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高三物理复习资料 原子物理基础知识 2016.10.26一、黑体和黑体辐射 1热辐射现象： 任何物体在 任何 温度下都要发射 各种 波长的电磁波，并且其辐射能量的大小及辐射能量按波长的分布都与 温度 有关，所以称为热辐射。 2.黑体： 物体具有 辐射 能量的本领，又有吸收外界辐射来的能量的本领。 绝对黑体（简称“黑体”）是指能够完全吸收入射的各种（填“各种”或“部分”）波长电磁波而不发生反射的物体，而黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体的 温度 有关。 3实验规律： （1）随着温度的升高，黑体的辐射强度都有增加； （2）随着温度的升高，辐射强度的极大值向 波长较短 方向移动。 二、光电效应现象 1、光电效应：光电效应：物体在光 包括 不可见光的照射下发射电子的现象称为光电效应。 2、光电效应的研究结论： 任何 金属，都有一个极限频率，入射光的频率必须 大于 这个极限频率，才能产生光电效应； 低于 这个频率的光不能产生光电效应。光电子的最大初动能与入射光的强度 无关 ，只随着入射光频率的增大而 增大 。 入射光照到金属上时，光电子的发射几乎是瞬时的，一般不超过10-9s；当入射光的频率大于极限频率时，入射光的强度越强，单位时间内发射的电子数 越多 。3、光电效应的应用：光电管：光电管的阴极表面敷有 碱 金属，对电子的束缚能力比较弱，在光的照射下容易发射电子，阴极发出的电子被阳极收集，在回路中形成电流，称为 光电流 。注意：光电管两极加上正向电压，可以增强光电流。光电流的大小跟入射光的强度和正向电压有关，与入射光的频率无关。入射光的强度越大，光电流越大。遏止电压U0。回路中的光电流随着反向电压的增加而减小，当反向电压U0满足：，光电流将会减小到零，所以遏止电压与入射光的 频率 有关。 4、波动理论无法解释的现象：不论入射光的频率多少，只要光强足够大，总可以使电子获得足够多的能量，从而产生光电效应，实际上如果光的频率小于金属的极限频率，无论光强多大，都不能产生光电效应。光强越大，电子可获得更多的能量，光电子的最大初始动能应该由入射光的强度来决定，实际上光电子的最大初始动能与光强无关，与 频率 有关。光强大时，电子能量积累的时间就短，光强小时，能量积累的时间就长，实际上无论光入射的强度怎样微弱，几乎在开始照射的 一瞬间 就产生了光电子. 5、普朗克常量：普郎克在研究电磁波辐射时，提出 能量量子 假说：物体热辐射所发出的电磁波的能量是不连续的，只能是的 整数倍 ，称为一个 能量量子 。即能量是一份一份的。其中辐射频率，是一个常量，称为普朗克常量。 6、光子说:光不仅在发射和吸收时能量是一份一份的，而且光本身就是由一个个 不可分割 的能量子组成，每一个能量子叫做一个光子，光子的能量E跟光的频率成正比,E= ，其中：是 普朗克 常量. 7、光电效应方程（1）逸出功W0: 电子脱离金属离子束缚，逸出金属表面克服离子引力所做功的最小值（2）光电效应方程：如果入射光子的能量大于逸出功W0，那么有些光电子在脱离金属表面后还有剩余的动能根据能量守恒定律，出射光子的最大初动能Ek与入射光子的能量、逸出功W0的关系式是 （其中是指出射光电子的最大初动能。）（3）光电效应的解释：极限频率：金属内部的电子一般一次只能吸收一个光子的能量，入射光子的能量小于 逸出功W0 时，电子不可能逸出，这就是光电效应存在极限频率的原因。遏制电压：由和有：，所以遏制电压只与入射光频率有关，与入射光的强度无关，这就是光电效应存在遏制电压的原因。 三、康普顿效应（表明光子具有动量）1、康普顿效应：用X射线照射物体时，一部分散射出来的X射线的波长会变 长 ，这个现象叫康普顿效应。康普顿效应是验证光的 波粒二象性 的重要实验之一。2、康普顿效应的意义：证明了爱因斯坦光子假说的正确性，揭示了光子不仅具有能量，还具有 动量 。光子的动量为3、现象解释：碰撞前后光子与电子总能量守恒，总动量也守恒。碰撞前，电子可近似视为静止的，碰撞后,电子获得一定的能量和动量，X光子的能量和动量减小，所以X射线光子的波长变长。 四、原子核式结构模型 1、电子的发现和汤姆生的原子模型： 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。 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、粒子散射实验和原子核结构模型 粒子散射实验：1909年， 卢瑟福 及助手盖革和马斯顿完成的. 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 ，有的几乎达到180，即被反向弹回。 原子的核式结构模型： 1911年，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。 原子轨道半径约为 10-10 m。 由粒子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10-15m。 五、玻尔原子模型 1、光谱 光谱分析 （1）各种原子的发射光谱都是线状谱，说明原子只发出几种 特定频率 的光。不同原子的亮线位置 不同 ，说明不同原子的 发光频率 是不一样的，因此这些亮线称为原子的 特征谱线 。 （2）光谱分析：一种元素，在高温下发出一些特定波长的光，在低温下，也吸收这些波长的光，所以把明线光谱中的亮线和吸收光谱中的 暗线 都称为该种元素的特征谱线，用来进行光谱分析。 2、氢原子光谱 氢原子是最简单的原子，其光谱也最简单。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： n=3，4，5， 式中R叫做 里德伯常量 ，这个公式成为巴尔末公式。 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。 3、玻尔模型（引入量子理论，量子化就是不连续性，整数n叫量子数。）玻尔的三条假设（量子化）轨道量子化：当电子在不同的轨道上运动时，原子处于 不同 的状态。 能量量子化：原子在不同的状态中具有不同的能量，因此，原子的能量是 量子化 的。这些 量子化 的能量值叫做能级，原子中这些具有确定能量的稳定状态，称为定态。能量最低的状态叫做基态，其他状态叫做 激发 态。 跃迁假设：频率条件(辐射条件）。当电子在能量较高的定态轨道（其能量记为Em）和能量较低的定态轨道（能量记为En，mn)，间跃迁时，会辐射或吸收光子的能量h= Em-En 。电子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E 13.6eV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）。（2）解释氢原子光谱根据玻尔理论，不同原子的结构不同，能级不同，可能辐射的光子就有不同的 波长 。所以每种原子都有自己特定的线状谱，因此这些谱线也叫元素的特征谱线。（3）玻尔理论的局限性。由于引进 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。六、原子核的组成 1、天然放射现象 天然放射现象的发现：1896年法国物理学，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。玛丽居里 和皮埃尔居里发现放射性元素钋Po和 镭Ra.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。 （2）各种放射线的性质比较种 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较强较强，穿几毫米铝板射线光子001最弱最强，穿几厘米铅版（3）如果一种元素具有放射性，无论它是以单质存在还是以 化合物 存在，都具有放射性。放射性的强度也 不受 温度、外界压强的影响。这说明，射线来自 原子核 。这说明原子核内部是 有结构 的，是可以再分的。 2、原子核的组成：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在原子核中有：质子 数等于电荷数、核子 数等于质量数、中子数等于 质量数减电荷数 七 1.半衰期 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衰变类型衰变方程 衰变规律衰变新核 质量数减少4 电荷数减少2衰变新核 质量数不变 电荷数增加1 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g 衰变：原子核处于较高能级，辐射 光子后跃迁到 低能 级，辐射伴随着衰变和衰变产生，这时放射性物质发出的射线中就会同时具有a、b和三种射线。 半衰期：放射性元素的原子核有 半数 发生衰变所需要的时间，称该元素的半衰期。放射性元素衰变的快慢是由核内部自身因素决定的，跟原子所处的 化学状态 物理状态没有关系。（对大量原子核的统计规律）计算式为： N表示核的个数 ，此式也可以演变成 或，式中m表示放射性物质的质量，n 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t后的 剩余 量。 八、放射性的应用与防护放射性同位素1、核反应：原子核在其他粒子的轰击下产生新原子核的过程，成为核反应。 卢瑟福 用粒子轰击氦核打出质子： 查德威克 用粒子轰击铍核打出 中子： 2、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。放射性同位素：具有 放射性 的同位素叫放射性同位素。 1934年，约里奥居里夫妇发现经过粒子轰击的铝片中含有放射性磷，即： 反应生成物是磷的一种同位素，自然界没有天然的，它是通过核反应生成的人工放射性同位素。与天然的放射性物质相比，人造放射性同位素：放射强度容易控制、可以制成各种需要的形状 半衰期更短 放射性废料容易处理3、放射性同位素的应用： 利用它的射线 A、由于射线 贯穿 本领强，可以用来射线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 B、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C、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D、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 作为示踪原子：用于工业、农业及生物研究等. 4、放射性的防护：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用过的核废料要放在很厚很厚的 重金属 箱内，并埋在 深海 里在生活中要有防范意识，尽可能远离放射源 九、核能 结合能 1、核力：原子核间存在一种核力，将核子紧紧束缚在核内，形成稳定的原子核。核力是强相互作用的一种表现，在原子核尺度内，比库仑力 大 得多；核力是短程力，作用范围在1.510-15m之内；每个核子只跟 邻近 的核子发生作用，这种性质称为核力的饱和性。 1.比结合能： 原子里的核子凭借核力结合在一起的，要把它们分开，也需要能量，这就是原子的 结合能。组成原子的核子越多，它的结合能也越高。它的结合能与 核子数 之比，称做比结合能。比结合能越 大，原子中核子结合得越牢固，原子核越稳定。 2.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 = mc2，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：E=mc2。在非国际单位里，可以用1u=931.5MeV。它表示1原子质量单位的质量跟931.5MeV的能量相对应。 3.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 。质量亏损表明，的确存在原子核的结合能。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 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。十、重核裂变核聚变 释放核能的途径裂变和聚变 1、裂变反应： 核裂变：重核在一定条件下转变成两个 中等 质量的核的反应，叫做原子核的裂变反应。例如： 链式反应：在裂变反应用产生的中子，再被其他铀核浮获使反应继续下去。链式反应的条件：临界体积 ，极高的温度. 聚变反应：聚变反应：轻核聚合成较重的原子核的反应，称为聚变反应。（需要几百万度高温，所以又叫 热 核 反应）例如：聚变反应的条件；几百万摄氏度的高温（所以又叫热核反应）5.核反应堆目前的所有正式运行的核电站都是应用 裂变 发电的。核反应堆的主要组成是：核燃料。用 浓缩铀 （能吸收慢中子的铀235占3%4%）。减速剂。用石墨或 重水 （使裂变中产生的中子减速，以便被铀235吸收）。控制棒。用镉做成（镉吸收中子的能力很强）。冷却剂。用水或液态钠（把反应堆内的热量传输出去用于发电，同时使反应堆冷却，保证安全）。水泥防护层。用来屏蔽裂变产物放出的各种射线。十一、重要的物理现象或史实跟相应的科学家单摆的等时性 伽利略单摆的周期公式 惠更斯电流的磁效应 奥斯特电磁感应定律 法拉第首先用电场线描述电场 法拉第电子电量的测定 密立根分子电流假说 安培预言了电磁波的存在 麦克斯韦建立了电磁场理论 麦克斯韦用实验证实了电磁波的存在 赫兹光的微粒说 牛顿光的波动说 惠更斯光的电磁说 麦克斯韦光的干涉现象 杨氏电子的发现 汤姆生中子的发现 查德威克质子的发现 卢瑟福人工放射性同位素发现 小居里夫妇a粒子散射实验 卢瑟福圆满解释氢光谱 玻尔原子的核式结构模型 卢瑟福天然放射性的发现 贝克勒耳光电效应规律光子说 爱因斯坦质能方程 爱因斯坦相对论 爱因斯坦十二、熟记一些粒子的符号粒子、质子 、中子 、电子-、氘核、氚核