高三相對論與原子物理通用版知識精講

1、高三相對論與原子物理通用版【本講主要內容】相對論與原子物理本講的核心內容是近代物理初步，了解相對論簡介，原子、原子核的有關知識。【知識掌握】【知識點精析】1.相對論的誕生：19世紀后半葉，關于電磁場的研究不斷深入，人們認識了光的電磁本 質，我們已經(jīng)知道，電磁波是以巨大的速度傳播的，因此在電磁場的研究中不斷遇到一些矛盾，這些矛盾導致了相對論的出現(xiàn)。2.時間和空間的相對性(1)時間間隔是相對的，是與物體運動的速度有關，而不是絕對的。(2)空間相對性：長度的相對性。一個桿，當它沿著自身的方向相對于測量者運動時，測量的長度比它靜止時的長度小, 速度越大，差別也越大。3.狹義相對論的其它結論(1)相對論

2、速度疊加公式：V：車對地，u:人對車，u:人對地u Vu =uv1 -c(2)相對論質量：m：運動質量，m0：m0m 二IC，2(3)質量方程：E靜止質量，V：運動速度2二 mc4.廣義相對論簡介廣義相對性原理為: 式相同。一切參考系對物理規(guī)律平權，即物理規(guī)律在一切參考系中的表述形5.波粒二象性光既具有波動性，又具有粒子性，波粒二象性是光的客觀性。.概率波光子在空間各點出現(xiàn)的可能性的大小(概率)，可以用波動規(guī)律來描述，我們說光是種波，就是這個意思，正是由于這個原因，物理學中把光波叫做概率波。.電子的發(fā)現(xiàn)1897年，湯姆生發(fā)現(xiàn)了電子。.原子的核式結構模型在原子的中心有一個很小的核，叫做原子核。原

3、子的全部正電荷和幾乎全部質量都集中在原子核里，帶負電的電子在核外空間運動。.玻爾的原子模型內容：玻爾認為，圍繞原子核運動的電子軌道半徑只能是某些分立的數(shù)值，這種現(xiàn)象叫軌道量子化；不同的軌道對應著不同的狀態(tài)，在這些狀態(tài)中，盡管電子做變速運動，卻不輻 射能量，因此這些狀態(tài)是穩(wěn)定的；原子在不同的狀態(tài)中具有不同的能量，所以原子的能量也是量子化的。理解要點：玻爾的原子模型是以假說的形式提出來，包括以下三方面的內容：軌道假設：即軌道是量子化的，只能是某些分立的值。定態(tài)假設：即不同的軌道對應著不同的能量狀態(tài)，這些狀態(tài)中原子是穩(wěn)定的，不向外輻射能量。躍遷假設：原子在不同的狀態(tài)具有不同的能量，從一個定態(tài)向另一個

4、定態(tài)躍遷時要輻射或吸收一定頻率的光子，該光子的能量，等于這兩個狀態(tài)的能級差。=Em -En.氫原子光譜玻爾理論很好地解釋了氫原子的光譜， 當原子從高能級躍遷到低能級時， 輻射光子的能 量等于前后兩個能級之差， 由于原子的能級不連續(xù)， 所以輻射的光子的能量也不連續(xù)， 從光 譜上看，原子輻射光波的頻率只有若干分立的值。.原子核的組成原子核的組成：質子和中子組成了原子核。質子和中子統(tǒng)稱為核子。 原子核的質量數(shù)等于其核子數(shù)，原子核的電荷數(shù)等于其質子數(shù)。原子核的中子數(shù)N等于其質量數(shù)A與電荷數(shù)Z之差，即N=A-Z。.天然放射現(xiàn)象原子序數(shù)大于83的所有突然存在的元素都有放射性，原子序數(shù)小于83的突然存在元素

5、有些也具有放射性。(1)三種射線“射線：速度約為光速1/10的氨核流，貫穿作用很弱，電離作用很強。3射線：速度約為光速十分之幾的電子流，貫穿作用很強，電離作用較弱。丫波長極短的電磁波，貫穿作用最強，電離作用很弱。(2)衰變規(guī)律a衰變：Ax T At Y +2 He , a衰變的實質是某元素的原子核放出由兩個質子和兩 個中子組成的粒子(即氮核)3衰變：A X T A+ Y+L e , 3衰變的實質是某元素的原子核內的一個中子變?yōu)橐粋€ 質子時放射出一個電子。丫衰變：丫衰變是伴隨a衰變或3衰變同時發(fā)生的。丫衰變不改變原子核的電荷數(shù)和 質量數(shù)。其實質是放射性原子核在發(fā)生 a衰變或3衰變時，產(chǎn)生的某些新

6、核由于具有過多的 能量(核處于激發(fā)態(tài))而輻射出光子。半衰期：放射性元素的原子核有半數(shù)發(fā)生衰變需要的時間。半衰期由放射性元素的原子核內部本身的因素決定，跟原子所處的物理狀態(tài)（如壓強、溫度等）或化學狀態(tài)（如單質 或化合物）無關。確定衰變次數(shù)的方法：設放射性元素A X經(jīng)過n次“衰變m次3衰變后，變成穩(wěn)定的新元素AY ,則表示核反應的方程為：AXta： Y +n：He+me根據(jù)電荷數(shù)守恒和質量數(shù)守恒可列方程A=A +4nZ= Z +2n-mrA -AA -A兩式聯(lián)立得：n =AA-m =AA Z-Z42由此可見確定衰變次數(shù)可歸結為解一個二元一次方程組。.核反應質量數(shù)守恒和核電荷數(shù)守恒是書寫核反應方程的

7、依據(jù)，但要以核反應的事實為基礎， 不能僅僅根據(jù)兩守恒定律隨意書寫事實上不存在的核反應方程。核反應通常是不可逆的，方程中只能用箭頭“一”連接并指示反應方向，而不能用“=”連接。在無光子輻射的情況下，核反應中釋放的核能轉化為生成的新核和新粒子的動能。因而在此情況下可應用力學規(guī)律（動量守恒和能量守恒）來計算核能。人工核轉變：用高能離子轟擊靶核，產(chǎn)生另一種新核的反應過程。盧瑟夫發(fā)現(xiàn)質子的核反應：74 N +4 He T 87 O W H查德威克發(fā)現(xiàn)中子的核反應： TOC o 1-5 h z 9412c 14Be 2 He6 C 0 n約里奧居里夫婦發(fā)現(xiàn)放射性同位素和正電子的核反應： HYPERLINK

8、 l bookmark30 o Current Document 27430113 Al2 He15 P 0 n30300 HYPERLINK l bookmark32 o Current Document 15 P- 14 Si1e鈾核的裂變。235 U +0 n T 561 Ba +36 Kr +30 n聚變。2H +3HT4He +0 n14.核能核力：核子間的相互作用力。它是短程引力，作用范圍為：2.0M10,5m,只在相鄰的核子間發(fā)生作用。核能：核反應中放出的能量稱為核能。核能的計算：根據(jù)愛因斯坦質能方程，用核子結合成原子核時質量虧損（m）的千克數(shù)乘以真空中光速的平方。即 E =；：

9、mc2根據(jù)1原子質量單位（u）相當于931.5MeV能量，用核子結合成原子核時質量虧損的原 子質量單位數(shù)乘以 631.5MeV。即AE =Am x931.5MeV例1.已知氮核質量mN=14.00753u,氧核質量mO=17.00454u ,氯核質量mHe=4.00387u ,質 子質量mH=1.00815u,試判斷核反應：74 N +4 He T 87 O +： H是吸能反應，還是放能反應，能量變化多少？解析：先計算出質量虧損 m,然后由1u相當于931MeV能量代入計算即可。答案：反應前總質量 mN mHe =18.01140u反應后總質量 mo mH =18.01269u因為反應中質量增

10、加，所以此反應為吸能反應，所吸收能量為：E = . ：mc2 =（18.01269 -18.01140） 931M eV=1.2M eV15.放射性的應用與防護（1）應用：利用射線和作為示蹤原子。（2）防護：遠離放射源?！窘忸}方法指導】例2.氫原子處于基態(tài)（第一能級）、激發(fā)態(tài)（第二、三、四能級）時具有的能量分別為 Ei=0、E2=10.2eV、E3=12.1eV、E4=12.8eV。當氫原子從第四能級躍遷到第三能級時，輻射 的光子照射某種金屬時剛好能發(fā)生光電效應。現(xiàn)若有大量氫原子處于n=5 （第五能級）的激發(fā)態(tài)，則在向低能級躍遷時所輻射的各種能量的光子中，可使這種金屬發(fā)生光電效應的頻率種類有（

11、）A. 7 種B. 8 種C. 9 種D. 10 種點撥：（1）大量氫原子發(fā)生能級躍遷時，最多輻射的光譜線條數(shù)如何計算？ （2）輻射光子的頻率與能級間的能量差有什么關系？解析：依題意畫出氫原子的能級躍遷圖像，如圖所示。5 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark46 o Current Document J | | |41V 3H11-2當電子從n=4躍遷到n=3時，放出光子具有的能量為4 E=E4E3=0.70eV,由題意可得 金屬的逸出功為 0.70eV,要使該金屬發(fā)生光電效應，輻射光子的能量要大于或等于0.70eV。而大量氫原子從n=5能級向低能級躍遷時，可以

12、發(fā)出的光子能量由所畫能級圖可知共有9種，從能級圖可以得出n越大，相鄰的能級間能量差越小，即 E5 -E4 E4 -E3 E3 -E2 mp,氫原子核外的電子在這三個能級間躍遷，放出光子的能量分別用Enm，Emp，Enp表小，光子波長用 九nm，-mp*np表示，頻率用nm，mp，np表小，則 有：A E = E E-np nm mp1/ np = 1/ mp 1 / nm C j npnmmpD. Enp EnmEmp114 .7.已知質子質量 mp,中子質量 mn ,而子質量ma,若21H+2nT 2 He ,則：B. ma2 ( mp+ mn ).關于核力，下列說法正確的是:A.在原子核內

13、，任何兩核子之間，都存在著核力作用B.在原子核內，強大的核力只存在于相鄰的核子之間C.從本質上講，核力屬于萬有引力D.在原子核內，質子和質子能緊密結合在一起，是靠電場力.現(xiàn)有三個核反應：2424023511419212341 11Na- 12 Mg+e 92U+ 0n- 56 Ba+ 36 Kr + 30 n 1 H + 1H- 2 He + 0 n下列說法正確的是A.是裂變，是3衰變，是聚變B.是聚變，是裂變，是 3衰變C.是3衰變，是裂變，是聚變D.是3衰變，是聚變，是裂變.已知兀+介子、兀一介子都是由一個夸克（夸克 u或夸克d）和一個反夸克（反夸克 u或反夸克d）組成的，它們的帶電量如下

14、表所示，表中e為元電荷。十兀一兀Udud帶電量+ e一e+ 2e/3e/3-2e/3+ e/3下列說法正確的是A.兀+由u和d組成 B.兀+由和口組成C.兀一由u和d組成 D.兀一由d和U組成【綜合測試】.下列說法正確的是A.天然放射現(xiàn)象說明原子核內部有電子144161B.發(fā)現(xiàn)質子的核反應方程是：7 N+2 HST 8 O+1HC.由愛因斯坦質能方程 E=mc2可知，物體的能量與物體的速度的平方成正比D.從能級圖中可知，氫原子從n=2躍遷至ij n=1能級釋放出的光子的能量高于從n=8躍遷到n=2能級所釋放出的光子的能量口E/eV * .r .一 。o 54 TOC o 1-5 h z 4 1

15、 1 -0.B5312i ,-3.4.2 . .3 . .、2 . .2 . .3 . .12.兩個1H原子核可聚變成一個2 He原子核，核反應方程為1H +1 H T 2 He +0 n。已知2H的質量為m1, 0n的質量為m2, ；He的質量為m3。它們質量間的關系式正確的是 II 0223（ ）A. 2ml= m3 m2B. 2mlm3m2C. 2ml: m3m2d. 2mlm2= m3一個笊核1質量為m1，一個瓶核】 質量為m2,它們結合成一個質量為 m3的氨核。核反應方程如下：+； H He + X。在這一核反應過程中釋放的能量為A E。已知光 TOC o 1-5 h z 速為c。則

16、以下判斷正確的是（）X是質子X是正電子X的質量為+-m3AE4-m2 -m3 -X的質量為。一細束平行光經(jīng)玻璃三棱鏡折射后分解為互相分離的兩束光a和b,分別照射到相同的金屬板上，如圖所示。b光能從金屬板上打出光電子。則下列判斷正確的是A. a光也一定能從金屬板上打出光電子B.若a和b兩束光相遇，會產(chǎn)生干涉現(xiàn)象a光光子能量比b光光子能量小D.在真空中a光波長比b光波長短.某原子核Ax吸收一個中子后，放出一個電子，分裂為兩個“粒子。由此可知A. A=7 , Z = 3 B. A=7 , Z = 4 C. A=8 , Z= 3D. A=8 , Z= 4.下列核反應方程中的X代表中子的是A.；：一0

17、:洗+：出T用+x C.二-.某原子核X經(jīng)過a衰變后變成原子核 Y,則X的中子數(shù)比Y的中子數(shù)少2X的質量數(shù)比Y的質量數(shù)多2X的質子數(shù)比Y的質子數(shù)少2X的質子數(shù)比Y的質子數(shù)多2.放射性同位素11上破的半衰期是2小時。400g的11版樣品經(jīng)過4小時，還沒有發(fā)生衰 變的樣品有A. 400gB. 300gC. 200gD. 100g.如圖，是氫原子四個能級的示意圖。當氫原子從n= 4的能級躍遷到n= 3的能級時，輻射出光子a。當氫原子從n= 3的能級躍遷到n= 2的能級時，輻射出光子 b。則以下判斷正確 的是A.光子a的能量大于光子b的能量B.光子a的頻率大于光子b的頻率C.光子a的波長大于光子b的波

18、長D.在真空中光子a的傳播速度大于光子b的傳播速度E/eVS 35-1,513. 4-13,. 6. 14C是一種半衰期為5730年的放射性同位素，若考古工作者探測到某古木中14C的含量為原來的1/4,則該古樹死亡時間距今大約A. 22920 年 B. 11460 年 C. 5730 年 D. 2865 年.現(xiàn)代物理學認為，原子的可能狀態(tài)是不連續(xù)的，因此各狀態(tài)對應的能量也是不連續(xù)的。這些能量值叫做能級。若已知氫原子處于量子數(shù)n = 2和n= 5的激發(fā)態(tài)時的能量分別為 E2和E5,普朗克常量為h,真空中光速為c,則氫原子由n= 5的激發(fā)態(tài)向n= 2的激發(fā)態(tài)躍遷時向 外輻射的光子的波長為 TOC o 1-5 h z E5-EahehA.B., C. 1 ：D.天然放射線有三種：豆射線、P射線、下射線。以下說法正確的是()A.這三種射