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【高中物理】 原子物理复习主线:模型、跃迁、波粒二象性、核能
【高中物理】 原子物理复习主线:模型、跃迁、波粒二象性、核能原子物理这部分内容看起来零散，其实主线很清楚： 先认识原子结构，再理解能级跃迁，接着从光和实物粒子的波粒二象性进入微观世界，最后落到原子核的衰变、核反应和核能。 复习时只要把这条线抓住，各个考点就不容易混。 一、原子结构模型的演变 最早人们认为原子是不可再分的。 汤姆孙发现电子后，提出原子内部有带负电的电子，也有带正电的部分，正电荷均匀分布，电子嵌在其中，这就是常说的枣糕模型。 这个模型能解释原子整体呈电中性，但解释不了阿尔法粒子散射实验。 卢瑟福通过阿尔法粒子散射实验提出核式结构模型。 实验现象是：绝大多数阿尔法粒子穿过金箔后方向几乎不变，少数发生较大角度偏转，极少数甚至被反弹回来。现象说明原子内部大部分是空的，中心有一个很小的核，核集中了正电荷和几乎全部质量，电子在核外空间运动。 这里要特别注意，阿尔法粒子散射实验说明的是原子有核，不能说明原子核由质子和中子组成。中子的发现是后来查德威克的工作。 核式结构模型也有困难。 按经典电磁理论，电子绕核运动时应不断辐射能量，轨道半径会越来越小，最后坠入原子核，原子不稳定，而且发出的光谱应是连续谱。 但实际原子稳定，氢原子光谱是线状谱。这说明经典理论在微观领域不适用，需要新的量子化假设。 二、玻尔模型与能级跃迁 玻尔在核式结构模型基础上提出三条假设。 第一，轨道量子化，电子只能在某些允许的轨道上运动。 第二，定态假设，电子在允许轨道上运动时不辐射能量，这些状态叫定态。 第三，跃迁假设，电子从一个定态跃迁到另一个定态时，才吸收或发射一定频率的光子。 氢原子能级公式可写成：En等于负13.6除以n的平方，单位是电子伏。n越大，能级越高，能量值越接近0。 基态能量最低，激发态能量较高。能级越高，相邻能级差通常越小。 跃迁条件是核心： 吸收或发射的光子能量等于两能级之差，即h乘以频率等于两能级能量差的绝对值。 从高能级到低能级发射光子，从低能级到高能级吸收光子。 大量氢原子从第n能级向下跃迁时，可能产生的谱线数为n(n-1)/2。 这里要注意，光子能量必须恰好等于能级差才能被原子吸收； 但电离不一样，只要吸收的能量大于等于电离能，就可以使原子电离，多余能量变为电子的动能。 常见易错点： 能级能量是负值，越靠近核能级越低； 跃迁时吸收或发射的是光子，不是电子；一个氢原子和大量氢原子跃迁谱线数不同，题目要看清“一个”还是“大量”。 三、光电效应与光子说 光电效应是光照射金属表面时，使金属中的电子逸出的现象。 实验规律有四条。 第一，存在截止频率，入射光频率低于截止频率时，无论光强多大、照射多久，都不能发生光电效应。 第二，最大初动能随入射光频率增大而增大，与光强无关。 第三，光强影响饱和电流，光强越大，单位时间逸出的光电子数越多，饱和电流越大。 第四，光电效应几乎是瞬时发生的，不需要长时间积累能量。 爱因斯坦提出光子说：光由一个个光子组成，每个光子能量E等于h乘以频率。 光电效应方程为：最大初动能等于h乘以频率减去逸出功。逸出功是电子从金属表面逸出所需的最小能量，数值上等于h乘以截止频率。 遏止电压满足：电子电量乘以遏止电压等于最大初动能。 这部分最容易错的是把光强和频率的作用混掉。 光强增大，只增加单位时间入射光子数，从而增加光电子数，不增加单个光子的能量，所以不增加最大初动能。 最大初动能由入射光频率和金属逸出功共同决定。截止频率由金属本身决定。 光电效应说明光具有粒子性，但不能因此否定光的波动性。 四、波粒二象性与原子光谱 光既具有波动性，又具有粒子性，这叫波粒二象性。 干涉、衍射现象体现光的波动性；光电效应、康普顿散射体现光的粒子性。 康普顿散射中，光子与电子碰撞后散射光波长变长，说明光子不仅有大小的能量，还有动量。 德布罗意提出实物粒子也具有波动性，物质波波长等于普朗克常量除以动量，即lambda等于h除以p，也等于h除以mv。 电子衍射实验证实了实物粒子具有波动性。宏观物体也有物质波，但质量大、动量大，波长极短，不容易观察到波动性。 原子光谱分为连续谱和线状谱。 炽热固体、液体和高压气体通常发出连续谱；稀薄气体发光形成线状谱。 线状谱又分明线谱和暗线谱。发射光谱是明线，吸收光谱是暗线。同种元素的发射谱和吸收谱谱线位置相对应，因为都对应相同的能级差。利用光谱可以分析物质组成，这叫光谱分析。 易错点： 物质波不是机械波； 波长公式中p是动量，不是速度； 光子的能量和动量都与频率、波长有关，但光子没有静止质量。 五、天然放射性与衰变 天然放射性元素能自发发出射线。 常见三种射线： 阿尔法射线是氦核，质量数4，电荷数2；贝塔射线是电子，质量数0，电荷数负1；伽马射线是光子，不带电。 电离能力方面，阿尔法射线最强，贝塔射线次之，伽马射线最弱。 穿透能力方面，伽马射线最强，贝塔射线次之，阿尔法射线最弱。 阿尔法衰变后，新核质量数比原来少4，电荷数少2。 贝塔衰变后，质量数不变，电荷数增加1。贝塔衰变的本质是原子核内的一个中子转变为一个质子，同时放出一个电子。 伽马射线常伴随阿尔法衰变和贝塔衰变产生，是原子核从激发态回到较低能态时释放的光子。 半衰期是放射性元素原子核有半数发生衰变所需的时间。经过时间t后，剩余原子核数可写成N等于N0乘以二分之一的t除以T次方，质量也有同样关系。 半衰期是统计规律，对大量原子核适用，对少量原子核不适用。 半衰期由原子核内部因素决定，不随温度、压强、化学状态改变。衰变方程要遵循质量数守恒和电荷数守恒。 六、核反应、结合能与核能 核反应方程同样遵循质量数守恒和电荷数守恒。 常见核反应类型包括衰变、人工转变、裂变和聚变。 衰变是原子核自发变化；人工转变是用粒子轰击原子核产生新核；裂变是重核分裂成中等质量核；聚变是轻核结合成较重核。 质能方程E等于mc平方说明质量和能量有对应关系。 核反应中出现质量亏损，释放的能量等于质量亏损乘以光速的平方。质量亏损不是质量消失了，而是静质量减少，对应能量以光子、粒子动能等形式释放。 结合能是核子结合成原子核时释放的能量，或把原子核分解成核子时需要的能量。 比结合能是结合能与核子数之比。比结合能越大，原子核越稳定。中等质量核的比结合能较大，所以重核裂变和轻核聚变都可能释放能量。 裂变可发生链式反应，核电站利用裂变释放核能。聚变释放能量更大，但需要极高温度，使原子核有足够动能克服库仑斥力。 易错点： 结合能大不等于比结合能大； 质量亏损不是质量消失； 核反应方程不能用等号随便配平，要检查质量数和电荷数； 裂变和聚变都释放能量，但原因都是反应后比结合能增大，体系更稳定。 把六部分串起来看： 原子结构模型解决原子有核问题， 玻尔模型解决能级和跃迁问题， 光电效应和波粒二象性解决光的本性及实物粒子波动性问题， 天然放射性和核反应解决原子核变化及核能问题。 复习时先记模型和实验结论，再记跃迁条件、光电方程、衰变规律和质能方程，最后用易错点检查，原子物理这条线就顺了。
