近代物理复习

近代物理复习 原子物理 1 科学的进程科学的进程 黑体 对于入射波只吸收不反射 实物 空腔上的小洞 黑体辐射 加热空腔 空腔内的温度升高 空腔内的电磁波就会从小孔辐射出来 19 世纪后半叶 欧洲的冶金工业迅速发展 技术人 员渴望了解热辐射的规律 如果知道了辐射的规律 辐 射的波长分布与辐射体的温度关系 就可以通过观测钢 水的辐射的电磁波的波长分布推知钢水的温度 这种需 求推动了黑体辐射的研究 光电效应光电效应 金属在光的照射下发射出电子的现象就叫做光电效应 被照射出来的电子叫光 电子 其实还是电子 科学家关系的问题 1s 可以照出多少光电子 电子离开金属板时的最大速度 有光照射一定发生光电效应吗 光照射金属板多长时间才能发生光电效应 结论结论 1 1s 可以照出多少光电子 一定光照下 电压增大到一定值 所有光电子都到达 A 极 此时电流叫饱和光电流 入射光越强 饱和光电流越大 说明单位时间内照射出的光电子数越多 结论结论 2 电子离开金属板时的最大速度 对于一定颜色 频率 的光照射时 无论光强如何 遏制电压不变 电子离开金属板的最大速 度不变 遏制电压 电子离开金属板的最大速度 只与入射光的频率有关 结论结论 3 有光照射一定发生光电效应吗 入射光的频率低于截止频率 极限频率 时不能发生光电效应 结论结论 4 光照射金属板多长时间才能发生光电效应 不超过 10 9s 逸出功逸出功 就是最容易逃逸的电子克服阻力所做的功 不同金属的逸出功不同 光强 光强 表示单位时间单位面积上能量的多少是光强 光的强弱是指在频率一定时 入射光 子的个数 近代物理复习 原子物理 2 爱因斯坦的解释 爱因斯坦的解释 普朗克 电磁波在吸收和辐射时才显示出不连续性 爱因斯坦 电磁波本身就是不连续的 光本身就是由一个个不可分割的能量子组成 对于某一金属来说 W0是固定的 所以 越大 电子的最大初动能越大 而与光 的强弱无关 电子一次性吸收光子的全部能量 不需要积累能量的时间 光电流自然几乎是瞬间产 生的 光较强时 包含的电子数较多 照射金属时产生的光电子较多 因此饱和电流较大 考点 1 在研究光电效应现象时 锌板与不带电的验电器的金属杆 之间用导线相连 现用一定强度的紫外线照射锌板 发现金 箔张开 则下列现象中会发生的是 A 锌版放出电子而带正电 B 锌板吸引周围空气中的阳离子而带正电 C 锌板和验电器的金箔都带正电 D 锌板带正电 验电器的金箔带负电 2 当用一束蓝光照射某金属时 发生了光电效应 即有光电 子从金属中逸出 改变照射光的条件后 下列分析中正确的是 A 若增加这束蓝光的强度 单位时间内逸出的光电子数增多 B 若增加这束蓝光的强度 逸出的光电子的最大初动能增大 C 若改用一束紫光照射 逸出的光电子的最大初动能增大 D 若改用一束紫光照射 有可能不再发生光电效应现象 3 如图 当电键 K 断开时 用光子能量为 2 5eV 的一束光照射阴极 P 发现电流表读数不为零 合上电键 调节滑线变阻器 发现当 电压表读数小于 0 60V 时 电流表读数仍不为零 当电压表读数大 于或等于 0 60V 时 电流表读数为零 由此可知阴极材料的逸出功 为 A 1 9eV B 0 6eV C 2 5eV D 3 1eV 康普顿效应康普顿效应 光的散射 光在介质中与物质微粒相互作用 因而传播方向发生改变的现象 天空呈青蓝色就是因为辐射中青蓝色波长较短 容易被大气散射的缘故 1923 年康普顿在做 x 射线通过物质散射的实验时 发现散射线中除有与入射线波长 相同的射线外 还有比入射线波长更长的射线 其波长的改变量与散射角有关 而与入射 线波长和散射物质都无关 光子理论对康普顿效应的解释光子理论对康普顿效应的解释 1 若光子和外层电子相碰撞 光子有一部分动量传给电子 散射光子的能量减少 于是 散射光的波长大于入射光的波长 2 光子与原子中束缚很紧的电子发生碰撞 近似与整个 原子发生弹性碰撞时 能量不会显著减小 所以散射束中出现与入射光波长相同的射线 光的干涉 衍射和偏振实验 对粒子说宣判了死刑光的干涉 衍射和偏振实验 对粒子说宣判了死刑 麦克斯韦的电磁波理论和赫兹的实验 确认了光的电磁波本质 麦克斯韦的电磁波理论和赫兹的实验 确认了光的电磁波本质 光电效应和康普顿效应深入地揭示了光的粒子性的一面 光电效应和康普顿效应深入地揭示了光的粒子性的一面 E h 光光子子 max0K hEW A V P K 图 近代物理复习 原子物理 3 前者表明光子具有能量 后者表明光子除了能量之外还有动量 前者表明光子具有能量 后者表明光子除了能量之外还有动量 物质波 与实物粒子相联系的波称为德布罗意波 或叫物质波 德布罗意利用纯类比的想 法 提出的物质波 大量实验都证实了 质子 中子和原子 分子等实物微观粒子都具有波动性 并都满 足德布洛意关系 1929 年 德布罗意获得诺贝尔物理学奖 成为以学位论文获此殊荣的人 概率波概率波 某个光子出现在哪一个位置上是不确定的 但是光子出现在某个位置上的概率有多大 可以根据波动的规律确定 所以从光子的概念来看 光波是一种概率波 对一个常见问题的解释对一个常见问题的解释 在学习薄膜干涉现象时 学生经常会提出 既然增透膜是利用反射光发生相消干涉的 原理来削弱反射光的 那就说明光的能量已经被部分反射而损失 损失的能量并未因相消 干涉而减少 那么为何用这种方法还能增加光通过透镜的能量呢 其实用波动规律对光的干涉现象加以解释只是一种假说 在爱因斯坦建立 光子说 后 人们才明白 干涉或衍射现象中的明暗条纹其实是由光子在不同空间出现的概率不同造成 的 而这一概率的空间分布又与波的干涉或衍射图样是相吻合的 这正体现出光的波粒二 相性的和谐统一 所以 在发生相消干涉时 光子被反射回来的数量减少 通过增透膜的 数量增加 从而增加了透射能量 出现这样的疑问 是由于我们仍然习惯把光想象成经典 波造成的 考点 对概率波的理解 物理学家做了一个有趣的光学实验 在单孔衍射实验中 光屏处放上照像底片 若减弱光流的强度 使光子只能 一个一个地通过小孔 实验结果表明 如果曝光时间不 够长 底片上只出现一些不规则分布的点子 如果曝光 时间足够长 底片上出现了规则的衍射条纹 如图 4 所示 对这个实验结果有如下的一些 认识 曝光时间不长时 光的能量太小 底片上的条纹看不清楚 单个光子的运动与宏观质点的运动不同 没有确定的轨道 出现亮条纹的地方是光子到达机会较多的地方 大量光子的行为表现出波动性 A B C D 粒子散射实验 1 实验用到哪些器材 各有什么作用 实验是怎样做的 放射源钋 放在带小孔的铅盒中 放射出 粒子 金箔 很薄 约 1 微米左右 作靶子 荧光屏 粒子穿过金箔后 打到荧光屏上可见闪光 显微镜 观察闪光 2 观察到什么现象 实验结果是什么 绝大多数粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进 少数粒子发生较大的偏转 极少数粒 子的偏转超过 90 度 有的几乎达到 180 度 象是被金箔弹了回来 这就是 粒子散射实 验 3 那么怎样解释所看到的这种散射现象 分析实验结果得到怎样的原子模型 解释 只有全部的正电荷和几乎全部质量集中到一个很小的空间里 后来人们称这个质量 集中点为 核 并且粒子十分接近它 才可能有大角度的散射现象 卢瑟福在这样分 近代物理复习 原子物理 4 析基础上提出了原子的核式结构学说 并进行了 粒子散射的定量计算 得出散射的粒子 束在空间各方向的分布 这个计算结果与实验结果完全一致 从而证实了原子的核式结构 考点 粒子散射实验的现象及解释 光谱分析光谱分析 每种元素的明线光谱或吸收光谱都是不一样的 所以利用物质产生的明线光谱或吸收光谱可鉴定物质的成份 这就是光谱分析 氢原子光谱的特点是什么 原子发光是与电子运动有关的 但原子谱线 明线光谱和暗线光谱 是分立的 即原子发 出光的频率是不连续的 玻尔的原子模型 电子轨道量子化 电子绕核做圆周运动仍然服从经典力学规律 但轨道 不是任意的 原子能量量子化 电子在不同的轨道 原子具有的能量不同 频率条件 吸 收和释放都遵循恰好的原则 电子吸收光子时会从能量较低的轨道跃迁到能量较高的轨道 电子从能量较高的轨道跃迁到能量较低的轨道 放出光子 考点 光谱的类型 考点 跃迁 例 2 一些氢原子都处于量子数 n 3 的激发态 这些氢原子在能级跃迁时 1 能释放出多少种频率不同的光子 2 在这些光子波长中的最小值是多少 请画能级图来回答这些问题 若 n 4 答案有什么不同 白炽灯是如何发光的白炽灯是如何发光的 当电流流过灯泡时 灯丝的温度升高到炽热的状态 部分热量就转化为光能 自由电子从 灯丝中穿过 自由电子与灯丝的原子发生撞击 使得原子跃迁到较高的能级 处于高能级 激发态 的原子并不十分稳定 所以自发地向下跃迁 这就释放出了光子 利用玻尔理论解释原子光谱利用玻尔理论解释原子光谱 为什么原子光谱的谱线是分立的 因为原子的能级是分立的 所以原子跃迁时释放出光 子的能量也是分立的 所以原子的发光谱线也是分立的亮线 为什么不同的原子的特征谱 线是不同的 由于不同的原子具有不同的结构 能级各不相同 因此辐射 或吸收 的光 子频率也不同 例 氢原子的核外电子由一个轨道跃迁到另一轨道时 可能发生的情况有 A 放出光子 电子动能减小 原子势能增加 B 放出光子 电子动能增加 原子势能减少 C 吸收光子 电子动能减小 原子势能增加 D 吸收光子 电子动能增加 原子势能减小 天然放射现象 基本概念 放射性 放射性元素 天然放射现象 放射现象的特点放射现象的特点 不会因为化学性质和物理性质而改变 说明什么 放射线性质放射线性质 射线 氦原子核 He 带正电 速度 0 1c 电离作用很强 穿透能力很弱 射线 高速电子流 e 带负电 速度 0 9c 电离作用较弱 贯穿能力较强 射线 电 磁波 不带电 速度 c 电离作用很弱 贯穿作用很强 考点考点 射线的判定 判断射线有几种方法 光谱光谱 发射光谱发射光谱 吸收光谱吸收光谱 连续光谱连续光谱 明线光谱明线光谱 炽热物体发出的光通过温度较低的气体炽热物体发出的光通过温度较低的气体 炽热的固体 液体炽热的固体 液体 或高压气体或高压气体 稀薄气体发光稀薄气体发光 13 6eVn 1 n 2 3 4eV n 3 1 51eV n 4 0 85eV n 0 近代物理复习 原子物理 5 原子核 基本概念 核子核子 电荷数电荷数 质量数质量数 原子量原子量 同位素同位素 放射性元素的衰变 衰变 本质 事实表明 2 个质子和 2 个中子能十分紧密地结合在一起 在一定条件下会一个整 体从较大的原子核抛射出来 衰变 本质 规律 在发生 衰变和 衰变时 若新核处于能量较高的激发态 则这能量就以 光子 形式向外辐射出来 原子核的衰变反应是释放能量的反应 原子核衰变过程 电荷数 质 量数守恒 能量亦守恒 考点考点 发生 衰变和 衰变的次数的判定 例 钍经过若干次 衰变和 衰变 变成铅 上述过程中 Th 232 90 Pb 208 82 A 重核减少了 8 个质子 B 重核减少了 16 个中子 C 经过了 6 次 衰变和 4 次 衰变 D 经过了 8 次 衰变和 6 次 衰 变 考点考点 衰变和 衰变轨迹的判定 带点粒子在磁场中的运动 例 让云室处于匀强磁场当中 当一个静止的原子核突然放生衰变时我们就可以观察到如 图所示的轨迹 你能确定这是哪种衰变吗 在 A 点 衰变后的新核向那个方向运动 提示 衰变过程可以近似按照反冲的模型处理 若衰变前原子核的质子数为 43 那么图 中两个轨道的半径之比是多少 考点考点 衰变和 衰变中的动量和能量的问题 例 某静止的放射性元素的原子核 放出一个 粒子后转变成某种新核 Y 设衰变过X m z 程产生的核能以动能的形式释放 若已知 粒子的动能为 EK 则 A 新核 Y 的动能为 m 4 EK 4 B 新核 Y 的动能为 4EK m 4 C 衰变中的质量亏损为 mEK m 4 c2 D 衰变中的质量亏损为 m 4 EK mc2 半衰期 何为 半衰期 放射性元素的原子核有半数发生衰变需要的时间 两个重要提示 A 衰变规律是大量原子核统计规律 对于某个原子而言 我们只知道它发 生衰变的概率 却无法得知它到底什么时候衰变 B 元素的半衰期是由原子核内部自身因 素决定的 与原子所处的化学状态和外界条件无关 考点考点 半衰期的理解与计算 例 关于半衰期 以下说法正确的是 A 同种放射性元素在化合物中的半衰期比单质中长 B 升高温度可以使半衰期缩短 C 氡的半衰期为 3 8 天 若有四个氡原子核 经过 7 6 天就只剩下一个 D 氡的半衰期为 3 8 天 4 克氡原子核 经过 7 6 天就只剩下 1 克 探测射线的方法与应用 1 利用云室和气泡室描绘轨迹 2 利用照相乳胶感光 3 利用荧光物质发光 4 盖革 米勒计数 器 放射性同位素的应用 探测钢板的厚度 治疗疾病 改造基因 灭菌 示踪原子探测钢板的厚度 治疗疾病 改造基因 灭菌 示踪原子 44 22 AA ZZ XYHe 0 11 AA ZZ XYe 110 011 nHe A A 近代物理复习 原子物理 6 考点 核力与结合能 基本概念 基本概念 核力核力 结合能结合能 平均结合能平均结合能 重核的裂变重核的裂变 链式反应链式反应 核聚变核聚变 核力 为了能把核子紧紧地束缚在一起 需要第三种力 核力 核力的特点 1 核力是强相互作用力 比库仑力大 100 多倍 2 核力是短程力 作用范围在 1 5 10 15m 之内 核力在大于 0 8 10 15m 表现为吸引力 核力在小于 0 8 10 15m 表现 为斥力所以核力不会将核子融合在一起 3 每个核子只跟邻近的核子发生相互作用 饱和性 今天我们对的核力变化规律还不清楚 特别是小于 0 8 10 15m 的核力 结合能 分散的核子结合成原子核的过程中所释放出来的能量被称之为结合能 重核的裂变 重核分裂成几个中等质量原子核的现象 链式反应发生条件链式反应发生条