原子物理概念

选修 3-5 原子物理基础概念第一章 光的波粒二象性一、光电效应1概念：光电效应：当波长较短的可见光或紫外光照射到某些金属表面上时，金属中的电子就会从光中吸取能量而从金属表 面逸出的现象逸出的电子叫光电子2实验规律：存在饱和电流、遏止电压和截止频率、光电效应具有瞬时性3. 爱因斯坦光电效应方程：E =mv2 = hv -Wk 2 0爱因斯坦对光电效应的解释：(1) 光强大，光子数多，释放的光电子也多，所以光电流也大.(2) 电子只要吸收一个光子就可以从金属表面逸出，所以无须时间的累积(3) 从方程可以看出光电子初动能和照射光的频率成线性关系.4. 密立根验证爱因斯坦光电效应方程的正确性。二、光的波粒二象性1. 概念：光的波粒二象性：光既具有波动性，又具有粒子性，即光具有波粒二象性 光的干涉、衍射和偏振现象确认了光的波动性。光电效应和康普顿效应揭示了光的粒子性，光电效应表明光子具有能量= hv ；康普顿效应表明光子具有动量 hp=r。2. 光的波动性和粒子性的比较：光的粒子性 (1)与物质发生作用时，表现出粒子的性质 (2)少量或个别光子容易显示出粒子性 (3)频率较大时，易显 示出粒子性光的波动性 (1)传播时，表现出波动的性质 (2)大量光子容易显示出波动性 (3)频率较小时，易显示出波动性(4) 光的波动性是光子本身的一种属性，不是光子之间相互作用产生的。3. 德布罗意波(物质波)：与实物粒子相联系的波. 戴维孙和汤姆孙利用晶体做了电子的束衍射的实验，证实了电子的波动性。 光波、德布罗意波是一种概率波。4. (海森伯)不确定性关系：不可能同时准确地知道粒子的位置和动量，不可能用“轨迹”来描述粒子的运动。三、黑体辐射1. 黑体：能全部吸收各种波长的辐射而不发生反射，折射和透射的物体称为绝对黑体，简称黑体 特征：黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体的温度有关，与材料的种类及表面状况无关。2. 黑体辐射的实验规律：随着温度的增高，一方面各种波长的辐射强度都有增加，另一方面辐射强度的极大值向速度=波长X频率V二九f波长较短的方向移动。补充知识：在速度一定(如电磁波的波速等于光速是不变)的情况下，波长和频率成反比。频率常用的有两个符号Ek = 2 mv 2 =如-W0希腊字母表示频率V二九f英语字母表示频率第二章 原子结钩、卢瑟福a粒子散射实验 实验结果：绝大多数：沿原方向前进；少数：发生大角度偏转，甚至偏角超过900。卢瑟福由此分析：占原子质量绝大部分的带正电的那部分物质集中在很小的空间范围，这样才会使a粒子在经过时 受到很强的斥力，才可能使a粒子发生大角度的偏转。实验意义：否认了汤姆孙的原子结构模型(枣糕模型)，提出了原子核式结构模型，明确了原子核的大小数量级， 使人类对原子结构的认识发生了质的飞跃。二、氢原子光谱1光谱是指光的频率成分和强度分布的关系，它是研究原子结构的一个重要途径按照普朗克的量子理论，光的频率与光子的能量成正比，即= hU2氢原子是最简单的原子，其光谱规律也是最简单、最能反映出原子内部能级结构的基本规律3每种原子都有其特定的原子光谱，也叫“明线光谱”，不同的原子，其原子光谱均不相同，我们可以通过光谱分析鉴别不同的原子，确定物体的化学成分并发现新元素。太阳的光谱是吸收光谱。 (阳光透过太阳的高层大气射向地球时，太阳高层大气含有的元素会吸收它自己特征谱线的光三、原子的能级结构1. 玻尔的原子模型玻尔假说的内容： 能量状态量子化：原子只能处于与轨道量子化对应的不连续的能量状态中，在这些状态中，原子是稳定的，不辐射能量； 跃迁假说：原子从一种定态向另一种定态跃迁时，吸收(或辐射)一定频率的光子。光子能量由这两个定态的能量差决定：* E E .2 1 轨道量子化：原子的不同能量状态跟电子在不同的圆周轨道绕核运动相对应。原子的定态是不连续的，因而原子核外电子的可能轨道也是不连续的,是某些分立的数值。(2)氢原子能级 氢原子在各个能量状态下的能量值，叫做它的能级.最低的能级状态，即电子在离原子核最近的轨道上运动的状态叫做基态，处于基态的原子最稳定，其他能级叫激发态 氢原子各定态的能量值，为电子绕核运动的动能Ek和电势能E的代数和.kpE E (n 1,2,3)其中E为基态能量E 13.6eVn n 2111重点理解对于原子跃迁条件要正确理解(1) 氢原子从低能级向高能级跃迁：吸收一定频率的光子，当光子的能量满底-hv E E时，才能被某一21个原子吸收，否则不吸收。(2) 氢原子从高能级向低能级跃迁：以光子的形式向外辐射能量，所辐射的光子能量恰等于发生跃迁时两能级间 的能量差。(3) 电离：当光子能量大于或等于原子所处在的能级时，也可以被氢原子吸收，使氢原子电离，多余的能量作为 电子的初动能。(4) 光谱线条数：一群氢原子处于量子数为n的激发态时，可能辐射出的光谱线条数为N -巴异(5) 跃迁时能量的变化： 当轨道半径减小时，库仑引力做正功，原子电势能减小，电子动能增大，原子总能量减小。 当轨道半径增大时，库仑引力做负功，原子电势能增大，电子动能减小，原子总能量增大。能级跃迁能量差若是辐射光子，则可以向外辐射的光谱条数w - - O.1洁3-1.51? 3 4-(12113.6-3.4=10.213113.6-1.51=12.0934113.6-0.85=12.7561 一 13WD5113.6-0.54=13.06103波尔理论的局限性：波尔原子理论的成功之处就是引入了量子化的概念，失败之处是保留了过多的经典物理理 论。无法解释复杂的原子的光谱现象。4原子光谱及应用 原子光谱：元素在稀薄气体状态下的光谱是分立的线状谱，由一些特定频率的光组成。 原子光谱的应用：每种元素的原子光谱都有自己的一组特定谱线，应用光谱分析可以确定物质的化学成分.第三章 原子核一、放射性的发现与原子核的组成 11896年法国物理学家贝克勒尔发现，铀核含铀的矿物能发出看不见的射线。物体发射出射线的性质叫放射性具有放射性的元素叫放射性元素放射性的发现揭示了原子核内部有复杂的结构2. 1919年英国物理学家卢瑟福用a粒子轰击氮核时发现了一新粒子，命名为质子，并断定质子是原子核的组成部分1932年卢瑟福的学生查德威克在研究用a粒子轰击铍核的实验中，产生一种能量较高、贯穿能力很强的中性粒 子，证实了中子的存在.3. 原子核的组成：质子和中子组成了原子核.质子和中子统称为核子.原子核的质量数等于其核子数，原子核的 电荷数等于其质子数原子核的中子数N等于其质量数A与电荷数Z之差，即N=A Z二、原子核的衰变、半衰期1 .衰变(1)原子核自发地放出某种粒子而转变为新核的变化叫做原子核的衰变.放射性元素衰变时放出的射线共有三种：a射线、B射线和Y射线，其射线的本质和性质如下表:种类本质电离本领穿透本领a射线4 He 氦核2最强最弱(空气中几厘米或一张薄纸)B射线0 e电子-1较弱很强(几毫米的铝板)Y射线光子最弱最强(几厘米的铝板)(2)按照衰变时放出粒子的不同又分为a衰变和B衰变，其核反应方程a 衰变238U T 234 Th + 4He92902B衰变234Th T234Pa + oeB衰变的实质在于核内的中子转化成了一个质子和一个电子9091-1(3) Y射线是伴随着a衰变和B衰变同时发出的，它不改变原子核的电荷数和质量数，其实质是放射性原子核在发 生a衰变或B衰变过程中，产生的新核，由于具有过多的能量而辐射出光子。2. 半衰期(1) 半衰期是放射性元素的原子核有半数发生衰变需要的时间，它表示放射性元素衰变的快慢.半衰期是由核本身的性质决定的，与它所处的物理状态或化学状态无关.不同的放射性元素半衰期不同.(2) 元素的半衰期是一种统计规律，只有对大量的原子核才是适用的.若对某个原子核，它的衰变时间完全由偶然因素支配，无任何规律可言.三、同位素及放射性同位素的应用1具有相同的质子数而中子数不同的原子，在元素周期表中处于同一位置，因而互称同位素，它们具有相同的化 学性质具有放射性的同位素，叫放射性同位素2.工业上常用Y射线的强穿透性，来检查金属内部的伤痕；农业上用Y射线防治害虫、培育良种生物；医学上用Y射线消毒灭菌等利用a、B射线排泄织物和纤维上聚集的有害静电.四、核力、核反应方程类型可 控 性核反应方程典例、，、.-sS* 注意衰 变a 衰 变自 发238U T 234 Th + 4He92902Y射线是伴随着a衰(1) 核反 应方程一 般不可逆。(2) 核反 应的生成 物以实验 为基础，不 可凭空想 象。(3) 核反 应遵循质 量数守恒(不是质 量守恒)和 核电荷数 守恒B 衰 变自 发234Th T 234Pa + 0e90911变和B衰变同时发出 的人工 转 变人 工 控 制14 N + 4HeTi7 O + 1H7281卢瑟福发现质子9 Be + 4HeTi2C + in4260查德威克发现中子27 Al + 4HeT 30p + in132150居里夫妇发现放射性 同位素，同时发现正 电子。30 P T 30 Pa + 0e15141重核裂变比 较 容 易 进 行 人 工 控 制235U + 1nT144Ba + 89Kr +31 n92056360由于中子的增值使裂 变反应能持续地进行 的过程称为链式反 应。发生链式反应的 条件是：裂变物质的 体积临界体积。 应用：原子弹、原子 反应堆。235U + 1nT136Xe+ 9oSr + 101n92054380轻核聚变除 氢 弹 外 无 法 控 制2 H+3H t 4He + 1n1120发生聚变反应的条件 是：超高温(几百万度 以上)-热核反应。 应用：氢弹、可控热 核反应。1核反应及核反应方程 元素的原子核变化的过程即为核反应，核反应有天然衰变、人工转变、重核裂变和轻核聚变四种类型，其中重核裂 变和轻核聚变是人们获得核能的两个重要途径原子弹和氢弹就是分别利用重核裂变和轻核聚变原理制成的高能量杀伤性武器，目前的核电站都是利用重核裂变释 放的核能来发电的2核力和核能 核力：核子间作用力其特点为短程强引力：作用范围为2.0xl0-i5m,只在相邻的核子间发生作用。 核能：核子结合为原子核时释放的能量或原子核分解为核子时吸收的能量，叫做原子核的结合能，亦称核能. 组成原子核的核子越多，它的结合能越高。结合能与核子数之比，称为比结合能。也叫平均结合能。 比结合能越大，原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定。 质能方程、质量亏损爱因斯坦质能方程召 E=mc2 说明物体的质量和能量之间存在着一定的关系，一个量的变化必然伴随着另一个量的 变化.核子在结合成原子核时放出核能，因此，原子核的质量必然比组成它的核子的质量和要小An,这就是 质量亏损.由质量亏损可求出释放的核能E=AmC2。反之亦可 E=AmC2是计算核能的常用方法.在具体应用中要注意单位制的统一及不同单位的换算.若质量单位取原子质量单位u,贝9： lu=1.66 x 10-27kg相当于931.5MeV此结论亦可在计算中直接应用.注意：对于质量亏损，切忌不能认为这部分质量转化成了能量，质能方程的本质是：第一，质量或能量是物质的属 性之一，决不能把物质和它们的某一属性（质量和能量）等同起来.第二，质能方程揭示了质量和能量的不可分 割性，方程建立了这两个属性在数值上的关系，这两个量分别遵守质量守恒和能量守恒，质量和能量在量值上 的联系决不等于这两个量可以相互转化.第三，质量亏损不是否定了质量守恒定律，生成的Y射线虽静质量为 零，但动质量不为零.3. 核电站核燃料-反应堆使用浓缩铀制成铀棒，作为核燃料，释放核能慢化剂石墨、重水、轻水。作用：快中子与慢化剂中的原子核碰撞后，中子能量减少，变成慢中子。控制棒镉棒作用：通过吸收中子，来调节中子数目以控制反应速度水或液态的金属钠等流体在反应堆内外循环流动，把反应堆内的热量传输出去，用于发电, 同时也使反应堆冷却。历史人物及相关成就1. JJ汤姆逊模型一一通过研究阴极射线在电磁场中的偏转发现电子，并求出其比荷。电子的发现使之认识到原子有复杂结构，提出枣糕模型。2. 密立根：油滴实验测量出电子的电荷量3. 卢瑟福：a粒子散射实验一一说明原子的核式结构模型4. 玻尔：吸取普朗克、爱恩斯坦的量子概念，提出原子结构的玻尔理论，成功解释了氢原子光谱.但有局限性。5. 卢瑟福：用a粒子轰击氮核，第一次实现了原子核的人工转变，并发现了质子6. 贝克勒尔：发现天然放射现象，说明原子核也有复杂的内部结构7. 查德威克：在a粒子轰击铍核时发现中子（原子核人工转变的实验）。8. 约里奥居里夫妇：发现正电子 9爱因斯坦：质能方程 E=nc2