原子物理

选修3-5原子物理知识点一、量子理论的建立黑体和黑体辐射1、量子理论的建立：1900年德国物理学家普朗克提出振动着的带电微粒的能量只能是某个最小能量值ε的整数倍，这个不可再分的能量值ε叫做能量子ε=hν。h为普朗克常数（6.63×10-34J.S）2、黑体：如果某种物体能够完全吸收入射的各种波长电磁波而不发生反射，这种物体就是绝对黑体，简称黑体。3、黑体辐射：黑体辐射的规律为：温度越高各种波长的辐射强度都增加，同时，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动。（普朗克的能量子理论很好的解释了这一现象）二、光电效应光子说光电效应方程1、光电效应（表明光子具有能量）（1）光的电磁说使光的波动理论不能解释光电效应的现象。在光（包括不可见光）的照射下从物体发射出电子的现象叫做光电效应，发射出来的电子叫光电子。光电效应现象：在光的照射下，金属中的电子从表面逸出的现象，发射出来的电子叫光电子．2．光电效应的产生条件：入射光的频率大于金属的极限频率．3．光电效应的四个规律(1)每种金属都有一个极限频率，入射光的频率必须大于截止频率或极限频率才能产生光电效应．低于截止频率时不能发生光电效应．(2)光电子的最大初动能与入射光的强度无关，只随入射光频率的增大而增大.(3)光电效应的发生几乎是瞬时的，一般不超过10－9s.(4)当入射光的频率大于极限频率时，饱和光电流的强度与入射光的强度成正比4光电流与饱和光电流．①入射光强度：单位时间内入射到金属表面单位面积上的能量．频率一定时，光强越大，光子数越多．②光电流：光电子在电路中形成的电流．光电流有最大值，未达到最大值以前，其大小和光强、电压都有关，达到最大值以后，光电流和光强成正比．③饱和光电流：在一定频率与强度的光照射下的最大光电流，饱和光电流不随电路中电压的增大而增大爱因斯坦光电效应方程1．光子说：在空间传播的光是不连续的，而是一份一份的，每一份叫作一个光的能量子，简称光子，光子的能量ε＝hν.其中h＝6.63×10－34J·s.(称为普朗克常量)2．逸出功W0：使电子脱离某种金属所做功的最小值．3．最大初动能：发生光电效应时，金属表面上的电子吸收光子后克服原子核的引力逸出时所具有的动能的最大值．4．遏止电压与截止频率(1)遏止电压：使光电流减小到零的反向电压U.(2)截止频率：能使某种金属发生光电效应的最小频率叫做该种金属的截止频率(又叫极限频率)．不同的金属对应着不同的极限频率．5．爱因斯坦光电效应方程(1)表达式：Ek＝hν－W0.(2)物理意义：金属表面的电子吸收一个光子获得的能量是hν，这些能量的一部分用来克服金属的逸出功W0，剩下的表现为逸出后光电子的最大初动能Ek＝12mev2e.6.光电效应方程及其图象分析1．三个关系式(1)爱因斯坦光电效应方程：Ek＝hν－W0.(2)最大初动能与遏止电压的关系：Ek＝eUc.(3)逸出功与极限频率、极限波长λ0的关系：W0＝hν0＝hcλ0.2．四类图象的对比图象名称图线形状由图线直接(间接)得到的物理量最大初动能Ek与入射光频率ν的关系图线①极限频率：图线与ν轴交点的横坐标νc②逸出功：图线与Ek轴交点的纵坐标的值W0＝|－E|＝E③普朗克常量：图线的斜率k＝h颜色相同、强度不同的光，光电流与电压的关系①遏止电压Uc：图线与横轴的交点②饱和光电流Im：电流的最大值③最大初动能：EKm＝eUc颜色不同时，光电流与电压的关系①遏止电压Uc1、Uc2②饱和光电流③最大初动能Ek1＝eUc1，Ek2＝eUc2遏止电压Uc与入射光频率ν的关系图线①截止频率νc：图线与横轴的交点②遏止电压Uc：随入射光频率的增大而增大③普朗克常量h：等于图线的斜率与电子电量的乘积，即h＝ke.(注：此时两极之间接反向电压)照射光强度——决定着每秒钟光源发射的光子数频率——决定着每个光子的能量E＝hν光电子每秒钟逸出的光电子数——决定着光电流的大小光电子逸出后的最大初动能12mev2三、康普顿效应（表明光子具有动量）1、1918-1922年康普顿在研究石墨对X射线的散射时发现：光子在介质中和物质微粒相互作用，可以使光的传播方向发生改变，这种现象叫光的散射。2、在光的散射过程中，有些散射光的波长比入射光的波长略大．，这种现象叫康普顿效应。3、光子的动量：p=h/λ四、光的波粒二象性物质波概率波不确定关系1、光的波粒二象性：干涉、衍射和偏振．．．．．．．．表明光是一种波；光电效应和康普顿效应．．．．．．．．．．又表明光是一种粒子，光具有波粒二象性。少量的光子表现出粒子性，大量光子运动表现为波动性；光在传播时显示波动性，与物质发生作用时，往往显示粒子性；频率小波长大的波动性显著，频率大波长小的粒子性显著。（电子干涉条纹对概率波的验证）2、光子的能量E=hν，光子的动量p=h/λ表示式也可以看出，光的波动性和粒子性并不矛盾。3、物质波：1924年德布罗意（法）提出，实物粒子和光子一样具有波动性，波长λ=h/p，这种波叫物质波，也叫德布罗意波。（P38电子的衍射图样；电子显微镜的分辨率）五、原子核式模型机构1、1897年汤姆生（英）发现了电子．．．．．．．．．．．，提出原子的枣糕模型，揭开了研究原子结构的序幕。（谁发现了阴极射线？）2、1909年起英国物理学家卢瑟福做了α粒子轰击金箔的实验，即α粒子散射实验的结果：绝大多数．．．．α粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进，少数．．α．粒子却发生了较大的偏转，并且有极少数α粒子偏转角超过了90°，有的甚至被弹回．．．．．，偏转角几乎达到180°。（P53图）3、卢瑟福在1911年提出原子的核式结构模型，α粒子散射实验的数据还可以估计．．原子核的大小（数量级为10-15m）和原子核的正电荷数。原子序数=核电荷数=质子数=核外电子数。六、氢原子的光谱1、光谱的种类：（1）发射光谱：物质发光直接产生的光谱。炽热的固体、液体及高温高压气体发光产生连续光谱；稀薄气体发光产生线状谱，不同元素的线状谱线不同，又称特征谱线。（2）吸收光谱：连续谱线中某些频率的光被稀薄气体吸收后产生的光谱，元素能发射出何种频率的光，就相应能吸收何种频率的光，因此吸收光谱也可作元素的特征谱线。2、氢原子的光谱是线状的（这些亮线称为原子的特征谱线），即辐射波长是分立的。3、基尔霍夫开创了光谱分析的方法：利用元素的特征谱线（线状谱或吸收光谱）鉴别物质的分析方法。七、原子的能级1、卢瑟福的原子核式结构学说跟经典的电磁理论发生矛盾（矛盾为：a、原子是不稳定的；b、原子光谱是连续谱），1913年玻尔（丹麦）在其基础上，把普朗克的量子理论运用到原子系统上，提出玻尔理论。2、玻尔理论(1)定态：原子只能处于一系列不连续的能量状态中，在这些能量状态中原子是稳定的，电子虽然绕核运动，但并不向外辐射能量．(2)跃迁：电子从能量较高的定态轨道跃迁到能量较低的定态轨道时，会放出能量为hν的光子，这个光子的能量由前后两个能级的能量差决定，即hν＝Em－En.(h是普朗克常量，h＝6.63×10－34J·s)(3)轨道：原子的不同能量状态跟电子在不同的圆周轨道绕核运动相对应．原子的定态是不连续的，因此电子的可能轨道也是不连续的．3．氢原子的能级结构、能级公式①能级：在玻尔理论中，原子的能量是量子化的，这些量子化的能量值，叫作能级．②基态：原子能量最低的状态．③激发态：在原子能量状态中除基态之外的其他的状态．④量子数：原子的状态是不连续的，用于表示原子状态的正整数．(2)氢原子的能级公式：En＝1n2E1(n＝1,2,3，…)，其中E1为基态能量，其数值为E1＝－13.6eV.(3)氢原子的半径公式：rn＝n2r1(n＝1,2,3，…)，其中r1为基态半径，又称玻尔半径，其数值为r1＝0.53×10－10m.(4)氢原子的能级图：3、玻尔计算公式：rn=n2r1,En=E1/n2(n=1,2,3)r1=0.5310-10m,E1=-13.6eV,电子的电势能都是负值，而且离核越近，电势能越小，动能越大加速度越大周期减小。4、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，也可能是由于实物碰撞。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。5、谱线条数的确定方法(1)一个氢原子跃迁发出可能的光谱线条数最多为(n－1)．(2)一群氢原子跃迁发出可能的光谱线条数的两种求解方法．①用数学中的组合知识求解：N＝C2n＝nn－2.②利用能级图求解：在氢原子能级图中将氢原子跃迁的各种可能情况一一画出．然后相加．6、玻尔模型的成功之处在于它引入了量子概念（提出了能级和跃迁的概念，能解释气体导电时发光的机理、氢原子的线状谱），局限之处在于它过多地保留了经典理论（经典粒子、轨道等），无法解释复杂原子的光谱。7、现代量子理论认为电子的轨道只能用电子云来描述。八、原子核的组成1、1919年卢瑟福用α粒子轰击氮原子核发现质子即氢原子核。核反应方程147N＋42He―→178O＋11H.2、卢瑟福预言中子存在。查德威克经过研究证明中子核反应方程94Be＋42He―→126C＋10n.3、质子和中子统称核子，原子核的电荷数等于其质子数，原子核的质量数等于其质子数与中子数的和。具有相同质子数的原子属于同一种元素；具有相同的质子数和不同的中子数的原子互称同位素。4、天然放射现象（1）人类认识原子核有复杂结构和它的变化规律．．．．．．．．．．．．．．．，是从贝可勒尔发现天然放射现象开始的。（2）1896年贝克勒耳发现放射性，玛丽·居里和皮埃尔·居里经过研究发现了新元素钋和镭。（3）三种射线的比较名称项目α射线β射线γ射线组成高速氦核流高速电子流光子流(高频电磁波)带电荷量2e－e0符号42He0－1eγ速度可达0.1c可达0.99cc垂直进入电场或磁场的偏转情况偏转偏转不偏转贯穿本领最弱较强最强对空气的电离作用很强较弱很弱九、原子核的衰变半衰期1、原子核由于放出某种粒子而转变为新核的变化叫做原子核的衰变。在衰变中电荷数和质量数都是守恒的（注意：质量并不守恒。）。γ射线是伴随．．α射线或β射线产生的，没有单独的γ衰变（γ衰变：原子核．．．处于较高能级．．．．，辐射光子后跃迁到低能级。）。α衰变、β衰变的比较衰变类型α衰变β衰变衰变方程AZX→A－4Z－2Y＋42HeAZX→AZ＋1Y＋0－1e衰变实质2个质子和2个中子结合成一个整体射出211H＋210n→42He1个中子转化为1个质子和1个电子10n→11H＋0－1e匀强磁场中轨迹形状衰变规律电荷数守恒、质量数守恒、动量守恒2、半衰期：放射性元素的原子核有半数发生衰变．．．．．．．．．．需要的时间。放射性元素衰变的快慢是由核内部．．．本身的因素决定，与原子所处的物理状态或化学状态无关，它是对大量原子的统计规律．．．．．．．．．．。N余＝N原(12)t/τ，m余＝m原(12)t/τ.。3.衰变次数的确定方法方法一：确定衰变次数的方法是依据两个守恒规律，设放射性元素AZX经过n次α衰变和m次β衰变后，变成稳定的新元素A′Z′Y，则表示该核反应的方程为AZX→A′Z′Y＋n42He＋m0－1e根据质量数守恒和电荷数守恒可列方程A＝A′＋4nZ＝Z′＋2n－m由以上两式联立解得n＝A－A′4，m＝A－A′2＋Z′－Z由此可见确定衰变次数可归结为求解一个二元一次方程组．方法二：因为β衰变对质量数无影响，可先由质量数的改变确定α衰变的次数，然后根据衰变规律确定β衰变的次数十、放射性的应用①放射性同位素：有天然放射性同位素和人工放射性同位素两类，放射性同位素的化学性质相同．②应用：消除静电、工业探伤、作示踪原子等．③防护：防止放射性对人体组织的伤害．十一、核力与结合能质量亏损1.由于核子间存在着强大的核力（核子之间的引力，特点：①核力与核子是否带电无关②短程力，其作用范围为m10100.2，只有相邻的核子间才发生作用），所以核子结合成原子核或原子核分解为单个核子时，都伴随着巨