光電效應(yīng)、量子理論、原子及原子核物理

1、光電效應(yīng)、量子理論、原子及原子核物理（專(zhuān)題復(fù)習(xí)）一、光的波動(dòng)性（略）、光的粒子性1、光電效應(yīng)（1）光電效應(yīng)在光（包括不可見(jiàn)光）的照射下，從物體發(fā)射出電子的現(xiàn)象稱(chēng)為光電效應(yīng)。光電管光電管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(gè)極限頻率，入射光的頻率必須大于這個(gè)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(dòng)能與入射光的強(qiáng)度無(wú)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(shí)，光電流強(qiáng)度（反映單位時(shí)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(guò) 109秒。2、波動(dòng)說(shuō)在光電效應(yīng)上遇到的困難 波動(dòng)說(shuō)認(rèn)為：光的能量即光的

2、強(qiáng)度是由光波的振幅決定的與光的頻率無(wú)關(guān)。所以 波動(dòng)說(shuō)對(duì)解釋上述實(shí)驗(yàn)規(guī)律中的條都遇到困難3、光子說(shuō)（1）量子論：1900 年德國(guó)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(chēng)為一個(gè)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=6.63X 10-34j.s4、光子論對(duì)光電效應(yīng)的解釋 金屬中的自由電子，獲得光子后其動(dòng)能增大，當(dāng)功能大于脫出功時(shí)，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(shí)最大

3、初功能也越大。三、波粒二象性1、光的干涉和衍射現(xiàn)象，說(shuō)明光具有波動(dòng)性，光電效應(yīng)，說(shuō)明光具有粒子性，所以光具有波粒二象性。2、個(gè)別粒子顯示出粒子性，大量光子顯示出波動(dòng)性，頻率越低波動(dòng)性越顯著，頻率越高粒子性越顯著3、光的波動(dòng)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(dòng)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(méi)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(guó)物理學(xué)家湯姆生，對(duì)陰

4、極射線進(jìn)行了一系列的研究，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(gè)帶電小球，它的正電荷均勻分布在整個(gè)球體內(nèi)，而帶負(fù)電的電子鑲嵌在正電荷啟射源 金箔中。啟射源 金箔2、Q粒子散射實(shí)驗(yàn)和原子核結(jié)構(gòu)模型（1）Q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:絕大多數(shù)a粒子穿過(guò)金箔后，仍沿原來(lái)方向運(yùn)動(dòng)，不發(fā)生偏轉(zhuǎn)。有少數(shù)a粒子發(fā)生較大角度的偏轉(zhuǎn)有極少數(shù)以粒子的偏轉(zhuǎn)角超過(guò)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a粒子的質(zhì)量是電子質(zhì)量的七千多倍，所以電子不

5、會(huì)使a粒子運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生明顯的改變，只有原子中的正電荷才有可能對(duì)a粒子的運(yùn)動(dòng)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(guò)金箔的a粒了所受正電荷的作用力在各方向平衡，a粒了運(yùn)動(dòng)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(guò)對(duì)a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(gè)很小的核, 稱(chēng)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1O-1om。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）電子繞核

6、作圓周運(yùn)動(dòng)是加速運(yùn)動(dòng)，按照經(jīng)典理論，加速運(yùn)動(dòng)的電荷，要不斷地向周?chē)l(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。電子繞核旋轉(zhuǎn)時(shí)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(gè)矛盾說(shuō)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(gè)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(dòng), 但并不向外在輻射

7、能量，這些狀態(tài)叫定態(tài)。躍遷假設(shè)：原子從一個(gè)定態(tài)（設(shè)能量為E ）躍遷到另一定態(tài)（設(shè)能量為E ）時(shí)，它輻射成吸收一定頻率的光子,21光子的能量由這兩個(gè)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(duì)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(dòng)量mv的乘積等于h/2兀的整數(shù)倍，即：軌道半徑跟電了動(dòng)量mv的乘積等h于h/ 2兀的整數(shù)倍，即mvr二nn二1、2、3n為正整數(shù)，稱(chēng)量數(shù)數(shù)（3）玻爾的氫子模型：氫原子的能級(jí)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)算出氫原和電子軌道半徑r和電子軌道半

8、徑rn分別為：氫原 子中電子在第幾條可能軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí)， 氫原 子的 能量 E ， niin n = 1、2、r = n2rn1其中E、r為離核最近的第一條軌道（即n=l）的氫原子能量和軌道半徑。即: E= 13.6ev, r =0.53X 10-im（以1 1 1 1 電子距原子核無(wú)窮遠(yuǎn)時(shí)電勢(shì)能為零計(jì)算）氫原子的能級(jí)圖：氫原子的各個(gè)定態(tài)的能量值，叫氫原子的能級(jí)。按能量的大小用圖開(kāi)像的表示出來(lái)即能 級(jí)圖。M=ca0m=4 -0.85evh= 3 -1.51evm= 23.斗即n= 1 -13.6ev其中 n=1 的定態(tài)稱(chēng)為基態(tài)。 n=2 以上的定態(tài)，稱(chēng)為激發(fā)態(tài)。二、原子核1 、天然放射現(xiàn)象（ 1

9、）天然放射現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)： 1896 年法國(guó)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(jiàn)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(chēng)放射性放射性元素：具有放射性的元素稱(chēng)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(chǎng)和磁場(chǎng)來(lái)研究放射性元素射出的射線，在電場(chǎng)中軌跡，如圖（ 1）：成份組成性質(zhì)電離作用貫穿能力a射線氦核組成的粒子流很強(qiáng)很弱0射線高速電子流較強(qiáng)較強(qiáng)丫射線咼頻光子很弱很強(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

10、稱(chēng)為衰變?cè)谠雍说乃プ冞^(guò)程中，電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù) 守恒類(lèi)型衰變方程規(guī)律a 衰變mtn-4 I 4ttpzz-2v+2HeJ電荷數(shù)減少2 新核1質(zhì)量數(shù)減少40衰變、J電荷數(shù)增加1 新核（質(zhì)量數(shù)不變丫射線是伴隨a、P衰變放射出來(lái)的高頻光子流在卩衰變中新核質(zhì)子數(shù)多一個(gè)，而質(zhì)量數(shù)不變是由于反映中有一個(gè)中子變?yōu)橐粋€(gè)質(zhì)子和一個(gè)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(shí)間，稱(chēng)該元素的半衰期。一放射性元素，測(cè)得質(zhì)量為m,半衰期為T(mén)，經(jīng)時(shí)間t后，剩余未衰變的放射性元素的質(zhì)量為mmm = o2t/T3、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)

11、 變。(1)質(zhì)子的發(fā)現(xiàn)：1919年，盧瑟福用a粒子轟擊氦原子核發(fā)現(xiàn)了質(zhì)子。14 N+4HeT 170+ 1H7281(2)中子的發(fā)現(xiàn)：1932年，查德威克用a粒子轟擊鈹核，發(fā)現(xiàn)中子。汩亡+陽(yáng)亡一罪+汕4、原子核的組成和放射性同位素原子核的組成：原子核是由質(zhì)子和中子組成，質(zhì)子和中子統(tǒng)稱(chēng)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)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(chēng)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a粒子轟擊鋁時(shí)，發(fā)生核反應(yīng)。Al + He一器 P + ；n誇P發(fā)生+卩衰變，放出正電子iP三、核能：1、核能：核子結(jié)

12、合成的子核或?qū)⒃雍朔纸鉃楹俗訒r(shí)，都要放出或吸收能量，稱(chēng)為核能。例如：H+F痕+枷；H+Jn一jH+r2、質(zhì)能方程：愛(ài)因斯坦提出物體的質(zhì)量和能量的關(guān)系：E = mc 2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：AE二Amc2例：計(jì)算Am = 1卩=1.6606 x 10切kg的質(zhì)量相當(dāng)?shù)哪芰緼E = ?AE = Am - c 2=16606 x 10-27 x(2.9979 x 108)=14924 x 10-10 J=0.9315

13、x 109 (ev)=9315(mev)為了計(jì)算方便以后在計(jì)算核能時(shí)我們用以下兩種方法方法一：若已知條件中Am以千克作單位給出，用以下公式計(jì)算AE = Am - c 2公式中單位： Amkg; Cm / s; AE = J方法二：若已知條件中Am以卩作單位給出，用以下公式計(jì)算AE = Dm x 931.5(Mev / m)公式中單位： Dmkg ； AE = Mev4、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(gè)中等質(zhì)量的核的反應(yīng)，叫做原子核的裂變反應(yīng)。例如：袞U+止一觴Sf+攀掃鏈?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。Ja)裂變物質(zhì)的體積，超過(guò)臨界體積鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的條件：|b)有中子進(jìn)入裂變物質(zhì)益5 U裂變時(shí)平均每個(gè)核子放能約iMev能量lkg益5U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)