高中物理第2輪復(fù)習(xí) 專題5 第4講 量子論初步和原子核課件1

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1、 一、光的波粒二象性一、光的波粒二象性 1光電效應(yīng) a現(xiàn)象：現(xiàn)象：金屬在光照射下發(fā)射光電子 b規(guī)律規(guī)律 (1)每種金屬都具有發(fā)生光電效應(yīng)的極限頻率 (2)光電效應(yīng)的產(chǎn)生幾乎是瞬間的 (3)光電子的最大初動(dòng)能與入射光的強(qiáng)度無關(guān)，隨入射光的頻率增大而增大 (4)飽和光電流與入射光強(qiáng)度成正比 2光具有波粒二象性 個(gè)體光子的行為表現(xiàn)出粒子性，大量光子表現(xiàn)出波動(dòng)性頻率越高的光，粒子性越強(qiáng)；頻率越低的光，波動(dòng)性越強(qiáng)光的能量是不連續(xù)的，每一份即為一個(gè)光子，能量E=h .光是一種概率波k234 c(1)26.63 10J s.EhWmvhWWhh愛因斯坦光電效應(yīng)方程：或其中為金屬的逸出功， 為普朗克常量，注意

2、：逸出功是使金屬表面的電子克服原子核的束縛需要做的功，它由金屬本身決定，與入射光的頻率無關(guān) 二、原子的核式結(jié)構(gòu)二、原子的核式結(jié)構(gòu) 1盧瑟福的a粒子散射實(shí)驗(yàn)是原子核式結(jié)構(gòu)學(xué)說的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ) 2原子核式結(jié)構(gòu)學(xué)說 3 hp任何一個(gè)運(yùn)動(dòng)著的物體，都有一種波與它對(duì)應(yīng)，波長(zhǎng)，這種波就叫物質(zhì)波，也叫德布羅意波，電子束也能發(fā)生衍射，從而證明了物質(zhì)波確物質(zhì)波：實(shí)存在 原子的中心有一個(gè)很小的核叫原子核，它集中了原子內(nèi)所有的正電荷和幾乎全部的質(zhì)量，電子在核外空間運(yùn)動(dòng) 三、玻爾原子模型和能級(jí)三、玻爾原子模型和能級(jí)2112 (1 2 3) 12(1 2 3) . 3 nnmnrn r nEEnEhEE核外電子只能在一些不連

3、續(xù)的軌道上運(yùn)動(dòng)，、原子只能處于一系列不連續(xù)的能量狀態(tài)，、原子在兩個(gè)能級(jí)之間躍遷時(shí)只能吸收或發(fā)射一定頻率的光子，光子軌道量子化：能量量子化：躍遷量能量子化： 注意：如果是原子吸收光子發(fā)生躍遷，則所吸收光子的能量必須對(duì)應(yīng)兩能級(jí)差，也就是說只能吸收特定頻率的光但如果入射的是電子，電子的能量可以大于或等于兩能級(jí)差 四、原子核的衰變與三種射線的性質(zhì)四、原子核的衰變與三種射線的性質(zhì) 1原子核的衰變注意a衰變中靜質(zhì)量會(huì)發(fā)生變化，但仍然遵循質(zhì)量數(shù)守恒b 和 衰變次數(shù)的確定：先由質(zhì)量數(shù)的變化確定 衰變的次數(shù)，再由電荷數(shù)守恒確定 衰變次數(shù)c半衰期是指有半數(shù)核發(fā)生衰變的時(shí)間，由放射性元素的原子核內(nèi)部本身因素決定，跟

4、原子所處的物理狀態(tài)(如壓強(qiáng)、溫度等)或化學(xué)狀態(tài)(如單質(zhì)或化合物)無關(guān) 2三種射線1441717281942()()“” aNHeOHBe 3 射線的產(chǎn)生原因是在 或 衰變時(shí)，產(chǎn)生的新核具有過多的能量 即新核處于高能級(jí) ，就把這些能量以 光子的形式輻射出來 即新核向低能級(jí)躍遷 ，所以 射線往往伴隨 或 衰變產(chǎn)生，原子核的衰變類型中不存在所謂衰變 盧瑟福發(fā)現(xiàn)質(zhì)子的核反應(yīng)方程： 查德威克發(fā)現(xiàn)中子的核反應(yīng)方程：原子核的人工轉(zhuǎn)變 注意：412160HeCn b放射性同位素：有些元素的同位素具有放射性叫放射性同位素應(yīng)用：示蹤原子、金屬探傷等 五、核能與質(zhì)能方程五、核能與質(zhì)能方程 1質(zhì)能方程：E=mc2，即

5、一定的能量和一定的質(zhì)量相聯(lián)系，物體的總能量和它的質(zhì)量成正比 2核能的計(jì)算方法2743013030013215015141AlHepnPSie 約里奧 居里夫婦發(fā)現(xiàn)放射性同位素和正電子的核反應(yīng)方程：， 3釋放核能的行徑 重核的裂變和輕核的聚變 4在核反應(yīng)中能量同樣是守恒的，當(dāng)核反應(yīng)的結(jié)果是產(chǎn)生質(zhì)量虧損時(shí)，釋放出核能當(dāng)核反應(yīng)的結(jié)果是產(chǎn)生質(zhì)量增益時(shí)，要吸收能量2kgJu1u931.5MeV931.5MeV.mmEmcEmEm 在核反應(yīng)中，如果出現(xiàn)質(zhì)量虧損為，當(dāng)以為單位時(shí)，則，的單位為 ；如果以原子質(zhì)量單位 為單位，因?yàn)榘l(fā)生的質(zhì)量虧損，釋放的能量為，則 類型一：光電效應(yīng)的規(guī)律及其應(yīng)用類型一：光電效應(yīng)的

6、規(guī)律及其應(yīng)用 對(duì)光電效應(yīng)的規(guī)律考查，往往以愛因斯坦光電方程的理解為中心展開，還可以結(jié)合幾何光學(xué)中的知識(shí)進(jìn)行，如由同一介質(zhì)對(duì)不同頻率的光折射率不同來判斷哪些光能使某金屬產(chǎn)生光電效應(yīng)等【例1】如圖541所示，當(dāng)電鍵S斷開時(shí)，用光子能量為2.5eV的一束光照射光電管的陰極K，發(fā)現(xiàn)電流表讀數(shù)不為0.合上電鍵S，調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器，發(fā)現(xiàn)當(dāng)電壓表示數(shù)小于0.60V時(shí)，電流表示數(shù)仍然不為0；當(dāng)電壓表示數(shù)大于等于0.60V時(shí)，電流表示數(shù)為0，由此可知陰極材料的逸出功為( )A1.9eV B0.6eVC2.5eV D3.1eV圖541【解析】圖中加在光電管兩極間的電壓是使光電子減速的，設(shè)陰極發(fā)射出的光電子的最大初動(dòng)

7、能為Ek，當(dāng)電壓表示數(shù)大于等于0.60V時(shí)，電流表示數(shù)為0，說明具有最大初動(dòng)能且正對(duì)陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)的光電子經(jīng)過電勢(shì)差為0.6V的反向電場(chǎng)后，速度恰好為0，則Ek=eU=0.6eV，再由愛因斯坦光電方程，有Ek=hW，其中h=2.5eV，解得W=1.9eV，選A.【答案】A【規(guī)律方法總結(jié)】分析光電管電路時(shí)，一定要弄清加在光電管兩極間的電壓對(duì)電子是起加速作用還是減速作用，再結(jié)合愛因斯坦光電效應(yīng)方程的應(yīng)用，這是解決此類問題的關(guān)鍵所在 【變式題】研究光電效應(yīng)規(guī)律的實(shí)驗(yàn)裝置如圖542所示，以頻率為的光照射光電管陰極K時(shí)，有光電子產(chǎn)生由于光電管K、A間加的是反向電壓，光電子從陰極K發(fā)射后將向陽(yáng)極A做減速運(yùn)動(dòng)光電

8、流i由圖中電流計(jì)G測(cè)出，反向電壓U由電壓表V測(cè)出當(dāng)電流計(jì)示數(shù)恰好為零時(shí)，電壓表的示數(shù)稱為反向截止電壓U0.在下列表示光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)規(guī)律的圖象中，錯(cuò)誤的是( )圖542A.反向電壓和頻率一定時(shí)，光電流i與光強(qiáng)I的關(guān)系B.截止電壓U0與頻率的關(guān)系 C.光強(qiáng)I和頻率一定時(shí)，光電流i與反向電壓U的關(guān)系D.光強(qiáng)I和頻率一定時(shí)，光電流i與產(chǎn)生光電子的時(shí)間t的關(guān)系答案：B【解析】由光電效應(yīng)規(guī)律可知光電流的強(qiáng)度與光強(qiáng)成正比，光射到金屬上時(shí)，光電子的發(fā)射是瞬時(shí)的，幾乎不需要時(shí)間積累，故A、D圖象正確；從金屬中打出的光電子，在反向電壓作用下做減速運(yùn)動(dòng)，隨著反向電壓的增大，到達(dá)陽(yáng)極的光電子數(shù)減少，故C圖象正確；由光電

9、效應(yīng)方程可知：0km0km00000BhhEeUEhheUhhUUee，而，所以有，變形得：，可見與 為一次函數(shù)的關(guān)系而非正比關(guān)系，由此可知， 圖象錯(cuò)誤 類型二：玻爾的原子模型及能級(jí)躍遷問題類型二：玻爾的原子模型及能級(jí)躍遷問題 在玻爾的原子模型中，還是保留了一些經(jīng)典理論，在用玻爾理論解釋氫原子光譜時(shí)，還是認(rèn)為核外電子繞核旋轉(zhuǎn)，電子運(yùn)動(dòng)所需的向心力由它所受原子核的引力提供，因此，往往對(duì)電子運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能、電勢(shì)能的變化、周期等提出問題；另外，還可能對(duì)躍遷，輻射多少種不同頻率的光子等提出問題【例2】氫原子放出一個(gè)光子后，根據(jù)玻爾理論，氫原子的()A核外電子的電勢(shì)能增大B核外電子的動(dòng)能增大C核外電子的轉(zhuǎn)動(dòng)

10、周期增大D氫原子的能量增大2222DA22B()CB.kevekmEkrrrrrTv由玻爾理論可知，氫原子放出一個(gè)光子，必然是從高能級(jí)向低能級(jí)躍遷，故氫原子能量減小，錯(cuò)由于電子軌道半徑減小，電場(chǎng)力做正功，電子電勢(shì)能減小， 錯(cuò)由庫(kù)侖引力提供向心力，有：可得，半徑 減小將導(dǎo)致動(dòng)能增大，對(duì)又，半徑減小，線速度增大 由動(dòng)能增【解析】大可知 ，則周期必減小， 錯(cuò)綜上所述，選【答案】B【規(guī)律方法總結(jié)】(1)常把氫原子的核外電子的運(yùn)動(dòng)視為繞核的圓周運(yùn)動(dòng)，庫(kù)侖引力來提供向心力(2)氫原子的能量指電子動(dòng)能和電勢(shì)能的總和，往往根據(jù)電子運(yùn)動(dòng)情況和電場(chǎng)力做功來考慮它們的變化(3)躍遷時(shí)，原子所吸收或輻射的光子能量只能

11、等于兩能級(jí)之差，即h=EmEn.原子電離時(shí)，所吸收的能量可以大于等于它所處能級(jí)能量的絕對(duì)值，即 E=EEm.(4)當(dāng)一群氫原子由n能級(jí)向低能級(jí)躍遷時(shí)，可能產(chǎn)生的譜線條數(shù)為C條 【變式題】(2011大綱卷)已知?dú)湓拥幕鶓B(tài)能量為E1，激發(fā)態(tài)能量En=E1/n2，其中n=2,3，用h表示普朗克常量，c表示真空中的光速能使氫原子從第一激發(fā)態(tài)電離的光子的最大波長(zhǎng)為( )111142A B349C DhchcEEhchcEEC211141C4ABDEEcEh第一激發(fā)態(tài)的氫原子能量，根據(jù)公式可知電離時(shí)滿足得 對(duì)【解析、】，、 錯(cuò) 類型三：原子核的衰變及人工轉(zhuǎn)變類型三：原子核的衰變及人工轉(zhuǎn)變 本類型習(xí)題往往

12、要求能依據(jù) 兩種衰變的特點(diǎn)分析生成物是何種元素，或者已知反應(yīng)物與生成物，要推斷衰變次數(shù)，還可能要求依據(jù)兩個(gè)守恒寫方程或判斷生成的粒子、238922382069282U543()A84206BCDUPb68mn是一種放射性元素，進(jìn)行一系列放射性衰變，由圖可知 圖中 是， 是是 衰變，放出電子，電子是由中子轉(zhuǎn)變成質(zhì)子時(shí)產(chǎn)生的是 衰變，放出電子，電子是由中子轉(zhuǎn)變成質(zhì)子時(shí)產(chǎn)生的從衰變成要經(jīng)過 次衰變，【例3】次衰變21021082210838112BiPo83 184BiTl22104206ABC23820688 2492826DmnmnNN 從到，質(zhì)量數(shù)不變，因此是 衰變，中子放出電子而轉(zhuǎn)變成質(zhì)子，

13、則，從到，核電荷數(shù)減少 ，因此是 衰變， 、 正確 錯(cuò)；原子核衰變時(shí) 衰變不改變質(zhì)量數(shù)，因此衰變次數(shù)先進(jìn)行 衰變計(jì)算，衰變次數(shù)次， 衰變次數(shù)次【解析，】正確【答案】ABD13153131127453512131131053541131130153530131130153521131(I) A.ISbHeB.IXeeC.IInD.ITeH (2011) 【變式題】北京 表示放射性元素碘衰變的方程是AABBCCDD選項(xiàng)是 衰變， 錯(cuò)誤； 選項(xiàng)是 衰變，正確； 選項(xiàng)放射的是中子， 錯(cuò)誤； 選項(xiàng)放射的是質(zhì)子，【解析】錯(cuò)誤B 類型四：核能的計(jì)算類型四：核能的計(jì)算 有關(guān)核能的計(jì)算，關(guān)鍵是算出質(zhì)量虧損(或增

14、益)，再利用計(jì)算核能的兩種方法求出核能(或反應(yīng)中要吸收的能量) 121313131367766141415151577887151276p2727pCNNCepCNpNOONepNCpe1.672648 10kg6.64492910kgmm 如下一系列的核反應(yīng)是在恒星內(nèi)部發(fā)生的，其中 為質(zhì)子， 為 粒子，為正電子， 為一種中微子已知質(zhì)子的質(zhì)量【例4為，】粒子的質(zhì)量為，正電子31e89.11 10kg3 10 m/s.mc 的質(zhì)量，中微子的質(zhì)量可以忽略不計(jì)，真空中光速試計(jì)算該系列核反應(yīng)完成后釋放的能量2124p2e23.95 10J.Emc 由題意可知，這一系列核反應(yīng)的特點(diǎn)是：前一次反應(yīng)的生成物

15、參與下一次的反應(yīng)，因此把各次反應(yīng)的方程式左右兩側(cè)分別相加，再消去兩邊相同的項(xiàng)，該系列反應(yīng)最終等效為，求出上式中的質(zhì)量虧損，最終釋放的能量為【解析】u931.5MeV.mEm 計(jì)算核能時(shí)，的單位不同，對(duì)應(yīng)計(jì)算方法不同在計(jì)算時(shí)要注意單位制的統(tǒng)一和單位的換算若質(zhì)量單位取原子質(zhì)量單位 ，則另外，要注意對(duì)質(zhì)量和能量聯(lián)系的正確理解，質(zhì)量和能量都是物質(zhì)的屬性，質(zhì)能聯(lián)系方程說明質(zhì)量和能量是不可分割的，它確定了這兩個(gè)屬性間數(shù)值上的關(guān)系，但不能認(rèn)為能量和質(zhì)量可以互相轉(zhuǎn)化，質(zhì)量虧損和質(zhì)量增益都是從靜質(zhì)量上來說的，從動(dòng)質(zhì)量角【規(guī)律方度來說法總結(jié)】，核反應(yīng)中質(zhì)量也是守恒的 【變式題】(2011江蘇)(1)按照玻爾原子理

16、論，氫原子中的電子離原子核越遠(yuǎn)，氫原子的能量越大(選填“越大”或“越小”)已知?dú)湓拥幕鶓B(tài)能量為E1(E10)，電子質(zhì)量為m，基態(tài)氫原子中的電子吸收一頻率為的光子被電離后，電子速度大小為 (普朗克常量為h)12()hEm 141717812OHXNk147k2XNOH.XXNQmmmmcEEQ 有些核反應(yīng)過程是吸收能量的：例如在中，核反應(yīng)吸收的能量在該核反應(yīng)中， 表示什么粒子？ 粒子以動(dòng)能轟擊靜止的核，若，則該核反應(yīng)能否發(fā)生？請(qǐng)簡(jiǎn)要說明理由 21142k2()11.22XHehEhEmvvmQEQ由核反應(yīng)方程可知：【解析為，而核反應(yīng)吸收的能為 ，若，不滿足動(dòng)量、能】量守恒要求 類型五：與核反應(yīng)

17、相關(guān)的力電綜合問題類型五：與核反應(yīng)相關(guān)的力電綜合問題 核反應(yīng)中，生成的新核或帶電粒子在電場(chǎng)或磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，可能受到對(duì)應(yīng)的場(chǎng)力作用而產(chǎn)生某種運(yùn)動(dòng)，這樣，就可以把核反應(yīng)和帶電粒子在電場(chǎng)、磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)聯(lián)系起來并且，在核發(fā)生衰變或碰撞時(shí)，還可以用到動(dòng)量守恒和能量守恒，這樣，也可以把核反應(yīng)和動(dòng)量守恒、能量守恒聯(lián)系起來2329222890U(232.0372u)(4.00260u)Th(228.0287u)Tha一個(gè)靜止的原子質(zhì)量為，放出一個(gè) 粒子 原子質(zhì)量為后，衰變成【例5】為原子質(zhì)量為假設(shè)放出的核能完全變成核和 粒子的動(dòng)能，試計(jì)算 粒子的動(dòng)能22ThTh2kkakThka931.5MeV5.5MeV1

18、1225.5MeV22285.5MeV5.41MeV.2284Th ThkThkThEmm vm vEm vm vEmpEEEmEmE 先利用質(zhì)能方程求釋放的核能，在衰變過程中，動(dòng)量、能量守恒，則有，利用，可得解析，解得】，【規(guī)律方法總結(jié)】解決此類題型的一般思路是：先依據(jù)事實(shí)和質(zhì)量數(shù)守恒、電荷數(shù)守恒寫出核反應(yīng)方程式，再在確認(rèn)動(dòng)量守恒的條件下列出動(dòng)量守恒的表達(dá)式，在計(jì)算出釋放的能量后，寫出能量守恒的表達(dá)式如果新核和帶電粒子進(jìn)入電場(chǎng)、磁場(chǎng)，則按照帶電粒子在電場(chǎng)、磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)方法進(jìn)行處理14“”“”C544(Eab帶電粒子在 云室 中運(yùn)動(dòng)時(shí)，可呈現(xiàn)其運(yùn)動(dòng)徑跡將 云室 放在勻強(qiáng)電場(chǎng)中，通過觀察分析帶電

19、粒子的徑跡，可以研究原子核發(fā)生衰變的規(guī)律現(xiàn)將一靜止的放射性放入上述裝置中當(dāng)它發(fā)生衰變時(shí)，可能放出 粒子或電子或正電子所放射出的粒子與反沖核經(jīng)過相等時(shí)間所形成的徑跡如圖所示 發(fā)生衰變后的瞬間放射出的粒子和反沖核的速度方向與電場(chǎng)強(qiáng)度 垂直， 、 均表示長(zhǎng)度，不計(jì)粒子運(yùn)動(dòng)中所受【變式題】重力和阻)力則 1414141C.2C()3C4發(fā)生衰變時(shí)所放射出的粒子是 發(fā)生衰變時(shí)所放射出粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡是 填、 的衰變方程是： 簡(jiǎn)要推導(dǎo)發(fā)生衰變后的瞬間放射出的粒子與反沖核的動(dòng)能之比粒子14410624CHeBe 圖544【解析】由動(dòng)量守恒定律得：m1v1=m2v2即m1b=m2a由粒子在電場(chǎng)中的類平拋運(yùn)動(dòng)得：對(duì)于b：22111222112222144106242k1142221122221CHeBe2baqUsbattm dq Uqmbasaa ttm dqm apmE對(duì)于 ：，可得，題中三個(gè)粒子中滿足此式的只有 粒子，由此可寫出反應(yīng)式：，由電荷量的比值可得 粒子運(yùn)動(dòng)軌跡是曲線；由動(dòng)量守恒，動(dòng)能和動(dòng)量的關(guān)系得：222105422kBekBeBepEmmpEmm