高中物理选修3-5原子物理部分知识复习总结.pdf

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1、高中物理选修3-5 原子物理部分总结 章节名称定义（内容）补充 第 十 七 章 波 粒 二 象 性 第一节 能量量 子化 黑体与黑体辐射 热辐射： 一切物体都在辐射电磁波，这种辐射与物体温 度有关。 黑体：如果某种物体能够完全吸收入射的各种波长的电 磁波而不发生反射， 这种物体就是绝对黑体，简称黑体。 黑体辐射的实验 规律 随着温度的升高，一方面， 各种波长的辐射强度都有增 加；另一方面， 辐射强度的极大值向波长较短的方向移 动。 黑体辐射公式 （辐射强度按波 长分布的理论公 式） 维恩公式 ：短波区与实验非常接近，长波区则与实验偏 离很大。（德国物理学家维恩 1896 年提出） 瑞利公式 （

2、瑞利金斯公式）： 长波区与实验基本一致， 短波区与实验严重不符，不但不符， 而且当波长趋于零 时，辐射强度竟变成无穷大，这显然是荒谬的。由于波 长很小的辐射处于紫外线波段，故而由理论得出的这种 荒谬结果被认为是物理学理论的灾难，当时被称为 紫外 灾难 。（英国物理学家瑞利 1900 年提出，被金斯修正） 能量子 不可再分的最小能量值叫做能量子。 为了得出同实验 相符得黑体辐射公式，德国物理学家普朗克 于 1900 年 底提出，于1918 年因此获得诺贝尔物理学奖。 hv h=6.626 10 -34 Js 单位： J v单位： s -1 第二节 光的粒 子性 光电效应的实验 规律 1、 照射到

3、金属表面的光能使金属中的电子从表面逸出， 这个现象称为光电效应，这种电子常被称为光电子。 2、存在着饱和电流。 3、入射光越强，单位时间内发射的光电子数越多。 4、存在这遏止电压Uc和截止频率 c v 。 5、光电子的能量只与入射光的频率有关。 6、当入射光的频率减小到某一数值 cv 时，即使不施加 反向电压也没有光电流，这表面已经没有光电子了， c v 称为截止频率。 7、入射光的频率低于截止频率时不发生光电效应。 8、 光电效应具有瞬时性，产生电流的时间不超过10 -9 s。 c 2 c 2 1 eU me 逸出功 使电子脱离某种金属所做功的最小值叫做这种金属的 逸出功，用W0表示。 光电

4、效应解释中 的疑难（按照光 的电磁理论） 1、 光越强，光电子的初动能越大，所以遏止电压应该 与光的强弱有关。 2、 不管光的频率如何，只要光足够强，电子都可以获 得足够能量从而逸出表面，不应存在截止频。 3、 如果光很弱，按经典电磁理论估算的时间远远大于 实验结果。 爱因斯坦的光电 效应方程 频率为v的光的能量子为hv，h为普朗克常量， 这些能 量子被称为光子。犹太裔物理学家爱因斯坦 于 1905 年 提出，于1921 年因此获得诺贝尔物理学奖。光电效应 表明光子具有能量，粒子性。 0 WhvEk 从 1907 起，美国物理学家密立根测量光电效应中几个 重要的物理量，检验了爱因斯坦光电效应方

5、程的正确 性。 康普顿效应 1、 光在介质中与物质相互作用，因而传播方向发生改 变，这种现象叫做光的散射。 2、 石墨对 X射线的散射实验中，散射的X射线除了与 入射波长 0 相同的成分外，还有波长大于 0 的成 分，这个现象称为朗普顿效应。 3、 光子除了具有能量之外还具有动量。 美国物理学家 康普顿 于 1923 年提出，于 1927 年因此获 得诺贝尔物理学奖。 中国留学生吴有训测试了多 种物质对X 射线的散射，证 实了康普顿效应的普遍性。 光子的动量 h p 第三节 粒子的 波动性 光的波粒二象性 1801 年，英国物理学家托马斯杨，观察到了光的干 涉现象； 19 世纪初，法国物理学家

6、菲涅耳，观察到了光的衍射 现象； 19 世纪初，法国物理学家马吕斯，观察到了光的偏振 现象； 19 世纪 60 年代，英国物理学家麦克斯韦，从理论上确 认了光的电磁波本质（电磁理论）； 1887 年，德国物理学家赫兹发现了光电效应； 干涉现象 ：两列或几列光波 在空间相遇时相互叠加，在 某些区域始终加强，在另一 些区域则始终削弱，形成稳 定的强弱分布的现象。证实 了光具有波动性。 衍射现象 ： 光在传播过程中， 遇到障碍物或小孔时，光将 偏离直线传播的路径而绕到 障碍物后面传播的现象。证 实了光具有波动性。 1905 年，犹太裔物理学家爱因斯坦提出爱因斯坦光子 理论，光电效应方。 光的微粒说光

7、的波动说光的电磁理论光子理论 光既具有波动性又具有粒子性。 偏振现象 ：振动方向对于传 播方向的不对称性。它是横 波区别于纵波的一个最明显 的标志，只有横波才有偏振 现象，证实了光的横波性。 粒子的波动性 实物粒子具有波动性，即每一个运动的粒子都与一个对 应的波相联系， 而且粒子的能量和动量跟它所对应的波 的频率和波长之间也像光子一样遵从规律，这种与实物 粒子相联系的波称为德布罗意波，也叫物质波。1924 年法国物理学家德布罗意 在博士论文中大胆地把光的 波粒二象性推广到实物粒子，于1929 年因此获得诺贝 尔物理学奖。 h v p h 物质波的实验验 证 1912 年，德国物理学家劳厄利用晶

8、体中排列规律的物 质微粒作为衍射光栅，检验了伦琴射线的波动性，证实 了伦琴射线就是波长为十分之几纳米的电磁波。 1927 年，美国物理学戴维孙和英国物理学家GP汤 姆孙分别利用晶体做了电子衍射的实验，证实了电子的 波动性。他们为此获得了1937 年的诺贝尔物理学奖。 除电子外，后来还陆续证实了质子、中子以及原子、分 子的波动性。 只有缝、孔的宽度或障碍物 的尺寸跟波长相差不多或者 比波长更小时，才能观察到 明显的衍射现象。 第四节 概率波 经典的粒子和经 典的波 经典粒子具有频率和波长的特征。 概率波 1926 年德国物理学家玻恩 指出，一个光子通过狭缝后， 虽然不能肯定某个光子落在哪一点，但

9、由屏上各处明暗 不同这个事实可以推知，光子落在各点的概率是不一样 的，即落在明纹处的概率大，落在暗纹处的概率小。这 就是说， 光子在空间出现的概率可以通过波动的规律确 定。光是一种概率波。 第五节 不确定 性关系 不确定性关系 不能准确的知道单个粒子的运动情况。 1927 年，德国物理学家海森伯 提出了不确定性关系， 他于 1932 年获得了诺贝尔物理学奖。 4 h px 物理模型与物理 现象 量子力学 关于微观粒子运动规律的基本理论。 微观粒子表现出一系列不同于宏观颗粒的性质，其根本 原因是微观粒子具有波粒二象性。 1913 年，在量子力学建立之前，丹麦物理学家玻尔 根 据普朗克、 爱因斯坦

10、等提出的量子概念建立了前期量子 论； 1925 年，德国物理学家海森伯 发展了矩阵力学； 1926 年，奥地利物理学家薛定谔 根据德布罗意的波粒 二象性假说建立了波动力学，后又证明矩阵力学和波动 力学在数学上是等价的，于是两种理论融合为量子力 学；之后又由 狄拉克 等人的进一步发展。 高中物理选修3-5 原子物理部分总结 章节名称定义（内容）补充 第 十 八 章 原 子 结 构 第一节 电子的 发现 阴极射线 1858 年，德国物理学家普吕克尔 实验中，使玻璃管壁上产生荧 光的射线。 1876 年，德国物理学家戈德斯坦 把该射线命名为阴极射线。 电子的发现 电子是组成阴极射线的粒子，电荷是量子

11、化的。 1890 年， 舒斯特 测出了阴极射线微粒的比荷； 1897 年， 考夫曼 测出了阴极射线微粒的比荷； 1897 年，英国物理学家J J 汤姆孙 证实阴极射线的本质是带负电 的粒子流并求出这种粒子的比荷，发现了电子； 19091913 年，美国物理学家密立根 通过“油滴实验”精确测定 电子电荷。 e1.610-19C me910-31kg 质子质量是电子 质量的 1836 倍。 第二节 原子的 核式结 构模型 核式结构模型之 前 1898 年，英国物理学家J J 汤姆孙 提出了 “枣糕模型”（也叫“西 瓜模型”）； 1903 年， 勒纳德 让电子束射到金属膜上，发现高速的电子很容 易穿

12、过原子，说明原子不是一个实心球体。 粒子散射实验 （核式结构模 型） 绝大多数粒子穿过金箔后，基本上仍沿原来的方向前进，但有少 数粒子发生了大角度偏转，偏转的角度甚至大于90 。 该实验于1909 年，由英籍物理学家卢瑟福 指导他的学生盖革 和 马斯顿 进行的。 基于此实验， 1911 年，英籍物理学家卢瑟福 提出来了自己的原 子结构模型，被称为核式结构模型。 原子核的电荷与 尺度 核半径m 15 10，原子半径m 10 10 。 原子核的半径无法直接测量，一般通过其他粒子与核的相互作用 来确定， 粒子散射是估计核半径的最简单的方法。 第三节 氢原子 光谱 光谱 光谱是一条条量线的叫线状谱，光

13、谱是连在一起的光带的叫连续 谱。 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。 光谱分析 ：利用 原子的特征谱线 来鉴别物质和确 定物质的组成成 分。 优点：灵敏度高。 1814 年，德国物理学家 夫琅和费 通过光谱分析发现了钠的谱线， 发现了太阳光谱中的暗线； 1859 年，德国物理学家 基尔霍夫 解释了太阳光谱中暗线的含义。 氢原子光谱的实 验规律 许多情况下光是由原子内部电子的运动产生的。 1885 年， 巴耳末 根据氢原子光谱提出了巴耳末公式。 巴耳末公式 ) 1 2 1 (

14、 1 22 n R 5, 4, 3n R 叫做里德伯常 量 1.10 107m-1 经典理论的困难无法解释原子的稳定性和原子光谱的分立特征。 第四节 玻尔的 玻尔原子理论的 基本假设 轨道量子化与定态：1、电子的轨道是量子化的2、原子的能量 是量子化的， 这些量子化的能量值叫做能级，原子中具有确定能 量的稳定状态称为定态。能量最低的状态叫基态，其他状态叫做 、 321 1 2 2 1 n rnr n E E n n 原子模 型 激发态。 玻尔理论对氢光 谱的解释 通常情况下， 原子处于基态， 高速运动的电子撞击时，有可能向 上跃迁到激发态，处于激发态的原子放出光子，最终回到基态。 一般说来，电

15、子只能吸收能量为Em En=hv 的光子，但当光子 的能量达到13.6eV 时，电子发生电离，大于13.6eV 时，电离后 有一定的初动能。 电子除了吸收特定的光子外，还能吸收实物粒子，如电子、 光电 子，不过能量只需大于或等于跃迁所需能量。（也可通过加热） 氢原子的能级图：n=3、4、 5、6 跃迁到 n=2 为可见光，频率由 大到小 X 光紫外线 可见光，其中射线来源于原子核，X 光来源于核外内层电子跃迁，紫外线、 可见光及红外线来源于最 外层电子跃迁。 原子从高能态向低能态跃迁时放出的光子的能量等于前后两个 能级之差。 由于原子的能级是分立的，所以放出的光子的能量也 是分立的。因此原子的

16、发射光谱只有一些分立的亮线。 由于不同的原子具有不同的结构，能级各不相同， 因此辐射 （吸 收）的光子频率也不同。 nm EEhv 1914 年，美国物理学家弗兰克 和德国物理学家赫兹 利用电子轰 击汞原子， 发现电子损失的能量，也就是汞原子吸收的能量是分 立的，从而证明汞原子的能量确实是量子化的。 波尔模型的局限不能解释复杂的原子。 高中物理选修3-5 原子物理部分总结 章节名称定义（内容）补充 第 十 九 章 原 子 核 第一节 原子核的组成 天然放射现象 物质发射射线的性质称为放射性，具有放射性的元素称为放射 性元素，放射性元素自发地发出射线的现象叫天然放射现象。 原子序数大于 或等于

17、83 的元 素都能自发地 发出射线， 原子 序数小于83 的 元素，有的也能 放出射线。 1895 年末，德国物理学家伦琴 发现了一种的新射线X 射 线，即伦琴射线。 1896 年，法国物理学家贝可勒尔 发现铀和含铀的矿物能够发出 看不见的射线，这种射线可以穿透黑纸使照相底板感光。 1898 年，波兰裔科学家玛丽居里和法国物理学家皮埃尔居里 在沥青中发现新元素钋和镭。 1903 年，居里夫妇 和贝克勒尔 由于对放射性的研究而一起获得 诺贝尔物理学奖。 1911 年， 居里夫人 因镭和钋的发现而获得了诺贝尔化学奖。 射线到底是什 么 射线是伴随着衰变或 衰变产生的， 射线不改变原子核的 电荷数和

18、质量数，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。 原子核的组成 带正电的质子和不带电的中子。 1919 年，英籍物理学家 卢瑟福 用镭放射出的粒子轰击氮原子 核，从氮原子核打出了质子，用p 表示。卢瑟福猜想原子核中 还存在另一种粒子，把它称作中子，用n 表示。 1932 年，卢瑟 福的学生 查德威克 （英国）通过实验证实了这个猜想。 质子：HONHe 1 1 14 8 14 7 4 2 中子：nCBeHe 1 0 12 6 9 4 4 2 第二节 放射性元素的 衰变 原子核的衰变 原子核放出粒子或 粒子变成另一种原子核的变化。

19、 （原子核衰变时电荷数和质量数都守恒） 衰变：HeThU 4 2 234 90 238 92 衰变：ePaTh 0 1- 234 91 234 90 衰变电子的来源：eHn 0 1- 1 1 1 0 半衰期 放射性元素有半数发生衰变所需的时间。 放射性元素衰变的快慢是由核内部自身的因素决定的，跟原子 所处的化学状态和外部条件没有关系。即压力、温度或与其他 元素的化合等，都不会影响原子核的结构。 第三节 探测射线的方 法 威尔逊云室 有粒子在室内气体中飞过，使沿途的气体分子电离，过饱和酒 精蒸汽就会以这些离子为核心凝结成雾滴，显示出射线的径迹。 该云室是英国物理学家威尔逊 在 1912 年发明的

20、。 粒子：质量大、电离本领大，因而径迹直而清晰。 粒子：高速的，径迹又细又直；低速的，又短又粗且弯曲。 粒子：电离本领很小，一般看不到径迹。 根据径迹的长短和粗细，可以知道粒子的性质；把云室放在磁 场中，从带电粒子运动轨迹的弯曲方向，还可以知道粒子所带 电荷正负。 气泡室 原理同云室原理类似，所不同的是气泡室李装的是液体，如液 态氢。 盖革 米勒计 数器 其主要部分是盖革米勒计数管，这种装置是德国物理学家盖 革和米勒 在 1928 年研制成的，又称G-M 计数器。 第四节 放射性的应用 与保护 核反应 原子核在其他粒子的轰击下产生新原子核的过程，称为核反应。 （在核反应中，质量数守恒，电荷数守

21、恒） 第一次实现原子核的人工转变HONHe 1 1 14 8 14 7 4 2 。 人工放射性同 位素 1934 年， 约里奥 -居里 夫妇发现经粒子轰击的铝片中含有放射 性磷（P 30 15 ），nPAlHe 1 0 30 15 27 13 4 2 。 约里奥 -居里 夫妇（居里夫人的女儿和女婿）由于发现了人工放 射性而获得1935 年诺贝尔物理学奖。 放射性同位素 的应用 测厚度，治疗癌症，杀菌消毒等。 辐射与安全 过量的射线对人体组织有破坏作用。（贫铀弹，贫铀弹是指以 含有铀238 的硬质合金为主要原料制成的炮弹和枪弹。放射性 较） 第五节 核力与四种基 1、核力是强相互作用的一种表现2

22、、核力是短程力3、核力的 饱和性（在核中，某个核子只与相互邻近的数目有限的几个核 核力与结合能本相互作用子之间存在着核力的作用，而与那些远离的核子之间不发生任 何作用，这种现象被称为核力的饱和性） 原子核中质子 与中子的比例 较轻的原子核， 质子数与中子数大致相等，对于较重的原子核， 中子数大于质子数，越重的元素，两者相差越多。 原子核的稳定与核力和电磁力之间的平衡有关。 结合能 1、使核子结合处原子核所需的能量2、结合能与核子数之比称 做比结合能3、比结合能越大，原子核中核子结合得越牢固， 原子核越稳定。 质量亏损 原子核的质量小于组成它的核子的质量之和。 碳 12 元素原子质量的 1 12

23、 叫做原子质量单位，用u 表示。根据 质能方程，损失1u 对应产生的能量为931MeV 。 Emc2 1eV 1.6010-19J 第六节 重核的裂变 核裂变 1、原子核被中子轰击后分裂成两块质量差不多的碎块叫裂变 2、 裂变产生的中子使裂变反应一代接一代继续下去的过程叫核 裂变的链式反应。 1938 年底， 德国物理学家 哈恩 和他的助手 斯特拉斯曼 在用中子 轰击铀核的实验中发现，生成物中有原子序数为56 的元素钡。 n3KrBanU 1 0 89 36 144 56 1 0 235 92 奥地利物理学家迈特纳 和弗里施 对此做出了解释，提出了核裂 变这个概念。 我国科学家 钱三强 、 何

24、泽慧 夫妇于 1947 年在实验中观察到铀核 也可能分裂为三部分或四部分，其概率大约是分裂为两部分的 临界体积： 通常 把裂变物质能 够发生链式反 应的最小体积 叫做它的临界 体积，相应的质 量叫做临界质 量。 概率的千分之三。 核电站 利用可控核裂变，使核能转变为内能进而转变为电能。 1942 年，美国物理学家费米 主持建立了世界上第一个称为“核 反应堆”的装置，首次通过可控制的链式反应实现了核能的释 放。 第七节 核聚变 核聚变 两个轻核结合成质量较大的核的反应。 17.6MeVnHeHH 1 0 4 2 3 1 2 1 受控热核反应 1、轻核聚变产能效率高2、地球上聚变燃料储量丰富3、轻

25、核 聚变更为安全。 第八节 粒子和宇宙 “ 基本粒子 ” 不 基本 许多粒子不是由质子、中子和电子组成，并且质子和中子自身 也都有复杂的结构。 发现新粒子 1932 年，发现了正电子，1937 年发现了子， 1947 年发现了 K 介子核 介子，后来还发现一些粒子，质量比质子的质量大， 叫做超子。现在已经发现的粒子达400 多种。按照粒子与各种 相互作用的不同关系，可以将粒子分为三大类：强子、轻子和 媒介子。 强子：参与强相互作用的粒子。例如质子（最早发现）、中子。 分为介子和重子两类。 轻子：不参与强相互作用的粒子。例如电子（最早发现），还 有电子中微子，子和 子中微子， 子和 子中微子。目前就 这 6 种。 媒介子：传递各种相互作用的粒子。如光子、中间玻色子、胶 子。光子传递电磁相互作用，中间玻色子传递弱相互作用，胶 子传递强相互作用。 夸克模型组成强子的基本成分。 宇宙的演化 恒星的演化