高三物理复习资料原子物理基础知识

1高三物理复习资料原子物理基础知识2016.10.26一、黑体和黑体辐射1．热辐射现象：任何物体在任何温度下都要发射各种波长的电磁波，并且其辐射能量的大小及辐射能量按波长的分布都与温度有关，所以称为热辐射。2.黑体：物体具有辐射能量的本领，又有吸收外界辐射来的能量的本领。绝对黑体（简称“黑体”）是指能够完全吸收入射的各种（填“各种”或“部分”）波长电磁波而不发生反射的物体，而黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体的温度有关。3．实验规律：（1）随着温度的升高，黑体的辐射强度都有增加；（2）随着温度的升高，辐射强度的极大值向波长较短方向移动。二、、光电效应现象1、光电效应：光电效应：物体在光包括不可见光的照射下发射电子的现象称为光电效应。2、光电效应的研究结论：①任何金属，都有一个极限频率，入射光的频率必须大于这个极限频率，才能产生光电效应；低于这个频率的光不能产生光电效应。②光电子的最大初动能与入射光的强度无关，只随着入射光频率的增大而增大。③入射光照到金属上时，光电子的发射几乎是瞬时的，一般不超过10-9s；④当入射光的频率大于极限频率时，入射光的强度越强，单位时间内发射的电子数越多。3、光电效应的应用：光电管：光电管的阴极表面敷有碱金属，对电子的束缚能力比较弱，在光的照射下容易发射电子，阴极发出的电子被阳极收集，在回路中形成电流，称为光电流。注意：①光电管两极加上正向电压，可以增强光电流。②光电流的大小跟入射光的强度和正向电压有关，与入射光的频率无关。入射光的强度越大，光电流越大。③遏止电压U0。回路中的光电流随着反向电压的增加而减小，当反向电压U0满足：02max21eUmv，光电流将会减小到零，所以遏止电压与入射光的频率有关。4、波动理论无法解释的现象：①不论入射光的频率多少，只要光强足够大，总可以使电子获得足够多的能量，从而产生光电2效应，实际上如果光的频率小于金属的极限频率，无论光强多大，都不能产生光电效应。②光强越大，电子可获得更多的能量，光电子的最大初始动能应该由入射光的强度来决定，实际上光电子的最大初始动能与光强无关，与频率有关。③光强大时，电子能量积累的时间就短，光强小时，能量积累的时间就长，实际上无论光入射的强度怎样微弱，几乎在开始照射的一瞬间就产生了光电子.5、普朗克常量：普郎克在研究电磁波辐射时，提出能量量子假说：物体热辐射所发出的电磁波的能量是不连续的，只能是hv的整数倍，hv称为一个能量量子。即能量是一份一份的。其中v辐射频率，h是一个常量，称为普朗克常量。6、光子说:光不仅在发射和吸收时能量是一份一份的，而且光本身就是由一个个不可分割的能量子组成，每一个能量子叫做一个光子，光子的能量E跟光的频率v成正比,E=hv，其中：h是普朗克常量.7、光电效应方程（1）逸出功W0:电子脱离金属离子束缚，逸出金属表面克服离子引力所做功的最小值（2）光电效应方程：如果入射光子的能量hv大于逸出功W0，那么有些光电子在脱离金属表面后还有剩余的动能——根据能量守恒定律，出射光子的最大初动能Ek与入射光子的能量hv、逸出功W0的关系式是02max21Wmvhv（其中2max21mv是指出射光电子的最大初动能。）（3）光电效应的解释：①极限频率：金属内部的电子一般一次只能吸收一个光子的能量，入射光子的能量hv小于逸出功W0时，电子不可能逸出，这就是光电效应存在极限频率的原因。②遏制电压：由02max21Wmvhv和02max21eUmv有：00WeUhv，所以遏制电压只与入射光频率有关，与入射光的强度无关，这就是光电效应存在遏制电压的原因。三、康普顿效应（表明光子具有动量）1、康普顿效应：用X射线照射物体时，一部分散射出来的X射线的波长会变长，这个现象叫康普顿效应。康普顿效应是验证光的波粒二象性的重要实验之一。2、康普顿效应的意义：证明了爱因斯坦光子假说的正确性，揭示了光子不仅具有能量，还具有动量。光子的动量为hp3、现象解释：碰撞前后光子与电子总能量守恒，总动量也守恒。碰撞前，电子可近似视为静止的，碰撞后,电子获得一定的能量和动量，X光子的能量和动量减小，所以X射线光子的波长λ变长。四、原子核式结构模型1、电子的发现和汤姆生的原子模型：⑴电子的发现：1897年英国物理学家汤姆生，对阴极射线进行了一系列研究，从而发现了电子。电子的发现表明：原子存在精细结构，从而打破了原子不可再分的观念。3⑵汤姆生的原子模型：1903年汤姆生设想原子是一个带电小球，它的正电荷均匀分布在整个球体内，而带负电的电子镶嵌在正电荷中。2、粒子散射实验和原子核结构模型⑴粒子散射实验：1909年，卢瑟福及助手盖革和马斯顿完成的.①现象：a.绝大多数粒子穿过金箔后，仍沿原来方向运动，不发生偏转。b.有少数粒子发生较大角度的偏转c.有极少数粒子的偏转角超过了90°，有的几乎达到180°，即被反向弹回。⑵原子的核式结构模型：1911年，卢瑟福通过对粒子散射实验的分析计算提出原子核式结构模型：在原子中心存在一个很小的核，称为原子核，原子核集中了原子所有正电荷和几乎全部的质量，带负电荷的电子在核外空间绕核旋转。原子轨道半径约为10-10m。由α粒子散射实验的实验数据还可以估算出原子核大小的数量级是10-15m。五、玻尔原子模型1、光谱光谱分析（1）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。（2）光谱分析：一种元素，在高温下发出一些特定波长的光，在低温下，也吸收这些波长的光，所以把明线光谱中的亮线和吸收光谱中的暗线都称为该种元素的特征谱线，用来进行光谱分析。2、氢原子光谱氢原子是最简单的原子，其光谱也最简单。1885年，巴耳末对当时已知的，在可见光区的14条谱线作了分析，发现这些谱线的波长可以用一个公式表示：)121(122nRn=3，4，5，……式中R叫做里德伯常量，这个公式成为巴尔末公式。除了巴耳末系，后来发现的氢光谱在红外和紫外光区的其它谱线也都满足与巴耳末公式类似的关系式。氢原子光谱是线状谱，具有分立特征，用经典的电磁理论无法解释。3、玻尔模型（引入量子理论，量子化就是不连续性，整数n叫量子数。）①玻尔的三条假设（量子化）①轨道量子化：当电子在不同的轨道上运动时，原子处于不同的状态。4②能量量子化：原子在不同的状态中具有不同的能量，因此，原子的能量是量子化的。这些量子化的能量值叫做能级，原子中这些具有确定能量的稳定状态，称为定态。能量最低的状态叫做基态，其他状态叫做激发态。③跃迁假设：频率条件(辐射条件）。当电子在能量较高的定态轨道（其能量记为Em）和能量较低的定态轨道（能量记为En，m＞n)，间跃迁时，会辐射或吸收光子的能量hν=Em-En。电子从高能级向低能级跃迁时放出光子；从低能级向高能级跃迁时可能是吸收光子，也可能是由于碰撞（用加热的方法，使分子热运动加剧，分子间的相互碰撞可以传递能量）。原子从低能级向高能级跃迁时只能吸收一定频率的光子；而从某一能级到被电离可以吸收能量大于或等于电离能的任何频率的光子。（如在基态，可以吸收E≥13.6eV的任何光子，所吸收的能量除用于电离外，都转化为电离出去的电子的动能）。（2）解释氢原子光谱根据玻尔理论，不同原子的结构不同，能级不同，可能辐射的光子就有不同的波长。所以每种原子都有自己特定的线状谱，因此这些谱线也叫元素的特征谱线。（3）玻尔理论的局限性。由于引进量子理论（轨道量子化和能量量子化），玻尔理论成功地解释了氢光谱的规律。但由于它保留了过多的经典物理理论（牛顿第二定律、向心力、库仑力等），所以在解释其他原子的光谱上都遇到很大的困难。六、原子核的组成1、天然放射现象⑴天然放射现象的发现：1896年法国物理学，贝克勒耳发现铀或铀矿石能放射出某种人眼看不见的射线。这种射线可穿透黑纸而使照相底片感光。玛丽·居里和皮埃尔·居里发现放射性元素钋Po和镭Ra.放射性：物质能发射出上述射线的性质称放射性放射性元素：具有放射性的元素称放射性元素天然放射现象：某种元素自发地放射射线的现象，叫天然放射现象。（2）各种放射线的性质比较种类本质质量（u）电荷（e）速度（c）电离性贯穿性α射线氦核4+20.1最强最弱，纸能挡住β射线电子1/1840-10.99较强较强，穿几毫米铝板γ射线光子001最弱最强，穿几厘米铅版（3）如果一种元素具有放射性，无论它是以单质存在还是以化合物存在，都具有放射性。放射性的强度也不受温度、外界压强的影响。这说明，射线来自原子核。这说明原子核内部是有结构的，是可以再分的。2、原子核的组成：原子核的组成：原子核是由质子和中子组成，质子和中子统称为核子5在原子核中有：质子数等于电荷数、核子数等于质量数、中子数等于质量数减电荷数七1.半衰期⑴衰变：原子核由于放出某种粒子而转变成新核的变化称为衰变在原子核的衰变过程中，电荷数和质量数守恒衰变类型衰变方程衰变规律α衰变HeYXAZAZ4242新核质量数减少4电荷数减少2β衰变eYXAZAZ011新核质量数不变电荷数增加1在β衰变中新核质子数多一个，而质量数不变是由于反应中有一个中子变为一个质子和一个电子γ衰变：原子核处于较高能级，辐射光子后跃迁到低能级，γ辐射伴随着ɑ衰变和β衰变产生，这时放射性物质发出的射线中就会同时具有、β和γ三种射线。⑵半衰期：放射性元素的原子核有半数发生衰变所需要的时间，称该元素的半衰期。放射性元素衰变的快慢是由核内部自身因素决定的，跟原子所处的化学状态物理状态没有关系。（对大量原子核的统计规律）计算式为：TttNN210N表示核的个数，此式也可以演变成Tttmm210或Tttnn210，式中m表示放射性物质的质量，n表示单位时间内放出的射线粒子数。以上各式左边的量都表示时间t后的剩余量。八、放射性的应用与防护放射性同位素1、核反应：原子核在其他粒子的轰击下产生新原子核的过程，成为核反应。卢瑟福用α粒子轰击氦核打出质子：HOHeN1117842147查德威克用α粒子轰击铍核打出中子：nCHeBe1012642942、同位素：具有相同的质子数和不同中子数的原子互称同位素。放射性同位素：具有放射性的同位素叫放射性同位素。1934年，约里奥—居里夫妇发现经过α粒子轰击的铝片中含有放射性磷P3015，即：nPAlHe103015271342eSiP0130143015反应生成物P3015是磷的一种同位素，自然界没有天然的P3015，它是通过核反应生成的人工放射性同位素。与天然的放射性物质相比，人造放射性同位素：①放射强度容易控制②、可以制成各种需要的形状③半衰期更短④放射性废料容易处理3、放射性同位素的应用：6①利用它的射线A、由于γ射线贯穿本领强，可以用来γ射线检查金属内部有没有砂眼或裂纹，所用的设备叫γ射线探伤仪．B、利用射线的穿透本领与物质厚度、密度的关系，来检查各种产品的厚度和密封容器中液体的高度等，从而实现自动控制C、利用射线使空气电离而把空气变成导电气体，以消除化纤、纺织品上的静电D、利用射线照射植物，引起植物变异而培育良种，也可以利用它杀菌、治病等②作为示踪原子：用于工业、农业及生物研究等.4、放射性的防护：⑴在核电站的核反应堆外层用厚厚的水泥来防止放射线的外泄⑵用过的核废料要放在很厚很厚的重金属箱内，并埋在深海里⑶在生活中要有防范意识，尽可能远离放射源九、核能结合能1、核力：原子核间存在一种核力，将核子紧紧束缚在核内，形成稳定的原子核。核力是强相互作用的一种表现，在原子核尺度内，比库仑力大得多；核力是短程力，作用范围在1.5×10-15m之内；每个核子只跟邻近的核子发生作用，这种性质称为核力的饱和性。1.比结合能：原子里的核子凭借核力结合在一起的，要把它们分开，也需要能量，这就是原子的结合能。组成原子的核子越多，它的结合能也越高。它的结合能与核子数之比，称做比结合能。比结合能越大，原子中核子结合得越