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1、 原子物理知识体系一、光的波粒二象1.黑体辐射理论热辐射：一切物体都在辐射电磁波，辐射与物体的温度有关。黑体：能够完全吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射。能量子：普朗克认为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。当带电微粒辐射或吸收能量时，也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。，h为普朗克常量，是电磁波的频率。黑体辐射的实验规律：如图所示，由图可知：随着温度的升高，各种波长的辐射强度都会增加；辐射强度的极大值向波长较短的方向移动。 2.光的粒子性光电效应定义：照射到金属表面的光，能使金属中的电子从表面逸出的现象叫做光电效应。逸出的电子叫
2、光电子。实验规律：存在饱和光电流、遏止电压和截止频率，光电效应具有瞬时性。爱因斯坦光电效应方程光子说：光本身就是由一个个不可分割的能量子组成的，频率为的每个光子的能量为，这些能量子为光子。逸出功（）：使电子脱离某金属表面所做的功的最小值。数学表达式：康普顿效应在散射光中，波长变长的现象。注意：光电效应和康普顿效应揭示了光的粒子性。3.光电效应实验规律（特别重要） 电路图如图所示： （1）存在饱和光电流 在光照不变时，所加电压增大，光电流增大、当电流增大到一定值时，即使电压再增大，电流也不再增大，达到一个饱和值。如图所示。入射光越强，饱和光电流越大，说明入射光越强，单位时间内发射光电子数越多。
3、（2）存在着遏止电压和截止频率 使光电流减小到零的反向电压称为遏止电压。，为光电子的最大初速度，同一频率的光，遏止电压相同，与光强弱无关。入射光的频率减小到某一值时，减小到零，即不施加反向电压也没有光电流，称为截止频率或极限频率。 光电子的能量与入射光的频率有关，而与入射光的强弱无关。当入射光的频率低于截止频率时不能发生光电效应，不同金属的截止频率不同。 （3）光电效应具有瞬时性 当时，无论光多微弱，也会产生光电效应，光电子的发射时间不超过s。光电效应中的重要结论 经典电磁理论只能解释：光越强，光电流越大。 按照光的经典电磁理论，还应得出如下结论： 光越强，光电子的初动能应该越大，所以遏止电压
4、应与光的强弱有关； 不管光的频率如何，只要光足够强，电子都可获得足够能量从而逸出金属表面，不应存在截止频率； 如果光很弱，按经典电磁理论估算，电子需几分钟到十几分钟的时间才能获得逸出表面所需的能量，这个时间远远大于s，所有这些结论都与实验结果相矛盾。此外，对于遏止电压与光的频率的关系，经典电磁理论更是无法解释。4.光的粒子性光子说很好地解释了光电效应的规律 （1）爱因斯坦光电效应方程表明，光电子的初动能与入射光的频率成线性关系，与光强无关。只有当时，才有光电子逸出，就是光电效应的截止频率。 （2）电子一次性吸收光子的全部能量，不需要积累能量的时间，光电流几乎是瞬时发生的。 （3）光强较大时，包
5、含的光子数较多，照射金属时产生的光电子数越多，因而饱和电流越大。光子说十分成功地解释了康普顿效应 X射线的光子不仅具有能量，也具有动量，与晶体中的电子碰撞，要遵守能量和动量守恒定律。当入射的光子与电子碰撞时，损失一部分动量给电子，动量变小，由，变大，所以散射光中有些光子波长变大。如图所示。 5.光的波粒二象性和物质波光的波粒二象性：光既具有波动性，又具有粒子性。物质波： 实物粒子（如电子、质子等）也具有波动性。频率，波长。概率波：光波是一种概率波。光子落在明纹处的概率大，落在暗纹处的概率小。个别光子表现出粒子性，大量光子表现出波动性。不确定性：，h为普朗克常量，表示粒子位置的不确定量，表示粒子
6、在x方向上的动量的不确定量。光的本性学说发展史上的五个学说（了解） （1）牛顿的微粒说：认为光是高速粒子流。它能解释光的直进现象、光的反射现象。 （2）惠更斯的波动说：认为光是某种振动，以波的形式向周围传播。它能解释光的干涉和衍射现象。 （3）麦克斯韦的电磁说：认为光是电磁波。实验依据是赫兹实验证明了光与电磁波在真空中传播速度相等且均为横波。 （4）爱因斯坦的光子说：认为光的传播是一份一份的，每一份叫一个光子，其能量与它的频率成正比，即。光子说能成功地解释光电效应现象。 （5）德布罗意的波粒二象性学说：认为光是既有粒子性，又有波动性。个别光子表现为粒子性，大量光子的行为表现为波动性；频率大的光
7、子粒子性明显，而频率小的光子波动性明显。二、原子结构1.电子的发现阴极射线的发现：19世纪，科学家研究稀薄气体放电，发现阴极发出一种射线阴极射线。电子的发现：汤姆孙确定阴极射线是由带负电的粒子组成，并测定出它的荷质比，之后用油滴实验测定了它的电量，确定它是组成各种物质的基本成分，称之为电子。电子的发现说明原子也是有结构的。2.原子的核式结构模型 粒子散射实验 （1）实验装置 （2）实验条件：金属箔是由重金属原子组成，很薄，厚度接近单原子的直径。全部设备装在真空环境中，因为粒子很容易使气体电离，在空气中只能前进几厘米。显微镜可在底盘上旋转，可在的范围内进行观察。 （3）实验现象 绝大多数粒子穿过
8、金箔后仍沿原方向前进，少数粒子发生较大偏转，个别粒子偏转超过了有的甚至近。 （4）实验结论 原子有一个很小的核，它集中了原子的全部正电荷和几乎全部质量，电子绕核运转。这就是卢瑟福原子核式结构模型。 根据粒子散射实验的数据，可以估算原子核的大小为m。粒子散射现象的分析 （1）由于电子质量远远小于粒子的质量（电子质量约为粒子质量的1/7 300），即使粒子碰到电子，其运动方向也不会发生明显偏转，就像一颗飞行的子弹碰到尘埃一样，所以电子不可能使粒子发生大角度的散射。 （2）使粒子发生大角度散射的只能是原子核带正电的部分，按照汤姆孙的原子模型，正电荷在原子内是均匀分布的，粒子穿过原子时，它受到两侧正电
9、荷的斥力有相当大一部分互相抵消，因而也不可能使粒子发生大角度偏转，更不可能把粒子反向弹回，这与粒子散射实验的结果相矛盾，从而否定了汤姆孙的原子模型。 （3）实验中，粒子绝大多数不发生偏转，少数发生较大的偏转，极少数偏转，个别甚至被弹回，都说明原子中绝大部分是空的，带正电的物质只能集中在一个很小的体积内（原子核）。粒子散射的实质 粒子散射的实质是带正电荷的粒子向固定的正电粒子靠近，由于斥力的作用，使粒子偏转，此过程中，开始电场力做负功，电势能增加，后来电场力做正功，电势能减小。3氢原子光谱 （1）氢光谱：如图所示。 （2）氢原子光谱的实验规律 巴耳末系是氢光谱在可见光区的谱线，其波长公式式中 R
10、为里德伯常量，。4.氢原子的能级和能级图 原子各定态的能量值叫做原子的能级，能级图如图所示。 对于氢原子，其能级公式为，轨道半径公式为，其中n称为量子数，只能取正整数。 13.6eV，。相邻横线间的距离，表示相邻的能级差，量子数越大，相邻的能级差越小。5.氢原子的跃迁及电离 （1）氢原子受激发由低能级向高能级跃迁 当光子作用使原子发生跃迁时，只有光子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。 当用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。 如果光子或实物粒子与原子作用而使原子电离（绕核电子脱离原子的束缚
11、而成为“自由电子”，即的状态）时，不受跃迁条件限制，只不过入射光子能量越大，原子电离后产生的自由电子的动能越大。 （2）氢原子自发辐射由高能级向低能级跃迁 当一群氢原子处于量子数为n的激发态时，可能辐射出的光谱线条数为 当单个氢原子处于某个能级向低能级跃迁时，最多可能产生(n一1)个频率的光子。三、 原子核1.天然放射现象原子核的组成：原子核由质子和中子组成，质子与中子统称核子。天然放射现象：物质放射出射线、射线、射线的性质叫放射性；具有放射性的元素，叫放射性元三种射线的性质（特别重要）实质速度电离作用穿透能力衰变方程射线氦核流约为光速的十分之一很强很弱射线电子流约为光速的十分之几较弱很强射线
12、电磁波光速很弱最强伴随和射线产生研究放射线的方法 2.原子核的衰变、半衰期 原子核由于放射出射线、射线、射线而转变为新核的变化叫做原子核的衰变。放射性元素的原子核有半数发生衰变需要的时间叫半衰期。 半衰期是反映衰变快慢的物理量，其长短由核内因素决定，与原子所处的物理状态或化学状态无关。衰变规律可用公式或表示。式中的、表示元素在t=0时的原子核数、质量，为半衰期，N、m表示这种元素的原子核在经过时间t后尚未衰变的原子核数与质量。 半衰期是一个对放射性元素的大量原子核而言的统计概念，对个别原子核来说没有什么意义，因此上述两式也只适用于大量原子核。3.放射性同位素 具有放射性的同位素叫做放射性同位素
13、。放射性同位素有天然和人造两种。 放射性同位素的应用 （1）利用它放射出的射线 利用射线来检查金属内部有没有砂眼和裂纹； 利用射线的电离作用消除静电积累，防止静电产生的危害； 利用射线对生物组织的物理、化学效应，使种子发生变异，培育优良品种； 利用放射线的能量，轰击原子核实现原子核的人工转变； 在医疗上，常用以控制病变组织的扩大。 （2）作为示踪原子 把放射性同位素的原子搀到其他物质中去，让它们一起运动、迁移，再用放射性探测仪器进行追踪，就可知道放射性原子通过什么路径，运动到哪里了，是怎样分布的等。我们把做这种用途的放射性同位素叫做示踪原子。 在工业上可用示踪原子检查地下输油管道的漏油情况；
14、在农业生产中，可用示踪原子确定植物在生长过程中所需的肥料和合适的施肥时间； 在医学上，可用示踪原子帮助确定肿瘤的部位和范围； 在生物科学研究方面，放射性同位素示踪法在生物化学和分子生物学领域应用极为广泛。它为揭示体内和细胞内变化过程的秘密，阐明生命活动的物质基础起了极其重要的作用，使生物化学从静态进入动态，从细胞进入分子水平，阐明了一系列重大问题。使人类对生命基本现象的认识开辟了一条新的途径。4.原子核衰变规律（特别重要）衰变类型衰变方程衰变实质衰变规律衰变2个质子和2个中子结合成一个整体射出电荷数守恒、质量数守恒衰变中子转化为质子和电子理解：（1）射线是伴随着衰变和衰变同时产生的，放出射线不改变原子核的质量数和电荷数，其实质是放射性原子核在发生衰变或衰变时，产生的某些新核，由于具有过多的能量（核处于激发态）而辐射出光子。 （2）当放射性物质发生连续衰变时，原子核中有的发生衰变，有的发生衰变，同时伴随辐射，这时就同时具有三种射线。 （3）核反应中一般会发生质量变化，但仍然遵循质量数守恒。5.物理学史上的几个核反应方程 （1）发现质子的核反应方程（第一次实现原子核的人工转变）：
