高考物理——《近代物理》典型例题复习

十九、近代物理原子物理原子结构原子核的组成电子的发现（1897）α粒子散射（1909）核式结构与经典汤姆生“蛋糕式”卢瑟福核式结构电磁理论的矛盾核反应原子结构模型模型（1911）波尔原子理论氢原子能级公式天然衰变人工转变重核裂变轻核聚变21nEEnα衰变质子、中子核反应堆热核反应12rnrnβ衰变的发现半衰期核能表示放射性元素△E=△mc2衰变的快慢一、原子结构：1、电子的发现和汤姆生的原子模型：（1）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的研究，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。（2）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（1）粒子散射实验：1909年，卢瑟福及助手盖革手吗斯顿完成①装置：一、知识网络二、画龙点睛概念②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度，有的几乎达到180度，即被反向弹回。（2）原子的核式结构模型：由于粒子的质量是电子质量的七千多倍，所以电子不会使粒子运动方向发生明显的改变，只有原子中的正电荷才有可能对粒子的运动产生明显的影响。如果正电荷在原子中的分布，像汤姆生模型那模均匀分布，穿过金箔的粒了所受正电荷的作用力在各方向平衡，粒了运动将不发生明显改变。散射实验现象证明，原子中正电荷不是均匀分布在原子中的。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。原子核半径小于10-14m，原子轨道半径约10-10m。3、玻尔的原子模型（1）原子核式结构模型与经典电磁理论的矛盾（两方面）a.电子绕核作圆周运动是加速运动，按照经典理论，加速运动的电荷，要不断地向周围发射电磁波，电子的能量就要不断减少，最后电子要落到原子核上，这与原子通常是稳定的事实相矛盾。b.电子绕核旋转时辐射电磁波的频率应等于电子绕核旋转的频率，随着旋转轨道的连续变小，电子辐射的电磁波的频率也应是连续变化，因此按照这种推理原子光谱应是连续光谱，这种原子光谱是线状光谱事实相矛盾。（2）玻尔理论上述两个矛盾说明，经典电磁理论已不适用原子系统，玻尔从光谱学成就得到启发，利用普朗克的能量量了化的概念，提了三个假设：①定态假设：原子只能处于一系列不连续的能量状态中，在这些状态中原子是稳定的，电子虽然做加速运动，但并不向外在辐射能量，这些状态叫定态。②跃迁假设：原子从一个定态（设能量为E2）跃迁到另一定态（设能量为E1）时，它辐射成吸收一定频率的光子，光子的能量由这两个定态的能量差决定，即hv=E2-E1③轨道量子化假设，原子的不同能量状态，跟电子不同的运行轨道相对应。原子的能量不连续因而电子可能轨道的分布也是不连续的。即轨道半径跟电子动量mv的乘积等于h/2的整数倍，即：轨道半径跟电了动量mv的乘积等于h/2的整数倍，即mvrnhn2123、、……n为正整数，称量数数（3）玻尔的氢子模型：①氢原子的能级公式和轨道半径公式：玻尔在三条假设基础上，利用经典电磁理论和牛顿力学，计算出氢原子核外电子的各条可能轨道的半径，以及电子在各条轨道上运行时原子的能量，（包括电子的动能和原子的热能。）氢原子中电子在第几条可能轨道上运动时，氢原子的能量En，和电子轨道半径rn分别为：EEnrnrnnn121123、、……其中E1、r1为离核最近的第一条轨道（即n=1）的氢原子能量和轨道半径。即：E1=－13.6ev,r1=0.53×10-10m(以电子距原子核无穷远时电势能为零计算)②氢原子的能级图：氢原子的各个定态的能量值，叫氢原子的能级。按能量的大小用图开像的表示出来即能级图。其中n=1的定态称为基态。n=2以上的定态，称为激发态。③玻尔理论的局限性。由于引进了量子理论（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。例题：用光子能量为E的单色光照射容器中处于基态的氢原子。停止照射后，发现该容器内的氢能够释放出三种不同频率的光子，它们的频率由低到高依次为ν1、ν2、ν3，由此可知，开始用来照射容器的单色光的光子能量可以表示为：①hν1；②hν3；③h(ν1+ν2)；④h(ν1+ν2+ν3)以上表示式中A.只有①③正确B.只有②正确C.只有②③正确D.只有④正确解析：该容器内的氢能够释放出三种不同频率的光子，说明这时氢原子处于第三能级。根据玻尔理论应该有hν3=E3-E1，hν1=E3-E2，hν2=E2-E1，可见hν3=hν1+hν2=h(ν1+ν2)，所以照射光子能量可以表示为②或③，答案选C。例题：氢原子处于基态时能量为Ee1136.v，电子的质量为m，电量为－e，试回答下列问题：（1）用氢原子从n3的能量状态跃迁到n2的能量状态时所辐射的光去照射逸出功是301019.J的Cs金属，能否发生光电效应？（2）氢原子处于n5时，核外电子速度多大？（3）氢原子吸收波长为06107.m的紫外线而电离，使电子从基态飞到离核无限远处，设原子核静止，则电子飞到离核无限远处后，还具有多大的动能？解析：（1）氢原子从n3跃迁到n2能量状态放出能量EEEEeJEEJ32221191913122864576103010...v大于铯金属逸出功，即321ν3ν2ν1能发生光电效应（2）Rnrr521215而库仑力为向心力，即kermvrvekmr2522515（3）根据能量守恒，光子的能量hc一部分用于使氢原子电离，余下的为飞出后电子的动能，即：hcEEmvmvhcEJ12213871313121266210310061013616101110.....4、光谱和光谱分析⑴炽热的固体、液体和高压气体发出的光形成连续光谱。⑵稀薄气体发光形成线状谱（又叫明线光谱、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。根据光谱鉴别物质和确定它的化学组成，这种方法叫做光谱分析。这种方法的优点是非常灵敏而且迅速。只要某种元素在物质中的含量达到10-10g，就可以从光谱中发现它的特征谱线。5、氢原子中的电子云对于宏观质点，只要知道它在某一时刻的位置和速度以及受力情况，就可以应用牛顿定律确定该质点运动的轨道，算出它在以后任意时刻的位置和速度。对电子等微观粒子，牛顿定律已不再适用，因此不能用确定的坐标描述它们在原子中的位置。玻尔理论中说的“电子轨道”实际上也是没有意义的。更加彻底的量子理论认为，我们只能知道电子在原子核附近各点出现的概率的大小。在不同的能量状态下，电子在各个位置出现的概率是不同的。如果用疏密不同的点子表示电子在各个位置出现的概率，画出图来，就像一片云雾一样，可以形象地称之为电子云。6、激光的特性及其应用普通光源（如白炽灯）发光时，灯丝中的每个原子在什么时候发光，原子在哪两个能级间跃迁，发出的光向哪个方向传播，都是不确定的。激光是同种原子在同样的两个能级间发生跃迁生成的，其特性是：⑴是相干光。（由于是相干光，所以和无线电波一样可以调制，因此可以用来传递信息。光纤通信就是激光和光导纤维结合的产物。）⑵平行度好。（传播很远距离之后仍能保持一定强度，因此可以用来精确测距。激光雷达不仅能测距，还能根据多普勒效应测出目标的速度，对目标进行跟踪。还能用于在VCD或计算机光盘上读写数据。）⑶亮度高。能在极小的空间和极短的时间内集中很大的能量。（可以用来切割各种物质，焊接金属，在硬材料上打孔，利用激光作为手术刀切开皮肤做手术，焊接视网膜。利用激光产生的高温高压引起核聚变。）7、粒子物理学到19世纪末，人们认识到物质由分子组成，分子由原子组成，原子由原子核和电子组成，原子核由质子和中子组成。20世纪30年代以来，人们认识了正电子、μ子、K介子、π介子等粒子。后来又发现了各种粒子的反粒子（质量相同而电荷及其它一些物理量相反）。现在已经发现的粒子达400多种，形成了粒子物理学。按照粒子物理理论，可以将粒子分成三大类：媒介子、轻子和强子，其中强子是由更基本的粒子——夸克组成。从目前的观点看，媒介子、轻子和夸克是没有内部结构的“点状”粒子。用粒子物理学可以较好地解释宇宙的演化。二、原子核1、天然放射现象（1）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。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：某种元素白发地放射射线的现象，叫天然放射现象天然放射现象：表明原子核存在精细结构，是可以再分的（2）放射线的成份和性质：用电场和磁场来研究放射性元素射出的射线，在电场中轨迹，如图(1)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mm铝板γ射线光子001最弱最强，穿几cm铅版三种射线在匀强磁场、匀强电场、正交电场和磁场中的偏转情况比较：如⑴、⑵图所示，在匀强磁场和匀强电场中都是β比α的偏转大，γ不偏转；区别是：在磁场中偏转轨迹是圆弧，在电场中偏转轨迹是抛物线。⑶图中γ肯定打在O点；如果α也打在O点，则β必打在O点下方；如果β也打在O点，则α必打在O点下方。例题：如图所示，铅盒A中装有天然放射性物质，放射线从其右端小孔中水平向右射出，在小孔和荧光屏之间有垂直于纸面向里的匀强磁场，则下列说法中正确的有A.打在图中a、b、c三点的依次是α射线、γ射线和β射线B.α射线和β射线的轨迹是抛物线C.α射线和β射线的轨迹是圆弧D.如果在铅盒和荧光屏间再加一竖直向下的匀强电场，则屏上的亮斑可能只剩下b解析：由左手定则可知粒子向右射出后，在匀强磁场中α粒子受的洛伦兹力向上，β粒子受Aabcβγααγβ⑴⑵⑶O的洛伦兹力向下，轨迹都是圆弧。由于α粒子速度约是光速的1/10，而β粒子速度接近光速，所以在同样的混合场中不可能都做直线运动（如果一个打在b，则另一个必然打在b点下方。）本题选AC。例题：如图所示，是利用放射线自动控制铝板厚度的装置。假如放射源能放射出α、β、γ三种射线，而根据设计，该生产线压制的是3mm厚的铝板，那么是三种射线中的____射线对控制厚度起主要作用。当探测接收器单位时间内接收到的放射性粒子的个数超过标准值时，将会通过自动装置将M、N两个轧辊间的距离调___一些。解析：α射线不能穿过3mm厚的铝板，γ射线又很容易穿过3mm厚的铝板，基本不受铝板厚度的影响。而β射线刚好能穿透几毫米厚的铝板，因此厚度的微小变化会使穿过铝板的β射线的强度发生较明显变化。即是β射线对控制厚度起主要作用。若超过标准值，说明铝板太薄了，应该将两个轧辊间的距离调节得大些。2、原子核的衰变：（1）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类型衰变方程规律衰变新核电荷数减少质量数减少24衰变新核电荷数增加质量数不变1射线是伴随、衰变放射出来的高频光子流在衰变中新核质子数多一个，而质量数不变是由于反映中有一个中子变为一个质子和一个电子，即：（2）半衰期：放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间叫半衰期。（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T