1、選修3-5原子物理基礎概念第一章光的波粒二象性一、光電效應1 .概念：光電效應：當波長較短的可見光或紫外光照射到某些金屬表面上時，金屬中的電子就會從光中吸取能量而從金屬表 面逸出的現象.逸出的電子叫光電子實驗規律：存在飽和電流、遏止電壓和截止頻率、光電效應具有瞬時性.愛因斯坦光電效應方程：氣=2mv2 = hv -W0愛因斯坦對光電效應的解釋：光強大，光子數多，釋放的光電子也多，所以光電流也大.（2）電子只要吸收一個光子就可以從金屬表面逸出，所以無須時間的累積（3）從方程可以看出光電子初動能和照射光的頻率成線性關系.4.密立根驗證愛因斯坦光電效應方程的正確性。二、光的波粒二象性1 .概念：光的

2、波粒二象性：光既具有波動性，又具有粒子性，即光具有波粒二象性光的干涉、衍射和偏振現象確認了光的波動性。光電效應和康普頓效應揭示了光的粒子性，光電效應表明光子具有能量= hv ；康普頓效應表明光子具有動量 p=h。人光的波動性和粒子性的比較：光的粒子性（1）與物質發生作用時，表現出粒子的性質（2）少量或個別光子容易顯示出粒子性（3）頻率較大時，易顯 示出粒子性光的波動性（1）傳播時，表現出波動的性質（2）大量光子容易顯示出波動性（3）頻率較小時，易顯示出波動性（4）光的波動性是光子本身的一種屬性，不是光子之間相互作用產生的。德布羅意波（物質波）：與實物粒子相聯系的波.戴維孫和湯姆孫利用晶體做了電

3、子的束衍射的實驗，證實了電子的波動性。光波、德布羅意波是一種概率波。（海森伯）不確定性關系：不可能同時準確地知道粒子的位置和動量，不可能用“軌跡”來描述粒子的運動。三、黑體輻射1 .黑體：能全部吸收各種波長的輻射而不發生反射，折射和透射的物體稱為絕對黑體，簡稱黑體特征：黑體輻射電磁波的強度按波長的分布只與黑體的溫度有關，與材料的種類及表面狀況無關。黑體輻射的實驗規律：隨著溫度的增高，一方面各種波長的輻射強度都有增加，另一方面輻射強度的極大值向 波長較短的方向移動。補充知識：在速度一定（如電磁波的波速等于光速是不變）的情況下，波長和頻率成反比。速度=波長x頻率V = X f頻率常用的有兩個符號E

4、k = 2 mv 2 =何-%希臘字母表示頻率v=Xf英語字母表示頻率第二章原子結鉤、盧瑟福a粒子散射實驗 實驗結果：絕大多數：沿原方向前進；少數：發生大角度偏轉，甚至偏角超過900。盧瑟福由此分析：占原子質量絕大部分的帶正電的那部分物質集中在很小的空間范圍，這樣才會使a粒子在經過時受到很強的斥力，才可能使a粒子發生大角度的偏轉。實驗意義：否認了湯姆孫的原子結構模型(棗糕模型)，提出了原子核式結構模型，明確了原子核的大小數量級，使人類對原子結構的認識發生了質的飛躍。、氫原子光譜光譜是指光的頻率成分和強度分布的關系，它是研究原子結構的一個重要途徑.按照普朗克的量子理論，光的頻率與光子的能量成正比

5、，即= hu氫原子是最簡單的原子，其光譜規律也是最簡單、最能反映出原子內部能級結構的基本規律.每種原子都有其特定的原子光譜，也叫“明線光譜”不同的原子，其原子光譜均不相同，我們可以通過光譜分析鑒別不同的原子，確定物體的化學成分并發現新元素。太陽的光譜是吸收光譜。(陽光透過太陽的高層大氣射向地球時，太陽高層大氣含有的元素會吸收它自己特征譜線的光三、原子的能級結構玻爾的原子模型玻爾假說的內容：能量狀態量子化：原子只能處于與軌道量子化對應的不連續的能量狀態中，在這些狀態中，原子是穩定的，不輻射能量；躍遷假說：原子從一種定態向另一種定態躍遷時，吸收(或輻射)一定頻率的光子。光子能量由這兩個定態的能量差

6、決定：8= hv = E2 E.軌道量子化：原子的不同能量狀態跟電子在不同的圓周軌道繞核運動相對應。原子的定態是不連續的，因而原子核外電子的可能軌道也是不連續的，是某些分立的數值。(2)氫原子能級氫原子在各個能量狀態下的能量值，叫做它的能級.最低的能級狀態，即電子在離原子核最近的軌道上運動的狀態叫做基態，處于基態的原子最穩定，其他能級叫激發態.氫原子各定態的能量值，為電子繞核運動的動能Ek和電勢能Ep的代數和.E = -L E(n = 1,2,3)其中氣為基態能量氣=13.6eV重點理解對于原子躍遷條件要正確理解氫原子從低能級向高能級躍遷：吸收一定頻率的光子，當光子的能量滿逐=hV=烏-E1時

7、，才能被某一個原子吸收，否則不吸收。氫原子從高能級向低能級躍遷：以光子的形式向外輻射能量，所輻射的光子能量恰等于發生躍遷時兩能級間的能量差。電離：當光子能量大于或等于原子所處在的能級時，也可以被氫原子吸收，使氫原子電離，多余的能量作為n(n 1)電子的初動能。光譜線條數：一群氫原子處于量子數為n的激發態時，可能輻射出的光譜線條數為N =躍遷時能量的變化：當軌道半徑減小時，庫侖引力做正功，原子電勢能減小，電子動能增大，原子總能量減小。當軌道半徑增大時，庫侖引力做負功，原子電勢能增大，電子動能減小，原子總能量增大。?？紨祿WE/V能級躍遷能量差若是輻射光子，則可以向外輻射的光譜條數w - - O;

8、痢3-1.512113.6-3.4=10.213113.6-1.51=12.093? - 3 4 口4113.6-0.85=12.7565113.6-0.54=13.06101 13&波爾理論的局限性：波爾原子理論的成功之處就是引入了量子化的概念，失敗之處是保留了過多的經典物理理論。無法解釋復雜的原子的光譜現象。原子光譜及應用原子光譜：元素在稀薄氣體狀態下的光譜是分立的線狀譜，由一些特定頻率的光組成。原子光譜的應用：每種元素的原子光譜都有自己的一組特定譜線，應用光譜分析可以確定物質的化學成分.第三章原子核一、放射性的發現與原子核的組成1896年法國物理學家貝克勒爾發現，鈾核含鈾的礦物能發出看不

9、見的射線。物體發射出射線的性質叫放射性.具有放射性的元素叫放射性元素.放射性的發現揭示了原子核內部有復雜的結構.1919年英國物理學家盧瑟福用a粒子轟擊氮核時發現了一新粒子，命名為質子，并斷定質子是原子核的組成部分.1932年盧瑟福的學生查德威克在研究用冬粒子轟擊鈹核的實驗中，產生一種能量較高、貫穿能力很強的中性粒 子，證實了中子的存在.原子核的組成：質子和中子組成了原子核.質子和中子統稱為核子.原子核的質量數等于其核子數，原子核的 電荷數等于其質子數.原子核的中子數N等于其質量數A與電荷數Z之差，即N=A Z二、原子核的衰變、半衰期衰變(1)原子核自發地放出某種粒子而轉變為新核的變化叫做原子

10、核的衰變.放射性元素衰變時放出的射線共有三種：a射線、B射線和Y射線，其射線的本質和性質如下表:種類本質電離本領穿透本領a射線4 He 氦核2最強最弱(空氣中幾厘米或一張薄紙)B射線0 e電子-1較弱很強(幾毫米的鋁板)Y射線光子最弱最強(幾厘米的鋁板)(2)按照衰變時放出粒子的不同又分為a衰變和B衰變，其核反應方程a 衰變238U 234 Th + 4He92902B衰變234Th - 234Pa + 0eB衰變的實質在于核內的中子轉化成了一個質子和一個電子9091-1(3) Y射線是伴隨著a衰變和B衰變同時發出的，它不改變原子核的電荷數和質量數，其實質是放射性原子核在發 生a衰變或B衰變過

11、程中，產生的新核，由于具有過多的能量而輻射出光子。半衰期半衰期是放射性元素的原子核有半數發生衰變需要的時間，它表示放射性元素衰變的快慢.半衰期是由核本身的性質決定的，與它所處的物理狀態或化學狀態無關.不同的放射性元素半衰期不同.元素的半衰期是一種統計規律，只有對大量的原子核才是適用的.若對某個原子核，它的衰變時間完全由偶然因素支配，無任何規律可言.三、同位素及放射性同位素的應用具有相同的質子數而中子數不同的原子，在元素周期表中處于同一位置，因而互稱同位素，它們具有相同的化學性質具有放射性的同位素，叫放射性同位素.工業上常用Y射線的強穿透性，來檢查金屬內部的傷痕；農業上用Y射線防治害蟲、培育良種

12、生物；醫學上用Y射線消毒滅菌等.利用a、B射線排泄織物和纖維上聚集的有害靜電.四、核力、核反應方程類型可 控 性核反應方程典例一、d * 汪意衰a衰變自發238U T 234 Th + 4He 92902Y射線是伴隨著a衰變B衰變自發234Th T 234Pa + 0e9091-1變和8衰變同時發出 的14 N + 4HeTi7 O + 1H7281盧瑟福發現質子人工人工9 Be + 4HeT12C + m4260查德威克發現中子(1)核反 應方程一轉變控 制27 Al + 4HeT 30p + 1n132150居里夫婦發現放射性 同位素，同時發現正 電子。般不可逆。(2)核反30 P t 3

13、0 Pa+0e15141應的生成物以實驗比 較 容 易235U + H144Ba + 89Kr9205636+31 n0由于中子的增值使裂 變反應能持續地進行 的過程稱為鏈式反為基礎，不 可憑空想 象。(3)核反重核裂變進 行 人 工 控 制235U + 1nT136Xe+ 90Sr + 101n92054380應。發生鏈式反應的 條件是：裂變物質的 體積臨界體積。應用：原子彈、原子 反應堆。應遵循質 量數守恒(不是質 量守恒)和 核電荷數 守恒除輕核聚變氫 彈 外 無 法 控2 H+3H t He+n發生聚變反應的條件 是：超高溫(幾百力度 以上)-熱核反應。應用：氫彈、可控熱 核反應。制核

14、反應及核反應方程元素的原子核變化的過程即為核反應，核反應有天然衰變、人工轉變、重核裂變和輕核聚變四種類型，其中重核裂 變和輕核聚變是人們獲得核能的兩個重要途徑.原子彈和氫彈就是分別利用重核裂變和輕核聚變原理制成的高能量殺傷性武器，目前的核電站都是利用重核裂變釋 放的核能來發電的.核力和核能核力：核子間作用力.其特點為短程強引力：作用范圍為2.0 x10-i5m，只在相鄰的核子間發生作用。核能：核子結合為原子核時釋放的能量或原子核分解為核子時吸收的能量，叫做原子核的結合能，亦稱核能. 組成原子核的核子越多，它的結合能越高。結合能與核子數之比，稱為比結合能。也叫平均結合能。比結合能越大，原子核中核

15、子結合得越牢固，原子核越穩定。質能方程、質量虧損愛因斯坦質能方程召E=mc2說明物體的質量和能量之間存在著一定的關系，一個量的變化必然伴隨著另一個量的 變化.核子在結合成原子核時放出核能，因此，原子核的質量必然比組成它的核子的質量和要小晶，這就是 質量虧損.由質量虧損可求出釋放的核能 E=AmC2。反之亦可E=mC2是計算核能的常用方法.在具體應用中要注意單位制的統一及不同單位的換算.若質量單位取原子質量單位u，則：lu=1.66 x 10-27kg相當于931.5MeV此結論亦可在計算中直接應用.注意對于質量虧損，切忌不能認為這部分質量轉化成了能量，質能方程的本質是：第一，質量或能量是物質的

16、屬 性之一，決不能把物質和它們的某一屬性（質量和能量）等同起來.第二，質能方程揭示了質量和能量的不可分 割性，方程建立了這兩個屬性在數值上的關系，這兩個量分別遵守質量守恒和能量守恒，質量和能量在量值上 的聯系決不等于這兩個量可以相互轉化.第三，質量虧損不是否定了質量守恒定律，生成的Y射線雖靜質量為 零，但動質量不為零.核電站核燃料-反應堆使用濃縮鈾制成鈾棒，作為核燃料，釋放核能慢化劑-石墨、重水、輕水。作用：快中子與慢化劑中的原子核碰撞后，中子能量減少，變成慢中子?？刂瓢?鎘棒作用：通過吸收中子，來調節中子數目以控制反應速度水或液態的金屬鈉等流體在反應堆內外循環流動，把反應堆內的熱量傳輸出去，用于發電，.摘楮對備-同時也使反應堆冷卻。1.歷史人物及相關成就JJ湯姆遜模型一一通過研究陰極射線在電磁場