选修3-5-波粒二象性-原子结构-原子核.doc
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选修3-5第二章、第三章、第四章知识点总结
第二章波粒二象性
知识梳理
1、光电效应
①光电效应现象:
在弧光灯的照射下,锌板中有一部分电子吸收了光能,挣脱了原子核的束缚,飞离金属表面,使锌板带上正电。
②光电效应定义:
物体在光(包括不可见光)的照射下发射电子的现象称为光电效应。
③光电子:
物体在光的照射下发射出来的电子。
④当入射光的频率大于极限频率时,光电流强度与入射光的强度成正比。
(光强即光电强度,简单来说就是电子个数多少)。
⑤锌板带正电,验电器指针带正电。
规律:
每种金属都有一个极限频率;光电流的强度与入射光的强度成正比;光照射到金属表面时,光电子的发射几乎是瞬时的;光子的最大初动能与入射光的强度无关,随入射光的频率增大而增大。
2、光电管:
利用光电效应制成的一种常见的光电器件。
①用途:
光电管应用在各种自动化装置及有声电影、无线电传真、光纤通信等技术装置里。
②原理:
光电管的阴极表面敷有碱金属,对电子的束缚能力比较弱,在光的照射下容易发射电子,阴极发出的电子被阳极收集,在回路中形成电流,称为光电流。
注意:
①光电管两极加上正向电压,可以增强光电流。
②光电流的大小跟入射光的强度和正向电压有关,与入射光的频率无关。
入射光的强度越大,光电流越大。
3、物体在光照的条件下发射电子而发生光电效应现象时遵循如下规律:
(1)对于任何一种金属,入射光的频率必须大于某一极限频率才能产生光电效应,低于这个极限频率,无论强度如何,无论照射时间多长,也不能产生光电效应;
(2)在单位时间里从金属极板中发射出的光电子数跟入射光的强度成正比;
(3)发射出的光电子的最大初动能与入射光强度无关,只随入射光频率的增大而增大;
(4)只要入射光的频率高于金属极板的极限频率,无论其强度如何,光电子的产生都几乎是瞬时的,不超过10—9s.
4、最大初动能:
光电效应中从金属出来的电子,有的从金属表面直接飞出,有的从内部出来,沿途与其它粒子碰撞,损失部分能量,因此电子速度会有差异,直接从金属表面飞出的速度最大,其动能为最大初动能。
5、最大初动能的测定:
①在强度和频率一定的光的照射下,回路中的光电流随着反向电压的增加而减小,当反向电压达到某一数值时,光电流将会减小到零,这时的电压称为遏止电压U0
②光电子出射时的最大初始动能:
③遏止电压与入射光的强度无关,与入射光的频率有关,随着入射光频率的增大而增大。
注意:
光电子的最大初动能与入射光的强度无关,只随着入射光频率的增大而增大。
6、波动理论无法解释的现象:
①不论入射光的频率多少,只要光强足够大,总可以使电子获得足够多的能量,从而产生光电效应,实际上如果光的频率小于金属的极限频率,无论光强多大,都不能产生光电效应。
②光强越大,电子可获得更多的能量,光电子的最大初始动能应该由入射光的强度来决定,实际上光电子的最大初始动能与光强无关,与频率有关。
③光强大时,电子能量积累的时间就短,光强小时,能量积累的时间就长,实际上无论光入射的强度怎样微弱,几乎在开始照射的一瞬间就产生了光电子
⒎普郎克在研究电磁波辐射时,提出能量量子假说:
物体热辐射所发出的电磁波的能量是不连续的,只能是的整数倍,称为一个能量量子。
即能量是一份一份的。
其中辐射频率,是一个常量,称为普朗克常量。
⒏受到普朗克的启发,爱因斯坦在1905年提出光子说:
即在空间中传播的光的能量不是连续的,而是一份一份的,每一份叫做一个光子,光子的能量ε跟光的频率ν成正比。
,其中:
是普朗克常量,是光的频率。
①逸出功W0:
电子脱离金属离子束缚,逸出金属表面克服离子引力做的功。
②光电效应方程:
如果入射光子的能量大于逸出功W0,那么有些光电子在脱离金属表面后还有剩余的动能——根据能量守恒定律,入射光子的能量等于出射光子的最大初动能与逸出功之和,即
其中是指出射光子的最大初动能。
使电子脱离某种金属所做的功的最小值叫做这种金属的逸出功。
这个关系式通常叫做爱因斯坦光电方程。
③光电效应的解释:
金属内部的电子一般一次只能吸收一个光子的能量,只有入射光子的能量大于或者等于逸出功W0即:
时,电子才有可能逸出,这就是光电效应存在极限频率的原因。
遏制电压只与入射光频率有关,与入射光的强度无关的解释:
由和有:
。
④光子说对光电效应的解释
光子照射到金属上时,光子一次只能将其全部能量传递给一个电子,一个电子一次只能获取一个光子的能量,它们之间存在着一对一的关系.电子吸收光子后,能量增加,如果能量足够大,就能摆脱金属中正电荷对其的束缚,从金属表面逸出,成为光电子.
如果光子的能量较小(频率较低),电子吸收光子后的能量不足以克服金属中正电荷对其的束缚,则立即会将其转化为系统的内能,而不能从金属中逸出,这就是入射光的频率较低时,尽管照射时间足够长,也不能发生光电效应的原因.
每一种金属,正电荷对电子的束缚能力都不同,因此,电子逸出所需做的最小功也不一样.光子频率小于该频率,无论如何都不会发生光电效应,这就是每一种金属都存在极限频率的原因.
金属中的电子对于光子的吸收是十分迅速的,电子一次性获得的能量足够时,逸出也是十分迅速的,这就是光电效应具有瞬时效应的原因.
9、①康普顿效应:
用X射线照射物体时,一部分散射出来的X射线的波长会变长,这个现象叫康普顿效应。
康普顿效应是验证光的波粒二象性的重要实验之一。
②康普顿效应的意义:
证明了爱因斯坦光子假说的正确性,揭示了光子不仅具有能量,还具有动量。
光子的动量为
③现象解释:
碰撞前后光子与电子总能量守恒,总动量也守恒。
碰撞前,电子可近似视为静止的,碰撞后,电子获得一定的能量和动量,X光子的能量和动量减小,所以X射线光子的波长λ变长。
④康普顿效应中散射光的波长只能变长,因为康普顿效应中X射线光子与静止的自由电子发生弹性碰撞。
10、光的干涉证明了光有波粒二象性:
每次只有一个光子经过双缝,短时间照射,感光片上呈现杂乱分布的几个亮点,即表现出粒子性;当长时间照射时,发现有干涉条纹,表现出波动性。
注意:
亮纹是光子落的概率大,暗纹是概率小,不是光子照不到。
正确理解波粒二象性
波粒二象性中所说的波是一种概率波,对大量光子才有意义。
波粒二象性中所说的粒子,是指其不连续性,是一份能量。
⑴个别光子的作用效果往往表现为粒子性;大量光子的作用效果往往表现为波动性。
⑵频率ν高的光子容易表现出粒子性;频率ν低的光子容易表现出波动性。
⑶光在传播过程中往往表现出波动性;在与物质发生作用时往往表现为粒子性。
⑷由光子的能量E=hν,光子的动量表示式也可以看出,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c=λν还可以得出:
E=pc。
11、概率波:
光子落在明条纹的概率高,落在暗条纹的概率低。
干涉条纹是光子落在感光片上各点的概率分布的反映。
12、德布罗意波:
任何一个实物粒子都和一种波相对应,这种波称为德布罗意波,也称为物质波。
德布罗意波的波长,是实物粒子的动量。
电子衍射实验证明了德布罗意波假说。
实验证明一切的微观粒子(包括光子和实物粒子)都具有波粒二象性,对微观粒子运动状态的最准确描述是概率波。
13、电子云:
原子核外电子的概率分布图。
概率大的地方小圆点密一些,概率小的地方小圆点疏一些。
讨论微观粒子的运动,轨道的概念毫无意义。
※14、不确定性关系:
微观粒子的坐标和动量不能同时完全精确地确定。
如果用表示微观粒子位置的不确定性,用表示微观粒子在方向上动量的不确定性,则有。
原因是因为微观粒子具有波动性。
由不确定性关系可知,坐标和动量,其中一个测量得越准确,另外一个的不确定性就越大。
微观粒子的波粒二象性和不确定性关系本质是一样的,导致共同的结果:
微观粒子的运动状态,不能通过确定的轨道来描述,只能通过概率波做统计性的描述。
不确定性关系对宏观物体没有意义。
题型讲解
1.关于光电效应,有如下几种陈述,其中正确的是()
A.金属电子的逸出功与入射光的频率成正比
B.光电流的强度与入射光的强度无关
C.用不可见光照射金属一定比用可见光照射同种金属产生的光电子的初动能要大
D.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
2.
(1)已知金属铯的逸出功为1.9eV,在光电效应实验中,要使铯表面发出的光电子的最大功能为1.0eV,入射光的波长应为__________m
(2)如图所示,电路中所有元件完好,光照射到阴极上时,灵敏电流计中没有电流通过,其原因可能是()
A.入射光太弱;B.入射光波长太长;
C.光照时间短;D.电源正负极接反。
参考答案:
1.【答案】D
2.
(1)【解析】由爱因斯坦光电效应方程可得:
=W+m
∴=1.9+1.0=2.9eV=2.9×1.6×10—19J
∴λ==4.3×10—7m【答案】
(2)【答案】BD
第三章原子结构能级
知识梳理
一、α粒子散射实验
1.实验装置:
放射源:
钋放在带小孔的铅盒中,放射出高能粒子(α粒子)带正电,mα>>me
金箔:
厚度极小,可至1微米(金原子的质量大,且易延成很薄的箔).
显微镜:
能绕金箔在水平面内转动.
荧光屏:
荧光屏装在显微镜上.
2.实验步骤
(1)钋放出的α粒子从铅盒的小孔射出,形成很细的一束射线,射到荧光屏上产生闪光,通过显微镜观察(偏离正对位置,无闪光).
(2)放上金箔F,正对位置可观察到大量的闪光点.
(3)转动显微镜,在不同偏转角θ处,可看到α粒子散射现象.
3.实验结果
⑴绝大多数α粒子穿过金箔后基本上仍沿原来的方向前进.
(2)少数α粒子发生了较大角度的偏转
二、卢瑟福核式结构模型
1.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的空间运动。
原子核的发现有重大意义,因为它开辟了原子核物理的新领域,卢瑟福被人们尊称为原子核物理之父.
2.原子核式结构的模型,是建立在α粒子散射实验的基础上的.
3.原子、原子核的大小:
原子直径数量级10—10m原子核直径数量级10—15m
原子核直径是原子直径的十万分之一.
如果原子是直径100m的操场,原子核只有一个直径为几毫米的玻璃球那么大.
4.原子核是由质子和中子组成,质子和中子统称为核子。
三、原子光谱
1.原子光谱:
某种原子的气体通电后可以发光并产生固定不变的光谱,这种光谱被称为原子光谱。
是了解原子性质的最重要的直接证据。
原子光谱是分立的亮线,是不连续的。
每种原子都有自己特定的原子光谱。
不同的原子,其原子光谱均不相同,故原子光谱被称为原子的“指纹”。
我们通过对光谱的分析鉴别不同的原子,确定物体的化学组成,发现新元素。
注意:
用分光镜观察氢原子光谱,要尽量缩短时间以延长光谱管的寿命。
2.玻尔理论解释氢原子光谱
某种稀薄气体尽管元素成分较单一,但各原子分别处于不同的能量状态.它们由高能级向低能级的跃迁会出现多种可能,每一种可能对应发出某一频率的光子.而这些可能又由对应的能级差决定.能级是不连续的,能级差也是不连续的,所以导致原子光谱的亮线是不连续的.
3.光谱分析
由于每种元素都有自己的特征谱线,因此可以根据光谱来鉴别物质和确定它的化学组成.这种方法叫做光谱分析.这种方法的优点是非常灵敏而且迅速.
做光谱分析时,可以利用发射光谱,也可以利用吸收光谱.
铷和铯就是从光谱中看到了以前所不知道的特征谱线而发现的.
太阳光经大气层时产生的吸收光谱.
4、氢原子光谱在可见光区有四条分立的谱线。
可见氢原子受激发只能发出几种特定频率的光。
四条谱线的波长满足巴尔末公式:
,=3,4,5,6…R为里德伯常量。
符合巴耳末公式的光谱线统称为巴耳末系。
5、广义巴尔末公式:
,其中和均为正整数,且>
或者,式中,称为光谱项
谱线波长的倒数可以表示为两光谱项之差。
谱线波长取决于两光谱项之差。
四、能级
1.能级的猜想:
氢气放电的过程中,向外辐射出光(能量),氢原子的能量也在减少,因为氢原子光谱是分立的,能量不是连续减少的,因此我们猜想原子内部的能量也是不连续的。
能级:
原子内部不连续的能量称为原子的能级。
跃迁:
原子从一个能级变化到另外一个能级的过程叫做跃迁。
处于高能级的原子会自发地向低能级跃迁,并辐射出光子。
辐射出光子的能量为
式中和分别为原子跃迁前后的能级。
反之,原子吸收了特定频率的光子或者通过其他途径获得能量时便可以从低能级向高能级跃迁,也满足上式。
由上面分析可知,原子辐射或者吸收光子的频率取决于两能级之差。
2.丹麦物理学家波尔推导出氢原子的能级公式:
,=1,2,3…
式中R为里德伯常量,c为光速,n为正整数。
式子表明:
氢原子的能量是不连续的,是量子化的,只能取一些定值,因此n也被称为能量量子数。
3.从高能级向低能级跃迁时放出光子;从低能级向高能级跃迁时可能是吸收光子。
原子从低能级向高能级跃迁时只能吸收一定频率的光子;而从某一能级到被电离可以吸收能量大于或等于电离能的任何频率的光子。
(如在基态,可以吸收E≥13.6eV的任何光子,所吸收的能量除用于电离外,都转化为电离出去的电子的动能)。
4.玻尔理论的局限性。
由于引进了量子理论(轨道量子化和能量量子化),玻尔理论成功地解释了氢光谱的规律。
但由于它保留了过多的经典物理理论(牛顿第二定律、向心力、库仑力等),所以在解释其他原子的光谱上都遇到很大的困难。
氢原子的激发态和基态的能量(最小)的关系是:
En=E1/n2,
其中E1=-13.6eV,
(大量)处于n激发态原子跃迁到基态时的所有辐射方式共有=n(n-1)/2种
注:
①原子从低能级向高能级的跃迁:
当光子作用使原子发生跃迁时,只有光子的能量满足的跃迁条件时,原子才能吸收光子的全部能量而发生跃迁.(电离除外,比如光子能量为14eV的光子照射基态氢原子,会使基态的氢原子电离,电离后电子还具有14eV-13.6eV=0.6eV的初动能.)
当电子等实物粒子作用在原子上,只要入射粒子的动能大于或等于原子某两定态能量之差,即可使原子受激发而向较高能级跃迁.
②原子从高能级向低能级的跃迁:
当一群氢原子处于某个能级向低能级跃迁时,可能产生的谱线条数为n(n-1)/2;
当一个氢原子处于某个能级向低能级跃迁时,最多可产生的谱线条数为(n-1),若氢原子的从高能级向某一确定的低能级跃迁,只能产生一条谱线
5、氢原子的能级示意图
基态:
正常状态下,氢原子处于最低的能级(n=1),这个最低能级对应的状态称为基态,氢原子在基态的能量为-13.6eV。
激发态:
电子受到外界激发时,可从基态跃迁到较高的能级,…上,这些能解对于的状态称为激发态。
处于激发态的氢原子是不稳定的,它会自发向较低的能级跃迁,跃迁时释放出来的能量以光子的形式向外辐射,这就是氢原子发光现象。
辐射出的光子的能量等于两能级的能量差:
。
能级间跃迁产生不连续的线谱。
题型讲解
α粒子
原子核
A
1.如图所示,为α粒子散射实验的示意图,A点为某α粒子运动中离原子核最近的位置,则该α粒子在A点具有()
A.最大的速度B.最大的加速度
C.最大的动能D.最大的电势能
2.下列现象中,与原子核内部变化有关的是()
A.α粒子散射现象B.天然放射现象
C.光电效应现象D.原子发光现象
3.
(1)氢原子的核外电子从距核较近的轨道跃迁到距核较远的轨道过程中:
()
A.原子要吸收光子,电子的动能增大,原子的电势能增大
B.原子要放出光子,电子的动能减小,原子的电势能减小
C.原子要吸收光子,电子的动能增大,原子的电势能减小
D.原子要吸收光子,电子的动能减小,原子的电势能增大
(2)氢原子的能级如下图所示,已知可见光的光子能量范围约为1.62eV~3.11eV,下列说法错误的是()
A.处于n=3能级的氢原子可以吸收任意频率的紫外线,并发生电离
B.大量氢原子从高能级向n=3能级跃迁时,发出的光具有显著的热效应
C.大量处于n=4能级的氢原子向低能级跃迁时,可能发出6种不同频率的光
D.大量处于n=4能级的氢原子向低能级跃迁时,可能发出3种不同频率的可见光
1.【答案】BD2.【答案】B
3.
(1)【答案】D
(2)【答案】D【解析】处于n=3能级的氢原子吸收光子而发生电离的最小能量是1.51eV,又因紫外线的频率大于可见光的频率,所以紫外线的光子能量E≥3.11eV,故A正确.
由能级跃迁理论知,氢原子由高能级向n=3能级跃迁时,发出光子的能量E≤1.51eV,所以发出光子能量小于可见光的光子能量.由E=hν知,发出光子频率小于可见光的光子频率,发出光子为红外线,具有较强的热效应,故B正确.
点评:
计算时应注意:
因一般取∞远处为零电势参考面,故各能级的能量值均为负值;能量单位1eV=1.6×10-19J.
第四章原子核核能
知识梳理
一、原子核的组成
1.
(1)卢瑟福用α射线实验发现了质子,并预言中子的存在;
(2)查德威克发现了中子(3)汤姆生发现了电子
2.核子:
组成原子核的中子和质子的统称。
一、天然放射现象
1.天然放射现象
⑴放射性与放射性元素:
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.
⑵天然放射现象
原子序数大于82的元素都有放射性.天然放射性元素的种类很多,但它们在地球上的含量很少.原子序数小于83的元素,有的也具有放射性.
元素这种自发地放出射线的现象称为天然放射现象。
2.三种射线
⑴放射性物质放出的射线有三种:
α射线、β射线、γ射线.
⑵三种射线的成分和性质
名称
构成
符号
电量
质量
电离能力
贯穿本领
α射线
氦核
+2e
4u
最强
最弱
β射线
电子
-e
0
较强
较强
γ射线
光子
γ
0
0
最弱
最强
二、衰变
1.原子核的衰变:
放射性元素的原子核放出某种粒子后变成新的原子核的变化.
2.两种衰变:
α衰变、β衰变.
铀238()的α衰变
钍234()的β衰变
3.衰变规律:
原子核衰变时电荷数和质量数都守恒.
4.实质:
α衰变β衰变
5.γ衰变
α衰变或β衰变后产生的新核往往处于高能级,不稳定,要向低能级跃迁.放出γ光子.
γ射线是伴随着α射线和β射线产生的.
放射性物质发生衰变时,有的发生α衰,有的发生β衰变,同时伴随γ射线.这时三种射线都有.
例:
写出镭226、钋210的一次α衰变方程。
铜66、磷32的一次β衰变方程。
α衰变、β衰变表示了原子核是可以变化的.每一种元素的衰变快慢一样吗?
衰变快慢有什么规律?
如何描述这一变化规律?
三、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.符号T.(少数个别的核衰变时,谈半衰期无意义,半衰期由核的性质来决定,与该元素的物理性质(状态、压强、温度、密度等) 化学性质或存在形式均无关)
2.半衰期反映了放射性元素衰变的速率.
每种放射性元素都有一定的半衰期.氡222衰变为钋218的半衰期为3.8天,镭226衰变为氡222的半衰期为1620年,铀238衰变为钍234的半衰期为4.5×109年.
3.放射性元素的半衰期的大小是由核内部本身的因素决定的,与它所处物理状态或化学状态无关.
四、人工转变:
(发现质子的核反应)(卢瑟福)用α粒子轰击氮核,并预言中子的存在
(发现中子的核反应)(查德威克)钋产生的α射线轰击铍
(人工制造放射性同位素)
正电子的发现(约里奥居里和伊丽芙居里夫妇)α粒子轰击铝箔
五、放射性同位素的应用
1.利用其射线:
α射线电离性强,用于使空气电离,将静电泄出,从而消除有害静电。
γ射线贯穿性强,可用于金属探伤,也可用于治疗恶性肿瘤。
各种射线均可使DNA发生突变,可用于生物工程,基因工程。
2.作为示踪原子。
用于研究农作物化肥需求情况,诊断甲状腺疾病的类型,研究生物大分子结构及其功能。
3.进行考古研究。
利用放射性同位素碳14,判定出土木质文物的产生年代。
一般都使用人工制造的放射性同位素(种类齐全,各种元素都有人工制造的放射性同位。
半衰期短,废料容易处理。
可制成各种形状,强度容易控制)。
六、核力与结合能
(一)核力及其性质
1.核力的定义:
组成原子核的核子之间有很强的相互作用力,使核子能够克服库仑斥力而紧密地结合在一起,这种力称
2.核力有着完全不同于静电力和万有引力的一些性质.
(1)核力是一种强力,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1.5×10-15m之内,核力在大于0.8×10-15m时表现为吸引力,且随距离增大而减小,超过1.5×10-15m,核力急剧下降几乎消失;而在距离小于0.8×10-15m时,核力表现为斥力,因此核子不会融合在一起。
(3)每个核子只跟相邻的核子发生核力作用,这种性质称为核力的饱和性。
(二)重核与轻核
1.重核:
排在元素周期表比较靠后的元素对应的原子核
2.轻核:
排在元素周期表比较靠前的元素对应的原子核
3.轻核的质子数和中子数一般相等,比较稳定.但大多数重核中子数多于质子数,并且不稳定.排在83号以后的原子核都不稳定,它们能自动分解或衰变成更轻的原子核.
(三)结合能
1.结合能:
由于核子之间存在着强大的核力,要把原子核拆成核子,需要克服核力做功,也就是说需要提供一定的能量.反过来,根据能量守恒,核子结合成原子核时,也会放出一定能量,我们把这个能量叫做结合能.结合能越大,将原子核拆散需要的能量越多,说明原子核越稳定.
2.平均结合能:
原子核的结合能与其核子数之比,称为平均结合能.
平均结合能与原子核的稳定性
结合能并不是由于核子结合成原子核具有的能量,而是把核子分开所需要的能量.
(1)平均结合能的大小能够反映核的稳定程度,平均结合能越大,原子核越难拆开,表示该核越稳定.
(2)核子数较小的轻核与核子数较大的重核,平均结合能比较小,中等核子数(如铁)的原子核,平均结合能较大.
(3)当平均结合能较小的原子核转化成平均结合能比较大的原子核时,就释放核能.
六、核反应
1.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。
2.原子核的人工转变
(1)1919年,卢瑟福发现质子核反应方程
(2)查德威克发现中子核反应方程
3.核反应规律:
在核反应中,质量数和电荷数都守恒
居里夫妇发现正电子
七、质能方程
1.核反应伴随着能量变化
核反应中放出的能量称为核能。
一个质子和一个中子结合成氘核,放出2.2Mev能量
2.质量亏损
组成原子核的核子的质量与原子核的质量之差(或者参加核反应的原子核总质量与生成新原子核的总质量之差)叫质量亏损.
3.质能方程
爱因斯坦质能方程质量亏损放出能量
和结合成核放出能量2.22Mev
4.原子质量单位u1u=1.6606×10-27kg相当于931.5Mev的能量
八、裂变
重
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- 选修 二象性 原子结构 原子核