光原子核相对论复习材料doc.docx
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光的直线传播.光的反射
光的直线传播
光在同一种均匀透明的介质屮沿线传播,各种频率的光在真空屮传播速度:
C=3X10W:
各种频率的光在介质中的传播速度均小于在空中的传播速度,即v 光的反射 1. 反射现象: 2.反射定律: 反射光线跟入射光线和法线在同一平而内,且反射光线和人射光线分居法线两侧,反射角等于入射角. 4.光路uj逆原理: 所冇儿何光学屮的光现象,光路都是讨逆的. 光的折射、全反射 一、光的折射 1.折射现象: 光从一种介质斜射入另一种介质,传播方向发生改变的现象. 參 2.折射定律: 折射光线、入射光线趿法线在同一T面内,折射光线、入射光线分拮法线两侧,入射角的正弦跟折射角的正弦成正比. 3.在折射现象屮光路是可逆的. 二、折射率 1.定义: 光从真中射入某种介质,入射角的正弦跟折射角的正弦之比,叫做介质的折射率.注意: 指光从真空射入介质. 3.各种色光性质比较: 红光的最小,k最小,在同种介质中(除K空外)r最大,J最火,从同种介质射向真空时全反 射的临界角最大,以相同入射角在介质间发生折射时的偏折角最小(注意区分偏折角和折射角)。 •••••• 4.两种介质相比较,折射率较大的叫光密介质,折射率较小的叫光疏介质. 三、企反射 1. 全反射现象: 光照射到两种介质界而上时,光线全部被反射回原介质的现象. 2.全反射条件: 光线从光密介质射向光疏介质,且入射角大于或等予临界角. 3.临界角公式: 光线从某种介质射向真空(或空气)吋的临界角为C,则SinC=l/n=v/C 四、棱镜与光的色散 1.棱镜对光的偏折作用 一般所说的棱镜都是用光密介质制作的。 入射光线经三棱镜两次折射后,射出方内与入射方句相比, (若棱镜的折射率比棱镜外介质小则结论相反。 ) 作图吋尽量利用对称性(把棱镜屮的光线画成与底边平行)。 光学中的一个现象一串结论 色散现象 n V \(波动性) 衍射 干涉间距 Y(粒子性) E光子 光电效应 红黄紫 i 小 大 大 小 大(明显) 小(不明显) 容易 难 小 大 大 小 /j、(不明兄) 大(明显) 小 大 难 易 结论: (1)折射率n、; (2)全反射的临界角C; (3)同一介质中的仿播速率V; (4)在平行玻璃块的侧移Ax (5)光的频率r,频率大,粒子性明显 (6)光子的能SE=hr则光子的能呈越大。 越容易产生光电效应现象 (7)在真空中光的波长A,波长大波动性显著; (8)在相同的情况下,双缝干涉条纹间距x越來越窄 (9)在相同的情况下,衍射现象越来越不明显 ③条纹间距勾单色光波氏成正比.Ar 入), 所以用单色光作双缝干涉实验时,屏的屮央是亮纹,两边对称地排列捏厘且@里相_簦的条纹 用白光作双缝干涉实验时,屏的屮央是白色亮纹,两边对称地排列彩色条纹,离中央白色亮纹最近的是紫色亮纹。 胶因: 不同色光产生的条纹间距不同,出现各色条纹交错现象。 所以出现彩色条纹。 将其中--条缝遮住: 将出现明暗相间的亮度不同且不等距的衍射条纹 3.薄膜干涉现象: 光照到薄膜上,山薄膜前、后表而反射的两列光波叠加而成.劈形薄膜T涉可产生平行相闾条纹,两列反射波的路程差△s,等于薄膜焯度的两倍,即△sa 单色光明喑相间条纹,彩色光fli现彩色条纹。 薄膜干涉应用: 肥皂膜干涉、两片玻璃间的空气膜干涉、浮在水诎上的油膜干涉、牛顿环、蝴蝶翅膀的颜色等。 光照到薄膜上,由膜的前后表而反射的两列光叠加。 看到膜上出现明暗相间的条纹。 (1)透镜增透膜(氟化镁): 透镜增透膜的厚度应是透射光汗薄膜屮波长的1/4倍。 光谱屮央部分的绿光对人的视觉最敏感,通过时完全抵消,边缘的红、紫光没有显著削弱。 所有增透膜的光学镜头呈现淡紫色。 (2)“用干涉法检查平面”: 如图所示,两板之间形成一层空气膜,用单色光从上向下照射,如果被检测平面是光滑的,得到的干涉阁样必是等间距的。 如果某处凸起來,则对应明纹(或暗纹)提前出现,如阌甲所示;如果某处凹下,则对应条纹延后出现,如图乙所示。 (注: “提前”与“延后”不是指在时间上,而是指由左向右的顺序位界上。 ) 4.光的波长、波速和频率的关系v=Xf。 光在不M介质中传播吋,其频率f不变,其波长x与光在介质中的波速v成正比.色光的颜色由频率决定,频率不变则色光的颜色也不变。 二、光的衍射。 1.光的衍射现象是光离开直线路径而绕到障碍物阴影里的现象. 单缝衍射: 中央明而亮的条纹,两侧对称排列强度减弱,间距变窄的条纹。 圆孔衍射: 明暗相间不等距的圆环,(与牛顿环有区别的) 2.泊松亮斑: 当光照到不透光的极小圆板上吋,在圆板的阴影中心出现的亮斑。 当形成泊松亮斑吋,圆板阴影的边缘是校糊的,在阴影外还有不等间距的明喑相间的圆环。 3.各种不同形状的障碍物都能使光发生衍射。 至使轮廓模糊不清, 4.产生明显衍射的条件: 小结: 光的干涉条纹和衍射条纹都是光波叠加的结果,但存在明显的区别: 单色光的衍射条纹与T•涉条纹都是明喑相M分布,但衍射条纹中间亮纹最宽,两侧条纹逐渐变窄变暗, 干涉条纹则是等间距,明喑亮度相同。 意义: ①干涉和衍射现象是波的特征: 证明光具有波动性。 >1大,干涉和衍射现明显,越容易观察到现象。 2衍射现象表明光沿直线传播只足近似规律,当光波长比障碍物小得多和情况下(条件)光冰可以看作直线传播。 (反之) 3在发生明显衍射的条件下,当窄缝变窄吋,亮斑的范围变人,条纹间距离变人,而亮度变喑。 三、光的偏振 只有横波才有偏振现象。 光的偏振也证明了光是一种波,而且是横波。 应用: 立体电影、照相机的镜头、消除车灯的眩光等。 四、麦克斯韦光的电磁说. 1、光的干涉与衍射充分地表明光是一种波,光的偏振现象又进一步表明光是横波。 (1)麦克斯韦握里了光在本质上是一种电磁波这就是所谓的光的电磁说。 赫兹用实验证实了光的电磁说的正确性。 光电磁说的意义: 祸示Y光的电磁本性,光足一定频率范网内的电磁波: 把光现象和电磁学统-起來,说明光与电和磁存在联系。 说明了光能在真空屮传播的原因: 电磁场本身就是物质,不需要别的介质来传递, ⑵电磁波谱: 按波长由人到小的顺序排列为: 无线屯波、红外线、可见光(七色)、紫外线、x射级、^射线, 电磁波种类 无线电波 红外线 可见光 紫外线 伦琴射线 Y射线 组成频率波 波长: 大>小波动性: 明显不明显 频率: 小)人子性: 小明品)明超 观察方法 无线电技术 利川热效应激发荧光利川贯穿本领 照相底片感光(化学效应) 核技术 各种电磁波 的产生机理 LC电路中自由 电子的的振荡 原子的外层电子受到激发 原子的内层电 子受到激发 原子核受到激 发 特性 波动性强 热效应 引起视觉 化学作用、荧 光效应、杀萌 贯穿作用强 贷穿本领最强 用途 通讯,广播, 导航 加热烘干、遥 测遥感,医疗, 导向等 照明,照相, 加热 曰光灯,黑光 灯乎术室杀菌 消毒,治疗皮 肤病等 检杏探测,透 视,治疗等 探测,治疗等 1从无线电波到Y射线,都是木质上相同的电磁波,它们的行服从同的波动规律。 2由于频率和波长不同,又表现出不同的特性: 波长大(频率小)干涉、衍射明显,波动性强。 (3)红外线、紫外线、X射线的性质及应用。 种类 产生 主要性质 应川举例 红外线 一切物休都能发出 热效应 遥感、遥控、加热 紫外线 一切高温物体能发出 化学效应 荧光、杀菌、合成vD2 X射线 阴极射线射到固体表而 穿透能力强 人体透视、金诚探伤 六..激光的主要特点及应用 (1)激光是人工产生的相丁-光,可应用于光纤通信。 普通光源发山的光是混合光,激光频率単一,相干性能好非常好,颜色特别纯。 (2)平行度和方向性非常好。 应用于激光测距雷达,可稍确测距(5=W2)、测速、E1标跟踪、激光光盘、激光致热切割、激光核骤变等。 (3)亮度高、能量大,应用于切割各种物质、打孔和焊接金属。 医学上用激光作“光刀”来做外科手术。 量子论初步(光的粒子性) 基础知识|一、光电效应 1.光电效应现象: 在光(包括不可见光)照射下物体发射出电子的现象叫光电效应现象; 所发射的电子叫光电子;光电子定向移动所形成的电流叫光电流。 2. 光电效应规律 (1)仔何一种金屌都有一个极限频率,入射光必须大于这个极限频率才能产生光电效应. (2)光电子的坡大初动能与入射光的强度(数H)无关,只随着入射光的频率增大而增大. (3)当入射光的频率大于极限频率时,保持频率不变,则光电流的强度与入射光的强度成正比. (4)从光照射到产生.光电流的时间不超过109s,几乎是瞬时的. 二、光子说 1.光子说却能很好地解释光电效应.光子说认为: (1)空间传播的光不是连续的,而是-•份一份的,每一份叫做一个光子.①光传播规律②光由能量子(光子)组成 (2)光子的能量跟它的频率成正比,即E=hy=hc/A(式中的h叫做普朗克恒量, 爱因斯坦利川光子说解释光电效应过程: (一个光子的能量只能被一个电子吸收,一对一关系) •••• (3)爱因斯坦光电效应方程: Ek=hr-w (£k是光电子的最大初动能;W是逸出功: 即豕命哗率即阜璋! S中的光电子克服正电荷引力所做的功) 说明: (1)光电效应现象足金屈中的自由电子吸收丫光子的能量后,其动能足以克服金属离子的引力而逃逸出金屈表凹,成为光子电子.不要将光子和光电子看成同一粒子. (2)对一定的金属来说,逸出功是一定的.照射光的频率越大,光子的能量越大,从金属中逸出的光电子的初动能就越大.如果入射粒子的频率较低,它的能贵小于金属的逸出功,就不能产生光电效应,这就是存在极限频率的原因. 本节总结: 要注意区分一些主要的概念: 光的强度、光子的能量、光电子的最大初动能、光电流的强度等. 入射光的强度足和光电流的强度联系若的,每秒发射的光子数决定丫每秒逸出的光电子数;入射光的频率足和光电子的敁大 初动能联系着的,每个光子的能量£=11¥。 决定了每个光电子的圾人初动能lmvm2.决定了每个光电子的扱大初动能 2 3.康普顿效应 因此康普顿效应也证明了光具有粒子性。 四、光的波粒二象性 (1)干涉、衍射和偏振表明光是一种波: 光电效应和康普顿效应表明光是-种粒子;现代物理学认为光具有波粒二象性。 (2)大量光子的传播规律体现为波动性;频率低、波长长的光,其波动性越显著. (3)个别光子、与物质作用时体现为粒子性;频率越髙、波长越短的光,其粒子性越显著. (4)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;光既具冇波动性,又具冇粒子性, 为说明光的一切行为,只能说光具有波粒二象性. 说明: 光的波粒二象性可作如下解释: 说波是一种概率波,对大量光子才有意义。 说粒子,是指其不连续性,是一份能量。 (1)既不可把光当成宏观观念屮的波,也不可把光当成微观观念屮的粒子. (2)大ft光子产生的效果往往显示出波动性,个别光子产生的效果往往显示出粒子性; 频率超低的光波动性越明敁,频率越髙的光粒子性越明敁. (3)光在传播过程屮往往显示波动性,在与物质作用吋往往显示粒子性. (4)由光子的能景£=///,光子的动莆p=■看出,光的波动性和粒子性并不矛盾: 2 表示粒子性的能呈和动量的计算式屮都含宥表示波的特征的物理呈一一频率Y、波长入 (5)由以上两式和波速公式A)/还可以得出: E=pc (6)对干i步现象理.解: ①对亮条纹的解释: 波动说: M频率的两列波到达亮纹处振动情况和M: 粒了•说: 光了•到达的几率大的地方。 ②对喑条纹的解释: 波动说: 同频率的两列波到达喑纹振动情况相反: 粒子说: 光子到达的几率小的地方。 五、物质波(德布罗意波) 物质波(德布罗意波)的概念: 任何一个运动着的物体都有一种波与它对应,该波的波长A=h/p。 人们乂把这种波叫做德布罗意波。 物质波也是概率波。 六、.氢原子中的电子云 用疏密不同的点子表示电子在各个位置出现的概率,画出图來,就像一片云雾一样,可以形象地称之为电子云。 七、能级 卢瑟福提出的原子的核式结构校型。 认为电子绕核做圆周运动,好比地球绕太阳做圆周运动。 研究表明: 玻尔的原子模型(引入量子理论,量子化就是不连续性,整数《叫量子数)玻尔补充三条假没 1能量定态假设: ----原子只能处于一系列不连续的能莆状态(称为定态)屮,在这些状态屮原子是稳定的,电子虽然绕核 运动,但并不句外辐射能景,这些状态叫定态。 (本假设是针对原子稳定性提出的) 理解要点: 即不同的轨道对应着不同的能量状态,这些状态中原子是稳定的,不向外辐射能量. 说明: 这一说法和事实是符合得很好的,电子并没有被库仑力吸引到核上,就像行星绕着太阳运动一样。 这迅所说的定态是指原子可能的一种能量状态,有某一数值的能量,这些能量包含了电子的动能和电势能的总和。 2原子跃迁假设: ----原子从一种定态跃迁到另一种定态,要辐射(或吸收/-定频率的光子(艿能萤由W定态的能萤差决定) (本假设针对线状谱提出)(/? ! /=£初一£终)辐射(吸收)光子的能量为hf=E^E^ 原子在不同的状态具有不同的能量,从一个定态向另一个定态跃迁时要辐射或吸收一定频率的光子,该光子的能量,等于这两个状态的能级差. 3轨道、能量量子化假设: ----定态不连续,能蛍和轨道也不连续;(即原子的不同能量状态跟屯子沿不同的岡形轨道绕核运动相对应,原子的定态是不连续的,W此电子所处的可能轨道的分布也是不连续的。 (针对原子核式模型提出,是能级假设的补充)即轨道是量子化的,只能是某些分立的值. 对氢原子的激发态和基态的能觉(最小)与核外电子轨道半径间的关系足: 轨道量子化rn=^2^i(n=l,2.3--)ri=0.53X10'10m E,=-13.6eV 这些能镦值叫能级.能埴最低的状态(馈子数《=i)叫杜态,其他状态叫激发态。 fli据玻尔理论rt出了氢原+的能级图。 本节总结: 玻尔的垛子模型足把卢瑟福的学说和笊子理论结合,以原子的稳定性和原子的明线光谱作为实验基础而提出的。 认识玻尔理论的关键是从“不连续”的观点理解电子的可能轨道和能S: 状态、 玻尔理论对氢光谱的解释是成功的,但对其他光谱的解释就出现丫较人的闲难,显然玻尔理论冇一定的局限性。 2.光子的发射和接收: 原子处于基态时敁稳定。 处于激发态时会A发地向较低能级跃迁,经过一次或儿次跃迁到达基态。 跃迁吋以光子的形式放出能《。 所放出光子的频率满足: 々y=EnCEn原子吸收了光子后从低能级跃迁到岛能级,或者被电离。 处于基态或较低激发态的原子只能吸收两种光子: 一种是能量满足/f-£。 的光子,一种是能量大于该能级电离能的光子。 规律方璃1.正确理解光电效应规律2.应用光子说解决实际问题 3.氢原子跃迁及光谱线的计算 (1)从高能级向低能级跃迂时放出光子;从低能级向高能级跃迂时可能是吸收光子,也可能是由于碰撞。 (2)原子从低能级向高能级跃迁吋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觉大于或等于电离能的任 •• 何频率的光子。 (如在基态,可以吸收f>13.6eV的任何光子,所吸收的能M除川于电离外,都转化为电子的动能)。 4.氢原子跃迁的能量规律: 核外电子绕核旋转可看作是以原子核为屮心的匀速圆周运动,其向心力由核的库仑引力提供. 总能量: En=E^E? fl£1=-一13.6eV 原子核 基础知识I一、原子的核式结构模型 1、汤姆生的“枣糕”模型 (1)1897年汤姆生发现了电子,使人们认识到原子有复杂结构,揭开了研宄原子的序幕. 攀攀 (2)“枣糕”模型: 2、卢瑟福的核式结构模型1909〜1911年,英国物理学家卢琴福和他的助手们进行了《粒子散射实验 (1)实验装置如图所示: 用a粒子轰击金筘,由于金原子屮的带电微粒对a粒子宥库仓力作用,一些a粒子穿过金箔后改变丫运动方向,这种现象叫做u粒子散射. 荧光屝可以沿着图中虚线转动,用來统计向不同方向散射的粒子数目.全部设备装在真空中. (2)a粒子散射实验结果: 绝大多数《粒子穿过金箔后基本上仍沿原来的方向前进,但宥少数a粒子发生了较大的偏转.,极少数偏转角超过90'冇的其至被弹回,偏转角几乎达到180°. (3)现象解释: 认为原+屮的全部正电荷和几乎所冇质最都集屮到•一个很小的核上,巾T•核很小,大部分a粒+穿过金箔时都离核很远,受到的库仑力很小,它们的运动儿乎不受影响.只冇少数a粒子从殷子核附近飞过,明品受到原子核的庳仑力而发生大州度偏转. 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里绕着核旋转. 原子核所带的单位正屯荷数等于核外的电子数,所以整个原子是呈电屮性的.电子绕若核旋转所需的向心力就是核对它的库仑引力.[说明]核式结构模型的实验基础足a粒子敗射实验,原子核是多么小,原子内部是多么“空”. 从a粒子散射的实验数据,估计原子核半径的数量级为10%〜10l5m,而原子半径的数量级是 二、天然放射性现象 1.放射性现象: W克勒耳发现天然放射现象,使人们认识到原子核也冇复杂结构,祸开丫人类研究原子核结构的序幕.通 參參參 过对天然放射现象的研究,人们发现原子序数大于83的所有天然存在的元素都有放射性,原子序数小于83的天然存在的元素有些也具有放射性,它们放射出来的射线共宥三种: a射线、P射线、Y射线. 2、三种射线的本质和特性比较 1a射线: 是氦核(>k)流,速度约为光速的十分之一,在空气屮射程儿厘米,贯穿本领小,电离作用强. 2P射线: 是商速的电子流,速度约为光速十分之儿,穿透本领较大,能穿透儿毫米的铝板,电离作用较弱. 3Y射线: 是商能光子流,波长极短的电磁波,贯穿本领强,能穿透儿厘米铅板,电离作用小. [说明]放射性元素冇的原子核放flia射线,冇的放flil3射线,多余的能呈以Y光子的形式射fli. 种类 木质 电离性 贯穿性 a射线 氦核 最强 最弱,纸能挡住 P射线 电子 较强 较强,穿儿mm铝板 Y射线 光子 最弱 最强,穿几cm铅版 XXX X X X X X X X X X X X X Lx、 / (3) 三种射线在匀强磁场、匀强电场、正交电场和磁场中的偏转情况比较: 3、原子核的衰变 定义: 放射性元素的原子核由子放出某种粒子而转变力新核的变化称力袞变.衰变规律: 电荷数和质量数都守 (1)a衰变的一般A程: +$He•毎发生一次ci衰变,新元素与原元素相比较,核电荷数减小2,质虽数减少4.a衰变的实质: 坫某元素的原子核问时放出由两个质子和两个巾子组成的粒子(即氦核).(核内2|1"+2>4: 价) (2)e衰变的一般方程: -z+4,r+4c.每发虫一次p袞变,新元岽与原元索相比较,核电荷数增加1,质适数不变. P衰变的实质: 楚元素的原子核内的一个中子变成质子时放射出一个电子.(核内>—>++p衰变: (3)Y射线是伴随U衮变或P衮变同时产生的、Y射线不改变原子核的电行数和质最数. Y射线实质: 处放射性原了•核在发生《衰变或P衰变时,产生的菜些新核由于貝•存过多的能带(核处于激发态)而辐射出光了•. (4)半衰期 定义: 放射性元尜的原子核有半数发生袞变盂耍的吋间,叫这种元尜的半袞期.(对大量原子核的统计规律) 用希腊字母丁表示公式: r»m]z=r [说明]⑴半哀期山放射性元索的原子核内部本身的囚索决定的,跟原子所处的物观状态(如扭强、温度等)或化学状态(如中•质成化含物)无关. (2)半袋期只对大萤原子核袋变才耔意义,因为放射性元素的僉变规俅是统计规俅,对少数原子核袞变不再起作川. 3.原子核的人工转变核能 1.原子核的组成: 质了•和屮•了•组成原了•核。 质了•和屮•了•统称为核了% 原子核的质杂数等于其核子数,原子核的电荷数等于其质子数,原了•核的中子数N等于其质萤数A与电荷数Z之差,即N=A—Z。 质子质量=1.007277u=1.6725X10_27kg;中子质量=1.008665u=l.6748X10~27kg具有相M的质子数、不M的屮子数的原子核互称为M位素. 2.原子核的人工转变及其三大发现 原子核的人丁.耗•变: 用人工方法使一种原子核变成另一种原子核的变化.用高能粒子轰击靶核,产生另一种新核的反应过程, 反应方程++式中是靶核的符号,义为入射粒子的符号,fy是新生核符号,: V足放射出的粒子的符号。 11919卢瑟福发现质子: ^N+^Ie-^O+llI 21932年查德威克发现中子: Be+2He-*,26C+*n ③1934年约里奥居里夫妇发现放射性同位索和正电子^A1+lIleI5p+On15I4si++ie(其中,放肘性冋位东•,%为正Hi子.) 3.放射性同位素的应用 ⑴利用其射线: ⑵作为示踪原子。 ⑶进行考古研宄。 4.核力与核能 1.核力: 原子核的半径很小,其中的质子之间的库仑力很大,受到这么火的库仑斥力却能是稳定状态,一定还冇W外一种力把各核子紧紧地拉在一起.这种力叫做核力(很强的短程力) ①核力是很强的力②核力作用范围小只在2.0X1015m短距离内起作用③每个核子只跟它相邻的核子间才有核力作用 2.核能 (1)结合能: 核子结合成原子核时放出一定的能呈,原子核分解成核子时吸收一定能《,这种能ft叫结合能. (2)质量亏损: 核子结合生成原子核,所生成的原子核的质S比生成它的核子的总质最耍小幽,这种现象叫做质最亏损。 也可以认力.在核反应中,参加核反应的总质贯m和核反应识生.成的核总质觉m之差: Am=m—in (3)爱因斯坦质能方程: 爱因斯W•的相对论指出: 鲫呼叩哮單呼寧單《呼疗•年苹傘切叩琴早, 它们的关系是: E=mc\这就是爱因斯坦的质能方程。 质能方程的另一个表达形式是: [说明]质能方程告诉我们质虽和能虽之间存在卷简单的iE比尖系.物体的能链增人了,质虽也增人了: 能垣减小了,质虽也减小. (4)核能计算: 1应川公式AE=Ame2吋应选用国妳単位,即AEM的单位力J,Am的単•位力kg,C的单•位力m/s. 2lu相当于931.5MeV,其中u为原子质量单位: lu=l.660566X10'27kg,lMev=106ev,leV=l.6X1019J 3应用公式AE=931.5Am时,AE的申.位为兆电子伏(MeV),Am的单位为原子质量单位. 5.重核的裂变与轻核的聚变 1.重核的裂变(原子弹、核电站的原理) ①所谓重核即为质景数很大的原子核.裂变方程式例雖: 4: Sr++ 2巫核俘获一个屮子后分裂为两个或儿个屮等质虽数的坡子核的反应过程叫巫核的裂变。 在裂变的同时,还会放出几个屮子和大垣能 铀235裂变时,同时放出2—3个
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