热学,原子物理复习资料

1、热学一、物体是由大量分子组成的1实验：油膜法测分子直径（1）原理：一滴油酸在水面上尽可能散开，在水面上形成单分子油膜，其特征是单层、球形、无空隙紧密排布，如图所示，其厚度d 即表示分子直径的大小。（2）计算：d=V/S。V表示一滴油的体积，S为一滴油酸在水面上散开的面积。二、分子的热运动1扩散现象（1）不同物质相互接触时彼此进入对方的现象叫做扩散。温度越高，扩散现象越明显。扩散现象可发生在气体、液体和固体之间。（2）扩散现象直接说明了组成物体的分子总是不停地做无规则运动，温度越高分子运动越剧烈。同时也说明了分子间有间隙。2布朗运动（1）悬浮在液体中的固体微粒永不停息的无规则运动叫做布朗运动。（

2、2）产生的原因：大量液体分子永不停息地做无规则运动，对悬浮在其中的微粒撞击作用的不平衡。（3）布朗运动是悬浮于液体中微粒的无规则运动，不是分子的运动。它间接反映了液体分子在不停地做无规则的热运动。（4）温度越高，布朗运动就越明显。表明温度越高，分子的无规则运动越剧烈。3分子的热运动扩散现象和布朗运动都表明分子在永不停息地作无规则的运动，而且温度越高，分子的无规则运动就越激烈。物体的温度高低是与内部分子无规则运动的剧烈程度直接相关的。物理学中把物体内部大量分子的无规则运动称为热运动。三、分子间的作用力1分子间存在相互作用的引力（如：压紧的铅块结合在一起，它们不易被拉开）。2分子间存在相互作用的斥

3、力（如：固体和液体很难被压缩）。3分子间的引力和斥力同时存在，实际表现的分子力是分子引力和斥力的合力。注意：压缩气体也需要力，不说明分子间存在斥力作用。压缩气体时需要的力用于反抗大量气体分子频繁撞击容器壁（活塞）时对容器壁（活塞）产生的压力4分子间相互作用力是由原子内带正电的原子核和带负电的电子相互作用引起的。四、内能1分子动能（1）分子动能：组成物体的分子由于热运动而具有的能 （2）平均动能：物体里所有分子动能的平均值。温度是分子平均动能的标志。（3）温度反映的是大量分子平均动能的大小，不能反映个别分子的动能大小，同一温度下，各个分子的动能不尽相同（4）温度的宏观含义：表示物体的冷热程度温度

4、的微观含义（分子动理论的观点）：是分子热运动的平均动能的标志，温度越高，平均动能越大。（5）分子的平均动能与物体运动的动能无关。2分子势能（1）分子势能：由于分子间存在相互作用力，并由它们的相对位置决定的能。（2）分子力做正功时，分子势能减少；分子力做负功时，分子势能增加（3）决定分子势能的因素宏观：分子势能跟物体的体积有关微观：分子势能跟分子间距离有关3内能（1）物体中所有分子做热运动的动能和分子势能的总和，叫做物体的内能。（2）内能和物体的温度和体积有关，还和物体所含的分子数及物态有关。（3）任何物体都具有内能。因为一切物体都是由不停地做无规则热运动并且相互作用着的分子所组成。五、气体1、

5、气体压强微观解释（1）气体压强是大量分子频繁的碰撞容器壁而产生的。（2）影响气体压强的两个因素：气体分子的平均动能，从宏观上看由气体的温度决定。对确定的气体而言，温度与分子运动的平均速率有关，温度越高，反映气体分子热运动的平均速率越大。单位体积内的分子数(分子密度)，从宏观上看由气体的体积决定。对确定的一定质量的理想气体而言，分子总数N是一定的，当体积增大时，分子密度减小。2. 理想气体（1）理想气体：在任何温度和任何压强下都能严格地遵从气体实验定律（2）理想气体是不存在的，是一种理想模型。（3）气体间距较大，分子间的相互作用力可忽略。从微观上看，分子间以及分子和器壁间，除相互碰撞及与器壁碰撞

6、外无其他作用力。（4）气体分子没有内部结构，本身没有体积，是不占有体积的刚性质点，它所占据的空间是可以被压缩的空间。（5）理想气体没有分子势能，其内能只有分子平均动能，由温度来决定。（6）对大量分子而言，气体分子沿各个方向运动的机会均等，在任一时刻向容器各个方向运动的分子数均等。3气体状态参量（1）体积V（几何参量）一定质量气体所占据容器的容积，但不是所有气体分子体积的总和。（2）温度T（t）（热学参量）温度在宏观上表示物体的冷热程度；微观上是分子平均动能的标志。摄氏温标t和热力学温标T关系：T273t，T =t。（3）压强p（力学参量）大量分子频繁碰撞器壁产生的。与两个因素有关：气体分子的平

7、均动能，分子的密集程度。温度一定，分子平均动能一定，气体体积越小，分子数密度越大，碰撞分子数越大，压强越大。同理，体积一定，分子数密度一定，温度越高，分子碰撞力越大，压强越大。4. 气体的压强、体积和温度的关系（1）理想气体状态方程： 或（2）气体三大实验定律可看作是状态方程的特例，对一定质量的气体，当温度T不变时，pV=C 或p1V1=p2V2（玻意耳定律）当体积V不变时，p / T=C或=（查理定律）当压强P不变时，V / T=C或=（盖·吕萨克定律）适用范围都是：温度不太低，压强不太大。六、功、热和内能（1）做功和热传递改变物体的内能，这两种方式是等效的。系统在单纯的做功过程中

8、，内能的增量等于外界对系统做的功U=W。系统在单纯的热传递过程中，内能的增量等于系统吸收的热量U=Q。要使得物体改变同样的内能，通过做功或热传递都可以实现，若不知道过程，无法分辨出是做功还是热传递实现的这种改变。（2）做功改变内能的实质是能量的转化，热传递改变内能的实质是能量的转移。做功是内能和其他形式能的转化，如机械能和内能的转化。热传递是不同物体或同一物体的不同部位内能的转移。（3）功W、热量Q都是过程量，而内能U是状态量。功和热是能量的交换形式，但不是能量的存在形式，只有出现能量转化和转移的过程时才会有功和热。离开过程谈热量是没有意义的。就某一状态而言，只有“内能”，不存在什么“热量”和

9、“功”，不能说一个系统中含有“多少热量”或“多少功”。物体的内能大，并不意味着物体一定会对外做功或向外传递热量，或者做的功多，传递热量多；只有当物体内能变化大时，该过程中做功或传递的热量多。七、热力学第一定律1系统与外界同时发生做功和热传递时，其内能的增量为DU=W+Q2热力学第一定律：一个热力学系统的内能增量等于外界向它传递的热量与外界对它所做功的和，其表达式为U=W+Q。3热力学第一定律中各量的正、负号含义物理量符号意义符号意义W+外界对系统做功外界对系统做功Q+系统吸收热量系统放出热量U+系统内能增加系统内能减少5热力学第一定律中的功是指能够转化为内能的那一部分功。例如，汽车在牵引力作用

10、下前进，这个牵引力做的功不影响汽车的内能，它只能改变汽车动能的大小，而汽车克服摩擦力所做的功才使得汽车的内能增大。6热力学第一定律的另一种理解：Q=U+W。Q表示系统吸收的热量，W表示系统对外做功，U表示系统内能的增加。可以理解为：系统吸收的热量用于增加系统的内能和对外做功。可以用来解释：气体在等压下的比热容CP大于等容下的比热容CV。因为等容下气体吸收的热量全部用来增加内能（不对外做功），而等压下气体吸收的热量除了增加内能外，还要对外做功。八、热力学第二定律1热传递过程的方向性热传递过程可以自发地由高温物体向低温物体进行，但相反方向却不能自发地进行，即热传递具有方向性，是一个不可逆过程。 自

11、发过程是在不受外界干扰的条件下进行的自然过程。要将热量从低温物体传向高温物体，必须要借助外力，要由外界对其做功才能完成。例如电冰箱、空调。自发变化的共同特征是不可逆性，任何自发变化的逆过程是不能自动进行的。2机械能和内能的转化具有方向性例如，一个在水平地面上的物体，由于克服摩擦力做功，最后要停下来。在这个过程中，物体的动能转化成为内能，使物体和地面的温度升高。但逆过程是不可能自发发生的，即物体靠降低温度把内能自发地转化为动能并运动起来。这个例子说明，机械能可以全部转化成内能，但内能却不能全部转化成机械能，同时不引起其他变化。3热力学第二定律的两种表述克劳修斯表述：热量不能自发地从低温物体传递到

12、高温物体。开尔文表述：不可能从单一热源吸收热量，使之完全变成功，而不产生其他影响。4第二类永动机第二类永动机：没有冷凝器，只有单一热源，能将单一热源吸收的热量全部用来做功，而不引起其他变化的热机。第二类永动机不可能制成，表示机械能可以全部转化为内能，但内能却不能全部转化成机械能而不引起其他变化；机械能和内能的转化过程具有方向性。5热力学第二定律的意义热力学第二定律揭示了自然界中热现象宏观过程的方向性，一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的。光的波粒二象性一、光电效应1光照使物体发射电子的现象叫光电效应现象；所发射的电子叫光电子；光电子定向动所形成的电流叫光电流。2光电效应现象所遵循的基本规

13、律。（1）对于任何一种金属，入射光的频率必须大于某一极限频率才能产生光电效应，低于这个极限频率，无论强度如何，无论照射时间多长，也不能产生光电效应；（2）饱和电流的大小与入射光的强度成正比，也就是在单位时间里从金属极板中发射出的光电子数跟入射光的强度成正比；（3）发射出的光电子的最大初动能与入射光强度无关，只随入射光频率的增大而增大；（4）只要入射光的频率高于金属极板的极限频率，无论其强度如何，光电子的产生都几乎是瞬时的，不超过109s.二、光子1能量量子假说：1900年德国物理学家普郎克提出：电磁波的发射和吸收是不连续的，而是一份一份的，每一份电磁波的能量E=hvh为普朗克常量，h=6.63

14、×10-34Js，每个光子的能量只决定于光的频率2光子假说：1905年爱因斯坦提出：空间传播的光也是不连续的，而是一份一份的，每一份称为一个光子，光子具有的能量与光的频率成正比。三、光的电磁说 1麦克斯韦根据电磁波与光在真空中的传播速度相同，提出光在本质上是一种电磁波这就是光的电磁说，赫兹用实验证明了光的电磁说的正确性。2 电磁波谱： 波长从大到小排列顺序为：无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、射线。各种电磁波中，除可见光以外，相邻两个波段间都有重叠。 各种电磁波的产生机理分别是： 无线电波是振荡电路中自由电子的周期性运动产生的； 红外线、可见光、紫外线是原子的外层电子受到激发

15、后产生的； 伦琴射线是原子的内层电子受到激发后产生的； 射线是原子核受到激发后产生的。3红外线、紫外线、X射线的主要性质及其应用举例：种 类产 生主要性质应用举例红外线一切物体都能发出热效应遥感、遥控、加热紫外线一切高温物体能发出化学效应荧光、杀菌、合成VD2X射线阴极射线射到固体表面穿透能力强人体透视、金属探伤4可见光频率范围是3.9-7.5×1014Hz，波长范围是400-770nm。四、光电效应方程1金属的逸出功光电效应中，金属中的电子在飞出金属表面时要克服原子核对它的吸引而做功。某种金属中的不同电子，脱离这种金属所需的功不一样。使电子脱离某种金属所做功的最小值，叫做这种金属的

16、逸出功2爱因斯坦光电效应方程：动能最大的光电子所具有的动能3光电效应曲线（1）图像 （2）图像0ImIUUc0-Wv0EKmv五、光子说对光电效应的解释如果光子的能量较小(频率较低)，电子吸收光子后的能量不足以克服金属中正电荷对其的束缚，则立即会将其转化为系统的内能，而不能从金属中逸出，这就是入射光的频率较低时，尽管照射时间足够长，也不能发生光电效应的原因每一种金属，正电荷对电子的束缚能力都不同，因此，电子逸出所需做的最小功也不一 样光子频率小于该频率，无论如何都不会发生光电效应，这就是每一种金属都存在极限频率的原因金属中的电子对于光子的吸收是十分迅速的，电子一次性获得的能量足够时，逸出也是十

17、分迅速的，这就是光电效应具有瞬时效应的原因六、康普顿效应在研究电子对X射线的散射时发现：有些散射波的波长比入射波的波长略大。康普顿认为这是因为光子不仅有能量，也具有动量。实验结果证明这个设想是正确的。因此康普顿效应也证明了光具有粒子性。康普顿效应是光子与自由电子之间的相互作用，光子被电子全部吸收后，又重新放出新光子（散射光子不是转移部分能量的入射光子）康普顿效应整个过程的能量和动量守恒。七、光的波粒二象性1、光的波粒二象性：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又用无可辩驳的事实表明光是一种粒子；因此现代物理学认为：光具有波粒二象性。2、正确理解波粒二象性：波粒二

18、象性中所说的波是一种概率波，对大量光子才有意义波粒二象性中所说的粒子，是指其不连续性，是一份能量光的粒子性与物质发生作用时，表现出粒子的性质少量或个别光子容易显示出粒子性频率较大时，易显示粒子性粒子含义是“不连续”、“一份一份”的，不同于宏观的粒子光的波动性传播时，表现出波的性质大量光子容易显示出波动性频率较小时，易显示波动性光的波动性是光子本身的一种属性，不是光子之间相互作用产生的，不同于宏观的机械波。八、物质波（德布罗意波）由光的波粒二象性的思想推广到微观粒子和任何运动着的物体上去，得出物质波（德布罗意波）的概念：任何一个运动着的物体都有一种波与它对应，该波的波长原子结构一、原子核式结构模

19、型1电子的发现和汤姆生的原子模型：（1）电子的发现： 1897年英国物理学家汤姆生，对阴极射线进行了一系列的研究，从而发现了电子。电子的发现表明：原子存在精细结构，从而打破了原子不可再分的观念。（2）汤姆生的原子模型： 1903年汤姆生设想原子是一个带电小球，它的正电荷均匀分布在整个球体内，而带负电的电子镶嵌在正电荷中。2粒子散射实验和卢瑟福的核式结构模型（1）粒子散射实验： 装置： 现象：a. 绝大多数粒子穿过金箔后，仍沿原来方向运动，不发生偏转。b. 有少数粒子发生较大角度的偏转c. 有极少数粒子的偏转角超过了90度，有的几乎达到180度，即被反向弹回。（2）原子的核式结构模型：1911年

20、，卢瑟福通过对粒子散射实验的分析计算提出原子核式结构模型：在原子中心存在一个很小的核，称为原子核，原子核集中了原子所有正电荷和几乎全部的质量，带负电荷的电子在核外空间绕核旋转二氢原子光谱（一）光谱1定义：用光栅或棱镜可以把光波按波长展开，获得光的波长成分和强度分布的记录。2分类：按产生的方式不同，可分为发射光谱、吸收光谱（1）发射光谱发射光谱物体发光直接产生的光谱连续光谱由连续分布的一切波长的光（一切单色光）组成的光谱。由炽热的固体、液体及高压气体产生（产生条件）明线光谱由一些不连续的亮线组成的光谱。通常气压下，炽热的气体（稀薄气体）或金属蒸气产生的光谱，由游离状态的原子的发射而产生的，所以也

21、叫原子光谱。实验证明：每种元素的原子都有一定的明线光谱，每种原子只能发出具有本身特性的某些波长的光，因此，明线光谱的谱线叫做原子的特征谱线（2）吸收光谱吸收光谱高温物体发出白光，通过物质时，某些波长的光被物质吸收后产生的光谱（条件）实验证明：各种原子的吸收光谱中的每一条暗线，都跟该种原子的明线光谱中的一条明线相对应。这表明，低温气体原子吸收的光，恰好就是这种原子在高温时发出的光（特点），因此，吸收光谱中的暗线，也就是原子的特征谱线，只是通常看到的要比明线光谱中少一些（二）光谱分析光谱分析由于每种原子都有自已的特征谱线，根据原子光谱来鉴别物质和确定它的化学组成的方法叫做光谱分析优点：非常灵敏而且

22、迅速应用：在科技中有广泛的应用。如检查半导体材料硅或锗的纯度。（三）氢原子光谱1885年，巴耳末对当时已知的，在可见光区的14条谱线作了分析，发现这些谱线的波长可以用一个公式表示：巴耳末公式, n=3, 4, 5,里德伯常量R=1.10×107m-1除了巴耳末系，后来发现的氢光谱在红外和紫外光区的其它谱线也都满足与巴耳末公式类似的关系式。氢原子光谱是线状谱，具有分立特征，用经典的电磁理论无法解释。三原子的能级（1）原子核式结构模型与经典电磁理论的矛盾（两方面） 电子绕核作圆周运动是加速运动，按照经典理论，加速运动的电荷，要不断地向周围发射电磁波，电子的能量就要不断减少，最后电子要落到

23、原子核上，这与原子通常是稳定的事实相矛盾。 电子绕核旋转时辐射电磁波的频率应等于电子绕核旋转的频率，随着旋转轨道的连续变小，电子辐射的电磁波的频率也应是连续变化，因此按照这种推理原子光谱应是连续光谱，这种原子光谱是线状光谱事实相矛盾。（2）玻尔理论上述两个矛盾说明，经典电磁理论已不适用原子系统，玻尔从光谱学成就得到启发，利用普朗克的能量量子化的概念，提了三个假设： 定态假设：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，电子虽然做加速运动，但并不向外在辐射能量，这些状态叫定态。 跃迁假设：原子从一个定态（设能量为E2）跃迁到另一定态（设能量为E1）时，它辐射或吸收一定频率的光

24、子，光子的能量由这两个定态的能量差决定，即 hv=E2-E1 轨道量子化假设：原子的不同能量状态，跟电子不同的运行轨道相对应。原子的能量不连续因而电子可能轨道的分布也是不连续的。即轨道半径跟电子动量mv的乘积等于h/2的整数倍，即：轨道半径跟电子动量mv的乘积等于h/的整数倍，即（n为正整数，称能量量子数）（3）玻尔的原子模型 氢原子的能级公式和轨道半径公式：玻尔在三条假设基础上，利用经典电磁理论和牛顿力学，计算出氢原子核外电子的各条可能轨道的半径，以及电子在各条轨道上运行时原子的能量，（包括电子的动能和原子的热能）氢原子中电子在第条可能轨道上运动时，氢原子的能量En，和电子轨道半径rn分别为

25、：其中E1、r1为离核最近的第一条轨道（即n=1）的氢原子能量和轨道半径。即：E1=13.6ev, r1=0.53×10-10m( 以电子距原子核无穷远时电势能为零计算 ) 氢原子的能级图：氢原子的各个定态的能量值，叫氢原子的能级。按能量的大小用图形表示出来即能级图。其中n=1的定态称为基态。n=2以上的定态，称为激发态。氢原子在n能级的动能、势能，总能量的关系是：EP=2EK，E=EK+EP=EK(类似于卫星模型) 由高能级到低能级时，动能增加，势能降低，且势能的降低量是动能增加量的2倍，故总能量(负值)降低.（4） 跃迁: 原子从低能级向高能级的跃迁：当光子作用使原子发生跃迁时，

26、只有光子的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；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。（如在基态，可以吸收E 13.6eV的任何光子，所吸收的能量除用于电离外，多余能量都转化为电离出去的电子的动能）。当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 原子从高能级向低能级的跃迁：当一群氢原子处于某个能级向低能级跃迁时，可能产生的谱线条数为；当一个氢原子处于某个能级向低能级跃迁时，最多可产生的谱线条数为（n-1），若氢原子从高能级向某一确定的低能级跃迁，只能产生一条谱线（5）玻尔理论的

27、局限性由于引进了量子理论（轨道量子化和能量量子化），玻尔理论成功地解释了氢光谱的规律。但由于它保留了过多的经典物理理论（牛顿第二定律、向心力、库仑力等），所以在解释其他原子的光谱上都遇到很大的困难。现代量子理论认为电子的轨道只能用电子云来描述。原子核一、原子核的组成1、天然放射现象（1）天然放射现象的发现：1896年法国物理学家，贝克勒耳发现铀或铀矿石能放射出某种人眼看不见的射线。这种射线可穿透黑纸而使照相底片感光。放射性：物质能发射出上述射线的性质称放射性放射性元素：具有放射性的元素称放射性元素天然放射现象：某种元素自发地放射射线的现象，叫天然放射现象。表明原子核存在精细结构，是可以再分的（

28、2）放射线的成份和性质：用电场和磁场来研究放射性元素射出的射线，在电场中轨迹，如图：种 类本 质质量（u）电荷（e）速度（c）电离性贯穿性射线氦核4+20.1最强最弱，纸能挡住射线电子1/1840-10.99较弱较强，穿几mm铝板射线光子001最弱最强，穿几cm铅板2、原子核的组成（1）原子核的组成：原子核是由质子和中子组成，质子和中子统称为核子（2）在原子核中：质子数等于核电荷数，核子数等于质量数，中子数等于质量数减核电荷数二原子核的衰变 半衰期1衰变：原子核由于放出某种粒子而转变成新核的变化称为衰变，在原子核的衰变过程中，电荷数和质量数守恒类型衰变方程规律衰变新核衰变新核（1）射线是伴随衰

29、变放射出来的高频光子流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）在衰变中新核质子数多一个，而质量数不变是由于反应中有一个中子变为一个质子和一个电子，即：（3）确定衰变次数的方法：设放射性元素X经过n次衰变m次衰变后，变成稳定的新元素Y，则表示核反应的方程为：XY+nHe +me.根据电荷数守恒和质量数守恒可列方程 由此可见确定衰变次数可归结为解一个二元一次方程组.2半衰期：放射性元素的原子核的半数发生衰变所需要的时间，称该元素的半衰期。一放射性元素，测得质量为m,半衰期为T，经时间t后，剩余未衰变的放射性元素的质量为m，则（1）

30、半衰期由放射性元素的原子核内部本身的因素决定的，跟原子所处的物理状态（如压强、温度等）或化学状态（如单质或化合物）无关.（2）半衰期只对大量原子核衰变才有意义，因为放射性元素的衰变规律是统计规律，对少数原子核衰变不再起作用.三、同位素1人工放射性同位素：有些同位素具有放射性，叫做放射性同位素2放射性同位素：具有相同的质子数和不同中子数的原子互称同位素，具有放射性的同位素叫放射性同位素3正电子的发现：用粒子轰击铝时，发生核反应。1934年，约里奥·居里和伊丽芙·居里发现经过粒子轰击的铝片中含有放射性磷反应生成物P是磷的一种同位素，自然界没有天然的，它是通过核反应生成的人工放射

31、性同位素。发生衰变，放出正电子，四、放射性同位素的应用1、利用它的射线： 由于射线贯穿本领强，可以用射线来检查金属内部有没有砂眼或裂纹，所用的设备叫射线探伤仪 利用射线的穿透本领与物质厚度密度的关系，来检查各种产品的厚度和密封容器中液体的高度等，从而实现自动控制 利用射线使空气电离而把空气变成导电气体，以消除化纤、纺织品上的静电 利用射线照射植物，引起植物变异而培育良种，也可以利用它杀菌、治病等2、作为示踪原子：棉花在结桃、开花的时候需要较多的磷肥，把磷肥喷在棉花叶子上，磷肥也能被吸收但是，什么时候的吸收率最高、磷在作物体内能存留多长时间、磷在作物体内的分布情况等，用通常的方法很难研究如果用磷的放射性同位素制成肥料喷在棉花叶面上，然后每隔一定时间用探测器测量棉株各部位的放射性强度，上面的问题就很容易解决3、半衰期的应用： 在地质和考古工作中，利用放射性衰变的半衰期来推断地层或古代文物的年代五、放射线的危害及防护（1）在核电站的核反应堆外层用厚厚的水泥来防止放射线的外泄（2）用过的核废料要放在很厚很厚的重金属箱内，并埋在