光电效应、量子理论、原子及原子核物理

1、光电效应、量子理论、原子及原子核物理（专题复习）一、光的波动性（略）、光的粒子性1、光电效应（1）光电效应在光（包括不可见光）的照射下，从物体发射出电子的现象称为光电效应。光电管光电管2）光电效应的实验规律装置：任何一种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发生光电效应，低于极限频率的光不能发生光电效应。光电子的最大初动能与入射光的强度无关，光随入射光频率的增大而增大。大于极限频率的光照射金属时，光电流强度（反映单位时间发射出的光电子数 的多少），与入射光强度成正比。金属受到光照，光电子的发射一般不超过 109秒。2、波动说在光电效应上遇到的困难 波动说认为：光的能量即光的

2、强度是由光波的振幅决定的与光的频率无关。所以 波动说对解释上述实验规律中的条都遇到困难3、光子说（1）量子论：1900 年德国物理学家普郎克提出：电磁波的发射和吸收是不连续的，而是一份一份的，每一份 电磁波的能量 E=hv（2）光子论：1905 年受因斯坦提出：空间传播的光也是不连续的，而是一份一份的，每一份称为一个光子， 光子具有的能量与光的频率成正比。即：E=hv,其中h为普郎克恒量h=6.63X 10-34j.s4、光子论对光电效应的解释 金属中的自由电子，获得光子后其动能增大，当功能大于脱出功时，电子即可脱离金属表面，入射光的 频率越大，光子能量越大，电子获得的能量才能越大，飞出时最大

3、初功能也越大。三、波粒二象性1、光的干涉和衍射现象，说明光具有波动性，光电效应，说明光具有粒子性，所以光具有波粒二象性。2、个别粒子显示出粒子性，大量光子显示出波动性，频率越低波动性越显著，频率越高粒子性越显著3、光的波动性和粒子性与经典波和经典粒子的概念不同（1）光波是几率波，明条纹是光子到达几率较大，暗条纹是光子达几率较小这与经典波的振动叠加原理有所不同（2）光的粒了性是指光的能量不连续性，能量是一份一份的光子，没有一定的形状，也不占有一定空间，这 与经典粒子概念有所不同原子和原子核原子和原子核一、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

4、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啟射源 金箔中。啟射源 金箔2、Q粒子散射实验和原子核结构模型（1）Q粒子散射实验：1909年，卢瑟福及助手盖革手吗斯顿完成.装置：现象:绝大多数a粒子穿过金箔后，仍沿原来方向运动，不发生偏转。有少数a粒子发生较大角度的偏转有极少数以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a粒子的质量是电子质量的七千多倍，所以电子不

5、会使a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a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a粒了所受正电荷的作用力在各方向平衡，a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a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1O-1om。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）电子绕核

6、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。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：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

7、能量，这些状态叫定态。跃迁假设：原子从一个定态（设能量为E ）跃迁到另一定态（设能量为E ）时，它辐射成吸收一定频率的光子,21光子的能量由这两个定态的能量差决定，即 hv=E2-E1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兀的整数倍，即：轨道半径跟电了动量mv的乘积等h于h/ 2兀的整数倍，即mvr二nn二1、2、3n为正整数，称量数数（3）玻尔的氢子模型：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，计算出氢原和电子轨道半径r和电子轨道半

8、径rn分别为：氢原 子中电子在第几条可能轨道上运动时， 氢原 子的 能量 E ， niin n = 1、2、r = n2rn1其中E、r为离核最近的第一条轨道（即n=l）的氢原子能量和轨道半径。即: E= 13.6ev, r =0.53X 10-im（以1 1 1 1 电子距原子核无穷远时电势能为零计算）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。M=ca0m=4 -0.85evh= 3 -1.51evm= 23.斗即n= 1 -13.6ev其中 n=1 的定态称为基态。 n=2 以上的定态，称为激发态。二、原子核1 、天然放射现象（ 1

9、）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）：成份组成性质电离作用贯穿能力a射线氦核组成的粒子流很强很弱0射线高速电子流较强较强丫射线咼频光子很弱很强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

10、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a 衰变mtn-4 I 4ttpzz-2v+2HeJ电荷数减少2 新核1质量数减少40衰变、J电荷数增加1 新核（质量数不变丫射线是伴随a、P衰变放射出来的高频光子流在卩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的半数发生衰变所需要的时间，称该元素的半衰期。一放射性元素，测得质量为m,半衰期为T，经时间t后，剩余未衰变的放射性元素的质量为mmm = o2t/T3、原子核的人工转变:原子核的人工转变是指用人工的方法(例如用高速粒子轰击原子核)使原子核发生转

11、 变。(1)质子的发现：1919年，卢瑟福用a粒子轰击氦原子核发现了质子。14 N+4HeT 170+ 1H7281(2)中子的发现：1932年，查德威克用a粒子轰击铍核，发现中子。汩亡+阳亡一罪+汕4、原子核的组成和放射性同位素原子核的组成：原子核是由质子和中子组成，质子和中子统称为核子在原子核中：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放射性同位素：具有相同的质子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。正电子的发现：用a粒子轰击铝时，发生核反应。Al + He一器 P + ；n誇P发生+卩衰变，放出正电子iP三、核能：1、核能：核子结

12、合成的子核或将原子核分解为核子时，都要放出或吸收能量，称为核能。例如：H+F痕+枷；H+Jn一jH+r2、质能方程：爱因斯坦提出物体的质量和能量的关系：E = mc 2质能方程3、核能的计算：在核反应中，及应后的总质量，少于反应前的总质量即出现质量亏损，这样的反就是放能反应，若反应后的总质量大于反应前的总质量，这样的反应是吸能反应。吸收或放出的能量，与质量变化的关系为：AE二Amc2例：计算Am = 1卩=1.6606 x 10切kg的质量相当的能量AE = ?AE = Am - c 2=16606 x 10-27 x(2.9979 x 108)=14924 x 10-10 J=0.9315

13、x 109 (ev)=9315(mev)为了计算方便以后在计算核能时我们用以下两种方法方法一：若已知条件中Am以千克作单位给出，用以下公式计算AE = Am - c 2公式中单位： Amkg; Cm / s; AE = J方法二：若已知条件中Am以卩作单位给出，用以下公式计算AE = Dm x 931.5(Mev / m)公式中单位： Dmkg ； AE = Mev4、释放核能的途径裂变和聚变(1)裂变反应：裂变：重核在一定条件下转变成两个中等质量的核的反应，叫做原子核的裂变反应。例如：衮U+止一觴Sf+攀扫链式反应：在裂变反应用产生的中子，再被其他铀核浮获使反应继续下去。Ja)裂变物质的体积，超过临界体积链式反应的条件：|b)有中子进入裂变物质益5 U裂变时平均每个核子放能约iMev能量lkg益5U全部裂变放出的能量相当于2500吨优质煤完全燃烧放出能量2)聚变反应：聚变反应