原子物理學(xué)回顧

1、光學(xué)、原子物理學(xué)回顧光的傳播1折射定律折射定律的各種表達形式： (1為入、折射角中的較大者。)2各種色光性質(zhì)比較可見光中，紅光的折射率n最小，頻率最小，在同種介質(zhì)中（除真空外）傳播速度v最大，波長最大，從同種介質(zhì)射向真空時發(fā)生全反射的臨界角C最大，以相同入射角在介質(zhì)間發(fā)生折射時的偏折角最?。ㄗ⒁鈪^(qū)分偏折角和折射角）。以上各種色光的性質(zhì)比較在定性分析時非常重要，一定要牢記。例1如圖所示，有 a、b兩束單色光（一束是紅光一束是紫光）分別垂直于同種介質(zhì)材料做成的兩個不同頂角的三棱鏡的一個腰射入，從另一個腰射出后，測得它們的偏折角大小相同。兩個三棱鏡的頂角分別為、且<，下列說法中正確的是 abA

2、a是紅光，b是紫光Ba是紫光，b是紅光C可能a、b 都是紅光D可能a、b都是紫光解：不妨假設(shè)讓a也垂直于腰射入右邊的棱鏡，與左圖相比，在另一腰射出時入射角大了，偏折也將變大，因此偏折角將大于。與b光比較，可知a偏折大，是紫光。選B。3邊作圖邊計算有關(guān)光的折射和全反射，在解題時要把計算和作圖有機地結(jié)合起來，根據(jù)數(shù)據(jù)計算反射角、折射角，算一步畫一步，畫一步在根據(jù)需要算一步。作圖要依據(jù)計算結(jié)果，力求準確。abco例2圖示為一直角棱鏡的橫截面，bac=90º，abc=60º。一平行細光束從O點沿垂直于bc面的方向射入棱鏡。已知棱鏡材料的折射率n=，若不考慮原入射光在bc面上的反射光

3、，則有光線 A從ab面射出 B從ac面射出B從bc面射出，且與bc面斜交D從bc面射出，且與bc面垂直解：已知n=，折射定律，因此臨界角i=45º。射到ab邊時入射角60º>45º，全反射；射到ac邊時入射角30º<45º，有折射，且折射角45º；到bc邊時入射角0º垂直射出。選BD。例3兩種單色光由水中射向空氣時發(fā)生全反射的臨界角分別為1、2，已知1>2。用n1、n2分別表示水對兩單色光的折射率，v1、v2分別表示兩單色光在水中的傳播速度，則 An1<n2，v1<v2 Bn1<n2，v1

4、>v2 Cn1>n2，v1<v2 Dn1>n2，v1>v2 解：由，1>2，因此n1<n2；又，n1<n2，因此v1>v2。選B光的波動性1光的干涉光的干涉條件是有兩個振動情況總是相同的波源，即相干波源。形成相干波源的方法有兩種：利用激光（因為激光發(fā)出的是單色性極好的光）。設(shè)法將同一束光分為兩束，如利用雙縫、利用肥皂膜、利用空氣膜等。干涉區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生亮、暗紋的充分必要條件分別是：亮紋：到雙縫的光程差等于波長的整數(shù)倍，即= n（n=0，1，2，）暗紋：到雙縫的光程差等于半波長的奇數(shù)倍，即=（n=0，1，2，）公式的應(yīng)用利用此公式可以測定單色光的

5、波長。用同一雙縫干涉裝置做實驗，紅光x最大，可知紅光波長最大、頻率最低。用白光作雙縫干涉實驗時，中央是白色亮紋，兩邊出現(xiàn)彩色條紋。SaL光屏M相交區(qū)域SaL光屏M例4洛埃利用單面鏡同樣得到了楊氏干涉的結(jié)果。洛埃鏡實驗的基本裝置如圖所示，S為單色光源，M為一平面鏡。試用平面鏡成像作圖法在答題卡上畫出S經(jīng)平面鏡反射后的光與直接發(fā)出的光在光屏上相交的區(qū)域。設(shè)光源S到平面鏡的垂直距離和到光屏的垂直距離分別為a和L，光的波長為，在光屏上形成干涉條紋。寫出相鄰兩條亮紋（或暗紋）間距離x的表達式。 解：見下圖 2光的衍射波在傳播過程中繞過障礙物的現(xiàn)象叫做波的衍射。當障礙物或孔的尺寸小于0.5mm時，就可以看

6、到明顯的衍射現(xiàn)象。在發(fā)生明顯衍射的條件下，當縫變窄（孔變?。r，亮斑范圍變大，條紋間距變大，亮度變暗。注意關(guān)于衍射的表述一定要準確。（區(qū)分能否發(fā)生衍射和能否發(fā)生明顯衍射）各種不同形狀的障礙物都能使光發(fā)生衍射。發(fā)生明顯衍射的條件是：障礙物（或孔）的尺寸可以跟波長相比，甚至比波長還小。泊松亮斑用平行光照射不透明的小圓盤，在圓盤陰影中心會出現(xiàn)一個亮斑，這是波的衍射現(xiàn)象。干涉和衍射圖樣的區(qū)別雙縫干涉和單縫衍射的圖樣都是明暗相間的條紋。但雙縫干涉的條紋寬度是相同的，亮度也是均勻的；而單縫衍射的條紋是中央寬，兩邊窄，亮度分布也是中央亮兩邊暗。例5下面是四種與光有關(guān)的事實：用光導(dǎo)纖維傳播信號；用透明的標準樣

7、板和單色光檢查平面的平整度；一束白光通過三棱鏡形成彩色光帶；水面上的油膜呈現(xiàn)彩色。其中，與光的干涉有關(guān)的是 A B C D解：利用全反射；等厚干涉；光的折射，色散；薄膜干涉。選B。3光的電磁說麥克斯韋根據(jù)電磁波與光在真空中傳播速度相同，提出光在本質(zhì)上是一種電磁波這就是光的電磁說，赫茲用實驗證明了光的電磁說的正確性。電磁波譜。波長從大到小：無線電波、紅外線、可見光、紫外線、X射線、射線。各種電磁波中，除可見光以外，相鄰兩個波段間都有重疊。各種電磁波的產(chǎn)生機理分別是：無線電波是振蕩電路中自由電子的周期性運動產(chǎn)生的；紅外線、可見光、紫外線是原子的外層電子受到激發(fā)后產(chǎn)生的；倫琴射線是原子的內(nèi)層電子受到

8、激發(fā)后產(chǎn)生的；射線是原子核受到激發(fā)后產(chǎn)生的。紅外線、紫外線、X射線的主要性質(zhì)及其應(yīng)用。種 類產(chǎn) 生主要性質(zhì)應(yīng)用舉例紅外線一切物體都能發(fā)出熱效應(yīng)遙感、遙控、加熱紫外線一切高溫物體能發(fā)出化學(xué)效應(yīng)熒光、殺菌、合成VDX射線陰極射線射到固體表面穿透能力強人體透視、金屬探傷波長最長的無線電波容易表現(xiàn)出干涉、衍射等現(xiàn)象，而波長短的紫外線、X射線、射線，要觀察它們的干涉、衍射就越來越困難了（但不是不能發(fā)生衍射）。 可見光頻率范圍是3.9-7.5×1014Hz，波長范圍是400-770nm。EK AP Q例6右圖是倫琴射線管的結(jié)構(gòu)示意圖。電源E給燈絲K加熱，從而發(fā)射出熱電子，熱電子在K、A間的強電場

9、作用下高速向?qū)﹃帢OA飛去。電子流打到A極表面，激發(fā)出高頻電磁波，這就是X射線。下列說法中正確的有 A.P、Q間應(yīng)接高壓直流電，且Q接正極 B.P、Q間應(yīng)接高壓交流電 C.K、A間是高速電子流即陰極射線，從A發(fā)出的是X射線即一種高頻電磁波 D.從A發(fā)出的X射線的頻率和P、Q間的交流電的頻率相同 解：K、A間的電場方向應(yīng)該始終是向左的，所以P、Q間應(yīng)接高壓直流電，且Q接正極。從A發(fā)出的是X射線，其頻率由光子能量大小決定。設(shè)P、Q間電壓為U，若電子射到對陰極時驟然停止，其動能全部轉(zhuǎn)化為電磁波的能量，射出頻率很高的X射線。本題選AC。4光的偏振所有沿同一個方向傳播的縱波振動方向都是一樣的；而所有沿同一

10、個方向傳播的橫波振動方向可以是不同的。這是縱波和橫波的區(qū)別。光能產(chǎn)生偏振現(xiàn)象，因此可以判定光是橫波。例7在下列各組的兩個現(xiàn)象中都表現(xiàn)出光具有波動性的是 A光的折射現(xiàn)象、色散現(xiàn)象 B光的反射現(xiàn)象、干涉現(xiàn)象C光的衍射現(xiàn)象、偏振現(xiàn)象 D光的直線傳播現(xiàn)象、光電效應(yīng)現(xiàn)象解：干涉、衍射是波的特性；偏振是橫波的特性。 選C。5激光激光的特點激光是相干光。激光的平行度好。（可以用來測距、測速；可以用來刻錄、讀取光盤）激光的亮度高。（切割、焊接、打孔、治療視網(wǎng)膜剝落；用于人工控制聚變等）光的粒子性1.光電效應(yīng)在光的照射下物體發(fā)射電子的現(xiàn)象叫光電效應(yīng)。光電效應(yīng)的規(guī)律。各種金屬都存在極限頻率0，只有0才能發(fā)生光電效

11、應(yīng)。瞬時性（光電子的產(chǎn)生不超過10-9s）。愛因斯坦的光子說。光是不連續(xù)的，是一份一份的，每一份叫做一個光子，光子的能量E跟光的頻率成正比：E=h 愛因斯坦光電效應(yīng)方程：Ek= h-W（Ek是光電子的最大初動能；W是逸出功，即從金屬表面直接飛出的光電子克服正電荷引力所做的功。）例8對愛因斯坦光電效應(yīng)方程EK= h-W，下面的理解正確的有 C A.只要是用同種頻率的光照射同一種金屬，那么從金屬中逸出的所有光電子都會具有同樣的初動能EKB.式中的W表示每個光電子從金屬中飛出過程中克服金屬中正電荷引力所做的功 C.逸出功W和極限頻率0之間應(yīng)滿足關(guān)系式W= h0VAPKD.光電子的最大初動能和入射光的

12、頻率成正比例9如圖，電鍵K斷開時，用光子能量為2.5eV的光照射陰極P，電流表讀數(shù)不為零；閉合電鍵調(diào)節(jié)變阻器，當電壓表讀數(shù)小于0.60V時，電流表仍有讀數(shù)；當電壓表讀數(shù)增大到0.60V時，電流表讀數(shù)剛好減小為零。由此可知陰極材料P的逸出功為 A2光的波粒二象性干涉、衍射和偏振以無可辯駁的事實表明光是一種波；光電效應(yīng)又用無可辯駁的事實表明光是一種粒子；因此現(xiàn)代物理學(xué)認為：光具有波粒二象性。個別光子的作用效果往往表現(xiàn)為粒子性；大量光子的作用效果往往表現(xiàn)為波動性。高的光子容易表現(xiàn)出粒子性；低的光子容易表現(xiàn)出波動性。光在傳播過程中往往表現(xiàn)出波動性；在與物質(zhì)發(fā)生作用時往往表現(xiàn)為粒子性。由E=h和p=h/

13、也可以看出，光的波動性和粒子性并不矛盾。波粒二象性中所說的波是一種概率波，對大量光子才有意義。波粒二象性中所說的粒子也不再是宏觀的微粒，而是強調(diào)其不連續(xù)性，表示的是一份能量。3物質(zhì)波（德布羅意波）任何一個運動著的物體都有一種波與它對應(yīng)，該波的波長=h/p。例10現(xiàn)用電子顯微鏡觀測線度為d的某生物大分子的結(jié)構(gòu)。為滿足測量要求，將顯微鏡工作時電子的德布羅意波長設(shè)定為d/n，其中n>1。已知普朗克常量h、電子質(zhì)量m和電子電荷量e，電子的初速度不計，則顯微鏡工作時電子的加速電壓應(yīng)為 A B C D解：利用=h/p和Ek=p2/2m，在利用Ek=Ue，得，選D。原子核1原子模型湯姆生模型（棗糕模型

14、）。湯姆生發(fā)現(xiàn)了電子，使人們認識到原子有復(fù)雜結(jié)構(gòu)。盧瑟福的核式結(jié)構(gòu)模型（行星式模型）。盧瑟福用粒子轟擊金箔，觀察結(jié)果是絕大多數(shù)粒子穿過金箔后基本上仍沿原來的方向前進，有少數(shù)粒子發(fā)生了較大的偏轉(zhuǎn)。盧瑟福由粒子散射實驗提出：在原子的中心有一個很小的核，叫原子核，原子的全部正電荷和幾乎全部質(zhì)量都集中在原子核里，帶負電的電子在核外空間運動。玻爾模型。玻爾將量子理論引入原子理論，提出了三條假設(shè)，創(chuàng)建了玻爾原子模型。 軌道量子化：繞核旋轉(zhuǎn)的電子的軌道半徑只能是某些分立的值。電子在這些軌道上做變速運動，但不輻射電磁波。能量量子化：電子在一定的軌道上運動，其對應(yīng)的動能、勢能也是一定的。這些能量值叫能級。能量最

15、低的狀態(tài)（量子數(shù)n=1）叫基態(tài)，其他狀態(tài)叫激發(fā)態(tài)。氫原子的能級圖n E/eV 01 -13.62 -3.43 -1.514 -0.853E1E2E3原子在兩個能級間躍遷時輻射或吸收光子，對應(yīng)光子的頻率滿足：h=Em-En。2玻爾理論的應(yīng)用右圖是氫原子的能級圖。原子的躍遷。原子處于激發(fā)態(tài)時會自發(fā)地向較低能級躍遷，躍遷時以輻射光子的形式放出能量。原子處于基態(tài)或較低激發(fā)態(tài)時可以吸收光子而從低能級躍遷到高能級，或者被電離。處于基態(tài)或較低激發(fā)態(tài)的原子只吸收兩種光子：能量滿足h=Em-En的光子和能量大于該能級電離能的光子。原子光譜。和白光形成的連續(xù)光譜不同，稀薄氣體通電后發(fā)出的光得到的光譜是不連續(xù)的幾條

16、亮線，叫做線狀譜。各種原子的能級是不同的，它們的線狀譜也不完全相同。因此把這些線狀譜叫做原子光譜。利用原子光譜可以鑒別物質(zhì)，分析物體的化學(xué)組成。玻爾理論的局限性。玻爾理論成功地解釋了氫光譜的規(guī)律，是因為引進了量子理論。但解釋其它元素的光譜就遇到了困難，它的局限性是由于它保留了過多的經(jīng)典物理理論。量子力學(xué)。更加徹底的量子理論就是量子力學(xué)。在量子力學(xué)中所謂電子繞核運行的軌道，實際上只是電子出現(xiàn)概率密度較大的位置。如果用疏密不同的點表示電子在各個位置出現(xiàn)的概率，畫出的圖形叫做電子云。例11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)的氫能釋放出三種不同頻率的光子，它們的

17、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 C A.只有正確 B.只有正確 C.只有正確 D.只有正確例12現(xiàn)有1200個氫原子被激發(fā)到量子數(shù)為4的能級上，若這些受激氫原子最后都回到基態(tài)，則在此過程中發(fā)出的光子總數(shù)是多少？假定處在量子數(shù)為n的激發(fā)態(tài)的氫原子躍遷到各較低能級的原子數(shù)都是處在該激發(fā)態(tài)能級上的原子總數(shù)的 A A2200 B2000 C1200 D24 003天然放射現(xiàn)象貝克勒爾發(fā)現(xiàn)鈾和含鈾礦物能夠自發(fā)地發(fā)出看不見的射線。這種性質(zhì)叫放射性。具有放射性的元素叫放射性元素。這種現(xiàn)象叫天然放射

18、現(xiàn)象。天然放射現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，使人們認識到原子核也有復(fù)雜結(jié)構(gòu)。原子序數(shù)大于82的所有元素都具有放射性，原子序數(shù)小于83的某些元素也有放射性。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+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(zhuǎn)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(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，則必打在O點下方；如果也打在O點，則必打在O

19、點下方。Aabc例13如圖所示，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，則下列說法中正確的有 ACA打在圖中a、b、c三點的依次是射線、射線和射線B射線和射線的軌跡都是拋物線C射線和射線的軌跡都是圓弧 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b4核反應(yīng)衰變。原子核自發(fā)地放出粒子而轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌雍说姆磻?yīng)。衰變： （核內(nèi)）衰變： （核內(nèi)）衰變：原子核也有能級，而且能級越低越穩(wěn)定。發(fā)生衰變、衰變后產(chǎn)生的新核往往處于高能級。當它向低能級躍遷時輻射光子，這種變化也叫做衰變。射線經(jīng)常是伴隨衰變和衰變而產(chǎn)生的。

20、+衰變： （核內(nèi)，其中是正電子。）一個放射性的原子核在一次衰變中不可能同時放出粒子和粒子。但一塊放射性物質(zhì)連續(xù)發(fā)生衰變時，放出的射線中就會同時具有、三種射線。人工轉(zhuǎn)變。用人工的方法也能使原子核發(fā)生變化。（盧瑟福發(fā)現(xiàn)質(zhì)子的核反應(yīng)） （查德威克發(fā)現(xiàn)中子的核反應(yīng)） （人工制造出放射性同位素的核反應(yīng)）裂變。重核分裂成質(zhì)量較小的核，釋放出核能的反應(yīng)，稱為裂變。 在一定條件下（超過臨界體積），裂變反應(yīng)會連續(xù)不斷地進行下去，這就是鏈式反應(yīng)。聚變。輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核，釋放出核能的反應(yīng)，稱為聚變。聚變需要幾百萬度高溫，所以又叫熱核反應(yīng)。在以上所有類型的核反應(yīng)中，同樣遵從電荷數(shù)守恒和質(zhì)量數(shù)守恒。例14放射性同

21、位素經(jīng)過一系列衰變后成為穩(wěn)定的，其中發(fā)生了_次衰變和_次衰變。 8次，6次例15完成下列核反應(yīng)方程：N+n C+_ N+He O+_ B+n _+He Be+He _+n Fe+H Co+_H H Li C n5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這種元素的半衰期，記做T。設(shè)初始時放射性元素原子核的個數(shù)為N0，經(jīng)時間t后，剩余的放射性原子核個數(shù)為Nt，則。半衰期是由原子核內(nèi)部本身的因素決定的，跟原子所處的物理狀態(tài)、化學(xué)狀態(tài)無關(guān)。例16一塊含鈾的礦石質(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。已知鈾的半衰期為T，那么下列說法中正確的有 C A.經(jīng)過兩個半衰期后

22、這塊礦石中基本不再含有鈾了 B.經(jīng)過兩個半衰期后原來所含的鈾元素的原子核有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/8 D.經(jīng)過一個半衰期后該礦石的質(zhì)量剩下M/26核能核反應(yīng)中放出的能叫核能。質(zhì)量虧損。核子結(jié)合生成原子核，所生成的原子核的質(zhì)量比生成它的核子的總質(zhì)量要小些，這種現(xiàn)象叫做質(zhì)量虧損。質(zhì)能方程。愛因斯坦的相對論指出：物體的能量和質(zhì)量之間存在著密切的聯(lián)系：E = mc2，這就是愛因斯坦的質(zhì)能方程。質(zhì)能方程的另一個表達形式是：E=mc2。在有關(guān)核能的計算中，要根據(jù)已知和題解的要求選定單位制。用E = mc2或E=mc2時，必須用國際單位制。用原子質(zhì)量單位u和電子伏特e

23、V時，利用1u的質(zhì)量跟931.5MeV的能量相對應(yīng)。釋放核能的途徑：衰變；裂變；聚變；由核子結(jié)合成原子核；反應(yīng)過程發(fā)生質(zhì)量虧損的；由核子平均質(zhì)量大的核，生成核子平均質(zhì)量小的核。 例17發(fā)生衰變后變?yōu)?，已知核的質(zhì)量是232.0372u，核的質(zhì)量是228.0287u，粒子的質(zhì)量是4.0026u。計算此次衰變釋放的核能E。解：反應(yīng)過程中的質(zhì)量虧損：m=232.0372u-228.0287u-4.0026u=0.0059u釋放的核能為E=0.0059×931.5MeV=5.5 MeV。例18氫原子的質(zhì)量為1.6736×10-27kg，鋰原子的質(zhì)量為11.6505×10-27kg，氦原子的質(zhì)量為6.6467×10-27kg。一個鋰核受到質(zhì)子轟擊變?yōu)?個粒子，寫出核反應(yīng)方程，并計算該反應(yīng)釋放的核能是多少？1mg鋰原子發(fā)生這樣的反應(yīng)共釋放多少核能？解：H+Li 2He 反應(yīng)前一個氫原子和一個鋰原子共有8個核外電子，反應(yīng)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，得到的恰好是反應(yīng)前后核的質(zhì)量虧損，電子質(zhì)量自然消掉。由愛因斯坦質(zhì)能方程E=mc2得釋放核能E=2.76×10-12J1mg鋰原子含鋰原子個數(shù)為1