光電效應(yīng)量子理論原子及原子核物理(專題復(fù)習(xí))

1、光電效應(yīng)、量子理論、原子及原子核物理(專題復(fù)習(xí))一、光的波動性（略）二、光的粒子性1、光電效應(yīng)（1）光電效應(yīng)在光（包括不可見光）的照射下，從物體發(fā)射出電子的現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。（2）光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律：裝置：任何一種金屬都有一個極限頻率，入射光的頻率必須大于這個極限頻率才能發(fā)生光電效應(yīng)，低于極限頻率的光不能發(fā)生光電效應(yīng)。光電子的最大初動能與入射光的強(qiáng)度無關(guān)，光隨入射光頻率的增大而增大。大于極限頻率的光照射金屬時，光電流強(qiáng)度（反映單位時間發(fā)射出的光電子數(shù)的多少），與入射光強(qiáng)度成正比。 金屬受到光照，光電子的發(fā)射一般不超過109秒。2、波動說在光電效應(yīng)上遇到的困難波動說認(rèn)為：光的能量即光的強(qiáng)度是由光

2、波的振幅決定的與光的頻率無關(guān)。所以波動說對解釋上述實(shí)驗(yàn)規(guī)律中的條都遇到困難3、光子說（1）量子論：1900年德國物理學(xué)家普郎克提出：電磁波的發(fā)射和吸收是不連續(xù)的，而是一份一份的，每一份電磁波的能量E=hv（2）光子論：1905年受因斯坦提出：空間傳播的光也是不連續(xù)的，而是一份一份的，每一份稱為一個光子，光子具有的能量與光的頻率成正比。即：E=hv，其中h為普郎克恒量h=6.63×1034J·s4、光子論對光電效應(yīng)的解釋金屬中的自由電子，獲得光子后其動能增大，當(dāng)功能大于脫出功時，電子即可脫離金屬表面，入射光的頻率越大，光子能量越大，電子獲得的能量才能越大，飛出時最大初功能也越

3、大。三、波粒二象性1、光的干涉和衍射現(xiàn)象，說明光具有波動性，光電效應(yīng)，說明光具有粒子性，所以光具有波粒二象性。2、個別粒子顯示出粒子性，大量光子顯示出波動性，頻率越低波動性越顯著，頻率越高粒子性越顯著3、光的波動性和粒子性與經(jīng)典波和經(jīng)典粒子的概念不同（1）光波是幾率波，明條紋是光子到達(dá)幾率較大，暗條紋是光子達(dá)幾率較小 這與經(jīng)典波的振動疊加原理有所不同（2）光的粒了性是指光的能量不連續(xù)性，能量是一份一份的光子，沒有一定的形狀，也不占有一定空間，這與經(jīng)典粒子概念有所不同原子和原子核一、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(jìn)行了一系列

4、的研究，從而發(fā)現(xiàn)了電子。電子的發(fā)現(xiàn)表明：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(shí)驗(yàn)和原子核結(jié)構(gòu)模型（1）粒子散射實(shí)驗(yàn)：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(yùn)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，有的幾乎達(dá)到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(yùn)動方向發(fā)生明顯的改

5、變，只有原子中的正電荷才有可能對粒子的運(yùn)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，穿過金箔的粒了所受正電荷的作用力在各方向平衡，粒了運(yùn)動將不發(fā)生明顯改變。散射實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)的分析計(jì)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(yùn)動是加速運(yùn)動，按照經(jīng)典理論，加速

6、運(yùn)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(shí)相矛盾。b.電子繞核旋轉(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(shí)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(yùn)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)

7、（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軌道量子化假設(shè)，原子的不同能量狀態(tài)，跟電子不同的運(yùn)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)基礎(chǔ)上，利用經(jīng)典電磁理論和牛頓力學(xué)，計(jì)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(yùn)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

8、在第幾條可能軌道上運(yùn)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=13.6ev, r1=0.53×10-10m(以電子距原子核無窮遠(yuǎn)時電勢能為零計(jì)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)。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

9、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：表明原子核存在精細(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）：性 質(zhì)成 份組 成電離作用貫穿能力 射 線氦核組成的粒子流很 強(qiáng)很 弱 射 線高速電子流較 強(qiáng)較 強(qiáng) 射 線高頻光子很 弱很 強(qiáng)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

10、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的半數(shù)發(fā)生衰變所需要的時間，稱該元素的半衰期。一放射性元素，測得質(zhì)量為m,半衰期為T，經(jīng)時間t后，剩余未衰變的放射性元素的質(zhì)量為m3、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

11、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)生核反應(yīng)。發(fā)生+衰變，放出正電子三、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(jì)算：在核反應(yīng)中，及應(yīng)后的總質(zhì)量，少于反應(yīng)前的總質(zhì)量即出現(xiàn)質(zhì)量虧損，這樣的反就是放能反應(yīng)，若反應(yīng)后的總質(zhì)量大于反應(yīng)前的總質(zhì)量，這樣的反應(yīng)是吸能反應(yīng)。吸收或放出的能量，與質(zhì)量變化的關(guān)系為：例：計(jì)算為了計(jì)算方便以后在計(jì)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(jì)算公式中單位：方法二：若已知條件中以作單位給出，用以下公式計(jì)算公式中單位：； 4、釋放核能的途徑裂變和聚變（1）裂變反應(yīng)：裂變：重核在一定條件下轉(zhuǎn)變成兩個中等質(zhì)量的核的反應(yīng)，叫做原子核的裂變反應(yīng)。例如：鏈?zhǔn)椒磻?yīng)：在裂變反應(yīng)用產(chǎn)生的中子，再被其他鈾核浮獲使反應(yīng)繼續(xù)下去。鏈?zhǔn)椒磻?yīng)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(dāng)于2500噸優(yōu)質(zhì)煤完全燃燒放出能量（2）聚變反應(yīng)：聚變反應(yīng)：輕