高中物理选修3-5原子物理部分知识总结

第三节
探测射线的方法
威尔逊云室
有粒子在室内气体中飞过，使沿途的气体分子电离，过饱和酒精蒸汽就会以这些离子为核心凝结成雾滴，显示出射线的径迹。
该云室是英国物理学家威尔逊在1912年发明的。
α粒子：质量大、电离本领大，因而径迹直而清晰。
β粒子：高速的，径迹又细又直；低速的，又短又粗且弯曲。
α粒子散射实验
（核式结构模型）
绝大多数粒子穿过金箔后，基本上仍沿原来的方向前进，但有少数粒子发生了大角度偏转，偏转的角度甚至大于90°。
该实验于1909年，由英籍物理学家卢瑟福指导他的学生盖革和马斯顿进行的。
基于此实验，1911年，英籍物理学家卢瑟福提出来了自己的原子结构模型，被称为核式结构模型。
原子核的电荷与尺度
章节
名称
定义（内容）
补充
第十九章原子核
第一节
原子核的组成
天然放射现象
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，放射性元素自发地发出射线的现象叫天然放射现象。
原子序数大于或等于83的元素都能自发地发出射线，原子序数小于83的元素，有的也能放出射线。
1895年末，德国物理学家伦琴发现了一种的新射线——X射线，即伦琴射线。
巴耳末公式
R叫做里德伯常量1.10×107m-1
经典理论的困难
无法解释原子的稳定性和原子光谱的分立特征。
第四节
玻尔的原子模型
玻尔原子理论的基本假设
轨道量子化与定态：1、电子的轨道是量子化的2、原子的能量是量子化的，这些量子化的能量值叫做能级，原子中具有确定能量的稳定状态称为定态。能量最低的状态叫基态，其他状态叫做激发态。
由于不同的原子具有不同的结构，能级各不相同，因此辐射（吸收）的光子频率也不同。
1914年，美国物理学家弗兰克和德国物理学家赫兹利用电子轰击汞原子，发现电子损失的能量，也就是汞原子吸收的能量是分立的，从而证明汞原子的能量确实是量子化的。
波尔模型的局限
不能解释复杂的原子。
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1896年，法国物理学家贝可勒尔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板感光。
1898年，波兰裔科学家玛丽·居里和法国物理学家皮埃尔·居里在沥青中发现新元素钋和镭。
1903年，居里夫妇和贝克勒尔由于对放射性的研究而一起获得诺贝尔物理学奖。
1911年，居里夫人因镭和钋的发现而获得了诺贝尔化学奖。
质子： 中子：
第二节
放射性元素的衰变
原子核的衰变
原子核放出α粒子或β粒子变成另一种原子核的变化。
（原子核衰变时电荷数和质量数都守恒）
α衰变：
β衰变：
β衰变电子的来源：
半衰期
放射性元素有半数发生衰变所需的时间。
放射性元素衰变的快慢是由核内部自身的因素决定的，跟原子所处的化学状态和外部条件没有关系。即压力、温度或与其他元素的化合等，都不会影响原子核的结构。
黑体辐射公式（辐射强度按波长分布的理论公式）
维恩公式：短波区与实验非常接近，长波区则与实验偏离很大。（德国物理学家维恩1896年提出）
瑞利公式（瑞利—金斯公式）：长波区与实验基本一致，短波区与实验严重不符，不但不符，而且当波长趋于零时，辐射强度竟变成无穷大，这显然是荒谬的。由于波长很小的辐射处于紫外线波段，故而由理论得出的这种荒谬结果被认为是物理学理论的灾难，当时被称为紫外灾难。（英国物理学家瑞利1900年提出，被金斯修正）
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章节
名称
定义（内容）
补充与黑体辐射
热辐射：一切物体都在辐射电磁波，这种辐射与物体温度有关。
黑体：如果某种物体能够完全吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射，这种物体就是绝对黑体，简称黑体。
黑体辐射的实验规律
随着温度的升高，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波长较短的方向移动。
物质波的实验验证
1912年，德国物理学家劳厄利用晶体中排列规律的物质微粒作为衍射光栅，检验了伦琴射线的波动性，证实了伦琴射线就是波长为十分之几纳米的电磁波。
1927年，美国物理学戴维孙和英国物理学家G·P·汤姆孙分别利用晶体做了电子衍射的实验，证实了电子的波动性。他们为此获得了1937年的诺贝尔物理学奖。
爱因斯坦的光电效应方程
频率为v的光的能量子为hv，h为普朗克常量，这些能量子被称为光子。犹太裔物理学家爱因斯坦于1905年提出，于1921年因此获得诺贝尔物理学奖。光电效应表明光子具有能量，粒子性。
从1907起，美国物理学家密立根测量光电效应中几个重要的物理量，检验了爱因斯坦光电效应方程的正确性。
康普顿效应
玻尔理论对氢光谱的解释
通常情况下，原子处于基态，高速运动的电子撞击时，有可能向上跃迁到激发态，处于激发态的原子放出光子，最终回到基态。
一般说来，电子只能吸收能量为Em－En=hv的光子，但当光子的能量达到13.6eV时，电子发生电离，大于13.6eV时，电离后有一定的初动能。
电子除了吸收特定的光子外，还能吸收实物粒子，如电子、光电子，不过能量只需大于或等于跃迁所需能量。（也可通过加热）
氢原子的能级图：n=3、4、5、6跃迁到n=2为可见光，频率由大到小γ>X光>紫外线>可见光，其中γ射线来源于原子核，X光来源于核外内层电子跃迁，紫外线、可见光及红外线来源于最外层电子跃迁。
原子从高能态向低能态跃迁时放出的光子的能量等于前后两个能级之差。由于原子的能级是分立的，所以放出的光子的能量也是分立的。因此原子的发射光谱只有一些分立的亮线。
中国留学生吴有训测试了多种物质对X射线的散射，证实了康普顿效应的普遍性。
光子的动量
第三节
粒子的波动性
光的波粒二象性
1801年，英国物理学家托马斯·杨，观察到了光的干涉现象；
19世纪初，法国物理学家菲涅耳，观察到了光的衍射现象；
19世纪初，法国物理学家马吕斯，观察到了光的偏振现象；
19世纪60年代，英国物理学家麦克斯韦，从理论上确认了光的电磁波本质（电磁理论）；
逸出功
使电子脱离某种金属所做功的最小值叫做这种金属的逸出功，用W0表示。
光电效应解释中的疑难（按照光的电磁理论）
1、光越强，光电子的初动能越大，所以遏止电压应该与光的强弱有关。
2、不管光的频率如何，只要光足够强，电子都可以获得足够能量从而逸出表面，不应存在截止频。
3、如果光很弱，按经典电磁理论估算的时间远远大于实验结果。
1876年，德国物理学家戈德斯坦把该射线命名为阴极射线。
电子的发现
电子是组成阴极射线的粒子，电荷是量子化的。
1890年，舒斯特测出了阴极射线微粒的比荷；
1897年，考夫曼测出了阴极射线微粒的比荷；
1897年，英国物理学家J·J·汤姆孙证实阴极射线的本质是带负电的粒子流并求出这种粒子的比荷，发现了电子；
2、存在着饱和电流。
3、入射光越强，单位时间内发射的光电子数越多。
4、存在这遏止电压Uc和截止频率 。
5、光电子的能量只与入射光的频率有关。
6、当入射光的频率减小到某一数值 时，即使不施加反向电压也没有光电流，这表面已经没有光电子了， 称为截止频率。
7、入射光的频率低于截止频率时不发生光电效应。
8、光电效应具有瞬时性，产生电流的时间不超过10-9s。
能量子
不可再分的最小能量值 叫做能量子。为了得出同实验相符得黑体辐射公式，德国物理学家普朗克于1900年底提出，于1918年因此获得诺贝尔物理学奖。
h=6.626×10-34J·s
单位：J 单位：s-1
第二节
光的粒子性
光电效应的实验规律
1、照射到金属表面的光能使金属中的电子从表面逸出，这个现象称为光电效应，这种电子常被称为光电子。
射线到底是什么
γ射线是伴随着α衰变或β衰变产生的，γ射线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α衰变或β衰变时，产生的某些新核由于具有过多的能量(核处于激发态)而辐射出光子。
原子核的组成
带正电的质子和不带电的中子。
1919年，英籍物理学家卢瑟福用镭放射出的α粒子轰击氮原子核，从氮原子核打出了质子，用p表示。卢瑟福猜想原子核中还存在另一种粒子，把它称作中子，用n表示。1932年，卢瑟福的学生查德威克（英国）通过实验证实了这个猜想。
1、光在介质中与物质相互作用，因而传播方向发生改变，这种现象叫做光的散射。
2、石墨对X射线的散射实验中，散射的X射线除了与入射波长 相同的成分外，还有波长大于 的成分，这个现象称为朗普顿效应。
3、光子除了具有能量之外还具有动量。
美国物理学家康普顿于1923年提出，于1927年因此获得诺贝尔物理学奖。
核半径 ，原子半径 。
原子核的半径无法直接测量，一般通过其他粒子与核的相互作用来确定，α粒子散射是估计核半径的最简单的方法。
第三节
氢原子光谱
光谱
光谱是一条条量线的叫线状谱，光谱是连在一起的光带的叫连续谱。
各种原子的发射光谱都是线状谱，说明原子只发出几种特定频率的光。不同原子的亮线位置不同，说明不同原子的发光频率是不一样的，因此这些亮线称为原子的特征谱线。
光谱分析：利用原子的特征谱线来鉴别物质和确定物质的组成成分。
优点：灵敏度高。
1814年，德国物理学家夫琅和费通过光谱分析发现了钠的谱线，发现了太阳光谱中的暗线；
1859年，德国物理学家基尔霍夫解释了太阳光谱中暗线的含义。
氢原子光谱的实验规律
许多情况下光是由原子内部电子的运动产生的。
1885年，巴耳末根据氢原子光谱提出了巴耳末公式。
第五节
不确定性关系
不确定性关系
不能准确的知道单个粒子的运动情况。
1927年，德国物理学家海森伯提出了不确定性关系，他于1932年获得了诺贝尔物理学奖。