1、十九、近代物理一、知識網絡 原子物理 原子結構 原子核的組成 電子的發現（1897） 粒子散射（1909） 核式結構與經典 湯姆生“蛋糕式” 盧瑟福核式結構 電磁理論的矛盾 核反應 原子結構模型 模型（1911） 波爾原子理論 氫原子能級公式 天然衰變 人工轉變 重核裂變 輕核聚變 衰變 質子、中子 核反應堆 熱核反應 衰變 的發現 半衰期 核能 表示放射性元素 E=mc 衰變的快慢二、畫龍點睛概念一、原子結構：1、電子的發現和湯姆生的原子模型：（1）電子的發現：1897年英國物理學家湯姆生，對陰極射線進行了一系列的研究，從而發現了電子。電子的發現表明：原子存在精細結構，從而打破了原子不可再分

2、的觀念。（2）湯姆生的原子模型：1903年湯姆生設想原子是一個帶電小球，它的正電荷均勻分布在整個球體內，而帶負電的電子鑲嵌在正電荷中。2、粒子散射實驗和原子核結構模型（1）粒子散射實驗：1909年，盧瑟福及助手蓋革手嗎斯頓完成 裝置： 現象： a. 絕大多數粒子穿過金箔后，仍沿原來方向運動，不發生偏轉。b. 有少數粒子發生較大角度的偏轉 c. 有極少數粒子的偏轉角超過了90度，有的幾乎達到180度，即被反向彈回。（2）原子的核式結構模型： 由于粒子的質量是電子質量的七千多倍，所以電子不會使粒子運動方向發生明顯的改變，只有原子中的正電荷才有可能對粒子的運動產生明顯的影響。如果正電荷在原子中的分布

3、，像湯姆生模型那模均勻分布，穿過金箔的粒了所受正電荷的作用力在各方向平衡，粒了運動將不發生明顯改變。散射實驗現象證明，原子中正電荷不是均勻分布在原子中的。1911年，盧瑟福通過對粒子散射實驗的分析計算提出原子核式結構模型：在原子中心存在一個很小的核，稱為原子核，原子核集中了原子所有正電荷和幾乎全部的質量，帶負電荷的電子在核外空間繞核旋轉。原子核半徑小于10-14m，原子軌道半徑約10-10m。3、玻爾的原子模型（1）原子核式結構模型與經典電磁理論的矛盾（兩方面）a.電子繞核作圓周運動是加速運動，按照經典理論，加速運動的電荷，要不斷地向周圍發射電磁波，電子的能量就要不斷減少，最后電子要落到原子核

4、上，這與原子通常是穩定的事實相矛盾。b.電子繞核旋轉時輻射電磁波的頻率應等于電子繞核旋轉的頻率，隨著旋轉軌道的連續變小，電子輻射的電磁波的頻率也應是連續變化，因此按照這種推理原子光譜應是連續光譜，這種原子光譜是線狀光譜事實相矛盾。（2）玻爾理論上述兩個矛盾說明，經典電磁理論已不適用原子系統，玻爾從光譜學成就得到啟發，利用普朗克的能量量了化的概念，提了三個假設：定態假設：原子只能處于一系列不連續的能量狀態中，在這些狀態中原子是穩定的，電子雖然做加速運動，但并不向外在輻射能量，這些狀態叫定態。躍遷假設：原子從一個定態（設能量為E2）躍遷到另一定態（設能量為E1）時，它輻射成吸收一定頻率的光子，光子

5、的能量由這兩個定態的能量差決定，即 hv=E2-E1軌道量子化假設，原子的不同能量狀態，跟電子不同的運行軌道相對應。原子的能量不連續因而電子可能軌道的分布也是不連續的。即軌道半徑跟電子動量mv的乘積等于h/2的整數倍，即：軌道半徑跟電了動量mv的乘積等于h/的整數倍，即n為正整數，稱量數數（3）玻爾的氫子模型：氫原子的能級公式和軌道半徑公式：玻爾在三條假設基礎上，利用經典電磁理論和牛頓力學，計算出氫原子核外電子的各條可能軌道的半徑，以及電子在各條軌道上運行時原子的能量，（包括電子的動能和原子的熱能。）氫原子中電子在第幾條可能軌道上運動時，氫原子的能量En，和電子軌道半徑rn分別為：其中E1、r

6、1為離核最近的第一條軌道（即n=1）的氫原子能量和軌道半徑。即：E1=13.6ev, r1=0.5310-10m(以電子距原子核無窮遠時電勢能為零計算)氫原子的能級圖：氫原子的各個定態的能量值，叫氫原子的能級。按能量的大小用圖開像的表示出來即能級圖。其中n=1的定態稱為基態。n=2以上的定態，稱為激發態。玻爾理論的局限性。由于引進了量子理論（軌道量子化和能量量子化），玻爾理論成功地解釋了氫光譜的規律。但由于它保留了過多的經典物理理論（牛頓第二定律、向心力、庫侖力等），所以在解釋其他原子的光譜上都遇到很大的困難。例題： 用光子能量為E的單色光照射容器中處于基態的氫原子。停止照射后，發現該容器內的

7、氫能夠釋放出三種不同頻率的光子，它們的頻率由低到高依次為1、2、3，由此可知，開始用來照射容器的單色光的光子能量可以表示為：h1；h3；h(1+2)；h(1+2+3) 以上表示式中 A.只有正確 B.只有正確 C.只有正確 D.只有正確 321321解析：該容器內的氫能夠釋放出三種不同頻率的光子，說明這時氫原子處于第三能級。根據玻爾理論應該有h3=E3- E1，h1=E3- E2，h2=E2- E1，可見h3= h1+ h2= h(1+2)，所以照射光子能量可以表示為或，答案選C。例題：氫原子處于基態時能量為，電子的質量為m，電量為，試回答下列問題：（1）用氫原子從的能量狀態躍遷到的能量狀態時

8、所輻射的光去照射逸出功是的Cs金屬，能否發生光電效應？（2）氫原子處于時，核外電子速度多大？（3）氫原子吸收波長為的紫外線而電離，使電子從基態飛到離核無限遠處，設原子核靜止，則電子飛到離核無限遠處后，還具有多大的動能？解析：（1）氫原子從躍遷到能量狀態放出能量能發生光電效應（2）而庫侖力為向心力，即（3）根據能量守恒，光子的能量一部分用于使氫原子電離，余下的為飛出后電子的動能，即：4、光譜和光譜分析熾熱的固體、液體和高壓氣體發出的光形成連續光譜。稀薄氣體發光形成線狀譜（又叫明線光譜、原子光譜）。根據玻爾理論，不同原子的結構不同，能級不同，可能輻射的光子就有不同的波長。所以每種原子都有自己特定的

9、線狀譜，因此這些譜線也叫元素的特征譜線。根據光譜鑒別物質和確定它的化學組成，這種方法叫做光譜分析。這種方法的優點是非常靈敏而且迅速。只要某種元素在物質中的含量達到10-10g，就可以從光譜中發現它的特征譜線。5、氫原子中的電子云對于宏觀質點，只要知道它在某一時刻的位置和速度以及受力情況，就可以應用牛頓定律確定該質點運動的軌道，算出它在以后任意時刻的位置和速度。對電子等微觀粒子，牛頓定律已不再適用，因此不能用確定的坐標描述它們在原子中的位置。玻爾理論中說的“電子軌道”實際上也是沒有意義的。更加徹底的量子理論認為，我們只能知道電子在原子核附近各點出現的概率的大小。在不同的能量狀態下，電子在各個位置

10、出現的概率是不同的。如果用疏密不同的點子表示電子在各個位置出現的概率，畫出圖來，就像一片云霧一樣，可以形象地稱之為電子云。6、激光的特性及其應用普通光源（如白熾燈）發光時，燈絲中的每個原子在什么時候發光，原子在哪兩個能級間躍遷，發出的光向哪個方向傳播，都是不確定的。激光是同種原子在同樣的兩個能級間發生躍遷生成的，其特性是：是相干光。（由于是相干光，所以和無線電波一樣可以調制，因此可以用來傳遞信息。光纖通信就是激光和光導纖維結合的產物。）平行度好。（傳播很遠距離之后仍能保持一定強度，因此可以用來精確測距。激光雷達不僅能測距，還能根據多普勒效應測出目標的速度，對目標進行跟蹤。還能用于在VCD或計算

11、機光盤上讀寫數據。）亮度高。能在極小的空間和極短的時間內集中很大的能量。（可以用來切割各種物質，焊接金屬，在硬材料上打孔，利用激光作為手術刀切開皮膚做手術，焊接視網膜。利用激光產生的高溫高壓引起核聚變。）7、粒子物理學到19世紀末，人們認識到物質由分子組成，分子由原子組成，原子由原子核和電子組成，原子核由質子和中子組成。20世紀30年代以來，人們認識了正電子、子、K介子、介子等粒子。后來又發現了各種粒子的反粒子（質量相同而電荷及其它一些物理量相反）。現在已經發現的粒子達400多種，形成了粒子物理學。按照粒子物理理論，可以將粒子分成三大類：媒介子、輕子和強子，其中強子是由更基本的粒子夸克組成。從

12、目前的觀點看，媒介子、輕子和夸克是沒有內部結構的“點狀”粒子。用粒子物理學可以較好地解釋宇宙的演化。二、原子核1、天然放射現象（1）天然放射現象的發現：1896年法國物理學，貝克勒耳發現鈾或鈾礦石能放射出某種人眼看不見的射線。這種射線可穿透黑紙而使照相底片感光。放射性：物質能發射出上述射線的性質稱放射性放射性元素：具有放射性的元素稱放射性元素天然放射現象：某種元素白發地放射射線的現象，叫天然放射現象天然放射現象：表明原子核存在精細結構，是可以再分的（2）放射線的成份和性質：用電場和磁場來研究放射性元素射出的射線，在電場中軌跡，如圖(1) 各種放射線的性質比較種 類本 質質量（u）電荷（e）速度

13、（c）電離性貫穿性射線氦核4+20.1最強最弱，紙能擋住射線電子1/1840-10.99較強較強，穿幾mm鋁板射線光子001最弱最強，穿幾cm鉛版 O三種射線在勻強磁場、勻強電場、正交電場和磁場中的偏轉情況比較： 如、圖所示，在勻強磁場和勻強電場中都是比的偏轉大，不偏轉；區別是：在磁場中偏轉軌跡是圓弧，在電場中偏轉軌跡是拋物線。圖中肯定打在O點；如果也打在O點，則必打在O點下方；如果也打在O點，則必打在O點下方。Aabc例題：如圖所示，鉛盒A中裝有天然放射性物質，放射線從其右端小孔中水平向右射出，在小孔和熒光屏之間有垂直于紙面向里的勻強磁場，則下列說法中正確的有 A.打在圖中a、b、c三點的依

14、次是射線、射線和射線B.射線和射線的軌跡是拋物線C.射線和射線的軌跡是圓弧 D.如果在鉛盒和熒光屏間再加一豎直向下的勻強電場，則屏上的亮斑可能只剩下b解析：由左手定則可知粒子向右射出后，在勻強磁場中粒子受的洛倫茲力向上，粒子受的洛倫茲力向下，軌跡都是圓弧。由于粒子速度約是光速的1/10，而粒子速度接近光速，所以在同樣的混合場中不可能都做直線運動（如果一個打在b，則另一個必然打在b點下方。）本題選AC。放射源探測接收器MN例題： 如圖所示，是利用放射線自動控制鋁板厚度的裝置。假如放射源能放射出、三種射線，而根據設計，該生產線壓制的是3mm厚的鋁板，那么是三種射線中的_射線對控制厚度起主要作用。當

15、探測接收器單位時間內接收到的放射性粒子的個數超過標準值時，將會通過自動裝置將M、N兩個軋輥間的距離調_一些。解析：射線不能穿過3mm厚的鋁板，射線又很容易穿過3mm厚的鋁板，基本不受鋁板厚度的影響。而射線剛好能穿透幾毫米厚的鋁板，因此厚度的微小變化會使穿過鋁板的射線的強度發生較明顯變化。即是射線對控制厚度起主要作用。若超過標準值，說明鋁板太薄了，應該將兩個軋輥間的距離調節得大些。 2、原子核的衰變：（1）衰變：原子核由于放出某種粒子而轉變成新核的變化稱為衰變在原子核的衰變過程中，電荷數和質量數守恒類 型衰變方程規 律 衰 變 新核 衰 變 新核射線是伴隨衰變放射出來的高頻光子流在衰變中新核質子

16、數多一個，而質量數不變是由于反映中有一個中子變為一個質子和一個電子，即：（2）半衰期：放射性元素的原子核有半數發生衰變所需的時間叫半衰期。（對大量原子核的統計規律）計算式為：N表示核的個數 ，此式也可以演變成 或，式中m表示放射性物質的質量，n 表示單位時間內放出的射線粒子數。以上各式左邊的量都表示時間t后的剩余量。半衰期由核內部本身的因素決定，跟原子所處的物理、化學狀態無關。例題：衰變為要分別經過多少次衰變和衰變？解析：原子核發生一次衰變時質量數減少4，電荷數減少2，發生一次衰變時質量數不變，電荷數增加1，因此，根據質量數由232減少到208知發生衰變次數為6次。原子核發生6次衰變電荷數要減

17、少12，核電荷數將由90減少到78，現在實際電荷數為82，為了使電荷數從 78增加到82，故要發生8278=4次衰變。例題：兩個放射性元素樣品A、B，當A有的原子核發生衰變時，B恰好有的原子核發生了衰變，可知A和B的半衰期之比為多少？解析：由題知這段時間內A有1/16未衰變的，亦即1/24未衰變，經歷時間；B有1/64未衰變，即1/26未衰變，則，得=323、原子核的人工轉變：原子核的人工轉變是指用人工的方法（例如用高速粒子轟擊原子核）使原子核發生轉變。（1）質子的發現：1919年，盧瑟福用粒子轟擊氦原子核發現了質子。（2）中子的發現：1932年，查德威克用粒子轟擊鈹核，發現中子。4、原子核的

18、組成和放射性同位素（1）原子核的組成：原子核是由質子和中子組成，質子和中子統稱為核子在原子核中：質子數等于電荷數核子數等于質量數中子數等于質量數減電荷數（2）放射性同位素：具有相同的質子和不同中子數的原子互稱同位素，放射性同位素：具有放射性的同位素叫放射性同位素。正電子的發現：用粒子轟擊鋁時，發生核反應。發生+衰變，放出正電子.放射性同位素的應用利用其射線：射線電離性強，用于使空氣電離，將靜電泄出，從而消除有害靜電。射線貫穿性強，可用于金屬探傷，也可用于治療惡性腫瘤。各種射線均可使DNA發生突變，可用于生物工程，基因工程。作為示蹤原子。用于研究農作物化肥需求情況，診斷甲狀腺疾病的類型，研究生物

19、大分子結構及其功能。進行考古研究。利用放射性同位素碳14，判定出土木質文物的產生年代。一般都使用人工制造的放射性同位素（種類齊全，各種元素都有人工制造的放射性同位。半衰期短，廢料容易處理。可制成各種形狀，強度容易控制）。例題：近年來科學家在超重元素的探測方面取得了重大進展。科學家們在觀察某兩個重離子結合成超重元素的反應時，發現所生成的超重元素的核X經過6次衰變后成為Fm，由此可以判定該超重元素的原子序數和質量數依次是 A.124，259 B.124，265 C.112，265 D.112，277解析：每次衰變質量數減少4，電荷數減少2，因此該超重元素的質量數應是277，電荷數應是112，選D。

20、例題：完成下列核反應方程，并指出其中哪個是發現質子的核反應方程，哪個是發現中子的核反應方程。N+n C+_ N+He O+_ B+n _+He Be+He _+nFe+H Co+_解析：根據質量數守恒和電荷數守恒，可以判定：H，H，發現質子的核反應方程 Li，C，發現中子的核反應方程 n例題：一塊含鈾的礦石質量為M，其中鈾元素的質量為m。鈾發生一系列衰變，最終生成物為鉛。已知鈾的半衰期為T，那么下列說法中正確的有 A.經過兩個半衰期后這塊礦石中基本不再含有鈾了 B.經過兩個半衰期后原來所含的鈾元素的原子核有m/4發生了衰變 C.經過三個半衰期后，其中鈾元素的質量還剩m/8 D.經過一個半衰期后

21、該礦石的質量剩下M/2解析：經過兩個半衰期后礦石中剩余的鈾應該還有m/4，經過三個半衰期后還剩m/8。因為衰變產物大部分仍然留在該礦石中，所以礦石質量沒有太大的改變。本題選C。例題：關于放射性同位素應用的下列說法中正確的有 A.放射線改變了布料的性質使其不再因摩擦而生電，因此達到消除有害靜電的目的B.利用射線的貫穿性可以為金屬探傷，也能進行人體的透視C.用放射線照射作物種子能使其DNA發生變異，其結果一定是成為更優秀的品種D.用射線治療腫瘤時一定要嚴格控制劑量，以免對人體正常組織造成太大的危害解析：利用放射線消除有害靜電是利用放射線的電離性，使空氣分子電離成為導體，將靜電泄出。射線對人體細胞傷

22、害太大，不能用來進行人體透視。作物種子發生的DNA突變不一定都是有益的，還要經過篩選才能培育出優秀品種。用射線治療腫瘤對人體肯定有副作用，因此要科學地嚴格控制劑量。本題選D。K-ABP例題： K-介子衰變的方程為，其中K-介子和-介子帶負的基元電荷，0介子不帶電。一個K-介子沿垂直于磁場的方向射入勻強磁場中，其軌跡為圓弧AP，衰變后產生的-介子的軌跡為圓弧PB，兩軌跡在P點相切，它們的半徑RK-與R-之比為21。0介子的軌跡未畫出。由此可知-介子的動量大小與0介子的動量大小之比為 A.11 B.12 C.13 D.16解析：帶電粒子在勻強磁場中做勻速圓周運動的半徑公式r=mv/qB，K-介子和

23、-介子電荷量又相同，說明它們的動量大小之比是21，方向相反。由動量守恒得0介子的動量大小是-介子的三倍，方向與-介子的速度方向相反。選C。三、核能：1、核能：核子結合成的子核或將原子核分解為核子時，都要放出或吸收能量，稱為核能。例如： 2、質能方程：愛因斯坦提出物體的質量和能量的關系：質能方程3、核能的計算：在核反應中，及應后的總質量，少于反應前的總質量即出現質量虧損，這樣的反就是放能反應，若反應后的總質量大于反應前的總質量，這樣的反應是吸能反應。吸收或放出的能量，與質量變化的關系為：例題：計算為了計算方便以后在計算核能時我們用以下兩種方法方法一：若已知條件中以千克作單位給出，用以下公式計算公

24、式中單位：方法二：若已知條件中以作單位給出，用以下公式計算公式中單位：； 4、釋放核能的途徑裂變和聚變（1）裂變反應：裂變：重核在一定條件下轉變成兩個中等質量的核的反應，叫做原子核的裂變反應。例如：鏈式反應：在裂變反應用產生的中子，再被其他鈾核浮獲使反應繼續下去。鏈式反應的條件：裂變時平均每個核子放能約1Mev能量1kg全部裂變放出的能量相當于2500噸優質煤完全燃燒放出能量（2）聚變反應：聚變反應：輕的原子核聚合成較重的原子核的反應，稱為聚變反應。例如：平均每個核子放出3Mev的能量聚變反應的條件；幾百萬攝氏度的高溫例題：一個氫原子的質量為1.673610-27kg，一個鋰原子的質量為11.

25、650510-27kg，一個氦原子的質量為6.646710-27kg。一個鋰核受到一個質子轟擊變為2個粒子，寫出核反應方程，并計算該反應釋放的核能是多少？1mg鋰原子發生這樣的反應共釋放多少核能？解析：H+Li 2He 反應前一個氫原子和一個鋰原子共有8個核外電子，反應后兩個氦原子也是共有8個核外電子，因此只要將一個氫原子和一個鋰原子的總質量減去兩個氦原子的質量，得到的恰好是反應前后核的質量虧損，電子質量自然消掉。由質能方程E=mc2得釋放核能E=2.7610-12J1mg鋰原子含鋰原子個數為10-611.650510-27，每個鋰原子對應的釋放能量是2.7610-12J，所以共釋放2.37108J核能。例題：靜止的氡核Rn放出粒子后變成釙核Po，粒子動能為E。若衰變放出的能量全部