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第十二章 原子物理
第1节 波粒二象性,,任何物体都发生热辐射。除了热辐射外，物体还能吸收和反射外界射来的电磁波。能全部吸收各种波长的辐射能而不发生反射的物体，称为绝对黑体。简称黑体 ，黑体辐射只与温度有关,【了解】黑体辐射实验规律,不透明的材料制成带小孔的的空腔,可近似看作黑体。,黑体实验模型 不反射但辐射,(1)随着温度的升高，各种波长的辐射强度都 增加 ；
(2)随着温度的升高，辐射强度的极大值向波长较短 的方向移动。,1.光电效应现象
(1)金属在光的照射下_________的现象。
(2)发射出来的电子称为_______。
2.光电效应的四条规律
金属产生光电效应条件：入射光频率大于金属极限频率。
影响光电子的最大初动能是入射光频率，与光强无关
发生光电效应是瞬时的（一般不超过10-9s）。
④光电管电路中,当入射光的频率大于极限频率时,光电流强度与入射光的强度成正比,发射电子,光电子,考点 1 光电效应及其规律,⑤极限频率（也叫截止频率；是金属本身属性，与其他因素无关）,3．研究光电效应的两条主线（能发生光电效应前提下）
(1)光子频率高→光子能量大→光电子的最大初动能大．
(2)光强大→光子数目多→发射光电子多→光电流大．,【典例1 光电效应的理解】如图所示为光电管电路的示意图,在光电管电路中( )
A.能够把电信号转变为光信号
B.电路中的电流是由光电子的运动形成的
C.光照射到光电管的K极产生光电子并飞向A极
D.单色光的光强减弱,则单位时间内产生的光电子数减少,光电子的最大初动能也减小,BC,饱和电流,遏止电压,光电流的饱和值只与单位时间内发射光电子的数目有关,B.光电效应伏安特性曲线,极限频率、最大初动能、饱和电流、遏止电压等概念理解,实验表明:对于一定颜色(频率)的光, 无论光的强弱如何,遏止电压是一样的. 但当光的频率 改变时，遏止电压也会改变。,A.光电子的最大初动能只与入射光的频率和金属种类有关，与入射光的强弱无关。,【训练】 1.(宁夏高考)关于光电效应,下列说法正确的是( )
A.极限频率越大的金属材料逸出功越大
B.从金属表面逸出的光电子的最大初
动能越大,这种金属的逸出功越小。
C.只要光照射的时间足够长,任何金属都能产生光电效应
D.增加照射光电管的入射光的频率,电路中的光电流就一定增加;入射光的光强一定时,频率越高,单位时间内逸出的光电子数就越多
E.发生光电效应后,增加电源电压,电路中的光电流一定增加,A,2.如图所示是光电管的原理图,已知当有波长为λ0的光照射到阴极K上时,电路中有光电流,则 ( )
A.若换用波长为λ1(λ1>λ0)的光照
射阴极K时,电路中一定没有光电流
B.若换用波长为λ2(λ2<λ0)的光照
射阴极K时,电路中一定有光电流
C.增加电路中电源电压,电路中光电流一定增大
D.若将电源极性反接,电路中一定没有光电流产生,B,3.在光电效应实验中，飞飞同学用同一光电管在不同实验条件下得到了三条光电流与电压之间的关系曲线(甲光、乙光、丙光)，如图所示，则可判断出( )
A．甲光的频率大于乙光的频率
B．乙光的波长大于丙光的波长
C．乙光对应的截止频率大于丙光的截止频率
D．甲光对应的光电子最大初动能大于丙光的光电子最大初动能,B,规律总结(1)
1．放不放光电子，看入射光的最低频率．
2．放多少光电子，看光的强度且瞬时放．
3．光电子的最大初动能大小，看入射光的频率．
4.几个概念：A.光子、光电子 B.逸出功、极限频率（也叫截止频率；是金属本身属性）C.最大初动能 D.光强、光电流（饱和电流及其与电压的关系）E.遏止电压,【链接高考】(2016•全国卷Ⅰ)现用某一光电管进行光电效应实验，当用某一频率的光入射时，有光电流产生。下列说法正确的是（ ）
A．保持入射光的频率不变，入射光的光强变大，饱和光电流变大
B．入射光的频率变高，饱和光电流变大
C．入射光的频率变高，光电子的最大初动能变大
D．保持入射光的光强不变，不断减小入射光的频率，始终有光电流产生
E．遏止电压的大小与入射光的频率有关，与入射光的光强无关,ACE,1.光子说（对光子的量子化定义）
光的能量_________的,而是一份一份的,每一份叫做一个光子。一个光子的能量为ε=____(其中h是普朗克常量）,不是连续,hν,入射光,最大初动能,逸出功,考点 2 爱因斯坦光电效应方程,光本身就是由一个个不可分割的能量子组成的，频率为ν的光的能量子为hν。这些能量子后来被称为光子。,【题型1--对光电效应方程的理解】(海南高考改编)产生光电效应时,关于逸出光电子的最大初动能Ek,下列说法正确的是( )
A.对于同种金属,Ek与照射光的强度有关
B.对于同种金属,Ek与照射光的时间成正比
C.对于同种金属,Ek与照射光的频率成线性关系
D.对于不同种金属,若照射光频率不变,Ek与金属的逸出功成线性关系,CD,【题型2.用图像表示光电效应方程】
(1)最大初动能Ek与入射光频率ν的关系图线如图。
(2)由图线可以得到的物理量
①极限频率:图线与ν轴交点的横坐标ν0。
②逸出功:图线与Ek轴交点的纵坐标的值W0=|-E|=E。
③普朗克常量:图线的斜率k=h。,横截距、纵截距、斜率各表示什么？,IU曲线：图中Im为饱和光电流，Uc为遏止电压．,Ekν曲线：由Ek＝hν－W0可知，横轴上的截距是金属的截止频率或极限频率，纵轴上的截距是金属的逸出功的负值，斜率为普朗克常量,Ⅰ与Ⅱ一定平行;斜率与入射光和金属材料均无关系;Ⅱ金属的极限频率更大;,【典例2--光电效应方程的图像法】1.(10年福建高考)爱因斯坦因提出了光量子概念并成功地解释光电效应的规律而获得1921年诺贝尔物理学奖。某种金属逸出光电子的最大初动能Ekm与入射光频率ν的关系如图所示,其中ν0为极限频率。从图中可以确定的是( )
A.逸出功与ν有关
B.Ekm与入射光强度成正比
C.当ν<ν0时,会逸出光电子
D.图中直线的斜率与普朗克常量有关,D,【对比】(2015•全国卷Ⅰ)在某次光电效应实验中，得到的遏止电压Uc与入射光的频率ν的关系如图所示．若该直线的斜率和截距分别为k和b，电子电荷量的绝对值为e，则普朗克常量可表示为_______，所用材料的逸出功可表示为________．,－ eb,ek,【练习1.图像型】(2016•汕头模拟)如图所示是用光照射某种金属时逸出的光电子的最大初动能随入射光频率的变化图线(直线与横轴的交点坐标为4.27，与纵轴交点坐标为0.5)．由图可知( )
A．该金属的截止频率为4.27×1014 Hz
B．该金属的截止频率为5.5×1014 Hz
C．该图线的斜率表示普朗克常量
D．该金属的逸出功为0.5 eV,AC,【练习2.计算型】现有a、b、c三束单色光，其波长关系为λa∶λb∶λc＝1∶2∶3.当用a光束照射某种金属板时能发生光电效应，飞出的光电子最大动能为Ek；若改用b光束照射该金属板，飞出的光电子最大动能为Ek/3；当改用c光束照射该金属板时( )
A．能发生光电效应，飞出的光电子最大动能为Ek/6
B．能发生光电效应，飞出的光电子最大动能为Ek/9
C．能发生光电效应，飞出的光电子最大动能为Ek/12
D．由于c光束光子能量较小，该金属板不会发生光
电效应,B,【备讲】3.分别用波长为λ的单色光照射两块不同的金属板,发出的光电子的最大初动能分别为3eV和2 eV。当改用波长为λ/2 的单色光照射时,其中一块金属板发出的光电子的最大初动能为8eV,则另一块金属板发出的光电子的最大初动能为( )
A.5 eV B.7 eV C.9 eV D.12 eV,BC,(1)最大初动能的理解
与入射光的频率有关,频率越大,最大初动能越大,故波长越大,最大初动能越小。
最大初动能与频率是线性关系而不是正比关系。
最大初动能与光照强度及光照时间无关。,规律总结(2),（2）光电效应方程的应用方法,1.方法概述
公式法:hν=W0+Ekm,计算逸出功、极限频率、Ekm等。
图像法:画出Ek-ν图像,横轴、纵轴截距，斜率等。
2.解题思路
逸出功的大小取决于极限频率,即W0=hν。
最大初动能的大小取决于入射光的频率和被照射的金属的逸出功。,考点 3 光的波粒二象性,1.光的波粒二象性
(1)光的干涉、衍射实验表明,光具有_____性。
(2)光电效应、康普顿效应表明光具有_____性。
(3)光既具有_____性,又具有_____性,即光的波粒二象性。,波动,粒子,波动,粒子,(1)平时所看到的宏观物体运动时，看不出其波动性，但也有一个波长与之对应，如飞行子弹的波长约为10－34 m.
(2)波粒二象性是微观粒子的特殊规律，一切微观粒子都存在波动性；宏观物体也存在波动性，只是波长太小，难以观测．
(3)德布罗意波也是概率波，衍射图样中的亮圆是电子落点概率大的地方，但概率的大小受波动规律的支配．,2.对波粒二象性理解的三点注意,(1)从数量上看：个别光子表现为粒子性，大量光子表现为波动性．
(2)从频率上看：频率越低波动性越显著；频率越高粒子性越显著，越不容易看到光的干涉和衍射现象，贯穿本领越强．
(3)从传播与作用上看：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．
(4)波动性与粒子性的统一：由光子的能量E＝hν、光子的动量表达式p＝h/λ也可以看出，光的波动性和粒子性并不矛盾：表示粒子性的粒子能量和动量的计算式中都含有表示波的特征的物理量——频率ν和波长λ.
(5)理解光的波粒二象性时不可把光当成宏观概念中的波，也不可把光当成宏观概念中的粒子．,3.对波粒二象性理解（记忆）,1．关于物质的波粒二象性，下列说法中正确的
是( )
A．不仅光子具有波粒二象性，一切运动的微粒都具有波粒二象性
B．运动的微观粒子与光子一样，当它们通过一个小孔时，都没有特定的运动轨道
C．波动性和粒子性在宏观现象中是矛盾的、对立的，但在微观高速运动的现象中是统一的
D．实物的运动有特定的轨道，所以实物不具有波粒二象性,ABC,光具有波粒二象性是微观世界具有的特殊规律，宏观物体的德布罗意波的波长太小，很难观察到波动性，并不是不具有波粒二象性．,本节小结,以光电效应的发现为主线把光子说、光电效应方程、光的波粒二象性、物质的波等内容串联起来，介绍了解
A.几个概念：1.光子、光电子2.逸出功、极限频率（金属本身属性）3.最大初动能4.光强、光电流（饱和电流）5.遏止电压
B.三类题型
一、对光电效应的理解
核心：1.发生光电效应的条件理解；光电效应方程
2.光电流大小影响因素；饱和电流
3.最大初动能的理解和决定因素
二、对光电效应方程的理解和应用（图像法和公式法）
三、对波粒二象性的理解,第十二章 原子物理
第2节 原子结构和原子核,,1.汤姆孙通过阴极射线发现电子（带负电）并利用磁偏转或电偏转算出电子比荷e/m,2.密立根利用“油滴实验”根据荷质比，可以精确地测量出电子的电量,考点 1 原子结构及发展史,3.卢瑟福α粒子散射实验证实了原子的核式结构,高速α粒子,荧光屏,A.现象：绝大多数α粒子穿过金箔后仍沿原来方向前进但少数α粒子发生了较大的偏转并且有极少数α粒子的偏转超过了90°，有的甚至几乎达180°,B.解释：①绝大多数粒子不偏移→原子内部绝大部分是“空”的。
②少数粒子发生较大偏转→原子内部有“核”存在。
③极少数粒子被弹回→作用力很大；质量很大；电量集中。,,C.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绕着核旋转．,这些矛盾说明尽管经典物理学理论可以很好地应用宏观物休，但它不能解释原子世界的现象，故要引入新观念---量子化理论。玻尔,【例1】(2014·新课标全国卷Ⅱ)在人类对微观世界进行探索的过程中，科学实验起到了非常重要的作用．下列说法符合历史事实的是( )
A．密立根通过油滴实验测出了基本电荷的数值
B．贝克勒尔通过对天然放射现象的研究，发现了原子中存在原子核
C．居里夫妇从沥青铀矿中分离出了钋(Po)和镭(Ra)两种新元素
D．卢瑟福通过α粒子散射实验证实了在原子核内部存在质子
E．汤姆孙通过阴极射线在电场和磁场中偏转的实验，发现了阴极射线是由带负电的粒子组成的，并测出了该粒子的比荷,ACE,原子中的电子在库仑力的作用下，绕原子核做圆周运动。
电子绕核运动的轨道是量子化的。
电子在这些轨道上绕核的转动是稳定的，不产生电磁辐射。,B.玻尔理论,①轨道假设：电子在库仑引力的作用下，绕原子核在不连续轨道做圆周运动,②定态假设：电子在不同的稳定轨道上运动时的状态称为定态分基态和激发态,③跃迁假设：原子从一个能级（能量状态）向另一个能级跃迁时要放出或吸收一定频率的光子，光子的能量等于这两个状态的能量差，即hν＝Em-En子一群氢原子,A.玻尔原子模型,4.玻尔提出玻尔原子模型并成功解释了氢原子光谱(线状谱）,C.四个概念,①能级：②基态：③激发态：④量子数：,D.能级图的剖析,玻尔理论成功的解释并预言了氢原子辐射的电磁波的问题，但是也有它的局限性．,,波尔理论第一次将量子观念引入原子领域。提出了定态和跃迁的概念，成功地解释了氢原子光谱的实验规律,,同时过多地保留了经典理论，即保留经典粒子的观念，把电子的运动看做经典力学描述下的轨道运动。,波尔理论除了氢原子光谱外，在解决其他问题上遇到了很大的困难．,E.玻尔模型的局限性(通过经典电磁和经典力学理论并部分引用了量子观念）,氦原子光谱,量子化条件的引进没有适当的理论解释。,【例2】如图画出了氢原子的四个能级，用光子能量为13.06 eV的光照射一群处于基态的氢原子，则可能观测到氢原子发射的不同波长的光有( )
A．15种 B．10种
C．4种 D．1种,B,按照玻尔理论，一个氢原子的电子从
一半径为ra的圆轨道自发地直接跃迁
到一半径为rb的圆轨道上，ra>rb，
此过程中( )
A．原子要辐射一系列频率的光子
B．原子要吸收一系列频率的光子
C．原子要辐射某一频率的光子
D．原子要吸收某一频率的光子,C,Cn2,【练习】(1)欲使处于基态的氢原子激发，下列措施可行的是( )
A．用12.09 eV的光子照射
B．用13 eV的光子照射
C．用14 eV的光子照射
D．用13 eV的电子碰撞
(2)欲使处于基态的氢原子电离，下列措施可行的是( )
A．用13.6 eV的光子照射
B．用15 eV的光子照射
C．用14.6 eV的电子碰撞
D．用15 eV的电子碰撞,ACD,ABCD,使原子发生能级跃迁的两种粒子
(1)光子：光子能量只能全部被吸收。原子若是吸收光子的能量而被激发，则光子的能量必须等于两能级的能量差或电离，否则不能被吸收；
(2)实物粒子：实物粒子的动能可全部或部分地被原子吸收。原子吸收外来实物粒子(例如自由电子)的能量而被激发，只要入射粒子的能量大于或等于两能级的能量差值，均可使原子发生能级跃迁。当入射粒子的动能大于原子在某能级的能量值时，也可以使原子电离．,(1)当光子能量大于或等于13.6 eV时，就可以被处于基态的氢原子全部吸收，使氢原子电离；减去13.6 eV，就是电子具有一定的初动能．
(2)当轨道半径减小时，库仑引力做正功，原子的电势能减小，电子动能增大，原子能量减小；反之，轨道半径增大时，原子电势能增大，电子动能减小，原子能量增大（类似环绕天体运动）
(3)原子吸收光子的能量时，原子将由低能级态跃迁到高能级态．但只吸收能量为能级差的光子，原子发光时是由高能级态向低能级态跃迁，发出的光子能量仍为能级差．
(4)实物粒子和原子作用而使原子激发或电离，是通过实物粒子和原子碰撞来实现的．在碰撞过程中，实物粒子的动能可以全部或部分地被原子吸收，所以只要入射粒子的动能大于或等于原子某两个能级差值，就可以使原子受激发而跃迁到较高的能级；当入射粒子的动能大于原子在某能级的能量值时，也可以使原子电离．,规律总结(3),(1)注意一群原子和一个原子
氢原子核外只有一个电子，在某段时间内，由某一轨道跃迁到另一个轨道时，可能的情况只有一种，但是如果容器中盛有大量的氢原子，这些原子的核外电子跃迁时就会有各种情况出现。
(2)注意直接跃迁与间接跃迁
原子从一种能量状态跃迁到另一种能量状态时，有时可能是直接跃迁，有时可能是间接跃迁。两种情况辐射(或吸收)光子的频率不同。
(3)注意跃迁与电离
hν＝Em－En只适用于光子和原子作用使原子在各定态之间跃迁的情况，对于光子和原子作用使原子电离的情况，则不受此条件的限制。如基态氢原子的电离能为13.6 eV，只要大于或等于13.6 eV光子都能被基态的氢原子吸收而发生电离，只不过入射光子的能量越大，原子电离后产生的自由电子的动能越大。,原子跃迁时需注意的几个问题,考点 2 原子核的衰变,放射元素：原子序数大于或等于83的元素都能自发发出射线，小于83的有些也能
放射性同位素：天然40多种，人工制造1000多种,一.天然放射现象,二.原子核的组成,原子核核电荷数质量数④核子数,三. 衰变、3种射线、半衰期,两种衰变,α衰变实质：原子核内两个质子和两个中子结合紧密，整体抛射出来,β衰变实质：原子核内的一个中子变成质子， 同时放出一个电子,【练习--偏转的定性分析】如图所示，一天然放射性物质发出三种射线，经过一个匀强电场和匀强磁场共存的区域(方向如图所示)。调整电场强度E和磁感应强度B的大小，使得在MN上只有两个点受到射线的照射，则下面判断正确的是( )
A．射到b点的一定是α射线
B．射到b点的一定是β射线
C．射到b点的一定是α射线或β射线
D．射到b点的一定是γ射线,C,【例3--偏转的定量分析】将α、β、γ三种射线分别射入匀强磁场和匀强电场，图中表示射线偏转情况中正确的是( ),AD,记得规律：在同样的电场或磁场中都是β射线偏转得更厉害,A.半衰期的长短是由原子核本身决定的;
B.是一个统计规律，只对大量的原子核才适用,个别无意义,方法2：因为β衰变对质量数无影响，可先由质量数的改变确定α衰变的次数，然后再根据衰变规律确定β衰变的次数,ABD,【练习】(2014·新课标全国卷Ⅰ)关于天然放射性，下列说法正确的是( )
A．所有元素都可能发生衰变
B．放射性元素的半衰期与外界的温度无关
C．放射性元素与别的元素形成化合物时仍具有放射性
D．α、β和γ三种射线中，γ射线的穿透能力最强
E．一个原子核在一次衰变中可同时放出α、β和γ三种射线,BCD,考点 3 核反应与核能,一、核力,把各核子联系在一起的强作用力,约在 10-15m量级时起作用的短程力。,只跟相邻的核子发生作用的饱和性,④核力与核子电荷无关性,二、核能,结合能：把构成原子核而结合在一起的核子分开所需的能量（等于核子合成所放出的能）类似GDP总量．
比结合能：原子核的结合能与核子数之比，称做比结合能，也叫平均结合能.类似人均GDP
质能方程：E＝mc2 ΔE＝Δmc2能量的两种单位:J ;u,三、获得核能的途径,① 重核裂变 典型的裂变方程,②轻核聚变 典型的聚变方程：,四、核反应方程四种类型,【例4--核能】(2013•新课标全国卷Ⅱ)关于原子核的结合能，下列说法正确的是( )
A．原子核的结合能等于使其完全分解成自由核子所需的最小能量
B．一重原子核衰变成α粒子和另一原子核，衰变产物的结合能之和一定大于原来重核的结合能
C．铯原子核(133 55Cs)的结合能小于铅原子核(208 82Pb)的结合能
D．比结合能越大，原子核越不稳定
E．自由核子组成原子核时，其质量亏损所对应的能量大于该原子核的结合能,ABC,【练习】1.假设两个氘核在一直线上相碰发生聚变反应生成氦的同位素和中子，已知氘核的质量是2.013 6 u，中子的质量是1.008 7 u，氦核同位素的质量是3.015 0 u.
(1)聚变的核反应方程是__________________，在聚变核反应中释放出的能量为________MeV.(保留两位有效数字)
(2)若氚核和氦核发生聚变生成锂核，反应方程式为
31H＋42He→73Li，已知各核子比结合能分别为EH＝1.112 MeV、EHe＝7.075 MeV、ELi＝5.603 MeV，试求此核反应过程中释放的核能．,【练习】2.用速度大小为v的中子轰击静止的锂核63Li，发生核反应后生成氚核和α粒子．生成的氚核速度方向与中子的初速度方向相反，氚核与α粒子的速度之比为7∶8，中子的质量为m，质子的质量可近似看做m，光速为c.
(1)写出核反应方程；
(2)求氚核和α粒子的速度大小；
(3)若核反应过程中放出的核能全部转化为α粒子和氚核的动能，求质量亏损．,【例5--核反应方程书写】（2016•全国卷Ⅱ)在下列描述的核过程的方程中，属于α衰变的是（ ），
属于β衰变的是（ ）， 属于裂变的是( )，属于聚变的是（ ）,C,AB,E,F,【练习】(2016•全国卷Ⅲ)一静止的铝 27 13AI 原子核俘获一速度为1.0X107m/s的质子p后，变为处于激发态的硅原子核2814Si，下列说法正确的是( ) A．核反应方程为 B．核反应方程过程中系统动量守恒 C．核反应过程中系统能量不守恒 D．核反应前后核子数相等，所以生成物的质量等于反应物的质量之和 E．硅原子核速度的数量级为105m/s，方向与质子初速度方向一致,ABE,
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