专题12 近代物理

目录
第一节光电效应、波粒二象性   1
【基本概念规律】   1
【重要考点归纳】   2
考点一　光电效应规律的理解   2
考点二　光电效应方程及图象问题   2
【思想方法与技巧】   3
用统计规律理解光的波粒二象性   3
第二节　原子与原子核   3
【基本概念、规律】   3
【重要考点归纳】   6
考点一　氢原子能级及能级跃迁   6
考点二　氢原子的能量及其变化   6
考点三　原子核的衰变　半衰期   6
考点四　核反应类型与核反应方程   7
考点五　有关核能的计算　   7
【思想方法与技巧】   8
守恒思想在核反应中的应用   8

第一节光电效应、波粒二象性
【基本概念规律】
一、光电效应
1．定义：在光的照射下从物体发射出电子的现象(发射出的电子称为光电子)．
2．产生条件：入射光的频率大于极限频率．
3．光电效应规律
(1)存在着饱和电流
对于一定颜色的光，入射光越强，单位时间内发射的光电子数越多．
(2)存在着遏止电压和截止频率
光电子的能量只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发生光电效应．
(3)光电效应具有瞬时性
当频率超过截止频率时，无论入射光怎样微弱，几乎在照到金属时立即产生光电流，时间不超过10－9s.
二、光电效应方程
1．基本物理量
(1)光子的能量ε＝hν，其中h＝6.626×10－34J•s(称为普朗克常量)．
(2)逸出功：使电子脱离某种金属所做功的最小值．
(3)最大初动能
发生光电效应时，金属表面上的电子吸收光子后克服原子核的引力逸出时所具有动能的最大值．
2．光电效应方程：Ek＝hν－W0.
三、光的波粒二象性与物质波
1．光的波粒二象性
(1)光的干涉、衍射、偏振现象证明光具有波动性．
(2)光电效应说明光具有粒子性．
(3)光既具有波动性，又具有粒子性，称为光的波粒二象性．
2．物质波
(1)概率波：光的干涉现象是大量光子的运动遵守波动规律的表现，亮条纹是光子到达概率大的地方，暗条纹是光子到达概率小的地方，因此光波又叫概率波．
(2)物质波：任何一个运动着的物体，小到微观粒子大到宏观物体都有一种波与它对应，其波长λ＝hp，p为运动物体的动量，h为普朗克常量．
【重要考点归纳】
考点一　光电效应规律的理解　　　
1．放不放光电子，看入射光的最低频率．
2．单位时间内放多少光电子，看光的强度．
3．光电子的最大初动能大小，看入射光的频率．
4．要放光电子，瞬时放．
考点二　光电效应方程及图象问题　
1．爱因斯坦光电效应方程
Ek＝hν－W0
hν：光电子的能量．
W0：逸出功，即从金属表面直接飞出的光电子克服正电荷引力所做的功．
Ek：光电子的最大初动能．
2．图象分析
图象名称   图线形状   由图线直接(间接)
得到的物理量
最大初动能Ek与入射光频率ν的关系图线      ①极限频率：ν0
②逸出功：W0＝|－E|＝E
③普朗克常量：图线的斜率k＝h
遏止电压Uc与入射光频率ν的关系图线      ①截止(极限)频率：ν0
②遏止电压Uc：随入射光频率的增大而增大
③普朗克常量：h＝ke(k为斜率，e为电子电量)
频率相同、光强不同时，光电流与电压的关系      ①遏止电压：Uc
②饱和光电流：Im(电流的最大值)
③最大初动能：Ekm＝eUc
频率不同、光强相同时，光电流与电压的关系      ①遏止电压：Uc1、Uc2
②饱和光电流：电流最大值
③最大初动能Ek1＝eUc1，Ek2＝eUc2

【思想方法与技巧】
用统计规律理解光的波粒二象性
微观粒子中的粒子性与宏观概念中的粒子性不同，通俗地讲，宏观粒子运动有确定的轨道，能预测，遵守经典物理学理论，而微观粒子运动轨道具有随机性，不能预测，也不遵守经典物理学理论；微观粒子的波动性与机械波也不相同，微观粒子波动性是指粒子到达不同位置的机会不同，遵守统计规律，所以这种波叫概率波．

第二节　原子与原子核
【基本概念、规律】
一、原子的核式结构
1．α粒子散射实验的结果
绝大多数α粒子穿过金箔后，基本上仍沿原来的方向前进，但少数α粒子发生了大角度偏转，极少数α粒子的偏转超过了90°，有的甚至被撞了回来，如图所示．

2．原子的核式结构
在原子中心有一个很小的核，原子全部的正电荷和几乎全部质量都集中在核里，带负电的电子在核外空间绕核旋转．
二、玻尔理论
1．定态：原子只能处于一系列不连续的能量状态中，在这些能量状态中原子是稳定的，电子虽然绕核运动，但并不向外辐射能量．
2．跃迁：原子从一种定态跃迁到另一种定态时，它辐射或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hν＝Em－En.(h是普朗克常量，h＝6.626×10－34J•s)
3．轨道：原子的不同能量状态跟电子在不同的圆周轨道绕核运动相对应．原子的定态是不连续的，因此电子的可能轨道也是不连续的．
4．氢原子的能级、能级公式
(1)氢原子的能级图(如图所示)

(2)氢原子的能级和轨道半径
①氢原子的能级公式：En＝1n2E1(n＝1,2,3，…)，其中E1为基态能量，其数值为E1＝－13.6 eV.
②氢原子的半径公式：rn＝n2r1(n＝1,2,3，…)，其中r1为基态半径，又称玻尔半径，其数值为r1＝0.53×10－10m.
三、天然放射现象、原子核的组成
1．天然放射现象
(1)天然放射现象
元素自发地放出射线的现象，首先由贝克勒尔发现．天然放射现象的发现，说明原子核具有复杂的结构．
(2)放射性和放射性元素：物质发射某种看不见的射线的性质叫放射性．具有放射性的元素叫放射性元素．
(3)三种射线：放射性元素放射出的射线共有三种，分别是α射线、β射线、γ射线．
2．原子核
(1)原子核的组成
①原子核由质子和中子组成，质子和中子统称为核子．
②原子核的核电荷数＝质子数，原子核的质量数＝质子数＋中子数．
(2)同位素：具有相同质子数、不同中子数的原子，在元素周期表中的位置相同，同位素具有相同的化学性质．
四、原子核的衰变和半衰期
1．原子核的衰变
(1)原子核放出α粒子或β粒子，变成另一种原子核的变化称为原子核的衰变．
(2)分类
α衰变：AZX→A－4Z－2Y＋42He
β衰变：AZX→　AZ＋1Y＋　0－1e
2．半衰期
(1)定义：放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间．
(2)衰变规律：N＝N012t/τ、m＝m012t/τ
(3)影响因素：由原子核内部因素决定，跟原子所处的物理化学状态无关．
五、核力、结合能、质量亏损、核反应
1．核力
(1)定义：原子核内部，核子间所特有的相互作用力．
(2)特点：①核力是强相互作用的一种表现；
②核力是短程力，作用范围在1.5×10－15m之内；
③每个核子只跟它的相邻核子间才有核力作用．
2．核能
(1)结合能
核子结合为原子核时放出的能量或原子核分解为核子时吸收的能量，叫做原子核的结合能，亦称核能．
(2)比结合能
①定义：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．
②特点：不同原子核的比结合能不同，原子核的比结合能越大，表示原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定．
3．质能方程、质量亏损
爱因斯坦质能方程E＝mc2，原子核的质量必然比组成它的核子的质量和要小Δm，这就是质量亏损．由质量亏损可求出释放的核能ΔE＝Δmc2.
4．获得核能的途径：(1)重核裂变；(2)轻核聚变．
5．核反应
(1)遵守的规律：电荷数守恒、质量数守恒．
(2)反应类型：衰变、人工转变、重核裂变、轻核聚变．
【重要考点归纳】
考点一　氢原子能级及能级跃迁　
1．原子跃迁的条件
(1)原子跃迁条件hν＝Em－En只适用于光子和原子作用而使原子在各定态之间跃迁的情况．
(2)当光子能量大于或等于13.6 eV时，也可以被处于基态的氢原子吸收，使氢原子电离；当处于基态的氢原子吸收的光子能量大于13.6 eV时，氢原子电离后，电子具有一定的初动能．
(3)原子还可吸收外来实物粒子(例如自由电子)的能量而被激发．由于实物粒子的动能可全部或部分被原子吸收，所以只要入射粒子的能量大于或等于两能级的能量差值(E＝Em－En)，均可使原子发生能级跃迁．
2．跃迁中两个易混问题
(1)一群原子和一个原子：氢原子核外只有一个电子，这个电子在某个时刻只能处在某一个可能的轨道上，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了．
(2)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．两种情况下辐射(或吸收)光子的能量是不同的．直接跃迁时辐射(或吸收)光子的能量等于间接跃迁时辐射(或吸收)的所有光子的能量和．
3.(1)能级之间跃迁时放出的光子频率是不连续的．
(2)能级之间发生跃迁时放出(吸收)光子的频率由hν＝Em－En求得．若求波长可由公式c＝λν求得．
(3)一个氢原子跃迁发出可能的光谱线条数最多为(n－1)．
(4)一群氢原子跃迁发出可能的光谱线条数的两种求解方法：
①用数学中的组合知识求解：N＝C2n＝nn－12.
②利用能级图求解：在氢原子能级图中将氢原子跃迁的各种可能情况一一画出，然后相加．
考点二　氢原子的能量及其变化　
1．原子能量：En＝Ekn＋Epn＝E1n2，随n(r)增大而增大，其中E1＝－13.6 eV.
2．电子动能：电子绕氢原子核运动时静电力提供向心力，即ke2r2n＝mv2rn，所以Ekn＝12ke2rn，随n(r)增大而减小．
3．电势能：通过库仑力做功判断电势能的增减．当n减小，即轨道半径减小时，库仑力做正功，电势能减小；反之，n增大，即轨道半径增大时，电势能增加．
考点三　原子核的衰变　半衰期　
1．衰变规律及实质
(1)两种衰变的比较
衰变类型   α衰变   β衰变
衰变方程   AZX→A－4Z－2Y＋42He
AZX→　AZ＋1Y＋　0－1e

衰变实质   2个质子和2个中子
结合成一个整体射出   中子转化为
质子和电子
   211H＋210n→42He
10n→11H＋　0－1e

衰变规律   质量数守恒、电荷数守恒
(2)γ射线：γ射线经常是伴随着α衰变或β衰变同时产生的．其实质是放射性原子核在发生α衰变或β衰变的过程中，产生的新核由于具有过多的能量(核处于激发态)而辐射出光子．
2．确定衰变次数的方法
因为β衰变对质量数无影响，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．
3．半衰期
(1)公式：N余＝N原12t/τ，m余＝m原12t/τ
(2)影响因素：放射性元素衰变的快慢是由原子核内部自身因素决定的，跟原子所处的物理状态(如温度、压强)或化学状态(如单质、化合物)无关．
考点四　核反应类型与核反应方程
1．核反应的四种类型：衰变、人工转变、裂变和聚变．
2．核反应过程一般都是不可逆的，所以核反应方程只能用单向箭头连接并表示反应方向，不能用等号连接．
3．核反应的生成物一定要以实验为基础，不能凭空只依据两个守恒规律杜撰出生成物来写核反应方程．
4．核反应遵循质量数守恒而不是质量守恒，核反应过程中反应前后的总质量一般会发生变化．
5．核反应遵循电荷数守恒．
考点五　有关核能的计算　　　　
1．应用质能方程解题的流程图
书写核反应方程→计算质量亏损Δm→利用ΔE＝Δmc2计算释放的核能
(1)根据ΔE＝Δmc2计算，计算时Δm的单位是“kg”，c的单位是“m/s”，ΔE的单位是“J”．
(2)根据ΔE＝Δm×931.5 MeV计算．因1原子质量单位(u)相当于931.5 MeV的能量，所以计算时Δm的单位是“u”，ΔE的单位是“MeV”．
2．利用质能方程计算核能时，不能用质量数代替质量进行计算．
【思想方法与技巧】
守恒思想在核反应中的应用
(1)在动量守恒方程中，各质量都可用质量数表示．
(2)只有利用ΔE＝Δmc2时，才考虑质量亏损，在动量和能量守恒方程中，不考虑质量亏损．
(3)注意比例运算求解．

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