人教版高二物理选修3-5 原子物理 知识归纳

原子物理

波粒二象性

能量量子化

（一）热辐射：

任何物体都在不停地向四周辐射电磁波，这种辐射与物体的温度有关，称为热辐射。温度不同，辐射出的电磁波的频率和强度都有所不同。

（二）黑体辐射：

（1）某种物体完全吸收各种不同频率的电磁波而不发生反射，这种物体称为绝对黑体，简称合体。“只吸收不反射”（2）黑体辐射电磁波的强度按波长分布，只与黑体温度有关。（3）黑体是理想化的物理模型。

1.黑体辐射的实验规律：

①随着温度的升高，各种波长的辐射强度都有所增加，但最强辐射强度往短波方向移动。②在短波范围内，维恩公式最接近实验曲线；在长波范围内，瑞利公式最接近实验曲线。

2.普朗克能量量子化假设：

（1）振动着的带点微粒的能量只能是某一最小能量值ε的整数倍。这一最小能量称为能量子——能量子（2）能量子公式为νε

h =（ν为电磁波频率；s J h

.1063.634-?=称为普朗克常量）

（3）能量量子化：在微观世界中，能量不是连续的，只能是取分离值，这种现象称为能量量子化。（能量不连续，一份份间断）

光的粒子性

（一）.光电效应

1.定义：在光的照射下，物体发出电子的现象叫做光电效应，发出的的电子称为光电子。“光子找电子，一起生了个光电子”（1）光电效应实验规律：

a .光电效应实验规律探究装置（如上右图）

b .光电效应的相关物理量：ν

（入射光频率）、0W （金属逸出功）、k E （光电子最大初动能）、c U （遏止电压）、0ν（截止频

率）、I （光电流）、光强（光照强度）

c .光电效应实验规律（公式）：

0W h E k -=ν——爱因斯坦光电效应方程

0W h E eU k c -==ν——遏止电压，让光电子减速到停00W h =ν——逸出功绝对截止频率，只与金属本身有关

光电效应实验规律总结：频率导致一切发生，光强控制电流，金属本身决定逸出功和截止频率。

e .光电效应有关图像：

（2）对爱因斯坦光电效应方程的理解：

a .光不是连续的，而是一份一份的，每一份称为光子。光是有大量光子构成，证实光确实具有粒子性。

b .光电效应方程是从能量角度去分析光电效应而得到的。0W h E k -=ν，其中包含了光电效应能发生的条件。

c .光电子的最大初动能为k E ，就某个光电子而言，其动能介于k E ~0范围内。

（二）康普顿效应

（1）定义：光在传播过程中与微粒发生相互作用，使光的传播方向发生改变，这种现象称为光的散射。

（2）在光的散射中，除了有入射光相同波长0λ的成分外，还有波长大于0λ的成分。这种现象称为康普顿效应。

康普顿效应进一步揭示了光具有粒子性，也证实了爱因斯坦光子说的正确性。

2

c E

=

。再根据光子说可知νh E =。则光子的动量为：

c

h c c E mc p ν

=?=

=2光的波动性和波粒二象性

（1）1924年，德布罗意推想和光子相关的波。这种光子和实物粒子相互联系的波被称为德布罗意波，也叫物质波。

（3）德布罗意的推想是爱因斯坦关于光子的波粒二象性的一种推广，使之包含了所有微观粒子。（4）1927年戴维孙和??P G 汤姆孙利用晶体做了电子衍射实验，从而证实了微观粒子的波动性。（5）光的衍射、干涉、偏振都说明了光具有波粒二象性。

（6）从牛顿“微粒说”到爱因斯坦“光子说”，如今对光有了深刻的认识。

概率波、不确定性关系

1.概率波

（1）经典粒子和经典波：

经典的粒子就像弹性小球，具有一定质量，他们的运动遵循牛顿运动定律。再任意时刻有确定的位置、速度和轨道。微观粒子（和光子）集波动性和粒子性于一身，具有波粒二象性。

再经典的物理学中，波是一种“形”，其具有频率和波长，有周期性。惠更斯的波动说认为光是一种机械波。（2）概率波——光波

通过光的双缝干涉图样分析可得：光子落在每个地方上的概率是不一致的，在，明纹初概率大；在暗纹处概率小。即光子在空间中出现的概率可以用波动的规律去确定，所以光是一种概率波。（3）物质波也是概率波：

在概率波中，对于单个微粒来说，具有偶然性；对于大量微粒来说，具有必然性。遵循统计规律。概率波把粒子性和波动性统一了起来。

2.不确定性关系

（1）内容：在经典力学中，质点的位置和动量都可以精确确定。但对于微观粒子，并不能精确确定其位置和动量。我们称这种关系为不确定性关系。（2）三种不确定关系：

a .位置不确定性：微观粒子在空间中的位置完全不确定。

b .动量不确定性：粒子运动方向无法完全确定，其动量也具有不确定性。

c .位置和动量的不确定关系：π

4h

p x =

??原子结构

电子的发现

一．阴极射线

1.阴极发射出来的射线射在管壁上能发出荧光。

2.在研究气体导电的玻璃管内有阴、阳两级，当两级加一电压时，阴极便发出一种射线，这种射线称为阴极射线。

3.阴极射线的特点是能使荧光物发亮。

二．电子的发现

从1890年开始，汤姆孙对阴极射线做了一系列的研究。在1897年汤姆孙在研究阴极射线时发现了电子。揭示了阴极射线是高速电子流。电子质量：C

e

1910602.1-?=电子电量：kg

m

3110109.9-?=电子比荷：

kg C m

e

/107588.111?=电子电荷量由密里根通过油滴实验测得

测量依据是：mg

Eq

=原子的核式结构模型

一．汤姆孙的原子“枣糕”模型

汤姆孙的原子“枣糕”模型能解释原子电中性，电子分布等问题，容易被很多物理学家所接受。

三．α粒子散射实验

1.卢瑟福和其助手通过α轰击金箔的实验获得重大发现。

2.实验现象是：绝大多数α粒子沿原来的方向继续前进而不受影响；少数发生较大偏转；极少数偏转90°，甚至被180°反弹回来。

3.通过α粒子散射实验否定了汤姆孙的原子结构模型，提出了原子核式结构模型，明确了原子核大小的数量级。

三．卢瑟福的原子核式结构模型（重难点）

1.内容：在原子的中间有一个很小的核叫原子核。原子的全部正电荷核几乎所有质量都集中在原子核上，带负电的电子在原子核外绕原子核作高速旋转。

2.原子的半径数量级为m -10

10；原子核的半径数量级为m

-15103.原子核的组成：

(1)核电荷数Z =质子数=原子序数(2)质量数

A =核子数=质子数+中子数

(3)同位素：质子数相同而中子数不同的元素称为同位素。(4)原子核符号：X A

Z

(如铀235，U

23592)

四．α散射实验中的受力核能量转化问题：

1.α粒子守库仑力作用：2r

kQq

F

=

（Q 为原子核所带电荷量，q 为α粒子所带电荷量，r 为α粒子到原子核的距离）受力方向在

其连线上指向α粒子。距离越近时，库仑力越大，加速度越大

2.做功核能量转化问题：靠近做负功，动能变为电势能；远离做正功，电势能变为动能。

氢原子光谱

一．光谱

1.定义：把光用光栅或棱镜按波长展开，获得光的波长（频率）和强度分布记录，即光谱。

2.分类：

（1）发射光谱：物直接发出的光分光后产生的光谱，有连续谱和（明线谱）线状谱两种。

连续谱是炽热的固液体和高压气体发出，是有连续分布的一切波长的光组成的光谱——是一条光带。线状谱是处于游离态的原子发出，包含一些不连续的亮线——是一条条亮线。

（2）吸收光谱：高温物体发出的光经过低温物体时，某些波长的光被吸收而产生的光谱。——由若干条暗线组成。

3.太阳光谱：太阳光谱是吸收光谱。太阳光在经过大气时，高层大气会吸收自己特征谱线的光，然后发射出去，这些光就会变弱，就形成了在连续谱背景下的暗线。研究太阳光谱可以分析大气中的化学成分。

二．光谱分析

1.每一种原子都有一定特征的线状谱。

2.在各种原子的吸收谱中，每一条明线都与原子发出的某种吸收光的频率相对应。——一条明线谱对一种频率的光。

3.由于每种原子都有自己的特征谱线，因此可以根据光谱来鉴别物质或确定它的化学组成，这种方法称为光谱分析。

三．氢原子光谱

1.在充满稀薄氢气的放电管两级间加上kV

3~

2的高压，使氢气放电，让其在电场中发光。通过分光镜观察氢原子光谱。

2.在氢原子光谱中，可见光范围内有四条谱线，分别用αH 、βH 、γH 、δH 表示。

3.氢原子光谱的规律：（1）巴耳末公式：

,...5,4,3,12

1

1

22=??? ??-=n n R λ1

71010.1-?=m R （2）在不同谱线区域：

莱曼系（在紫外区域）：

,...5,4,32,1111

22，=??? ??-=n n R λ帕邢系（在近红外区域）：...6,5,4,131122，=???

??-=n n R λ布喇开系（在红外区域）：

...76,5,1411

22，=??? ??-=n n R λ普丰德系（在红外远区）：,...8,7,6,151122=???

??-=n n R λ（3）综上可得一个统一公式：

,...3,2,1,11

1

22=??? ??-=m n m R λ,...

3,2,1+++=m m m n

波尔的原子模型

一．波尔原子模型三条假设：（特别重要）

1.能级定态假设。氢原子处于基态和激发态两种状态（其中基态为最低能级）

2.轨道量子化假设。轨道介于两个不同数值之间的某个值（轨道是一个范围，不能完全确定）

3.跃迁假设。在能级之间跃迁满足：n m E E h -=ν

这一辐射公式。

二．能级和能级图：

1.能级：原子的可能状态是不不连续的，相对应的能量也是不连续的，这些能量称为能级。

2.基态和激发态：基态为能量最低的能级，激发态能量较高级都称为激发态。基态能量和激发态能量关系为2

1

n E E n =

3.能级图：

4.能级跃迁规律：从低能级跃迁到高能级：①吸收光子而跃迁：n m E E h E -==ν吸

（光子能量必须等于能级差，不多不少）

②吸收实物粒子（如电子、质子、中子、离子等）而跃迁：n m E E h E -≥=ν吸（实物粒子能量大于等于其能量差即可）

从高低能级跃迁到低能级：以放出光子的形式放出能量

①一群（大量）处于激发态的原子向低能级跃迁时，可以发出2

n C 种不同频率的光②一个处于激发态的原子向低能级跃迁时，可以发出1

n C 种不同频率的光③放出的光子的能量为：n

m E E h E -==ν放

三．能波尔模型的成功之处和局限性：

1.成功之处在于：将量子观念引入原子领域，提出了定态和跃迁概念，成功解释了氢原子光谱实验规律。

2.局限性在于：无法接受复杂一定的原子光谱（如氦原子光谱），还没有完全解释微观粒子的运动规律。保留了经典力学的观点，仍然把微观粒子的运动轨道用经典力学来描述。

原子核

原子核的组成

一．天然放射现象

1.放射性：物质发射放射线的性质称为放射性。

2.放射性元素：具有放射性的元素。

3.天然放射现象：放射性元素自发地发出射线的现象称为天然放射现象。

二．3种射线

α射线（氦核He 42粒子流）；β射线（高速电子e 0

1

-流）；γ射线（光子流）

电荷量贯穿能力电离能力速度在电磁场中

α射线

e

2弱强0.1倍光速偏转β射线

e

较强较弱0.99倍光速

反向偏转γ

射线

很强

很弱

光速

不偏转

三．原子核的组成

1.卢瑟福通过α粒子散射实验发现质子，并且确定质子是原子核的组成部分。质子H 1

1带正电，带电量与电子相同。2.卢瑟福预言原子核中除了质子外，还有一种质量与质子相当的不带电粒子。

3.查德威克验证了其老师（卢瑟福）12年前的猜想，发现这种不带电的粒子是电中性，质量几乎核质子相同。命名为中子n

1

基本关系：

核电荷数=质子数（Z )=元素的原子序数=核外电子数质量数（

A )=核子数=质子数+中子数

核子数：质子核中子质量差别非常微小，二者统称为核子，质子数核中子数之和称为核子数。

4.同位素：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，互为同位素。如：H 1

1，H 2

1，H

3

1放射性元素的衰变

一．原子核的衰变

1.定义：原子核放出α粒子或β粒子，由于电荷数变了，它在元素周期表中的位置也变了，变成另外一种原子核，这种变化称为原子核的衰变。

2.变化规律：质量数和电荷数守恒

3.衰变方程：①α2

442+→--Y X A Z A

Z ——α衰变

衰变实质是：He H n 4

2111022→+②β

011-++→Y X A Z A

Z

——β衰变

衰变实质是：e

H n -1

1-1

11

0+→③γ衰变总是伴随α衰变和β衰变而一起产生。两个重要的衰变：

He

Th U 4

223490238

92

+→e

Pa Th 0

123491234

90

-+→

二．放射性元素半衰期

1.定义：放射性元素有半数发生衰变所需要的时间叫做这种元素的半衰期。半衰期表示放射性元素衰变的快慢。

T

t T

t N N N -

?==

2

2

003.半衰期只与原子核内部因素有关，与外部物理状态和化学状态无关。

4.半衰期是一个对大量原子核的统计规律，对少数或一个原子核没有一样，无法确定单个原子核何时衰变

三．探测射线的方法

1.威尔逊云室探测射线：在有酒精蒸气的筒状容器内，由于飞过室内的射线使其中其他电离，进而观测射线径迹。三种射线在威尔逊云室中的轨迹特征有所不同。

①α粒子由于质量较大，飞行方向不易改变，则α射线在云室中径迹直而粗。

②β粒子质量小，方向容易改变，则β射线在云室中的径级迹比较细，且常常发生弯曲。③γ粒子电离本领很小，在云室中一般看不到γ射线的径迹。

2.气泡室探测射线：气泡室的原理核威尔逊云室类似，不同的室气泡室中温度压强可以控制。

3.盖革—米勒计数器：射线使管内的气体电离，产生的电子在电场中被加速，加速后的电子与气体分子再次碰撞，反复进行，导致产生大量电子，这些电子到达阴极。在外电路的作用下就会产生一次脉冲放电，电子仪器记录放电次数。

4.乳胶照片法探测射线：利用射线能够使得照相底片感光，进而观测径迹。

四．探放射性的应用核防护

1.核反应、核反应方程

（1）定义：原子核在其他粒子的轰击下产生新的原子核的过程叫做核反应。人类历史上第一次人工核反应方程是：

H

O He N 1117842147

+→+（2）核反应的条件：α粒子、质子、中子、甚至是光子轰击原子核是原子核发生转变。

（3）衰变核人工核反应的区别和联系：衰变是自发进行的，而人工核反应是在其他粒子轰击下进行的。他们都遵循质量数和电荷数守恒。

（4）典型的人工核反应：①卢瑟福发现质子

H O He N 111784214

7

+→+②查德威克发现中子：n

O He Be 1

012

64

29

4+→+③居里夫人发现放射性同位素和正电子：n

P He Al 1

030

154

227

13+→+e

i P 0

1301430

15

S ++→2.人工放射性同位素优点：①放射确定容易控制；②可以做成各种所需要的形状；③半衰期短，废料容易处理。

五．核力和结合能

1.四种基本相互作用之核力：

（1）定义：核力是核子与核子之间很强的相互作用。（2）核力的特点：核力是短程力m -15

101.5?；核力很强；核力与核子是否带点无关；核力是性质力。

2.原子核中质子核中子的比例：

（1）在自然界中，较轻的原子核，质子数核中子数大致相当；在较重的原子核中，中子数大于质子数；在越重的原子核中，两者相差最大。

（2）造成这种现象的原因有：与核力的不同特点有关；与核力的饱和性有关。3.结合能与比结合能：

（1）结合能：把原子核分解成核子需要吸收能量，把核子结合成原子核需要放出能量。这个能量称为原子核的结合能。——总能量（2）比结合能：原子核的结合能与其核子数下比值称为比结合能，也可叫平均结合能。——平均能量（3）比结合能的大小可以反应原子核的稳定性，比结合能越大的原子核越稳定。

①由图可知，核子数较小的轻核和核子数较大的重核，比结合能都较小，不稳定。②当比结合能较小的原子核转化为比结合能较大下原子核时，就会放出能量。

六．核裂变和核聚变

1.重核裂变：

（1）1939年，德国科学家哈恩与斯特拉斯曼利用中子轰击铀核时，发现了铀核的裂变，人类向核能的利用迈出了第一步。（2）使得重核分裂称中等质量的原子核的核反应叫做重核裂变。（3）铀核裂变发核反应方程：

n

Kr Ba n U 1

08936144561052392

3++→+（4）铀核裂变产生的中子不断去轰击新的铀核将进行裂变，不断进行下去，释放越来越多的能量。叫做链式反应。（5）链式反应产生的条件：

①体积超过临界体积（链式反应发生的最小体积），保证中子能够碰到铀核；②有足够浓度的

U 5

2392

；

③有足够数量的慢中子2.核电站与核燃料（1）核电站的组成

（2）核电站与火电站

①核电站燃料消耗少，燃料储量丰富。②核电站污染少，火电站烧煤污染大。

③核电站一旦发生泄漏会造成严重污染，且废料处理困难。（3）核燃料：①在天然铀中，U

23892

占99.3％；

U 52392

占0.7％。

②U 52392能够俘获各种能量的中子而发生核裂变，且俘获低能量的中子发生核裂变的概率大。③

U

82392

只能吸收超过MeV 1的中子才能发生核裂变，且裂变概率小。为了链式反应容易发生，选择

U

52392

作为核燃料。

（4）此外，原子弹的原理也是核裂变。3.轻核聚变：

（1）定义：把轻核结合成质量较大的原子核，释放处核能的反应叫做核聚变反应，也叫热核反应。（2）聚变方程：γ

++→+n He H H 1

04

23

12

1（3）聚变发生的条件：①轻核接近核力发生作用的距离m -15

10；②聚变发生的条件是高温（要达到几百万开尔文），只有原子弹爆

炸才能达到这一高温条件。所有氢弹需要原子弹来引爆。（4）聚变和裂变比较：

①释放能量的原理不一样，放能多少不一样（聚变中每个核子放出的能量是裂变的3~4倍）。②聚变的废料处理较为简单，且聚变原料氘在地球上储量非常丰富。③目前除氢弹外，人们还不能控制聚变反应。

（5）爆炸式热核反应与受控式热核反应（实验探究阶段）

七．粒子和宇宙