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

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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 個體光子的行為表現(xiàn)出粒子性，大量光子表現(xiàn)出波動性頻率越高的光，粒子性越強(qiáng)；頻率越低的光，波動性越強(qiáng)光的能量是不連續(xù)的，每一份即為一個光子，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任何一個運(yùn)動著的物體，都有一種波與它對應(yīng)，波長，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 三、玻爾原子模型和能級三、玻爾原子模型和能級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，、原子只能處于一系列不連續(xù)的能量狀態(tài)，、原子在兩個能級之間躍遷時只能吸收或發(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應(yīng)兩能級差，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，產(chǎn)生的新核具有過多的能量 即新核處于高能級 ，就把這些能量以 光子的形式輻射出來 即新核向低能級躍遷 ，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，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，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，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)中的知識進(jìn)行，如由同一介質(zhì)對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，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)滑動變阻器，發(fā)現(xiàn)當(dāng)電壓表示數(shù)小于0.60V時，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，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

7、能為Ek，當(dāng)電壓表示數(shù)大于等于0.60V時，電流表示數(shù)為0，說明具有最大初動能且正對陽極運(yùn)動的光電子經(jīng)過電勢差為0.6V的反向電場后，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，一定要弄清加在光電管兩極間的電壓對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，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)射后將向陽極A做減速運(yùn)動光電

8、流i由圖中電流計G測出，反向電壓U由電壓表V測出當(dāng)電流計示數(shù)恰好為零時，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，錯誤的是( )圖542A.反向電壓和頻率一定時，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，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，光電流i與產(chǎn)生光電子的時間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，光電子的發(fā)射是瞬時的，幾乎不需要時間積累，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，隨著反向電壓的增大，到達(dá)陽極的光電子數(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， 圖象錯誤 類型二：玻爾的原子模型及能級躍遷問題類型二：玻爾的原子模型及能級躍遷問題 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，還是認(rèn)為核外電子繞核旋轉(zhuǎn)，電子運(yùn)動所需的向心力由它所受原子核的引力提供，因此，往往對電子運(yùn)動的動能、電勢能的變化、周期等提出問題；另外，還可能對躍遷，輻射多少種不同頻率的光子等提出問題【例2】氫原子放出一個光子后，根據(jù)玻爾理論，氫原子的()A核外電子的電勢能增大B核外電子的動能增大C核外電子的轉(zhuǎn)動

10、周期增大D氫原子的能量增大2222DA22B()CB.kevekmEkrrrrrTv由玻爾理論可知，氫原子放出一個光子，必然是從高能級向低能級躍遷，故氫原子能量減小，錯由于電子軌道半徑減小，電場力做正功，電子電勢能減小， 錯由庫侖引力提供向心力，有：可得，半徑 減小將導(dǎo)致動能增大，對又，半徑減小，線速度增大 由動能增【解析】大可知 ，則周期必減小， 錯綜上所述，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)動視為繞核的圓周運(yùn)動，庫侖引力來提供向心力(2)氫原子的能量指電子動能和電勢能的總和，往往根據(jù)電子運(yùn)動情況和電場力做功來考慮它們的變化(3)躍遷時，原子所吸收或輻射的光子能量只能

11、等于兩能級之差，即h=EmEn.原子電離時，所吸收的能量可以大于等于它所處能級能量的絕對值，即 E=EEm.(4)當(dāng)一群氫原子由n能級向低能級躍遷時，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)公式可知電離時滿足得 對【解析、】，、 錯 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；原子核衰變時 衰變不改變質(zhì)量數(shù)，因此衰變次數(shù)先進(jìn)行 衰變計算，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選項是 衰變， 錯誤； 選項是 衰變，正確； 選項放射的是中子， 錯誤； 選項放射的是質(zhì)子，【解析】錯誤B 類型四：核能的計算類型四：核能的計算 有關(guān)核能的計算，關(guān)鍵是算出質(zhì)量虧損(或增

14、益)，再利用計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，真空中光速試計算該系列核反應(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，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 計算核能時，的單位不同，對應(yīng)計算方法不同在計算時要注意單位制的統(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？ 粒子以動能轟擊靜止的核，若，則該核反應(yīng)能否發(fā)生？請簡要說明理由 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或磁場中運(yùn)動時，可能受到對應(yīng)的場力作用而產(chǎn)生某種運(yùn)動，這樣，就可以把核反應(yīng)和帶電粒子在電場、磁場中的運(yùn)動聯(lián)系起來并且，在核發(fā)生衰變或碰撞時，還可以用到動量守恒和能量守恒，這樣，也可以把核反應(yīng)和動量守恒、能量守恒聯(lián)系起來2329222890U(232.0372u)(4.00260u)Th(228.0287u)Tha一個靜止的原子質(zhì)量為，放出一個 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 粒子的動能，試計算 粒子的動能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)動量守恒的條件下列出動量守恒的表達(dá)式，在計算出釋放的能量后，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、磁場，則按照帶電粒子在電場、磁場中的運(yùn)動方法進(jìn)行處理14“”“”C544(Eab帶電粒子在 云室 中運(yùn)動時，可呈現(xiàn)其運(yùn)動徑跡將 云室 放在勻強(qiáng)電場中，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，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強(qiáng)度 垂直， 、 均表示長度，不計粒子運(yùn)動中所受【變式題】重力和阻)力則 1414141C.2C()3C4發(fā)生衰變時所放射出的粒子是 發(fā)生衰變時所放射出粒子的運(yùn)動軌跡是 填、 的衰變方程是： 簡要推導(dǎo)發(fā)生衰變后的瞬間放射出的粒子與反沖核的動能之比粒子14410624CHeBe 圖544【解析】由動量守恒定律得：m1v1=m2v2即m1b=m2a由粒子在電場中的類平拋運(yùn)動得：對于b：22111222112222144106242k1142221122221CHeBe2baqUsbattm dq Uqmbasaa ttm dqm apmE對于 ：，可得，題中三個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)動軌跡是曲線；由動量守恒，動能和動量的關(guān)系得：222105422kBekBeBepEmmpEmm