第16章近代物理初步

物理新高考適用目錄第1節(jié)光電效應(yīng)考點(diǎn)1黑體輻射與能量子考點(diǎn)2光電效應(yīng)規(guī)律的理解及應(yīng)用考點(diǎn)3對(duì)波粒二象性和物質(zhì)波的理解第2節(jié)原子結(jié)構(gòu)考點(diǎn)1原子結(jié)構(gòu)和氫原子光譜考點(diǎn)2玻爾原子理論能級(jí)躍遷第3節(jié)原子核考點(diǎn)1原子核的衰變半衰期考點(diǎn)2核反應(yīng)考點(diǎn)3質(zhì)量虧損及核能的計(jì)算第1節(jié)光電效應(yīng)考點(diǎn)1黑體輻射與能量子1.熱輻射:一切物體都在輻射電磁波,這種輻射與物體的溫度有關(guān),所以叫作熱輻射。2.黑體與黑體輻射(1)黑體:能夠完全吸收入射的各種波長(zhǎng)的電磁波而不發(fā)生反射,這種物體就是絕對(duì)黑

體,簡(jiǎn)稱黑體。黑體是一個(gè)理想化的模型。如圖,如果在一個(gè)空腔壁上開(kāi)一個(gè)很小的孔,那么射入小孔的電磁波在空腔內(nèi)表面會(huì)發(fā)

生多次反射和吸收,最終不能從空腔射出。這個(gè)帶小孔的空腔就成了一個(gè)絕對(duì)黑體。(2)黑體輻射:黑體雖然不反射電磁波,卻可以向外輻射電磁波,這樣的輻射叫作黑體輻射。(3)黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律①對(duì)于一般材料的物體,輻射電磁波的情況除與溫度有關(guān)外,還與材料的種類及表面狀

況有關(guān)。②黑體輻射電磁波的強(qiáng)度按波長(zhǎng)的分布只與它的溫度有關(guān)。隨著溫度的升高,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)(如圖所示)。3.能量子(1)定義:普朗克認(rèn)為,組成黑體的振動(dòng)著的帶電微粒的能量只能是某一最小能量值ε的

整數(shù)倍,這個(gè)不可再分的最小能量值ε叫作能量子。(2)表達(dá)式:ε=hν。ν是帶電微粒吸收或輻射電磁波的頻率;h為普朗克常量,一般取h=6.63

×10-34J·s。考點(diǎn)2光電效應(yīng)規(guī)律的理解及應(yīng)用1.光電效應(yīng):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

叫作光電子。2.光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律(1)存在截止頻率νc(又稱極限頻率)當(dāng)入射光的頻率減小到某一數(shù)值νc時(shí),光電流消失。νc稱為截止頻率或極限頻率。點(diǎn)撥提醒

截止頻率只和金屬自身的性質(zhì)有關(guān)。(2)存在飽和電流光照條件不變的情況下,光電流隨電壓的增大而增大,但最終會(huì)趨于一個(gè)飽和值,此后即

使電壓再增大,電流也不會(huì)增大。對(duì)一定頻率的光,入射光越強(qiáng),飽和電流越大。(3)存在遏止電壓UcUc是指使光電流減小到0的反向電壓。遏止電壓的大小取決于入射光的頻率。(4)具有瞬時(shí)性當(dāng)頻率超過(guò)截止頻率νc時(shí),無(wú)論入射光怎樣微弱,照到金屬時(shí)都會(huì)立即產(chǎn)生光電流。3.愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程(1)表達(dá)式:Ek=hν-W0。(2)逸出功W0:電子從金屬中逸出所需外界對(duì)它做功的最小值。W0=hνc=h

。(3)物理意義:金屬表面的電子吸收一個(gè)光子獲得的能量是hν,這些能量的一部分用來(lái)克

服金屬的逸出功W0,剩下的表現(xiàn)為逸出后電子的最大初動(dòng)能Ek。4.光電效應(yīng)的兩種決定關(guān)系5.光電效應(yīng)中應(yīng)區(qū)分的幾個(gè)概念(1)光子與光電子光本身是由一個(gè)個(gè)不可分割的能量子組成的,這些能量子被稱為光子。光電子是金屬表面在受到光照射時(shí)吸收光子的能量從金屬表面逸出的電子。(2)光電子的動(dòng)能與光電子的最大初動(dòng)能光照射到金屬表面時(shí),電子吸收光子的能量,可能向各個(gè)方向運(yùn)動(dòng),除了脫離金屬需要的

最小能量(逸出功)外,還要克服原子的其他束縛力做功,剩余的能量為光電子的動(dòng)能;處

于金屬表面的電子直接向外逸出時(shí),具有最大初動(dòng)能。(3)入射光強(qiáng)度與光子能量入射光強(qiáng)度指單位時(shí)間內(nèi)照射到金屬表面單位面積上光子的總能量;光子能量即每個(gè)

光子的能量,光子總能量等于光子能量與入射光子數(shù)的乘積。圖像類型由圖像得到的物理量最大初動(dòng)能Ek與入射光頻率ν的關(guān)系圖像

(1)截止頻率νc:圖線與ν軸交點(diǎn)的橫坐標(biāo)(2)逸出功:W0=|-E|=E(3)普朗克常量:h=k(圖線的斜率)6.光電效應(yīng)的四種圖像分析顏色(頻率)相同、強(qiáng)弱不同的光,光電流與電壓的

關(guān)系圖像

(1)遏止電壓Uc:圖線與橫軸交點(diǎn)的橫坐標(biāo)(2)飽和電流:光電流的最大值Im、Im'(3)最大初動(dòng)能:Ek=eUc顏色(頻率)不同時(shí),光電流與電壓的關(guān)系圖像

(1)遏止電壓:Uc1、Uc2(2)飽和電流:I1、I2(3)最大初動(dòng)能:Ek1=eUc1、Ek2=eUc2遏止電壓Uc與入射光頻率ν的關(guān)系圖像

(1)截止頻率νc:圖線與橫軸交點(diǎn)的橫坐標(biāo)(2)遏止電壓Uc:隨入射光頻率的增大而增大,Uc=

-

(3)普朗克常量h:等于圖線的斜率與電子電荷量的

乘積,即h=ke典例

在光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中,小明同學(xué)用同一實(shí)驗(yàn)裝置如圖(a),在甲、乙、丙三種光的照

射下得到了三條電流表與電壓表讀數(shù)之間的關(guān)系曲線,如圖(b)所示。下列說(shuō)法正確的

是(

)A.乙光的頻率小于甲光的頻率B.甲光的波長(zhǎng)大于丙光的波長(zhǎng)C.丙光的光子能量小于甲光的光子能量D.乙光對(duì)應(yīng)的光電子最大初動(dòng)能小于丙光對(duì)應(yīng)的光電子最大初動(dòng)能B解析乙、丙兩光照射時(shí)的遏止電壓相等,且大于甲光照射時(shí)的遏止電壓,根據(jù)

m

=eUc,知乙、丙兩光照射時(shí)產(chǎn)生的光電子的最大初動(dòng)能相等,且大于甲光照射時(shí)產(chǎn)生的

光電子的最大初動(dòng)能。根據(jù)光電效應(yīng)方程Ek=hν-W0,逸出功相等,知乙、丙兩光的頻率

相等,且大于甲光的頻率。所以乙、丙兩光的光子能量相等且大于甲光的光子能量。

甲光頻率小,則波長(zhǎng)長(zhǎng)。B正確?？键c(diǎn)3對(duì)波粒二象性和物質(zhì)波的理解1.康普頓效應(yīng)(1)概念:當(dāng)X射線入射到物質(zhì)上被散射后,在散射的X射線中,除了與入射波長(zhǎng)相同的成分外,還有波長(zhǎng)比入射波長(zhǎng)更長(zhǎng)的成分。人們把這種現(xiàn)象叫作康普頓效應(yīng)。(2)光子的動(dòng)量:p=

。推導(dǎo):由動(dòng)量的定義有p=mc,結(jié)合光子能量E=hν、愛(ài)因斯坦的質(zhì)能方程E=mc2及c=λν可

得p=

。(3)意義①證明了愛(ài)因斯坦光子說(shuō)的正確性;②揭示了光子不僅具有能量,還具有動(dòng)量;③揭示了光具有粒子性;④證實(shí)了光子和微觀粒子的相互作用過(guò)程也嚴(yán)格遵循動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律。

現(xiàn)象表現(xiàn)說(shuō)明光的波動(dòng)性干涉和衍射光是一種概率波,即光子在空間各點(diǎn)出現(xiàn)的可能性大小(概率)可用波動(dòng)

規(guī)律來(lái)描述①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②光的波動(dòng)性不同于宏觀概念的波光的粒子性光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)當(dāng)光同物質(zhì)發(fā)生作用時(shí),這種作用是“一份一份”進(jìn)行的,表現(xiàn)出粒子的性質(zhì)①粒子的含義是“不連續(xù)”“一份一份”的②光子不同于宏觀概念的粒子波動(dòng)性和粒子性的對(duì)立統(tǒng)一①大量光子易顯示出波動(dòng)性,而少量光子易顯示出

粒子性②波長(zhǎng)長(zhǎng)(頻率低)的光波動(dòng)性強(qiáng),而波長(zhǎng)短(頻率高)的光粒子性強(qiáng)③光的波動(dòng)性和粒子性是同時(shí)存在的①光子說(shuō)并未否定光的波動(dòng)性,E=hν=

中,ν和λ就是波動(dòng)的體現(xiàn)②波和粒子在宏觀世界是不能統(tǒng)一的,而在微觀世界卻是統(tǒng)一的2.光的波粒二象性3.物質(zhì)波(1)定義:任何運(yùn)動(dòng)著的物體都有一種波與之對(duì)應(yīng),這種波叫作物質(zhì)波(也叫德布羅意

波)。(2)物質(zhì)波的波長(zhǎng):λ=

=

,h是普朗克常量。第2節(jié)原子結(jié)構(gòu)考點(diǎn)1原子結(jié)構(gòu)和氫原子光譜1.電子的發(fā)現(xiàn):英國(guó)物理學(xué)家湯姆孫在研究陰極射線時(shí)發(fā)現(xiàn)了電子。電子的發(fā)現(xiàn)說(shuō)明

原子不是組成物質(zhì)的最小微粒。2.α粒子散射實(shí)驗(yàn):英國(guó)物理學(xué)家盧瑟福進(jìn)行了α粒子散射實(shí)驗(yàn),提出了原子的核式結(jié)構(gòu)模型。(1)實(shí)驗(yàn)裝置

(2)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象:絕大多數(shù)α粒子穿過(guò)金箔后基本上仍沿

原來(lái)的方向前進(jìn),但有少數(shù)α粒子發(fā)生了大角度偏轉(zhuǎn),極少數(shù)α粒子偏轉(zhuǎn)的角度甚至大

于90°,也就是說(shuō),它們幾乎被“撞”了回來(lái)。3.原子的核式結(jié)構(gòu)模型:在原子的中心有一個(gè)很小的核,叫作原子核,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(fù)電的電子在核外空間繞核旋轉(zhuǎn)。4.氫原子光譜(1)光譜:用棱鏡或光柵可以把物質(zhì)發(fā)出的光按波長(zhǎng)(頻率)展開(kāi),獲得波長(zhǎng)(頻率)和強(qiáng)度

分布的記錄,即光譜。(2)光譜分類①線狀譜是一條條的亮線。②連續(xù)譜是連在一起的光帶。(3)氫原子光譜的實(shí)驗(yàn)規(guī)律①巴耳末系是氫原子光譜在可見(jiàn)光區(qū)的一組譜線,其波長(zhǎng)公式為

=R∞

(n=3,4,5,…),R∞是里德伯常量,R∞=1.10×107m-1,此公式稱為巴耳末公式。②氫原子光譜在紅外和紫外光區(qū)的其他譜線也都滿足與巴耳末公式類似的關(guān)系式。考點(diǎn)2玻爾原子理論能級(jí)躍遷1.玻爾理論(1)軌道量子化與定態(tài)①電子繞核運(yùn)動(dòng)的可能軌道不是任意的,各可能軌道的半徑rn=n2r1(n=1,2,3,…),其中r1為

基態(tài)軌道半徑。②原子只能處于一系列不連續(xù)的、穩(wěn)定的能量狀態(tài)(定態(tài)),其總能量En與基態(tài)總能量E1的關(guān)系為En=

(n=1,2,3,…)。(2)頻率條件原子在兩個(gè)定態(tài)之間躍遷時(shí),將輻射(或吸收)一定頻率的光子,光子的能量為hν=|E初-E末|。2.氫原子的能級(jí)圖3.兩類能級(jí)躍遷(1)自發(fā)躍遷:高能級(jí)→低能級(jí),釋放能量,放出光子。光子的頻率ν=

=

。(2)受激躍遷:低能級(jí)→高能級(jí),吸收能量。①吸收光子的能量必須恰好等于能級(jí)差,即hν=ΔE。②碰撞、加熱等。只要入射粒子能量大于或等于能級(jí)差即可,即E外≥ΔE。知識(shí)拓展電離(1)電離態(tài):n=∞,E=0。(2)電離能:指原子從基態(tài)或某一激發(fā)態(tài)躍遷到電離態(tài)所需要吸收的最小能量。例如:基態(tài)→電離態(tài),E吸=0-(-13.6eV)=13.6eV。(3)吸收的能量足夠大,電離后,獲得自由的電子還具有動(dòng)能。4.光譜線條數(shù)的確定方法(1)大量的氫原子處于n能級(jí)的激發(fā)態(tài),當(dāng)這些氫原子向低能級(jí)躍遷時(shí),輻射出的光的頻率有N=

=

種。(2)一個(gè)氫原子處于n能級(jí)的激發(fā)態(tài)時(shí),可輻射出的光的頻率最多有n-1種。5.光子與電子使原子發(fā)生能級(jí)躍遷的主要區(qū)別原子若是吸收光子的能量而被激發(fā),其光子的能量必須等于能級(jí)差,否則不被吸收。原

子吸收外來(lái)電子的能量而被激發(fā)時(shí),只要入射電子的能量大于或等于能級(jí)差,均可使原

子發(fā)生能級(jí)躍遷。典例為了更形象地描述氫原子能級(jí)和氫原子電子軌道的關(guān)系,作出如圖所示的能級(jí)

軌道圖,氫原子從n=2能級(jí)躍遷到n=1能級(jí)發(fā)出的光的波長(zhǎng)和頻率分別為λ1和ν1,氫原子

從n=3能級(jí)分別躍遷到n=2能級(jí)和n=1能級(jí)發(fā)出的光的波長(zhǎng)和頻率分別為λ2、λ3和ν2、ν3,

下列關(guān)系正確的是

(

)A.ν3=ν1+ν2

B.ν1<ν2

C.λ3=λ1+λ2

D.λ3>λ2

A解析由于E3-E1=(E3-E2)+(E2-E1),可得hν3=hν2+hν1,所以ν3=ν2+ν1,A正確。由于ν=

,可得

=

+

,C錯(cuò)誤。由于E3-E2<E2-E1,可得ν2<ν1,B錯(cuò)誤。由于E3-E1>E3-E2,可得ν3>ν2,即λ3<λ2,D錯(cuò)誤。第3節(jié)原子核考點(diǎn)1原子核的衰變半衰期1.α衰變和β衰變的比較

α衰變?chǔ)滤プ兯プ兎匠?/p>

X

Y

He

X

Y

e衰變實(shí)質(zhì)2個(gè)質(zhì)子和2個(gè)中子結(jié)合成一個(gè)整體1個(gè)中子轉(zhuǎn)化為1個(gè)質(zhì)子和1個(gè)電子

H+

n

He

n

H

e勻強(qiáng)磁場(chǎng)中軌跡形狀

衰變規(guī)律電荷數(shù)守恒、質(zhì)量數(shù)守恒2.γ射線:γ射線經(jīng)常是伴隨著α射線或β射線同時(shí)產(chǎn)生的。3.依據(jù)“兩個(gè)守恒”確定衰變次數(shù)設(shè)放射性元素

X經(jīng)過(guò)n次α衰變和m次β衰變后,變成穩(wěn)定的新元素

Y,則表示核反應(yīng)的方程為

X

Y+

He+

e。根據(jù)質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒可列方程A=A'+4n,Z=Z'+2n-m,兩式聯(lián)立得n=

,m=

+Z'-Z。

本質(zhì)射出速度電離本領(lǐng)穿透本領(lǐng)α射線高速氦核流0.1c很強(qiáng)弱(小紙片即可擋住)β射線高速電子流0.99c較弱較強(qiáng)(能穿透幾毫米厚的鋁板)γ射線光子流c(光速)很弱強(qiáng)(能穿透幾厘米厚的鉛板)4.三種射線的比較5.半衰期(1)公式:N余=N原

,m余=m原

。(2)影響因素:放射性元素衰變的快慢是由核內(nèi)部自身的因素決定的,跟原子所處的外部

條件(例如溫度、壓強(qiáng))和化學(xué)狀態(tài)(例如單質(zhì)、化合物)無(wú)關(guān)。典例1

(依據(jù)質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒判斷α、β衰變的次數(shù))放射性同位素釷232經(jīng)

α、β衰變會(huì)變成氡,其衰變方程為

Th

Rn+xα+yβ,其中

(

)A.x=1,y=3

B.x=2,y=3C.x=3,y=1

D.x=3,y=2D解析原子核經(jīng)過(guò)一次α衰變后電荷數(shù)減小2,質(zhì)量數(shù)減小4,經(jīng)過(guò)一次β衰變后電荷

數(shù)增加1,質(zhì)量數(shù)不變,根據(jù)衰變過(guò)程中質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒有4x=232-220、90-2x+

y=86,解得x=3,y=2,D正確。考點(diǎn)2核反應(yīng)核反應(yīng)的四種類型:除了上面提到的衰變之外,還有三種核反應(yīng)類型如表所示。類型核反應(yīng)方程實(shí)際意義或作用原子核的人工轉(zhuǎn)變

He

N

O

H盧瑟福發(fā)現(xiàn)質(zhì)子

He

Be

C

n查德威克發(fā)現(xiàn)中子

Al

He

P

n

P

Si

e約里奧-居里夫婦發(fā)現(xiàn)人工放射性同位素重核裂變

U

n

Ba

Kr+

n

U

n

Xe

Sr+1

n原子彈、核電站原理輕核聚變

H

H

He

n太陽(yáng)、氫彈原理典例2關(guān)于核反應(yīng)的知識(shí),下列說(shuō)法正確的是

(

)A

Rn

Po+X,X是α粒子B.中子轟擊

U,一定能發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)C

U

n

Ba

Kr+

n是核裂變方程,也是氫彈的核反應(yīng)方程D

U核的平均結(jié)合能大于

Ba核的平均結(jié)合能A解析由質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒可得X是

He,A正確。發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng),要求是慢中子,且鈾塊的體積必須超過(guò)臨界體積,B錯(cuò)誤

U

n→

Kr+