人教版高二物理35原子物理講義

原子物理講義1、 物理學(xué)簡史概要1、 普朗克通過對黑體輻射的研究提出了能量量子化的觀點，從而成為量子力學(xué)的奠基人。2、 光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)證明了光具有粒子性，康普頓效應(yīng)證明了光不僅具有能量還具有動量。3、 德布羅意提出了物質(zhì)波的猜想，電子衍射實驗證明了其猜想。4、 波恩提出了概率波的觀點。5、 湯姆孫發(fā)現(xiàn)電子并提出了原子的棗糕模型。6、 密立根通過油滴實驗測出了電子的電荷量并證明了電荷是量子化的。7、 盧瑟福通過粒子散射實驗，提出了原子的核式結(jié)構(gòu)模型。8、 貝克勒爾發(fā)現(xiàn)了天然放射現(xiàn)象說明原子核具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)。9、 倫琴發(fā)現(xiàn)了x射線。10、盧瑟福用粒子轟擊氮原子核發(fā)現(xiàn)了質(zhì)子：NHeOH并預(yù)言了中子的存在。11、約里奧居里夫婦發(fā)現(xiàn)放射性同位素，同時發(fā)現(xiàn)正電子AlHePnPSie。12、 查德威克發(fā)現(xiàn)中子：HeBeCn2、 光電效應(yīng)1、 赫茲最早發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng)現(xiàn)象。2、 定義：照射到金屬表面的光能使金屬中的電子從表面逸出的現(xiàn)象。逸出的電子叫光電子。3、 五個概念：逸出功（）：由金屬板決定（對于同一金屬板逸出功是定值）最大初動能：（由頻率決定）截止頻率：由金屬板決定截止的是電流。也稱為極限頻率。遏制電壓：得：由頻率決定光強（I）：光強越強光電子數(shù)量越多。4、 四條規(guī)律：光電子的能量由入射光的頻率決定與入射光的強度無關(guān)。每種金屬都有一個極限頻率當(dāng)入射光的頻率大于等于截止頻率才會發(fā)生光電效應(yīng)。當(dāng)入射光的頻率大于極限頻率時，入射光的強度決定光電子的數(shù)目決定飽和光電流的大小。光電效應(yīng)是瞬時的。5、四類圖象圖象名稱圖線形狀由圖線直接(間接)得到的物理量最大初動能Ek與入射光頻率的關(guān)系圖線極限頻率：圖線與軸交點的橫坐標(biāo)c逸出功：圖線與Ek軸交點的縱坐標(biāo)的值W0|E|E普朗克常量：圖線的斜率kh顏色相同、強度不同的光，光電流與電壓的關(guān)系遏止電壓Uc：圖線與橫軸的交點飽和光電流Im：電流的最大值最大初動能：EkmeUc顏色不同時，光電流與電壓的關(guān)系遏止電壓Uc1、Uc2飽和光電流最大初動能Ek1eUc1，Ek2eUc2遏止電壓Uc與入射光頻率的關(guān)系圖線截止頻率c：圖線與橫軸的交點遏止電壓Uc：隨入射光頻率的增大而增大普朗克常量h：等于圖線的斜率與電子電量的乘積，即hke。(注：此時兩極之間接反向電壓)【例題】1、在光電效應(yīng)試驗中，分別用頻率為a、b的單色光a、b照射到同種金屬上，測得相應(yīng)的遏止電壓分別為Ua和Ub光電子的最大初動能分別為Eka和Ekb。h為普朗克常量。下列說法正確是A若ab，則一定有UaUbB若ab，則一定有EkaKkbC若UaUb，則一定有EkaEkbD若ab，則一定有haEkahbEkb答案：BC2、現(xiàn)用某一光電管進行光電效應(yīng)實驗，當(dāng)用某一頻率的光入射時，有光電流產(chǎn)生。下列說法正確的是A保持入射光的頻率不變，入射光的光強變大，飽和光電流變大B入射光的頻率變高，飽和光電流變大C入射光的頻率變高，光電子的最大初動能變大D保持入射光的光強不變，不斷減小入射光的頻率，始終有光電流產(chǎn)生E遏止電壓的大小與入射光的頻率有關(guān)，與入射光的光強無關(guān)答案：ACE3、如圖所示是用光照射某種金屬時逸出的光電子的最大初動能隨入射光頻率的變化圖線(直線與橫軸的交點坐標(biāo)為4.27，與縱軸交點坐標(biāo)為0.5)。由圖可知（AC）A該金屬的截止頻率為4.271014 HzB該金屬的截止頻率為5.51014 HzC該圖線的斜率表示普朗克常量D該金屬的逸出功為0.5 eV4、在某次光電效應(yīng)實驗中，得到的遏止電壓Uc與入射光的頻率的關(guān)系如圖所示。若該直線的斜率和截距分別為k和b，電子電荷量的絕對值為e，則普朗克常量可表示為_，所用材料的逸出功可表示為_。解析根據(jù)愛因斯坦光電效應(yīng)方程有EkmhW0，又因為EkmeUc，得到Uc，所以k，hek；b，W0eb。答案ekeb5、在光電效應(yīng)實驗中，飛飛同學(xué)用同一光電管在不同實驗條件下得到了三條光電流與電壓之間的關(guān)系曲線(甲光、乙光、丙光)，如圖所示。則可判斷出A甲光的頻率大于乙光的頻率B乙光的波長大于丙光的波長C乙光對應(yīng)的截止頻率大于丙光的截止頻率D甲光對應(yīng)的光電子最大初動能大于丙光的光電子最大初動能解析由于是同一光電管，因而不論對哪種光，極限頻率和金屬的逸出功相同，對于甲、乙兩種光，反向遏止電壓相同，因而頻率相同，A錯誤；丙光對應(yīng)的反向遏止電壓較大，因而丙光的頻率較高，波長較短，對應(yīng)的光電子的最大初動能較大，故C、D均錯，B正確。答案B三、原子模型1、1897年，湯姆生通過對陰極射線的分析研究發(fā)現(xiàn)了電子，由此認識到原子也應(yīng)該具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)，而不是不可分的，并且他提出了原子的棗糕模型。2、1909年，盧瑟福和他的同事以粒子轟擊重金屬箔，即粒子的散射實驗來檢驗湯姆孫的原子模型時提出了新的原子模型-核式結(jié)構(gòu)模型。（1） 粒子的散射實驗的現(xiàn)象絕大多數(shù)粒子穿過金箔后仍沿原來的方向前進，但有少數(shù)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，并且有極少數(shù)偏轉(zhuǎn)角超過了90，有的甚至被彈回，偏轉(zhuǎn)幾乎達到180。（2）核式結(jié)構(gòu)模型的學(xué)說內(nèi)容在原子的中心有一個很小的核，叫原子核，原子的全部正電荷和幾乎全部質(zhì)量都集中在原子核里，帶負電的電子在核外的空間里軟核旋轉(zhuǎn)。（3）核式結(jié)論模型的局限性通過實驗建立起來的盧瑟福原子模型無疑是正確的，但它與經(jīng)典論發(fā)生了嚴重的分歧。電子與核運動會產(chǎn)生與軌道旋轉(zhuǎn)頻率相同的電磁輻射，運動不停，輻射不止，原子能量單調(diào)減少，軌道半徑縮短，旋轉(zhuǎn)頻率加快。由此可得兩點結(jié)論電子最終將落入核內(nèi)，這表明原子是一個不穩(wěn)定的系統(tǒng)；電子落入核內(nèi)輻射頻率連續(xù)變化的電磁波。原子是一個不穩(wěn)定的系統(tǒng)顯然與事實不符，實驗所得原子光譜又為波長不連續(xù)分布的離散光譜。如此尖銳的矛盾，揭示著原子的運動不服從經(jīng)典理論所表述的規(guī)律。3、為解釋原子的穩(wěn)定性和原子光譜的離經(jīng)叛道的離散性，玻爾于1913年以氫原子為研究對象提出了他的原子理論，雖然這是一個過渡性的理論，但為建立近代量子理論邁出了意義重大的一步。（1）玻爾理論的內(nèi)容：原子只能處于一條列不連續(xù)的能量狀態(tài)中，在這些狀態(tài)中原子是穩(wěn)定的，電子雖做加速運動，但并不向外輻射能量，這些狀態(tài)叫定態(tài)。原子從一種定態(tài)（設(shè)能量為Em）躍遷到另一種定態(tài)（設(shè)能量為En）時,它輻射或吸收一定頻率的光子，光子的能量由這種定態(tài)的能量差決定，即氫原子中電子軌道是量子化的每一可取的軌道對應(yīng)一個能級。（2）巴耳末公式研究原子的結(jié)構(gòu)及其規(guī)律的一條重要途徑就是對光譜的研究。19世紀末，許多科學(xué)家對原子光譜已經(jīng)做了大量的實驗工作。第一個發(fā)現(xiàn)氫原子線光譜可組成線系的是瑞士的中學(xué)教師巴耳末，他于1885年發(fā)現(xiàn)氫原子的線光譜在可見光部分的譜線，可歸納為如下的經(jīng)驗公式，n=3，4，5，式中的為波長，R是一個常數(shù)，叫做里德伯恒量，實驗測得R的值為1.096776107。上面的公式叫做巴耳末公式。當(dāng)n=3，4，5，6時，用該式計算出來的四條光譜線的波長跟從實驗測得的四條譜線的波長符合得很好。氫光譜的這一系列譜線叫做巴耳末系。（3）能及圖稱為量子數(shù)，代表基態(tài)，代表激發(fā)態(tài)，值為：。原子向外輻射（吸收）光子的能量與發(fā)生躍遷的兩個軌道有關(guān)。，。一個氫原子躍遷發(fā)出可能的光譜線條數(shù)最多為n1。一群氫原子躍遷發(fā)出可能的光譜線條數(shù)的兩種求解方法：NC。電子由高能級向低能級躍遷時，動能增加，勢能減小，總能量減小。電子由低能級向高能級躍遷時，動能減小，勢能增大，總能量增大。 對于光子和原子作用而使原子發(fā)生躍遷時，入射光的能量要剛好等于兩能級差，原子才能能吸收，對于實物粒子與原子作用使原子激發(fā)時，粒子能量大于或等于能級差都行。電離：由某一定態(tài)躍遷到無窮遠處。【例題1】如圖所示，為氫原子的能級圖，現(xiàn)有大量處于n3激發(fā)態(tài)的氫原子向低能級躍遷。已知當(dāng)氫原子從n3躍遷到n2的能級時，輻射光的波長為656 nm下列說法正確的是A大量氫原子總共可輻射出三種不同頻率的光有2種屬于巴耳末系B氫原子由n3躍遷到n2產(chǎn)生的光頻率最大C這些氫原子躍遷時輻射出光子能量的最大值為10.2 eVD氫原子由n3躍遷到n1產(chǎn)生的光照射逸出功為6.34 eV的金屬鉑能發(fā)生光電效應(yīng)E氫原子由n3躍遷到n1產(chǎn)生的光波長最短F.使n3能級的氫原子電離至少要1.51 eV的能量G.若從n2能級躍遷到基態(tài)釋放的光子能使某金屬板發(fā)生光電效應(yīng)，則從n3能級躍遷到n2能級釋放的光子也一定能使該板發(fā)生光電效應(yīng)H.在3種光子中，從n3能級躍遷到n1能級釋放的光子康普頓效應(yīng)最明顯I.原子從a能級狀態(tài)躍遷到b能級狀態(tài)時發(fā)射波長為1的光子，原子從b能級狀態(tài)躍遷到c能級狀態(tài)時吸收波長為2的光子，已知12，那么原子從a能級躍遷到c能級狀態(tài)時將要吸收波長為的光子.J.氫原子從n2躍遷到n1的能級時，輻射光的波長大于656 nmK.用波長為325 nm的光照射，可使氫原子從n1躍遷到n2的能級答案解析：A 巴爾末系屬于可見光系也指從大于二能級躍遷至二能級的光從三能級躍遷只有一條屬于巴爾末系A(chǔ)錯B由n3躍遷到n2能級差最小頻率最小根據(jù)可知頻率越小波長越長B錯E錯C從n=3躍遷到n=1的光子能量最大 C錯根據(jù)光電效應(yīng)發(fā)生的條件可知D對 G錯F n3能級的氫原子電離至少要 F對H 頻率越大粒子性越強康普頓效應(yīng)越明顯H對I 由Eh及，可知原子從a能級狀態(tài)躍遷到b能級狀態(tài)發(fā)射光子的能量E1，原子從b能級狀態(tài)躍遷到c能級狀態(tài)時吸收光子的能量E2，則原子從a能級狀態(tài)躍遷到c能級狀態(tài)時要吸收光子的能量E3E2E1，波長為，I項正確。J 從n3躍遷到n2的能級時，輻射光的波長為656 nm 根據(jù)可知n2躍遷到n1的能級時，輻射光的波長小于656 nmJ K 均錯答案：DFHI（4）玻爾理論的局限性：玻爾原子理論滿意地解釋了氫原子和類氫原子的光譜；從理論上算出了里德伯恒量；但是也有一些缺陷。對于解釋具有兩個以上電子的比較復(fù)雜的原子光譜時卻遇到了困難，理論推導(dǎo)出來的結(jié)論與實驗事實出入很大。此外，對譜線的強度、寬度也無能為力；也不能說明原子是如何組成分子、構(gòu)成液體個固體的。玻爾理論還存在邏輯上的缺點，他把微觀粒子看成是遵守經(jīng)典力學(xué)的質(zhì)點，同時，又給予它們量子化的觀念，失敗之處在于偶保留了過多的經(jīng)典物理理論。到本世紀20年代，薛定諤等物理學(xué)家在量子觀念的基礎(chǔ)上建立了量子力學(xué)。徹底摒棄了軌道概念，而代之以幾率和電子云概念。四、原子核理論1、天然放射現(xiàn)象：（1）概念：元素自發(fā)地放出射線的現(xiàn)象，首先由貝克勒爾發(fā)現(xiàn)。天然放射現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，說明原子核具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。(2)放射性和放射性元素：物質(zhì)發(fā)射某種看不見的射線的性質(zhì)叫放射性。具有放射性的元素叫放射性元素。(3)三種射線：放射性元素放射出的射線共有三種，分別是射線、射線、射線。三種射線均來自原子核。種類高速氦核流高速電子流（光子流）高頻電磁波速度0.1c0.99cC在電磁場中偏轉(zhuǎn)與a射線反向偏轉(zhuǎn)不偏轉(zhuǎn)貫穿本領(lǐng)最弱，用紙能擋住較強，穿透幾毫米的鋁板最強，穿透幾厘米的鉛板對空氣的電離作用很強較弱很弱在空氣中的徑跡粗、短、直細、較長、曲折最長通過膠片感光感光感光產(chǎn)生機制核內(nèi)兩個中子和兩個質(zhì)子結(jié)合的比較緊密，有時會作為一個整體從較大的原子核拋射出來核內(nèi)的中子可以轉(zhuǎn)化為一個質(zhì)子和一個電子，產(chǎn)生的電子從核內(nèi)發(fā)射出來放射性原子核在發(fā)生兩種衰變后產(chǎn)生得新核往往處于高能級，當(dāng)它向低能級躍遷時，輻射r光子2、 放射性元素的衰變（1）定義：原子核放出粒子或粒子，變成另一種原子核的變化稱為原子核的衰變。（2）兩種衰變的比較衰變類型衰變衰變衰變方程XYHeXYe衰變實質(zhì)2個質(zhì)子和2個中子結(jié)合成一個整體射出中子轉(zhuǎn)化為質(zhì)子和電子2H2nHenHe衰變規(guī)律電荷數(shù)守恒、質(zhì)量數(shù)守恒、動量守恒（3）射線：射線經(jīng)常是伴隨著衰變或衰變同時產(chǎn)生的。其實質(zhì)是放射性原子核在發(fā)生衰變或衰變的過程中，產(chǎn)生的新核由于具有過多的能量(核處于激發(fā)態(tài))而輻射出光子。3、半衰期（1）定義：放射性元素的原子核有半數(shù)發(fā)生衰變所需的時間。（2）影響因素：放射性元素衰變的快慢是由原子核內(nèi)部因素決定的，跟原子所處的物理狀態(tài)(如溫度、壓強)或化學(xué)狀態(tài)(如單質(zhì)、化合物)無關(guān)。（3）半衰期公式：N余N原()，m余m原()。式中N原、m原表示衰變前的放射性元素的原子數(shù)和質(zhì)量，N余、m余表示衰變后尚未發(fā)生衰變的放射性元素的原子數(shù)和質(zhì)量，t表示衰變時間，表示半衰期。（4）半衰期的物理意義：半衰期是表示放射性元素衰變快慢的物理量，同一放射性元素具有的衰變速率一定，不同的放射性元素半衰期不同，有的差別很大。（5）半衰期的適用條件：半衰期是一個統(tǒng)計規(guī)律，是對大量的原子核衰變規(guī)律的總結(jié)，對于一個特定的原子核，無法確定何時發(fā)生衰變?！纠}】1、Th(釷)經(jīng)過一系列衰變和衰變，變成Pb(鉛)，下列說法中正確的是A鉛核比釷核少8個質(zhì)子B鉛核比釷核少16個中子C共經(jīng)過4次衰變和6次衰變D共經(jīng)過6次衰變和4次衰變答案：D2、14C發(fā)生放射性衰變成為14N，半衰期約5 700年。已知植物存活期間，其體內(nèi)14C與12C的比例不變；生命活動結(jié)束后，14C的比例持續(xù)減小?，F(xiàn)通過測量得知，某古木樣品中14C的比例正好是現(xiàn)代植物所制樣品的二分之一。下列說法正確的是A該古木的年代距今約5 700年B12C、13C、14C具有相同的中子數(shù)C14C衰變?yōu)?4N的過程中放出射線D增加樣品測量環(huán)境的壓強將加速14C的衰變答案：AC5、 核反應(yīng)1、原子核(1)原子核的組成原子核由質(zhì)子和中子組成，質(zhì)子和中子統(tǒng)稱為核子。原子核的核電荷數(shù)質(zhì)子數(shù)，原子核的質(zhì)量數(shù)質(zhì)子數(shù)中子數(shù)。(2) 同位素：具有相同質(zhì)子數(shù)、不同中子數(shù)的原子，在元素周期表中的位置相同，同位素具有相同的化學(xué)性質(zhì)。2、核力(1)定義：原子核內(nèi)部，核子間所特有的相互作用力。(2)特點：核力是強相互作用的一種表現(xiàn)；核力是短程力，作用范圍在1.51015 m之內(nèi)；每個核子只跟它的相鄰核子間才有核力作用。這種性質(zhì)成為核力的飽和性。弱相互作用是引起原子核衰變的原因。3、核能(1)結(jié)合能核子結(jié)合為原子核時放出的能量或原子核分解為核子時吸收的能量，叫做原子核的結(jié)合能，亦稱核能。并不是核子結(jié)合成原子核而具有的能量。(2)比結(jié)合能（平均結(jié)合能）定義：原子核的結(jié)合能與核子數(shù)之比，稱做比結(jié)合能，也叫平均結(jié)合能。特點：不同原子核的比結(jié)合能不同，原子核的比結(jié)合能越大，表示原子核中核子結(jié)合得越牢固，原子核越穩(wěn)定。(3) 質(zhì)量虧損：原子核的質(zhì)量小于組成原子核的核子質(zhì)量之和的現(xiàn)象。質(zhì)量虧損并不是質(zhì)量消失而是伴隨有場態(tài)物質(zhì)輻射，每個核子變“瘦”，靜質(zhì)量向動質(zhì)量轉(zhuǎn)化。(4) 核能的計算由質(zhì)量虧損可求出釋放的核能Emc2。能E=4、核反應(yīng)的四種類型類型可控性核反應(yīng)方程典例衰變衰變自發(fā)衰變自發(fā)人工轉(zhuǎn)變?nèi)斯た刂票R瑟福發(fā)現(xiàn)質(zhì)子查德威克發(fā)現(xiàn)中子 約里奧.居里夫婦 發(fā)現(xiàn)放射性同位素，同時發(fā)現(xiàn)正電子重核裂變比較容易進行人工控制輕核聚變除氫彈外無法控制鏈式反應(yīng)：由重核裂變產(chǎn)生的中子使裂變一代接一代繼續(xù)下去的過程。裂變物質(zhì)能夠發(fā)生鏈式反應(yīng)的最小體積叫做臨界體積。專題訓(xùn)練1下列核反應(yīng)方程中，屬于衰變的是A.NHeOH B.UThHeC.HHHen D.ThPae2(半衰期的理解與計算)靜止的鐳原子核Ra經(jīng)一次衰變后變成一個新核Rn，則下列相關(guān)說法正確的是A該衰變方程為RaRnHeB若該元素的半衰期為，則經(jīng)過2的時間，2 kg的Ra中有1.5 kg已經(jīng)發(fā)生了衰變C隨著該元素樣品的不斷衰變，剩下未衰變的原子核Ra越來越少，其半衰期也變短D若把該元素放到密閉的容器中，則可以減慢它的衰變速度E該元素的半衰期不會隨它所處的物理環(huán)境、化學(xué)狀態(tài)的變化而變化3、在下列描述核過程的方程中，屬于衰變的是_，屬于衰變的是_，屬于裂變的是_，屬于聚變的是_。(填正確答案標(biāo)號)A.CNeB.PSeC.UThHeD.NHeOHE.UnXeSr2nF.HHHen4、如圖所示是原子核的核子平均質(zhì)量與原子序數(shù)Z的關(guān)系圖象，下列說法中正確的是A若原子核D和E結(jié)合成F，結(jié)合過程一定會吸收核能B若原子核D和E結(jié)合成F，結(jié)合過程一定會釋放核能C若原子核A分裂成B和C，分裂過程一定會吸收核能D在核反應(yīng)堆的鈾棒之間插入鎘棒是為了控制核反應(yīng)速度5、核電站的核能來源于 U核的裂變，下列說法中正確的是A反應(yīng)后的核廢料已不具有放射性，不需要進一步處理B. U的一種可能的裂變是變成兩個中等質(zhì)量的原子核，如 Xe和 Sr，反應(yīng)方程為 U n Xe Sr2 nC. U是天然放射性元素，常溫下它的半衰期約為45億年，升高溫度半衰期縮短D一個 U核裂變的質(zhì)量虧損為m0.215 5 u，則釋放的核能約201 MeV6、以下說法正確的是A放射性元素的半衰期跟原子所處的化學(xué)狀態(tài)無關(guān)，但與外部條件有關(guān)B某種頻率的紫外線照射到金屬鋅板表面時能夠發(fā)生光電效應(yīng)，若增大該種紫外線照射的強度，從鋅板表面逸出的光電子的最大初動能并不改變C根據(jù)玻爾的原子理論，氫原子的核外電子由能量較高的定態(tài)軌道躍遷到能量較低的定態(tài)軌道時，會輻射一定頻率的光子，同時核外電子的動能變大D用一光電管進行光電效應(yīng)實驗時，當(dāng)用某一頻率的光入射，有光電流產(chǎn)生，若保持入射光的總能量不變而不斷減小入射光的頻率，則始終有光電流產(chǎn)生7(多選)金屬鈣