高中物理 近代物理学知识整合

近代物理

一、波粒二象性 1．光电效应 (1)光电效应的规律

①任何一种金属都有一个截止频率，低于这个截止频率则不能发生光电效应． 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． ③光电效应的发生几乎是瞬时的．

④大于截止频率的光照射金属时，光电流强度与入射光强度成正比． (2)光电流与电压的关系

给光电管加反向电压时，随电压的增大，光电流逐渐减小，当电压大于或等于遏止电压时，光电流为0.如图所示，给光电管加正向电压时，随电压的增大光电流逐渐增大，当电压增大到某一值时，光电流达到饱和值，再增大电压，光电流不再增加． 2．光子说

(1)光子：在空间传播的光是不连续的，而是一份一份的，每一份称为一个光量子，简称光子． (2)光子的能量： E ＝hν，h 为普朗克常量，h ＝6.63×10－34

J·s.每个光子的能量只取决于光的频率．

3．光电效应方程

(1)最大初动能与入射光子频率的关系：E k ＝hν－W 0.

(2)若入射光子的能量恰等于金属的逸出功W 0，则光电子的最大初动能为零，入射光的频率就是金属的截止频率．此时有hνc ＝W 0，即νc ＝W 0

h

，可求出截止频率．

(3)E k －ν曲线：如图所示，由E k ＝hν－W 0可知，横轴上的截距是金属的截止频率或极限频率，纵轴上的截距是金属的逸出功的负值，斜率为普朗克常量h . 4．光的波粒二象性

5.物质波(德布罗意波)

由光的波粒二象性的思想推广到微观粒子和任何运动着的物体上去，得出物质波(德布罗意波)的概念：任何一个运动着的物体都有一种波与它对应，该波的波长λ＝h p .

二、原子的结构 1．原子的核式结构 (1)电子的发现

汤姆孙发现了电子，并提出了原子的枣糕式模型． (2)α粒子散射实验

1909～1911年，英国物理学家卢瑟福和他的助手进行了用α粒子轰击金箔的实验，发现绝大多数α粒子穿过金箔后基本上仍沿原来方向前进，但有少数α粒子发生了大角度偏转，偏转的角度甚至大于90°，也就是说它们几乎被“撞”了回来．为了解释α粒子的大角度散射，卢瑟福提出了原子的核式结构模型：在原子中心有一个很小的核，原子全部正电荷和几乎全部的质量都集中在核里，带负电的电子在核外空间绕核旋转．

2．玻尔原子模型 (1)玻尔假说的内容

①轨道量子化：原子的不同能量状态跟电子在不同的圆轨道绕核运动相对应．原子的定态是不连续的，因此电子的轨道也是不连续的．

②能量状态量子化：原子只能处于一系列不连续的能量状态中，在这些能量状态中原子是稳定的，电子虽然绕核运动，但并不向外辐射能量．

③跃迁假说：原子从一种定态跃迁到另一种定态时，它辐射或吸收一定频率的光子，光子的能量由这两个定态的能量差决定，即hν＝E m －E n . (2)氢原子的能级结构及能级公式

①原子各定态的能量值叫原子的能级．对于氢原子，其能级公式为E n ＝E 1

n 2，对应的轨道半径公式为r n ＝n 2r 1.其中，n

为量子数，只能取正整数；E 1＝－13.6 eV ，r 1＝0.53×10

－10

m.

②原子的最低能量状态为基态，对应电子在离核最近的轨道上运动；较高的能量状态称为激发态，对应电子在离核较远的轨道上运动．氢原子的能级图如图所示．

(3)氢原子光谱

氢原子光谱的实验规律：氢原子光谱线是最早被发现、研究的光谱线，这些光谱线可用一个统一的公式表示：1λ＝

R ⎝⎛⎭⎫1m 2

－1n 2，式中R 叫里德伯常量，R ＝1.10×107 m －1，m ＝1，2，3，…对每一个m ，有n ＝m ＋1，m ＋2，m ＋3，…构成一个谱线系． 三、核反应

1．衰变：原子核自发地放出某种粒子而转变成新核的变化．可分为α衰变、β衰变，并伴随着γ射线放出． 2．α衰变和β衰变的比较

注意：γ射线是伴随α衰变或β衰变产生的，不改变原子核的核电荷数和质量数，其实质是产生的某些新核由于具有过多的能量而辐射出的光子． 3．半衰期

(1)半衰期：放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间．半衰期由原子核内部的因素决定，跟原子所处的物理、化学状态无关．

(2)半衰期公式：N 余＝N 原⎝⎛⎭⎫12t /τ，m 余＝m 原

⎝⎛⎭⎫12t /τ

.式中N 原、m 原表示衰变前放射性元素的原子数和质量，N 余、m 余表示衰变后尚未发生衰变的放射性元素的原子数和质量，t 表示衰变时间，τ表示半衰期． 4．核反应类型

核反应有4种类型，即衰变、人工核转变、聚变及裂变.4种核反应类型对比如下：

注意：4种核反应都遵循质量数守恒和电荷数守恒的规律．

四、核能

1．核力及其特点

原子核里的核子间存在着相互作用的核力，核力把核子紧紧地束缚在核内，形成稳定的原子核．核力具有以下特点：

(1)核力是强相互作用(强力)的一种表现，在它的作用范围内，核力比库仑力大得多．

(2)核力是短程力，作用范围在1.5×10－15 m之内．

(3)每个核子只跟相邻的核子发生核力作用，这也称为核力的饱和性．

2．结合能

(1)结合能：克服核力束缚，使原子核分解为单个核子时需要的能量，或若干个核子在核力作用下结合成原子核时放出的能量．

(2)比结合能：原子核的结合能与核子数之比，也叫平均结合能．比结合能越大，表示原子核、核子结合得越牢固，原子核越稳定．

3．质量亏损

(1)爱因斯坦质能方程：E＝mc2.

(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．

4．裂变与聚变

(1)重核裂变：重核俘获一个中子后分裂成为两个中等质量的核的反应过程．重核裂变的同时放出几个中子，并释放出大量核能．为了使铀235裂变时发生链式反应，铀块的体积应大于它的临界体积．

裂变的应用：原子弹、原子反应堆．

(2)轻核聚变：某些轻核结合成质量较大的核的反应过程，反应时释放出大量的核能．要想使氘核和氚核合成氦核，必须达到几百万摄氏度以上的高温，因此聚变反应又叫热核反应．

聚变的应用：氢弹．