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15近代物理學 15 1近代物理學的起源15 2近代物理學的重大發現15 3原子結構15 4原子核15 5核能15 6核能發電 15 1近代物理學的起源 回章目錄 黑體輻射圖示 輻射能量密度 的圖形量子論與卜朗克 相對論與愛因斯坦量子論及相對論是近代物理學之兩大基石 黑體輻射 熱物體都會發射電磁波 送出能量 稱為熱輻射 如果輻射的能量等於吸收的能量 則物體的溫度不變 稱為熱平衡 若物體只吸收能量而不反射 則此物體稱為黑體 將一中空的密封物體鑿一小孔 則只有極少之能量從小孔射出 稱為黑體輻射 blackbodyradiation 回節目錄 圖示 輻射能量密度 的圖形 回節目錄 量子論與卜朗克 相對論與愛因斯坦 為解決黑體輻射之難題 卜朗克提出 量子論 卜朗克1857年誕生於德國 因黑體輻射而提出量子論 1918年獲得諾貝爾物理獎 愛因斯坦於1905年發表相對論 relativity 認為乙太根本不存在 愛因斯坦提出相對論 利用量子論圓滿解釋光電效應 曾向美國羅斯福總統建議製造原子彈1921年獲得諾貝爾物理獎 回節目錄 15 2近代物理學的重大發現 量子論愛因斯坦的量子論與光電效應圖示 光電效應實驗相對論X射線 回章目錄 量子論 卜朗克假設物質 原子 和輻射 電磁輻射 交換能量時 吸收和放射 是以有限的單位 進行的 這基本單位 稱為量子 quantum 即必交換 2 3 等 的整數倍 不能以 的非整數倍來進行能量交換 這量子與頻率 成正比 即 h h稱為卜朗克常數 其值為6 63 10 34焦耳 秒 回節目錄 愛因斯坦的量子論與光電效應 愛因斯坦將卜朗克的量子論加以推廣 他認為當電磁波在空間傳播時 亦展現有能量的 粒子 光量子 性質 電磁波一方面在空間作連續性的傳播波動 另一方面也有槍彈式的光量子性質 這些光量子的能量為 h 一如卜朗克所假設 同時亦有動量p 一如力學中的質點 其關係為 愛因斯坦便基於量子的觀點來解釋光電效應 結果與實驗結果相符合 回節目錄 圖示 光電效應實驗 回節目錄 相對論 1905年愛因斯坦基於 對做相對等速運動的兩位觀測者而言 不只是力學定律 所有的物理學定律都一樣的 相對原理 及 真空中光速是定值的 光速不變原理 發表 特殊相對論 1915 1916年 愛因斯坦又提出了不只適用特殊的場合 而且也適用於一般相對運動的廣義相對論 回節目錄 X射線 1895年 侖琴發現陰極射線管旁邊的螢光板會發光 用黑紙密封的底片有感光現象 經研究結果 知道是陰極射線管的正極所射出的射線 可穿透手上的肌肉而在底片上留下手骨的現象 且不受電磁場的影響 因性質未明 故稱為 X射線 X射線與光一樣同是電磁波 但波長甚短 0 1 10 左右 回節目錄 15 3原子結構 湯木生實驗圖示 湯木生測量電子的 比實驗裝置拉塞福實驗圖示 拉塞福 粒子散射實驗波耳原子模型圖示 氫原子之能階圖 氫原子光譜的系列例題一 回章目錄 湯木生實驗 1897年湯木生設計儀器 測定電子的荷質比 隨後他發現其他來源的帶負電的粒子其 均為一定 顯示為同一粒子 稱為電子 electron 湯木生認為原子為帶有正電的均勻球體 電子分布其間 有如布丁夾著葡萄乾 且達成正負電均衡狀態 回節目錄 圖示 湯木生測量電子的 比實驗裝置 回節目錄 拉塞福實驗 1911年拉塞福作金箔散射實驗 利用天然放射性元素的 粒子去撞擊金箔 發現散射角極小 0 的數目很大 角大則數目急遽減少 但也有散射到 90 的 能夠使 粒子產生散射的物質 一定不是電子 因電子太輕 且帶負電 而是帶正電且為原子質量所在的極小區域 稱為原子核 nucleus 電子繞著原子核旋轉 有如行星繞太陽 回節目錄 圖示 拉塞福 粒子散射實驗 回節目錄 波耳原子模型 波耳原子模型 1 穩定態假定 2 頻率假定 1 2 得到氫原子 1 半徑r 0 053n2 nm 2 主要特性 能量量子化 特定軌道 不連續光譜 回節目錄 圖示 氫原子之能階圖 回節目錄 圖示 氫原子光譜的系列 回節目錄 例題一 氫原子的電子從n 2的受激態回到n 1的基態 問其輻射的電磁波頻率為多少 回節目錄 15 4原子核 原子核的組成三種放射線 粒子 粒子 粒子表 常見的同位素 回章目錄 原子核的組成 1932年英國的查兌克 J Chadwick 發現原子核內有不帶電的中子 原子核由質子和中子組成 Z為質子數 N為中子數 A為質量數 則A Z N相同原子序的元素 如果中子數不同 他們雖有相同的化學性質 但因原子核不同 因此有不同的物理性質 稱為同位素 原子序大於92者 稱為超鈾元素 乃是利用人為的方法在原子爐中製造出來的 回節目錄 三種放射線 粒子 粒子 粒子 粒子 帶正電的氦核 任何一元素放出一個 粒子 原子序減2 質量數減4 粒子 帶負電的高速電子 任何一元素放出一個 粒子後 其質量數不變 而原子序加1 射線 高能量的電磁波 波長甚短 當原子核處於受激態時 放出 射線 使降至較低能階 原子核放出 射線時 原子序及質量數均不改變 回節目錄 表 常見的同位素 回節目錄 15 5核能 核分裂 fission 核融合 fusion 例題二 回章目錄 核分裂 fission 如用中子撞擊 則鈾核會分裂 或為及 或為及 並放出很多能量 稱為核分裂 其反應為 回節目錄 能量的來源是分裂後的質量小於分裂前的質量 利用相對論E mc2轉換得來的 核融合 fusion 由輕原子融合成為重原子核放出大量能量之反應稱為核融合 此種反應在極高溫度下方能發生 反應方程式有甚多 如 回節目錄 例題二 在某一核反應中 反應後的質量較反應前少了0 1公克 問反應中放出多少能量 解 由E mc2得 回節目錄 15 6核能發電 核能發電圖示 典型核能電廠裝置