（高中物理）十九近代物理

1、十九、近代物理一、知識網(wǎng)絡(luò)原子物理 原子結(jié)構(gòu) 原子核的組成 電子的發(fā)現(xiàn)1897 粒子散射1909 核式結(jié)構(gòu)與經(jīng)典 湯姆生“蛋糕式 盧瑟福核式結(jié)構(gòu) 電磁理論的矛盾 核反響 原子結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)變 重核裂變 輕核聚變衰變 質(zhì)子、中子 核反響堆 熱核反響衰變 的發(fā)現(xiàn) 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(jié)構(gòu)：1、電子的發(fā)現(xiàn)和湯姆生的原子模型：1電子的發(fā)現(xiàn)：1897年英國物理學(xué)家湯姆生，對陰極射線進行了一系列的研究，從而發(fā)現(xiàn)了電子。電子的發(fā)現(xiàn)說明：原子存在精細(xì)結(jié)構(gòu)，從而打破了原子不可再分的觀念。2湯姆生的原子模

2、型：1903年湯姆生設(shè)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(nèi)，而帶負(fù)電的電子鑲嵌在正電荷中。2、粒子散射實驗和原子核結(jié)構(gòu)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(xiàn)象： a. 絕大多數(shù)粒子穿過金箔后，仍沿原來方向運動，不發(fā)生偏轉(zhuǎn)。b. 有少數(shù)粒子發(fā)生較大角度的偏轉(zhuǎn) c. 有極少數(shù)粒子的偏轉(zhuǎn)角超過了90度，有的幾乎到達(dá)180度，即被反向彈回。2原子的核式結(jié)構(gòu)模型：由于粒子的質(zhì)量是電子質(zhì)量的七千多倍，所以電子不會使粒子運動方向發(fā)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(chǎn)生明顯的影響。如果正電荷在原子中的分布，像湯姆生模型那模均勻分布，穿過金箔的粒了

3、所受正電荷的作用力在各方向平衡，粒了運動將不發(fā)生明顯改變。散射實驗現(xiàn)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(jié)構(gòu)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(zhì)量，帶負(fù)電荷的電子在核外空間繞核旋轉(zhuǎn)。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(jié)構(gòu)模型與經(jīng)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(jīng)典理論，加速運動的電荷，要不斷地向周圍發(fā)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上，這與原子通常是穩(wěn)定的事實相矛盾。b.電子繞核旋

4、轉(zhuǎn)時輻射電磁波的頻率應(yīng)等于電子繞核旋轉(zhuǎn)的頻率，隨著旋轉(zhuǎn)軌道的連續(xù)變小，電子輻射的電磁波的頻率也應(yīng)是連續(xù)變化，因此按照這種推理原子光譜應(yīng)是連續(xù)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(jīng)典電磁理論已不適用原子系統(tǒng)，玻爾從光譜學(xué)成就得到啟發(fā)，利用普朗克的能量量了化的概念，提了三個假設(shè)：定態(tài)假設(shè)：原子只能處于一系列不連續(xù)的能量狀態(tài)中，在這些狀態(tài)中原子是穩(wěn)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(tài)叫定態(tài)。躍遷假設(shè)：原子從一個定態(tài)設(shè)能量為e2躍遷到另一定態(tài)設(shè)能量為e1時，它輻射成吸收一定頻率的光子，光子的能量由這兩個定態(tài)的能量差決定，即hv=e2-e1軌道量子化假

5、設(shè)，原子的不同能量狀態(tài)，跟電子不同的運行軌道相對應(yīng)。原子的能量不連續(xù)因而電子可能軌道的分布也是不連續(xù)的。即軌道半徑跟電子動量mv的乘積等于h/2的整數(shù)倍，即：軌道半徑跟電了動量mv的乘積等于h/的整數(shù)倍，即n為正整數(shù)，稱量數(shù)數(shù)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(shè)根底上，利用經(jīng)典電磁理論和牛頓力學(xué)，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、r1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=ev,

6、 r1×10-10m(以電子距原子核無窮遠(yuǎn)時電勢能為零計算)氫原子的能級圖：氫原子的各個定態(tài)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(tài)稱為基態(tài)。n=2以上的定態(tài)，稱為激發(fā)態(tài)。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(guī)律。但由于它保存了過多的經(jīng)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(tài)的氫原子。停止照射后，發(fā)現(xiàn)該容器內(nèi)的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

7、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 正確 正確 正確 正確 321321解析：該容器內(nèi)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(jù)玻爾理論應(yīng)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(tài)時能量為，電子的質(zhì)量為m，電量為，試答復(fù)以下問題：1用氫原子從的能量狀態(tài)躍遷到的能量狀態(tài)時所輻射的光去照射逸出功是的cs金屬，能否發(fā)生光電效應(yīng)？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

8、從基態(tài)飛到離核無限遠(yuǎn)處，設(shè)原子核靜止，那么電子飛到離核無限遠(yuǎn)處后，還具有多大的動能？解析：1氫原子從躍遷到能量狀態(tài)放出能量能發(fā)生光電效應(yīng)2而庫侖力為向心力，即3根據(jù)能量守恒，光子的能量一局部用于使氫原子電離，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(fā)出的光形成連續(xù)光譜。稀薄氣體發(fā)光形成線狀譜又叫明線光譜、原子光譜。根據(jù)玻爾理論，不同原子的結(jié)構(gòu)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線狀譜，因此這些譜線也叫元素的特征譜線。根據(jù)光譜鑒別物質(zhì)和確定它的化學(xué)組成，這種方法叫做光譜分析。這種方法的優(yōu)點是非常靈敏而且迅速。只要某種元素在物質(zhì)

9、中的含量到達(dá)10-10g，就可以從光譜中發(fā)現(xiàn)它的特征譜線。5、氫原子中的電子云對于宏觀質(zhì)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(yīng)用牛頓定律確定該質(zhì)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(biāo)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(rèn)為，我們只能知道電子在原子核附近各點出現(xiàn)的概率的大小。在不同的能量狀態(tài)下，電子在各個位置出現(xiàn)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(xiàn)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(yīng)用普通光源

10、如白熾燈發(fā)光時，燈絲中的每個原子在什么時候發(fā)光，原子在哪兩個能級間躍遷，發(fā)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(fā)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(diào)制，因此可以用來傳遞信息。光纖通信就是激光和光導(dǎo)纖維結(jié)合的產(chǎn)物。平行度好。傳播很遠(yuǎn)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(dá)不僅能測距，還能根據(jù)多普勒效應(yīng)測出目標(biāo)的速度，對目標(biāo)進行跟蹤。還能用于在vcd或計算機光盤上讀寫數(shù)據(jù)。亮度高。能在極小的空間和極短的時間內(nèi)集中很大的能量。可以用來切割各種物質(zhì)，焊接金屬，在硬材料上打孔，利用激光作為手術(shù)刀切開皮膚做手術(shù)，焊接視網(wǎng)膜

11、。利用激光產(chǎn)生的高溫高壓引起核聚變。7、粒子物理學(xué)到19世紀(jì)末，人們認(rèn)識到物質(zhì)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(zhì)子和中子組成。20世紀(jì)30年代以來，人們認(rèn)識了正電子、子、k介子、介子等粒子。后來又發(fā)現(xiàn)了各種粒子的反粒子質(zhì)量相同而電荷及其它一些物理量相反?，F(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的粒子達(dá)400多種，形成了粒子物理學(xué)。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，其中強子是由更根本的粒子夸克組成。從目前的觀點看，媒介子、輕子和夸克是沒有內(nèi)部結(jié)構(gòu)的“點狀粒子。用粒子物理學(xué)可以較好地解釋宇宙的演化。二、原子核1、天然放射現(xiàn)象1天然放射現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)：1896年法國物理學(xué)，貝克

12、勒耳發(fā)現(xiàn)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(zhì)能發(fā)射出上述射線的性質(zhì)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(xiàn)象：某種元素白發(fā)地放射射線的現(xiàn)象，叫天然放射現(xiàn)象天然放射現(xiàn)象：說明原子核存在精細(xì)結(jié)構(gòu)，是可以再分的2放射線的成份和性質(zhì)：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(zhì)比較種 類本 質(zhì)質(zhì)量u電荷e速度c電離性貫穿性射線氦核4+2最強最弱，紙能擋住射線電子1/1840-1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(zhuǎn)情況比較

13、：如、圖所示，在勻強磁場和勻強電場中都是比的偏轉(zhuǎn)大，不偏轉(zhuǎn)；區(qū)別是：在磁場中偏轉(zhuǎn)軌跡是圓弧，在電場中偏轉(zhuǎn)軌跡是拋物線。圖中肯定打在o點；如果也打在o點，那么必打在o點下方；如果也打在o點，那么必打在o點下方。aabc例題：如下列圖，鉛盒a中裝有天然放射性物質(zhì)，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，那么以下說法中正確的有 a、b、c三點的依次是射線、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，那么屏上的亮斑可能只剩下b解析：由左手定那么可知粒子向右射出后，在勻強磁場中粒子受的洛倫茲力

14、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，那么另一個必然打在b點下方。此題選ac。放射源探測接收器mn例題： 如下列圖，是利用放射線自動控制鋁板厚度的裝置。假設(shè)放射源能放射出、三種射線，而根據(jù)設(shè)計，該生產(chǎn)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(dāng)探測接收器單位時間內(nèi)接收到的放射性粒子的個數(shù)超過標(biāo)準(zhǔn)值時，將會通過自動裝置將m、n兩個軋輥間的距離調(diào)_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，根本不受鋁板厚度的影響。而射線剛好能穿透幾

15、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(fā)生較明顯變化。即是射線對控制厚度起主要作用。假設(shè)超過標(biāo)準(zhǔn)值，說明鋁板太薄了，應(yīng)該將兩個軋輥間的距離調(diào)節(jié)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(zhuǎn)變成新核的變化稱為衰變在原子核的衰變過程中，電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)守恒類 型衰變方程規(guī) 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(zhì)子數(shù)多一個，而質(zhì)量數(shù)不變是由于反映中有一個中子變?yōu)橐粋€質(zhì)子和一個電子，即：2半衰期：放射性元素的原子核有半數(shù)發(fā)生衰變所需的時間叫半衰期。對大量原子核的統(tǒng)計規(guī)律計算式為：n表示核的個數(shù) ，此式也可以演變成 或，式中m表示放射

16、性物質(zhì)的質(zhì)量，n 表示單位時間內(nèi)放出的射線粒子數(shù)。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(nèi)部本身的因素決定，跟原子所處的物理、化學(xué)狀態(tài)無關(guān)。例題：衰變?yōu)橐謩e經(jīng)過多少次衰變和衰變？解析：原子核發(fā)生一次衰變時質(zhì)量數(shù)減少4，電荷數(shù)減少2，發(fā)生一次衰變時質(zhì)量數(shù)不變，電荷數(shù)增加1，因此，根據(jù)質(zhì)量數(shù)由232減少到208知發(fā)生衰變次數(shù)為6次。原子核發(fā)生6次衰變電荷數(shù)要減少12，核電荷數(shù)將由90減少到78，現(xiàn)在實際電荷數(shù)為82，為了使電荷數(shù)從 78增加到82，故要發(fā)生8278=4次衰變。例題：兩個放射性元素樣品a、b，當(dāng)a有的原子核發(fā)生衰變時，b恰好有的原子核發(fā)生了衰變，可知a和b的半衰期之比為

17、多少？解析：由題知這段時間內(nèi)a有1/16未衰變的，亦即1/24未衰變，經(jīng)歷時間；b有1/64未衰變，即1/26未衰變，那么，得=323、原子核的人工轉(zhuǎn)變：原子核的人工轉(zhuǎn)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(fā)生轉(zhuǎn)變。1質(zhì)子的發(fā)現(xiàn)：1919年，盧瑟福用粒子轟擊氦原子核發(fā)現(xiàn)了質(zhì)子。2中子的發(fā)現(xiàn)：1932年，查德威克用粒子轟擊鈹核，發(fā)現(xiàn)中子。4、原子核的組成和放射性同位素1原子核的組成：原子核是由質(zhì)子和中子組成，質(zhì)子和中子統(tǒng)稱為核子在原子核中：質(zhì)子數(shù)等于電荷數(shù)核子數(shù)等于質(zhì)量數(shù)中子數(shù)等于質(zhì)量數(shù)減電荷數(shù)2放射性同位素：具有相同的質(zhì)子和不同中子數(shù)的原子互稱同位素，放射性同位素：具有放射性的同位

18、素叫放射性同位素。正電子的發(fā)現(xiàn)：用粒子轟擊鋁時，發(fā)生核反響。發(fā)生+衰變，放出正電子.放射性同位素的應(yīng)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(fā)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(nóng)作物化肥需求情況，診斷甲狀腺疾病的類型，研究生物大分子結(jié)構(gòu)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(zhì)文物的產(chǎn)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?？芍瞥筛鞣N形狀，強度容易控制。例題：近年來科學(xué)家在超重元素的

19、探測方面取得了重大進展?？茖W(xué)家們在觀察某兩個重離子結(jié)合成超重元素的反響時，發(fā)現(xiàn)所生成的超重元素的核x經(jīng)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(shù)和質(zhì)量數(shù)依次是 a.124，259 b.124，265 c.112，265 d.112，277解析：每次衰變質(zhì)量數(shù)減少4，電荷數(shù)減少2，因此該超重元素的質(zhì)量數(shù)應(yīng)是277，電荷數(shù)應(yīng)是112，選d。例題：完成以下核反響方程，并指出其中哪個是發(fā)現(xiàn)質(zhì)子的核反響方程，哪個是發(fā)現(xiàn)中子的核反響方程。n+n c+_ n+he o+_b+n _+he be+he _+nfe+h co+_解析：根據(jù)質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒，可以判定：h，h，發(fā)現(xiàn)質(zhì)子的核反響方程

20、 li，c，發(fā)現(xiàn)中子的核反響方程 n例題：一塊含鈾的礦石質(zhì)量為m，其中鈾元素的質(zhì)量為m。鈾發(fā)生一系列衰變，最終生成物為鉛。鈾的半衰期為t，那么以下說法中正確的有 m/4發(fā)生了衰變 c.經(jīng)過三個半衰期后，其中鈾元素的質(zhì)量還剩m/8m/2解析：經(jīng)過兩個半衰期后礦石中剩余的鈾應(yīng)該還有m/4，經(jīng)過三個半衰期后還剩m/8。因為衰變產(chǎn)物大局部仍然留在該礦石中，所以礦石質(zhì)量沒有太大的改變。此題選c。例題：關(guān)于放射性同位素應(yīng)用的以下說法中正確的有 a.放射線改變了布料的性質(zhì)使其不再因摩擦而生電，因此到達(dá)消除有害靜電的目的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(fā)生變異

21、，其結(jié)果一定是成為更優(yōu)秀的品種射線治療腫瘤時一定要嚴(yán)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(dǎo)體，將靜電泄出。射線對人體細(xì)胞傷害太大，不能用來進行人體透視。作物種子發(fā)生的dna突變不一定都是有益的，還要經(jīng)過篩選才能培育出優(yōu)秀品種。用射線治療腫瘤對人體肯定有副作用，因此要科學(xué)地嚴(yán)格控制劑量。此題選d。k-abp例題：k-介子衰變的方程為，其中k-介子和-介子帶負(fù)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(chǎn)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-

22、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 6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-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(jié)合成的子核或?qū)⒃雍朔纸鉃楹俗訒r，都要放出或吸收能量，稱為核能。例如：2、質(zhì)能方程：愛因斯坦提出物體的質(zhì)量和能量的關(guān)系：質(zhì)能方程3、核能的計算：在核反響中，及應(yīng)后的總質(zhì)量，少于反響前的總質(zhì)量即出現(xiàn)質(zhì)量虧損，這樣的反就是放能反響，假設(shè)反響后的總質(zhì)量大于反響前的總質(zhì)量，這樣的反響

23、是吸能反響。吸收或放出的能量，與質(zhì)量變化的關(guān)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：假設(shè)條件中以千克作單位給出，用以下公式計算公式中單位：方法二：假設(shè)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裂變反響：裂變：重核在一定條件下轉(zhuǎn)變成兩個中等質(zhì)量的核的反響，叫做原子核的裂變反響。例如：鏈?zhǔn)椒错懀涸诹炎兎错懹卯a(chǎn)生的中子，再被其他鈾核浮獲使反響繼續(xù)下去。鏈?zhǔn)椒错懙臈l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(dāng)于2500噸優(yōu)質(zhì)煤完全燃燒放出能量2聚變反響：聚變反響：輕的原子核聚合成較重的原子核的反響，稱為聚變反響。

24、例如：平均每個核子放出3mev的能量聚變反響的條件；幾百萬攝氏度的高溫例題：×10-27×10-27×10-27kg。一個鋰核受到一個質(zhì)子轟擊變?yōu)?個粒子，寫出核反響方程，并計算該反響釋放的核能是多少？1mg鋰原子發(fā)生這樣的反響共釋放多少核能？解析：h+li2he 反響前一個氫原子和一個鋰原子共有8個核外電子，反響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(zhì)量減去兩個氦原子的質(zhì)量，得到的恰好是反響前后核的質(zhì)量虧損，電子質(zhì)量自然消掉。由質(zhì)能方程e=mc2得釋放核能e=×10-12j1mg鋰原子含鋰原子個數(shù)為10-6÷×10-27×10-12×108j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。假設(shè)衰變放出的能量全部變?yōu)榉礇_核和粒子的動能