近代物理初步
第15讲近代物理初步课件课件
【典例2】(多选)(2013·天津北辰区二模)钚(Pu)是一种具有
放射性的超铀元素。已知钚的一种同位素
239 94
Pu
的半衰期为
24
100年，其衰变方程为
239 94
Pu
X
4 2
He
，下列有关说法
正确的是( )
A.X原子核中含有143个中子
B.80个
239 94
Pu
经过24
100年后一定还剩余40个
C.衰变发出的γ射线是频率很大的电磁波，具有很强的穿透
能力
D.由于衰变时释放巨大能量，根据E=mc2，衰变过程总质量增
加
【解题探究】 (1)核反应过程遵循_质__量__数__守恒和_电__荷__数__守恒。 (2)半衰期是一个_统__计__规律，是针对_大__量__原__子__核__衰变规律的 总结。 (3)γ射线的组成是_高__频__电__磁__波__，速度为_光__速__。
源，其一种裂变反应式是
U 235
92
10
n
144 56
Ba
89 36
Kr
310 n。下列说
法正确的有( )
A.上述裂变反应中伴随着中子放出
B.铀块体积对链式反应的发生无影响
C.铀核的链式反应可人工控制
D.铀核的半衰期会受到环境温度的影响
【解析】选A、C。核裂变反应是重核被中子轰击后分裂成两 个中等质量的原子核并放出若干个中子的反应，A选项正确； 铀块要发生链式反应需达到一定的体积，B选项错误；链式反 应可人工控制用以建立核电站，C选项正确；原子核的半衰期 由原子核本身的性质决定，与其所处的环境或状态无关，D选 项错误。
电子课文.近代物理初步
电子课文·近代物理初步19世纪后期，经典物理在理论上建立了完整的体系，在应用上也取得了巨大的成就．尽管当时还有几个问题难以用经典的理论解释清楚，但是人们却普遍认为物理学的整体已经相当完善，只是需要小修小补的问题了．然而，正是这几个在当时难以回答的问题，引发了物理学急风暴雨式的变革，产生了崭新的物理学理论．这就是在20世纪初建立起来的相对论、量子力学两大基本理论，以及以这些理论为基础的核物理、粒子物理、半导体、天体物理等近代物理内容．近代物理的内容很广，这里我们只学习原子和原子核的结构．前面“光的本性”一章中的许多内容，也属于近代物理学．电子课文·原子和原子核100多年前，化学家从实验中知道，物质是由分子组成的，分子是由原子组成的．直到19世纪下半叶，人们还一直认为原子是不可再分的．随着物理学研究的深入，19世纪末，人们发现了一些新的事实，表明原子是由更基本的微粒组成的．从此以后，原子内部结构的研究成为物理学的一个重要分支．到目前为止，人们对原子和原子核的认识已经相当深入，并在这些认识的基础上开发出新的能源——核能．这一章我们就来学习关于原子和原子核的初步知识．电子课文·原子的核式结构原子核原子的核式结构模型 1897年，汤姆孙(1856－1940)发现了电子．不久，人们又发现，在气体电离和光电效应等现象中，都可以从物质中击出电子．电子的质量比最轻的氢原子的质量小得多，因而认为电子是原子的组成部分．电子带负电，而原子是电中性的，可见，原子内还有带正电的物质．这些带正电的物质和带负电的电子如何构成原子呢？1909年到1911年，英国物理学家卢瑟福(1871—1937)和他的助手们进行了α粒子散射的实验．图20－1是实验装置的示意图．用α射线照射金箔，由于金原子中的带电微粒对α粒子有库仑力的作用，一些α粒子穿过金箔后会改变原来的运动方向，这个现象叫做α粒子的散射．卢瑟福希望通过对散射的分析来了解原子内部电荷与质量的分布情形．在初中物理中已经学过．α粒子由2个质子和2个中子组成，带正电．实验的结果是，绝大多数α粒子穿过金属箔后仍沿原来的方向前进，但是有少数α粒子发生了较大的偏转．对于看不见摸不着的研究对象，人们常常根据一定的事实．提出一种“模型”来代表它．然后根据新的实验事实和理论分析，对模型加以修正，从而逐步加深对研究对象的认识．电子的质量很小，它不会影响α粒子的运动，就像一粒尘埃不能影响子弹的飞行一样．因此，α粒子的散射一定是由于原子内的正电荷对它的斥力产生的．实验中观察到的大角度散射使卢瑟福感到惊奇，因为只有当α粒子受到很强的斥力时它的运动方向才能发生这样大的改变．原子中的正电荷与原子的质量一定集中在一个很小的核上，否则大角度的散射是不可能的．卢瑟福精确统计了向各个方向散射的α粒子的数目，在此基础上提出了原子的核式结构模型：在原子的中心有一个很小的核，叫做原子核，原子的全部正电荷与几乎全部质量都集中在原子核里；带负电的电子在核外的空间运动．按照这个模型，由于原子核很小，大部分α粒子穿过金属箔时都离核很远，受到的斥力很小，它们的运动几乎不受影响；只有极少数α粒子从原子核附近飞过，明显地受到原子核的库仑斥力而发生大角度的偏转(图20－2)．按照卢瑟福的核式结构模型，原子内部是十分“空旷”的．近年来的研究表明，原子直径的数量级(实际就是电子运动范围的数量级)为10-10m，而原子核直径的数量级为10-15m，两者相差十万倍！原子核的组成科学家经过研究，认识到小小的原子核也具有复杂的结构．1919年，卢瑟福用α粒子轰击氮核，从中产生了一种粒子并测定了它的电荷与质量，把它叫做质子．以后人们又用类似的方法从氟、钠、铝等核中打出了质子，因此认为质子是原子核的组成部分．一开始，人们以为原子核只是由质子组成的．但是，这不能正确地解释原子核的质量和原子核所带的电荷量．研究微观粒子时经常用到粒子的电荷与其质量的比值，如果原子核只是由质子组成的，那么所有原子核的电荷一质量比值都会是相同的，都会跟质子的电荷—质量比值相等．但是实际上，多数核的电荷—质量之比都小于质子的电荷—质量之比．卢瑟福猜想原子核内可能还存在着另一种粒子，质量跟质子相等，但是不带电．他把这种粒子称为中子．卢瑟福的这一猜想被他的学生查德威克用实验证实．精确的测量表明，中子的质量非常接近于质子的质量，只比后者大千分之一．中子的质量为1.674 929×10-27kg，质子的质量为1.672 623×10-27kg．发现中子以后，人们看到，如果认为原子核是由质子和中子组成的，以前在核结构理论中遇到的问题都可以解决，于是这一看法很快得到了公认．质子和中子统称核子．中子不带电，原子核所带的电荷等于核内质子所带电荷的总和．由于原子核所带的电荷都是质子电荷的整数倍，所以通常用这个整数代表原子核的电荷量，用Z表示，叫做原子核的电荷数．原子核的质量等于核内质子和中子的质量的总和．而中子和质子的质量几乎相等，所以原子核的质量近似等于核子质量的整数倍．通常用这个整数代表原子核的质量，用A表示，叫做原子核的质量数．原子核的电荷数就是核内的质子数，也就是这种元素的原子序数．原子核的质量数就是核内的核子数．例如氦核的电荷数是2，表示氦核内有2个质子；氦核的质量数是4，表示氦核内有4个核子，其中2个是中子．在谈到某种元素时，如果需要强调它的电荷数和质量数，可以在元原子核的质子数决定了核外电子的数目，也决定了电子在核外的分布情况，进而决定了这种元素的化学性质．同种元素的原子，质子数相同，核外电子数也相同，所以有相同的化学性质；但是它们的中子数可以不同．这些具有相同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．Z为原子核的电荷数．练习一(1)在卢瑟福的α粒子散射实验中观察到的主要现象是什么？原子中的电荷与质量怎样分布才会产生这样的散射？(2)为什么说原子核不可能只是由质子组成的？查看元素周期表，举例说明．(3)碳14核内有多少个质子？多少个中子？电子课文·原子的能级电子云原子的能级卢瑟福的核式原子结构学说很好地解释了α粒子的散射实验，初步建立了原子结构的正确图景，但是和经典的电磁理论发生了矛盾：既然核外的电子没有被库仑力吸引到核上，它一定以很大的速度绕核运动，这样电子会不停地辐射能量，自身的能量不断减少，最后“跌落”在原子核上．但是这样的事情并没有发生．19世纪末以前建立的物理学通常称为经典物理学．按照经典物理学的理论，如果带电粒子做变速运动，包括圆周运动，粒子一定向外辐射能量．学过更多的物理知识和高等数学以后，同学们就会明白这一点．上述矛盾表明，从宏观现象总结出来的经典电磁学理论不适用于微观粒子．1913年，丹麦物理学家玻尔(1885—1962)突破了经典物理学的局限，提出了他的原子理论，其主要内容为：1．原子只能处于一系列不连续的能量状态，在每个状态中，原子的能量值都是确定的，这些能量值叫做能级．2．原子可以从一个能级跃迁到另一个能级．原子在由高能级向低能级跃迁时，放出一个光子；在吸收一个光子或通过其他途径获得能量时，则由低能级向高能级跃迁．在通常状态下，原子处于最低的能级，这时原子的状态叫做基态．给物体加热或者有光照射物体时，物体中的某些原子能够从相互碰撞或从入射光子中吸收能量，从基态跃迁到较高的能级，这时原子的状态叫做激发态．由于原子的能级是不连续的，所以原子在跃迁时吸收或辐射的能量都不会是任意的(图20－3)，这个能量等于原子跃迁时始、末两个能级间的能量差．我们已经知道，频率为ν的光子的能量为hν，所以如果分别以E2和E1代表原子跃迁前后的能量，就可以写出以下的关系式：hν=E2－E1以氢原子为例，如果它的基态能量E1算是零，那么它的激发态的能量E2、E3、E4……分别为10.2eV、12.1eV、12.8eV……当它从第一激发态跃迁到基态时，辐射的能量为10.2eV－0，由此可以求出光子的频率和波长．原子能级可以用图20－3那样的能级图来形象地表示．玻尔理论成功地解释了氢原子的光谱(见下面的阅读材料)，但在解释复杂原子的光谱时却遇到了很大困难．到20世纪20年代，大约在玻尔理论建立10年之后，建立了量子力学，它是一种彻底的量子理论，不但成功地解释了玻尔理论所能解释的现象，而且能解释玻尔理论不能解释的现象，成为物理学中的重要理论．尽管如此，玻尔理论中的能级概念仍然是微观世界中十分重要的概念．1eV=1.60×10-19J，参见53页习题(8)．我们说氢原子的状态是不连续的，就是说，它的能量只能是0、10.2eV、12.1eV、12.8eV……不可能是其他值，例如不可能是11.0eV．电子云前面已经谈到，对于原子中的电子，不能用确定的坐标描述它们的位置，因此也无法用轨迹描述它们的运动，但是它们在空间各处出现的概率是有一定规律的．如果在图中用圆点表示原子中的电子在某个位置附近出现的概率，概率大的地方点子密一些，概率小的地方点子稀一些，那么氢原子处于基态时电子在各处的概率分布图就如图20－4所示．可以看出，原子中电子在各处出现的概率可以用云雾状的图示来形象地描述，因此我们常把图20－4这样的概率分布图称做电子云．练习二(1)什么是能级？如何用玻尔理论解释原子的发光现象？(2)氢原子从第一激发态跃迁到基态时，辐射的光子的频率是多大？(3)如图20－3，大量氢原子处于n=1、2、3、4的四个状态，处于较高能级的原子可以向任意一个较低能级跃迁．这时我们可以观测到几种波长的光(包括不可见光)？最短的波长是多少？(4)宣传画中常把原子的模型画成图20－5的样子．学过本课以后再看这幅图画．它的主要错误是什么？氢原子的光谱稀薄的气体通电后能够发光．利用146页那样的分光镜可以得到气体发光的光谱，它只有分立的几条亮线(彩图10)．也就是说，稀薄气体通电时只发出几种确定频率的光．不同气体光谱的亮线位置不同，这表明不同气体发光的频率是不一样的．图20－6给出了氢的几条谱线．人们早在了解原子内部结构之前就已经观察到了气体光谱，不过那时候无法解释为什么气体光谱只有分立的几条特定谱线．玻尔理论很好地解释了氢原子的光谱．当原子从能量较高的状态跃迁到能量较低的状态时，它以光子的形式把能量辐射出去，光子的能量等于前后两个状态的能量差．原子的能级是不连续的，只能取某些分立的值，光子的能量也是不连续的．一种原子的能级结构是一定的，因此它辐射的光谱也是一定的．根据这个道理，可以对光谱进行分析，从而判断样品中所含的元素．光谱分析的技术在科学研究中有广泛的应用．一种元素在样品中的含量即使很少，也能观察到它的光谱．利用光谱分析还能确定遥远星球上的物质成分．电子课文·天然放射现象衰变原子核不仅具有复杂的结构，而且能够发生变化．天然放射现象就是原子核的一种自发变化．天然放射现象 1896年，法国物理学家贝可勒尔(1852—1908)发现，铀和含铀的矿物能够发出看不见的射线，这种射线可以穿透黑纸使照相底片感光．物质发射射线的性质称为放射性．具有放射性的元素称为放射性元素．放射性并不是少数几种元素才有的．研究发现，原子序数大于82的所有元素，都能自发地放出射线．原子序数小于83的元素，有的也具有放射性．我们在初中已经学过，放射性物质放出的射线有三种：α射线、β射线和γ射线．α射线是高速α粒子流．α粒子的电荷数是2，质量数是4，实际上就是氦原子核．β射线是高速电子流．γ射线不带电，它是能量很高的电磁波，波长很短，在10-10m以下．如果将三种射线射入磁场，它们的运动发生不同的改变，如图20－7．根据前面学过的洛伦兹力的知识，你应该能够判断哪束是α射线，哪束是β射线，哪束是γ射线．研究表明，如果一种元素具有放射性，那么不论它是以单质的形式存在，还是以某种化合物的形式存在，放射性都不受影响．也就是说，放射性与元素的化学状态无关．我们已经知道，元素的化学性质决定于原子核外的电子，因此可以断定，射线来源于原子核，也就是说，原子核是有内部结构的．实际上，人们认识原子核的结构就是从天然放射性开始的．铅玻璃含有较多的铅元素，可以较多地吸收射线，但仍是透明的．放射性有许多重要的应用．γ射线的贯穿本领很强，可以用来检查金属内部，看看有没有砂眼或裂纹．γ射线对生物体有很强的作用，通过γ射线的照射可以使种子发生变异，培育出新的优良品种，也可以杀死食物中的细菌，使其长期保鲜．在医疗卫生上，可以应用放射性钻60的γ射线杀灭癌细胞，治疗肿瘤．过量的射线照射对人体有伤害．在使用放射性物质时要用铅板、铅玻璃板等把放射性物质与人体隔开．还要防止放射性物质泄漏．以避免对水源、空气的污染．衰变原子核放出α粒子或β粒子后，就变成新的原子核．我们把这种变化称为原子核的衰变．铀238核放出一个α粒子后，核的质量数减少4，电荷数减少2，成为新核．这个新核就是针234核．这种衰变叫做α衰变．这个过程可以用下面的方程表示：在这个衰变过程中，衰变前的质量数等于衰变后的质量数之和；衰变前的电荷数等于衰变后的电荷数之和．大量观察表明，原子核衰变时电荷数和质量数守恒．后，质量数不变．因此，我们可以认为电子的质量数为零，电荷数为－1．电这个方程两边的质量数和电荷数也是守恒的．这种放出β粒子的衰变叫做β衰变．在放射性元素的原子核中，两个质子和两个中子结合在一起从核里发射出来，这就是α衰变．原子核里虽然没有电子，但是核内的中子可以转化成质子和电子，产生的电子从核内发射出来，这就是β衰变．原子核的能量也只能取一系列不连续的数值，因此也存在着能级，而且能级越低越稳定．放射性的原子核在发生α衰变、β衰变后产生的新核往往处于高能级，这时它要向低能级跃迁，辐射γ光子．因此，γ射线是伴随α射线和β射线产生的．当放射性物质连续发生衰变时，各原子核中有的发生α衰变，有的发生β衰变，同时伴随着γ辐射．这时射线中就会同时具有α、β和γ三种射线．练习三(1)α、β、γ三种射线的本质各是什么？(2)为什么说放射性表明原子核是有内部结构的？(3)钍230是放射性的，查一查元素周期表，它放出一个α粒子后变成了什么元素？写出衰变方程．半衰期放射性元素衰变的快慢有一定的规律．例如，氡222经过α衰变变为钋218，如果隔一段时间测量一次剩余氡的数量就会发现，大约每过3.8天就有一半的氡发生了衰变．也就是说，经过第一个3.8天，剩有一(图20－8)．因此，我们可以用半衰期来表示放射性元素衰变的快慢．放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间，叫做这种元素的半衰期．不同的放射性元素，半衰期不同，甚至差别非常大．例如，氡222衰变为钋218的半衰期是3.8天，镭226衰变为氡222的半衰期是1620年，铀238衰变为钍234的半衰期竟长达4.5×109年．放射性元素衰变的快慢是由原子核本身的因素决定的，跟原子所处的物理或化学状态无关．例如，一种放射性元素，不管它是以单质的形式存在，还是和其他元素形成化合物，或者对它施加压力，或者增高它的温度，都不能改变它的半衰期．这是因为衰变发生在原子核的内部，压力、温度以及与其他元素的化合等，都不会影响原子核的结构．如何确定古木的年代考古学家确定古木年代的一种方法是用放射性同位素作为“时钟”，来测量漫长的时间，这叫作放射性同位素鉴年法．自然界中的碳主要是12C，也有少量14C，它是高层大气中的原子核在太阳射来的高能粒子流的作用下产生的．14C是具有放射性的碳同位素，能够自发地进行β衰变，变成氮，半衰期为5730年．14C原子不断产生又不断衰变，达到动态平衡，它在大气中的含量是稳定的，大约在1012个碳原子中有一个14C．活的植物通过光合作用和呼吸作用与环境交换碳元素，体内14C的比例与大气中的相同．植物死后，遗体内的14C仍在进行衰变，不断减少，但是不再得到补充．因此，根据放射性强度减小的情况就可以算出植物死亡的时间．例如，要推断一块古木的年代，可以先把古木加温，制取1g碳的样品，再用粒子计数器进行测量．如果测得样品每分钟衰变的次数正好是现代植物所制样品的一半，表明这块古木经过了14C的一个半衰期，即5730年．如果测得每分钟衰变的次数是其他值，也可以根据半衰期计算出古木的年代．我国考古工作者用放射性同位素鉴年法对马王堆一号汉墓外椁盖板杉木进行测量，结果表明该墓距今(2130±95)年．通过历史文献考证，该古墓的年代为西汉早期，约在2100年前，两者符合得很好．电子课文·核反应核能核反应衰变是原子核的自发变化，能不能用人工方法使原子核发生变化呢？1919年，卢瑟福用α粒子轰击氮原子核，产生了氧的一种同位素——氧17和一个质子，第一次实现了原子核的人工转变：质子最初就是这样发现的．用α粒子轰击原子核，不一定发射质子，也可能发射中子．实验发现，用α粒子轰击被原子核，实现了下面的原子核的人工转变，并且发现了中子：在核物理学中，原子核在其他粒子的轰击下产生新原子核的过程，称为核反应．原子核的人工转变就是一种核反应．和衰变过程一样，在核反应中，质量数和电荷数守恒．从上文已经看出，核反应可以用核反应方程来表示．核能我们知道，化学反应往往要吸热或放热，类似地，核反应也伴随着能量的变化．例如，一个中子和一个质子结合成氘核时，要放出2.2MeV的能量，这个能量以γ光子的形式辐射出去．核反应中放出的能量称为核能．核能是从哪里来的？物理学家研究过质子、中子和氘核之间的关系，发现氘核虽然是由一个中子和一个质子组成的，它的质量却不等于一个中子和一个质子的质量之和．精确的计算表明，氘核的质量比中子和质子的质量和要小一些．这种现象叫做质量亏损．爱因斯坦的相对论指出，物体的能量E和质量m之间存在着密切的联系，它们的关系是E= mc2这就是著名的爱因斯坦质能方程．这个方程告诉我们，物体具有的能量与它的质量之间存在着简单的正比关系．物体的能量增大了，质量也增大；能量减小了，质量也减小．核子在结合成原子核时出现质量亏损，所以要放出能量，大小为△E=△mc2中子和质子结合成氘核时，质量亏损△m=0.0039×10-27kg，根据爱因斯坦的质能方程，放出的能量为通过这个例子可以看到，核反应涉及的能量十分巨大．我们知道，1mol的碳完全燃烧放出的能量为393.5kJ．每个碳原子在燃烧过程中释放出的能量不过为4eV，跟这个例子中每个核子释放的能量相比，两者相差数十万倍．中子的质量：m n=1.6749×10-27kg质子的质量：m p=1.6726×10-27kg中子和质子的质量和：m n＋m p=3.3475×10-27kg氘核的质量：m D=3.3436×10-27kg质量亏损：△m=0.0039×10-27kg练习四(1)用α粒子轰击氩40核，产生一个中子和一个新核．这个新核是什么？写出核反应方程．(2)用α粒子轰击硼10核，产生一个中子和一个具有放射性的核．它是什么核？写出核反应方程．(3)原子物理中常用一个特殊的质量单位，即“原子质量单位”，符号为u，1u=1.6606×10-27kg．试证明，1u相当于931.5MeV的能量．已知光速c=2.9979×108m/s，元电荷e=1.6022×10-19C．(4)碳12原子的质量是12.000 000u，可以看做是由6个氢原子(每个氢原子的质量是1.007 825 u)和6个中子(每个中子的质量是1.008 665u)组成的．求核子结合成碳原子核时释放的能量．计算中可以用原子的质量代替原子核的质量，因为电子的质量可以在相减的过程中消去．放射性同位素的应用有些同位素具有放射性，叫做放射性同位素．用质子、中子、α粒子轰击原子核，可以用人工方法得到放射性同位素．例如用α粒子轰击铝原子核，可发生下面的核反应同位素已经在工农业、医疗卫生和科学研究等许多方面得到了广泛的应用．放射性同位素的应用是沿着以下两个方向展开的．1．利用它的射线放射性同位素也能放出α射线、β射线和γ射线．γ射线由于贯穿本领强，可以用来检查金属内部有没有砂眼或裂纹，所用的设备叫γ射线探伤仪．α射线的电离作用很强，可以用来消除机器在运转中因摩擦而产生的有害静电．生物体内的DNA(脱氧核糖核酸)承载着物种的遗传密码，DNA在射线作用下可能发生突变，所以通过射线照射可以使种子发生变异，培养出新的优良品种．射线辐射还能抑制农作物害虫的生长，甚至直接消灭害虫．人体内的癌细胞比正常细胞对射线更敏感，因此用射线照射可以治疗恶性肿瘤，这就是医生们说的“放疗”(彩图12)．和天然放射性物质相比，人造放射性同位素的放射强度容易控制，还可以制成各种所需的形状，特别是，它的半衰期比天然放射性物质短得多，因此放射性废料容易处理．由于这些优点，在生产和科研中凡是用到射线时，用的都是人造放射性同位素，不用天然放射性物质．为什么说，半衰期短，放射性废料就容易处理？2．作为示踪原子一种放射性同位素的原子核跟这种元素其他同位素的原子核具有相同数量的质子(只是中子的数量不同)，因此核外电子的数量也相同，由此可知，一种元素的各种同位素都有相同的化学性质．这样，我们就可以用放射性同位素代替非放射性的同位素来制成各种化合物，这种化合物的原子跟通常的化合物一样参与所有化学反应，却带有“放射性标记”，用仪器可以探测出来．这种原子叫做示踪原子．棉花在结桃、开花的时候需要较多的磷肥，把磷肥喷在棉花叶子上也能吸收．但是，什么时候的吸收率最高、磷能在作物体内存留多长时间、磷在作物体内的分布情况等，用通常的方法很难研究．如果用磷的放射性同位素制成肥料喷在棉花叶面，然后每隔一定时间用探测器测量棉株各部位的放射性强度，上面的问题就很容易解决．人体甲状腺的工作需要碘．碘被吸收后会聚集在甲状腺内．给人注射碘的放射性同位素碘131，然后定时用探测器测量甲状腺及邻近组织的放射强度，有助于诊断甲状腺的器质性和功能性疾病．近年来，有关生物大分子的结构及其功能的研究，几乎都要借助于放射性同位素．发挥你的想像力，还有什么场合能够用到示踪原子？电子课文·重核的裂变重核的裂变物理学家早已了解到原子核中蕴藏的巨大能量，但是在相当长的时间里一直没有找到释放核能的实际方法．1938年12月，两位德国化学家在用中子轰击铀核的产物中发现了钡的同位素．一个月以后证实，铀核在俘获一个中子后发生了裂变，变为两个中等质量的原子核．这一发现为核能的利用开辟了道路．。
高考物理专题——近代物理初步
一、光电效应1．实验规律(1)任何一种金属都有一个极限频率，入射光的频率低于这个频率时不发生光电效应。
(2)光电子的最大初动能与入射光的强度无关，只随入射光频率的增大而增大。
(3)入射光照射到金属板上时，光电子的发射几乎是瞬时的，一般不会超过10－9 s。
(4)当入射光的频率大于或等于极限频率时，饱和光电流的大小与入射光的强度成正比。
2．三个概念(1)最大初动能：只有金属表面的电子直接向外飞出时，只需克服原子核的引力做功的情况，才具有最大初动能。
(2)饱和光电流：金属板飞出的光电子到达阳极，回路中便产生光电流，随着所加正向电压的增大，光电流趋于一个饱和值，这个饱和值是饱和光电流，在一定的光照条件下，饱和光电流与所加电压大小无关。
(3)入射光强度：入射光强度指单位时间内照射到金属表面单位面积上的总能量。
3．光电效应方程(1)方程：E k＝hν－W0，光电子的最大初动能E k可以利用光电管用实验的方法测得，即E k＝eU c，其中U c是遏止电压。
(2)极限频率：νc ＝W 0h 。
(3)逸出功：它与极限频率νc 的关系是W 0＝hνc 。
二、能级跃迁1．氢原子能级2．谱线条数一群氢原子处于量子数为n 的激发态时，最多可能辐射出的光谱线条数N ＝C 2n ＝n （n －1）2。
三、核反应和核能1．原子核衰变 衰变类型α衰变 β衰变 衰变方程 A Z X →A －4Z －2Y ＋42He A Z X → A Z ＋1Y ＋0－1e衰变实质 2个质子和2个中子结合成一个整体射出核内的一个中子转化成了一个质子和一个电子 211H ＋210n →42He 10n →11H ＋0－1e衰变规律电荷数守恒、质量数守恒(1)原子核的结合能：克服核力做功，使原子核分解为单个核子时吸收的能量，或若干单个核子在核力的作用下结合成原子核时放出的能量。
(2)质量亏损：原子核的质量小于组成它的核子的质量之和的现象。
(3)质能方程：E ＝mc 2，即一定的能量和一定的质量相联系。
高中物理专题十三 近代物理初步(讲解部分)PPT课件
栏目索引
三、康普顿效应
概念
当光入射到物质上被散射后,在散射波中,除有与入射波的波长相同的射线外,还有波长 比入射波的波长更长的射线。人们把这种波长变化的现象叫做康普顿效应
解释 意义
在康普顿效应中,入射光的光子与物质中的自由电子发生弹性碰撞,碰撞中满足动量守 恒与能量守恒,光子的一部分能量传递给电子,从而引起被散射光子的能量减小,频率减 小,波长变长
栏目索引
二、光电效应方程 1.表达式:光电子的最大初动能Ekm与入射光光子的能量hν和逸出功W之间 的关系:Ekm=hν-W。其中逸出功是指使某种金属原子中电子脱离金属所做 功的最小值。 2.物理意义:金属中电子吸收一个光子获得的能量是hν,这些能量一部分克 服金属的逸出功,剩余的表现为逸出电子的初动能。
3.光电效应的研究思路 (1)两条线索
(2)两条对应关系
栏目索引
栏目索引
例1 如图所示,用某单色光照射光电管的阴极K会发生光电效应。在阳极 A和阴极K之间加上反向电压,通过调节滑动变阻器的滑片,逐渐增大加在 光电管上的电压,直至电流表中电流恰为零,此时电压表的电压值U称为遏 止电压。现分别用频率为ν1和ν2的单色光照射阴极,测得遏止电压分别为U1 和U2,设电子的质量为m、电荷量为e,下列说法正确的是 ( ) A.用频率为ν1的光照射时,光电子的最大初速度为 2eU1
颜色不同时,光电流与电压的关 系
遏止电压Uc与入射光频率ν的关 系图线
栏目索引
①遏止电压Uc1、Uc2 ②饱和电流Im1、Im2 ③最大初动能Ek1=eUc1,Ek2=eUc2
①截止频率νc:图线与横轴的交 点的横坐标 ②遏止电压Uc:随入射光频率的 增大而增大 ③普朗克常量h:等于图线的斜 率与电子电荷量的乘积,即h=ke
十六章近代物理初步知识点
n E /eV∞ 0 1-13.62 -3.434 -0.85 E 1E 2E 3十六章：近代物理初步1、原子结构①汤姆孙模型(枣糕模型) 汤姆生发现电子，使人们认识到原子有复杂结构。
从而打开原子的大门. ②卢瑟福的核式结构模型：α粒子散射实验是用α粒子轰击金箔实验现象：结果是绝大多数α粒子穿过金箔后基本上仍沿原来的方向前进,但是有少数α粒子发生了较大的偏转.这说明原子的正电荷和质量一定集中在一个很小的核上。
通过实验提出：A 、 在原子的中心有一个很小的核，叫原子核，原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里，带负电的电子在核外空间运动。
B 、由α粒子散射实验的实验数据还可以估算出原子核大小的数量级是10-15m 。
2.玻尔模型 (引入量子理论，能量和轨道量子化 就是不连续性)① 定态--原子只能处于一系列不连续的能量状态(称为定态) 21nE E n E 1=-13.6eV② 跃迁--原子从一种定态跃迁到另一种定态,要辐射(或吸收)一定频率的光子，光子能量h ν=E m -E n ③ 处于激发态原子跃迁到基态时的所辐射的光子种类： 种 ④ 氢原子在跃迁过程中能量的变化情况：由高能级向低能级跃迁：半径减小 E 动增大 电场力做正功 电势能较少 原子能量减少 （放出光子） ↓ E 原 = ↓ E 电 + ↑ E 动由低能级向高能级跃迁：半径增大 E 动减少 ， 电场力做负功功 电势能增加原子能量增加 （吸收光子） ↑E 原 = ↑ E 电 + ↓ E 动⑤ 氢原子由低能级向高能级跃迁吸收能量方式：A.吸收一定频率的光子，受跃迁条件限制，光子能量必须等于两能级 能量的差值：h ν=E m -E nB.吸收外来碰撞电子的能量（实物粒子作用而使原子激发），只要能量 大于某两个能级差的电子均可被氢原子吸收，从而使氢原子跃迁 3、光电效应规律：在光的照射下从物体发射电子的现象①任何一种金属都有一个极限频率，只有 r ≥ r 0，才能产生光电效应 ②光电子的最大初动能与入射光的强度无关，只随入射光频率的增大而增大。
十五近代物理初步
三、玻尔的原子模型
2、氢原子的大小和能极
玻尔在其假设的基础上，利用经典电磁理论和 牛顿力学，对氢原子进行了计算，算出了可能轨 道的半径和的能量（包括动能和电势能）：
n是正整数，叫做量子数。
玻尔计算出了r1和E1的数值：
r1 0.531010米 E1 13.6电子伏
能级图
三、玻尔的原子模型
3、玻尔的原子理论对氢光谱的解释
三、原子核能
1、原子核的结合能 （1）核力：原子核内的核子间有一种很强的力把它 们结合在一起，这种力称为核力。核力是强作用力。 它与电荷无关，质子与质子、质子与中子、中子与中 子间都存在核力作用。它是短程力，只在2.010－ 15米距离内起作用，即使在半径很小的原子核内，每 个核子也只跟与它相邻的核子间才有核力的作用。 （2）结合能：核子结合成原子核时要放出一定的能 量；原子核分解成核子时，要吸收同样多的能量。
O 11
H
二、原子核的人工转变
2、中子的发现 1930年发现用α射线轰击铍时，会产生一种看不
见的贯穿能力很强的不带电粒子。1932年用这种射 线轰击石蜡时，竟能从石蜡中打出质子，如图：
查德威克实验
二、原子核的人工转变
3、原子核的组成
原子核是由质子和中子组成的。质子和中子统 称为核子。原子核的电荷数等于它的质子数；原子 核的质量数就等于它的核子数，即质子数与中子数 的和。
二、原子的核式结构
2、卢瑟福原子模型 通过对α粒子散射实验的结果进行了分析，卢
瑟福提出了他的原子核式结构模型：在原子的中 心有一个很小的核，叫做原子核，原子的全部正 电荷和几乎全部质量都集中在原子核里，带负电 的电子在核外空间里绕着核旋转。
卢瑟福的原子核式模型，能解释α粒子散射实 验，却与经典的电磁理论发生了矛盾。
第十一章 近代物理初步
第十一章 ⎪⎪⎪近代物理初步 [全国卷考情分析]第1节波粒二象性(1)光子和光电子都是实物粒子。
(×)(2)只要入射光的强度足够强，就可以使金属发生光电效应。
(×)(3)要使某金属发生光电效应，入射光子的能量必须大于金属的逸出功。
(√)(4)光电子的最大初动能与入射光子的频率成正比。
(×)(5)光的频率越高，光的粒子性越明显，但仍具有波动性。
(√)(6)德国物理学家普朗克提出了量子假说，成功地解释了光电效应规律。
(×)(7)美国物理学家康普顿发现了康普顿效应，证实了光的粒子性。
(√)(8)法国物理学家德布罗意大胆预言了实物粒子在一定条件下会表现为波动性。
(√)突破点(一)对光电效应的理解1．与光电效应有关的五组概念对比(1)光子与光电子：光子指光在空间传播时的每一份能量，光子不带电；光电子是金属表面受到光照射时发射出来的电子，其本质是电子。
光子是光电效应的因，光电子是果。
(2)光电子的动能与光电子的最大初动能：光照射到金属表面时，电子吸收光子的全部能量，可能向各个方向运动，需克服原子核和其他原子的阻碍而损失一部分能量，剩余部分为光电子的初动能；只有金属表面的电子直接向外飞出时，只需克服原子核的引力做功的情况，才具有最大初动能。
光电子的初动能小于或等于光电子的最大初动能。
(3)光电流与饱和光电流：金属板飞出的光电子到达阳极，回路中便产生光电流，随着所加正向电压的增大，光电流趋于一个饱和值，这个饱和值是饱和光电流，在一定的光照条件下，饱和光电流与所加电压大小无关。
(4)入射光强度与光子能量：入射光强度指单位时间内照射到金属表面单位面积上的总能量。
(5)光的强度与饱和光电流：饱和光电流与入射光强度成正比的规律是对频率相同的光照射金属产生光电效应而言的，对于不同频率的光，由于每个光子的能量不同，饱和光电流与入射光强度之间没有简单的正比关系。
2．光电效应的研究思路(1)两条线索：(2)两条对应关系：光强大→光子数目多→发射光电子多→光电流大光子频率高→光子能量大→光电子的最大初动能大[多角练通]1.(多选)(2017·汕头模拟)如图所示，用导线把验电器与锌板相连接，当用紫外线灯照射锌板时，发生的现象是()A．有光子从锌板逸出B．有电子从锌板逸出C．验电器指针张开一个角度D．锌板带负电解析：选BC用紫外线灯照射锌板是能够发生光电效应的，锌板上的电子吸收紫外线的能量从锌板表面逸出，称之为光电子，故A错误、B正确；锌板与验电器相连，带有相同电性的电荷，锌板失去电子应该带正电，且失去电子越多，带正电的电荷量越多，验电器指针张角越大，故C正确、D错误。
高中物理《近代物理初步》知识梳理
质子 中子
发现者 实质 电荷 符号
发现者 电荷 符号
英国物理学家卢瑟福
氢原子核
正电,带电荷量为元电荷
p或
1 1
H
卢瑟福的学生查德威克
电中性,不带电
n或1 n 0
备注
核子
两个 等式
质子与中子的统称
(1)电荷数(Z)=质子数=元素的 原子序数=核外电子数 (2)质量数(A)=核子数=质子数+ 中子数
三、原子核的衰变、半衰期 1.原子核的衰变 1)α衰变和β衰变的比较
说明
光的波动性 光的干涉、 衍射和偏振
(1)光是一种概率波,即光子在空间 (1)光的波动性是光子本身的一种
各点出现的可能性大小(概率)可 属性,不是光子之间相互作用产生
用波动规律来描述
的
(2)大量光子往往表现出波动性 (2)光的波动性不同于宏观概念的
波
光的粒子性 光电效应、 康普顿效应
(1)当光同物质发生作用时,这种作 (1)“粒子”的含义是“不连续”
用是“一份一份”进行的,表现出 、“一份一份”的
粒子的性质
(2)光子不同于宏观概念的粒子
(2)少量光子往往表现出粒子性
二、物质波 与实物粒子相联系的波叫物质波;实物粒子的能量E和动量p跟它所对应 的波的频率ν和波长λ之间遵循的关系为:E=hν,p= h 。
λ
考点三 原子结构
一、原子的核式结构模型 1.电子的发现:汤姆孙在研究阴极射线时发现了电子。 2.α粒子散射实验 1)实验装置
从低能级向高能级的跃迁过程 称为激发,始末能级差的绝对值 等于所吸收的能量,ΔE=E终-E初
注意:①大量原子从高能级向低能级跃迁时,释放出光子种类数为C2n 。② 从高能级向低能级跃迁时,电子动能增加,电势能减小,总能量减小;从低
高考物理 近代物理初步
情景模型再现
02
情景
图示
情景
图示
光电效应图像
.
氢原子的能级跃迁
.
返回导航
十二 近代物理初步
核心知识规律
情景模型再现
核心知识规律
01
1.光电效应规律
（1）实验结论①存在饱和电流。②存在遏止电压和截止频率。③光电效应具有瞬时性。
返回导航
（2）两条对应关系①光强大→光子数目多→发射光电子多→光电流大；②光子频率高→光子能量大→光电子的最大初动能大。
（3）三个关系式①爱因斯坦光电效应方程： 。②最大初动能与遏止电压的关系： 。③逸出功与极限频率的关系： 。
返回导航
2.原子结构和玻尔理论
（1）原子结构的发现过程
返回பைடு நூலகம்航
（2）氢原子能级图
返回导航
3.原子核的衰变和半衰期
返回导航
4.核反应方程和核能
返回导航
5.核能的计算
（1）根据爱因斯坦质能方程，用核子结合成原子核时质量亏损 的千克数乘以真空中光速的平方。即 。
（2）原子质量单位用 表示，根据 相当于 ，用核子结合成原子核时质量亏损的原子质量单位数乘以 ,即 。
(高中段)第23讲近代物理初步
C．2×1015 Hz
D．8×1015 Hz
解析：设单色光的最低频率为 ν0，由爱因斯坦光电效应方程得 Ek＝hν1－ W,0＝hν0－W，又 ν1＝cλ，整理得 ν0＝cλ－Ehk，代入数据解得 ν0≈8×1014 Hz。 答案：B
4．[多选](2020·温州模拟)用如图所示的装置研究光电效应现
D．改用能量为 2.5 eV 的光子照射，移动变阻器的触头 c，电流表 G 中也可
能有电流
解析：由爱因斯坦光电效应方程 Ek＝hν－W0 可知，同种金属的逸出功相同， 所以光电子逸出后的初动能取决于获得的能量，A 错误。当电压表示数大于或 等于 1.7 V 时，电流表无示数，说明遏止电压为 1.7 V，由 eU＝12mv2，12mv2＝ hν－W0，可求得光电管的逸出功为 1.05 eV，B 正确。若光的频率不变，反向 电压大于遏止电压后电路中就不再有电流，C 错误。当入射光频率超过截止频 率，且反向电压小于遏止电压，电路中就会有电流，D 正确。 答案：BD
光是波动性与粒子性的统一：由光子的能量 E＝hν，光子的动量 p＝hλ表 达式也可以看出，光的波动性和粒子性并不矛盾，表示粒子性的粒子能量和 动量的计算式中都含有表示波的特征的物理量——频率 ν 和波长 λ。由以上两 式和波速公式 v＝λν 还可以得出 E＝pv。
2．不确定性关系 (1)定义：在经典物理学中，一个质点的位置和动量是可以同时测定的， 在微观物理学中，要同时测出微观粒子的位置和动量是不太可能的，这种关 系叫不确定性关系。 (2)表达式：ΔxΔp≥4hπ。其中以 Δx 表示粒子位置的不确定量，以 Δp 表 示粒子在 x 方向上的动量的不确定量，h 是普朗克常量。
定量却增大了，D 正确。 答案：BD
7．[多选](2016·浙江 4 月选考)在光电效应实验中，采用极限频率为 νc＝ 5.5×1014Hz 钠阴极，已知普朗克常量 h＝6.6×10－34 J·s，电子质量 m＝ 9.1×10－31kg。用频率 ν＝7.5×1014 Hz 的紫光照射钠阴极产生光电子的( ) A．动能的数量级为 10－19 J B．速率的数量级为 108 m/s C．动量的数量级为 10－27 kg·m/s D．德布罗意波长的数量级为 10－9 m 解析：根据爱因斯坦光电效应方程 Ek＝hν－hνc＝1.32×10－19 J，A 正确； 由 Ek＝12mv2 知，v≈5.4×105 m/s，B 错误；p＝mv≈4.9×10－25 kg·m/s，C
高考物理复习提升-第十二讲近代物理初步
第十二讲近代物理初步热点一原子结构和光电效应强化学思知能学有所思，思有深度一、必须理清的知识联系二、必须掌握的两类问题1．光电效应问题(1)能否发生光电效应，由入射光的频率大小决定，与入射光的强度无关．(2)光电子的最大初动能E km＝U e·e，与入射光的强度大小无关．(3)饱和光电流的大小与入射光的强度有关，入射光强度越大，饱和光电流越大．2．能级跃迁问题(1)原子在各能级之间发生跃迁时吸收或放出的光子的频率是固定的．(2)原子从某能级电离时，所吸收的能量只要大于或等于其能级的绝对值即可．如氢原子在n＝2能级上，只要吸收大于3.4 eV的任何能量，均可电离．(3)一群氢原子和一个氢原子处于某高能级态，向低能级态跃迁时释放的光子种类所遵循的规律不同，只有一群(大量)氢原子跃迁时释放光子的种类才满足：N＝C2n＝n(n－1)2.三、命题规律该知识点在近几年高考中频繁出现，题型为选择题或填空题．分析近几年的高考试题，涉及该知识点的命题有以下特点：(1)考查氢原子结构和能级公式．(2)和光电效应结合考查原子的跃迁问题．(3)考查光电效应的规律和爱因斯坦光电效应方程的应用．(4)结合光电管考查光电流．(5)结合氢原子的跃迁综合考查对光电效应规律的理解和应用．[自主突破]1．(2016·新课标全国卷Ⅰ)(多选)现用某一光电管进行光电效应实验，当用某一频率的光入射时，有光电流产生．下列说法正确的是__ACE__.A．保持入射光的频率不变，入射光的光强变大，饱和光电流变大B．入射光的频率变高，饱和光电流变大C．入射光的频率变高，光电子的最大初动能变大D．保持入射光的光强不变，不断减小入射光的频率，始终有光电流产生E．遏止电压的大小与入射光的频率有关，与入射光的光强无关解析：保持入射光的频率不变，入射光的光强变大，单位时间内逸出的光电子个数增加，则饱和光电流变大，故A正确；饱和光电流的大小与入射光的频率无直接关系，故B错；由E k＝hν－W，可知C正确；当入射光的频率小于金属的极限频率时，光电效应不能发生，故D错；由eU＝12m v2＝hν－W得eU＝hν－W，可见，遏止电压U随ν的增大而增大，与入射光的光强无关，故E正确．2．(2017·福建漳州二模)(多选)根据玻尔理论，推导出了氢原子光谱谱线的波长公式：1λ＝R⎝⎛⎭⎪⎫1m2－1n2，m与n都是正整数，且n>m.当m取定一个数值时，不同数值的n得出的谱线属于同一个线系．如：m＝1，n＝2、3、4、…组成的线系叫赖曼系，m＝2，n＝3、4、5、…组成的线系叫巴耳末系，则(ACD)A．赖曼系中n＝2对应的谱线波长最长B．赖曼系中n＝2对应的谱线频率最大C．巴耳末系中n＝3对应的谱线波长最长D．巴耳末系中，n＝3对应的谱线的光子能量最小E．赖曼系中所有谱线频率都比巴耳末系谱线频率大解析：在赖曼系中m＝1，n＝2、3、4、…，利用氢原子光谱谱线的波长公式1λ＝R⎝⎛⎭⎪⎫1m2－1n2可知n值越大，波长λ就越短，频率f就越大，则A正确，B错误；在巴耳末系中m＝2，n＝3、4、5、…，利用氢原子光谱谱线的波长公式1λ＝R⎝⎛⎭⎪⎫1m2－1n2可知，n值越大，波长λ就越短，频率f就越大，光子能量就越大，则C正确，D正确；由公式可判断，赖曼系中与巴耳末系中的波长相比可以小也可以大，那么频率可以大也可以小，所以E错误．3．(2017·江西南昌一模)氢原子第n能级的能量为E n，其中E1为基态能量，一群处在激发态的氢原子，它们在发光过程中发出的光谱线共6条，谱线中最长的波长λA ＝1.88×10－6 m ，则激发态的氢原子处在量子数n ＝4的激发态，发光的光谱线中，最短的波长λ＝9.75×10－8 m(保留三位有效数字)．解析：由一群处在激发态的氢原子发出光谱线条数为6，可得6＝C 2n ，解得n ＝4；最长波长时，E 4－E 3＝h c λA，最短波长时，E 4－E 1＝h c λ，又E 4＝－0.85 eV ，E 3＝－1.51 eV ，E 1＝－13.6 eV ，解得λ＝9.75×10－8 m.热点二 核反应方程与核能强化学思知能 学有所思，思有深度一、必须理清的知识联系二、方法技巧总结1．α衰变和β衰变次数的确定方法(1)方法1：由于β衰变不改变质量数，故可以先由质量数改变确定α衰变的次数，再根据电荷数守恒确定β衰变的次数．(2)方法2：设α衰变次数为x，β衰变次数为y，根据质量数和核电荷数守恒列方程求解．2．核能的计算方法(1)根据爱因斯坦的质能方程，用核子结合成原子核时质量亏损(Δm)的千克数乘以真空中光速(c＝3×108m/s)的平方，即：ΔE＝Δmc2(焦耳)．(2)根据1原子质量单位(u)相当于931.5兆电子伏(MeV)能量，用核子结合成原子核时质量亏损的原子质量单位乘以931.5 MeV，即ΔE＝Δm×931.5 MeV.三、命题规律对核反应及核能的考查在近几年高考中出现的频率较高，分析近几年的高考试题，关于涉及该知识点的命题有以下特点：(1)考查三种射线、核反应方程的填写、有关半衰期的计算、有关核能的计算．(2)结合动量守恒定律进行综合考查．(3)题型主要以选择题形式出现，难度较低，考查较细．[自主突破]4．(2016·新课标全国卷Ⅱ)在下列描述核过程的方程中，属于α衰变的是C，属于β衰变的是AB，属于裂变的是E，属于聚变的是F.(填正确答案标号)A.14 6C→14 7N＋ 0－1eB.3215P→3216S＋ 0－1eC.238 92U→234 90Th＋42HeD.14 7N＋42He→17 8O＋11HE.235 92U＋10n→140 54Xe＋9438Sr＋210nF.31H＋21H→42He＋10n解析：天然放射性元素自发地放出α粒子(即氦核42He)的衰变属于α衰变；放出β粒子的衰变属于β衰变；重核分裂成几个中等质量原子核的现象为核裂变；轻原子核聚合成较重原子核的反应为核聚变．5．(2017·广东佛山二模)(多选)关于核反应方程234 90Th→23491Pa＋X＋ΔE(ΔE为释放的核能，X为新生成的粒子)，已知234 90Th 的半衰期为1.2 min，则下列说法正确的是(ACE)A ．此反应为β衰变B.234 91Pa 核和234 90Th 核具有相同的质量C.234 91Pa 具有放射性D ．64 g 的234 90Th 经过6 min 还有1 g 234 90Th 尚未衰变E.234 90Th 的平均结合能比234 91Pa 小解析：根据核反应方程质量数和电荷数守恒可判断出X 为 0－1e ，所以此反应为β衰变，A 正确；234 91Pa 核与234 90Th 核质量并不同，B 错误；根据化学元素周期表及化学知识知，234 91Pa 为放射性元素，C 正确；利用半衰期公式m 余＝⎝ ⎛⎭⎪⎫12t T m 原，可判断m 余＝2 g ，则D 错误；根据平均结合能知识可判断E 正确．6．(2015·江苏高考)(1)核电站利用原子核链式反应放出的巨大能量进行发电，错误!U 是核电站常用的核燃料.错误!U 受一个中子轰击后裂变成144 56Ba 和8936Kr 两部分，并产生3个中子．要使链式反应发生，裂变物质的体积要大于(选填“大于”或“小于”)它的临界体积．(2)取质子的质量m p ＝1.672 6×10－27 kg ，中子的质量m n ＝1.674 9×10－27 kg ，α粒子的质量m α＝6.646 7×10－27 kg ，光速c ＝3.0×108 m/s.请计算α粒子的结合能．(计算结果保留两位有效数字)答案：(2)4.3×10－12 J解析：(1)核反应方程遵守质量数守恒和电荷数守恒，且该核反应方程为：235 92U ＋10n →144 56Ba ＋8936Kr ＋310n ，即产生3个中子．临界体积是发生链式反应的最小体积，要使链式反应发生，裂变物质的体积要大于它的临界体积．(2)组成α粒子的核子与α粒子的质量差Δm ＝(2m p ＋2m n )－m α结合能ΔE ＝Δmc 2代入数据得ΔE＝4.3×10－12 J衰变次数的确定及核能计算方法(1)α衰变与β衰变次数的确定方法因为β衰变对质量数无影响，可先由质量数的改变确定α衰变的次数，然后再根据衰变规律确定β衰变的次数．(2)解决核反应方程与核能计算问题的方法①熟记常见的基本粒子的符号，如质子、中子、α粒子等．②掌握核反应方程遵循质量数守恒和电荷数守恒的规律．③进行核能计算时注意单位的对应，若Δm用kg做单位，则ΔE 用J做单位；若Δm用u做单位，则ΔE用eV做单位，且1 u对应931.5 MeV.温馨提示：学习至此，请完成专题限时训练12.专题五物理实验。
专题十八 近代物理初步
专题十八近代物理初步考点一光电效应波粒二象性1.(2013北京理综,20,6分)以往我们认识的光电效应是单光子光电效应,即一个电子在极短时间内只能吸收到一个光子而从金属表面逸出。
强激光的出现丰富了人们对于光电效应的认识,用强激光照射金属,由于其光子密度极大,一个电子在极短时间内吸收多个光子成为可能,从而形成多光子光电效应,这已被实验证实。
光电效应实验装置示意如图。
用频率为ν的普通光源照射阴极K,没有发生光电效应。
换用同样频率ν的强激光照射阴极K,则发生了光电效应;此时,若加上反向电压U,即将阴极K接电源正极,阳极A接电源负极,在KA之间就形成了使光电子减速的电场。
逐渐增大U,光电流会逐渐减小;当光电流恰好减小到零时,所加反向电压U可能是下列的(其中W为逸出功,h 为普朗克常量,e为电子电量)()A.U=-B.U=-C.U=2hν-WD.U=-答案B2.(2013北京理综,14,6分)如图所示,一束可见光射向半圆形玻璃砖的圆心O,经折射后分为两束单色光a和b。
下列判断正确的是()A.玻璃对a光的折射率小于对b光的折射率B.a光的频率大于b光的频率C.在真空中a光的波长大于b光的波长D.a光光子能量小于b光光子能量答案B3.(2013上海单科,2,2分)当用一束紫外线照射锌板时,产生了光电效应,这时()A.锌板带负电B.有正离子从锌板逸出C.有电子从锌板逸出D.锌板会吸附空气中的正离子答案C4.[2013江苏单科,12C(1)]如果一个电子的德布罗意波长和一个中子的相等,则它们的也相等。
A.速度B.动能C.动量D.总能量答案C=mv2=,二者动能解析由德布罗意波长λ=知二者的动量应相同,故C正确,由p=mv可知二者速度不同,E不同,由E=mc2可知总能量也不同,A、B、D均错。
5.(2013浙江自选,14,10分)小明用金属铷为阴极的光电管,观测光电效应现象,实验装置示意如图甲所示。
已知普朗克常量h=6.63×10-34J·s。
9碰撞与动量守恒 近代物理初步
【解题悟道】
应用动量守恒定律解题的步骤
(1)选取研究系统和研究过程。
(2)分析系统的受力情况,判断系统动量是否守恒。
①系统不受外力或所受合外力的矢量和为零时 ,系统动量守恒; ②系统所受内力远大于外力时,可认为系统动量守恒; ③系统在某一方向上不受外力或所受合外力的矢量和为零 ,在 该方向上系统动量守恒。
1 2
A、B再次达到共同速度时
E2= 1 (mA+mB+mC)v2=22.5J
2
机械能损失：ΔE=E1-E2=15J
答案：15J
(2)若【典题1】中,A与C发生碰撞后粘在一起,则三个物体最终 的速度是多少? 【解析】整个作用过程中,A、B、C三个物体组成的系统动量守 恒,最终三者具有相同的速度,根据动量守恒 (mA+mB)v0=(mA+mB+mC)v 代入数据可得：v=3m/s 答案：3m/s
【典题4·自主探究】(2013·江苏高考)根 据玻尔原子结构理论,氦离子(He+)的能级图 如图所示。电子处在n=3轨道上比处在n=5轨 道上离氦核的距离 (选填“近”或
“远”)。当大量He+处在n=4的激发态时,由 于跃迁所发射的谱线有 条。
【审题流程】 第一步：审题干→提取信息 ①能级图——各能级的位置及能量,E3=-6.04eV、 E5=-2.18eV。 ②大量He+处在n=4的激发态。
m1
B.v0+v2
D.v0+ m2 (v0-v2)
m1
【解析】选D。根据动量守恒定律有(m1+m2)v0=m1v1+m2v2,
第十三章近代物理初步
第十三章近代物理初步考纲要点解读考试内容要求解读1.光电效应，爱因斯坦光电效应方程Ⅰ认识光电效应现象，理解光电效应规律，并能用理解爱因斯坦的光子说解释光电效应规律。
掌握光电效应方程，会计算逸出功、极限频率、最大初动能等物理量2.氢原子光谱，氢原子的能级结构，能级公式Ⅰ理解玻尔理论对氢原子光谱的解释。
掌握氢原子的能级公式并能灵活应用。
用氢原子能级图求解原子的能级跃迁问题是高考热点。
3.原子核的组成，放射性，原子核的衰变、半衰期Ⅰ原子核式结构的发现，原子核的组成，放射性、半衰期是高考的热点。
4.放射性同位素Ⅰ了解放射性同位素的应用。
5.核力，核反应方程。
结合能，质量亏损Ⅰ了解核力的特点。
书写核反应方程，能区分核反应的种类和根据质能方程求解核能问题。
6.裂变反应和聚变反应，裂变反应堆Ⅰ裂变反应、聚变反应的应用7.射线的危害和防护Ⅰ射线的危害和应用等知识与现代科技的联系。
高考题型综述本章属选考内容，作为选修3-5一个模块中的内容，在高考中出题的可能性较大。
高考对本章内容的能力要求较低，命题难度不大，大多直接考查理解和记忆。
但考点较多，细节较多。
重点考查光电效应、氢原子能级、氢光谱、放射性元素、原子核式结构、衰变、核能及核反应方程，强调了核力和结合能两个知识点，其中以氢原子能级、原子核反应方程和质能方程等知识命题频率较高。
出题的形式以选择题为主，结合经典物理理论和最新科技成果进行考查，体现时代气息，用新名词包装试题。
少数试题以非选择题形式出现，与力学、电磁学相结合，出中等难度的计算题，体现学科内综合。
本章内容需要记忆的信息量大，因此在复习中要精读教材，熟练掌握教材内容，加强理解记忆，狠抓基本概念和基础知识.“原子、原子核”的整个知识体系，可归结为：两模型（原子的核式结构模型、玻尔原子模型）；六子（质子、中子、电子、正电子、α粒子、γ光子11H 21H 31H 10n 0-1e 01e 42He γ）；四变（衰变、人工转变、裂变、聚变）；两方程（核反应方程、质能方程）.四条守恒定律（电荷守恒、质量数守恒、能量守恒、动量守恒）贯串全章.13.1光电效应波粒二象性一. 知识点自测填空1.能量子⑴热辐射：[1] 物体，在[2] 温度下都在辐射各种波长的[3] ，这种辐射与物体的[4] 有关，称为热辐射。
高考一轮复习 第12章 近代物理初步教学课件
()
解析：根据光电效应方程 Ekm＝hν－W0＝hν－hν0 知，图线 的斜率表示普朗克常量，根据图线斜率可得出普朗克常量。 横轴截距表示最大初动能为零时的入射光频率，此时的频 率等于金属的极限频率，根据 W0＝hν0 可求出逸出功。单 位时间内逸出的光电子数无法从图像中获知。故 A、B、D 正确，C 错误。 答案：ABD
2．[光子的能量]
(2017·北京高考)2017 年年初，我国研制的“大连光源”——极 紫外自由电子激光装置，发出了波长在 100 nm(1 nm＝ 10－9 m)
附近连续可调的世界上最强的极紫外激光脉冲。“大连光源”
因其光子的能量大、密度高，可在能源利用、光刻技术、雾霾
治理等领域的研究中发挥重要作用。一个处于极紫外波段的光
[系统归纳] 光电效应的研究思路 (1)两条线索：
(2)两条对应关系： 入射光强度大→光子数目多→发射光电子多→光电流大； 光子频率高→光子能量大→光电子的最大初动能大。
必备知识(二) 爱因斯坦的光电效应方程 1．[爱因斯坦光电效应方程的理解]
(多选)在光电效应实验中，分别用频率为 νa、νb 的单色光 a、
解析：光电效应中，入射光子能量为 hν，克服逸出功 W0 后多余的能量转换为电子动能，设遏止电压为 Uc，有 eUc ＝hν－W0，整理得 Uc＝heν－We0，遏止电压只与入射光的频 率有关，与入射光的强度无关。入射光越强，饱和光电流 越大，故选项 C 正确。 答案：C
光电效应四类图像 图像名称 图线形状 最大初动能 Ek 与入射光 频率 ν 的关 系图线
第十二章 近代物理初步 [定标——核心素养]
理解原子的能级结构，区分衰变类型，理解光电效 物理
应发生的条件、核反应的类型和特点以及原子核的 观念
2024年新高考版物理专题十三近代物理初步讲解部分
过程,称为核反应。
2.规律:在核反应中,质量数守恒、电荷数守恒。
3.三个重要核反应
1)1919年卢瑟福发现质子的核反应:174
N+
4 2
He
18 7
O
11
H。
2)1932年卢瑟福的学生查德威克用实验证实了中子的存在,其核反应方
程为:94
Be+
4 2
He
16 2
C
10
n。
3)1934年约里奥—居里夫妇发现人工放射性同位素、发现正电子的核反
4.爱因斯坦光电效应方程 1)光子 ①定义:在空间传播的光不是连续的,而是一份一份的,每一份叫一个光量 子,简称光子。 ②光子的能量:每个光子的能量只决定于光的频率,即ε=hν,ν表示光的频 率。 2)逸出功:要使电子脱离某种金属,需要外界对它做功,做功的最小值叫这 种金属(不同金属的逸出功不同)的逸出功,一般用W0表示。 3)爱因斯坦光电效应方程:Ek=hν-W0,Ek为光电子的最大初动能。光电子 的最大初动能随入射光频率的增大而增大。
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。 黑体的颜色不一定是黑色,黑体不反射电磁波,但会向外辐射电磁波。 2.能量量子化 1)能量子:组成黑体的振动着的带电微粒的能量只能是某一最小能量值ε 的整数倍。带电微粒辐射或吸收能量时也是以这个最小能量值为单位 一份一份地进行的,这个不可再分的最小能量值ε叫能量子。 2)公式:ε=hν。ν是带电微粒的振动频率,也是带电微粒吸收或辐射电磁波 的频率,h是普朗克常量,其值为h=6.626×10-34 J·s。 3)能量量子化:在微观世界中,能量不能连续变化,只能取某些分立值,这种 现象叫能量量子化。
3.质量亏损 1)概念:原子核的质量小于组成它的核子的质量之和,这个现象叫作质量 亏损。 2)质能关系:ΔE=Δmc2。 3)核子平均质量:比结合能大的原子核,平均每个核子的质量亏损大,核子 的平均质量就小,故核子的平均质量大小也能够反映原子核的稳定性,即 核子的平均质量越小,原子核越稳定。核子平均质量随原子序数变化的 定性关系图像如图所示。
高中物理：近代物理初步知识点
高中物理：近代物理初步知识点一、波粒二象性1.1900年普朗克能量子假说，电磁波的发射和吸收是不连续的，而是一份一份的E=hv2.赫兹发现了光电效应，1905年，爱因斯坦解释了光电效应，提出光子说及光电效应方程3.光电效应①每种金属都有对应的vC和W0，入射光的频率必须大于这种金属极限频率才能发生光电效应。
②光电子的最大初动能与入射光的强度无关，随入射光频率的增大而增大（），即最大初动能Ekm与入射光频率成线性关系。
③入射光频率一定时，光电流强度与入射光强度成正比。
④光电子的发射时间一般不超过10-9秒，与频率和光强度无关。
4.光电效应和康普顿效应说明光的粒子性，干涉（波的叠加，又分单缝干涉、双缝干涉、薄膜干涉）、衍射（波绕过障碍物继续传播的现象）、偏振说明光的波动性。
石墨对X射线散射时，部分X射线的散射光波长会变大，这个现象称为康普顿效应，康普顿效应不仅表明光具有能量，还具有动量。
5.光电效应方程 nc=W0/h6.光的波粒二象性物质波概率波不确定性关系①大量光子表现出的波动性强，少量光子表现出的粒子性强；频率高的光子表现出的粒子性强，频率低的光子表现出的波动性强．②实物粒子也具有波动性这种波称为德布罗意波，也叫物质波。
③从光子的概念上看，光波是一种概率波④不确定性关系：二、原子核式结构模型1.1897年英国物理学家汤姆生，对阴极射线进行了一系列的研究，从而发现了电子（负电子：0-1e）。
2.粒子散射实验和原子核结构模型（1）粒子散射实验：1909年，卢瑟福①装置：②现象：a.绝大多数ɑ粒子穿过金箔后，仍沿原来方向运动，不发生偏转。
b.有少数ɑ粒子发生较大角度的偏转c.有极少数ɑ粒子的偏转角超过了90度，有的几乎达到180度，即被反向弹回。
3.几个考点①卢瑟福的ɑ粒子散射，说明了原子具有核式结构。
②汤姆孙发现电子，说明了原子可再分或原子有复杂结构③放射性现象，说明了原子核具有复杂结构4.玻尔理论（1）经典电磁理论不适用原子系统，玻尔从光谱学成就得到启发，利用普朗克的能量量了化的概念，提了三个假设：①定态假设：原子只能处于一系列不连续的能量状态中，在这些状态中原子是稳定的②跃迁假设：电子跃迁辐射或吸收一定频率的光子，光子的能量由Em-En =hv严格决定③轨道量子化假设，原子的不同能量状态，跟电子不同的运行轨道相对应。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
高中物理学习材料
（马鸣风萧萧**整理制作）
近代物理初步
1. (2015·河北省邯郸市高三教学质量检测)下列说法正确的是(填入正确选项前的字母)。
A ．β衰变现象说明电子是原子核的组成部分
B ．U 235
92在中子轰击下生成Ba 14456和Kr 8936的过程中，原子核中的平均核子质量变小
C ．太阳辐射能量主要来自太阳内部的聚变反应
D ．卢瑟福依据极少数α粒子发生大角度散射提出了原子核式结构模型
E ．按照玻尔理论，氢原子核外电子从半径较小的轨道跃迁到半径较大的轨道时，电子的动能减小，原子总能量减小
解析： β衰变是原子核中的中子转化为质子同时产生电子的过程，但电子不是原子核
的组成部分，故A 错；U 235
92在中子轰击下生成Ba 14456和Kr 8936的过程是裂变反应，原子核中
的平均核子质量变小，有质量亏损，以能量的形式释放出来，故B 正确；太阳辐射的能量主要来自太阳内部的聚变反应，C 正确；卢瑟福根据极少数α粒子发生大角度散射提出了原子核式结构模型，故D 正确；能量守恒定律是自然界普遍成立的定律之一，在电子跃迁的过程中，能量仍守恒，故E 错误．
【答案】 BCD 2.（2015·湖北省八校高三第一次联考）关于原子结构及原子核的知识，下列判断正确的是。
（填写正确答案标号） A ．每一种原子都有自己的特征谱线
B ．处于n =3的一个氢原子回到基态时一定会辐射三种频率的光子
C ．α射线的穿透能力比γ射线弱
D ．β衰变中的电子来自原子的内层电子
E ．放射性元素的半衰期与压力、温度无关
解析：由于每种原子都有自己的特征谱线，故可以根据原子光谱来鉴别物质，故A 正
确；根据23C =3，知一群氢原子处于n=3的激发态向较低能级跃迁，最多可放出三种频率的
光子，但是一个氢原子可能辐射一种、也可能辐射两种频率的光子，故B错误；α射线的穿透能力比γ射线的穿透能力弱．故C正确；原子核发生β衰变中放出的电子是原子核内的中子转化为质子而释放的电子，D错误；放射性元素的半衰期与温度的变化无关，只与自身有关，E正确；
【答案】ACE
3．(2015·湖南省桑植一中皇仓中学高三第二次联考(10月))具有天然放射性的90号元素钍的同位素钍232经过一系列α衰变和β衰变之后，变成稳定的82号元素铅208.下列判断中正确的是()
A．钍核比铅核多24个质子
B．钍核比铅核多16个中子
C．这一系列衰变过程中共释放出4个α粒子和6个β粒子
D．这一系列衰变过程中共发生了6次α衰变和6次β衰变
解析：根据质量数和电荷数守恒可知，铅核比钍核少8个质子，少16个中子，故A错误，B正确；发生α衰变是放出42He，发生β衰变是放出电子0－1e，设发生了x次α衰变和y次β衰变，则根据质量数和电荷数守恒有：2x－y＋82＝90，4x＋208＝232，解得x＝6，y＝4，故衰变过程中共有6次α衰变和4次β衰变，故C错误，D错误．故选B.
答案：B
4．（2015·陕西省渭南市高三一模）关于核衰变和核反应的类型，下列表述正确的有（）
A．N+H→C+He是α衰变放出氦原子核
B．H+H→He+γ是核聚变反应方程
C．U→Th+He是核裂变反应方程
D．He+Al→P+n是原子核的人工转变方程
E．Pa→U+e是β衰变方程
解析：N+H→C+He是人工核转变，不是α衰变，故A错误；轻核聚变是把轻核结合成质量较大的核，释放出核能的反应称聚变反应，故B正确；
U→Th+He是α衰变，故C错误；He+Al→P+n是原子核的人工转变方程，故D正确；Pa→U+e是β衰变，放出电子．故E正确．答案：BDE
5（2015·云南省部分名校12月统考）下列说法正确的是__________
A．卢瑟福通过α粒子散射实验建立了原子核式结构模型
B．宏观物体的物质波波长非常小，极易观察到它的波动性
C．β衰变中产生的β射线实际上是原子的核外电子挣脱原子核的束缚而形成的
D．爱因斯坦在对光电效应的研究中，提出了光子说
E．对于任何一种金属都存在一个“最大波长”，入射光的波长必须小于这个波长，才能产生光电效应
F．根据玻尔理论可知，氢原子辐射出一个光子后，氢原子的电势能增大，核外电子的运动加速度增大
【解析】由α粒子散射实验可知是卢瑟福通过该实验建立了原子核式结构模型，A正确；宏观物体的物质波波长非常小，很难观察到它的波动性，易看到粒子性，B错误；根据 衰变中产生的β射线产生的机理可知C正确；受普朗克量子论的启发，爱因斯坦在对光电效应的研究中，提出了光子说，D错误；根据光电效应规律可知入射光的频率高于该材料的极限频率（入射光的波长必须小于这个波长）才能发生光电效应，E正确；根据玻尔理论可知，氢原子辐射出一个光子后，氢原子的电势能将减小，核外电子的加速度增大，F错误。
【答案】ACE
6．(2015·陕西省西安铁一中国际合作学校高三上期末)太阳因核聚变释放出巨大的能量，同时其质量不断减少．太阳每秒钟辐射出的能量约为4×1026 J，根据爱因斯坦质能方程，太阳每秒钟减少的质量最接近()
A．1036 kg B．1018 kg
C．1013 kg D．109 kg
解析：根据爱因斯坦的质能方程ΔE＝Δmc2可得，Δm＝ΔE
c2＝
4×1026
（3×108）2
kg＝4.4×109 kg，选
项D正确．
答案：D
7．(2015·焦作质检)下列说法中正确的是()
A．卢瑟福通过实验发现质子的核反应方程为42He＋14 7N―→17 8O＋11H
B．放射性元素的半衰期随温度的升高而增加
C．一个动量为p的电子对应的物质波波长为hp(h为普朗克常量)
D．从能级图中可知，氢原子从n＝2能级跃迁到n＝1能级释放出的光子能量高于从n＝4能级跃迁到n＝2能级所释放出的光子能量
解析：卢瑟福用α粒子轰击氮原子核发现了质子，A正确；放射性元素的半衰期是由原子核内部的因素决定的，跟原子所处的物理状态(如温度、压强)或化学状态(如单质、化合物)无关，B
错误；由德布罗意波长λ＝h
p可知一个动量为p的电子对应的物质波波长λ＝
h
p(h为普朗克常量)，
C错误；从能级图中可知，氢原子从n＝2能级跃迁到n＝1能级释放出的光子能量为10.2 eV，从n＝4能级跃迁到n＝2能级释放出的光子能量2.55 eV，D正确。
答案：AD。