1、选修35原子物理讲义汇编光电效应：光照射金属板时，可以使金属板发射电子的现象。右图中，锌板带正电，验电器也带正电。光电效应中，金属板发射出来的电子叫光电子，光电子的定向移动可以形成光电流。相关知识：电磁波按照频率依次增大（波长依次减小）的顺序排列：无线电波红外线可见光紫外线x射线射线可见光又分为7中颜色：红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫。光的频率和颜色是对应关系，一个频率对应一种光的颜色。单色光就是单一频率的光。光照强度：单位时间内照射到单位面积上的光的能量。（光线和接收面垂直时）通俗讲，光照强度大就是光线密集的意思。房间里开一盏灯时没有开两盏灯光照强度大。光电效应的规律：（右图为研究光电效应的电路
2、图）1光电管中存在饱和电流。当光照强度、光的颜色一定时，光电流随着AK极之间的电压增大而增大，但是当电压增大到一定程度以后，光电流就不再增大了，光电流能达到的最大值叫饱和电流。控制光的颜色，饱和电流与光照强度有关，光照越强则饱和电流越大。2光电管两端存在着遏止电压。当A、K极之间电压为零时，光电流并不为零。当在A、K极加反向电压时，即A极为负极板，K极为正极板时，光电子在两极之间减速运动。反向电压越大，光电流越小，当反向电压达到某一值时，光电流消失，能够使光电流消失的反向电压叫遏止电压，用UC表示。遏止电压与光照强度无关，只与入射光的频率有关，频率越大则遏止电压越大。右图中，甲乙丙三种光的频率
3、大小关系？甲、乙的光照强度大小关系？3金属能否发生光电效应取决于入射光的频率，与光照强度和光照时间无关。当入射光的频率低于某一值时，无论光照多强，时间多长都不会发生光电效应。而这一值叫做截止频率，又叫极限频率，用c表示。4如果入射光的频率超过了截止频率，无论光照强度多么弱，发生光电效应仅需10-9s。爱因斯坦为了解释光电效应，提出了光子说：1在空间传播的光是不连续的，而是一份一份的，每一份叫做一个光子，光子的能量E=h。指光的频率。2金属中的自由电子吸收光子能量时，必须是一次只能吸收一个光子，而且不能累计吸收。3光子不能再分，自由电子吸收光子时要么是全部吸收，要么不吸收。4自由电子吸收光子仅需
4、10-9s。光子说对光电效应的解释：1当光照颜色一定时，光照越强，则单位时间内照射到金属上的光子数越多，光子数越多则发射出来的光电子数越多。所以光电流就越大。当A、K极间的电压大到一定程度后，所有的光电子都能从K极到达A极，出现了饱和电流。光照越强，光子数、光电子数相应越多，则饱和电流增大。2自由电子吸收了光子能量后，能够从金属内部逃逸出来。自由电子从金属中逃逸出来的过程中，要克服原子核对它的引力做功。自由电子从金属中逃逸出来的过程中所要克服引力所做功的最小值，叫金属的逸出功，用W0表示。逸出功是由金属本身决定的，不同的金属有不同的逸出功。若要自由电子能够从金属中逃逸出来，则自由电子吸收的光子
5、能量E=h必须大于金属的逸出功W0 。因此金属存在着截止频率，hc= W0 。当光子能量h W0 时，才能发生光电效应。电子从金属中逃逸出来后剩余的动能，由能量守恒定律可知：EK=h-W，其中W指自由电子逃逸过程中克服引力做的功，当W最小时，电子剩余的动能则越大，所以，电子的最大初动能EKm=h-W0。3在光电管中，当在、K极加反向电压时，电场力对电子做负功，当反向电压达到遏止电压UC时，光电子恰好不能到达A极。如右图，A极接电源负极。则遏止电压UC满足：-eUC=0-EKm= h-W0 ，所以，遏止电压只与入射光的频率有关，与光照强度和光照时间无关。玻尔氢原子理论：产生背景：原子的发光光谱是
6、线状谱，即，原子发出的光的频率（或波长）只能是一些不连续的特定值。每一种原子都有自己独特的线状谱，就好像每一个人都有属于自己独特的指纹一样。玻尔为了解释原子光谱的规律，提出了玻尔氢原子理论。1轨道量子化假设：原子核外的电子只能在一些不连续的、特定的轨道上绕核匀速圆周运动。好像这些轨道是由上帝安排好的一样。2定态假设：电子在那些特定轨道上运动时，不会向外辐射电磁波，整个原子的能量不会减少，原子处于相对稳定状态，简称定态。3能量量子化假设：电子在那些特定轨道上运动时，原子的能量也有一些不连续的特定值与之对应。原子的能量也只能是一些不连续的特定值。电子的轨道不同，原子的能量也不同。原子的能量指：电子
7、的动能和电子与原子核系统的电势能。玻尔认为，电子绕原子核的运动规律与卫星绕地球的运动规律相似。轨道半径越大，则电子的动能越小，而电势能越大，因为从低轨道到高轨道时引力做负功。由微积分计算可知，轨道半径增大的过程中，势能增加的多而动能减小的少，所以轨道半径越大时，原子的能量越大。玻尔以轨道为电势能的零点，电子在轨道时，动能也是零，所以在时原子的能量为零。以轨道为电势的零点，玻尔还计算出电子在第一轨道时，原子的能量为-13.6ev。电子在第n轨道时，原子的能量为，其中n是轨道数，也叫量子数。4能级与跃迁：原子的每一个能量值，叫做原子的能级。电子在低轨道时，原子的能量值较小，叫低能级状态。电子在高轨
8、道时，原子的能量值较大，叫高能级状态。高与低都是相对的。电子只能在那些特定的轨道上，所以电子从一个轨道到另一轨道时，好像没有中间过程，叫轨道跃迁。5基态与激发态：电子在第1轨道上时，原子处于第1能级状态，此时原子最稳定，不会向外辐射能量，叫基态。电子处在2、3轨道上时，原子处在相对较高的能级状态，叫激发态。6原子从外界吸收能量时，电子会从低轨道向高轨道跃迁，原子就从低能级跃迁到了高能级。而处于高能级的原子会自发地向低能级跃迁。当原子从高能级向低能级跃迁时，原子的能级会减小，而减小的能量就以光子的形式辐射出去。跃迁一次就会发出一个光子。根据能量守恒可知，原子辐射的光子能量E=h=两个能级的差值。
9、氢原子的能级是一些特定值，所以能级差也是一些不连续的特定值，所以原子发光的光谱是线状谱。玻尔计算的氢原子的光谱与实际试验观察完全吻合，玻尔因此获得诺贝尔奖。原子吸收光子的能量时，也是选择一定频率的，不是任意能量的光子都可以吸收。经典例题： 1已知能使某金属产生光电效应的极限频率为0，则( )A当用频率为20的单色光照射该金属时，一定能产生光电子B当用频率为20的单色光照射该金属时，所产生的光电子的最大初动能为h0C当照射光的频率大于0时，若增大，则逸出功增大D当照射光的频率大于0时，若增大一倍，则光电子的最大初动能也增大一倍2 如图所示，当电键K断开时，用光子能量为2.5 eV的一束光照射阴极
10、P，发现电流表读数不为零。合上电键K，调节滑线变阻器，发现当电压表读数小于0.60 V时，电流表读数仍不为零；当电压表读数大于或等于0.60 V时，电流表读数为零。由此可知阴极材料的逸出功为（ ）A1.9 eV B0.6 eV C2.5 eV D3.1 eV 3在光电效应实验中，飞飞同学用同一光电管在不同实验条件下得到了三条光电流与电压之间的关系曲线(甲光、乙光、丙光)，如图所示。则可判断出（ ）A甲光的频率大于乙光的频率 B乙光的波长大于丙光的波长C乙光对应的截止频率大于丙光的截止频率D甲光对应的光电子最大初动能大于丙光的光电子最大初动能4以往我们认识的光电效应是单光子光电效应，即一个电子只
11、能短时间内能吸收到一个光子而从金属表面逸出。强激光的出现丰富了人们对于光电效应的认识，用强激光照射金属，由于其光子密度极大，一个电子在短时间内吸收多个光子成为可能，从而形成多光子电效应，这已被实验证实。光电效应实验装置示意如图。用频率为v的普通光源照射阴极k，没有发生光电效应，换同样频率为v的强激光照射阴极k，则发生了光电效应；此时，若加上反向电压U，即将阴极k接电源正极，阳极A接电源负极，在kA之间就形成了使光电子减速的电场，逐渐增大U，光电流会逐渐减小；当光电流恰好减小到零时，所加反向电压U可能是下列的（其中W为逸出功，h为普朗克常量，e为电子电量）（ ）A.U= B U= C. U= D
12、. U=5已知金属甲发生光电效应时产生光电子的最大初动能跟入射光的频率关系如直线1所示。现用某单色光照射金属甲的表面，产生光电子的最大初动能为E1，若用同样的单色光照射金属乙表面，产生的光电子的最大初动能E2，如图所示。则金属乙发生光电效应时产生光电子的最大初动能跟入射光的频率关系图线应是（ ）Aa Bb Cc D上述三条图线都有可能6下列关于光电效应的陈述中，正确的是( )A金属的逸出功与入射光的频率成正比 B光电流强度与入射光强度无关C用不可见光照射金属一定比用可见光照同种金属产生的光电子最大初动能大D对任何一种金属，都有一个“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7 氢
13、原子能级图的一部分如图所示，a、b、c分别表示在不同能级之间的三种跃迁途径，设在a、b、c三种跃迁过程中，放出光子的能量和波长分别是和，则（ ）A. B. C. D. 8 用能量为12eV的光子照射处于基态的氢原子时，则下列说法中正确的是（ ）A. 使基态电子电离 B. 使电子跃迁到n3的能级 C. 使电子跃迁到n4的能级 D. 电子仍处于基态9用总能量为13eV的一个自由电子与处于基态的氢原子发生碰撞（不计氢原子的动量变化），则电子可能剩余的能量（碰撞中无能量损失）是（ ）A. 10.2eV B. 2.8eV C. 0.91eV D. 12.75eV10氢原子的核外电子由一个轨道跃迁到另一轨
14、道时，可能发生的情况有（ ）A. 放出光子，电子动能减少，原子势能增加，且动能减少量小于势能的增加量B. 放出光子，电子动能增加，原子势能减少，且动能增加量与势能减少量相等C. 吸收光子，电子动能减少，原子势能增加，且动能减少量小于势能的增加量D. 吸收光子，电子动能增加，原子势能减少，且动能增加量等于势能的减少量10.光子能量为E的一束单色光照射到容器中的氢气上，氢原子吸收光子能量后处于激发态，并能发射光子现测得该氢气发射的光子共有3种，其频率分别为、 ，且，那么入射光光子的能量值是（设普朗克常量为）（ ）A、 B、 C、 D、课堂练习：1 当用具有1.87eV能量的光子照射n3激发态的氢原
15、子时，氢原子（ ）A. 不会吸收这个光子 B. 吸收该光子后被电离，电离后的动能为0.36eVC. 吸收该光子后被电离，电离后电子的动能为零 D. 吸收该光子后不会被电离2氢原子在某三个相邻能级之间跃迁时，可发出三种不同波长的辐射光。已知其中的两个波长分别为，且，则另一个波长可能是（ ） A. B. C. D. 3氢原子的能级如图所示，已知可见的光的光子能量范围约为1.62eV3.11eV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
16、率的光D大量处于n=4是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4欲使处于基态的氢原子激发,下列措施可行的是( )A.用10.2eV的光子照射 B.用11eV的光子照射C.用14eV的光子照射 D.用11eV的电子碰撞5对玻尔理论的评论和议论，正确的是（ ）A玻尔理论的成功，说明经典电磁理论不适用于原子系统，也说明了电磁理论不适用于电子运动B玻尔理论成功地解释了氢原子光谱的规律，为量子力学的建立奠定了基础C玻尔理论的成功之处是引入量子观念D玻尔理论的成功之处，是它保留了经典理论中的一些观点，如电子轨道的概念6子与氢原子核（质子）构成的原子称为氢原子（hydrogen muon
17、atom），它在原子核物理的研究中有重要作用。图为氢原子的能级示意图。假定光子能量为E的一束光照射容器中大量处于n=2能级的氢原子，氢原子吸收光子后，发出频率为v1、v2、v3、v4、v5和v6的光，且频率依次增大，则E等于( )Ah（v3-v1 ） Bh（v5+v6） Chv3 Dhv47频率为的光照射某金属时，产生光电子的最大初动能为Ekm.改用频率为2的光照射同一金属，所产生光电子的最大初动能为(h为普朗克常量)( )AEkmh B2Ekm C. Ekmh D. Ekm2h8用一束绿光照射某金属，恰能产生光电效应，现在把入射光的条件改变，再照射这种金属下列说法正确的是（ ）A把这束绿光遮
18、住一半，则可能不产生光电效应 B把这束绿光遮住一半，则逸出的光电子数将减少C若改用一束黄光照射，则逸出的光电子数将减少 D若改用一束蓝光照射，则逸出光电子的最大初动能将增大9入射光照射到某金属表面上时，能发生光电效应，若入射光的强度减弱，而颜色保持不变，那么（ ）A从光照射到金属表面到发射出光电子的时间间隔将明显增加B逸出的光电子的最大初动能将减小C单位时间内从金属表面逸出的光电子数目将减小 D有可能不发生光电效应10在研究光电效应的电路如图所示用频率相同、强度不同的光分别照射密封真空管的钠极板(阴极K)，钠极板发射出的光电子被阳极A吸收，在电路中形成光电流下列光电流I与A、K之间的电压UAK
19、的关系图象中，正确的是（ ） 原子及原子核物理知识总结：一光的本性：光既是一种电磁波，同时又具有粒子性。光具有波粒二象性。光的干涉和衍射现象能充分证明光是一种电磁波。而光电效应和康普顿效应能充分证明光具有粒子性。光电效应证明了光子具有能量，E= h。康普顿效应证明了光子具有动量，P=h/。康普顿效应：康普顿研究了X射线被较轻物质(石墨、石蜡等)散射后光的成分，发现散射谱线中除了有波长与原波长相同的成分外，还有波长较长的成分。这种散射现象称为康普顿散射或康普顿效应。光的波动性只有在研究大量光子时才能展现出来，可见光这种波是一种概率波。德布罗意指出：实物粒子也具有波粒二象性，实物粒子在运动时对应的
20、波叫物质波，又叫德布罗意波，=h/p。物质波也是概率波。1927年戴维孙和汤姆孙分别用晶体做了电子束衍射的实验，证实了电子的波动性。二原子的核式结构：英国物理学家汤姆孙研究了阴极射线的性质，证明了阴极射线的本质是高速运动的带负电的粒子流，他把这种带电粒子叫做电子。美国物理学家密立根用油滴实验准确地测出了电子的电量和质量。e=1.610-19C。汤姆孙通过实验证实，电子是所以物质的共有组成部分。电子带负电，而原子是电中性的，所以原子中一定有带正电的物质，对于原子的组成，汤姆孙提出了枣糕模型：原子是一个球体，里面充满了均匀分布的带正电的流体，电子镶嵌在正电荷液体中，就象枣点缀在一块蛋糕里一样。英国
21、物理学家卢瑟福根据著名的粒子散射实验，提出了原子的核式结构模型。右图为粒子散射实验装置图。用粒子轰击金箔（非常薄的金片，约有3000层金原子的厚度）其实验结果如下：1绝大多数粒子穿过金箔后仍沿原来方向前进，2少数粒子（约占8000分之一）发生了较大的偏转，3极少数粒子的偏转超过了90，有的甚至几乎被撞了回来。粒子大角散射现象，尤其是有极少数粒子偏转角度几乎达到了1800的现象让卢瑟福感到非常震惊。它好比你对一张纸发射炮弹，结果炮弹被反弹回来而打到自己身上。粒子好比炮弹，金箔好比一张纸。卢瑟福根据他的导师汤姆生提出的枣糕模型计算的结果：电子质量很小，对粒子的运动方向不会发生明显影响；由于正电荷均
22、匀分布，粒子所受库仑力也很小，散射角不超过零点几度，发生大角度偏转的几率几乎是零。实验结果却是有八千分之一的粒子发生了大角度偏转 卢瑟福为了解释粒子大角度的散射现象，提出了原子的核式结构模型：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空间绕着核旋转对粒子散射实验现象解释：粒子穿过原子时，电子对粒子运动的影响很小，影响粒子运动的主要是带正电的原子核。而绝大多数的粒子穿过原子时离核较远，受到的库仑斥力很小，运动方向几乎没有改变，只有极少数粒子可能与核十分接近，受到较大的库仑斥力，才会发生大角度的偏转 。根据卢瑟福的原子核式模型和粒子散射的
23、实验数据，可以推算出各种元素原子核的电荷数，还可以估计出原子核的大小。原子的半径约为10-10m、原子核半径约是10-15m，原子核的体积只占原子的体积的万亿分之一。这个比例好比：如果原子是一个标准大操场，原子核就是操场中心一颗小草上的一滴露珠。可见原子内部是十分空旷的。三天然放射现象：1896年法国物理学家贝克勒尔首先发现。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。放射性元素自发地发出射线的现象叫天然放射现象。放射性元素发出的射线有三种成分：射线，射线，射线。三种射线的本质及性质：1射线：高速粒子流，带正电，粒子是氦的原子核。速度到达光速的1/10，穿透能力较弱，用一张纸
24、就能把它挡住。但是它的电离能力较强。2射线：高速电子流。速度达到光速的99%。穿透能力较强，能穿透几毫米厚的铝板，但是电离能力较弱。3射线：电磁波，又称光，不带电。穿透能力很强，能穿透几厘米厚的铅板和几十厘米厚的混凝土。电离能力最弱。实验发现，如图一种元素具有放射性，那么，无论它是以单质存在，还是以化合物行驶存在，都具有放射性。放射性的强度也不收温度、外界压强的影响。由于元素的化学性质决定于原子的核外电子，这就说明射线与这些电子无关，也就是说，射线来自原子核。这说明原子核内部是有结构的。四原子核的组成：1919年，卢瑟福用高速粒子轰击氮原子核，从而首次发现了质子。1932年卢瑟福的学生查德威克
25、在实验中发现了中子。原子核由质子和中子组成。质子带正电，电量与电子相等，中子不带电。质子与中子的质量非常接近。中子的质量比质子大千分之一。质子和中子统称为核子。原子核中的质子数又叫原子核的电荷数，用Z表示，原子核内质子与中子的总数叫质量数，用A表示。电子的质量数为0。电荷数和质量数都是正整数。但是电荷数不是电量，质量数也不是质量。同位素：原子核内电荷数相等而质量数不等的元素叫做同位素。如氕、氘、氚。五放射性元素的衰变：1衰变：原子核内发射出一个粒子，变成了另外一种元素，叫衰变，衰变方程2衰变：原子核内发射出一个粒子，变成了另外一种元素，叫衰变，衰变方程原子核里没有电子，衰变中的电子来自于一个中
26、子的分裂。衰变时中子转化成了一个质子和一个电子。其转化方程如下：。 射线经常是伴随着衰变和衰变产生的。衰变和衰变都满足电荷数守恒和质量数守恒。衰变和衰变都是自发产生的。3半衰期：放射性元素的原子核有半数发生衰变所需要的时间，叫做这种元素的半衰期。不同的元素半衰期也不同。如氡222的半衰期为3.8天，也就是说，100克的氡222经过3.8天后，还有50克的氡222，再过3.8天，还剩25克氡222。半衰期是对大量原子核的统计规律，不适用于有限数量的原子核。如某种元素的半衰期是10天，5000个该元素的原子核，10天后还剩2500个，是错误的说法。半衰期是由原子核内部自身因素决定的，与外界物理环境
27、、化学环境无关。比如，半衰期与压力、温度、或与其它元素化合等无关。六核反应：原子核在其它粒子的轰击下产生新的原子核的过程，成为核反应。核反应是在人工干涉下进行的。但是核反应也遵循电荷数守恒和质量数守恒。首例核反应是卢瑟福实现的，方程：。七结合能与比结合能：1原子核内的核子是凭借核力结合在一起构成的，要把核子分开，也需要能量，这就是原子核的结合能。结合能并不是由于核子结合成原子核而具有的能量，而是为了把核子分开而需要的能量。2组成原子核的核子越多，它的结合能越高。因此，有意义的是结合能与核子数的比值，叫做比结合能，也叫平均结合能。比结合能越大，要把原子核拆开就越困难，因此，比结合能越大原子核中核
28、子结合的越牢固，原子核越稳定。八质量亏损与核能的利用：研究表明，单个的质子和中子的质量比原子核中质子和中子质量略大，也就是说，核子结合成原子核时要发生质量亏损，发生质量亏损就会释放核能。释放的核能E=m C2，(爱因斯坦质能方程：E=m C2，C为光速)科学家经过精确的实验研究，得出核子平均质量与原子序数之间的关系有如图示曲线所示：从曲线可知：原子序数较小的的轻核和原子序数较大的重核其核子平均质量都较大，而原子序数处于中间的中等质量的核，其平均核子质量较小。从曲线可知，轻核聚变和重核裂变都很发生质量亏损，释放核能。重核裂变：电荷数较大的，核子数较大的原子核分裂成两个中等大小的原子核。如右图，原
29、子核A分裂成原子核B和C。应用：原子弹、核电站内的核反应堆。铀核裂变的产物是多种多样的，一种典型的铀核裂变反应方程如下：轻核聚变：两个轻核结合成一个较大的原子核，发生的条件是几百万度的高温，所以轻核聚变又叫热核反应。轻核聚变的应用：氢弹。太阳内部发生的是轻核聚变。轻核聚变目前还不能用于实际生产中，处在研究探索阶段，但是前景无限美好。一个典型的轻核聚变反应：。附：不是所有的核反应都能放出核能，有的核反应，反应后生成物的质量比反应前的质量大，这样的核反应不放出能量，反而在反应过程中要吸收大量的能量。只有重核裂变和轻核聚变能放出大量的能量。裂变过程：重核被中子轰击后，与中子复合成一个处在高激发态的同
30、位素，这种重核的同位素要发生形变，从一个接近球形的核变为一个拉长的椭球形的核，最后分裂成两部分，同时放出中子。裂变的特点：(1)裂变过程中能放出巨大的能量(2)裂变的同时能放出23个(或更多个)中子(3)裂变的产物不是唯一的注意：裂变反应的依据是实验事实，不能仅凭反应前后质量数守恒，电荷数守恒，杜撰各裂变反应二、铀核的裂变的一种典型反应。的裂变是很常见的一种重核裂变，它裂变的反应物和生成物有多种，其中有两种很典型的反应是：那么裂变过程为什么能放出能量呢？请以铀核裂变为例，计算一个铀核在上述第二种裂变过程放出的能量。裂变前的质量：kg， kg裂变后的质量：kg，kg，kg，学生计算：质量亏损：kg，J=201MeV链式反应：1939年12月，德国物理学家哈恩和他的助手斯特拉斯曼发现，用中子轰击铀核时，铀核发生了裂变，释放出的中子又引起了其他铀核的裂变，这样不断继续下去，中子会不断增加，裂变反应就会不断加强，形成了裂变的链式反应这种由重核裂变产生的中子使裂变反应一代接一代继续下去的过程，叫做核裂变的链式反应。临界体积（临界质量）：链式反应的条件：(1)要有足够浓度的铀235(浓缩铀)因为铀235可以俘获各种能量的中子(2)要保持足够数量的慢中子
