高考物理选修3-5知识点归纳

波粒二象性

知识要点梳理

知识点一——黑体与黑体辐射

要点诠释：

1、热辐射

固体或液体，在任何温度下都在发射各种波长的电磁波，这种由于物体中的分子、原子受到激发而发射电磁波的现象称为热辐射。

对热辐射的初步认识：

任何物体任何温度均存在热辐射。辐射强度按波长的分布情况随物体的温度而有所不同，这是热辐射的一种特性。对于一般材料的物体，温度越高，热辐射的波长越短、强度越强。

物体在室温时热辐射的主要成分是波长较长的电磁波，不能引起人的视觉。当温度升高时，热辐射中较短波长的成分越来越强。例如投在炉中的铁块由于不断加热，铁块依次呈现暗红、赤红、橘红等颜色，直至成为黄白色。

热辐射强度还与材料的种类、表面状况有关。

热辐射的过程中将热能转化为电磁能。

2、黑体与黑体辐射

能够完全吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射的物体称为绝对黑体，简称黑体。

不透明的材料制成带小孔的的空腔,可近似看作黑体。如果在一个空腔壁上开一个很小的

孔，如图所示，那么射入小孔的电磁波在空腔内表面发生多次反射和吸收，最终不能从空腔

射出，这个小孔就成为了一个绝对黑体。

对上图中的空腔加热，空腔内的温度升高，小孔就成了不同温度下的导体，从小孔向外

的辐射就是黑体辐射。

研究黑体辐射的规律是了解一般物体热辐射性质的

基础。实验表明黑体辐射强度按波长的分布只与黑体的

温度有关。

利用分光技术和热电偶等设备就能测出它所辐射的

电磁波强度按波长的分布情况。如下图画出了四种温度

下黑体热辐射的强度与波长的关系：

从中可以看出，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。

对实验规律的解析：

物体中存在着不停运动的带电微粒，每个带电微粒

的振动都产生变化的电磁场，从而产生电磁辐射。人们

很自然地要依据热力学和电磁学的知识寻求黑体辐射的解释。德国物理学家维恩在1896年、英国物理学家瑞利在1900年分别提出了辐射强度按波长分布的理论公式。

维恩公式在短波区与实验非常接近，在长波区则与实验偏离很大；瑞利公式在长波

区与实验基本一致，但在短波区与实验严重不符。而且当波长趋于零时，辐射竟变成无

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。

为了得出同实验符合的黑体辐射公式，1900年底，德国物理学家普朗克提出了能

量子的概念。

3、能量子

辐射黑体分子、原子的振动可看作谐振子，这些谐振子可以发射和吸收辐射能。但

是这些谐振子只能处于某些分立的状态，在这些状态中，谐振子的能量并不象经典物理学所允许的可具有任意值。相应的能量是某一最小能量ε（称为能量子）的整数倍，即：ε, 1ε, 2ε, 3ε, ... nε. n为正整数，称为量子数。

对于频率为υ的谐振子最小能量为ε=hυ，其中υ是电磁波的频率，h是一个常量，后被称为普朗克常量，其值为h=6.626×10-34J·s。

注意：宏观世界中我们说的能量值是连续的，而普朗克的假设则认为微观粒子的能量是量子化的，或者说微观粒子的能量是分立的。

借助于能量子的假设，普朗克得出了黑体辐射的强度按波长分布的公式，如图所示，与实验符合令人击掌叫绝。

知识点二——光电效应

要点诠释：

1、光电效应现象

在光（包括不可见光）的照射下从物体发射出电子的现象，叫光电效应。光电效应中发射出来的电子叫光电子。光电子定向移动形成的电流叫光电流。

研究光电效应规律的实验装置如图，阴极K和阳极A 是密封在真空玻璃管中的两个电极，K在受到光照时能够发射光电子。电源加在K与A之间的电压大小可以调整，正负极也可以对调。电源按图示极性连接时，阳极A吸收阴极K发出的光电子，在电路中形成了光电流。利用这个图示的电路就可以研究光电流和照射光的强度、光的频率（颜色）等物理量之间的关系。

2、光电效应规律

（1）存在着饱和光电流I s与入射光强度成正比。

a.在光照条件不变的情况下，随着所加电压的增加，光电流趋于一个饱和值

b.入射光越强，饱和电流越大

如果用一定频率和强度的单色光照射阴极K，改变加在A和K两极间的电压U，测量光电流I的变化，则可得如图所示的伏安特性曲线。

实验表明：光电流I随正向电压U的增大而增大，并逐渐趋于其饱和值I s；而且饱和电流I s的大小与入射光强度成正比。

这一实验结果可以解释为，控制入射光的强度、频率不变时，从阴极K射出的电子的数目和初速度相同，当增加电压时射到阳极A的电子的速度增大，根据I＝nqvs可知电流增大，但速度增大不能无限地增大，最大速度是光速，所以电流存在饱和值。当光电流达到饱和时，阴极K上所有逸出的光电子全部飞到了阳极A上，即：Is= ne，其中n

是单位时间内阴极K上逸出的光电子数。

控制电压和光的频率不变，增大入射光的强度，n增大，饱和电流越大。因此光电效应的上述实验结果也可以表述为：单位时间内从金属表面逸出的光电子数目与入射光强度成正比。

（2）存在着遏止电压和截止频率

a.当所加电压为零时，电流I并不为零只有施加反向电压，电流才有可能为零

由上图可见，A和K两极间的电压为零时，光电流并不为零，只有当两极间加了反向电压U=-U C<0时，光电流I 才为零，U C称为遏止电压(或截止电压)。

实验表明：对于一定颜色（频率）的光，无论光的强弱如何，遏止电压都是一样的。光的频率改变时，遏止电压也会改变。这表明光电子的最大初动能与入射光的强度无关，随入射光频率的增加而增加。

b.当入射光的频率减小到某个值υ0时，即使不施加反向电压也没有光电流，表明已经没有光电子了

当入射光的频率减小到某一数值υ0时，U C减小到零，既不施加反向电压也没有光电流，这表明已经没有光电子了。若入射光频率再降低，则无论光的强度多大，都没有光电子产生，不发生光电效应。这个由阴极金属材料性质决定的频率υ0，称为金属的截止频率（或极限频率）。不同的金属极限频率不同，对于同一种金属，只有当入射光频率υ大于一定的极限频率υ0时，才会产生光电效应。

结论：光电子的能量与入射光的频率有关，而与入射光的强弱无关，当入射光的频率低于极限频率时不能发生光电效应。不同金属的极限频率不同。

（3）光电效应是瞬时发生的。

实验发现，只要入射光的频率υ>υ0，无论光多么微弱，从光照射阴极到光电子逸出，这段时间不超过10-9s。光电效应的发生时间如此之短，通常称它是瞬时发生的。

3、波动理论解释光电效应规律的疑难

但是按照波动理论，应得出如下结论：

①光越强，光电子的初动能应该越大，所以遏制电压UC 应该和光的强弱有关，但事实是在入射光的频率相同的情况下，改变入射光的强度，遏制电压不变；

②不管光的频率如何，只要光足够强，电子就可获得足够能量从而逸出表面，不应存在截止频率，但事实上存在截止频率，当入射光的频率小于截止频率时，无论入射光多么强，都不会看到光电效应；

③如果光很弱，按照经典电磁理论估算，电子需要几分钟或者十几分钟的时间才能获得逸出表面所需要的能量，这些结论都与实验结果相矛盾。

众多的疑难呼唤着新的思想，新的观念，新的理论。

知识点三——爱因斯坦的光电效应方程

要点诠释：

1、新理论的诞生——光子说

（1）背景

普朗克在研究热辐射规律时发现，只有认为电磁波的发射和吸收是不连续的，而是一份一份地进行的，理论计算的结果才能和实验事实相符。每一份能量叫做一个能量子，每个能量子的能量为ε=hυ。

受普朗克的启发，爱因斯坦认为：光在空间传播正向粒子那样运动，这个粒子后来被称为“光子”

（2）内容

空间传播的光不是连续的，是一份一份的，每一份叫一个光子，每个光子的能量为ε=hυ。

（3）爱因斯坦的光子与普朗克的能量子的异同

相同点：都认为能量是不连续的，而是一份一份的，每一份能量为ε=hυ。（能量量子化）

不同点：普朗克认为能量子仍以波的形式传播；爱因斯坦认为光子在空间的传波向粒子一样。

注意：爱因斯坦的光子与牛顿的粒子有着本质的不同。光子是只有能量而无静止质量的粒子，而牛顿的粒子是指实物粒子。

2、光子说对光电效应的解释

①光是由一个个光子组成，被光子“打中”的电子，这个光子的能量就全部给这个电子，而没有被光子“打中”的电子，则一点能量也没有获得。

②得到能量的电子，动能立即增大，而不需要积累能量的过程。

③如果这个能量足够大，则电子就挣脱金属的束缚而射出来，即产生光电效应；如果这个能量不足以挣脱金属的

束缚，则不能产生光电效应。

④频率一定时，光强越大，即光子的数目越多，获得能量的电子也越多，即光电子的数目与光强成正比。

3、爱因斯坦的光电效应方程

（1）逸出功：使电子脱离某种金属所做功的最小值

当光子照射到金属上时，它的能量可以被金属中的某个电子全部吸收，电子吸收光子的能量后，动能就增加了，如果电子的动能足够大，能够克服内部原子对它的引力，就可以离开金属表面逃逸出来，成为光电子，这就是光电效应。电子吸收光子的能量后可能向各个方向运动，有的向金属内部运动，并不出来。向金属表面运动的电子，经过的路程不同，途中损失的能量也不同，因此从表面出来时的初动能不同。只有直接从金属表面出来的光电子才具有最大初动能。这些光电子克服金属原子的引力所做的功叫做逸出功。

（2）光电效应方程

根据能量守恒定律，光电子的最大初动能mv m2跟入射光子的能量hυ和逸出功W之间有如下关系：

mv m2 = hυ- W这个方程叫爱因斯坦的光电效应方程。

对于一定的金属来说，逸出功W的值是一定的。所以入射光子的频率υ越大，光电子的最大初动能也越大。

在入射光频率一定时，如果入射光比较强，即单位时间内入射的光子数目多，产生的光电子也多，所以光电流的饱和值也大。

4、光电效应的应用

利用光电效应可以把光信号转变为电信号，动作迅速灵敏，因此利用光电效应制作的光电器件在工农业生产、科学技术和文化生活领域内得到了广泛的应用。光电管就是应用最普遍的一种光电器件。

光电管的类型很多，如图所示为其中的一种。玻璃泡里的空气已经抽出，有的管里充有少

量的惰性气体。管的内壁涂有逸出功小的金属作为阴极。管内另有一阳极A。当光照射到光电

管的阴极K时，阴极发射电子，电路里就产生由a到b的电流。

知识点四——康普顿效应

要点诠释：

1、光的散射

光在介质中与物质微粒相互作用，因而传播方向发生改变，这种现象叫做光的散射。

2、康普顿效应

英国物理学家康普顿在研究石墨对X射线的色散时，发现在色散的X射线中，除了与入射波长λ0相同的成分外，还有波长大于λ0的成分，这个现象称为康普顿效应。

能不能把光看成波而解释这个现象呢？不能，因为光是电磁波，入射光将引起物质内部带电微粒的受迫振动，振动着的带电微粒从入射光吸收能量，并向四周辐射。这就是散射光。散射光的频率应该等于入射光的频率，因而散射光的波长与入射光的波长应该相同，不应出现λ>λ0的散射光，综上所述，若将入射光看成是波的话，那么散射光的波长和入射光的波长相同，不会出现λ>λ0的散射光，即经典理论与实验事实出现了矛盾。

康普顿用光子的概念十分成功地解释了这种效应，他的基本思想是，X射线不仅具有能量，也像其他粒子那样，具有动量，X射线的光子与晶体中的电子发生碰撞时，不仅要遵守能量守恒定律而且要遵守动量守恒定律，求解这些方程，可以得出散射光波长的变化量△λ，理论结果和实验符合得很好。

光电效应和康普顿效应深入地解释了光的粒子性的一面。前者表明光子具有能量，后者表明光子除了能量之外还具有动量。

3、光子的动量

一定的质量m与一定的能量E相对应：E=mc2

光子的能量E=hυ

借用质子、电子的动量定义p=mv有：

在康普顿效应中，当入射的光子与晶体中的电子碰撞时，要把一部分动量转移给电子，因而光子动量变小。从p=h/λ看，动量p减小意味着波长λ变大，因此有些光子散射后波长变大。

知识点五——粒子的波动性

要点诠释：

1、光的波粒二象性

光的干涉、衍射和偏振等现象无可争辩地表明光具有波动性；而光电效应又无可争辩地表明光是具有能量

的光子流，也就是说光具有粒子性。

从古代光的微粒说，到托马斯·杨和菲涅尔的光的波动说，从麦克斯韦的光的电磁理论，到爱因斯坦的光子理论，我们可以看出：光既有波动性，又具有粒子性，即光具有波粒二象性，这就是光的本性。

（1）大量光子的传播规律体现波动性；个别光子的行为体现为粒子性。

（2）频率越低，波长越长的光，波动性越显著；频率越高，波长越短的波，粒子性越显著。

（3）可以把光的波动性看做是表明大量光子运动规律的一种概率波。

2、粒子的波动性

1924年，法国物理学家德布罗意把光的波粒二象性推广到实物粒子，如电子、质子等。他提出：实物粒子也具有波动性，即每一个运动的粒子都与一个对应的波相联系,而且粒子的能量ε和动量p跟它所对应的波的频率υ和波长λ之间，也向光子跟光波一样，遵从如下关系：

ε=hυ

p=mv=h/λ

由于这种波不是由电磁场引起，而是由实物的运动形成，这种与实物粒子相联系的波后来称为物质波，亦称德布罗意波，而λ=h/mv=h/p称为德布罗意波长公式。

说明：物质波是一种概率波，在一般情况下，对于电子和其它微观粒子，不能用确定的坐标来描述它们的位置，也无法用轨道描述它们的运动，但是它们在空间各处出现的概率是受波动规律支配的，故物质波也是一种概率波。

3、物质波的实验验证

光的干涉和衍射是光具有波动性的有力证据。因此如果电子、原子等实物粒子也真的具有波动性，那么他们就应该像光波那样也能发生干涉和衍射现象。这是验证物质波是否存在的一条途径。1927年，英国物理学家G·P·汤姆逊用电子束穿过很薄的金属片，观察到了电子的衍射图样，从而证实了电子的波动性。宏观物体的质量比微观粒子大得多，它们运动时的动量很大，对应的德布罗意波长很小，所以平常根本无法观察到它们的波动性。

知识点六——概率波与不确定关系

要点诠释：

1、概率波

光既表现出波动性又表现出粒子性，很难用宏观世界的观念来认识，必须从微观的角度建立起光的行为图景，认识光的波粒二象性。如在双缝干涉实验中，光子通过双缝后，对某一个光子而言，其运动是不可控制的，但对大量光子而言，它们落在光屏上的位置又有规律性，即某些区域光子落点多，另一些区域光子落点少，落点多的区域就是亮条纹，落点少的区域就是暗条纹。这说明大量光子产生的效果显示出波动性，个别光子产生的效果显示出粒子性。光的波动性不是光子之间的相互作用引起的，而是光子自身具有的属性。光子在空间出现的概率可以通过波动的规律确定。因此说光波是一种概率波。

对于电子和其他微观粒子，由于同样具有波粒二象性，所以与它们联系的物质波和光波一样，也是概率波。也就是说单个粒子的位置是不确定的，但在某点附近出现的概率的大小可以由波动的规律确定。对于大量粒子，这种概率分布导致确定的宏观结果，例如衍射条纹的分布等。

2、不确定关系

在经典力学中，描述粒子的运动状态在于确定任一时刻粒子的位置和动量，这种描述，在宏观领域是可行的，而在微观世界就根本不适用。原因在于粒子具有波粒二象性，在同一时刻，粒子的坐标和动量就不可能都具有确定的值。从光的单缝衍射实验可以看出，屏上的亮点实际反映了粒子(光子)到达该点的概率，入射的粒子可以认为有确定的动量，但它们可以处于挡板左侧的任何位置，粒子在挡板左侧的位置是完全不确定的。对于通过挡板的粒子来说，它们

的位置被狭缝限定了，它们的位置不确定量减小了，不过我们仍不能准确地说出射到屏上的粒子在通过狭缝时的准确位置，因为狭缝有一定的宽度a，从这儿可以看出，粒子动量的不确定性增加了。

利用数学方法可以对微观粒子的运动进行分析，如果以Δx表示粒子的位置的不确定量，用Δp表示粒子在x方

向上的动量的不确定量，可以得出：，式中的h是普朗克常量，这就是著名的不确定关系。

规律方法指导

1、发生光电效应的几个特点

（1）瞬时性. 从光照到放出电子几乎是同时的，与照射光强度及频率无关。

（2）对应性. 金属表面每吸收一个光子就释放一个电子。

（3）频率条件. ≥0（0为极限频率，逸出功W＝h0）。

2、在光电效应实验规律中，有两个关系

（1）光电效应的最大初动能随入射光频率的增大而增大；

（2）光电流的强度跟入射光强度成正比。

注意第一个关系中并不是成正比，而第二个关系是成正比，根据爱因斯坦光电效应方程,对于

某一金属而言，逸出功W是一定的，普朗克恒量h是一常数，故从上式可以看出，最大初动能与放射光频率是成一次函数关系，确实不是成正比的，光电流的强度是由从金属表面逸出的光电子数目决定的，而从金属表面逸出的光电子数目是由入射光的数目决定的，所以我们容易推得，光电流的强度跟入射光的强度成正比。

更加清楚的逻辑推理见下图：

入射光的强度可理解为在单位时间内单位面积上所受的光子总能量，设入射光频率为，则

，其中主要的量是入射光子的数目。

3、光既有波动性，又具有粒子性，即光具有波粒二象性，这就是光的本性。

（1）大量光子的传播规律体现波动性；个别光子的行为体现为粒子性。

（2）频率越低，波长越长的光，波动性越显著；频率越高，波长越短的波，粒子性越显著。

（3）可以把光的波动性看做是表明大量光子运动规律的一种概率波。

原子物理与核物理

复习要点

1、了解玻尔原子理论及原子的核式结构。

2、了解氢原子的能级，了解光的发射与吸收机理。

3、了解天然放射现象，熟悉三种天然放射线的特性。

4、了解核的组成，掌握核的衰变规律，理解半衰期概念，掌握核反应过程中的两个守恒定律。

5、了解同位素及放射性同位素的性质和作用，了解典型的核的人工转变。

6、了解爱因斯坦质能方程，会利用核反应中的质量亏损计算核能。

7、了解核裂变与核聚变。

第一模块：原子的核式结构、波尔的原子模型

1、关于α粒子散射实验（英国物理学家卢瑟福完成，称做十大美丽实验之一） （1）α粒子散射实验的目的、设计及设计思想。

①目的：通过α粒子散射的情况获取关于原子结构方面的信息。

②设计：在真空的环境中，使放射性元素钋放射出的α粒子轰击金箔，然后透过显微镜观察用荧光屏接收到的α粒子，通过轰击前后α粒子运动情况的对比，来了解金原子的结构情况。

③设计思想：与某一个金原子发生作用前后的a 粒子运动情况的差异，必然带有该金原子结构特征的烙印。搞清这一设计思想，就不难理解卢瑟福为什么选择了金箔做靶子（利用金的良好的延展性，使每个α粒子在穿过金箔过程中尽可能只与某一个金原子发生作用）和为什么实验要在真空环境中进行（避免气体分子对α粒子的运动产生影响）。 （2）α粒子散射现象

①绝大多数α粒子几乎不发生偏转； ②少数α粒子则发生了较大的偏转；

③极少数α粒子发生了大角度偏转（偏转角度超过90°有的甚至几乎达到180°）。 （3）a 粒子散射的简单解释。

①由于电子质量远远小于α粒子的质量（电子质量约为α粒子质量的１／7300），即使α粒子碰到电子，其运动方向也不会发生明显偏转，就象一颗飞行的子弹碰到尘埃一样，所以电子不可能使α粒子发生大角度散射。而只能是因为原子中除电子外的带正电的物质的作用而引起的；

②使α粒子发生大角度散射的只能是原子中带正电的部分，按照汤姆生的原子模型，正电荷在原子内是均均分布的，α粒子穿过原子时，它受到两侧正电荷的斥力有相当大一部分互相抵消，因而也不可能使α粒子发生大角度偏转，更不可能把α粒子反向弹回，这与α粒子散射实验的结果相矛盾，从而否定了汤姆生的原子模型。

③实验现象中，α粒子绝大多数不发生偏转，少数发生较大偏转，极少数偏转超过?90，个别甚至被弹回，都说明了原子中绝大部分是空的，带正电的物质只能集中在一个很少的体积内（原子核）。 其次，原子中除电子外的带正电的物质不应是均匀分布的（否则对所有的α粒子来说散射情况应该是一样的），而

放射源

金箔

荧光屏

显微镜

A

B

C

D

“绝大多数”“少数”和“极少数”α粒子的行为的差异，充分地说明这部分带正电的物质只能高度地集中在在一个很小的区域内；再次，从这三部分行为不同的α粒子数量的差别的统计，不难理解卢瑟福为什么能估算出这个区域的直径约为10-14m 。

2、原子的核式结构 （1）核式结构的具体内容：

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所有的质量都集中在原子核上，带负电的电子在核外空间绕核旋转。原子直径的数量级为m 1010

-，而原子核直径的数量级约为m 1015-。

①在原子的中心有一个很小的原子核，

②原子的全部正电荷和几乎全部质量集中在原子核里， ③带负电的电子在核外空间里旋转。 （2）核式结构的实验基础

核式结构的提出，是建立在a 粒子散射实验的基础之上的。或者说：卢瑟福为了解释a 粒子散射实验的现象，不得不对原子的结构问题得出核式结构的理论。 3、玻尔原子模型

原子核式结构与经典电磁理论的矛盾：原子结构是否稳定和原子光谱是否为包含一切频率的连续光谱。玻尔的原子理论——三条假设

（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，电子虽做变速运动，但并不向外辐射电磁波，这样的相对稳定的状态称为定态。

定态假设实际上只是给经典的电磁理论限制了适用范围：原子中电子绕核转动处于定态时不受该理论的制约。 （2）“跃迁假设”：电子绕核转动处于定态时不辐射电磁波，但电子在两个不同定态间发生跃迁时，却要辐射（吸收）电磁波（光子），其频率由两个定态的能量差值决定hv=E 2-E 1。 跃迁假设对发光（吸光）从微观（原子等级）上给出了解释。

（3）“轨道量子化假设”： 原子的不同能量状态跟电子沿不同半径绕核运动相对应。轨道半径也是不连续的。 4、氢原子能级及氢光谱 （1）氢原子能级

氢原子的能级：原子各个定态的能量值叫做原子的能级。氢原子的能级公式为2

1

n E n E =

，对应的轨道半径关系式

为：12

r n r n =，其中n 叫量子数，只能取正整数。n =1的状态称为基态，氢原子基态的能量值

m 1053.0,eV 6.131011-?=-=r E 。量子数n 越大，动能越小，势能越大，总能量越大。

①能级公式：)6.13(1

112

eV E E n

E n -==

；该能量包括电子绕核运动的动能和电子与原子核组成的系统的电势能。 ②半径公式：)53.0(112

ο

A r r n r n == （2）氢光谱

在氢光谱中，n=2，3，4，5，……向n=1跃迁发光形成赖曼线系；n=3，4，5，6向n=2跃进迁发光形成马尔末线系；n=4，5，6，7……向n=3跃迁发光形成帕邢线系；n=5，6，7，8……向n=4跃迁发光形成布喇开线系，其中只有马尔末线的前4条谱线落在可见光区域内。 5、光子的吸收与发射

原子从一种定态（能量为初E ），跃迁到另一种定态（能量为终E ），它辐射或吸收一定频率的光子，光子的能量由

这两种定态的能级差决定：即终初E E h -=ν。若终初＞E E ，则辐射光子；若终初

＜E E ，则吸收光子。

能级跃迁：

使原子发生跃迁时，入射的若是光子，光子的能量必须恰好等于两定态能级差；若入射的是电子，电子的能量须大于或等于两个定态的能级差。 电离：

不论是光子还是电子使元子电离，只要光子或电子的能量大于两能级差就可以使其电离。

第二模块：天然放射现象

『夯实基础知识』 1、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的元素。所有原子序数大于82的元素，都能自发地放出射线（有些原子序数小于83的元素也具有放射性）。元素的这种自发地放出射线的现象叫做天然放射现象。 2、放射线的种类和特征

将放射性物质放出的射线进行实验（如射入磁场中的偏转实验等），表明放射性物质放出的射线有三种：α射线、β射线、γ射线，将它们的特征列表对比如下：

射线

a 射线

β

射线

γ射线

物质微粒 氦核He 4

2 电子e 0

1- 光子γ

带电情况

带正电（2e ） 带负电（-e ）

不带电

速度

约为

c 10

1 接近c

c

贯穿本领 小（空气中

飞行几厘

米）

中（穿透几毫米铝板）

大（穿透几厘米铅板）

天然放射现象说明原子核具有复杂的结构。原子核放出α粒子或β粒子，并不表明原子核内有α粒子或β粒子（很

明显，β粒子是电子流，而原子核内不可能有电子存在），放出后就变成新的原子核，这种变化称为原子核的衰变。 3、天然衰变中核的变化规律

在核的天然衰变中，核变化的最基本的规律是质量数守恒和电荷数守恒。（衰变过程中一般会有质量变化，但仍然遵循质量数守恒）

①a 衰变：随着a 衰变，新核在元素周期表中位置向后移2位，即 He Y X M Z M Z

4

242+→--，实质是2个质子和2个中

子结合成一整体射出

②β衰变：随着β衰变，新核在元素周期表中位置向前移1位，即 e Y X M Z M Z

11-++→。实质是中子转化为质子和电子。

1

2

3

③γ衰变：随着γ衰变，变化的不是核的种类，而是核的能量状态。但一般情况下，γ衰变总是伴随a 衰变或β衰变进行的。

4、关于半衰期的几个问题

放射性元素衰变的快慢用半衰期来表示，

（1）定义：放射性元素的原子核有半数发生衰变所需要的时间。 （2）意义：反映了核衰变过程的统计快慢程度。

（3）特征：只由核本身的因素所决定，而与原子所处的物理状态或化学状态无关。

（4）公式表示：T t N N /21)(原余=，T t m m /2

1)(原余=式中原N 、原m 分别表示衰变前的放射性元素的原子数和质量，余N 、余m 分别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，T 表示半衰期。

（5）理解：搞清了对半衰期的如下错误．．认识，也就正确地理解了半衰期的真正含义。第一种错误认识是：N 0（大量）个放射性元素的核，经过一个半衰期T ，衰变了一半，再经过一个半衰期T ，全部衰变完。第二种错误认识是：

若有4个放射性元素的核，经过一个半衰期T ，将衰变2个。事实上，N 0（大量）个某种放射性元素的核，经过时间t 后剩下的这种核的个数为T

N N 1021??

?

??=而对于少量的核（如4个），是无法确定其衰变所需要的时间的。这实质上就是“半衰期反映了核衰变过程的统计快慢程度”的含义。

第三模块：核反应 核能

『夯实基础知识』 1、核反应

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。

用高速运动的粒子去轰击原子核，是揭开原子核内部奥秘的要本方法。轰击结果产生了另一种新核，其核反应方程的一般形式为

,'

'y Y x X A Z A Z

+→+

其中X A Z 是靶核的符号，x 为入射粒子的符号，Y A Z '

'是新生核的符号，y 是放射出的粒子的符号。 2、原子核的人工转变：

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，质量数和核电荷数都守恒。例如历史上首先发现质子1

1H 和中子1

0n 的核反应方程分别为:

1919年卢瑟福首先做了用a 粒子轰击氮原子核的实验。在了解卢瑟福的实验装置、进行情况和得到的实验结果后，应该记住反应方程式

H O He N 1

1178142147

+→+，

这是人类第一次发现质子的核反应方程。另外，对1930年查德威克发现中子的实验装置、过程和结果也应有个基本的了解。值得指出的是，查德威克在对不可见粒子的判断中，运用了能量和动量守恒定律，科学地分析了实验结果，排除了γ射线的可能性，确定了是一种粒子——中子，发现中子的核反应方程

n C He Be 1

01264294

+→+，

这同样是应该记住的。

3、核能 （1）核能

由于原子核间存在强大的核力，使得原子核成为一个坚固的集合体，要把原子核中的核子拆散，就得克服核力而做巨大的功;反之，要把核子集合成一个原子核，就要放出巨大的能量。 把核反应中放出的能量称为核能。 （2）核能的计算

原子核释放能量时，要产生质量亏损，物体的能量和质量之间存在着密切的联系。它们之间的关系是:

)(22mc E mc E ?=?=或。

这就是著名的爱因斯坦质能方程。因此在计算核能时，可以通过首先计算质量亏损Δm ，再代入质能方程中即可求出核能。必须注意:爱因斯坦质能方程反映的是质量亏损和释放出核能这两种现象之间的联系，并不表示质量和能量之间的转变关系。根据爱因斯坦的相对论，辐射出的γ光子静质量虽然为零，但它有动质量，而且这个动质量刚好等于质量的亏损，所以质量守恒，能量守恒仍成立。

在计算核能时要注意：若?m 以kg 为单位，则按?E=?mc 2 计算；若?m 原子质量以u 为单位，则按

?E=?m ?931.5Mev 计算。

（?m 为反应前后质量亏损） （3）重核的裂变：使重核分裂成中等质量的原子核的核反应，称为裂变

铀核裂变及链式反应：用中子轰击铀核时，铀核发生裂变，生成中等质量的原子核的同时，总要释放出2-3个中子，

这些中子又引起其他的铀核裂变，这样，裂变就会不断地进行下去，释放出越来越多的核能，这就是链式反应，原子弹就是利用链式反应制造的一种大规模杀伤性武器。 例如

n K B n U r a 1

09236141561023592

3++→+ 铀核裂变的几个核反应方程

（4）轻核的聚变：轻核结合成质量较大的核的过程叫轻核的聚变。

聚变的条件及热核反应：要发生聚变反应，必须使轻核之间的距离十分接近，达到m 10

15

-的近距离，用什么办法

能使大量原子核获得足够的动能，来克服轻核之间的库仑斥力，使它们接近到这种程度呢？当物质的温度达到几百万

摄氏度以上的高温时，剧烈的热运动使得一部分原子核具有足够的动能，足以克服相互间的库仑斥力，在碰撞时发生聚变，可见聚变反应需要高温，因此把聚变反应叫做热核反应。氢弹就是利用热核反应制造的一种大规模杀伤性武器。

例如 e H H H 423121→+n 1

0+