【半成品】原子物理讲义.doc

原子物理知识体系一、光的波粒二象1.黑体辐射理论热辐射：一切物体都在辐射电磁波，辐射与物体的温度有关。黑体：能够完全吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射。能量子：普朗克认为振动着的带电微粒的能量只能是某一最小能量值的整数倍。当带电微粒辐射或吸收能量时，也以这个最小能量值为单位一份一份地辐射或吸收。这个不可再分的最小能量值叫能量子。，h为普朗克常量，是电磁波的频率。黑体辐射的实验规律：如图所示，由图可知：随着温度的升高，各种波长的辐射强度都会增加；辐射强度的极大值向波长较短的方向移动。 2.光的粒子性光电效应定义：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叫做光电效应。逸出的电子叫光电子。实验规律：存在饱和光电流、遏止电压和截止频率，光电效应具有瞬时性。爱因斯坦光电效应方程光子说：光本身就是由一个个不可分割的能量子组成的，频率为的每个光子的能量为，这些能量子为光子。逸出功（）：使电子脱离某金属表面所做的功的最小值。数学表达式：康普顿效应在散射光中，波长变长的现象。注意：光电效应和康普顿效应揭示了光的粒子性。3.光电效应实验规律（特别重要） 电路图如图所示： （1）存在饱和光电流 在光照不变时，所加电压增大，光电流增大、当电流增大到一定值时，即使电压再增大，电流也不再增大，达到一个饱和值。如图所示。入射光越强，饱和光电流越大，说明入射光越强，单位时间内发射光电子数越多。 （2）存在着遏止电压和截止频率 使光电流减小到零的反向电压称为遏止电压。，为光电子的最大初速度，同一频率的光，遏止电压相同，与光强弱无关。入射光的频率减小到某一值时，减小到零，即不施加反向电压也没有光电流，称为截止频率或极限频率。 光电子的能量与入射光的频率有关，而与入射光的强弱无关。当入射光的频率低于截止频率时不能发生光电效应，不同金属的截止频率不同。 （3）光电效应具有瞬时性 当时，无论光多微弱，也会产生光电效应，光电子的发射时间不超过s。光电效应中的重要结论 经典电磁理论只能解释：光越强，光电流越大。 按照光的经典电磁理论，还应得出如下结论： 光越强，光电子的初动能应该越大，所以遏止电压应与光的强弱有关； 不管光的频率如何，只要光足够强，电子都可获得足够能量从而逸出金属表面，不应存在截止频率； 如果光很弱，按经典电磁理论估算，电子需几分钟到十几分钟的时间才能获得逸出表面所需的能量，这个时间远远大于s，所有这些结论都与实验结果相矛盾。此外，对于遏止电压与光的频率的关系，经典电磁理论更是无法解释。4.光的粒子性光子说很好地解释了光电效应的规律 （1）爱因斯坦光电效应方程表明，光电子的初动能与入射光的频率成线性关系，与光强无关。只有当时，才有光电子逸出，就是光电效应的截止频率。 （2）电子一次性吸收光子的全部能量，不需要积累能量的时间，光电流几乎是瞬时发生的。 （3）光强较大时，包含的光子数较多，照射金属时产生的光电子数越多，因而饱和电流越大。光子说十分成功地解释了康普顿效应 X射线的光子不仅具有能量，也具有动量，与晶体中的电子碰撞，要遵守能量和动量守恒定律。当入射的光子与电子碰撞时，损失一部分动量给电子，动量变小，由，变大，所以散射光中有些光子波长变大。如图所示。 5.光的波粒二象性和物质波光的波粒二象性：光既具有波动性，又具有粒子性。物质波： 实物粒子（如电子、质子等）也具有波动性。频率，波长。概率波：光波是一种概率波。光子落在明纹处的概率大，落在暗纹处的概率小。个别光子表现出粒子性，大量光子表现出波动性。不确定性：，h为普朗克常量，表示粒子位置的不确定量，表示粒子在x方向上的动量的不确定量。光的本性学说发展史上的五个学说（了解） （1）牛顿的微粒说：认为光是高速粒子流。它能解释光的直进现象、光的反射现象。 （2）惠更斯的波动说：认为光是某种振动，以波的形式向周围传播。它能解释光的干涉和衍射现象。 （3）麦克斯韦的电磁说：认为光是电磁波。实验依据是赫兹实验证明了光与电磁波在真空中传播速度相等且均为横波。 （4）爱因斯坦的光子说：认为光的传播是一份一份的，每一份叫一个光子，其能量与它的频率成正比，即。光子说能成功地解释光电效应现象。 （5）德布罗意的波粒二象性学说：认为光是既有粒子性，又有波动性。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。二、原子结构1.电子的发现阴极射线的发现：19世纪，科学家研究稀薄气体放电，发现阴极发出一种射线阴极射线。电子的发现：汤姆孙确定阴极射线是由带负电的粒子组成，并测定出它的荷质比，之后用油滴实验测定了它的电量，确定它是组成各种物质的基本成分，称之为电子。电子的发现说明原子也是有结构的。2.原子的核式结构模型 粒子散射实验 （1）实验装置 （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，可在的范围内进行观察。 （3）实验现象 绝大多数粒子穿过金箔后仍沿原方向前进，少数粒子发生较大偏转，个别粒子偏转超过了有的甚至近。 （4）实验结论 原子有一个很小的核，它集中了原子的全部正电荷和几乎全部质量，电子绕核运转。这就是卢瑟福原子核式结构模型。 根据粒子散射实验的数据，可以估算原子核的大小为m。粒子散射现象的分析 （1）由于电子质量远远小于粒子的质量（电子质量约为粒子质量的1/7 300），即使粒子碰到电子，其运动方向也不会发生明显偏转，就像一颗飞行的子弹碰到尘埃一样，所以电子不可能使粒子发生大角度的散射。 （2）使粒子发生大角度散射的只能是原子核带正电的部分，按照汤姆孙的原子模型，正电荷在原子内是均匀分布的，粒子穿过原子时，它受到两侧正电荷的斥力有相当大一部分互相抵消，因而也不可能使粒子发生大角度偏转，更不可能把粒子反向弹回，这与粒子散射实验的结果相矛盾，从而否定了汤姆孙的原子模型。 （3）实验中，粒子绝大多数不发生偏转，少数发生较大的偏转，极少数偏转，个别甚至被弹回，都说明原子中绝大部分是空的，带正电的物质只能集中在一个很小的体积内（原子核）。粒子散射的实质 粒子散射的实质是带正电荷的粒子向固定的正电粒子靠近，由于斥力的作用，使粒子偏转，此过程中，开始电场力做负功，电势能增加，后来电场力做正功，电势能减小。3氢原子光谱 （1）氢光谱：如图所示。 （2）氢原子光谱的实验规律 巴耳末系是氢光谱在可见光区的谱线，其波长公式式中 R为里德伯常量，。4.氢原子的能级和能级图 原子各定态的能量值叫做原子的能级，能级图如图所示。 对于氢原子，其能级公式为，轨道半径公式为，其中n称为量子数，只能取正整数。 13.6eV，。相邻横线间的距离，表示相邻的能级差，量子数越大，相邻的能级差越小。5.氢原子的跃迁及电离 （1）氢原子受激发由低能级向高能级跃迁 当光子作用使原子发生跃迁时，只有光子能量满足的跃迁条件时，原子才能吸收光子的全部能量而发生跃迁。 当用电子等实物粒子作用在原子上，只要入射粒子的动能大于或等于原子某两“定态”能量之差，即可使原子受激发而向较高能级跃迁。 如果光子或实物粒子与原子作用而使原子电离（绕核电子脱离原子的束缚而成为“自由电子”，即的状态）时，不受跃迁条件限制，只不过入射光子能量越大，原子电离后产生的自由电子的动能越大。 （2）氢原子自发辐射由高能级向低能级跃迁 当一群氢原子处于量子数为n的激发态时，可能辐射出的光谱线条数为 当单个氢原子处于某个能级向低能级跃迁时，最多可能产生(n一1)个频率的光子。三、 原子核1.天然放射现象原子核的组成：原子核由质子和中子组成，质子与中子统称核子。天然放射现象：物质放射出射线、射线、射线的性质叫放射性；具有放射性的元素，叫放射性元三种射线的性质（特别重要）实质速度电离作用穿透能力衰变方程射线氦核流约为光速的十分之一很强很弱射线电子流约为光速的十分之几较弱很强射线电磁波光速很弱最强伴随和射线产生研究放射线的方法 2.原子核的衰变、半衰期 原子核由于放射出射线、射线、射线而转变为新核的变化叫做原子核的衰变。放射性元素的原子核有半数发生衰变需要的时间叫半衰期。 半衰期是反映衰变快慢的物理量，其长短由核内因素决定，与原子所处的物理状态或化学状态无关。衰变规律可用公式或表示。式中的、表示元素在t=0时的原子核数、质量，为半衰期，N、m表示这种元素的原子核在经过时间t后尚未衰变的原子核数与质量。 半衰期是一个对放射性元素的大量原子核而言的统计概念，对个别原子核来说没有什么意义，因此上述两式也只适用于大量原子核。3.放射性同位素 具有放射性的同位素叫做放射性同位素。放射性同位素有天然和人造两种。 放射性同位素的应用 （1）利用它放射出的射线 利用射线来检查金属内部有没有砂眼和裂纹； 利用射线的电离作用消除静电积累，防止静电产生的危害； 利用射线对生物组织的物理、化学效应，使种子发生变异，培育优良品种； 利用放射线的能量，轰击原子核实现原子核的人工转变； 在医疗上，常用以控制病变组织的扩大。 （2）作为示踪原子 把放射性同位素的原子搀到其他物质中去，让它们一起运动、迁移，再用放射性探测仪器进行追踪，就可知道放射性原子通过什么路径，运动到哪里了，是怎样分布的等。我们把做这种用途的放射性同位素叫做示踪原子。 在工业上可用示踪原子检查地下输油管道的漏油情况； 在农业生产中，可用示踪原子确定植物在生长过程中所需的肥料和合适的施肥时间； 在医学上，可用示踪原子帮助确定肿瘤的部位和范围； 在生物科学研究方面，放射性同位素示踪法在生物化学和分子生物学领域应用极为广泛。它为揭示体内和细胞内变化过程的秘密，阐明生命活动的物质基础起了极其重要的作用，使生物化学从静态进入动态，从细胞进入分子水平，阐明了一系列重大问题。使人类对生命基本现象的认识开辟了一条新的途径。4.原子核衰变规律（特别重要）衰变类型衰变方程衰变实质衰变规律衰变2个质子和2个中子结合成一个整体射出电荷数守恒、质量数守恒衰变中子转化为质子和电子理解：（1）射线是伴随着衰变和衰变同时产生的，放出射线不改变原子核的质量数和电荷数，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）当放射性物质发生连续衰变时，原子核中有的发生衰变，有的发生衰变，同时伴随辐射，这时就同时具有三种射线。 （3）核反应中一般会发生质量变化，但仍然遵循质量数守恒。5.物理学史上的几个核反应方程 （1）发现质子的核反应方程（第一次实现原子核的人工转变）： （卢瑟福） （2）发现中子的核反应方程： （查德威克） （3）发现放射性同位素的核反应方程：（同时发现了正电子） （约里奥居里夫妇） 核反应方程的书写 常见的核反应分为衰变、人工转变、裂变、聚变等几种类型。无论写哪种类型的核反应方程，都应注意以下几点： （1）必须遵守电荷数守恒、质量数守恒规律。有些核反应方程还要考虑到能量守恒规律（例如裂变和聚变方程常含能量项） （2）核反应过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。 （3）写核反应方程必须要有实验依据，决不能毫无根据地编造。 （4）在写核反应方程时，应先将已知原子核和已知粒子的符号填入核反应方程一般形式的适当位置上；然后根据质量数守恒和电荷数守恒规律计算出未知核（或未知粒子）的电荷数和质量数：最后根据未知核（或未知粒子）的电荷数确定它们是哪种元素（或哪种粒子），并在核反应方程一般形式中的适当位置填写上它们的符号。如何确定、的衰变次数 设放射性元素经过n次衰变和m次衰变后变成稳定的新元素，则表示该核反应的方程为： 根据电荷数守恒和质量数守恒可列方程： 由以上两式联立解得：。由此可见，确定衰变次数可归结为解一个二元一次方程组。6.核反应 核能核力：原子核里的核子间存在互相作用的核力，核力把核子紧紧地束缚在核内，形成稳定的原子核。（核力是强相互作用力、核力是短程力、每个核子只跟相邻的核子发生核力作用）核反应：原子核在其他粒子的轰击下生成新原子核的过程，称为核反应。与衰变过程一样，在核反应过程中，质量数和核电荷数守恒。核能：核反应过程中释放或吸收的能量叫核能。质量亏损：组成原子核的核子的质量与原子核的质量之差叫做核的质量亏损。出现质量亏损的核反应才能释放能量。爱因斯坦质能方程：，E表示物体的能量，m表示物体的质量，c表示光速。根据质量亏损可以计算核反应中释放的核能为：。7.重核的裂变 （1）一个重核分裂成两个或两个以上的中等质量的核的反应，叫做重核的裂变。 铀235在裂变过程中，会产生23个中子，这些中子再引起其他铀核的裂变，这可以使反应持续不断地进行下去，这种反应叫链式反应。 （2）核反应堆核电站的核心 核反应堆的基本结构。一般由5部分组成：铀棒（即核燃料棒）；中子减速剂，常用减速剂有石墨、重水或普通水等；控制棒，由吸收中子能力很强的材料制成，如镉、硼；冷却系统；水泥防护层，吸收核裂变放出的各种有害的射线，防止对人体的危害。8.轻核的聚变 （1）轻核结合成质量较大的核叫做聚变。轻核的核子平均质量比中等质量的核的核子的平均质量要大得多，所以轻核聚合为中等核时要释放大量的核能。 （2）要使轻核达到发生聚变的距离（m)，就必须使其具有很大的动能来克服核间的库仑斥力，其方法就是把它们加热到很高的温度（几百万摄氏度以上），因此聚变反应又叫热核反应。 （3）热核反应在宇宙中是很普遍的，在太阳内部及许多恒星内部都进行着激烈的热核反应。目前除了氢弹以外，人类还不能控制聚变反应，但世界上许多国家都在积极研究可控热核反应。 （4）热核反应的优越性 热核反应所释放出的能量比相同质量核燃料裂变放出的能量大得多。 热核反应的废料处理比裂变废料处理要简单得多。 热核反应所用的燃料氘，在地球上的储量非常丰富。1 L海水中大约有0.038 g氘，如果用来进行热核反应，放出的能量和燃烧300 L汽油相当。因此，海水中的氘就是异常丰富的能源。题型体系题型一：光电效应现象的理解1.用某种单色光照射某种金属表面，发生光电效应。现将该单色光的光强减弱，则（ ） A光电子的最大初动能不变 B光电子的最大初动能减小 C单位时间内产生的光电子数减少 D可能不发生光电效应 答案：AC 2.对于光电效应的解释，下列选项正确的是（ ） A金属内每个电子可以吸收一个或一个以上的光子，当它积累的动能足够大时，就能从金属表面逸出 B如果入射光子的能量小于金属表面电子克服原子核的引力逸出时需做的最小功，光电效应便不能发生 C发生光电效应时，入射光越强，光子的能量就越大，光子的最大初动能也就越大 D由于不同金属的逸出功不同，因此，使不同金属产生光电效应的入射光的最低频率也不相同 答案：BD 3.关于光电效应的规律，下列说法中正确的是（ ） A当某种色光照射金属表面时，能产生光电效应，则入射光的频率越高，产生的光电子的最大初动能越大 B当某种色光照射金属表面时，能产生光电效应，则入射光的强度越大，单位时间内产生的光电子数越多 C同一频率的光照射不同金属，如果都能产生光电效应，则逸出功越大的金属产生的光电子的最大初动能也越大 D对某种金属，入射光波长必须小于某一极限波长，才能产生光电效应 答案：ABD 题型二：光电效应方程及其有关计算1.密立根实验的目的是：测量金属的遏止电压与入射光频率，由此算出普朗克常量h，并与普朗克根据黑体辐射得出的h相比较，以检验爱因斯坦光电效应方程的正确性。实验结果是，两种方法得出的普朗克常量h在0.5%的误差范围内是一致的。 下表是某次实验中得到的某金属的和的几组对应数据。 试作出图象，并通过图象求出： （1）这种金属的截止频率； （2）普朗克常量。2.在图甲所示的装置中，K为一金属板，A为金属电极，都密封在真空的玻璃管中，W为由石英片封盖的窗口，单色光可通过石英片射到金属板K上，E为输出电压可调的直流电流，其负极与电极A相连，A是电流表，实验发现，当用某种频率的单色光照射K时，K会发出电子（光电效应），这时，即使A、K之间的电压等于零，回路中也有电流当A的电势低于K时，而且当A比K的电势低到某一值时，电流消失，称为截止电压，当改变照射光的频率，截止电压也将随之改变，其关系如图乙所示，如果某次实验我们测出了画出这条图线所需的一系列数据，又知道了电子电量，则（ ） A可得该金属的极限频率 B可求得该金属的逸出功 C可求得普朗克常量 D可求得电子的质量 答案：ABC题型三：光的波粒二象性和物质波、概率波和不确定关系1.对于光的波粒二象性的说法中，下列说法正确的是（ ） A一束传播的光，有的光是波，有的光是粒子 B光子与电子是同一种粒子，光波与机械波是同一种波 C光的波动性是由光子间的相互作用形成的 D光是一种波，同时也是一种粒子，光子说并未否定电磁说，光子能量，仍表示的是波的特性 答案：D 2.光具有波粒二象性，光子的能量，其中频率表征波的特征。在爱因斯坦提出光子说之后，法国物理学家德布罗意提出了光子动量p与光波波长的关系。若某激光管以P=60 W的功率发射波长=663 nm的光束，试根据上述理论计算： （1）该管在1s内发射出多少个光子？ （2）若该管发射的光束被某黑体表面吸收，那么该黑体表面所受到的光束对它的作用力F为多大？ 3.关于物质的波粒二象性，下列说法中不正确的是（ ） A不仅光子具有波粒二象性，一切运动的微粒也具有波粒二象性 B运动的微观粒子与光子一样，当它们通过一个小孔时，都没有特定的运动轨道 C波动性和粒子性，在宏观现象中是矛盾的、对立的，但在微观高速运动的现象中是统一的 D实物的运动有特定的轨道，所以实物不具有波粒二象性 答案：D 4.下列说法正确的是（ ） A在双缝干涉实验中，单个光子的落点不可预知，大量光子打在荧光屏上的落点是有规律的 B光波是概率波。双缝干涉中的暗条纹是光子到达概率小的地方，明条纹是光子到达概率大的地方 C在微观物理学中，不可能同时准确地知道粒子的位置和动量，不可能用“轨迹”来描述粒子的运动 D在单缝衍射中，狭缝越窄，屏上中央亮条纹就越宽，这表明，尽管更窄的狭缝可以准确地测得粒子的位置，但粒子动量的不确定量却更大了 答案：ABCD 5.下列说法正确的是（ ） A在微观物理学中，不可能同时准确地知道某个粒子的位置和动量，粒子出现的位置是无规律可循的 B光电效应和康普顿效应深入揭示了光的粒子性的一面 C光波和物质波都是概率波 D光具有波粒二象性，中是描述光的粒子性的。和是描述光的波动性的，h架起了粒子性与波动性之间的桥梁 答案：BCD 题型四：粒子散射实验和原子核式结构1.卢瑟福通过对粒子散射实验结果的分析，提出（ ） A原子的核式结构模型 B原子核内有中子存在 C电子是原子的组成部分 D原子核是由质子和中子组成的2.卢瑟福和他的助手做粒子轰击金箔实验，获得了重要发现： （1）关于粒子散射实验的结果，下列说法正确的是（ ） A证明了质子的存在 B证明了原子核是由质子和中子组成的 C证明了原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在一个很小的核里 D说明了原子中的电子只能在某些轨道上运动 （2）在粒子散射实验中，现有一个粒子以m/s的速度去轰击金箔，若金原子的核电荷数为79。求该粒子与金原子核间的最近距离（已知带电粒子在点电荷电场中的电势能表达式为，粒子质量为6. 64 kg）。 3. 在用粒子轰击金箔时，测得粒子能够接近金箔的最小距离约为2m，原子核的平均密度约为多少？（阿伏加德罗常数N = 6） 题型五：能级跃迁与光谱线1.处于基态的一群氢原子受某种单色光的照射时，只发射波长为 、的三种单色光，且 ，则照射光的波长为（ ） A B C D2.如图所示为氢原子最低的四个能级，当氢原子在这些能级间跃迁时： （1）有可能放出_种能量的光子。 （2）在哪两个能级间跃迁时，所放出光子波长最长？波长是多少？ 3. 氢原子处于基态时，原子的能级为13.6 eV，普朗克常量，氢原子在n=4的激发态时，问： （1）要使氢原子电离，入射光子的最小能量是多少？ （2）能放出的光子的最大能量是多少？题型六：跃迁时电子动能、原子势能与原子能量的变化1.氢原子辐射出一个光子后，则（ ） A电子绕核旋转的半径增大 B电子的动能增大 C氢原子的电势能增大 D原子的能级值增大2.氢原子的能级是氢原子处于各个定态时的能量值，它包括氢原子系统的电势能和电子在轨道上运动的动能。当氢原子的电子由外层轨道跃迁到内层轨道时（ ） A氢原子的能量减小，电子的动能增大 B氢原子的能量增加，电子的动能增大 C氢原子的能量减小，电子的动能减小 D氢原子的能量增加，电子的动能减小题型七：衰变及衰变规律1铀裂变的产物之一氪90（)是不稳定的，它经过一系列衰变最终成为稳定的锆90（)，这些衰变是 （ ） A1次衰变，6次衰变 B4次衰变 C2次衰变 D2次衰变，2次衰变2.如图甲是三种射线穿透能力的示意图，图乙是工业上利用射线的穿透性来检查金属内部的伤痕的示意图，请问图乙中的检查是利用了哪种射线？（ ） A射线 B射线 C射线 D三种射线都可以 3.（1）关于放射性元素的半衰期，下列说法正确的有（ ） A是原子核质量减少一半所需的时间 B是原子核有半数发生衰变所需的时间 C把放射性元素放在密封的容器中，可以减慢放射性元素的半衰期 D可以用来测定地质年代、生物年代等 （2）设镭226的半衰期为1. 6年，质量为100 g的镭226经过4.8年后，有多少g镭发生衰变？若衰变后的镭变为铅206，则此时镭铅质量之比为多少？4.在活着的生物体内，由于新陈代谢作用，所含的C元素中有一定比例的。当生物体死亡后，的含量将不再增加，随着时间的推移，的数量将因放射性衰变而逐渐减少。因此，测定生物化石中的含量，与活的生物体中含量相比较，就可以判断出生物化石的年龄。已知的半衰期约为5.7年。关于原子核的组成以及在考古学中的应用，以下的判断中正确的是（ ） A原子核中包含有14个中子和6个质子 B原子核中包含有14个核子，其中有6个中子 C若测定某一块生物化石中的含量是活的生物体内的1/4，这块生物化石的年龄大约为1.14年 D若测定某一块生物化石中的含量是活的生物体内的1/4，这块生物化石的年龄大约为2.3年题型八：关于核反应方程的理解与分析1.现有五个核反应： A B C D E （1）_是发现中子的核反应方程，_是研究两弹的基本核反应方程。 （2）求B项中X的质量数和中子数。 （3）判断以上五个核反应的反应类型。2. 现有三个核反应： 下列说法正确的是（ ）