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1、- 1 -十九、近代物理原子物理原子结构 原子核的组成电子的发现（1897） 粒子散射（1909） 核式结构与经典 汤姆生“蛋糕式” 卢瑟福核式结构 电磁理论的矛盾 核反应原子结构模型 模型（1911） 波尔原子理论氢原子能级公式 天然衰变 人工转变 重核裂变 轻核聚变 衰变 质子、中子 核反应堆 热核反应21nE 衰变 的发现1r半衰期 核能表示放射性元素 E= mc 2衰变的快慢一、原子结构：1、电子的发现和汤姆生的原子模型：（1）电子的发现：1897 年英国物理学家汤姆生，对阴极射线进行了一系列的研究，从而发现了电子。电子的发现表明：原子存在精细结构，从而打破了原子不可再分的观念。（2）
2、汤姆生的原子模型：1903 年汤姆生设想原子是一个带电小球，它的正电荷均匀分布在整个球体内，而带负电的电子镶嵌在正电荷中。2、 粒子散射实验和原子核结构模型（1） 粒子散射实验：1909 年，卢瑟福及助手盖革手吗斯顿完成装置：一、知识网络二、画龙点睛概念- 2 - 现象：a. 绝大多数 粒子穿过金箔后，仍沿原来方向运动，不发生偏转。b. 有少数 粒子发生较大角度的偏转c. 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。（2）原子的核式结构模型：由于 粒子的质量是电子质量的七千多倍，所以电子不会使 粒子运动方向发生明显的改变，只有原子中的正电荷才有可能对 粒子的
3、运动产生明显的影响。如果正电荷在原子中的分布，像汤姆生模型那模均匀分布，穿过金箔的 粒了所受正电荷的作用力在各方向平衡， 粒了运动将不发生明显改变。散射实验现象证明，原子中正电荷不是均匀分布在原子中的。1911 年，卢瑟福通过对 粒子散射实验的分析计算提出原子核式结构模型：在原子中心存在一个很小的核，称为原子核，原子核集中了原子所有正电荷和几乎全部的质量，带负电荷的电子在核外空间绕核旋转。原子核半径小于 10-14m，原子轨道半径约 10-10m。3、玻尔的原子模型（1）原子核式结构模型与经典电磁理论的矛盾（两方面）a. 电子绕核作圆周运动是加速运动，按照经典理论，加速运动的电荷，要不断地向周
4、围发射电磁波，电子的能量就要不断减少，最后电子要落到原子核上，这与原子通常是稳定的事实相矛盾。b. 电子绕核旋转时辐射电磁波的频率应等于电子绕核旋转的频率，随着旋转轨道的连续变小，电子辐射的电磁波的频率也应是连续变化，因此按照这种推理原子光谱应是连续光谱，这种原子光谱是线状光谱事实相矛盾。（2）玻尔理论上述两个矛盾说明，经典电磁理论已不适用原子系统，玻尔从光谱学成就得到启发，利用普朗克的能量量了化的概念，提了三个假设：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，电子虽然做加速运动，但并不向外在辐射能量，这些状态叫定态。跃迁假设：原子从一个定态（设能量为 E2）跃迁
5、到另一定态（设能量为 E1）时，它辐射成吸收一定频率的光子，光子的能量由这两个定态的能量差决定，即 hv=E2-E1轨道量子化假设，原子的不同能量状态，跟电子不同的运行轨道相对应。原子的能量不连续因而电子可能轨道的分布也是不连续的。即轨道半径跟电子动量 mv 的乘积等于 h/2的整数倍，即：轨道半径跟电了动量 mv 的乘积等于 h/ 的整数倍，即 mvrnh2123、 、 n 为正整数，称量数数（3）玻尔的氢子模型：- 3 -氢原子的能级公式和轨道半径公式：玻尔在三条假设基础上，利用经典电磁理论和牛顿力学，计算出氢原子核外电子的各条可能轨道的半径，以及电子在各条轨道上运行时原子的能量， （包括
6、电子的动能和原子的热能。 ）氢原子中电子在第几条可能轨道上运动时，氢原子的能量 En，和电子轨道半径 rn 分别为：Enr123、 、 其中 E1、r 1 为离核最近的第一条轨道（即 n=1）的氢原子能量和轨道半径。即：E1=13.6 ev, r1=0.5310-10m(以电子距原子核无穷远时电势能为零计算)氢原子的能级图：氢原子的各个定态的能量值，叫氢原子的能级。按能量的大小用图开像的表示出来即能级图。其中 n=1 的定态称为基态。n=2 以上的定态，称为激发态。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
7、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。例题： 用 光 子 能 量 为 E 的 单 色 光 照 射 容 器 中 处 于 基 态 的 氢 原 子 。 停 止 照 射 后 ， 发 现 该 容 器 内 的氢 能 够 释 放 出 三 种 不 同 频 率 的 光 子 ， 它 们 的 频 率 由 低 到 高 依 次 为 1、 2、 3， 由 此 可 知 ， 开始 用 来 照 射 容 器 的 单 色 光 的 光 子 能 量 可 以 表 示 为 ： h 1； h 3； h( 1+ 2)； h( 1+ 2+ 3) 以 上 表 示 式 中 A.只有 正确 B.只有正确
8、C.只有正确 D.只有正确 解析：该容器内的氢能够释放出三种不同频率的光子，说明这时氢原子处于第三能级。根据玻尔理论应该有 h 3=E3- E1，h 1=E3- E2，h 2=E2- E1，可见 h 3= h 1+ h 2= h( 1+ 2)，所以照射光子能量可以表示为或，答案选 C。例题：氢原子处于基态时能量为 ，电子的质量为 m，电量为 ，试回答下列e16.ve问题：（1）用氢原子从 的能量状态跃迁到 的能量状态时所辐射的光去照射逸出功n3n2是 的 Cs 金属，能否发生光电效应？309.J（2）氢原子处于 时，核外电子速度多大？5（3）氢原子吸收波长为 的紫外线而电离，使电子从基态飞到离
9、核无限远处，0617.m设原子核静止，则电子飞到离核无限远处后，还具有多大的动能？解析：（1）氢原子从 跃迁到 能量状态放出能量n32EEeJJ321 19198645700.v大 于 铯 金 属 逸 出 功 ， 即321 3 2 1- 4 -能发生光电效应（2） Rnr521而库仑力为向心力，即kermv25251（3）根据能量守恒，光子的能量 一部分用于使氢原子电离，余下的为飞出后电子的hc动能，即： hcEmvvJ 122 387 13136013600. .4、光谱和光谱分析炽热的固体、液体和高压气体发出的光形成连续光谱。稀薄气体发光形成线状谱（又叫明线光谱、原子光谱）。根据玻尔理论，
10、不同原子的结构不同，能级不同，可能辐射的光子就有不同的波长。所以每种原子都有自己特定的线状谱，因此这些谱线也叫元素的特征谱线。根据光谱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。只要某种元素在物质中的含量达到 10-10g，就可以从光谱中发现它的特征谱线。5、氢原子中的电子云对于宏观质点，只要知道它在某一时刻的位置和速度以及受力情况，就可以应用牛顿定律确定该质点运动的轨道，算出它在以后任意时刻的位置和速度。对电子等微观粒子，牛顿定律已不再适用，因此不能用确定的坐标描述它们在原子中的位置。玻尔理论中说的“电子轨道”实际上也是没有意义的。更加彻底的量子理论认
11、为，我们只能知道电子在原子核附近各点出现的概率的大小。在不同的能量状态下，电子在各个位置出现的概率是不同的。如果用疏密不同的点子表示电子在各个位置出现的概率，画出图来，就像一片云雾一样，可以形象地称之为电子云。6、激光的特性及其应用普通光源（如白炽灯）发光时，灯丝中的每个原子在什么时候发光，原子在哪两个能级间跃迁，发出的光向哪个方向传播，都是不确定的。激光是同种原子在同样的两个能级间发生跃迁生成的，其特性是：是相干光。（由于是相干光，所以和无线电波一样可以调制，因此可以用来传递信息。光纤通信就是激光和光- 5 -导纤维结合的产物。）平行度好。（传播很远距离之后仍能保持一定强度，因此可以用来精确
12、测距。激光雷达不仅能测距，还能根据多普勒效应测出目标的速度，对目标进行跟踪。还能用于在 VCD 或计算机光盘上读写数据。） 亮度高。能在极小的空间和极短的时间内集中很大的能量。（可以用来切割各种物质，焊接金属，在硬材料上打孔，利用激光作为手术刀切开皮肤做手术，焊接视网膜。利用激光产生的高温高压引起核聚变。）7、粒子物理学到 19 世纪末，人们认识到物质由分子组成，分子由原子组成，原子由原子核和电子组成，原子核由质子和中子组成。20 世纪 30 年代以来，人们认识了正电子、 子、K 介子、 介子等粒子。后来又发现了各种粒子的反粒子（质量相同而电荷及其它一些物理量相反） 。现在已经发现的粒子达 4
13、00 多种，形成了粒子物理学。按照粒子物理理论，可以将粒子分成三大类：媒介子、轻子和强子，其中强子是由更基本的粒子夸克组成。从目前的观点看，媒介子、轻子和夸克是没有内部结构的“点状”粒子。用粒子物理学可以较好地解释宇宙的演化。二、原子核1、天然放射现象（1）天然放射现象的发现： 1896 年法国物理学，贝克勒耳发现铀或铀矿石能放射出某种人眼看不见的射线。这种射线可穿透黑纸而使照相底片感光。放射性：物质能发射出上述射线的性质称放射性放射性元素：具有放射性的元素称放射性元素天然放射现象：某种元素白发地放射射线的现象，叫天然放射现象天然放射现象：表明原子核存在精细结构，是可以再分的（2）放射线的成份
14、和性质：用电场和磁场来研究放射性元素射出的射线，在电场中轨迹，如图(1) 各种放射线的性质比较种 类 本 质 质 量 （ u） 电 荷 （ e） 速 度 （ c） 电离性 贯穿性 射线 氦核 4 +2 0.1 最强 最弱，纸能挡住 射线 电子 1/1840 -1 0.99 较强 较强，穿几 mm 铝板 射线 光子 0 0 1 最弱 最强，穿几 cm 铅版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：如、图所示，在匀强磁场和匀强电场中都是 比 的偏转大， 不偏转；区别是：在磁场中偏转轨迹是圆弧，在电场中偏转轨迹是抛物线。图中 肯定打在 O 点；如果 也打在 O 点，则 必打在 O
15、 点下方；如果 也打在 O 点，则 必打在 O 点下方。例题：如图所示，铅盒 A 中装有天然放射性物质，放射线从其右端小孔中水平向右射出，在小孔和荧光屏之间有垂直于纸面向里的匀强磁场，则下列说法中正确的有 A.打在图中 a、b、c 三点的依次是 射线、 射线和 射线Aabc O- 6 -B. 射线和 射线的轨迹是抛物线C. 射线和 射线的轨迹是圆弧 D.如果在铅盒和荧光屏间再加一竖直向下的匀强电场，则屏上的亮斑可能只剩下 b解析：由左手定则可知粒子向右射出后，在匀强磁场中 粒子受的洛伦兹力向上， 粒子受的洛伦兹力向下，轨迹都是圆弧。由于 粒子速度约是光速的 1/10，而 粒子速度接近光速，所以在同样的混合场中不可能都
