第109讲近代物理-近代物理散点串讲

第109讲-近代物理——近代物理散点串讲

一、知识提要

1、光电效应,

\广.』4

⑴在光的照射下物体发射电子的现象叫光电效应。（右图装置Oj）\

中，用弧光灯照射锌版，有电子从锌版表面飞出，使原来不yll,

带电的验电器带正电。）

⑵光电效应的规律。①各种金属都存在极限频率w，只有吃w才能发生光电效应；②瞬时性

（光电子的产生不超过10-9s）o

⑶爱因斯坦的光子说。光是不连续的，是一份一份的，每一份叫做一个光子，光子的能量£

跟光的频率V成正比：£=/v

⑷爱因斯坦光电效应方程：£i=屉％（均是光电子的最大初动能；火是逸出功，即从金属表

面直接飞出的光电子克服正电荷引力所做的功。）

2、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•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。

⑴个别光子的作用效果往往表现为粒子性；大量光子的作用效果往往表现为波动性。

（2）v高的光子容易表现出粒子性；M氐的光子容易表现出波动性。

⑶光在传播过程中往往表现出波动性：在与物质发生作用时往往表现为粒子性。

⑷由光子的能量光子的动量〃表示式也可以看出，光的波动性和粒子性并不

矛盾：表示粒子性的粒子能量和动量的计算式中都含有表示波的特征的物理量——频率'，和波长

由以上两式和波速公式还可以得出：E-pCo

3.卢瑟福的核式结构模型（行星式模型）

a粒子散射实验：是用a粒子轰击金箔，结果是绝大多数a粒子穿过金箔后基本上仍沿原

来的方向前进，但是有少数a粒子发生了较大的偏转。这说明原子的正电荷和质量一定集中

在一个很小的核上。

卢瑟福由a粒子散射实验提出：在原子的中心有一个很小的核，叫原子核，原子的全部

正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里，带负电的电子在核外空间运动。

由a粒了•散射实验的实验数据还可以估算出原子核大小的数量级是1015mo

4.玻尔模型（引入量子理论，量子化就是不连续性，整数〃叫量子数。）

⑴玻尔的三条假设（量子化）

①轨道量子化2rl门=0.53x104%!

②能量量子化：E=员昌

”〃2

氢原广的能绯图

③原子在两个能级间跃迁时辐射或吸收光子的能量加=£n-£n

④

En,Ep,rtn,TEk，v

吸收光子时增大减小

放出光子时减小增大

⑵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。（如在基态，可以吸收£N13.6eV的任何光子，所吸收的

能量除用于电离外，都转化为电离出去的电子的动能）。

5、天然放射现象

（1）.天然放射现象一•天然放射现象的发现，使人们认混到原子核也有复杂结构。

（2）.各种放射线的性质比较

种类本质耐(u)电荷（£）瓢Q)电离性贯穿性

a射线：He氮核4+2最强最弱，纸能挡住

。射线上电子1/1840-1较强较强，穿几mm铝板

Y射线光子001最弱最强，穿几cm铅版

6、核反应

①核反应类型

⑴衰变:a衰变:2洸Uf22Th+；He（核内2；H+2；n-＞；He）

p衰变：^Th-^^Pa+je（核内；nfH+为）

Y衰变：原子核处于较高能级，辐射光子后跃迁到低能级。

⑵人工转变：=N+；HCT[O+；H（发现质子的核反应）

:Bc+；Hcf[C+；n（发现中子的核反应）

⑶重核的裂变：2；；U+；nf1：Ba+；；Kr+3；n在一定条件下（超过临界体积），裂变反

应会连续不断地进行下去，这就是链式反应。

⑷轻核的聚变：；H+：Hf：He+（；n（需要几百万度高温，所以乂叫热核反应）

所有核反应的反应前后都遵守：质量数守恒、电荷数守恒。（注意：质量并不守恒。）

②.半衰期

放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间叫半衰期。（对大量原子核的统计规律）

£££

计算式为：N,=乂］；丫"表示核的个数，此式也可以演变成见或〃

式中〃，表示放射性物质的质量，〃表示单位时间内放出的射线粒子数。以上各式左边的量

都表示时间/后的剩余量。

半衰期由核内部本身的因素决定，跟原子所处的物理、化学状态无关。

③.放射性同位素的应用

⑴利用其射线：a射线电离性强，用于使空气电岗，将静电泄出，从而消除有害静电。T射线

贯穿性强，可用于金属探伤，也可用于治疗恶性肿瘤。各种射线均可使DNA发生突变，可

用于生物工程，基因工程，

⑵作为示踪原子。用于研究农作物化肥需求情况，诊断甲状腺疾病的类型，研究生物大分子

结构及其功能。

⑶进行考古研究。利用放射性同位素碳14,判定出土木质文物的产生年代。

一般都使用人工制造的放射性同位素（种类齐全，各种元素都有人工制造的放射性同

位。半衰期短，废料容易处理。可制成各种形状，强度容易控制）。

7、核能

（1）核能——核反应中放出的能叫核能。

（2）质量亏损——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。

（3）质能方程--爱因斯坦的相对论指出：物体的能量和质量之间存在着密切的联系，它

们的关系是：E=，〃c2,这就是爱因斯坦的质能方程。

质能方程的另一个表达形式是：AE=Amc\以上两式中的各个物理量都必须采用国际单

位。在非国际单位里，可以用lu=931.5McVo它表示1原子质量单位的质量跟93L5MCV的

能量相对应。

在有关核能的计算中，一定要根据已知和题解的要求明确所使用的单位制。

（4）.释放核能的途径

凡是释放核能的核反应都有质量亏损。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。

二、例题解析

【例11（2016,全国新课标I卷）现用某一光电管进行光电效应实验，当用某一频率的光入

射时，有光电流产生。下列说法正确的是

A.保持入射光的频率不变，入射光的光强变大，饱和光电流变大

B.入射光的频率变高，饱和光电流变大

C.入射光的触率变高，光电子的最大初动能变大

D.保持入射光的光强不变，不断减小入射光的频率，始终有光电流产生

E.遏止电压的大小与入射光的频率有关，与入射光的光强无关

（2016,全国新课标II卷）在下列描述核过程的方程中，属于。衰变的是,属

于/衰变的是，属于裂变的是,属于聚变的是.（填正确答案标号）

A.々C-»+枭B.

C.-22Th+；HeD.i；N+；He.[O+；H

E.2^U+In->lt!Xe+^Sr+2*nF.:H+；H.；He+；n

【例3】（2015,江苏卷）波粒二象性是微观世界的基本特征，以下说法正确的有

A.光电效应现象揭示了光的粒子性

B.热中子束射到晶体上产生衍射图样说明中子具有波动性

C.黑体辐射的实验规律可用光的波动性解释

D.动能相等的质子和电子，它们的德布罗意波也相等

【例4】（2015,海南卷）氢原子基态的能量为&=-13.6eK。大量氢原子处于某一激发态。

由这些氢原子可能发出的所有光子中，频率最大的光子能量为一频率最小的光子的能

量为eV（保留2位有效数字），这些光子可具有种不同的频率。

【例5】（2015,江苏卷）取质子的质量多,=1.6726x1（产检，中子的质量

%=1.6749x10—27格,a粒子的质量%=6.6467x10?处,光速c=3xl0%/s,请

计算a粒子的结合能.（计算结果保留两位有效数字）

【例6】（2014,全国卷1）关于天然放射性，下列说法正确的是

D.a、夕和7三种射线中，/射线的穿透能力最强

a、夕和,三种射线

【例7】（2014,全国卷2〕在人类对微观世界进行探索的过程中，科学实验起到了非常重要

的作用。下列说法符合历史事实的是

A.密立根通过油滴实验测出了基本电荷的数值

B.贝克勒尔通过对天然放射现象的研究，发现了原子中存在原子核

C.居里夫妇从沥青铀矿中分离出针（Po）和镭（Ra）两种新元素

D.卢瑟福通过a粒子散射实验证实了原子核内部存在质子

E.汤姆逊通过阴极射线在电场和磁场中的偏转实验，发现了阴极射线是由带负电的粒

子组成的，并测出了该粒子的比荷

三、课后习题

1.在物理学的发展过程中，许多物理学家提出的理论和假设推动了人类历史的进步.下列

表述符合物理学史实的是▲.（填入正确选项前的字母.选对1个给3分，选对2个给

4分，选对3个给6分.每错选1个扣3分，最低得分为（）分）.

A.普朗克为了解释黑体辐射现象，第一次提出了能量量子化理论

B.爱因斯坦为了解释光电效应的规律，提出了光子说

C.卢瑟福通过对■“粒子散射实验的研究，提出了原子的核式结构模型

D.贝克勒尔通过对天然放射性的研究，发现原子核是由质子和中子组成的

E.玻尔大胆提出假设，认为实物粒子也具有波动性

2,北京时间2011年3月11日13时46分，在日本本州岛附近海域发生里氏9.0级强烈地震,

地震和海啸引发福岛第•核电站放射性物质泄漏，其中放射性物质碘131的衰变方程为

RITRXC+Y。根据有关放射性知识，下列说法正确的是（选对一个得3分，

选对两个得4分，选对三个得6分，每选错一个扣3分，最低得0分）

A.Y粒子为£粒子

B.若啜I的半衰期大约是8天，取4个碘原子核，经16天就只剩下1个碘原子核了

C.生成的1：Xc处于激发态，放射y射线。溺寸线的穿透能力最强，电离能力也最强

D.1中有53个质子和131个核子

E.如果放射性物质碘131处尸化合态，也不会对放射性产生影响

3.下列说法正确的是—.（双选）

A.温度越高，放射性元素的半衰期越长

B.天然放射现象说明原子核内部是有结构的

C.汤姆生通过a粒子散射实验提出了原子的核式结构

D.重核的裂变和轻核的聚变过程都有质量亏损，都向外界放出核能

4.在物理学的发展过程中，许多物理学家提出的理论和假设推动了人类历史的进步.下列

表述符合物理学史实的是_4_.（填入正确选项前的字母.选对I个给3分，选对2个给

4分，选对3个给6分.每错选1个扣3分，最低得分为0分）.

A.普朗克为了解释黑体辐射现象，第一次提出了能量量子化理论

B.爱因斯坦为了解释光电效应的规律，提出了光子说

C.卢瑟福通过对a粒子散射实验的研究，提出了原子的核式结构模型

D.贝克勒尔通过对天然放射性的研究，发现原子核是由质子和中子组成的

E.玻尔大胆提出假设，认为实物粒子也具有波动性

5.北京时间2011年3月11日13时46分，在日本本州岛附近海域发生里氏9.0级强烈地震,

地爱和海啸引发福岛第一核电站放射性物质泄漏，其中放射性物质碘131的衰变方程为

^I-2Xe+Y。根据有关放射性知识，下列说法正确的是（选对一个得3分，

选对两个得4分，选对三个得6分，每选错一个扣3分，最低得0分）

A.Y粒子为用粒子

B.若£I的半衰期大约是8天，取4个碘原子核，经16天就只剩下1个碘原子核了

C.生成的t：Xe处于激发态，放射y射线。y射线的穿透能力最强，电离能力也最强

D.I中有53个质子和⑶个核子

E.如果放射性物质碘131处于化合态，也不会对放射性产生影响

课内例题答案

1.ACE

2.CABEF

3.AB

4.03110

5.4.3x10-12J

6.BCD

7.ACE

课后习题答案

1.【答案解析】ABC。是普朗克为了解释黑体辐射现象，第一次提出了能量量子化理论，

A正确：爱因斯坦为了解释光电效应的规律，提出了光子说，B正确；卢瑟福通过对〃粒子

散射实验的研究，提出了原子的核式结构模型，C正确；贝克勒尔通过对天然放射性的研

究，.卢瑟福通过对。粒子敢射实验的研究发现原子核是由质子和中子组成的，D错误；玻尔

大胆提出假设，认为实物粒子也具有粒子性，E错误：故本题选择ABC答案。

2.【答案解析】ADE.解析：A、53⑶1-54⑶Xe+Y,根据衰变过程中质量数和电荷数守恒，

Y粒子为。粒子，故A正确.B、半衰期是一个统计规律，只对大量的原子核才适用，对少

数原子核是不适用的.所以，则若取4个碘原子核，经16天剩下几个碘原子核无法预测.故

B错误.C、生成的幺⑶xe处于激发态，还会放射丫射线.y射线的穿透能力最强，丫射线是

高能光子，即高能电磁波，它是不带电的，所以丫射线的电离作用很弱，故C错误.D.531311

中有53个质子，131表示质量数即核子数，故D正确.E、半衰期是放射性元素的基本性质，

由放射性元素本身次定，与外部环境和所处状态无美，攸E正确；故本题选择；ADE

3.【答案解析】BD解析：A、半衰