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2022屆新高考物理沖刺精準(zhǔn)復(fù)習(xí)
《光學(xué)原子物理》
物理光學(xué)
歷史關(guān)于光的本性的幾種學(xué)說(shuō)
1、牛頓主張的微粒說(shuō):光是光源發(fā)出的一種物質(zhì)微粒,在均勻的介質(zhì)中以一定的速度傳播。
2、惠更斯的波動(dòng)說(shuō):光是在空間傳播的某種波。
3、麥克斯韋的電磁說(shuō):光是一種電磁波。
4、愛(ài)因斯坦的光子說(shuō):光是一份一份的,每一份為一個(gè)光子,其能量為£毛丫。
5、波粒二象性說(shuō):光既有波動(dòng)性,又具有粒子性,是一種概率波。與物質(zhì)作用時(shí),少量的
光子表現(xiàn)出粒子性(光子運(yùn)動(dòng)沒(méi)有規(guī)則),傳播過(guò)程中,大量的光子表現(xiàn)出波動(dòng)性(這是概
率波,不是機(jī)械波)。
光的干涉
1、光的干涉現(xiàn)象:頻率相同、相位差恒定的兩列相干光波在相遇區(qū)相互疊加,在一些地方
相互加強(qiáng),在一些地方相互削弱,形成明暗相間條紋的現(xiàn)象。光的干涉證明了光具有波動(dòng)性.
2、雙縫干涉:由同一光源發(fā)出的光經(jīng)雙縫后獲得的兩列相干光疊加而形成的干涉現(xiàn)象。形
成的條紋等亮等寬,寬度與波長(zhǎng)成正比,增大光屏到雙縫的距離或減小雙縫間距都能增大條
紋間距。
3、薄膜干涉:薄膜的前、后表面反射的兩束光相遇而形成的干涉現(xiàn)象。膜厚相同之處,都
是加強(qiáng)(或者都是減弱)的,將出現(xiàn)明條紋(或者暗條紋)(所以,肥皂膜的干涉圖樣是水
平條紋)。由于是兩列反射波相遇疊加形成的干涉圖樣,因而應(yīng)當(dāng)從光源的一側(cè)觀(guān)察薄膜的
干涉圖樣(讓反射光線(xiàn)進(jìn)入眼睛!)。觀(guān)察到的干涉條紋實(shí)際上是等厚線(xiàn),即同一個(gè)條紋上各
處膜的厚度是相等的。
4、不管是雙縫干涉還是薄膜干涉,都是用單色光照射時(shí),出現(xiàn)明暗相間的條紋;用白光照
射時(shí),出現(xiàn)彩色條紋。
三.光的衍射
1、光的衍射現(xiàn)象:光離開(kāi)直線(xiàn)路徑繞到障礙物陰影里去的現(xiàn)象。各種不同形狀的障礙物都
能使光發(fā)生衍射。發(fā)生明顯衍射的條件是:障礙物(或孔)的尺寸可以跟波長(zhǎng)相比,甚至比
波長(zhǎng)還小。
2、單縫衍射:光通過(guò)單縫形成的衍射現(xiàn)象。衍射現(xiàn)象:中央明紋最寬最亮,其余明紋等寬
但不等亮。在發(fā)生明顯衍射的條件下,當(dāng)窄縫變窄時(shí),亮斑的范圍變大,條紋間距離變大,
而亮度變暗。白光的衍射條紋是彩色的。
3、泊松亮斑:當(dāng)光照到不透明的小圓板時(shí),在屏上較大的黑影中央(直線(xiàn)傳播形成的影)
有一個(gè)極小的亮斑。當(dāng)形成泊松亮斑時(shí),圓板陰影的邊緣是模糊的,在陰影外還有不等間距
的明暗相間的圓環(huán)。
四.光的電磁說(shuō)
1、麥克斯韋根據(jù)電磁波與光在真空中的傳播速度相同,提出光在本質(zhì)上是一種電磁波一
這就是光的電磁說(shuō),赫茲用實(shí)驗(yàn)證明了光的電磁說(shuō)的正確性。
2、電磁波譜。波長(zhǎng)從大到小排列順序?yàn)椋簾o(wú)線(xiàn)電波、紅外線(xiàn)、可見(jiàn)光、紫外線(xiàn)、X射線(xiàn)、
丫射線(xiàn)。各種電磁波中,除可見(jiàn)光以外,相鄰兩個(gè)波段間都有重疊。
3、紅外線(xiàn)、紫外線(xiàn)、X射線(xiàn)的主要性質(zhì)及其應(yīng)用舉例。
種類(lèi)產(chǎn)生主要性質(zhì)應(yīng)用舉例
紅外線(xiàn)一切物體都能發(fā)出熱效應(yīng)遙感、遙控、加熱
紫外線(xiàn)一切高溫物體能發(fā)出化學(xué)效應(yīng)熒光、殺菌、合成V02
X射線(xiàn)陰極射線(xiàn)射到固體表面穿透能力強(qiáng)人體透視、金屬探傷
五、光的粒子性
1、光電效應(yīng):在光的照射下物體發(fā)射電子的現(xiàn)象叫光電效應(yīng)。
2、光電效應(yīng)的規(guī)律。(1)入射光頻率必須大于金屬的極限頻率V。才能發(fā)生光電效應(yīng)現(xiàn)象;
(2)光電效應(yīng)現(xiàn)象的發(fā)生幾乎是瞬時(shí)的:(3)發(fā)生光電效應(yīng)現(xiàn)象時(shí),光電流強(qiáng)度與入射光
強(qiáng)度成正比;(4)光電子的最大初動(dòng)能與入射光強(qiáng)無(wú)關(guān),只隨著人射光頻率的增大而增大。
3、愛(ài)因斯坦的光子說(shuō)。光是不連續(xù)的,是一份一份的,每一份叫做一個(gè)光子,光子的能量
少跟光的頻率「成正比:E=hv
六、光的波粒二象性
1、光的波粒二象性
干涉、衍射的事實(shí)表明光是一種波;光電效應(yīng)又表明光是一種粒子;因此現(xiàn)代物理學(xué)
認(rèn)為:光具有波粒二象性。
2、正確理解波粒二象性
波粒二象性中所說(shuō)的波是一種概率波,對(duì)大量光子才有意義。波粒二象性中所說(shuō)的粒子,
是指其不連續(xù)性,是一份能量。不可把光當(dāng)成宏觀(guān)觀(guān)念中的波,也不可把光當(dāng)成微觀(guān)觀(guān)念中
的粒子。
3、個(gè)別光子的作用效果往往表現(xiàn)為粒子性;大量光子的作用效果往往表現(xiàn)為波動(dòng)性;頻率
超低的光波動(dòng)性越明顯,頻率越高的光粒子性越明顯;光在傳播過(guò)程中往往顯示波動(dòng)性,在
與物質(zhì)作用時(shí)往往顯示粒子性。
例1、下圖為紅光或紫光通過(guò)雙縫或單縫所呈現(xiàn)的圖樣,則()
■min
(甲)(乙)(丙)(T)
A.甲為紫光的干涉圖樣B.乙為紫光的干涉圖樣
C.丙為紅光的干涉圖樣D.丁為紅光的干涉圖樣
解析:當(dāng)單色光通過(guò)雙縫時(shí)形成的干涉圖樣為等間距的,而通過(guò)單縫時(shí)的圖案是中間寬
兩邊窄的衍射圖樣,因此甲、乙為干涉圖案;而丙、丁為衍射圖案。并且紅光的波長(zhǎng)較長(zhǎng),
干涉圖樣中,相鄰條紋間距較大,而紫光的波長(zhǎng)較短,干涉圖樣中相鄰條紋間距較小,因此
B選項(xiàng)正確。
例2、在光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果中,與光的波動(dòng)理論不矛盾的是()
A.光電效應(yīng)是瞬時(shí)發(fā)生的
B.所有金屬都存在極限頗率
C.光電流隨著入射光增強(qiáng)而變大
D.入射光頻率越大,光電子最大初動(dòng)能越大
解析:光具有波粒二象性,即既具有波動(dòng)性又具有粒子性,光電效應(yīng)證實(shí)了光的粒子性。
因?yàn)楣庾拥哪芰渴且环菀环莸模荒芊e累,所以光電效應(yīng)具有瞬時(shí)性,這與光的波動(dòng)性矛盾,
A項(xiàng)錯(cuò)誤;同理,因?yàn)楣庾拥哪芰坎荒芊e累,所以只有當(dāng)光子的頻率大于金屬的極限頻率時(shí),
才會(huì)發(fā)生光電效應(yīng),B項(xiàng)錯(cuò)誤;光強(qiáng)增大時(shí),光子數(shù)量和能量都增大,所以光電流會(huì)增大,
這與波動(dòng)性無(wú)關(guān),C項(xiàng)正確;一個(gè)光電子只能吸收一個(gè)光子,所以入射光的頻率增大,光電
子吸收的能量變大,所以最大初動(dòng)能變大,D項(xiàng)錯(cuò)誤。
例3、用極微弱的可見(jiàn)光做雙縫干涉實(shí)驗(yàn),隨著時(shí)間的增加,在屏上先后出現(xiàn)如圖(a)、(6)、
(c)所示的圖像,則
A.圖像(a)表明光具有粒子性
B.圖像(c)表明光具有波動(dòng)性
C.用紫外光觀(guān)察不到類(lèi)似的圖像
D.實(shí)驗(yàn)表明光是一種概率波
解析:本題考查雙縫干涉實(shí)驗(yàn)及光的波粒
二象性。光子較少時(shí),極其微弱的可見(jiàn)光光子
的落點(diǎn)位置具有不確定性,故(a)圖說(shuō)明光具有粒子性,A對(duì);光照時(shí)間的增加,光子落在
亮條紋區(qū)域的概念明顯較大,雙縫干涉條紋越來(lái)越清晰,故(c)具有波動(dòng)性,B對(duì);顯然光
子落在亮條紋上的概念較大,該實(shí)驗(yàn)也說(shuō)明光是一種概率波,D對(duì)。
例4、太陽(yáng)光垂直射到地面上時(shí),地面上1m?接受的太陽(yáng)光的功率為1.妹W,其中可見(jiàn)部
分約占45%
(1)假如認(rèn)為可見(jiàn)光的波長(zhǎng)約為0.55um,日地間距離R=l.5X10%.普朗克恒量h=6.6
XWMJ-s,估算太陽(yáng)每秒輻射出的可見(jiàn)光子數(shù)為多少?
(2)若已知地球的半徑為6.4X10、,估算地球接受的太陽(yáng)光的總功率。
分析:了解光子說(shuō)理論,建立起適當(dāng)?shù)哪P?,即可得出正確解答。
解答:(1)設(shè)地面上垂直陽(yáng)光的In?面積上每秒鐘接收的可見(jiàn)光光子數(shù)為n.則有PX
45%=n?h-.
A
叩目0.45"0.45x0.55xlO^x1.4xlO3
解得:n=-----------=---------------------------------------
he6.6X10-34X3X108
=1.75X102
設(shè)想一個(gè)以太陽(yáng)為球心,以日、地距離為半徑的大球面積包圍著太陽(yáng),大球面接受的
光子數(shù)即等于太陽(yáng)輻射的全部光子數(shù)。則所求可見(jiàn)光光子數(shù)
N=n?4nR2=1.75X1021X4X3.14X(1.5X10")2=4.9X1014
(2)地球背著陽(yáng)光的半個(gè)球面沒(méi)有接收太陽(yáng)光。地球向陽(yáng)的半個(gè)球面面積也不都與太
陽(yáng)光垂直。接收太陽(yáng)光輻射且與陽(yáng)光垂直的有效面積是以地球半徑為半徑的圓平面的面積。
則地球接收陽(yáng)光的總功率
P^P?nr2=1.4X3.14X(6.4X106)2=1.8X10l7kW.
原子物理
一、原子的核式結(jié)構(gòu)
1、湯姆孫發(fā)現(xiàn)了電子
英國(guó)物理學(xué)家湯姆遜通過(guò)對(duì)陰極射線(xiàn)的研究,發(fā)現(xiàn)了從原子中發(fā)射出來(lái)的比原子更小的
帶負(fù)電的電子。
2、湯姆孫的原子模型
湯姆孫的原子模型是在發(fā)現(xiàn)電子的基礎(chǔ)上建立起來(lái)的,湯姆孫認(rèn)為,原子是一個(gè)球體,
正電荷均勻分布在球內(nèi),電子像棗糕里的棗子一樣,鑲嵌在原子里面,所以湯姆孫的原子模
型也叫棗糕式原子結(jié)構(gòu)模型。
3、盧瑟福的a粒子散射實(shí)驗(yàn)
為了了解原子的組成和結(jié)構(gòu),英國(guó)物理學(xué)家熒光屏―
盧瑟福等人做了用放射性元素針?lè)懦龅腶粒子0粒)編紋R
礴于源安就
束,轟擊重金屬箔片的實(shí)驗(yàn)(如圖).
實(shí)驗(yàn)思想:選擇真空環(huán)境,避免氣體分子對(duì)a粒子的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生影響.并選擇延展性最好
的金打成盡可能薄的金箔,使a粒子在穿過(guò)金箔的過(guò)程中只與某一個(gè)金原子發(fā)生相互作用,
觀(guān)察并比較轟擊前后a粒子的運(yùn)動(dòng)情況,從而獲取原子結(jié)構(gòu)方面的信息.
實(shí)驗(yàn)結(jié)果:絕大多數(shù)。粒子穿過(guò)金箔后基本上仍沿原來(lái)的方向前進(jìn),但是有少數(shù)a粒
子發(fā)生了較大角度的偏轉(zhuǎn),極少數(shù)a粒子偏轉(zhuǎn)角超過(guò)90°,有的幾乎達(dá)到180°,沿原路返
回。
按照湯姆孫的原子結(jié)構(gòu)模型,帶正電的物質(zhì)均勻分布,帶負(fù)電的電子質(zhì)量比a粒子的
質(zhì)量小得多。。粒子碰到電子就像子彈碰到一粒塵埃一樣,其運(yùn)動(dòng)方向不會(huì)發(fā)生什么改變。
但實(shí)驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)了像一枚炮彈碰到一層薄薄的衛(wèi)生紙被反彈回來(lái)這一不可思議的現(xiàn)象。盧瑟
福通過(guò)分析,否定了湯姆孫的原子結(jié)構(gòu)模型,提出了核式結(jié)構(gòu)模型。
4、盧瑟福建立原子的核式結(jié)構(gòu)
盧瑟福依據(jù)a粒子散射實(shí)驗(yàn)的結(jié)果,提出了原子的核式結(jié)構(gòu):在原子中心有一個(gè)很小
的核,叫原子核,原子的全部正電荷和幾乎全部質(zhì)量都集中在核里,帶負(fù)電的電子在核外空
間繞核旋轉(zhuǎn).
原子核的半徑無(wú)法直接測(cè)量,a粒子散射是估算核半徑最簡(jiǎn)單的方法。對(duì)于一般的原
子核半徑數(shù)量級(jí)為l()T5m,整個(gè)原子半徑的數(shù)量級(jí)是,兩者相差十萬(wàn)倍之多,可
見(jiàn)原子內(nèi)部是十分“空曠”的。
二、天然放射現(xiàn)象
1、天然放射現(xiàn)象
1896年,法國(guó)物理學(xué)家貝克勒爾發(fā)現(xiàn),鈾和含鈾的礦物能發(fā)出一種看不見(jiàn)的射線(xiàn),這
種射線(xiàn)能穿透黑紙而使照相底片感光.這種元素白發(fā)地放出射線(xiàn)的現(xiàn)象叫天然放射現(xiàn)象。研
究發(fā)現(xiàn),自然界中原子序數(shù)大于或等于83的所有元素,都能、自發(fā)地放出射線(xiàn);原子序數(shù)
小于83的元素,有的也具有放射性,這種射線(xiàn)來(lái)自于原子核,放射性物質(zhì)進(jìn)行天然衰變時(shí)
放射出的a、B、丫三種射線(xiàn)。
2、三種射線(xiàn)的本質(zhì)和特性
a射線(xiàn):速度約為光速1/10的氮核流,貫穿作用很弱,一張薄紙就能擋住。電離作用很強(qiáng)。
B射線(xiàn):速度約為光速十分之幾的電子流,貫穿作用很強(qiáng),能穿過(guò)幾毫米厚的鋁板,電離作
用較弱。
Y射線(xiàn):波長(zhǎng)極短的電磁波,貫穿作用最強(qiáng),能穿過(guò)幾厘米厚的鉛板,電離作用最弱。
3、原子核的衰變規(guī)律
(1)a衰變的一般方程為-先賀+1He。每發(fā)生一次a衰變,新元素與原元素相比較,
核電荷數(shù)減小2,質(zhì)量數(shù)減少4。a衰變的實(shí)質(zhì)是某元素的原子核同時(shí)放出由兩個(gè)質(zhì)子和兩
個(gè)中子組成的粒子(即氨核)
(2)B衰變的一般方程為fz£y+-;e。每發(fā)生一次B衰變,新元素與原元素相比較,
核電荷數(shù)增加1,質(zhì)量數(shù)不變。B衰變的實(shí)質(zhì)是元素的原子核內(nèi)的一個(gè)中子變成質(zhì)子時(shí)放射
出一個(gè)電子。
(3)丫射線(xiàn)是伴隨a衰變或6衰變同時(shí)產(chǎn)生的,丫射線(xiàn)不改變?cè)雍说碾娦袛?shù)和質(zhì)量數(shù)。
其實(shí)質(zhì)是光子。
(4)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(shí)間叫這種元素的半衰期。半衰期是表
示放射性元素衰變快慢的物理量;不同的放射性元素,其半衰期不同。
②公式:用T表示半衰期,,的與No表示衰變前的質(zhì)量和原子核數(shù),加和N表示衰變后
的質(zhì)量和原子核數(shù),〃表示半衰期數(shù),則
m=2=〃%?2亍,N=—―=?27
2"27
③影響因素:放射性元素衰變的快慢是由核內(nèi)部的因素決定的,跟原子所處的物理狀態(tài)(如
溫度、壓強(qiáng))或化學(xué)狀態(tài)(如單質(zhì)、化合物)無(wú)關(guān)。
④規(guī)律理解:半衰期是個(gè)統(tǒng)計(jì)概念,只對(duì)大量原子核有意義,對(duì)少數(shù)原子核是沒(méi)有意義的。
某一個(gè)原子核何時(shí)發(fā)生衰變,是不可知的。若樣品中有四個(gè)原子核,它們的半衰期為K)天,
10天后是否有兩個(gè)原子核發(fā)生了衰變是無(wú)法確定的。
三、原子核的人工轉(zhuǎn)變
1、原子核的組成:質(zhì)子和中子組成原子核。質(zhì)子和中子統(tǒng)稱(chēng)為核子,原子核的質(zhì)量數(shù)等于
其核子數(shù),原子核的電荷數(shù)等于其質(zhì)子數(shù),原子核的中子數(shù)N等于其質(zhì)量數(shù)A與電荷數(shù)Z
之差,即加八一Z。具有相同的質(zhì)子數(shù)、不同的中子數(shù)的原子核互稱(chēng)為同位素。
2、原子核的人工轉(zhuǎn)變:用高能粒子轟擊靶核,產(chǎn)生另一種新核的反應(yīng)過(guò)程,其核反應(yīng)方程
的一般形式為:^X+尤=^y+外式中,X是靶核的符號(hào),x為入射粒子的符號(hào),1V
是新生核符號(hào),y是放射出的粒子的符號(hào)。
(1)盧瑟福用a粒子轟擊氮原子核發(fā)現(xiàn)了質(zhì)子,如圖,該
實(shí)驗(yàn)裝置為a粒子轟擊氮原子核示意圖。M是顯微鏡,S7J-L_Z!H_
是閃光屏,窗口F處裝鋁箔,氮?dú)鈴拈y門(mén)T充入,A是放射
源,在觀(guān)察由質(zhì)子引起的閃爍之前需進(jìn)行必要調(diào)整充入氮?dú)饽?/p>
前,調(diào)整鋁箔厚度,使S上見(jiàn)不到a粒子引起的閃爍。然
后控制放射源,使其放射a射線(xiàn),目鏡觀(guān)測(cè)到了閃光屏出
現(xiàn)亮點(diǎn)。盧瑟福發(fā)現(xiàn)質(zhì)子的核反應(yīng)方程為::NHef?O+\H
(2)中子的發(fā)現(xiàn)
盧瑟福發(fā)現(xiàn)質(zhì)子后,預(yù)言核內(nèi)還有一種不帶電的粒子,并給這種還未“出生”的粒子起
了一個(gè)名字叫“中子”。
查德威克用a粒子轟擊鍍(如圖),再用彼產(chǎn)生的射
線(xiàn)轟擊氫、氮,結(jié)果打出了氫核。查德威克對(duì)新粒子的
性質(zhì)做進(jìn)一步研究,最終發(fā)現(xiàn)的師傅預(yù)言的中子。
查德威克發(fā)現(xiàn)中子的核反應(yīng)方程為:
He甘c+\n.
(3)約里奧?居里夫婦發(fā)現(xiàn)放射性同位素和正電子的核
反應(yīng)方程為:
P+",Si+:e其中,7P是放射性同位素,;e為正電子.
3.放射性同位素的應(yīng)用
⑴利用其射線(xiàn):a射線(xiàn)電離性強(qiáng),用于使空氣電離,將靜電泄出,從而消除有害靜電。丫射
線(xiàn)貫穿性強(qiáng),可用于金屬探傷,也可用于治療惡性腫瘤。各種射線(xiàn)均可使DNA發(fā)生突變,可
用于生物工程,基因工程?
⑵作為示蹤原子。用于研究農(nóng)作物化肥需求情況,診斷甲狀腺疾病的類(lèi)型,研究生物大分子
結(jié)構(gòu)及其功能。
⑶進(jìn)行考古研究。利用放射性同位素碳14,判定出土木質(zhì)文物的產(chǎn)生年代。
四、鏈?zhǔn)椒磻?yīng)
1、定義:中子轟擊鈾核,鈾核分裂成中等質(zhì)量的核,同時(shí)放出2或3個(gè)中子.這些中子又
引起其他鈾核裂變,這樣,裂變就會(huì)不斷地進(jìn)行下去,釋放出越來(lái)越多的核能,這就叫鏈?zhǔn)?/p>
反應(yīng)。
2.條件:鈾塊的體積大于臨界體積。
3.反應(yīng)堆工作原理
(1)鈾棒是燃料,石墨(重水)為慢化劑,使反應(yīng)生成的快中子變廿鎘棒
為慢中子,便于鈾235的吸收.蛤、水泥防護(hù)層
(2)控制棒:鎘棒的作用是吸收中子,控制反應(yīng)速度,所以也叫
控制棒.控制棒插入深一些,吸收中子多,反應(yīng)速度變慢,插入
淺一些,吸收中子少,反應(yīng)速度加快.
(3)冷卻劑:核反應(yīng)釋放的能量大部分轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,這時(shí)通過(guò)水、^
液態(tài)鈉等作冷卻劑,在反應(yīng)堆內(nèi)外循環(huán)流動(dòng),把熱量傳輸出去,慢化劑
用于推動(dòng)蒸汽機(jī),使發(fā)電機(jī)發(fā)電.
(4)保護(hù)層:發(fā)生裂變反應(yīng)時(shí),會(huì)產(chǎn)生一些有危險(xiǎn)的放射性物質(zhì),很厚的水泥防護(hù)層可以防
止射線(xiàn)輻射到外面。
例5、盧瑟福通過(guò)對(duì)。粒子散射實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析,提出了原子內(nèi)部存在()
A.電子B.中子C.質(zhì)子1).原子核
解析:盧瑟福在?粒子散射實(shí)驗(yàn)中觀(guān)察到絕大多數(shù)。粒子穿過(guò)金箔后幾乎不改變運(yùn)動(dòng)
方向,只有極少數(shù)的。粒子發(fā)生了大角度的偏轉(zhuǎn),說(shuō)明在原子的中央存在一個(gè)體積很小的
帶正電的物質(zhì),將其稱(chēng)為原子核。故選項(xiàng)D正確。
例6、天然放射性元素放出的三種射線(xiàn)的穿透能力實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖所示,由此可推知()
A.②來(lái)自于原子核外的電子
B.①的電離作用最強(qiáng),是一種電磁波三種射線(xiàn)隼篦獸
C.③的電離作用較強(qiáng),是一種電磁波①……-\「
D.③的電離作用最弱,屬于原子核內(nèi)釋放的光子
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