1、選修3-5原子物理基礎(chǔ)概念第一章光的波粒二象性一、光電效應(yīng)1 .概念：光電效應(yīng)：當(dāng)波長(zhǎng)較短的可見光或紫外光照射到某些金屬表面上時(shí)，金屬中的電子就會(huì)從光中吸取能量而從金屬表 面逸出的現(xiàn)象.逸出的電子叫光電子實(shí)驗(yàn)規(guī)律：存在飽和電流、遏止電壓和截止頻率、光電效應(yīng)具有瞬時(shí)性.愛因斯坦光電效應(yīng)方程：氣=2mv2 = hv -W0愛因斯坦對(duì)光電效應(yīng)的解釋：光強(qiáng)大，光子數(shù)多，釋放的光電子也多，所以光電流也大.（2）電子只要吸收一個(gè)光子就可以從金屬表面逸出，所以無須時(shí)間的累積（3）從方程可以看出光電子初動(dòng)能和照射光的頻率成線性關(guān)系.4.密立根驗(yàn)證愛因斯坦光電效應(yīng)方程的正確性。二、光的波粒二象性1 .概念：光的

2、波粒二象性：光既具有波動(dòng)性，又具有粒子性，即光具有波粒二象性光的干涉、衍射和偏振現(xiàn)象確認(rèn)了光的波動(dòng)性。光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)揭示了光的粒子性，光電效應(yīng)表明光子具有能量= hv ；康普頓效應(yīng)表明光子具有動(dòng)量 p=h。人光的波動(dòng)性和粒子性的比較：光的粒子性（1）與物質(zhì)發(fā)生作用時(shí)，表現(xiàn)出粒子的性質(zhì)（2）少量或個(gè)別光子容易顯示出粒子性（3）頻率較大時(shí)，易顯 示出粒子性光的波動(dòng)性（1）傳播時(shí)，表現(xiàn)出波動(dòng)的性質(zhì)（2）大量光子容易顯示出波動(dòng)性（3）頻率較小時(shí)，易顯示出波動(dòng)性（4）光的波動(dòng)性是光子本身的一種屬性，不是光子之間相互作用產(chǎn)生的。德布羅意波（物質(zhì)波）：與實(shí)物粒子相聯(lián)系的波.戴維孫和湯姆孫利用晶體做了電

3、子的束衍射的實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了電子的波動(dòng)性。光波、德布羅意波是一種概率波。（海森伯）不確定性關(guān)系：不可能同時(shí)準(zhǔn)確地知道粒子的位置和動(dòng)量，不可能用“軌跡”來描述粒子的運(yùn)動(dòng)。三、黑體輻射1 .黑體：能全部吸收各種波長(zhǎng)的輻射而不發(fā)生反射，折射和透射的物體稱為絕對(duì)黑體，簡(jiǎn)稱黑體特征：黑體輻射電磁波的強(qiáng)度按波長(zhǎng)的分布只與黑體的溫度有關(guān)，與材料的種類及表面狀況無關(guān)。黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律：隨著溫度的增高，一方面各種波長(zhǎng)的輻射強(qiáng)度都有增加，另一方面輻射強(qiáng)度的極大值向 波長(zhǎng)較短的方向移動(dòng)。補(bǔ)充知識(shí)：在速度一定（如電磁波的波速等于光速是不變）的情況下，波長(zhǎng)和頻率成反比。速度=波長(zhǎng)x頻率V = X f頻率常用的有兩個(gè)符號(hào)E

4、k = 2 mv 2 =何-%希臘字母表示頻率v=Xf英語字母表示頻率第二章原子結(jié)鉤、盧瑟福a粒子散射實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)結(jié)果：絕大多數(shù)：沿原方向前進(jìn)；少數(shù)：發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)，甚至偏角超過900。盧瑟福由此分析：占原子質(zhì)量絕大部分的帶正電的那部分物質(zhì)集中在很小的空間范圍，這樣才會(huì)使a粒子在經(jīng)過時(shí)受到很強(qiáng)的斥力，才可能使a粒子發(fā)生大角度的偏轉(zhuǎn)。實(shí)驗(yàn)意義：否認(rèn)了湯姆孫的原子結(jié)構(gòu)模型(棗糕模型)，提出了原子核式結(jié)構(gòu)模型，明確了原子核的大小數(shù)量級(jí)，使人類對(duì)原子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)發(fā)生了質(zhì)的飛躍。、氫原子光譜光譜是指光的頻率成分和強(qiáng)度分布的關(guān)系，它是研究原子結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要途徑.按照普朗克的量子理論，光的頻率與光子的能量成正比

5、，即= hu氫原子是最簡(jiǎn)單的原子，其光譜規(guī)律也是最簡(jiǎn)單、最能反映出原子內(nèi)部能級(jí)結(jié)構(gòu)的基本規(guī)律.每種原子都有其特定的原子光譜，也叫“明線光譜”不同的原子，其原子光譜均不相同，我們可以通過光譜分析鑒別不同的原子，確定物體的化學(xué)成分并發(fā)現(xiàn)新元素。太陽的光譜是吸收光譜。(陽光透過太陽的高層大氣射向地球時(shí)，太陽高層大氣含有的元素會(huì)吸收它自己特征譜線的光三、原子的能級(jí)結(jié)構(gòu)玻爾的原子模型玻爾假說的內(nèi)容：能量狀態(tài)量子化：原子只能處于與軌道量子化對(duì)應(yīng)的不連續(xù)的能量狀態(tài)中，在這些狀態(tài)中，原子是穩(wěn)定的，不輻射能量；躍遷假說：原子從一種定態(tài)向另一種定態(tài)躍遷時(shí)，吸收(或輻射)一定頻率的光子。光子能量由這兩個(gè)定態(tài)的能量差

6、決定：8= hv = E2 E.軌道量子化：原子的不同能量狀態(tài)跟電子在不同的圓周軌道繞核運(yùn)動(dòng)相對(duì)應(yīng)。原子的定態(tài)是不連續(xù)的，因而原子核外電子的可能軌道也是不連續(xù)的，是某些分立的數(shù)值。(2)氫原子能級(jí)氫原子在各個(gè)能量狀態(tài)下的能量值，叫做它的能級(jí).最低的能級(jí)狀態(tài)，即電子在離原子核最近的軌道上運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)叫做基態(tài)，處于基態(tài)的原子最穩(wěn)定，其他能級(jí)叫激發(fā)態(tài).氫原子各定態(tài)的能量值，為電子繞核運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能Ek和電勢(shì)能Ep的代數(shù)和.E = -L E(n = 1,2,3)其中氣為基態(tài)能量氣=13.6eV重點(diǎn)理解對(duì)于原子躍遷條件要正確理解氫原子從低能級(jí)向高能級(jí)躍遷：吸收一定頻率的光子，當(dāng)光子的能量滿逐=hV=烏-E1時(shí)

7、，才能被某一個(gè)原子吸收，否則不吸收。氫原子從高能級(jí)向低能級(jí)躍遷：以光子的形式向外輻射能量，所輻射的光子能量恰等于發(fā)生躍遷時(shí)兩能級(jí)間的能量差。電離：當(dāng)光子能量大于或等于原子所處在的能級(jí)時(shí)，也可以被氫原子吸收，使氫原子電離，多余的能量作為n(n 1)電子的初動(dòng)能。光譜線條數(shù)：一群氫原子處于量子數(shù)為n的激發(fā)態(tài)時(shí)，可能輻射出的光譜線條數(shù)為N =躍遷時(shí)能量的變化：當(dāng)軌道半徑減小時(shí)，庫(kù)侖引力做正功，原子電勢(shì)能減小，電子動(dòng)能增大，原子總能量減小。當(dāng)軌道半徑增大時(shí)，庫(kù)侖引力做負(fù)功，原子電勢(shì)能增大，電子動(dòng)能減小，原子總能量增大。常考數(shù)據(jù)網(wǎng)E/V能級(jí)躍遷能量差若是輻射光子，則可以向外輻射的光譜條數(shù)w - - O;

8、痢3-1.512113.6-3.4=10.213113.6-1.51=12.093? - 3 4 口4113.6-0.85=12.7565113.6-0.54=13.06101 13&波爾理論的局限性：波爾原子理論的成功之處就是引入了量子化的概念，失敗之處是保留了過多的經(jīng)典物理理論。無法解釋復(fù)雜的原子的光譜現(xiàn)象。原子光譜及應(yīng)用原子光譜：元素在稀薄氣體狀態(tài)下的光譜是分立的線狀譜，由一些特定頻率的光組成。原子光譜的應(yīng)用：每種元素的原子光譜都有自己的一組特定譜線，應(yīng)用光譜分析可以確定物質(zhì)的化學(xué)成分.第三章原子核一、放射性的發(fā)現(xiàn)與原子核的組成1896年法國(guó)物理學(xué)家貝克勒爾發(fā)現(xiàn)，鈾核含鈾的礦物能發(fā)出看不

9、見的射線。物體發(fā)射出射線的性質(zhì)叫放射性.具有放射性的元素叫放射性元素.放射性的發(fā)現(xiàn)揭示了原子核內(nèi)部有復(fù)雜的結(jié)構(gòu).1919年英國(guó)物理學(xué)家盧瑟福用a粒子轟擊氮核時(shí)發(fā)現(xiàn)了一新粒子，命名為質(zhì)子，并斷定質(zhì)子是原子核的組成部分.1932年盧瑟福的學(xué)生查德威克在研究用冬粒子轟擊鈹核的實(shí)驗(yàn)中，產(chǎn)生一種能量較高、貫穿能力很強(qiáng)的中性粒 子，證實(shí)了中子的存在.原子核的組成：質(zhì)子和中子組成了原子核.質(zhì)子和中子統(tǒng)稱為核子.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N=A Z二、原子核的衰變、半衰期衰變(1)原子核自發(fā)地放出某種粒子而轉(zhuǎn)變?yōu)樾潞说淖兓凶鲈?/p>

10、核的衰變.放射性元素衰變時(shí)放出的射線共有三種：a射線、B射線和Y射線，其射線的本質(zhì)和性質(zhì)如下表:種類本質(zhì)電離本領(lǐng)穿透本領(lǐng)a射線4 He 氦核2最強(qiáng)最弱(空氣中幾厘米或一張薄紙)B射線0 e電子-1較弱很強(qiáng)(幾毫米的鋁板)Y射線光子最弱最強(qiáng)(幾厘米的鋁板)(2)按照衰變時(shí)放出粒子的不同又分為a衰變和B衰變，其核反應(yīng)方程a 衰變238U 234 Th + 4He92902B衰變234Th - 234Pa + 0eB衰變的實(shí)質(zhì)在于核內(nèi)的中子轉(zhuǎn)化成了一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)電子9091-1(3) Y射線是伴隨著a衰變和B衰變同時(shí)發(fā)出的，它不改變?cè)雍说碾姾蓴?shù)和質(zhì)量數(shù)，其實(shí)質(zhì)是放射性原子核在發(fā) 生a衰變或B衰變過

11、程中，產(chǎn)生的新核，由于具有過多的能量而輻射出光子。半衰期半衰期是放射性元素的原子核有半數(shù)發(fā)生衰變需要的時(shí)間，它表示放射性元素衰變的快慢.半衰期是由核本身的性質(zhì)決定的，與它所處的物理狀態(tài)或化學(xué)狀態(tài)無關(guān).不同的放射性元素半衰期不同.元素的半衰期是一種統(tǒng)計(jì)規(guī)律，只有對(duì)大量的原子核才是適用的.若對(duì)某個(gè)原子核，它的衰變時(shí)間完全由偶然因素支配，無任何規(guī)律可言.三、同位素及放射性同位素的應(yīng)用具有相同的質(zhì)子數(shù)而中子數(shù)不同的原子，在元素周期表中處于同一位置，因而互稱同位素，它們具有相同的化學(xué)性質(zhì)具有放射性的同位素，叫放射性同位素.工業(yè)上常用Y射線的強(qiáng)穿透性，來檢查金屬內(nèi)部的傷痕；農(nóng)業(yè)上用Y射線防治害蟲、培育良種

12、生物；醫(yī)學(xué)上用Y射線消毒滅菌等.利用a、B射線排泄織物和纖維上聚集的有害靜電.四、核力、核反應(yīng)方程類型可 控 性核反應(yīng)方程典例一、d * 汪意衰a衰變自發(fā)238U T 234 Th + 4He 92902Y射線是伴隨著a衰變B衰變自發(fā)234Th T 234Pa + 0e9091-1變和8衰變同時(shí)發(fā)出 的14 N + 4HeTi7 O + 1H7281盧瑟福發(fā)現(xiàn)質(zhì)子人工人工9 Be + 4HeT12C + m4260查德威克發(fā)現(xiàn)中子(1)核反 應(yīng)方程一轉(zhuǎn)變控 制27 Al + 4HeT 30p + 1n132150居里夫婦發(fā)現(xiàn)放射性 同位素，同時(shí)發(fā)現(xiàn)正 電子。般不可逆。(2)核反30 P t 3

13、0 Pa+0e15141應(yīng)的生成物以實(shí)驗(yàn)比 較 容 易235U + H144Ba + 89Kr9205636+31 n0由于中子的增值使裂 變反應(yīng)能持續(xù)地進(jìn)行 的過程稱為鏈?zhǔn)椒礊榛A(chǔ)，不 可憑空想 象。(3)核反重核裂變進(jìn) 行 人 工 控 制235U + 1nT136Xe+ 90Sr + 101n92054380應(yīng)。發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的 條件是：裂變物質(zhì)的 體積臨界體積。應(yīng)用：原子彈、原子 反應(yīng)堆。應(yīng)遵循質(zhì) 量數(shù)守恒(不是質(zhì) 量守恒)和 核電荷數(shù) 守恒除輕核聚變氫 彈 外 無 法 控2 H+3H t He+n發(fā)生聚變反應(yīng)的條件 是：超高溫(幾百力度 以上)-熱核反應(yīng)。應(yīng)用：氫彈、可控?zé)?核反應(yīng)。制核

14、反應(yīng)及核反應(yīng)方程元素的原子核變化的過程即為核反應(yīng)，核反應(yīng)有天然衰變、人工轉(zhuǎn)變、重核裂變和輕核聚變四種類型，其中重核裂 變和輕核聚變是人們獲得核能的兩個(gè)重要途徑.原子彈和氫彈就是分別利用重核裂變和輕核聚變?cè)碇瞥傻母吣芰繗晕淦?，目前的核電站都是利用重核裂變?放的核能來發(fā)電的.核力和核能核力：核子間作用力.其特點(diǎn)為短程強(qiáng)引力：作用范圍為2.0 x10-i5m，只在相鄰的核子間發(fā)生作用。核能：核子結(jié)合為原子核時(shí)釋放的能量或原子核分解為核子時(shí)吸收的能量，叫做原子核的結(jié)合能，亦稱核能. 組成原子核的核子越多，它的結(jié)合能越高。結(jié)合能與核子數(shù)之比，稱為比結(jié)合能。也叫平均結(jié)合能。比結(jié)合能越大，原子核中核

15、子結(jié)合得越牢固，原子核越穩(wěn)定。質(zhì)能方程、質(zhì)量虧損愛因斯坦質(zhì)能方程召E=mc2說明物體的質(zhì)量和能量之間存在著一定的關(guān)系，一個(gè)量的變化必然伴隨著另一個(gè)量的 變化.核子在結(jié)合成原子核時(shí)放出核能，因此，原子核的質(zhì)量必然比組成它的核子的質(zhì)量和要小晶，這就是 質(zhì)量虧損.由質(zhì)量虧損可求出釋放的核能 E=AmC2。反之亦可E=mC2是計(jì)算核能的常用方法.在具體應(yīng)用中要注意單位制的統(tǒng)一及不同單位的換算.若質(zhì)量單位取原子質(zhì)量單位u，則：lu=1.66 x 10-27kg相當(dāng)于931.5MeV此結(jié)論亦可在計(jì)算中直接應(yīng)用.注意對(duì)于質(zhì)量虧損，切忌不能認(rèn)為這部分質(zhì)量轉(zhuǎn)化成了能量，質(zhì)能方程的本質(zhì)是：第一，質(zhì)量或能量是物質(zhì)的

16、屬 性之一，決不能把物質(zhì)和它們的某一屬性（質(zhì)量和能量）等同起來.第二，質(zhì)能方程揭示了質(zhì)量和能量的不可分 割性，方程建立了這兩個(gè)屬性在數(shù)值上的關(guān)系，這兩個(gè)量分別遵守質(zhì)量守恒和能量守恒，質(zhì)量和能量在量值上 的聯(lián)系決不等于這兩個(gè)量可以相互轉(zhuǎn)化.第三，質(zhì)量虧損不是否定了質(zhì)量守恒定律，生成的Y射線雖靜質(zhì)量為 零，但動(dòng)質(zhì)量不為零.核電站核燃料-反應(yīng)堆使用濃縮鈾制成鈾棒，作為核燃料，釋放核能慢化劑-石墨、重水、輕水。作用：快中子與慢化劑中的原子核碰撞后，中子能量減少，變成慢中子?？刂瓢?鎘棒作用：通過吸收中子，來調(diào)節(jié)中子數(shù)目以控制反應(yīng)速度水或液態(tài)的金屬鈉等流體在反應(yīng)堆內(nèi)外循環(huán)流動(dòng)，把反應(yīng)堆內(nèi)的熱量傳輸出去，用于發(fā)電，.摘楮對(duì)備-同時(shí)也使反應(yīng)堆冷卻。1.歷史人物及相關(guān)成就JJ湯姆遜模型一一通過研究陰極射線在電磁場(chǎng)