2022新人教版(2019)《高中物理》选择性必修第三册教学资料 原子物理知识点.docx
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1、目录第四章 原子结构和波粒二象性54.1普朗克黑体辐射理论51.黑体与黑体辐射52.黑体辐射的实验规律53.能量子64.2光电效应6一光电效应现象6二. 光电效应的典型规律7三经典电磁理论解释光电效应到的困难7四爱因斯坦光电效应方程8五、康普顿效应和光子的动量111光的散射112康普顿效应11六光的波粒二象性124.3原子的核式结构模型15原子物理发展简史15一、电子发现16二、原子的核式结构模型17三原子核的电荷与尺度194.4氢原子光谱和波尔的原子模型(电子在原子核周围怎样运动)20一、光谱20二、氢原子光谱的实验规律21三、经典理论解释原子问题的困难21四、玻尔原子理论的基本假设22五、
2、波尔理论对氢光谱的解释22六、玻尔模型的意义与局限性244.5粒子的波动性和量子力学的建立25一、粒子的波动性25二、物质波的实验验证电子束的衍射:26三、结论:物质波是概率波27第五章 原子核29一、天然放射现象30二、射线本质305.1放射性元素的衰变33一、原子核的衰变331. 衰变:332.衰变、衰变的比较333.确定衰变次数的方法344.射线的探测34二半衰期36三、核反应37四、放射性同位素及其应用375.3核力与结合能39一、核力与四种基本相互作用40二、结合能41三核能的计算方法431.基本方法:432.衰变过程中核能的计算445.4核裂变与核聚变45核反应45一、核裂变的发现
3、45二、重核裂变46三、核裂变的应用:47四、核聚变48五聚变与裂变的区别49六、核反应的四种类型505.5“基本”粒子501“基本粒子”不基本502.发现新粒子513粒子的分类514夸克模型52&波粒二象性原&子结构原子核&波粒二象性&光的波动性&光是一种概率波&物质波:=hp&光的粒子性&光电效应的实验规律&爱因斯坦光电效应方程:E=h-W0&康普顿效应&光子的动量:p=h&能量量子化:能量子=h&原子结构&原子核式结构模型&粒子散射实验&原子的核式结构&原子核的电荷和尺度&玻尔原子模型&基本假设&能级&En=1n2E1&能级图&氢原子光谱&光谱&连续谱&线状谱&实验规律&原子核&天然放射
4、现象&三种射线&半衰期&原子核的组成&组成&质子&中字&半衰期&核反应&衰变&人工转变&裂变&聚变&核力和结合能第四章 原子结构和波粒二象性4.1普朗克黑体辐射理论1.黑体与黑体辐射(1)定义: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(blackbody),黑体虽然不反射电磁波,却可以向外辐射电磁波,这样的辐射叫作黑体辐射(blackbody radiation)。 注:什么样的物体可看成黑体a) 黑体是一个理想化的物理模型b) 如图所示,如果在一个空腔壁上开一个很小的孔,那么射入小孔的电磁波在空腔内表面会发生多次反射和吸收,最终不能从空腔射出
5、这个小孔近似看成一个绝对黑体 c.黑体看上去不一定是黑的,有些可看做黑体的物体由于自身有较强的辐射,看起来还会很明亮,如炼钢炉口上的小孔一些发光体(如太阳、白炽灯丝)也被当作黑体来处理2.黑体辐射的实验规律a) 热辐射:周围的一切物体都在辐射电磁波,这种辐射与物体的温度有关,所以叫热辐射.b) 特点: 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. 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,一方面,各种波长的辐射强度都有增加,另一方面,辐射强度的极大值向波长较短的方向移动,如图1.图1历史:在1896 年维恩公式在短波区与实验非常接
6、近,在长波区则与实验偏离较大;1900 年瑞利公式在长波区与实验基本一致,但在短波区与实验严重不符。1900 年10 月,普朗克找到了一个数学公式,它与实验吻合得非常完美。3.能量子(1)定义:普朗克认为,当带电微粒辐射或吸收能量时,以最小能量值为单位一份一份地辐射或吸收,这个不可再分的最小能量值叫做能量子.(2)能量子大小:h,其中是带电微粒的振动频率,也就是带电微粒吸收或辐射电磁波的频率,h被称为普朗克常量.h6.6261034 Js(一般取h6.631034 Js).(3)发光功率与单个光子能量的关系:发光功率Pn,其中n为单位时间发出的光子数目,为单个光子的能量.4.2光电效应一光电效
7、应现象1.历史: 19世纪末赫兹用实验验证了麦克斯韦的电磁场理论,明确了光的电磁波说赫兹也是最早发现了光电效应现象德国物理学家勒纳德、英国物理学家J. J. 汤姆孙等相继进行了实验研究,证实了这个现象。如图所示:用弧光灯(紫外线灯)照射锌板,与锌板相连的验电器就带正电,这说明锌板在光的照射下发射了电子2.定义: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(photoelectric effect),这种电子常称为光电子。二. 光电效应的典型规律1. 存在截止频率 当入射光的频率减小到某一数值vc 时,光电流消失,这表明已经没有光电子了。vc称为截止频率(cutoff f
8、requency)或极限频率。这就是说,当入射光的频率低于截止频率时不发生光电效应。实验表明,不同金属的截止频率不同。换句话说,截止频率与金属自身的性质有关。2. 存在饱和电流 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。也就是说,在电流较小时电流随着电压的增大而增大;但当电流增大到一定值之后,即使电压再增大,电流也不会再进一步增大了(图4.2-2)。这说明,在一定的光照条件下,单位时间内阴极K发射的光电子的数目是一定的,电压增加到一定值时,所有光电子都被阳极A吸收,这时即使再增大电压,电流也不会增大。实验表明,在光的频率不变的情况下,入射光越强,饱和电流越大。这说明,对
9、于一定频率(颜色)的光,入射光越强,单位时间内发射的光电子数越多。3. 存在截止电压 如果施加反向电压,也就是阴极接电源正极、阳极接电源负极,在光电管两极间形成使电子减速的电场,电流有可能为0。使光电流减小到0的反向电压Uc称为截止电压。截止电压的存在意味着光电子具有一定的初速度,初速度的上限vc 应该满足以下关系mevc2 eUc12进一步的实验表明,同一种金属对于一定频率的光,无论光的强弱如何,截止电压都是一样的。光的频率v 改变时,截止电压Uc也会改变(图4.2-2)。这意味着,对于同一种金属,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 当频率超过截
10、止频率vc 时,无论入射光怎样微弱,照到金属时会立即产生光电流。精确测量表明产生电流的时间很快,即光电效应几乎是瞬时发生的。三经典电磁理论解释光电效应到的困难逸出功(work function):明金属表面层内存在一种力,阻碍电子的逃逸。电子要从金属中挣脱出来,必须获得一些能量,以克服这种阻碍。要使电子脱离某种金属,需要外界对它做功,做功的最小值叫作这种金属的逸出功(work function),(1)波动理论认为:光的能量是由光的强度决定的,而光的强度又是由光波的振幅所决定的,跟频率无关(2)电磁理论解释光电效应的三个困难:波动理论光电效应实验结果困难1按照光的波动理论,不论入射光的频率是多
11、少,只要光强足够大,总可以使电子获得足够的能量从而发生光电效应如果光的频率小于金属的极限频率,无论光强多大,都不会发生光电效应困难2光强越大,电子可获得更多的能量,光电子的最大初动能也应该越大,遏止电压也越大即出射电子的动能应该由人射光的能量即光强来决定遏止电压与光强无关,与频率有关困难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当入射光照射到光电管的阴极时,无论光强怎样微弱,几乎在一开始就产生了光电子四爱因斯坦光电效应方程爱因斯坦是在普朗克量子假说的基础上作出的。他表示,普朗克关于黑体辐射问题的崭新观点还不够彻底,仅仅认为振动着的带电微粒的能量不连续是不够的。为了解释光电
12、效应,必须假定电磁波本身的能量也是不连续的,即认为光本身就是由一个个不可分割的能量子组成的1. 光子说:光由一个个不可分割的能量子组成,频率为的光的能量子为h,即光子,其中h普朗克常量。2. 爱因斯坦光电效应方程:Ek=hW0其中Ek为光电子的最大初动能,Ek=eUc=mev2,h为入射光子的能量,W0为金属的逸出功3. 爱因斯坦光电效应方程对光电效应的解释 光电子的最大初动能Ek与入射光的频率有关,而与光的强弱无关。只有当hW0时,才有光电子逸出,截止频率c=注1 每种金属都有一个极限频率,入射光的频率不低于这个极限频率才能使金属产生光电效应。注2 金属越活跃,逸出功越小,越容易发生光电效应
13、。注3 光电子的初动能介于0Ekm之间。 这个方程还表明,光电子的最大初动能Ek与入射光的频率v有关,而与光的强弱无关。这就解释了截止电压和光强无关 电子一次性吸收光子的全部能量,不需要积累能量的时间,所以光电流几乎在瞬间产生。 对于频率相同的光,光较强时,包含的光子数较多,照射金属时产生的光电子较多,因而饱和光电流较大。注 光照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。4 决定关系:能否发生光电效应取决于入射光频率 Ek=hW0最大初动能由入射光频率决定(逸出功确定时) Ek=hW0截止电压/遏制电压由入射光频率(逸出功确定时) eUc= Ek=hW0截止频率由金属自身决定
14、: Ek=0时,0=hW0,截止=W0/h电流正向电压和光强饱和电流光强注1 光电子的本质是电子,而不是光子。5、四类图象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与入射光频率的关系图线Ek=hW0=hhc极限频率:图线与轴交点的横坐标c逸出功:图线与Ek轴交点的纵坐标的值W0|E|E普朗克常量:图线的斜率kh颜色相同、强度不同的光,光电流与电压的关系遏止电压Uc:图线与横轴的交点饱和光电流Im:电流的最大值最大初动能:EkmeUc频率相同的入射光,遏止电压相同;饱和光电流与光照强度成正比。颜色不同时,光电流与电压的关系遏止电压Uc1、Uc2饱和光电流最大初动能Ek1eUc1
15、,Ek2eUc2不同频率的入射光,遏止电压不同;入射光频率越大,遏止电压越大。遏止电压Uc与入射光频率的关系图线Uc=截止频率c:图线与横轴的交点遏止电压Uc:随入射光频率的增大而增大普朗克常量h:等于图线的斜率与电子电量的乘积,即hke.(注:此时两极之间接反向电压)纵轴截距的绝对值与电子电荷量的乘积等于逸出功。6 光的频率与光强的区别五、康普顿效应和光子的动量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 (1)康普顿效应:美国物理学家康普顿在研究射线通过金属、石墨等物质的散射时,发现在散射的射线中,除了有与入射波长相同的成分外,还有波长大于
16、的成分人们把这种波长变长的现象叫做康普顿效应 (2)经典电磁理论的困难:按照经典物理学的理论,入射的电磁波引起物质内部带电微粒的受迫振动,振动着的带电微粒进而再次产生电磁波,并向四周辐射,这就是散射波。散射的X射线频率应该等于带电粒子受迫振动的频率,也就是入射X射线的频率。相应地,X射线的波长也不会在散射中发生变化。因此,康普顿效应无法用经典物理学解释。 (3)爱因斯坦的光子说:光子不仅具有能量,而且光子具有动量(4)康普顿用光子说成功解释了康普顿效应:他认为散射后射线波长改变,是射线光子和物质中电子碰撞的结果当入射的光子与晶体中的电子碰撞时,要把一部分动量转移给电子,因而,光子动量可能会变小
17、(图4.2-6)。从(2)式看,动量p减小,意味着波长 变大,因此,这些光子散射后波长变大。 (5)康普顿效应进一步揭示了光的粒子性,也再次证明了爱因斯坦光子说的正确性六光的波粒二象性a.光的波粒二象性(1)光的干涉、衍射、偏振现象证明光具有波动性。(2)光电效应、康普顿效应说明光具有粒子性。(3)光既具有波动性,又具有粒子性,称为光的波粒二象性。能统一描述光的波动性和粒子性的理论量子电动力学。b物质波(1)概率波:光的干涉现象是大量光子的运动遵守波动规律的表现,亮条纹是光子到达概率大的地方,暗条纹是光子到达概率小的地方,因此光波又叫概率波。(2)物质波(德布罗意波):任何一个运动着的物体,小
18、到微观粒子,大到宏观物体,都有一种波与它对应,其波长,p为运动物体的动量,h为普朗克常量。从数量上看个别光子的作用效果往往表现为粒子性;大量光子的作用效果往往表现为波动性从频率上看频率越低波动性越显著,越容易看到光的干涉和衍射现象;频率越高粒子性越显著,越不容易看到光的干涉和衍射现象,贯穿本领越强从传播与作用上看光在传播过程中往往表现出波动性;在与物质发生作用时往往表现出粒子性波动性与粒子性的统一由光子的能量h、光子的动量表达式p也可以看出,光的波动性和粒子性并不矛盾,表示粒子性的能量和动量的计算式中都含有表示波的特征的物理量频率和波长光本性学说的发展简史学说名称微粒说波动说电磁说光子说波粒二
19、象性代表人物牛顿惠更斯麦克斯韦爱因斯坦公认实验依据光的直进光的反射光的干涉衍射能在真空中传播,是横波,光速等于电磁波速光电效应康普顿效应光既有波动现象,又有粒子特征内容要点光是一群弹性粒子光是一种机械波光是一种电磁波光是由一份一份光子组成的光是具有电磁本性的物质,既有波动性又有粒子性4.3原子的核式结构模型原子物理发展简史一、电子发现 1阴极射线1858年德国物理学家普里克发现了阴极射线 产生:在研究气体导电的玻璃管内有阴、阳两极当两极间加一定电压时,阴极便发出一种射线,这种射线为阴极射线阴极射线的特点:碰到荧光物质能使其发光2汤姆孙发现电子从1890年起英国物理学家汤姆孙开始了对阴极射线的一
20、系列实验研究a) 产生阴极射线的机理是:管中残存气体分子中的正负电荷在强电场的作用下被“拉开”(即气体分子被电离),正电荷(即正离子)在电场加速下撞击阴极,于是阴极释放更多粒子流,形成了阴极射线。b) 1897年,J. J.汤姆孙根据阴极射线在电场和磁场中的偏转情况断定,它的本质是带负电的粒子流,并求出了这种粒子的比荷(带电粒子的电荷量与其质量之比,即)。他进一步发现,用不同材料的阴极做实验,所得比荷的数值都是相同的。这说明不同物质都能发射这种带电粒子,它是构成各种物质的共有成分,被称为电子。c) 1897年汤姆孙发现了电子(阴极射线是高速电子流)电子的电量,电子的质量,电子的比荷 电子的质量
21、约为氢原子质量的3密立根实验美国物理学家密立根在1910年通过著名的“油滴实验”简练精确地测定了电子的电量 密立根实验更重要的发现是:电荷是量子化的,即任何电荷只能是元电荷的整数倍 5电子发现的意义以前人们认为物质由分子组成,分子由原子组成,原子是不可再分的最小微粒现在人们发现了各种物质里都有电子,而且电子的质量比最轻的氢原子质量小得多,这说明电子是原子的组成部分电子是带负电,而原子是电中性的,可见原子内还有带正电的物质,这些带正电的物质和带负电的电子如何构成原子呢?电子的发现大大激发了人们研究原子内部结构的热情,拉开了人们研究原子结构的序幕619世纪末物理学的三大发现对阴极射线的研究,引发了
22、19世纪末物理学的三大发现:(1)1895年伦琴发现了射线;(2)1896年贝克勒尔发现了天然放射性;(3)1897年汤姆孙发现了电子二、原子的核式结构模型 1汤姆孙的原子模型 “枣糕模型”“葡萄干布丁模型”“西瓜模型” 汤姆孙的原子模型是在发现电子的基础上建立起来的,汤姆孙认为,原子是一个球体,正电荷均匀分布在球内,电子像枣糕里的枣子一样,镶嵌在原子里面,所以汤姆孙的原子模型也叫枣糕式原子结构模型【注意】汤姆孙的原子结构模型虽然能解释一些实验事实,但这一模型很快就被新的实验事实仅粒子散射实验所否定2. 这个模型能够解释一些实验现象。但德国物理学家勒纳德1903 年做了一个实验,使电子束射到金
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