电荷数守恒 质量数守恒和动量守恒 3 半衰期放射性衰变可理解为由不稳定原子核自发地放射粒子而变成另一原子核的过程 而且并非所有的原子核同时衰变成子核 但无论谁先谁后 谁快谁慢 母核的数目将随时间而不断减少 半衰期就是指放射性元素的原子核半数发生衰变所需的时间 它反映着放射性物质衰变速率的大小 每种放射性元素都有一定的半衰期 是物质的核的属性 与外界条件无关 温故自查1 核反应 在核物理学中 原子核在其他粒子的轰击下产生新的过程 2 原子核的人工转变 用轰击靶核 产生另一种的方法 如应用原子核的人工转变的三大发现的核反应如下 1 1919年卢瑟福用轰击氮原子核 产生了氧的同位素 第一次实现了原子核的人工转变 并发现了质子 其核反应方程为714n 817o 11h 原子核 高能粒子 新核 粒子 24he 2 1932年查德威克用轰击铍核 发现了中子 其核反应方程为49be 612c 01n 3 1934年约里奥 居里夫妇用人工方法发现了放射性同位素 同时发现了正电子 其核反应方程为1327al 24he 1530p 01n 1530p 1430si 粒子 24he 10e 考点精析1 核反应的四种类型 2 书写原子核的核反应方程时应注意 1 核反应方程一般都不是可逆的 所以核反应方程只能用单向箭头表示反应方向 不能用等号连接 2 核反应的生成物一定要以实验为基础 不能凭空只依据两个守恒规律杜撰出生成物来写核反应方程 3 核反应遵循质量数守恒而不是质量守恒 核反应方程中反应前后的总质量一般会发生变化 质量亏损 且释放出核能 4 当放射性物质发生连续衰变时 原子核中有的发生衰变 有的不发生衰变 同时伴随着辐射 温故自查1 核力 之间的相互作用力叫核力 它是短程力 2 核能 由于原子核间存在核力 所以核子成原子核或原子核为核子时均伴随着巨大的能量变化 这种能量称为核能 3 质能方程 核子 结合 分裂 e mc2 e mc2 考点精析核能的计算方法1 根据爱因斯坦质能方程列式计算 即 e mc2 m的单位 kg 2 根据1原子质量单位 u 相当于931 5兆电子伏能量 则 e m 931 5mev m的单位 u 1u 1 6606 10 27kg 温故自查1 重核的裂变 重核俘获一个中子后分裂成两个 或多个 中等质量核的反应过程 重核裂变的同时放出几个中子 并释放出核能 如 92235u 01n 3692kr 56141ba 301n 2 轻核的聚变 某些轻核结合成质量较大的核的反应过程 同时释放出大量的核能 要想使氘核和氚核结合成氦核 必须达到的高温 因此聚变反应又叫热核反应 如 12h 13h 24he 01n 几百万度以上 3 裂变反应堆 又称核反应堆 简称反应堆 反应堆主要由以下几部分组成 考点精析1 热核反应在宇宙中是很普遍的 太阳内部和许多恒星内部 温度高达107k以上 热核反应在那里激烈地进行着 太阳每秒钟辐射出来的能量约为3 8 1026j 就是热核反应产生的 地球只接受了其中的二十二亿分之一 就使地面温暖 万物生长 但是目前除了氢弹以外 人们还不能控制聚变反应 所以还无法和平利用聚变时释放的核能 核燃料 减速剂 控制棒 冷却剂 反射层 2 热核反应和裂变反应相比 具有许多优越性 首先 热核反应释放的能量 就相同质量的核燃料来讲 比裂变反应大 再有 裂变时产生放射性物质 处理起来比较困难 热核反应在这方面的问题要简单得多 第三 热核反应所用的燃料 氘 在地球上的储量非常丰富 1l海水中大约有0 038g氘 如果用来进行热核反应 放出的能量和燃烧300l汽油相当 因此 海水中的氘就是异常丰富的能源 命题规律考查对光电效应规律的理解和爱因斯坦光电效应方程的应用 考例1 2010 浙江理综 在光电效应实验中 飞飞同学用同一光电管在不同实验条件下得到了三条光电流与电压之间关系曲线 甲光 乙光 丙光 如图所示 则可判断出 a 甲光的频率大于乙光的频率b 乙光的波长大于丙光的波长c 乙光对应的截止频率大于丙光的截止频率d 甲光对应的光电子最大初动能大于丙光的光电子最大初动能 答案 b 2010 四川理综 用波长为2 0 10 7m的紫外线照射钨的表面 释放出来的光电子中最大的动能是4 7 10 19j 由此可知 钨的极限频率是 普朗克常量h 6 63 10 34j s 光速c 3 0 108m s 结果取两位有效数字 a 5 5 1024hzb 7 9 1014hzc 9 8 1014hzd 1 2 1015hz 答案 b 命题规律考查光的波粒二象性的理解 物质波的理解 考例2 人类对光的本性的认识经历了曲折的过程 下列关于光的本性的陈述正确的是 a 牛顿的 微粒说 与爱因斯坦的 光子说 本质上是一样的b 任何一个运动着物体 都具有波动性c 麦克斯韦预言了光是一种电磁波d 光波是概率波 解析 牛顿的 微粒说 是牛顿所描绘的那种遵循经典力学规律的机械微粒 与 光子说 不同 故选项a错 任何一个运动着的物体 都具有波动性 这种波叫做物质波 故选项b对 光子在空间各点出现的概率 可以用波动规律来描述 即光波是概率波 选项d对 答案为bcd 答案 bcd 物理学家做了一个有趣的实验 在双缝干涉实验中 在光屏处放上照相底片 若减弱光电流的强度 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 底片上只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 正确的是 a 曝光时间不长时 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无法预测c 干涉条纹中明亮的部分是光子到达机会较多的地方d 只有大量光子的行为才能表现出光的粒子性 答案 bc 解析 由于光波是一种概率波 故b c正确 a中的现象说明了光的粒子性 个别光子的行为才通常表现出粒子性 故a d错误 命题规律考查 粒子散射实验条件 实验现象 实验结论 考例3 在 粒子散射实验中 粒子穿过某一金属原子核附近的示意图 如图所示 a b c分别位于两个等势面上 则以下说法中正确的是 a 粒子在a处的速度比在b处的速度小b 粒子在b处的速度最大c 粒子在a c两处的速度大小相等d 粒子在b处的速度比在c处的速度要小 解析 从a到b 电场力做负功 粒子的速度减小 从b到c 电场力做正功 粒子的速度增大 所以选项a b错 d正确 由于a c处于同一等势面上 根据动能定理得粒子在a c两处的速度大小相等 所以选项c也正确 答案 cd 卢瑟福的原子核式结构理论的主要内容有 a 原子的中心有个核叫原子核b 原子的正电荷均匀分布在整个原子中c 原子全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里d 带负电的电子在核外绕着核旋转 答案 acd 解析 卢瑟福的原子核式结构结论的主要内容是 在原子的中心有一个很小的核 叫做原子核 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里绕核旋转 由此可见b选项错 a c d选项正确 命题规律考查对玻尔理论的理解和氢原子跃迁 电离能量的计算 考例4 2010 重庆理综 氢原子部分能级的示意图如图所示 不同色光的光子能量如下表所示 处于某激发态的氢原子 发射的光的谱线在可见光范围内仅有2条 其颜色分别为 a 红 蓝 靛b 黄 绿c 红 紫d 蓝 靛 紫 解析 该题考查了氢原子跃迁过程中的能量问题 由能级图可知 可见光范围内的光子是从高能级跃迁到第2能级产生的 由于仅有两条 氢原子处于第4能级 两种光子的能量分别为 e1 3 4 1 51 ev 1 89ev e2 3 4 0 85 ev 2 55ev a选项正确 答案 a 2010 山东理综 大量氢原子处于不同能量激发态 发生跃迁时放出三种不同能量的光子 其能量值分别是 1 89ev 10 2ev 12 09ev 跃迁发生前这些原子分布在 个激发态能级上 其中最高能级的能量值是 ev 基态能量为 13 6ev 答案 2 1 51 命题规律考查原子核发生 衰变 衰变的次数及反应方程的书写 考例5