專題16++波粒二象性++原子結構與原子核

PAGEPAGE6一、波粒二象性1．光電效應(1)光電效應的規(guī)律①任何一種金屬都有一個截止頻率，低于這個截止頻率則不能發(fā)生光電效應．②光電子的最大初動能與入射光的強度無關，隨入射光頻率的增大而增大．③光電效應的發(fā)生幾乎是瞬時的．④大于截止頻率的光照射金屬時，光電流強度與入射光強度成正比．(2)光電流與電壓的關系給光電管加反向電壓時，隨電壓的增大，光電流逐漸減小，當電壓大于或等于遏止電壓時，光電流為0.如圖所示，給光電管加正向電壓時，隨電壓的增大光電流逐漸增大，當電壓增大到某一值時，光電流達到飽和值，再增大電壓，光電流不再增加．2．光子說(1)光子：在空間傳播的光是不連續(xù)的，而是一份一份的，每一份稱為一個光量子，簡稱光子．(2)光子的能量：E＝hν，h為普朗克常量，h＝6.63×10－34J·s.每個光子的能量只取決于光的頻率．3．光電效應方程(1)最大初動能與入射光子頻率的關系：Ek＝hν－W0.(2)若入射光子的能量恰等于金屬的逸出功W0，則光電子的最大初動能為零，入射光的頻率就是金屬的截止頻率．此時有hνc＝W0，即νc＝eq\f(W0,h)，可求出截止頻率．(3)Ek－ν曲線：如圖所示，由Ek＝hν－W0可知，橫軸上的截距是金屬的截止頻率或極限頻率，縱軸上的截距是金屬的逸出功的負值，斜率為普朗克常量h.4．光的波粒二象性實驗基礎表現(xiàn)光的波動性干涉和衍射①光是概率波，即光子在空間各點出現(xiàn)的概率可用波動規(guī)律來描述；②足夠數量的光子在傳播時，表現(xiàn)出波的性質.說明：光的波動性不同于宏觀概念的波光的粒子性光電效應和康普頓效應①當光同物質發(fā)生作用時，這種作用是“一份一份”進行的，表現(xiàn)出粒子的性質；②少量或個別光子顯示出光的粒子性.說明：光子不同于宏觀概念的粒子波動性和粒子性的對立與統(tǒng)一①大量光子易顯示出波動性，而少量光子易顯示出粒子性；②波長長(頻率低)的光波動性強，而波長短(頻率高)的光粒子性強；③光子說并未否定波動性，光子能量E＝hν＝eq\f(hc,λ)中，ν和λ就是與波有關的物理量；④波和粒子在宏觀世界是不能統(tǒng)一的，而在微觀世界卻是統(tǒng)一的5.物質波(德布羅意波)由光的波粒二象性的思想推廣到微觀粒子和任何運動著的物體上去，得出物質波(德布羅意波)的概念：任何一個運動著的物體都有一種波與它對應，該波的波長λ＝eq\f(h,p).二、原子的結構1．原子的核式結構(1)電子的發(fā)現(xiàn)湯姆孫發(fā)現(xiàn)了電子，并提出了原子的棗糕式模型．(2)α粒子散射實驗1909～1911年，英國物理學家盧瑟福和他的助手進行了用α粒子轟擊金箔的實驗，發(fā)現(xiàn)絕大多數α粒子穿過金箔后基本上仍沿原來方向前進，但有少數α粒子發(fā)生了大角度偏轉，偏轉的角度甚至大于90°，也就是說它們幾乎被“撞”了回來．為了解釋α粒子的大角度散射，盧瑟福提出了原子的核式結構模型：在原子中心有一個很小的核，原子全部正電荷和幾乎全部的質量都集中在核里，帶負電的電子在核外空間繞核旋轉．2．玻爾原子模型(1)玻爾假說的內容①軌道量子化：原子的不同能量狀態(tài)跟電子在不同的圓軌道繞核運動相對應．原子的定態(tài)是不連續(xù)的，因此電子的軌道也是不連續(xù)的．②能量狀態(tài)量子化：原子只能處于一系列不連續(xù)的能量狀態(tài)中，在這些能量狀態(tài)中原子是穩(wěn)定的，電子雖然繞核運動，但并不向外輻射能量．③躍遷假說：原子從一種定態(tài)躍遷到另一種定態(tài)時，它輻射或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hν＝Em－En.(2)氫原子的能級結構及能級公式①原子各定態(tài)的能量值叫原子的能級．對于氫原子，其能級公式為En＝eq\f(E1,n2)，對應的軌道半徑公式為rn＝n2r1.其中，n為量子數，只能取正整數；E1＝－13.6eV，r1＝0.53×10－10m.②原子的最低能量狀態(tài)為基態(tài)，對應電子在離核最近的軌道上運動；較高的能量狀態(tài)稱為激發(fā)態(tài)，對應電子在離核較遠的軌道上運動．氫原子的能級圖如圖所示．(3)氫原子光譜氫原子光譜的實驗規(guī)律：氫原子光譜線是最早被發(fā)現(xiàn)、研究的光譜線，這些光譜線可用一個統(tǒng)一的公式表示：eq\f(1,λ)＝Req\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,m2)－\f(1,n2)))，式中R叫里德伯常量，R＝1.10×107m－1，m＝1，2，3，…對每一個m，有n＝m＋1，m＋2，m＋3，…構成一個譜線系．三、核反應1．衰變：原子核自發(fā)地放出某種粒子而轉變成新核的變化．可分為α衰變、β衰變，并伴隨著γ射線放出．2．α衰變和β衰變的比較α衰變β衰變衰變方程eq\o\al(A,Z)X→eq\o\al(A－4,Z－2)Y＋eq\o\al(4,2)Heeq\o\al(A,Z)X→eq\o\al(A,Z＋1)Y＋eq\o\al(0,－1)e典例eq\o\al(238,92)U→eq\o\al(234,90)Th＋eq\o\al(4,2)Heeq\o\al(234,90)Th→eq\o\al(234,91)Pa＋eq\o\al(0,－1)e衰變實質2eq\o\al(1,1)H＋2eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(4,2)Heeq\o\al(1,0)n→eq\o\al(1,1)H＋eq\o\al(0,－1)e衰變規(guī)律電荷數守恒，質量數守恒注意：γ射線是伴隨α衰變或β衰變產生的，不改變原子核的核電荷數和質量數，其實質是產生的某些新核由于具有過多的能量而輻射出的光子．3．半衰期(1)半衰期：放射性元素的原子核有半數發(fā)生衰變所需的時間．半衰期由原子核內部的因素決定，跟原子所處的物理、化學狀態(tài)無關．(2)半衰期公式：N余＝N原eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2)))eq\s\up12(t/τ)，m余＝m原eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2)))eq\s\up12(t/τ).式中N原、m原表示衰變前放射性元素的原子數和質量，N余、m余表示衰變后尚未發(fā)生衰變的放射性元素的原子數和質量，t表示衰變時間，τ表示半衰期．4．核反應類型核反應有4種類型，即衰變、人工核轉變、聚變及裂變.4種核反應類型對比如下：種類可控性核反應方程典例衰變α衰變自發(fā)eq\o\al(238,92)U→eq\o\al(234,90)Th＋eq\o\al(4,2)Heβ衰變自發(fā)eq\o\al(234,90)Th→eq\o\al(234,91)Pa＋eq\o\al(0,－1)e人工轉變人工控制eq\o\al(14,7)N＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(17,8)O＋eq\o\al(1,1)H(盧瑟福發(fā)現(xiàn)質子)eq\b\lc\(\a\vs4\al\co1(eq\o\al(27,13)Al＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(30,15)P＋eq\o\al(1,0)n,eq\o\al(30,15)P→eq\o\al(30,14)Si＋eq\o\al(0,＋1)e))(約里奧·居里夫婦發(fā)現(xiàn)放射性同位素，同時探測到正電子)重核裂變較容易人工控制eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(144,56)Ba＋eq\o\al(89,36)Kr＋3eq\o\al(1,0)neq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(136,54)Xe＋eq\o\al(90,38)Sr＋10eq\o\al(1,0)n輕核聚變無法控制eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)n注意：4種核反應都遵循質量數守恒和電荷數守恒的規(guī)律．四、核能1．核力及其特點原子核里的核子間存在著相互作用的核力，核力把核子緊緊地束縛在核內，形成穩(wěn)定的原子核．核力具有以下特點：(1)核力是強相互作用(強力)的一種表現(xiàn)，在它的作用范圍內，核力比庫侖力大得多．(2)核力是短程力，作用范圍在1.5×10－15m之內．(3)每個核子只跟相鄰的核子發(fā)生核力作用，這也稱為核力的飽和性．2．結合能(1)結合能：克服核力束縛，使原子核分解為單個核子時需要的能量，或若干個核子在核力作用下結合成原子核時放出的能量．(2)比結合能：原子核的結合能與核子數之比，也叫平均結合能．比結合能越大，表示原子核、核子結合得越牢固，原子核越穩(wěn)定．3．質量虧損(1)愛因斯坦質能方程：E＝mc2.(2)質量虧損：原子核的質量小于組成它的核子的質量之和的現(xiàn)象．4．裂變與聚變(1)重核裂變：重核俘獲一個中子后分裂成為兩個中等質量的核的反應過程．重核裂變的同時放出幾個中子，并釋放出大量核能．為了使鈾235裂變時發(fā)生鏈式反應，鈾塊的體積應大于它的臨界體積．裂變的應用：原子彈、原子反應堆．(2)輕核聚變：某些輕核結合成質量較大的核的反應過程，反應時釋放出大量的核能．要想使氘核和氚核合成氦核，必須達到幾百萬攝氏度以上的高溫，因此聚變反應又叫熱核反應．聚變的應用：氫彈．1．一群原子和一個原子：氫原子核外只有一個電子，這個電子在某個時刻只