2023年2月22号整理 高中物理复习资料 文档下载格式:pdf|上传:2023-2-21 21:19|阅读:19次|页数:35页|大小:685.55 KB|文档ID:56523高中物理-近代物理知识点汇总.pdf内容摘要: 高中·物理 近代物理知识点汇总 准高一暑期预习必备【黑体辐射】1.热辐射：一切物体都在辐射电磁波,这种辐射与物体的温度有关,所以叫做热辐射。2.热辐射特性：热辐射的本质是物体向周围发射能量（称为辐射能），在一定时间内物体的辐射能量及这些能量按波长的分布情况都跟温度有关。3.黑体：在热辐射的同时物体表面还会吸收和反射外界射来的电磁波。如果某种物体能够完全吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射,这种物体就是绝对黑体,简称黑体。黑体是一个理想化的模型。4.黑体辐射的实验规律：对于一般材料的物体,辐射电磁波的情况除与温度有关外,还与材料的种类及表面状况有关,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。随着温度的升高,各种波长的辐射强度都有增加,辐射强度的极大值向波长较短的方向移动。第 1 页 共 35 页【普朗克的量子假说】1.物体热辐射发出的电磁波波是通过内部的带电谐振子向外辐射的，谐振子的能量是不连续的。普朗克认为:振动着的带电微粒的能量是某一最小能量 的整数倍。这个最小能量 叫做能量子： h 。其中 是电磁波的频率, h 是普朗克常量,其值为h 6.626 1034 J s 。2.意义：可以非常合理地解释某些电磁波的辐射和吸收的实验现象。3.量子化现象：在微观世界中物理量分立（不连续）取值的现象称为量子化现象。4.量子化假设的意义：普朗克的能量子假设能够很好地解释了黑体辐射实验现象的黑体辐射强度随波长分布的公式，使人类对微观世界的本质有了全新的认识。【光电效应】[考纲要求:Ⅰ]1.1887 年,赫兹在研究电磁波的实验中偶尔发现,接收电路的间隙如果受到光照,就更容易产生电火花。这就是最早发现的光电效应。2.光电效应：照射到金属表面的光,能使金属中的电子从表面逸出，这个现象称为光电效应。这种电子常被称为光电子。3.光电效应的实验规律：（1）存在着饱和电流 单位时间内从阴极的金属表面逸出的光电子数与入射光的强度成正比。在光照条件不变的情况下,随着所加电压的增大,光电流趋于一个饱和值（稳定值），这个值就是饱和电流。（2）存在着反向遏止电压和截止频率①光电子具有的最大初动能 1 me vc2 与反向电压 U c （称2第 2 页 共 35 页为反向遏止电压）满足下列关系： 1 me vc2 eU c2反向遏止电压：若加上反向电压，阴极 K 接电源正极，阳极 A 接电源负极，在光电管两极间形成使光电子减速的电场，使电流减小到0，此时的反向电压称为反向遏止电压。②当人射光的频率减小到某一数值 c 时,即使不施加反向电压也没有光电流（即 I 0 ）。这就是说当入射光的频率 c 时，无论光的强度多么大、光照时间多么长，都不会发生光电效应。 c 称为截止频率或极限频率。不同金属的截止频率不同。（3）电子的能量由入射光的频率决定 对于一定颜色(频率)的光,无论光的强弱如何,遏止电压都是一样的。这表明光电子的能量只与入射光的频率有关,而与入射光的强弱无关。（4）光电效应具有瞬时性-9 光电效几乎瞬时发生的，时间不超过 10 s。4.爱因斯坦的光子说:（受普朗克量子化假设的启发）爱因斯坦认为在空间传播的光不是连续的，而是一份一份的，每一份叫做一个光子，光子的能量跟它的频率成正比，即 E h 。5.光电效应方程： Ek h W0 爱因斯坦的光电效应方程在本质上是能量的转化和守恒定律对应的方程：一个电子吸收一个光子的能量（ h ）后，除了克服原子核的引力做功消耗一部分能量外，另一部分能量转化为光电子从金属中逸出时的初动能。由于 W0 是电子逸出金属时要做的最小功，所以 Ek 实际上为电子逸出时的最大初动能。6.对光电效应实验现象的解释：①当光子照射到金属上时，它的能量可能被金属中的某个电子全部吸收，电子吸收能量后动能增加；当它的动能足够大时，它能克服金属内部原子对它的吸引而离开金属表面逃逸出来，成为光电子，这一过程时间很短，不需要长时间的能量积累；当它的动能不够大时，它仍然被束缚在金属内部。 第 3 页 共 35 页②一个电子最多只能吸收一份光子。③电子吸收光子的能量后可能向各个方向运动，由于路径不同，电子逃逸出来时损失的能量不同，从而它们离开金属表面时的初动能不同，只有直接从金属表面逃逸出来的电子的初动能最大，这些光电子克服原子的引力所做的功叫做这种金属的逸出功（ W0 ）。④对于某一金属，逸出功是一定的，要产生光电效应入射光的频率大于某一极限值 0 ，即有极限频率 0 W0 的存在， 0 的大小等于前面所说 h的截止频率 c 。⑤对同一频率（颜色）的入射光,光强越大,单位时间内入射到金属上的光子数越多,吸收光子的电子数和从金属中逸出的光电子数也越多，所以光电流强度就越大。7.对光电效应规律的理解①光子与光电子：光子指光在空间传播时的每一份能量,光子不带电；光电子是金属表面受到光照射时发射出来的电子其本质是电子。光子是光电效应的因,光电子是果。②光电子的动能与光电子的最大初动能：光照射到金属表面时,电子吸收光子的全部能量可能向各个方向运动,需克服原子核和其他原子的阻碍而损失一部分能量,剩余部分为光电子的初动能；只有金属表面的电子直接向外飞出时,只需克服原子核的引力做功的情况,才具有最大初动能。光电子的初动能小于等于光电子的最大初动能。③光电流和饱和光电流：金属板飞出的光电子到达阳极,回路中便产生光电流,随着所加正向电压的增大,光电流趋于一个饱和值，这个饱和值是饱和光电流,在一定的光照条件下,饱和光电流与所加电压大小无关。④入射光强度与光子能量：入射光强度指单位时间内照射到金属表面单位面积上的总能量。⑤光的强度与饱和光电流：饱和光电流与入射光强度成正比的规律是第 4 页 共 35 页对频率相同的光照射金属产生光电效应而言的,对于不同频率的光,由于每个光子的能量不同,饱和光电流与入射强度之间没有简单的正比关系。8.光电效应图象图像名称 图线形状读取信息 ①截止频率(极限频率) 横 轴截距最大初动能 Ek 与 ②逸出功：纵轴截距的绝入射光频率ν的 对值 W0＝|－E|＝E关系图线 ③普朗克常量：图线的斜 率 k ＝h ①截止频率νc：横轴截距遏止电压 ②遏止电压 Uc：随入射光Uc 与入射 频率的增大而增大光频率ν的③普朗克常量 h：等于图线关系图线 的斜率与电子电量的乘 积，即 h＝ke。颜色相同、强度①遏止电压 Uc：横轴截距不同的光，②饱和光电流 Im：电流的光电流与电压的最大值关系 ③最大初动能：Ekm＝eUc ①遏止电压 Uc1、Uc2颜色不同时，光 ②饱和光电流电流与电压的关 ③最大初动能 Ek1＝eUc1，系 Ek2＝eUc2第 5 页 共 35 页【康普顿效应】1.光的散射：光在介质中与物质微粒相互作用,因而传播方向发生改变,这种现象叫做光的散射 2. 康普顿效应：美国物理学家康普顿在研究石墨对 X 射线的散射时,发现在散射的 X 射线中,除了与入射波长 0 相同的成分外,还有波长大于 0 的成分,这个现象称为康普顿效应。2.光电效应和康普顿效应深入地揭示了光的粒子性。前者表明光子具有能量,后者表明光子除了具有能量之外还具有动量。【光的波粒二象性】[考纲要求:Ⅰ]1.光的干涉、衍射和偏振等现象,说明光具有波动性;光电效应、康普顿效应和光子说证明光具有粒子性。光既具有波动性又具有粒子性的事实说明光具有波粒二象性.2.光既有粒子性，又有波动性，单独使用波或者粒子的解释都无法完整地描述光的所有性质。 h3.描述光的性质的基本关系式：光子的能量: h 光子的动量: p 和 p 是描述粒子性的重要物理量,波长 、频率 是描述波动性的典型物理量,普朗克常量 h 架起了粒子性与波动性之间的桥梁。波动性和粒子性是光的本身属性,光的粒子性和波动性组成一个有机的统一体，相互之间并不是独立存在的。说明：①当光同物质发生作用时,表现出粒子的性质②少量或个别光子易显示出粒子性③频率高、波长短的光子粒子特征显著④足够能量的光(大量光于)在传播时,表现出波的性质⑤频率低、波长长的光,波动性特征显著第 6 页 共 35 页4．对光的波动性和粒子性的进一步理解 光的波动性光的粒子性实验基础 干涉和衍射光电效应、康普顿效应 ①光是一种概率波，即①当光同物质发生作用时，这 光子在空间各点出现的种作用是“一份一份”进行 可能性大小(概率)可用表现的，表现出粒子的性质 波动规律来描述②少量或个别光子容易显示出 ②大量的光子在传播光的粒子性 时，表现出光的波动性 ①光的波动性是光子本 身的一种属性，不是光 ①粒子的含义是“不连续”、说明 子之间相互作用产生的 “一份一份”的 ②光的波动性不同于宏 ②光子不同于宏观观念的粒子 观观念的波5.波动性和粒子性的对立与统一(1)大量光子易显示出波动性，而少量光子易显示出粒子性。(2)波长长(频率低)的光波动性强，而波长短(频率高)的光粒子性强。(3)光子说并未否定波动说， E h hc 中， 和 就是波的概念。(4)波和粒子在宏观世界是不能统一的，而在微观世界却是统一的。【概率波】1．物质波(1)定义：任何运动着的物体都有一种波与之对应，这种波叫做物质波，也叫德布罗意波。(2)物质波的波长： h h， h 是普朗克常量。pmv第 7 页 共 35 页2.对德布罗意物质波的理解(1)任何物体,小到电子、质子,大到行星、太阳都存存在波动性,我们之所以观察不到宏观物体的波动性,是因为宏观物体对应的波长太短的缘故。(2)德布罗意波假说是光子波粒二象性的一种推广,使之包括了所有的物质粒子,即光子与实物粒子都具有粒子性,又都具有波动性,与光子对应的波是电磁波,与实物粒子对应的波是物质波。1927 年戴维孙和汤姆孙分别利用晶体做了电子束衍射的实验,从而证实了电子的波动性。1960 年,约恩孙直接做了电子双缝干涉实验,也证明了电子具有波动性。3.概率波：光波是概率波。光子在空间各点出现的概率遵从波动规律,所以物理学中把光波叫作概率波。光子的行为服从统计规律.干涉加强处表示光子到达的数目多,从统计的观点来看,就是光子在该处出现的概率大；干涉减弱处表示光子到达的数目少,也就是光子在该处出现的概率小。这种概率的大小服从波动规律,因此,我们把光波叫作概率波。 波动性不是由光子间相互作用引起的,而是单个光子的固有属性。4.经典的粒子和经典的波：(1)经典物理学中粒子运动的基本特征:任意时刻有确定的位置和速度以及有确定的轨道 (2)经典的波的特征:具有频率和波长,也就是具有时空的周期性。5.单个光子运动的偶然性：用弱光照射双缝,当照射时间很短时,胶片上出现的是散乱的感光点,这一个个感光点表明光在与胶片作用(使其感光)时,是一份一份进行的;同时,感光点的散乱还表明单个光子通过双缝后到达胶片的什么位置是随机的,是预先不能确定的。5.大量光子运动的必然性：当弱光照射双缝较长一段时间后,有大量光子先后通过双缝落在胶片上,出现大量的感光点,这些感光点形成分隔的一条条感光带,这正是光的双缝干涉条纹在明条纹(感光强)处光子到达的多,单个光子到达明条纹处的概率大,而在暗条纹(感光弱)处,光子到达的概率小,因此,尽管单个光子通过双缝后落在胶片上何处是随机的,第 8 页 共 35 页但它到达胶片上某位置处的概率大小却符合波动规律。6.和谐的统一：少量光子的行为显示不出概率统计规律,大量光子才显示出这种规律，“概率波”实际上是将光的波动性和粒子性统一起来的一种说法。【不确定性关系】1.粒子位置的不确定性：在单缝衍射现象中,入射的粒子有确定的动量,但它们可以处于挡板的任何位置,也就是说,粒子在挡板上的位置是完全不确定的。2.粒子动量的不确定性：微观粒子具有波动性,会发生衍射现象,大部分粒子达狭缝之前沿水平方向运动,而在经过狭缝之后,有些粒子 到跑到投影位置以外,这些粒子具有与其原来方向垂直的动量。由于哪个粒子到达屏上的哪个位置是完全随机的,所以粒子在垂直方向上的动量也具有不确定性。不确定量的大小可以由中央亮条纹的宽度来衡量。 hh3.位置和动量的不确定性关系: x p ,也称测不准原理。由 xp 4 4可以知道,在微观领域,要准确地测定粒子的位置,动量的不确定性就更大；反之,要准确确定粒子的动量,那么位置的不确定性就更大.如将狭缝变成宽缝,粒子的动量能被精确测定(可认为此时不发生衍射),但粒子通过缝的位置的不确定性却增大了；反之取狭缝 x 0 ,粒子的位置测定精确了,但衍射范围会随 x 的减小而增大,这时动量的测定就更加不准确了。4.不确定性关系也存在于能量与时间之间,一个体系处于某一状态,如果时间有一段 t 不确定,那么它的能量也有一个范围 E 不确定,且有 hE t 。45.不确定量求解的基本思路：h（1）不确定性关系列式 xp （2）对物质微粒(或实物体)有 p mv , 4即 p m v 第 9 页 共 35 页（3）对光子有 p h p h2 由以上三式联立即可求得不确定量的值 说明：宏观世界中物体的质量比微观世界中物体(粒子)的质量大许多倍,正是因为宏观物体质量较大,其位置和速度的不确定量极小，通常不计,可以认为其位置和速度速度测定的不确定量,并根据计算结果,讨论在宏观和微观(动量)可精确测定；而微观粒子由于其质量极小,其位置和动量的不确定性特别明显,不可忽略,故不能准确把握粒子的运动状态。对于宏观尺度的物体,其质量 m 通常不随速度 v 变化(因为一般情况 h下 v 远小于 c ),即 p mv ,所以 xv 。由于 m 远大于 h ,因此 x 和 v 可4 m以同时达到相当小的地步,远远超出最精良仪器的精度,完全可以忽略,可见不确定现象仅在微观世界方可观测到。【电子的发现】1.气体电离导电：在通常情况下,气体是不导电的,但在强电场中,气体能够被电离而导电。平时我们在空气中看到的放电火花，就是气体电离导电的结果。2.电子的发现：1897 年，汤姆孙根据阴极射线（能使荧光物质发光）在电场和磁场中的偏转情况断定,它的本质是带负的粒子流并求出了这种粒子的比荷。组成阴极射线的粒子被称为电子。3.电子发现的意义：人们发现了各种物质里都有电子,明电子是原子的组成部分，原子是有结构的。【卢瑟福： 粒子散射实验】1.实验要求：（1）整个实验过程在真空中进行（2）金箔很薄， 粒子很容易通过。2.实验现象：绝大多数 粒子穿过金箔后,基本上仍沿原来的方向前进,但有少数 粒子(约占八千分之一)发生了大角度偏转,偏转的角度甚至大于 90°,有的几乎达到 180°，沿原路返回。第 10 页 共 35 页【原子结构模型】1. 汤姆孙的原子模型：汤姆孙认为, 原子中的正电荷和质量的绝大部分都均匀地分布在整个原子球体内,而电子镶嵌在其中,即所谓的“枣糕模型”。运用汤姆孙的原子结构模型可以粗略解释原子发光等问题。2.卢瑟福的核式结构模型：卢瑟福依据 粒子散射实验的结果,提出了原子的核式结构:在原子中心有一个体积很小的核,叫原子核,原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在核里,带负电的电子在核外空间绕核旋转。 按照卢瑟福的核式结构模型学说,可以很容易地解释 粒子的散射实验现象。由于原子核很小,大部分 粒子穿过金箔时都离核很远，受到的斥力很小，它们的运动几乎不受影响;只有极少数 粒子从原子核附近飞过明显地受到原子核的库仑斥力作用而发生大角度的偏转。3.原子核的电荷与尺度：通常用核半径 R 表示核的大小。根据 粒子散射实验估算,原子半径的数量级为 1010 m ,原子核半径 R 的数量级为 1015 m 。可见原子内部是十分“空旷”的。4.分析和解答有关 粒子散射实验问题时,必须以电子的发现及 粒子散射实验现象为依据,并结合前面所掌握的动能、电势能、库仑定律及能量守恒定律等知识,综合分析和求解有关 粒子靠近原子核过程中的功、能的变化及加速度、速度的变化等问题.特别注意明确如下两点：（1） 粒子散射实验的原理是 粒子和核之间存在库仑斥力, 粒子并未与核直接发生碰撞,所以偏转是库仑斥力导致的。（2）库仑斥力对 粒子做功,使 粒子和核具有的电势能及 粒子的动能发生改变,总能量守恒。由此可分析发生偏转的 粒子的能量变化情况。【氢原子光谱】 [考纲要求:Ⅰ] 用光栅或棱镜可以把各种颜色的光按波长展开,获得光的波长(频率)和强度分布的记录,即光谱。有些光谱是一条条的亮线,我们把它们第 11 页 共 35 页叫做谱线,这样的光谱叫做线状谱。有的光谱看起来不是一条条分立的谱线,而是连在一起的光带,我们把它叫做连续谱。 1.发射光谱:发光物质直接产生的光谱。它又可分为线状光谱(明线光谱)和连续光谱(1)明线光谱:只含有一些不连续的亮线的光谱.它是由游离状态的原子发射的,因此,也叫原子光谱。稀薄气体或金属的蒸气的原子处于游离状态,其发射光谱是明线光谱实验证明,每种元素的原子发光的频率不同,所发光的明线位置不同, 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。因此,每种原子都有自己的特征谱线。(2)连续光谱:由连续分布的光带组成的光谱。炽热的固体、液体和高压气体产生的光谱是连续光谱。连续光谱是由物质的分子发射的。2.吸收光谱:高温物体发出的白光,通过温度较低的物质蒸气,部分频率的光被吸收,结果在连续光谱的背景上出现波长不连续的暗线。 若将某种元素的吸收光谱和线状光谱比较可以发现: 各种原子吸收光谱的暗线和线状光谱的亮线相对应.即表明某种原子发出的光和吸收的光的频率是特定的,只是通常在吸收光谱中的暗线比线状光谱中的亮线要少一些。3.氢原子的光谱：从氢气放电管可以获得氢原子光谱。4.巴耳末公式：1885 年,巴耳末首先将氢原子光谱线的波长倒数用下列的经验公式来表示: 1 1 1 R 2 2 , n 3, 4,5,... 式中 R 1.10 107 m1 ，称为里德伯常量。 2 n 由公式可看出,n 只能取整数,不能连续取值,波长也只能是分立的值。 在氢原子光谱中谱线波长的倒数可以表示为两光谱项之差和氢原子一样,其他原子谱线的波长的倒数也可以表示为两个光谱项之差,所不同的是它们的光谱项的形式要复杂得多。5.既然每种原子都有自己的特征谱线,我们就可以利用它来鉴别物质和确定物质的组成成这种方法称为光谱分析。 第 12 页 共 35 页（1）方法:可以利用明线光谱,也可利用吸收光谱。（2）优点:分析迅速、准确、灵敏度高.某种元素在物质中的含量达-1010 g,就可以从光谱中发现它的特征谱线将其检测出来。（3）应用:光谱分析在科学技术中有广泛的应用:①检查物体的纯度；②鉴别和发现元素；③天文学上光谱的红移表明恒星的远离等，例如太阳光中含有各种颜色的光,当阳光透过太阳高层大气射向地球时,太阳高层大气含有的元素会吸收它自己特征谱线的光,从而产生吸收光谱。将这些吸收光谱的暗线与已知元素的光谱相比较,就可以知道太阳周围大气中存在何种元素。【玻尔的原子模型】[考纲要求:Ⅰ]1.玻尔认为,围绕原子核运动的电子轨道半径只能是某些分立的数值,这种现象叫作轨道量子化;不同的轨道对应不同的状态,在这些状态中,尽管电子在做变速运动,却不辐射能量,因此这些状态是稳定的；原子在不同的状态中具有不同的能量,所以原子的能量也是量子化的。将上述内容进行归纳,玻尔理论有以下三个基本假设:（1）能量状态量子化 原子只能处于一系列的不连续的能量状态中,在这些状态中原子是稳定的.电子虽然绕核旋转,但并不向外辐射能量,这些状态叫作定态, RhcEn ， n 1, 2,3,...n2（2）原子跃迁假设 电子从一个定态轨道(能量为 Em )跃迁到另一个定态轨道(能量为 En )时,它辐射(或吸收)一定频率的光子,这些光子的能量由这两个定态的能量差决定,即 h Em En ,这个式子被称为频率条件,又称为辐射条件。由上式可以看出,能级差越大,放出光子的频率就越高。由于不同的原子具有不同的结构,能级各不相同, 因此辐射的光子频率也各不相同。这就是不同元素的原子具有不同的特征谱线的原因。第 13 页 共 35 页光子的吸收是光子发射的逆过程,原子在吸收了光子后会从较低能级向较高能级跃迁.两个能级的差值仍是个光子的能量,其关系式仍为h Em En 。（3）轨道量子化原子的不同能量状态对应于电子沿不同的圆形轨道运动。原子的定态是不连续的,因而电子的可能轨道是分立的。说明：玻尔理论成功地解释了氢原子的光谱规律,然而由于玻尔理论没有从根本上摒弃经典物理理论,因此玻尔理论也有其局限性,它不能解释其他复杂的原子光谱。2.玻尔理论对氢光谱的解释在玻尔模型中,原子的可能状态是不连续的,因此,各状态对应的能量也是不连续的,这些能量值叫作能级。各状态的标号 1,2,3,…叫作量子数,通常用 n 表示.能量最低的状态叫作基态,其他状态叫作激发态。基态和各激发态的能量分别用 E1 , E2 ,E3 ,…表示。 原子电离后的能量比原子其他状态的能量都高.我们把原子电离后的能量记为 0,则其他状态下的能量值就是负的。 E1 原子各能级的关系为: En （ n 1, 2,3,... ） 对于氢原子而言,基态能 n2量: E1 13.6eV其他各激发态的能级为: E2 3.4eV E3 1.51eV …。3.能级图氢原子的能级图如图所示①由能级图可知,由于电子的轨道半径不同,氢原子的能级不连续,这种现象叫作能量量子化。②原子的能量包括:原子的原子核与电子所具有的电势能和电子运动的动能。③原子从基态跃迁到激发态时要吸收能量,而从激发态跃迁到基态则以光子的形式向外放出能量。无论是吸收能量第 14 页 共 35 页还是放出能量,这个能量值不是任意的,而是等于原子发生跃迁时这两个能级间的能级差,即原子吸收光子时是有选择地吸收相应频率的光子。4.能级的跃迁 通常情况下,原子处于基态时是最稳定的,原子处于激发态时是不稳定的处于激发态的原子会自发地向能量较低的能级跃迁,放出光子,经过一次或几次跃迁回到基态。5.注意：①原子能级跃迁时,处于激发态的原子可能经过一次跃迁回到基态,也可能由较高能级的激发态先跃迁到较低能级的激发态,最后回到基态。一个原子由较高能级回到基态,到底发生了几次跃迁是不确定的。②物质中含有大量的原子,各个原子的跃迁方式也是不统一的。③由于原子的能级是一系列不连续的值,则任意两个能级差也是不连续的,故原子只能发射一些特定频率的光子；同样也只能吸收一些特定频率的光子。正是由于原子的能级是分立的,所以放出的光子能量也是分立的。因此,原子的发射光谱只有一些分立的亮线。但是,当光子能量足够大时,如光子能量 E 13.6eV 时,氢原子仍能吸收此光子并发生电离。6.当原子处于不同的状态时,电子在各处出现的概率是不一样的。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,就像云雾一样,可以形象地把它称做电子云。7.氢原子模型及定态能量问题分析 按照玻尔氢原子轨道模型,核外电子绕核运动的轨道与其相对应的定态能量间有对应关系。在氢原子中,电子围绕原子核运动,如将电子的运动轨道看作半径为 r 的圆周,则原子核与电子之间的库仑力作为电子做匀速圆周运动所需的向心力,那么由库仑定律和牛顿第二定律,有 e2v2e2 2 k me,则电子运动速度 v k；电子的动能 Ek 1 mev 2 k e ； r2r me r22r2电子在半径为 r 的轨道上所具有的电势能 E p k e （无限远处为零）；r 原子的总能量就是电子的动能 Ek 和电势能 E p 的代数和, 第 15 页 共 35 页e2即 E Ek E P k2r由上述讨论可知:（1）某定态时,核外电子的动能 Ek 总是等于该定态总能量的绝对值,原子系统的电势能 E p 总是等于该定态总能量值的两倍。 e2（2）电子动能 Ek k ,随轨道半径 r 的减小而增大,随 r 的增大而减小 2r2(与 v 也直接相关);系统电势能 E p k e 随轨道半径 r 的增大而增大,随 r 的r2减小而减小；原子的总能量 E k e 也随轨道半径 r 的增大而增大,随 r2r的减小而减小。e 2 E1（3）某定态能量 En k 2 0 ,表明氢原子核外电子处于束缚态,欲使2r n2氢原子电离,外界必须对系统至少补充 k e 的能量,原子的能级越低,需要 2r的电离能就越大。8.氢原子能级及原子跃迁问题分析氢原子核外只有一个电子,这个电子在某个时刻只能处于某一个可能的轨道上,在某段时间内,从某一个轨道跃迁到另一个轨道时,可能的情况只有一种,但是如果有大量的氢原子,这些原子的核外电子跃迁时就会有各种情况出现了。处理有关氢原子跃迁问题的基本分析方法是：（1）确定氢原子所处激发态的能级,画出跃迁示意图（2）运用归纳法,根据数学公式 N n(n 1) 确定跃迁频率的种类2（3）根据跃迁能量公式 h Em En 分别计算出各种频率的光子（4）若涉及求光的波长,则用公式 c 计算（5）注意跃迁和电离的区别:①跃迁:跃迁是原子的电子从一个轨道跃迁到另一个轨道,即不能脱离原子核的束缚。根据玻尔理论,当原子从低能级向高能级跃迁时,必须吸收光子才能实现；相反,当原子从高能级向低能级跃迁时,必须辐射光子才能实现。 第 16 页 共 35 页跃迁时不管是吸收还是辐射光子,其光子的能量都必须等于这两个能级的能量差。 ②电离:将电子从基态激发到脱离原子的过程叫作电离。原子一旦电离,原子结构被破坏,而不再遵守有关原子结构理论。如基态氢原子的电离能为 13.6eV,只要能量大于或等于 13.6eV 的光子都能被基态的氢原子吸收而使原子电离,只不过入射光子的能量越大,原子电离后产生的自由电子的动能越大。不论原子处于什么状态，只要入射光子的能量大于该状态的电离所需要的能量就可使之电离。9.使原子能级跃迁的两种粒子—光子与电子的主要区别是：原子若是吸收光子的能量而被激发，其光子的能量必须等于两能级的能量差，否则不被吸收。原子吸收外来电子的能量而被激发时，只要人射电子的能量大于或等于两能级的能级差值( E Em En ),均可使原子发生能级跃迁。10．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 n(n 1) 。 2②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。【三种射线】 [考纲要求:Ⅰ]1.天然放射现象：放射性元素自发地发出射线的现象叫天然放射现象。由法国物理学家贝克勒尔最先发现。天然放射现象的发现，说明原子核具有复杂的结构。2.放射性和放射性元素：物质发射看不见的射线,这种性质被称为放射性,具有放射性的元素被称为放射性元素。研究发现,自然界中原子序数大于或等于 83 的元素,都能自发地放出射线；原子序数小于 83 的元素,有的也具有放 第 17 页 共 35 页射性。3. 如果一种元素具有放射性,那么,无论它是以单质存在,还是以化合物形式存在,都具有放射性。放射性的强度也不受温度、外界压强的影响。由于元素的化学性质决定于原子核外的电子,这就说明身射线与这些电子无关,也就是说,射线来自原子核。4.三种射线的研究方法 把样品放在铅块的窄孔里,在孔的正对面放着照相底片,在没有电场时,发现在底片上正对孔的位置感光了。若在铅块和底片之间放一对电极或加上磁场,使电场方向或磁场方向跟射线方向垂直,结果在底片上有三个地方感光了,说明在电场或磁场作用下,射线分为三束,表明这些射线中有的带电，有的不带电,如图所示。从感光位置知道,带正电的射线偏转较小,是 射线；带负电的射线偏转较大,是 射线；不偏转的射线是 射线。三种射线在电磁场中的判别方法：（1）不论在电场中还是在磁场中, 射线总是做匀速直线动,不发生偏转。（2）在匀强电场中, 粒子和 粒子沿相反方向做类平抛较运动,且在同样的条件下, 粒子的偏转较大。（3）在匀强磁场中, 粒子和 粒子沿相反方向做匀速圆周运动,且在同样条件下, 粒子的轨道半径较小,偏转较大。5.三种射线的比较种类 射线 射线 射线组成（本光子流(高频电高速氦核流高速电子流质）磁波)带电荷量2ee04m p ， mp质量静止质量为零m p＝1.67 10 27 kg 1836速度0.1c 0.99cc(光速)第 18 页 共 35 页与α射线反向 在电磁场中 偏转不偏转偏转较强，能穿透 最强，能穿透几 贯穿本领最弱，用纸能挡住 几毫米厚的铝 厘米厚的铅板板 对空气的电 很强 较弱 很弱 离作用 在空气中的细、较长、曲 粗、短、直 最长 径迹 折 通过胶片感光 感光 感光【原子核的组成】 [考纲要求:Ⅰ]1.质子的发现(1)1919 年,卢瑟福用 粒子轰击氮核,结果从氮核中打出了一种粒子,并测定了它的电荷量与质量,知道它是氢原子核,把它叫作质子(p),后来人们又从其他原子核中打出了质子,故确定质子是原子核的组成部分。(2)质子带正电荷,电荷量与一个电子所带电荷量相等,质子的质量m 1.672623 10 27 kg 。2.中子的发现(1)卢瑟福的预言:1920 年卢瑟福提出猜想:原子核内除了质子外,还存在一种质量与质子的质量大体相等但不带电的粒子,并认为这种不带电的中性粒子是由电子进入质子后形成的。(2)查德威克验证了卢瑟福的预言,原子核中确实存在着中性的、质量几乎与质子相同的粒子,并把它叫作中子( n )。中子的质量为mn 1.6749286 10 27 kg 。3.原子核的组成：原子核是由质子、中子构成的,质子带正电,中子不带电,不同的原子核内质子和中子的个数并不相同。(1)原子核中的三个整数 第 19 页 共 35 页①核子数:质子和中子质量差别非常微小,二者统称为核子,所以质子数和中子数之和叫核子数。②电荷数(Z):原子核所带的电荷总是质子所带电荷的整数倍,通常用这个整数表示原子核的电荷量,叫作原子核的电荷数。③质量数(A):原子核的质量等于核内质子和中子的质量的总和,而质子与中子的质量几乎相等,所以原子核的质量几乎等于单个核子质量的整数倍,这个整数叫作原子核的质量数。(2)原子核中的两个等式①核电荷数=质子数(Z)=元素的原子序数=核外电子数②质量数(A)=核子数=质子数+中子数4.同位素：原子核的质子数(核电荷数)相同而质量数不同的元素互称为同位素。原子核的质子数决定了核外电子数,也决定了电子在核外的分布情况,进而决定了这种元素的化学性质,因而同位素具有相同的化学性质。【放射性元素的衰变】[考纲要求:Ⅰ]1 原子核的衰变:原子核放出 粒子或 粒子(并不表明原子核内有 粒子或 粒子, 粒子是电子流,而原子核内不可能有电子存在)后变成新的原子核,这种变化称为原子核的衰变。2.衰变规律:原子核衰变时,前后的电荷数和质量数都守恒。(1)发生一次 衰变—核的质量数 A 减少 4,电荷数 Z 减少 2,在元素周期表中向前移 2 位,即 ZA X ZA42Y 24 He(2)发生一次 衰变—核的质量数 A 不变,电荷数 Z 增加 1,在元素周期表中向后移 1 位,即 ZA X Z A1Y 10 e(3)放射性的原子核在发生衰变时，蕴藏在核内的能量会被释放出来,原子核释放出一个 光子不会改变它的质量数和电荷数。原子核的能量也跟原子的能量一样,其变化是不连续的,也只能取一系列不连续的数值,因此也存在着能级,同样是能级越低越稳定。放射性的原子核在发生 衰变、 衰变时,蕴藏在核内的能量会释放出来,使产生的新核处于第 20 页 共 35 页高能级（激发态）,这时它要向低能级跃迁,能量以光子的形式辐射出来。因此, 射线经常是伴随 射线和 射线产生的。3.要点理解:(1)核反应过程一般都不是可逆的,所以核反应方程只能用单向箭头表示反应方向,不能用等号连接。(2)核反应中遵循质量数守恒而不是质量守恒,核反应过程中反应前后的总质量一般会发生变化(质量亏损)而释放出核能。(3)当放射性物质发生连续衰变时,原子核中有的发生 衰变,有的发生 衰变,同时伴随着 射线的产生,这时可连续放出三种射线。4. 衰变、 衰变规律的比较 衰变类 衰变 衰变 型 衰变方AA 4 A AZ XY 24 He Z 2 Z XY 10 e Z 1 程2 个质子和 2 个中子结合成 1 个中子转化为 1 个质 衰变实一个整体射出子和 1 个电子 质2 11H 2 01n 24 He 10 n 11H 10 e 衰变规电荷数守恒、质量数守恒、动量守恒 律5.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 ZA X经过 n 次 衰变和 m 次 衰变后，变成稳定的新元素 ZA ''Y ，则表示该核反应的方程为 ZA X ZA ''Y n 24 He m 10 e 。根据质量数守恒和电荷数守恒可列方A A'程 A A ' 4n Z Z ' 2n m 由以上两式联立解得 n ， m A A ' Z ' Z42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 衰变对质量数无影响，可先由质量数的改变确定 衰变的次数，然后根据衰变规律确定 衰变的次数。第 21 页 共 35 页6.两类核衰变在磁场中的径迹静止核在磁场中自发衰变，其轨迹为两相切圆， 衰变时两圆外切， mv 衰变时两圆内切，根据动量守恒 m1v1 m2v2 和 r 知，半径小的为新 Bq核，半径大的为 粒子或 粒子，其特点对比如下表： 衰匀强磁场中轨迹两圆外切， 粒 AA 44 Z XY HeZ 22变 子半径大 匀强磁场中轨迹衰两圆内切， 粒 A A 0 Z XY eZ 11变 子半径大7.原子核衰变问题的综合分析原子核衰变问题的综合分析,其实质是质量守恒定律、电荷守恒定律、动量守恒定律以及能的转化和守恒定律的综合应用。它可从几个方面分别进行分析。 设有一个质量为 M 0 的原子核,原来处于静止状态当发生一次 (或 )衰变后,释放的粒子的质量为 m ,速度为 v ,产生的反冲核的质量为 M ,速度为 V ,同时辐射出一个相等光子。(1)动量守恒关系0 mv MV 或 mv MV(2)在磁场中径迹的特点：当粒子和反冲核垂直进入磁感应强度为 B 的匀强磁场时,将在洛伦兹力的作用下做匀速圆周运动,①轨道半径的大小---因为粒子与反冲核的动量大小相等,所以轨道半mv 1径与电量成反比,即R ，当发生 衰变时 R Z 2 ，当发生 衰Bq q RM 2R Z 2变时 RM 1②运行周期的长短—在同样的条件下,运行周期与粒子和反冲核的质荷 2 m m比成正比,即T Bq q 。 第 22 页 共 35 页③径迹的特点—粒子的轨道半径大,反冲核的轨道半径小。 粒子与反冲核带同种电荷,圆轨道外切； 粒子与反冲核带异种电荷,圆轨道内切； 射线的径迹为与反冲核的径迹相切的直线。【半衰期】[考纲要求:Ⅰ]1.定义:放射性元素的原子核每衰变一半所需要的时间叫作半衰期说明：(1)半衰期是一种统计规律—半衰期是大量放射性原子核所遵循的必然规律,至于个别原子核在什么时侯衰变,完全具有偶然性。(2)半衰期是放射性元素稳定性的标志—不同元素的半衰期不同,半衰期越长,元素越稳定,寿命越长；反之,元素越不稳定,寿命越短。(3)半衰期是放射性元素固有的属性,决定于原子核的内部状态,而与所处的物理状态和化学状态无关—不论放射性元素质量的多少,所加温度和压强的高低,以及是否加电场和磁场,也不论放射性元素是处于游离状态还是化合状态,都不能改变其半衰期。1 tt2.公式: N 余 =N 原 ( ) T ， m余 =m原 ( 1 ) T 式中 N 原 、 m原 表示衰变前的放射性元22素的原子数和质量, N 余 、 m余 表示衰变后尚未发生下一次衰变的放射性元素的原子数和质量， t 表示衰变时间， T 表示半衰期。3.半衰期的物理意义：半衰期是表示放射性元素衰变快慢的物理量，同一放射性元素的衰变速率一定，不同的放射性元素半衰期不同。【探测射线的方法】 探测射线的方法主要是利用射线粒子与其他物质作用时产生的一些现象来探知射线的存在,这些现象主要是:①使气体电离;②使照相底片感光;③使荧光物质产生荧光 科研中常用的探测射线的仪器: 1.威耳逊云室 (1)构造:主要部分是一个塑料或玻璃制成的圆柱状容器,它的下部是一个可以上下移动的活塞,上盖是透明的,可以通过它来观察和拍摄粒子运动的径迹,云室里面有干净的空气。 第 23 页 共 35 页 (2)原理:把一小块放射性物质(放射源)放在云室内侧电壁附近(或放在云室外,让放射线从窗口射入),先往云室里加少量的酒精,使室内充满酒精的饱和蒸气,然后使活塞迅 进速向下运动,室内气体由于迅速膨胀,温度降低,酒精蒸气达到过饱和状态,这时如果有射线粒子从室内气体中飞过,使沿途的气体分子电离,过饱和酒精蒸气就会以这些离子为核心,凝结成雾滴,这些雾滴沿射线经过的路线排列,于是就显示出了射线的径迹。这种云室是英国物理学家威耳逊于 1912 年发明的,故叫作威耳逊云室。 2.气泡室：气泡室的原理同云室的原理类似,所不同的是气泡室。 里装的是液体,如液态氢.控制气泡室内液体的温度和压强,使室内温度略低于液体的沸点。当气泡室内压强突然降低时,液体的沸点变低,因此液体过热,在通过室内射线粒子的周围就有气泡形成,从而显示射线径迹。3.盖革-米勒计数器(1)构造:主要部分是盖革管,外面是一根玻璃管,里面是一个接在电源负极上的导电圆筒,筒的中间有一条接正极的金属丝,管中装有低压的惰性气体和少量的酒精蒸气或溴蒸气。(2)原理:在金属丝和圆筒两极间加上一定的电压,这个电压稍低于管内气体的电离电压,当某种射线粒子进入管室内时,它使管内的气体电离,产生电子。这样,一束射线粒子进入管中后可以产生大量电子,这些电子到达阳极,阳离子蒸气到达阴极,在外电路中产生了一次脉冲放电,利用电子仪器可以把放电次数记录下来。【放射性的应用与防护】[考纲要求:Ⅰ]1.核反应：我们把原子核在其他粒子轰击下产生新原子核的过程称为核反应。质子、中子以及正电子等都是通过原子核的人工转变而被发现的。原子核人工转变的三大发现:(1)1919 年卢瑟福发现质子的核反应: 14 7 N 24 He 178 O 11H 第 24 页 共 35 页(2)1932 年查德威克发现中子的核反应 94 Be 24 He 126 C 01n(3)1934 年约里奥·居里夫妇发现放射性同位素和正电子的核反应2713 Al 24 He 1530 P 01n 30 15 P 1430 Si 10 e原子核的人工转变就是一种核反应,和衰变过程一样,在核反应中,质量数和核电荷数都守恒。2.放射性同位素：天然存在的放射性元素只有四十多种,但用人工方法得到的放射性同位素有一千多种,因而使放射性同位素具有广泛的应用。3.放射性同位素的应用(1)利用放射性同位素放出的射线( 射线、 射线、 射线)的不同特性去照射物体,达到各种目的：①利用放出的 射线检查金属部件是否存在砂眼、裂痕等,即利用 射线进行探伤。 ②利用放射线的贯穿本领与物质的厚度和密度的关系,可用它来检查各种产品的厚度和密封容器中的液体的高度等,从而实现自动控制。 ③利用放射线使空气电离而把
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发表于 2023-2-21 21:19:21
