选修3-5波粒二象性、原子结构、原子核知识小结

第17章《波粒二象性》知识小结考点93、普朗克能量子假说黑体和黑体辐射引言：历史背景——19世纪末，人们认为经典物理学已形成完整体系，只剩下修补、完善工作。但仍存在光速问题和黑体辐射问题。（前者引发了相对论，后者引发了量子力学）另：光的干涉、衍射实验已证实光是一种波，光的偏振实验已证实光是横波，并由物理学家麦克斯韦预言、由赫兹实验证实光是电磁波。1、黑体与黑体辐射①热辐射：一切物体都在辐射电磁波，这种辐射与物体的温度有关（还与材料的种类和表面状况有关），这种现象叫热辐射；规律：当温度升高时，热辐射中较短波长的成分越来越强。除热辐射外，物体的表面还会吸收和反射电磁波。②黑体、黑体辐射：黑体是指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；黑体辐射的特点：辐射的电磁波强度按波长的分布只与黑体的温度有关。③黑体辐射的实验规律：a、当温度升高时，各种波长的电磁波的辐射强度都增加；b、当温度升高时，辐射强度的最大值向波长较短（即频率较大）的方向移动。④经典理论解释的困难：在经典理论解释中有两个人的研究较出色，但都存在缺陷。维恩公式：在短波区与实验非常接近，而长波区与实验偏离很大；瑞利公式：在长波区与实验基本一致，而短波区与实验严重不符，不但不符，而且当波长趋于0（即频率很大）时，辐射强度趋于无穷大——史称“紫外灾难”。2、能量子（普朗克）①内容：振动着的带电微粒的能量只能是某一最小能量值的整数倍，其辐射或吸收的能量也只能以这个最小能量值为单位一份一份地辐射或吸收。这个不可再分的最小能量值叫能量子。★★1900年普朗克能量子假设重点强调微观粒子的能量是不连续的，即电磁波在吸收和辐射时是一份一份的，但没有指明电磁的传播是不连续的，另外真正说明物质世界量子性质的科学家是爱因斯坦。能量子公式：ε＝h（式中h叫普朗克常量，是电磁波的频率）。振动着的带电微粒的能量：E＝nh（n叫量子数，为自然数），在宏观世界中，通常认为能量是连续的，而微观世界中能量是分立的。②能量子理论对黑体辐射实验规律的解释实验符合很好。考点94、光电效应（康普顿效应）1、光电效应——说明光具有粒子性，赫兹发现了光电效应，爱因斯坦解释了光电效应。①实验及现象：用弧光灯照射原来不带电的锌板，发现验电器指针偏转，经检验验电器带正电，说明锌板带正电。其原因是：锌板在紫外线照射下放出了电子（也叫光电子），这种现象叫光电效应。★★现行教材将实验过程改为：“用紫外线灯照射原来带负电的锌板，发现验电器指针先闭合再张开”，这样做的是为了强调电子从锌板表面逸出。②光电效应的实验规律：a、实验装置——见课本P31图17.2－2图中阴极板为易产生光电效应的材料，若图中A极电势高，则它将使光电子加速，对应电压称之为正向电压；若图中A极电势低，则它将使光电子减速，（与使光电子恰好末到达A极相对应的电压称之为遏制电压，此电压可用于计算光电子的最大初动能，计算式为mev2/2=eUc）。无论哪一种情形，判断光电子是否到达A极都是利用电流表。b、光电效应的实验规律：EKm=h-W0逸出功W0=hc最大初动能EKm=mVm2/2①每种金属都有对应的c和W0，入射光的频率大于金属极限频率才能发生光电效应。②光电子的最大初动能与入射光的强度无关，光随入射光频率的增大而增大。③入射光频率一定时，光电流强度与入射光强度成正比。在入射光频率、光强一定的情况下，当正向电压增加一定程度时，光电流的值将保持不变，此电流称为饱和电流。④光电子的发射时间一般不超过10－9秒，与频率和光强度无关。③经典理论解释光电效应规律的困难：经典电磁理论只能解释上述光电效应规律中的部分规律。关键问题是经典电磁理论中电磁波的强度（单位时间内的能量）由振幅决定，而与频率无关（错误的）。④爱因斯坦的光电效应方程：受普郎克能量子理论的影响，爱因斯坦提出了光子说，其内容是：电磁波的传播不是不连续的，而是一份一份的，光本身就是由一个个不可分割的能量子组成，每一份称之为光子，其能量的计算式为ε＝h。爱因斯坦的光电效应方程为：EK=h-W0；其中求截止频率的方法是：c=W0/h。光子说对光电效应规律的解释：一个电子从“效果”上讲只能接收一个光子；在入射光频率一定时，入射光增强，意味着单位面积、单位时间内的光子数增多。请弄懂课本P34例题.2、康普顿效应：说明光具有粒子性①实验与现象：X射线（由原子内层电子受激发产生）穿过石墨晶体时，除了与入射波长相等的成分外，还有大于原波长的成分的现象叫康普顿效应。②研究表明：光子除了具有能量外，还应具有动量。这进一步说明了光的粒子性。③光子的动量表达式：p＝h/λ考点95、光的波粒二象性物质波（概率波）（P37~42）1、光的波粒二象性光的干涉、衍射、偏振实验证实光具有波动性；光电效应、康普顿效应证实光具有粒子性。从光子的能量公式ε＝h和光子的动量公式p＝h/λ可以看出光的粒子说并未否定光的波动说。描述粒子性的物理量是ε、p，描述波的物理量是、λ，起桥梁作用的量是h。对光的本性的认识，目前公认的说法是：光具有波粒二象性。2、（实物）粒子的波动性背景：法国的德布罗意考虑到普朗克能量子和爱因斯坦光子理论的成功，大胆提出实物粒子也具有波粒二象性。①德布罗意提出实物粒子也具有波动性。其理解是：每一个运动的粒子都与一个对应的波相联系。遵从能量公式ε＝h和光子的动量公式p＝h/λ。这种与实物粒子相联系的波叫德布罗意波，也叫物质波。②物质波的实验验证：将电子束通过铝箔，观察到了衍射图样，这是物质波存在的有力证据。实物粒子波动性难以观察是因为德布罗意波的波长很小。3、概率波①经典的粒子与经典的波：在经典理论中的粒子：任意时刻的确定的位置和速度、以及时空中的确定的轨道是其特征；在经典理论中的波：传播是弥散的，频率和波长是其特征，即具有时空周期性。②波粒二象性的理解：粒子在空间某处出现的概率满足波动特点，故称为概率波。③大量光子表现出的波动性强，少量光子表现出的粒子性强；频率高的光子表现出的粒子性强，频率低的光子表现出的波动性强。④不确定性关系：4hpx其中x表示粒子位置的不确定性，p表示粒子在x方向上的动量的不确定性，h是普朗克恒量。第18章《原子结构》知识小结考点96、原子核式结构模型（P47~53）1、阴极射线——1897年英国物理学家汤姆孙，对阴极射线进行了一系列的研究，测出了该射线的比荷及电性，从而发现了电子。2、汤姆孙发现电子的研究过程——请看课本P48图18.1－2及“思考与讨论”3、电子电荷的精确测定是由密立根通过著名的“油滴实验”做出的。并由此得出重要结论：电荷是量子化的，任何带电体的电量都等于元电荷e的整数倍。4、汤姆孙原子模型设想——“枣糕模型”5、卢瑟福的α粒子散射实验①绝大多数粒子穿过金箔后，仍沿原来方向运动，不发生偏转。②有少数粒子发生较大角度的偏转③有极少数粒子的偏转角超过了90度，有的几乎达到180度，即被反向弹回。6、原子核所带正电荷数与质子数相等；原子核的半径数量级为10-15m（该数量级可由α粒子散射实验得到）（而原子半径大小的数量级为10-10m）。考点97、氢原子光谱（P54~56）考点98、原子的能级（P57~63）1、光谱定义：光按波长或频率成份和强度的分布记录；2、分类：光谱分为发射光谱和吸收光谱，发射光谱又分为连续谱和线状谱。a.炽热的固体、液体和高压气体的发射光谱是连续谱，其光谱特点是连在一起的光带。b.稀薄气体或金属蒸汽的发射光谱是线状谱，其光谱特点是不连续的亮线的光谱；不同元素的线状谱是不同的，因此线状谱是这种元素的特征谱线，可以通过光谱分析鉴别物质。c.连续谱通过温度较低的气体后产生的吸收光谱，其光谱特点是连续谱背景上的若干暗线；因此吸收光谱也是这种元素的特征谱线，可以通过光谱分析鉴别物质。原子特征谱线：不同原子的发射光谱是不同的，线状光谱与原子是一一对应的，它能反映原子的特征，故线状光谱也称之为特征谱线。可用于鉴别物质和确定物质的组成，这种方法称为光谱分析，其灵敏度可达10－10g。3、氢原子光谱（线状光谱）的实验规律①实验：利用气体放电管放电使稀薄氢气发光。（看课本P55图18.3－4、18.3－5）2）实验规律（巴耳末公式——由可见光范围内所观测到的氢光谱总结而得）1＝R（221－2n1）n＝3、4、5、6、……为里德伯常量，R=1.10×107m－1这个公式表明，该光谱的波长分布具有分立的特点。4、经典理论解释氢光谱遇到的困难（P56）①、原子稳定性问题——加速运动，按经典电磁理论它将发出电磁波（光谱），则运动的电子的能量将减少，则电子最终会在库仑力的作用下落到核上——即原子是不稳定的。事实上，核外存在稳定的电子云。②、线状光谱问题——出的电磁波（光谱）频率与核外电子运动频率相同，由于核外电子能量的不断减少，其轨道半径在连续不断减小，则其运动的频率也在不断连续变化，故原子光谱只能是连续光谱。事实上存在线状光谱。5、玻尔的原子模型（P57）①出发点：针对上述经典理论的两个困难，引入量子理论，对核外电子运动情况做出的假设，在对氢原子光谱的解释中其正确性得到验证。②玻尔的原子模型假设（注：课本概括为两个方面）a轨道假设：电子绕核运动的轨道是不连续的（即轨道是量子化的），在这些轨道上电子虽作加速运动，但不辐射电磁波。氢原子的轨道公式：Rn＝n2R1R1＝0.53×10－10mb定态假设：原子只能处于一系列不连续的能量状态中，在这些状态中原子是稳定的。氢原子的能级公式：En＝E1/n2E1＝－13.6ev其中n为量子数。c跃迁假设：电子由低能级向高能级跃迁时要吸收一定频率的光子，电子由高能级向低能级跃迁时要辐射一定频率的光子，光子的能量均由Em-En=hv严格决定；★★理解吸收多少能量可发生电离。玻尔模型只能解释氢原子，不能解释其他原子★★若用实物粒子与原子碰撞，只要粒子的能量大于等于核外两轨道的能级差即可。③对氢原子光谱的解释：在可见光范围内所观察到有氢原子光谱，实际上是电子由3、4、5……等高能级状态的跃迁到2轨道的能级状态所发出。见上面巴尔末公式。④玻尔模型的局限性：虽引入了量子理论，但过多保留了经典理论。P59第19章《原子核》知识小结考点99、原子核的组成（P65~69）原子核的组成：天然放射现象说明原子核有复杂结构，它是由法国物理学家贝克勒耳首先发现的，后来居里夫妇又先后发现了放射性元素钋和镭。考点100、原子核的衰变半衰期（P70~73）成份速度带电情况来源于何处粒子本质性质电离作用贯穿能力射线光速的1/10正电均来自原子核氦核组成的粒子流很强很弱，一张纸能挡住射线接近光速负电高速电子流较强较强，可穿透几毫米厚的铝板射线光速不带电高频光子很弱很强，可穿透几厘米厚的铅板放射性元素的衰变与原子核的人工转变（核反应）1、核反应规律：电荷数和质量数守恒衰变：质量数减少4，电荷数减少2衰变：质量数不变，电荷数增加1。（即1个中子转化为一个质子，同时释放1电子）射线是伴随、衰变放射出来的高频光子流，、衰变不能同时发生。2、半衰期：放射性元素的原子核的半数发生衰变所需要的时间，称该元素的半衰期。半衰期与物理及化学环境无关。考点101、放射性的应用与防护放射性同位素（P76~79）1、放射性同位素：a.人工放射性同位素1000多种，天然的只有40多种。b.正电子的发现（1934年，约里奥·居里和伊丽芙·居里用粒子轰击铝时）c.与天然的放射性物质相比，人造放射性同位素优点：①放射强度容易控制。②可以制成各种需要的形状。③半衰期更短。④放射性废料容易处理d.放射性同位素的应用①由于γ射线贯穿本领强，可以用来γ射线检查金属内部有没有砂眼或裂纹②利用射线的穿透本领与物质厚度密度的关系，来检查各种产品的厚度和密封容器中液体的高度等，从而实现自动控制③利用射线使空气电离而把空气变成导电气体，以消除化纤、纺织品上的静电④利用射线照射植物，引起植物变异而培育良种，也可以利用它杀菌、治病等⑤作为示踪原子：用于工业、农业