物理选修5知识点总结

高中物理选修高中物理选修 3 53 5 一 动量守恒定律一 动量守恒定律 动量守恒动量守恒 两个物体组成的系统两个物体组成的系统 系统总能量守恒系统总能量守恒 第一个过程动量守恒第一个过程动量守恒 三个物体组成的系统三个物体组成的系统 第二个过程动量守恒第二个过程动量守恒 系统总能量守恒系统总能量守恒 二 量子理论的建立二 量子理论的建立 黑体和黑体辐射黑体和黑体辐射 1 1 量量子子理理论论的的建建立立 1900 年德国物理学家普朗克提出振动着的带 电微粒的能量只能是某个最小能量值 的整数倍 这个不可再分 的能量值 叫做能量子 h h h 为普朗克常数 6 63 10 34J S 2 2 黑黑体体 如果某种物体能够完全吸收入射的各种波长电磁波而不 发生反射 这种物体就是绝对黑体 简称黑体 3 3 黑黑体体辐辐射射 黑体辐射的规律为 温度越高各种波长的辐射强度 都增加增加 同时 辐射强度的极大值向波长较短较短的方向移动 普 朗克的能量子理论很好的解释了黑黑体体辐辐射射 三 光电效应三 光电效应 光子说光子说 光电效应方程光电效应方程 1 1 光光电电效效应应 表表明明光光子子具具有有能能量量 证证明明光光具具有有粒粒子子性性 1 光的电磁说使光的波动理论发展到相当完美的地步 但是它 并不能解释光电效应的现象 在光 包括不可见光 的照射下从 物体发射出电子的现象叫做光电效应 发射出来的电子叫光电子 2 光电效应的研究结果 存在饱和电流 这表明入射光越强 单位时间内发射的光电子 数越多 存在遏止电压 Uce EK 截止频率 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 效应具有瞬时性 光电 子的发射几乎是瞬时的 一般不超过 10 9s 2 2 光光子子说说 光本身就是由一个个不可分割的能量子组成的 频率 为 的光的能量子为 h 这些能量子被成为光子 3 3 光光电电效效应应方方程程 E EK K h h W WO O同时 h 截止 WO Uce EK 四 康普顿效应四 康普顿效应 表明光子具有动量 表明光子具有动量 证证明明光光具具有有粒粒子子性性 1 1 1918 1922 年康普顿 美 在研究石墨对 X 射线的散射时发现 光子在介质中和物质微粒相互作用 可以使光的传播方向发生改 变 这种现象叫光光的的散散射射 2 2 在光的散射过程中 有些散射光的波长比入射光的波长略大略大 这种现象叫康康普普顿顿效效应应 3 光子的动量 p h 光子的能量 h 波速公式 c 五 光的波粒二象性五 光的波粒二象性 物质波物质波 概率波概率波 不确定关系不确定关系 1 1 光的波粒二象性 干涉 衍射和偏振干涉 衍射和偏振以无可辩驳的事实表明光是 一种波 光电效应和康普顿效应光电效应和康普顿效应又用无可辩驳的事实表明光是一 种粒子 由于光既有波动性 又有粒子性 只能认为光具有波粒 二象性 但不可把光当成宏观观念中的波 也不可把光当成宏观 观念中的粒子 少量的光子表现出粒子性 大量光子运动表现为少量的光子表现出粒子性 大量光子运动表现为 波动性 光在传播时显示波动性 与物质发生作用时 往往显示波动性 光在传播时显示波动性 与物质发生作用时 往往显示 粒子性 频率小波长大的波动性显著 频率大波长小的粒子性显粒子性 频率小波长大的波动性显著 频率大波长小的粒子性显 著 著 2 2 物物质质波波 1924 年德布罗意 法 提出 实物粒子和光子一样具 有波动性 任何一个运动运动着的物体都有一种与之对应的波 波长 h h p p 这种波叫物质波 也叫德布罗意波 3 3 概概率率波波 从光子的概念上看 光波是一种概率波 4 4 不不确确定定关关系系 x p h 4 x 表示粒子位置的不确定量 p 表示粒子在 x 方向上的动量的不确定量 粒子位置的不确 定量 x 越小 粒子动量的不确定量 p 越大 用单缝衍射进行解 释 六 原子核式模型机构六 原子核式模型机构 1 1 1897 年汤姆孙 英 发现了电子汤姆孙 英 发现了电子 电子的发现证明原子可以再 分 汤姆生提出原子的枣糕模型 2 2 1909 年起英国物理学家卢瑟福做了 粒子轰击金箔的实验 即 粒子散射实验得到出乎意料的结果 绝大多数绝大多数 粒子穿过 金箔后仍沿原来的方向前进 少数少数 粒子却发生了较大的偏转 并且有极少数 粒子偏转角超过了 90 有的甚至被弹回甚至被弹回 3 3 卢瑟福的 粒子散射实验证明原子具有核式结构 在原子的 中心有一个很小的核 叫做原子核 原子的全部正电荷全部正电荷和几乎全几乎全 部质量部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 按照这个学说 可很好地解释 粒子散射实验结果 粒子散 射实验的数据还可以估计估计原子核的大小 数量级为 10 15m 和原 子核的正电荷数 七 氢原子的光谱七 氢原子的光谱 1 1 光光谱谱的的种种类类 1 发射光谱 物质发光直接产生的光谱 炽热 的固体 液体及高温高压气体发光产生连续光谱 稀薄气体发光 产生线状谱 不同元素的线状谱线不同 又称特征谱线 2 吸 收光谱 连续谱线中某些频率的光被稀薄气体吸收后产生的光谱 元素能发射出何种频率的光 就相应能吸收何种频率的光 因此 吸收光谱也可作元素的特征谱线 2 2 基基尔尔霍霍夫夫开开创创了了光光谱谱分分析析的的方方法法 利用元素的特征谱线 线状谱 或吸收光谱 鉴别物质的分析方法 八 原子的能级八 原子的能级 1 1 卢瑟福的原子核式结构学说跟经典的电磁理论发生矛盾 矛盾 为 a 原子是不稳定的 b 原子光谱是连续谱 1913 年玻尔 丹麦 在其基础上 把普朗克的量子理论运用到原子系统上 提出玻尔理论 2 2 玻玻尔尔理理论论的的假假设设 1 原子只能处于一系列不连续的能量状态中 在这些状态中原 子是稳定的 电子虽然绕核 运动 但并不向外辐射能量 这些状态叫做定态 氢原子 的各个定态的能量值 叫做 它的能级 原子处于最低能 级时电子在离核最近的轨道 上运动 这种定态叫做基态基态 原子处于较高能级时电子在 离核较远的轨道上运动的这 些定态叫做激发态 2 原子从一种定态 设能量为 En 跃迁到另一种定态 设能量 为 Em 时 它辐射 或吸收 一定频率的光子 光子的能量由这 两种定态的能量差决定 即 h h E En n E Em m 3 原子的不同能量状态跟电子沿不同的圆形轨道绕核运动相对 氢原子的能级图 n E eV 0 1 13 6 2 3 4 3 1 51 4 0 853 E1 E2 E3 应 原子的定态是不连续不连续的 因此电子的可能轨道的分布也是不不 连续连续的 3 3 玻玻尔尔计计算算公公式式 rn n2 r1 En E1 n2 n 1 2 3 r1 0 53 10 10 m E1 13 6eV 分别代表第一条 即离核最近的离核最近的 可能轨道的半径和电子在这条轨道上运动时的能量 选定离核 无限远处的电势能为零 电子从离核无限远处移到任一轨道上 都是电场力做正功 电势能减少 所以在任一轨道上 电子的电 势能都是负值 而且离核越近 电势能越小动能越大加速度越大 周期减小 4 4 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 5 5 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 N N n n 1 2 例一群氢原子处于量子数为 n 4 的激发 态时 可能辐射出 6 种不同频率的光子 6 6 玻尔模型的成功之处在于它引入了量子概念 提出了能级和跃 迁的概念 能解释气体导电时发光的机理 氢原子的线状谱 局限之处在于它过多地保留了经典理论 经典粒子 轨道等 无法解释复杂原子的光谱 7 7 现代量子理论认为电子的轨道只能用电子云来描述 8 8 光谱测量发现原子光谱是线状谱和夫兰克 赫兹实验证实了原 子能量的量子化 即原子中分立能级的存在 九 原子核的组成九 原子核的组成 1 1 1919 年卢瑟福用 粒子轰击氮原子核发发现现质质子子 即氢原子核 核反应方程N HeO H 14 7 4 2 17 8 1 1 2 2 卢瑟福预想到原子内存在质量跟质子相等的不带电的中性粒子 即中中子子 查德威克经过研究 证明中子的存在 汤姆孙 英 发 现了电子 核反应方程Be HeC n 9 4 4 2 12 6 1 0 3 3 质质子子和和中中子子统统称称核核子子 具有相同的质子数和不同的中子数的原子 互称同位素 4 4 天天然然放放射射现现象象 1 1896 年贝克勒耳发现贝克勒耳发现天天然然放放射射现现象象 天然放射的现象 证明原子 核有复杂结构 射线带正电 粒子就是氦原子核 贯穿本领很小 电离作 用很强 使底片感光作用很强 射线带负电 是高速电子流 贯穿本领很强 几毫米的铝板 电离作用较弱 射线中的电射线中的电 子是由原子核中的中子分裂产生的子是由原子核中的中子分裂产生的 不是核外电子不是核外电子 射线中电中性的 是波长极短的电磁波 贯穿本领最强 几 厘米的铅板 电离作用很小 十 原子核的衰变十 原子核的衰变 半衰期半衰期 1 1 原原子子核核由由于于放放出出某某种种粒粒子子而而转转变变为为新新核核的的变变化化叫叫做做原原子子核核的的衰衰变变 在衰变中电荷数和质量数都是守恒的 注意 质量并不守恒 射线是伴随伴随 射线或 射线产生的 没有单独的 衰变 衰变 原子核原子核处于较高能级较高能级 辐射光子后跃迁到低能级 衰变举例UTh He 衰变举例 238 92 234 90 4 2 ThPa e 234 90 234 91 0 1 2 2 半半衰衰期期 放射性元素的原子核有半数发生衰变原子核有半数发生衰变需要的时间 放射性元素衰变的快慢是由核内部核内部本身的因素决定 与原子所 处的物理状态或化学状态无关 半半衰衰期期是对大量原子的统计规律对大量原子的统计规律 n NN 2 1 0 n mm 2 1 0 十一 放射性的应用与防护十一 放射性的应用与防护 放射性同位素放射性同位素 1 1 放放射射性性同同位位素素的的应应用用 a 利用它的射线 贯穿本领 电离作用 物理和化学效应 b 做示踪原子 2 2 放放射射性性同同位位素素的的防防护护 过量的射线对人体组织有破坏作用 这些 破坏往往是对细胞核的破坏 因此 在使用放射性同位素时 必 须注意人身安全 同时要放射性物质对空气 水源等的破坏 十二 核力与结合能十二 核力与结合能 质量亏损质量亏损 1 1 由由于于核核子子间间存存在在着着强强大大的的核核力力 核子之间的引力 特点 核力 与核子是否带电无关 短程力 其作用范围为 只有 m 10 100 2 相邻的核子间才发生作用 所以核子结合成原子核或原子核分 解为核子时 都伴随着巨大的能量变化 核子结合为原子核时释 放的能量或原子核分解为核子时吸收的能量叫原子核的结合能 亦称核能 比结合能越大 则原子核结合的越牢固 2 2 我们把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 爱因斯坦在相 对论中得出物体的质量和能量间的关系式 2 mcE 2 mcE 就是著名的质能联系方程 简称质能方程 1u 相当于 931 5MeV 十三 原子核的人工转变十三 原子核的人工转变 原子核在其他粒子的轰击下产生新核的过程 称为核反应 原子 核的人工转变 在核反应中电荷数和质量数都是守恒的 举 例 1 如 粒子轰击氮原子核发现质子 2 1934 年 约 里奥 居里和伊丽芙 居里夫妇在用 粒子轰击铝箔时 除探测 到预料中的中子外 还探测到了正电子正电子 核反应方程Al He 27 13 4 2 P n PSi e 这是第一次用人工方法得到放射 30 15 1 0 30 15 30 14 0 1 性同位素 十四 重核的裂变十四 重核的裂变 轻核的聚变轻核的聚变 1 1 凡凡是是释释放放核核能能的的核核反反应应都都有有质质量量亏亏损损 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 2 2 1938 年德国化学家哈恩和斯特拉斯曼发现重重核核裂裂变变 铀核裂变 的核反应方程 例 n3KrBanU 1 0 92 36 141 56 1 0 235 92 3 3 由由于于中中子子的的增增殖殖使使裂裂变变反反应应能能持持续续地地进进行行的的过过程程称称为为链式式反反应应 为 使其容易发生