沪科教物理选修第三册高清教材_4-教培资料-26年最新资料-同步更新_初中高中教资_03科三专项（进去保存报考的学科即可）_02科三专项（笔记真题思维导图教学设计版本二）

普通高中教科书 物 理 选择性必修 第 三 册 总主编 束炳如 何润伟 上海科技教育出版社2 亲爱的同学： 欢迎你学习《物理（选择性必修 ）》！ 3 本书是高中物理选择性必修的最后一册教材。它涵盖了近代 物理学的一些基本知识，在高中物理中处于特别重要的地位。 我们将首次运用统计思想来研究大量分子做无规则运动的规 律 从宏观和微观两个角度研究固体、液体和气体的性质 在量子 , , 论视野下探索原子世界的奥秘，认识光及实物粒子的波粒二象性。 我们将通过一系列的实验探究活动，增强科学探究意识；并 通过回顾热力学定律和能量守恒定律的发现历程和原子世界的探 秘过程等，增强科学探究能力和科学献身精神，树立可持续发展 意识和社会参与意识，养成关心社会和对社会负责的态度。 为了让你在学习《物理（选择性必修 ）》的过程中获得更 3 大的成功，请浏览下面的栏目介绍。 每章的开头都有一 些情境，提出一些问题， 让你明确本章研究的主 要内容。 4 第 章 热力学定律 物质世界在不断地运动变化着。自然界发生的任何运 动变化过程都遵循着一条最基本、最普遍的规律——能量 守恒定律。 你知道人们是怎样发现能量守恒定律的吗？ 实验探究 自然界的能量不会消失，那么它可以被人们反复利用吗？ 能量可以相互转化，那么燃料的内能是否可以全部用 这里将要求你提出问题， 来做功呢？ 自然界宏观过程的方向性蕴含着怎样的物理原理？ 设计实验方案，动手做一些有 本章将以能量为主线，研究改变内能的方式与规 律——热力学第一定律，理解能量守恒定律及其应用；由 自然界中宏观过程的方向性，了解热力学第二定律；回顾 意义的实验，进行科学探究。 热力学第一定律和能量守恒定律的发现过程，体会科学探 索中的挫折和失败对科学发现的意义。 实验探究 观察液体表面张力现象 . 在杯子内装满水，试着把若干枚小硬币轻轻地平放在水 1 面上。观察水面形状有什么变化？小硬币为什么不沉下去呢？ 2 . 用金属丝制成如图 3-2-2 所示各种形状的框架，分别把 a b 它们浸入肥皂液内，轻轻取出后观察框架上皂膜的形状。 如图 所示，用针捅破金属圆环棉线上边的皂膜， 3-2-3 a 棉线的形状有什么变化？如图 所示，为什么金属框上 3-2-3 b 的皂膜把细金属丝向左拉？对图 3-2-3 c 和图 3-2-3 d 所形成 c d 的皂膜形状，你有什么猜测？ 图3-2-2 观察表面张力现象用的 . 如图 所示，把橄榄油滴入水和酒精的混合液中， 金属框架 3 3-2-4 橄榄油滴呈什么形状？ 这些实验表明，液体的表面就像紧绷着的橡皮膜，它有着 一种收缩的趋势。使液体表面具有收缩趋势的力叫做表面张力 （ ）。 surface tension 那么，表面张力是怎样产生的呢？第 1 章 分子动理论 3 分析与论证 分析与论证 综合上面的研究可以知道，使热力学系统从一个状态变化 到另一个状态，既可以通过做功也可以通过热传递的方式。实 验表明，这两种方式的物理过程虽然不同，对于系统内能的改 这里你将进行分析、综合 , 并 变却是等效的。系统内能的改变过程可用能流图（图 ） 4-1-5 形象地表示。 运用数学工具进行推理 , 得出物理 应该指出，“做功”和“热传递”虽有其等效的一面，但 在物理本质上仍然存在着区别。“做功”（机械功）伴随着一 定的宏观位移，它是系统外的有序运动的能量与系统内分子无 学规律和公式。通过这一过程 , 你 规则运动能量之间的转化，从而改变系统的内能。“热传递” 是通过分子之间的相互作用，是系统外的物质分子无规则运动 将体会科学思维的魅力。 的能量向系统内物质分子无规则运动能量之间完成的一种转移， 从而改变系统的内能。 学生必学做生实必验做实验用油膜法估测油酸分子的大小 学生必做实验 分子很小，无法通过普通的光学显微镜直接观察。为了研 究分子的大小，首先要建立一个简化的分子模型。我们设想组 这里为你提供了完整的实验活动， 成物质的分子都是球形的，而且同种物质的分子都是一个个大 小相同的小球。如果能把某一部分物质的分子一个紧挨一个铺 让你通过动手实验，探索物理规律， 展开来，形成一张“单分子膜”，那么，只要知道这部分物质 的体积 和铺展开来的面积 ，就可以估算出分子的直径及其 V S 学习物理方法，形成物理观念，提高 大小。即 分子直径 D = V S 解决问题的能力，体验成功的喜悦。 分子体积 V 1=1 6 π D3=1 6 π æ è V S ö ø 3 信息浏览 原子，请你排好队！ 测到单个原子的立体形貌。利用 ，人类还实 STM 借助光学显微镜，人们可以观察到细胞、细 现了直接操纵和排布原子的奇迹（图 ）。 信息浏览、STSE 菌和其他微生物，其分辨本领可达 2 × 10-4 mm 。 6-4-4 尽管从技术上来说，提高光学显微镜的放大倍数 这里为你提供了各种有趣、有用的 并不困难，但不管放大倍数有多大，比 2 × 10-4 mm 还小的物体，如大多数病毒，在光学显微镜下都 不能被看清楚。 资料，包括物理学史上的经典事例、科 要提高显微镜的分辨本领，必须改用波长比 可见光短得多的射线。电子的德布罗意波长很短， 学家小故事等，它们反映了物理学与科 因此用电子束代替光束成为上佳选择。 1931 年德 国物理学家鲁斯卡（ ）发明了世界上第一 E. Ruska 台电子显微镜。 学、技术、社会、环境的紧密联系。你 年，美国 公司的物理学家宾尼希和 1982 IBM 他的老师罗雷尔发明了世界上第一台扫描隧穿显 的视野将更开阔，你会更加热爱科学。 微镜，它应用了电子的量子隧穿效应，能直接观 图 子排 6- 布 4- 在 4 铜 表 用 面 扫 上 描 的 隧 “ 穿 原 显 子 微 ” 镜 两 把 字 碳原 课题研究 课题研究 这里提供了一些课题供你选 肥皂水与清水的表面张力比较研究 有关。做一下这个实验，并写出课题研究报告， 请你设计一个实验，比较肥皂水与清水的 在同学间相互交流评价。 择研究，这种研究将使你的才智得 表面张力，并粗略地研究表面张力与哪些因素 到充分的展示。 多学一点 如何理解分子之间既有引力又有斥力 我们先来研究一下原子间的引力和斥力是如何产生的。原 子中有一个直径约 10-15 m 的带正电的核，核外有带负电的电子 多学一点 组成的电子云。整个原子呈电中性。 当两个原子相距较远时（图 ），可以认为相互间没 1-3-6a 有静电力的作用。 这里将介绍更多更深的奥 当两个原子接近到如图 所示的情况时，它们有一 1-3-6b 部分电子云互相重叠。原子 的电子已不能把原子 的核的正 1 1 秘，以开阔你的视野。你如果有 兴趣，可以作进一步的探索。 1111 2222 1111 2222 a 两原子aaaa相距较远时 b 两原bbbb子接近时 c ccc两c原子 相当靠近时 图1-3-6 分子间相互作用的微观解释目 录 1 第 章 分子动理论……………………… 6 1.1走进分子世界 ……………………………… 7 1.2无序中的有序 ……………………………… 14 1.3分子动理论 内能………………………… 20 2 第 章 气体定律与人类生活…… 25 2.1气体的状态 ……………………………… 26 2.2玻意耳定律………………………………… 29 2.3查理定律和盖- 吕萨克定律 …………… 34 3 第 章 固体、液体与新材料 ……… 40 3.1固体的性质………………………………… 41 3.2液体的表面性质…………………………… 45 3.3液晶与显示器 ……………………………… 51 3.4半导体材料和纳米材料…………………… 56 4 第 章 热力学定律 …………………… 64 4.1热力学第一定律 …………………………… 65 4.2能量守恒定律……………………………… 70 4.3热力学第二定律…………………………… 755 第 章 原子世界探秘 ……………… 82 5.1电子的发现………………………………… 83 5.2原子模型的提出…………………………… 86 5.3量子论视野下的原子模型………………… 89 6 第 章 波粒二象性…………………… 96 6.1光电效应现象……………………………… 97 6.2光电效应的理论解释  ……………………100 6.3光的波粒二象性 ………………………… 103 6.4实物粒子具有波动性 …………………… 105 7 第 章 原子核与核能  …………… 110 7.1原子核结构探秘  ………………………… 111 7.2原子核的衰变 …………………………… 115 7.3原子核的结合能 ………………………… 122 7.4裂变与聚变 ……………………………… 126 7.5粒子物理与宇宙起源 …………………… 134 总结与评价 课题研究成果报告会……………140 研究课题示例 ……………………………………140 评价表 ……………………………………………1416 1 第 章 分子动理论 年，英国植物学家布朗（ ）在研究一种 1827 R. Brown 花粉的繁殖过程时注意到，悬浮在水中的花粉颗粒会不停 地毫无规则地跳动，就像“活的”一样。这种由植物学家 发现的现象，却难倒了当时的许多物理学家。 悬浮颗粒为什么会不停地做着这种杂乱无章的运动 呢？这种运动是否就是人们猜测的分子运动的宏观表现？ 组成物质的分子究竟有多大？ 大量分子的运动有什么特点？ 物质分子的微观运动在宏观上有何表现？ 本章将采用宏观和微观相结合的方法，以统计思想和 能量观点为主线来研究分子的运动；通过实例和活动，了 解分子动理论的基本观点及相关的实验证据；了解分子运 动速率分布的统计规律；结合分子动理论阐释温度和气体 压强的微观意义，研究由分子运动所决定的物质系统的 内能。第 1 章 分子动理论 7 1.1 走进分子世界 我们知道，物体都是由许多很小的分子组成的。那么，分 子有多大？怎样知道分子的大小呢？物质的分子有多少呢？它 们的运动状态是怎样的？ 分子的大小 用油膜法估测分子的大小， 提供了一个测量微观量的思想和 学生必学做生实必验做实验用油膜法估测油酸分子的大小 方法。 分子很小，无法通过普通的光学显微镜直接观察。为了研 实际分子有着复杂的内部结 究分子的大小，首先要建立一个简化的分子模型。我们设想组 构，建立分子的球模型，仅是为 了便于研究。 成物质的分子都是球形的，而且同种物质的分子都是一个个大 小相同的小球。如果能把某一部分物质的分子一个紧挨一个铺 展开来，形成一张“单分子膜”，那么，只要知道这部分物质 的体积 V 和铺展开来的面积 S，就可以估算出分子的直径和体 积的大小。即 V 分子直径 D = S æV ö3 分子体积 V 1 D 3 1 1 = π = π èSø 6 6 思考讨论 怎样使某部分的物质分子一个紧挨一个地铺展开 1. 来呢？ 图1-1-1 场离子显微镜（FIM）拍 图1-1-2 用扫描隧穿显微镜描绘的遗传分子（DNA）形状 摄的图像显示了铂针顶端的原子（橘 黄色）排列情况，这个图像放大了 20万倍8 如何测量铺展后形成的不规则图形的面积？ 2. 设计实验 以油酸（ ）为例，为了使分子排列起来，可 设计本实验的思想方法是： C17 H33 COOH 如何将难以测量的微观量，转化 以利用油酸分子的酸根— 对水有很强的亲和力这一特点。 COOH 为相对容易测量的宏观量。 把一滴用酒精稀释过的油酸溶液滴在水面上，油酸就在水面散 开，形成一层薄薄的膜（酒精溶于水，并会很快挥发）。这层 薄膜可以看成是单分子层，它的厚度可以认为等于油酸分子的 直径（图 ）。 1-1-3 实验操作 配制浓度为 的油酸酒精溶液。 科学合理的实验操作是获取 1. 0.1% 正确实验数据的关键，有助于减 将配制好的油酸酒精溶液放在小量筒中，用滴管吸取 2. 小实验中的误差。 3 的溶液，数出均匀滴出时的总滴数N，得 滴溶液的体积。 1 cm 1 根据配制的浓度，即得 滴溶液中油酸的体积 1 V 1 3 = N × 0.1%cm 在一个 × 的浅盘里倒入约 深的水，将 3. 30 cm 30 cm 2 cm 痱子粉或滑石粉均匀地撒在水面上。再用滴管吸取配制好的油 酸酒精溶液，滴入一小滴到水面上，液滴很快会形成如图 1-1-4 所示的油酸薄膜。 油酸分子 图1-1-3 油酸分子形成单分 子层的示意图 图1-1-4 油酸薄膜形状 用玻璃板盖在浅盘上，在玻璃板上覆一张半透明的坐标 4. 纸，将油膜形状描画在坐标纸上。 收集证据 实验序号 1 2 3 要正确地读出和记录实验数 油酸溶液体积 据，运用恰当的方法处理数据并 油膜面积 得出正确结论。第 1 章 分子动理论 9 扫描隧穿显微镜（ 实验结论 scanning ，简称 ） tunneling microscope STM 通过计算可得油酸分子直径的测量值的数量级为 -9 是在 年由德国科学家宾尼 10 ~ 1982 ，由此可见，分子是何其小！你的测量值是多少呢？ 希（ ）和瑞士科学家罗 -10 10 m G. Binnig 雷尔（ ）首先研制成功 请你写出完整、规范的实验报告，正确表达科学探究的过 H. Rohrer 的。为此，他俩与另一位科学家 程和结果。 共同获得了 年的诺贝尔物 1986 理学奖。 研究表明，一般分子直径的数量级为 。例如，水分 -10 10 m 子的直径约为 × ，氢分子的直径约为 × 。 -10 -10 4 10 m 2.3 10 m 现在，用扫描隧穿显微镜已经可以看到原子尺度的微观世 年 月， 美 国 公 1993 5 IBM 界（图 ）。 司的科学家在 的温度下，用 1-1-5 4 K 电子束将单层的铁原子蒸发到铜 表面，然后用扫描隧穿显微镜针 尖将 个铁原子排列成直径为 48 的圆形量子围栏。 14.3 nm 图1-1-5 扫描隧穿显微镜观察到的圆形量子围栏 1 mol 物质的分子数 分子很小，通常的一小块物体中都包含着大量的分子。 我们在化学中已学过， 任何物质所包含粒子的数目都 1 mol 相等，这个数目叫做阿伏伽德罗常量（ ）。根 Avogadro constant 据分子的球模型，可以算出阿伏伽德罗常量的大小，从而推算 出一定量任何物质中所包含分子的数目。 以水为例，水的摩尔体积是 V × -5 3 ，水分子 对于一个系统，从整体上对 mol = 1.8 10 m /mol 其状态加以描述的方法叫做宏观 的直径约为 D = 4 × 10 -10 m ，由此得水分子的体积V 1 = 1 πD3 = 描述。这时表征系统状态和属性 6 × 。假设水分子是一个紧挨一个地排列着的，则 的物理量叫宏观量。 -29 3 3.0 10 m 1 mol 通过微观粒子运动状态的说 水所含的水分子数目（即阿伏伽德罗常量）就等于 明，对系统的状态加以描述的方 V N -5 3 法叫做微观描述。描述微观粒子 mol 1.8 × 10 m /mol 23 -1 A = V = -29 3 = 6.0 × 10 mol 运动状态的物理量叫微观量。 1 3.0 × 10 m 阿伏伽德罗常量是一个重要的常量，它仿佛是联系宏观世 界和微观世界之间的一座桥梁。利用阿伏伽德罗常量，可以把 摩尔质量、摩尔体积等宏观量，跟分子质量、分子大小等微观 量联系起来。有了它，我们可以通过对某些宏观量的测量，窥10 见分子水平的微观世界。 目前，阿伏伽德罗常量的公认值是 N × 23 -1 A = 6.023 10 mol 在通常的计算中，可取N × 23 -1 。 A = 6.0 10 mol 案例分析 案例 一间教室长 a ，宽 b ，高 c ，假设 = 8 m = 7 m = 4 m 教室里的空气处于标准状况。为了估算出教室空气中气体分子 的数目，有两位同学各自提出了一个方案： 方案1 取分子直径 D × -10 ，算出分子体积V = 1 10 m 1 = 1 πD3 ，根据教室内空气的体积V abc，算得分子数 = 6 V abc N 6 = V = D 3 1 π 方案2 根据化学知识， 空气在标准状况下的体积 V 1 mol 0 = × 。由教室内空气的体积，可算出教室内 -3 3 22.4 L = 22.4 10 m V abc 空气的摩尔数 n 。再根据阿伏伽德罗常量，算得空 = V = V 0 0 气中气体分子数 abc N nN N = A = V A 0 请对这两种方案做一评价，并估算出你们教室空气中气体 分子的数目。 分析 方案 把教室空气中的气体分子看成是一个个紧挨 1 在一起的，没有考虑分子之间的空隙，不符合实际情况。通常 情况下气体分子间距的数量级为 ，因此分子本身体积只 -9 10 m 是气体所占空间的极小一部分，常常可以忽略不计。方案 的 2 计算方法是正确的。 请根据方案 完成计算。可以估算出教室空气中气体分子 2 数目的数量级达到 。 27 10 布朗运动 在初中物理中已经知道，物质分子永不停息地做着无规则 的热运动，扩散现象和布朗运动就是分子无规则运动的结果。 扩散是由于分子做无规则运动使不同物质彼此进入对方的 一种现象。无论气体、液体和固体等不同物态的物质，都会发 生扩散。扩散在日常生活和生产实践中非常普遍，其中有一些 扩散现象是十分有害的。例如，汽车排放的尾气，工厂排放的 污水，燃煤的烟尘，工业废料中的重金属等都会向四周扩散，第 1 章 分子动理论 11 污染空气、河水和土壤等。 通过观察布朗运动可以更直观地体会分子运动的现象。如 图 所示，将封有悬浊液的载玻片置于显微镜下，调节显 1-1-6 微镜，即可看到悬浊液中小颗粒的运动。 如果追踪其中的一个小颗粒，每隔一定时间（如 ）记 30 s 下它的位置，然后用线段把这些位置依次连接起来。可以看到， 连成的折线曲曲折折，纵横交错（图 ）。这个现象说明 1-1-7 小颗粒在不停地改变着自己的运动方向，做的是一种极其不规 则的运动。小颗粒的这种无规则运动叫做布朗运动（ Brownian ）。这种小颗粒通常被叫做布朗粒子。 motion a 认定一个小颗粒进 b 把这些位置依次 图1-1-6 用显微镜观察布 行观察所得到的一系列 连接起来得到的折线 朗运动 位置 图1-1-7 布朗粒子无规则运动示意图 布朗运动是否就是分子的运动？你认为应该怎样解释这个 实验现象？ 我们知道，分子直径的数量级为 ，远比布朗粒子小， -10 10 m 人眼无法直接看到。因此，布朗粒子的运动并不是分子的运动。 那么，布朗运动是怎样产生的呢？在物理学家迷茫了几十 年后，爱因斯坦终于搞清楚了产生布朗运动的原因。原来，布 朗粒子悬浮在液体中，会不断地受到其周围液体分子对它的撞 击（图 ）。由于布朗粒子很小，因此这些撞击虽然来自 1-1-8 四面八方，一般不会完全抵消。如果在某个瞬间，一个布朗粒 子在某个与其运动不在一直线的方向上受到的撞击较强，那么 图1-1-8 布朗运动的原因 它的运动方向就会发生相应的改变；如果在另一个瞬间，它在 另一个与其运动方向不在一直线的方向上受到的撞击较强，那 么它的运动方向又会发生另一种相应的改变。由于液体分子对 布朗粒子的撞击是不规则的，布朗粒子也就不断地改变着运动 方向，做着毫无规则的运动。 在布朗运动的实验中发现，液体的温度越高，布朗运动越 明显。这间接说明了温度越高，液体分子的无规则运动越剧烈。 在热力学中，我们研究的对象是由大量分子组成的集合体，叫12 做热力学系统（ ）。由此可见，一个宏观 thermodynamic system 系统的冷与热跟系统内大量分子无规则运动的剧烈程度有关。 在物理学上，把分子永不停息的无规则运动叫做热运动（ thermal ）。 motion 热运动与机械运动是完全不同的两种运动形式。热运动指 的是系统内大量分子的无规则运动，机械运动则是系统整体的 或某一部分的宏观位置变动。例如，在观察布朗运动的实验中， 放在实验桌上容器中的液体，作为一个整体来说相对于实验室 参考系是静止的，并不做机械运动，但液体内的分子却不停地 在运动，整个液体处在一种热运动状态。 案例分析 案例 几位同学通过对布朗运动的观察后，提出了以下一 些看法，其中正确的是（ ）。 布朗运动是组成固体微粒的分子无规则运动的反映 A. 悬浮的固体微粒越小，布朗运动越显著 大气中存在着各种形状不 B. 规则的悬浮颗粒，科学上用 观察时间越长，布朗运动越显著 C. 、 等名称分别表示直 布朗运动的发生与温度的高低无关 PM10 PM2.5 径小于或等于 μ 、 μ 的 D. 10 m 2.5 m 从缝隙中射入一缕阳光，从阳光中看到的尘埃的运动就 悬浮颗粒物。 E. 是布朗运动 雾霾天气时悬浮的 颗粒，也在空中做布朗运动 F. PM2.5 请你根据布朗运动的产生原因、热运动的意义、布朗粒子 与尘埃等固体微粒尺度的比较等方面，对上述看法做出评价。 信息浏览 关于布朗运动的研究 试验，他发现，只要颗粒足够小，它们悬浮在水 年，布朗发现了花粉颗粒在水中杂乱无 中都会做这样的运动。布朗说：“在经过多次重 1827 章的运动后，人们对这种运动的产生原因进行了 复的观察后，我确信这些运动既不是液体的流动， 种种猜想： 也不是由液体的蒸发所引起的，而是属于粒子本 有人认为，这种运动起因于液体蒸发而造成 身的运动。” 的容器中液体的缓慢对流； 面对植物学家的发现，当时的物理学家显得 有人认为，这是一种生物现象，跟这种花粉 束手无策。一个小小的花粉颗粒，却掀起了一场 所属的植物有关； 轩然大波。 …… 整整过了半个世纪，到 年，才有人指出， 1877 布朗用无机物颗粒（包括研细的石粉）做了 布朗运动是由于液体分子的碰撞产生的。第 1 章 分子动理论 13 年，爱因斯坦和波兰物理学家斯莫鲁霍 格，会因各种随机的政治经济因素而发生变动。 1905 夫斯基（ ）分别发表了他们对布 这些，都是随机涨落。 M. Smoluchovski 朗运动的理论研究结果，对布朗运动做出了理论 对布朗运动的研究有很重要的意义。爱因斯 上的解释。 坦、佩兰（ ）、默顿（ ）和斯科 J. Perrin R. Merton 布朗运动的实质是大量分子无规则运动引起 尔斯（ ）这四位荣获诺贝尔奖的科学家 M. Scholes 的随机涨落，这种现象不仅在自然界中大量存在， （后两位是 年诺贝尔经济学奖获得者），都 1997 而且在工程技术和社会生活中也存在。例如，许 对它进行过研究，这恐怕是布朗始料未及的。 多精密仪表的指针，由于受空气中气体分子的碰 撞也会出现无规则的左右摆动；股市中的股票价 家庭作业与活动 1. 估算一下，成年人深呼吸一次能吸进多少个气 水的摩尔质量和水分子的体积 B. 体分子？ 水分子的体积和水分子的质量 C. 2. 一只保温瓶内水的质量约 ，其中水分子 水分子的质量和水的摩尔质量 2.2 kg D. 的数目约为多少？水的摩尔质量为 。 5. 为了估算出教室空气中气体分子的间距，需要 18 g/mol 3. 用油膜法做实验时，事先将 的油酸溶于 知道哪些物理量？请写出用这些物理量表示的 3 1 cm 酒精，制成 的油酸酒精溶液。已知 分子间距表达式。 3 200 cm 该溶液有 滴，现取 滴油酸酒精溶液 6. 有人说，图 中画出的就是一个布朗粒 3 1 cm 50 1 1-1-7 b 滴到水面上，形成一层单分子薄膜，测得油膜 子的运动轨迹。这种说法对不对？ 的面积为 ，试估算油酸分子的直径大约 7. 实验研究表明：在观察布朗运动的实验中，布 2 0.2 m 为多少。 朗粒子越小，悬浮液的温度越高，布朗运动就 4. 为了测出阿伏伽德罗常量，需要知道的物理量 越剧烈。请根据你对布朗运动的理解，分析一 是（ ）。 下原因。 水的密度和水的摩尔质量 A.14 1.2 无序中的有序 大量分子永不停息的无规则运动有一定的规律吗？我们先 来研究气体分子的运动。 气体分子运动的特点 为了揭开气体分子运动之谜，我们可以在气体分子的球模 型基础上再假设一些理想化条件。 通常状况下气体分子间的距离比较大，相互之间的作用力 很小，因此可以忽略气体分子间的相互作用，认为气体分子除 了相互碰撞或跟器壁碰撞外，不受力的作用，在空间自由运动。 大量分子的无规则运动，必然会导致分子间频繁地碰撞（图 ）。研究表明，在标准状况下，一个气体分子在 内跟 1-2-1 1 s 图1-2-1 分子间频繁地碰撞 其他气体分子的碰撞竟达到几十亿次之多。 由此可见，气体分子在不断的碰撞中频繁地改变着方向， 做着杂乱无章的运动。 你是怎样理解分子杂乱无章的运动的呢？这么多分子沿各 个方向运动的机会是均等的吗？ 用统计思想研究分子运动 气象台的天气预报，除了报告未来几天的天气状况、气温 变化外，有时还报告“降水概率”（图 ）。“降水概率” 1-2-2 是指下雨可能性的大小。气象台预报说：“明天的降水概率是 。” 这意味着明天有七成可能会下雨。 70% 在大量的偶然事件背后，蕴藏着一种规律，这种规律要通 过搜集大量资料并加以整理分析后才能显示出来，这种规律叫 做统计规律。统计规律普遍存在于自然现象和社会现象之中。 对于做无规则运动的大量分子，可以用统计思想方法加以研究。 气体分子运动的统计规律 大量气体分子在做杂乱无章的运动时，它们沿各个方向运 动的概率是均等的。那么，这种运动中是否隐藏着某种规律？ 图1-2-2 降水概率 实验探究 用伽尔顿板模拟分子的无规则运动 图 所示的装置称为伽尔顿板。在一块竖直平板上均 1-2-3a第 1 章 分子动理论 15 匀地密布着许多钉子，平板下方有一木槽，木槽内分有许多宽 度相同的竖立的小格。实验时，先让一个小球从平板上方下落， 在下落过程中这个小球跟钉子磕磕碰碰，最后落到木槽的某个 小格中；然后再让另一个小球下落，它可能落进另一个小格。 多次重复这样的操作，我们可以发现，一个小球跟钉子碰撞后 落进哪一个小格完全是无法预料的，也就是说，小球落入某个 小格完全是一个随机的偶然事件。如果让许许多多小球落下去， 那么可以看到，有些小格中落入的小球多，另一些小格中落入 的小球少。多次重复操作可以发现，木槽的各小格中落入的小 球数目有着一定的分布规律——始终是中间的小格多，两边的 小格少，如图 所示。 1-2-3 b 如果把小球看成分子，它们落入木槽内不同的小格对应着 分子经不断碰撞后获得的速度大小，那么，从伽尔顿板的实验 中可以得到启示：对于由大量微观粒子组成的系统，就其宏观 性质而言，统计规律起着主导作用。 a 伽尔顿板 b 小球分布情况 图1-2-3 伽尔顿板实验 分析与论证 年，麦克斯韦运用统计方法，找到了气体分子速率的 1859 分布函数，从而确定了气体分子速率的分布规律。这个规律指出， f（v） 在一定状态下，气体的大多数分子的速率都在某个数值附近， 速率离开这个数值越远，具有这种速率的分子就越少，即气体 分子速率总体上呈现出“中间多，两头少”的正态分布特征［如 图 中的正态分布曲线，v 表示分子的速率，f（v）表示分 1-2-4 子速率分布函数］，很像伽尔顿板实验中落入各个小格中的小 O v 球多少所形成的分布（如图 中的直方图）。 图1-2-4 正态分布曲线 1-2-416 科学家用实验方法测出了在 ℃和 ℃时氧分子的速率 0 100 分布，如下表所示。 氧分子的速率分布表 不同温度下各速率区间的分子数占总分子数的百分比 按速率大小划分的速率区间v（ ） /% -1 / m·s 0℃ 100℃ 以下 100 1.4 0.7 — 100 200 8.1 5.4 — 200 300 17.0 11.9 — 300 400 21.4 17.4 — 400 500 20.4 18.6 — 500 600 15.1 16.7 — 600 700 9.2 12.9 — 700 800 4.5 7.9 — 800 900 2.0 4.6 以上 900 0.9 3.9 如果以横坐标上的各等长区间表示相应的速率范围，以纵 坐标表示所占的百分比，那么可以用直方图表示出一定温度下 分子速率的分布，如图 所示。 1-2-5 麦克斯韦的统计方法在物理学思想史上具有重大意义。它 向人们指出，对于一个由大量微观粒子组成的系统，利用统计 方法，一旦找出了某个微观量的分布函数，便可求出这个微观 量的统计平均值，而这个统计平均值正好等于该系统的相应宏 观量。这样，就把分子的微观运动跟物体的宏观表现紧密地联 系起来了。 因此，人们称颂麦克斯韦的统计方法“标志着物理学新纪 元的开始”。 思考与讨论 请比较不同温度下氧分子速率分布的直方图（图 ）， 1-2-5 历史上曾有人试图采用牛顿 你得到什么启示？ 力学的方法，根据每个分子受到 如果把图 中的分子速率区间缩短些，例如以 、 周围分子的作用列出运动方程， 1-2-5 10 m/s 为区间长度，请推测一下，这时的速率分布将是怎样的一 找出它的运动规律，但很快就陷 1 m/s 入困境。 种图像？第 1 章 分子动理论 17 % 30 25 20 15 10 5 O v/（× 2 -1 ） 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 10 m·s a 0℃时的速率分布 % 30 25 20 15 10 5 O v/（× 2 -1 ） 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 10 m·s b 100℃时的速率分布 图1-2-5 一定温度下氧分子的速率分布 温度的微观解释 从人类对冷热程度的直接感觉到伽利略制成第一支验温 器，经历了漫长的岁月。如今，在实验室里能产生的最高温度 已达 ，最低温度则低至 ，相差 个数量级。如果 8 -8 10 K 10 K 16 把目前已知的温度从小到大依次排列起来，就可以得到一个有 大约 个数量级的温度阶梯（图 ）。 50 1-2-6 面对这个温度阶梯，我们很自然地会想到一个问题：温度 的高低究竟是由什么因素决定的呢？下面我们用统计思想来进 行解释。 分析与论证 我们从扩散现象和布朗运动的研究已经知道，分子的运动 跟温度有关。温度越高，分子扩散得越快，布朗运动越明显， 制 表明分子运动得越快。麦克斯韦得到的气体速率分布表明，温 度越高，速率大的分子所占的比例越大，所有分子的平均速率 也随之增大。由此可见，温度的高低由物质分子的运动情况所 制 决定。 理论研究指出，温度的高低与一个热学系统内所有分子热 图1-2-6 温度阶梯18 运动的平均动能有关。温度升高，系统内分子热运动的平均动 能增加；温度降低，系统内分子热运动的平均动能减少。因此， 从分子尺度的观点来看，系统内分子的微观运动决定着系统宏 观的温度。 温度是系统内所有分子热运动的平均动能的标志。 值得注意的是，系统内分子的平均动能跟系统整体做机械 运动的动能是两个不同的概念。系统整体做机械运动的动能由 其质量和速度决定，通常认为与温度无关，相对于参考系静止 时，其动能为零。系统内分子的平均动能是指组成系统的大量 分子做无规则运动所具有的动能的平均值，它的大小决定于温 度和物质的量。在任何情况下，系统内分子的运动永不停息， 系统内分子的平均动能总不为零，因此系统总是有一定的温度。 由此可见，温度是组成物质的大量分子的热运动的集体表现， 它只具有统计的意义，对单个分子来说，温度是没有意义的。 思考与讨论 初中物理中，把温度定义为“物体冷热的程度”，现在我 们把温度定义为“系统内分子平均动能的标志”，请比较这两 种定义的联系与区别。 气体压强的微观解释 在研究大气压的时候，有一个问题常使人们迷惑不解：在 “大气海洋”底层的物体（包括人体），受到上方厚厚的大气 产生的压强，这个压强为什么会跟地面附近一小瓶气体产生的 压强一样呢？要回答这个问题，必须从气体压强的产生原因和 图1-2-7 在“大气海洋”的底层 决定大气压强大小的因素上去寻找。 为了简化研究，可以把气体分子看成一群弹性小球。分子 撞击器壁的运动就像乒乓球对坚硬墙壁的碰撞，每次撞击都会 对器壁产生一定的压力。大量分子的频繁碰撞，从宏观上会对 器壁形成一个持续稳定的压力。 实验探究 用钢珠模拟分子碰撞产生的压力 如图 所示，让小钢珠从同一高度大量持续地落到一 1-2-8 台电子秤的秤盘上，电子秤的示数并不做大幅度的跳动，而仅 是在某个值附近摆动。这说明在大量粒子的连续撞击下，秤盘 上受到的是一个持续稳定的压力。 接着，让小钢珠从更高处大量持续地落到秤盘上，秤的示 图1-2-8 用钢珠模拟分子碰撞 数会在另一个较大的值附近变动。第 1 章 分子动理论 19 分析与论证 气体的压强反映着器壁单位面积上所受平均压力的大小。 那么，从微观角度来看，气体压强的大小由什么因素决定呢？ 从上述实验中可以找到对应关系： 钢珠越密集——单位体积中的分子数越多 下落高度越大——分子的平均速率越大 指示的数值越大——分子对器壁的压力越大 由此可见，气体压强的大小跟两个因素有关，一个是单位 体积中的分子数（分子的密集程度），一个是气体分子的平均 动能。 气体压强是大量气体分子集体行为的反映，它同样具有统 计的意义。气体分子做的是无规则运动，因此在任何时刻分子 向各个方向运动的概率都相等，反映在宏观上，就是容器中各 处压强的大小都相等。 思考与讨论 根据决定气体压强大小的两个微观因素，你能对“大气海洋” 底层的压强，跟地面附近一小瓶空气的压强一样的问题进行解 释吗？ 家庭作业与活动 1. 教室里有许多不同种类的物质——铁、铜、塑 体内每一个分子的动能都一定减少。 料、木材、水、空气等，它们同处一室。这些 （ ）现有甲、乙两个由同种材料组成的物体， 2 物质分子的平均动能是否相同？这些物质分子 若甲的温度比乙的温度高，那么甲物体 的平均速率是否相同？为什么？ 内每个分子的动能一定都比乙物体内每 2. 根据温度的微观意义，有人提出以下的说法： 个分子的动能大。 （ ） 物体的温度升高，物体内每一个分子的 你认为这两种说法对不对？为什么？ 1 动能都一定增加；物体的温度降低，物 课外活动 寻找生活中正态分布的实例 阶的中间都比两边磨损得 麦克斯韦得出的气体分子速率分布规律并 多，显出正态分布的特征。 不神秘，它跟你的学习和生活十分接近。图 请寻找其他具有正态 1-2-9 所示是一条古老的石阶，它记录着千千万万人 分布特征的实际例子。 次的脚印。人们在这条石阶上走上走下时，脚 踏在中间的多，踏在两边的少，因此每一个台 图1-2-9 一条古老的石阶20 1.3 分子动理论 内能 分子力 扩散现象和布朗运动，不仅说明了组成物质的分子在永不 停息地运动，而且说明物质分子不是紧紧地挤在一起的，分子 之间是有空隙的。 图 是用扫描隧穿显微镜拍摄的石墨表面原子的排列 1-3-1 情况，一排排亮点（碳原子）之间的暗背景显示出原子间的空隙。 分子间存在着空隙，而固体却能保持一定的形状，这启示 我们：分子之间存在着相互作用力。 研究表明，分子之间同时存在着引力和斥力，它们的大小 图1-3-1 用扫描隧穿显微镜拍摄的石墨表面的原子排列情况 液压缸 踏脚板 制动盘 液体流 入导管 液体流入 制动缸 卡钳合拢，制动 片与制动盘压紧 图1-3-2 由于分子之间引力的作用，两段铅柱会结合 图1-3-3 水、油等液体很难被压缩，显示分子之间斥力的 成一体，下方挂上一定质量的重物后也不分开 作用。水压机、液压传动就是利用了它们的“不可压缩性”第 1 章 分子动理论 21 都跟分子之间的距离有关。图 中横轴上下的两条虚线分 F 1-3-4 别表示两个分子间的引力和斥力随距离变化的关系，实线表示 斥 引力和斥力的合力随距离变化的关系。当两个分子间的距离为 力 r 时，引力和斥力相互平衡，这时，我们说这两个分子处于平 0 衡位置。r 的数量级约为 -10 。 O 0 10 m r r 引 0 分子动理论 力 图1-3-4 分子力与分子间距的关系 综上所述，我们知道，一个宏观的热学系统是由大量分子 组成的；分子在永不停息地做着无规则运动；分子之间同时存 在着引力和斥力。这就是分子动理论（ ） molecular kinetic theory 的基本内容。 思考与讨论 结合图 讨论一下：当两个分子间的距离小于 r 、等 通常把分子间引力用负值表 1-3-4 0 于r 、大于r 等不同情况时，分子间相互作用力有什么特点？ 示，而斥力用正值表示。 0 0 初中物理也学习过分子动理论，你觉得哪些方面有了更深 刻的认识？请相互交流。 分子的动能和势能 分子有一定的质量，又在不停地做着无规则运动，因此分 子都具有动能。我们知道，由于地球与物体间的万有引力作用， 地面附近的物体具有重力势能；由于电荷与电荷间存在的静电 相互作用，电荷具有电势能。既然分子间也存在着相互作用， 因此分子同样会具有势能。在物理学中，把由分子间的相对位 置决定的势能，叫做分子势能。 分子势能的变化，同样由分子力做功的情况决定。 图 把两个分子间的相互作用跟两个点电荷间的相互 1-3-5 f f f f ′ ′ r > r 0 相互吸引的两个分子 相互吸引的两个电荷 f f f f ′ ′ r < r 0 相互排斥的两个分子 相互排斥的两个电荷 图1-3-5 分子力与电荷间相互作用力的类比22 作用做了类比。请你也用类比的方法，找出分子势能的变化与 分子力做功的关系。 通过类比，可以知道，当 r r 时，随着分子间距离的增大 > 0 （减小），分子引力做负功（正功），分子势能增加（减少）； 当 r r 时，随着分子间距离的减小（增大），分子斥力做负功 < 0 （正功），分子势能增加（减少）。总之，当分子力做正功时， 分子势能减少；当分子力做负功时，分子势能增加。 物体内分子间的距离发生了变化，在宏观上就表现为物体 的体积发生了变化，所以，分子势能跟物体的体积有关。 内能 物理学中，把系统内所有分子的热运动动能和分子势能的 总和，叫做系统的内能（ ），又叫做热力学能， internal energy 用符号U表示。 根据内能的定义可知，在微观上，一个系统的内能大小跟 它所包含的分子的多少、分子热运动的速率和分子间相互作用 等因素有关。 内能是不同于机械能的另一种形式的能。由于任何系统的 分子都在不停地运动，分子间又存在着相互作用，所以任何系 统都具有内能。但是，某系统在一个确定状态下的内能究竟有 多大是无法计算的，因此，在处理实际问题时，有意义的不是 系统内能的大小，而是内能的变化量。 多学一点 如何理解分子之间既有引力又有斥力 我们先来研究一下原子间的引力和斥力是如何产生的。原 子中有一个直径约 的带正电的核，核外有带负电的电子 -15 10 m 组成的电子云。整个原子呈电中性。 当两个原子相距较远时（图 ），可以认为相互间没 1-3-6 a 有静电力的作用。 当两个原子接近到如图 所示的情况时，它们有一 1-3-6 b 部分电子云互相重叠。原子 的电子已不能把原子 的核的正 1 1 1111 2222 1111 2222 a 两原子aaa相a 距较远时 b 两原bbbb子接近时 c ccc两c 原子 相当靠近时 图1-3-6 分子间相互作用的微观解释第 1 章 分子动理论 23 电作用屏蔽掉，使得原子 的电子也受到原子 的核的吸引； 2 1 同样，原子 的电子也受到了原子 的核的吸引。于是，两原 1 2 子间产生了引力。 当两原子接近到如图 所示的情况时，两原子核间 1-3-6 c 的斥力要比它们与对方原子的电子间的引力大，于是两原子间 总的相互作用力就变为斥力了。 分子间的相互作用与此类似。分子力是由于构成分子的带 电粒子（电子、质子）的相互作用引起的。 家庭作业与活动 1. 分子间的相互作用力由引力 f 和斥力 f 两部 3. 根据内能的定义，分别比较下列三组中各系统 引 斥 分组成，则（ ）。 内能的大小，并说明道理。 f 和f 是同时存在的 （ ） ℃的水和 ℃的水 引 斥 A. 1 1 kg 50 10 kg 50 f 总是大于f ，其合力总表现为引力 （ ） ℃的水和 ℃的水 引 斥 B. 2 1 kg 50 1 kg 80 分子之间的距离越小，f 越小，f 越大 （ ） ℃的水和 ℃的水汽 引 斥 C. 3 1 kg 100 1 kg 100 分子之间的距离越小，f 越大，f 越小 4. 分析下列说法中，哪些是正确的，哪些是不正 引 斥 D. 2. 当两个分子间的距离等于r 时，分子处于平 确的。 0 衡状态。若两个分子间对外表现的分子力如图 （ ）物体的机械能大，它的内能一定也大。 1 所示，则两分子间的距离r应是（ ）。 （ ）物体可以同时具有内能和机械能。 1-3-7 2 r r r r （ ）任何物质系统都具有内能。 A. = 0 B. > 0 3 r≥r r r （ ） 物体的机械能改变时，它的内能一定也 C. 0 D. < 0 4 变化；物体的内能改变时，它的机械能 F r F 一定也变化。 5. 根据你的认识，对机械能和内能这两种形式的 图1-3-7 能作一比较。 第 1 章家庭作业与活动 A组 则 的盐水中所含食盐分子数目的数量级 3 1 cm 1. 纳米（ ）是长度单位， 。如果 是 。食盐的摩尔质量为 。 -9 nm 1 nm = 10 m _________ 58.5 g/mol 有一个边长为 的立方体盒子，则其中可 3. 一颗小雾珠的体积大约是 × 这颗小 -6 3 1 nm 6.0 10 cm , 容纳的氢分子（直径约为 ）数目的数量 雾珠里含有的水分子数目约为 。 -10 10 m __________ 级是 。 4. 利用单分子油膜法可以粗略测定分子大小和阿 ___________ 2. 食盐完全均匀分布在 × 10 3 的水中， 伏伽德罗常量。如果已知体积为V的一个油滴， 1 g 1 10 m24 滴在水面上散开后形成的单分子油膜面积为S， 把物体举得越高，分子势能越大 D. 则这种油分子的直径 D ；如果这 B组 =__________ 种油的摩尔质量为M，密度为 ρ ，则可推算出 1. 为了估测一容器中气体分子间的平均距离，需 阿伏伽德罗常量N 。 要知道的物理量是（ ）。 A =___________ 5. 布朗运动是指（ ）。 阿伏伽德罗常量、该气体的质量和摩尔质量 A. 液体分子的运动 阿伏伽德罗常量、该气体的摩尔质量和密度 A. B. 悬浮在液体中的固体分子的运动 阿伏伽德罗常量、该气体的质量和体积 B. C. 悬浮在液体中的固体微粒的运动 该气体的密度、体积和摩尔质量 C. D. 液体分子与固体分子的共同运动 2. 走访当地的环保部门：（ ）了解近 年来雾霾 D. 1 5 6. 较大的悬浮颗粒不易发生布朗运动，其原因是 天数的变化情况；（ ）取近 年来当地最严 2 5 （ ）。 重的雾霾天气，对比 指数的变化情况； PM2.5 液体分子不一定与颗粒相撞 （ ）了解当地雾霾天气时所含颗粒物的主要 A. 3 液体分子对颗粒在所有方向上的冲撞的平均 成分以及环保部门所采取的应对措施。 B. 效果互相平衡 3. 在“用油膜法估测分子大小”的实验中，所用 颗粒的质量越大，越不易改变运动状态 的油酸酒精溶液的浓度为每 ，溶液中 C. 1 000 mL 颗粒分子本身的热运动缓慢 有纯油酸 ，用注射器测得 上述溶 D. 0.6 mL 1 mL 7.关于分子力做功，下列说法中正确的是（ ）。 液为 滴，把 滴该溶液滴入盛水的浅盘内， 80 1 如果分子间作用力表现为引力，则两分子间 让油膜在水面上尽可能散开，测得油酸薄膜的 A. 距离增大时，一定是克服分子力做功 轮廓形状和尺寸如图 所示，图中正方形 1-B-1 如果分子间作用力表现为引力，则两分子间 方格的边长为 。 B. 1 cm 距离减小时，一定是克服分子力做功 （ ）实验中为什么要让油膜尽可能散开？ 1 如果分子间作用力表现为斥力，则两分子间 （ ） 实验测出油酸分子的直径是多少？（结 C. 2 距离减小时，一定是分子力做功 果保留两位有效数字。） 如果分子间作用力表现为斥力，则两分子间 （ ） 如果已知体积为V的一滴油在水面上散 D. 3 距离增大时，一定是克服分子力做功 开形成的单分子油膜的面积为S，这种 8. 两个分子甲和乙相距较远（此时它们之间的分 油的密度为 ρ ，摩尔质量为M，试写出 子力可忽略），设甲固定不动，乙逐渐向甲靠 阿伏伽德罗常量的表达式。 近直到不能再靠近的整个过程中（ ）。 分子力总是对乙做正功 A. 乙总是克服分子力做功 B. 先是乙克服分子力做功，然后分子力对乙做 C. 正功 先是分子力对乙做正功，然后乙克服分子力 D. 做功 9. 关于物体的内能和分子势能，下列说法中正确 图1-B-1 的是（ ）。 物体的速度增大，则分子的动能增加，内能 4. 设想将 水均匀分布在地球表面上，估 A. 1 g 也一定增加 算 的表面上有多少个水分子？（已知 2 1 cm 物体温度不变，内能可能变大 水的质量为 。地球的表面积约为 B. 1 mol 18 g 物体的内能与温度有关，与物体的体积无关 × ，结果保留一位有效数字。） 14 2 C. 5 10 m第 2 章 气体定律与人类生活 25 2 第 章 气体定律与人类生活 我们生活在空气的怀抱中。然而，在很长一段时期内， 人们对空气的性质几乎没有研究。真是“不识庐山真面目， 只缘身在此山中” 。直到 世纪中叶，意大利物理学家 * 17 托里拆利（ ）揭示了“托里拆利真空”，人们 E. Torricelli 才逐渐研究气体的性质。 气体具有流动性，没有一定的形状和体积。跟力学中 研究物体的机械运动不同，研究气体时，我们需要解决的 问题是： 应该用哪些物理量来描述气体的宏观状态？这些物理 量跟气体分子的运动有什么联系？ 当气体的状态发生变化时遵循什么规律？ …… 本章将探究如何描述气体的状态和研究气体状态的变 化。通过实验，了解气体实验定律。认识理想气体模型， 用分子动理论和统计观点解释气体压强和气体实验定律。 利用气体实验定律，解决一些实际问题。 摘引自苏轼《题西林壁》。 *26 2.1 气体的状态 在力学中，为了描述物体做机械运动的状态，我们引进了 位移、速度、动能等物理量。那么，描述气体的宏观状态，应 该引入哪些物理量呢？ 用温度、体积、压强描述气体的状态 我们知道，一定量气体是一个由大量分子组成的物质系统。 由于分子始终在不停地运 动，所以气体系统的平衡状态也 它所反映的宏观性质多种多样，有力学性质、热学性质、几何 叫做热动平衡状态。 性质等，跟它们对应的物理量就是温度、体积和压强等。由于 分子永不停息地做着无规则运动，系统的各种性质经常会发生 变化，要精确地描述每个时刻系统的各种性质是非常困难的， 刻度尺 在实际应用中，往往也是不必要的。 研究表明，当一个热力学系统跟外界没有任何相互作用 螺旋 时，不管这个系统内各部分原有的温度和压强如何，经过相当 玻璃管 温度计 长时间后，系统各部分将具有相同的温度和压强。如果它与外 界没有能量交换，内部也没有任何形式的能量转换，系统的温 度和压强将不随时间变化。这时，我们就称系统处于平衡状态 （ ），简称平衡态。 象牙针 equilibrium state 处在平衡态的气体在宏观上表现为各部分的密度均匀、温 水银槽 皮囊 度均匀、压强均匀，我们可以用一组物理量表示它的状态。描 螺旋 述系统平衡态性质的物理量叫做状态参量（ ）。 state parameter 温度、体积、压强就是气体的状态参量。 图2-1-1 槽式气压计 槽式气压计是用一根长约 实验探究 用压强计测压强 m、一端封闭、一端开口的玻 1 璃管，管内注满水银后倒立在水 银槽内组成的，故名。 用槽式气压计测量大气压 图 所示是实验室常用的槽式气压计，它是根据托里 2-1-1 拆利实验的原理制成的。使用时调节其下端螺旋，使水银面刚 好接触象牙针尖，移动附在刻度尺上的游标就可以准确读出大 气压值。 用金属压强计测量自行车车胎内气体的压强 如图 所示，用金属压强计测出自行车车胎内气体的 2-1-2 压强。 图2-1-2 金属压强计第 2 章 气体定律与人类生活 27 作为气体状态参量之一 怎样研究气体的状态变化 的温度 T，是指热力学温度 （ ）。 当气体与外界发生能量交换时，气体的状态就会发生变化。 thermodynamic temperature 在国际单位制中，热力学温度的 气体从一个状态变化到另一状态所经历的过程叫做状态变化过 单位是开尔文，简称开，符号是 。 K 程。气体发生状态变化时，描述气体状态的参量中，至少有两 热力学温度T 与摄氏温度t的关 系是 个参量发生了变化。 T t ≈t 那么，怎样研究气体的状态变化规律呢？ = + 273.15 K + 273 K 在实际应用中，气体压强p 建立理想气体模型 的单位还有“标准大气压”（符 号是 ）和“毫米汞柱”（符 实际气体是比较复杂的。不同气体分子的大小和结构不同， atm 号是 ），但它们都不是国 同时分子间还存在着随距离不断变化的引力和斥力作用。为了 mmHg 际单位制单位。 便于研究，我们需要把实际气体理想化。在物理学上，忽略分 = 1 atm 76 cmHg 子本身体积及分子间的引力和斥力作用的气体叫做理想气体 ≈ × 5 1.013 10 Pa （ ）。 = 1 mmHg 133.322 Pa ideal gas ≈ 实验指出，当温度不太低、压强不太大时，所有的气体都 133 Pa 可以看作理想气体。 理想气体模型是由德国物理 学家克劳修斯于 年首先提 1850 采用控制变量法 出来的。建构理想气体，有助于 在一定条件下应用理想气体模型 温度、体积、压强这三个参量之间有着密切的联系，当它 分析和研究实际气体的问题，能 们都发生变化时，情况比较复杂。为了便于研究，可以先保持 用等温、等压、等容的理想过程 其中一个参量不变，研究其他两个参量之间的关系，进而确定 正确认识和分析现实生活中的气 三个参量之间的变化规律，即理想气体在状态变化过程中所遵 体状态变化。 循的规律。 使一定质量的气体在温度保持不变的情况下发生的状态变 研究气体的状态变化，就是 化过程叫做等温过程（ ）。相应地，还有等容 要找出温度、体积、压强这三个 isothermal process 参量之间的变化关系。 过程（ ）和等压过程（ ）。 isochoric process isobaric process 思考与讨论 实验中，怎样使得一定质量气体的温度、体积、压强分别 保持不变呢？ 有几位同学提出了下列各种实验方案： 使气体的压缩和膨胀缓慢地进行，就可以忽略气体的温度 变化，这就是一种等温过程； 对密闭容器内的气体缓慢地加热，忽略容器的热膨胀，这 就是一种等容过程； 让密闭气体始终在大气压下缓慢地膨胀或压缩，这就是一 种等压过程。 你认为这些方案是否合理？请提出你的看法，并与同学交流。28 案例分析 案例 已知地球的半径 R ，请你设计一个简单 = 6 370 km 的实验，估算出包围地球的大气的总质量。要求列出实验器 材，说明实验方法，写出结果的表达式。 分析 大气压可以看成是由地球大气的重力产生的。如果 把地球表面展成平面，那么整个大气的重力就等于大气压强跟 地表总面积的乘积。 请根据上述思路完成对包围地球的大气总质量的估算。 家庭作业与活动 1. 关于热力学温度，下列说法中正确的是（ ）。 1. 两位 π 同 R2学 p 分别在塔的不同高度，用两个轻重不 火车的加速度大小一定相等 A. 4 B. 热力学温度的零度是 ℃，叫做绝对 同的球π做R自2p由落体实验，已知甲球所受的重力是 火车的平均速度一定相等 A. -273.15 B. 2 C. 零度 乙球的πR2倍p ，释放甲球处的高度是释放乙球处高 所用的时间一定相等 C. 2 D. B. 气体温度趋近绝对零度时其体积为零 度的 1 π，则R2p 4.一列火车以 10 m/s 的速度沿平直铁路匀速行 热力学温度的每度大小跟摄氏温度的每度大 D. 2 驶，制动后以大小为 2 的加速度做匀减速运 C. 甲球下落的加速度是乙球的 倍 0.2m/s A. 2 动，则它在制动后 内的位移是 小相等 甲球落地的速度是乙球的 1min B. 热力学温度的每度大小大于摄氏温度的每度 甲、乙两球各落下 时的速度相等 A. 240 m B. 250 m C. 300 D. C. F 1 R s F 大小 甲、乙两球各落下 时的速度相等 m D. 90m D. 1m 5. 做自由落体运动的小球，通过前一半位移和后 2. 如图 所示，上端开口的圆柱形汽缸竖 2. 甲、乙两小球先后从空中同一位置自由下落， 2-1-3 一半位移所用时间之比为 甲比乙先下落 ，则在下落过程中，下列判断中 直放置，横截面积为 × ，用活塞封 -3 2 0.5s ∶ ∶ 5 10 m 闭着一定质量的气体。若光滑活塞的质量为 正确的是（g取 10m/s 图2 ） 2-1-4 A. 1 ∶（ 2 ） （ B ）∶ . 1 甲相对乙做自由落体运动 C. 1 +1 D. +1 1 ，则封闭气体的压强为多大？大气压强 A. 6. 火车从车站出发，沿平直铁路以加速度 a 2.0 kg 4. 如图甲相对乙所做示向，下在水的银匀槽速里运竖动立着一根充满 = 取 × 5 ，g取 2 。 B. 2-1-5 2 做匀加速直线运动，则 1.01 10 Pa 10 m/s 水银甲的、玻乙璃两管球，的管速顶度距之槽差内越水来银越面大高 。 1m/s C. 40 cm （ ）它在 、 、 内通过的位移之比为 甲、乙两球之间的距离越来越大 1 10s 20s 30s 已知外界大气压强为 ，玻璃管的横截 D. 多少？ 75 cmHg 3. 火车从甲站出发，沿平直铁路做匀加速直线运 面积为 2 ，则玻璃管的封闭端A的内表 （ ）它在第 个 、第 个 、第 个 内 动，紧接着 0又.1 做cm匀减速直线运动，到乙站恰好停 2 1 10s 2 10s 3 10s 面受到的压力为多大？ 通过的位移之比为多少？ 止。在先后两个运动过程中 （ ）通过解答上面两个问题，能否对初速度 火车的位移一定相等 3 A. 为零的匀加速直线运动的位移找出一个比例 A 图2-1-3 40cm 3. 著名的马德堡半球实验可简化成如图 的 2-1-4 示意图。设两个半球壳拼成的球形容器的半径 为R，大气压强为p，球壳内抽成真空，则要 图2-1-5 使这两个半球壳分离，施加的拉力F至少为 （ ）。第 2 章 气体定律与人类生活 29 2.2 玻意耳定律 诘难中的发现 世纪中叶，托里拆利真空的发现，引起了玻意耳研究空 17 气性质的兴趣。他与助手胡克（ ）进行了一系列关于 R. Hooke 空气压力的实验。可是，玻意耳的工作受到当时教会中许多人 的攻击，他们不相信空气有“重量”，更不相信这一“重量” 能抵挡住托里拆利管中水银柱的压力。有人甚至说，管中水银 柱的上升是因为水银被一根“无形的线”牵着。 为此，玻意耳设计了一个实验。他在一根一端封闭的 形 U 管内灌入少量水银，先使左右两臂内的水银面等高，然后从较 玻 意 耳 （ ， — 长的右臂（开端）向管内缓缓倒入一些水银，使较短的左臂（闭 R. Boyle 1627 ），英国物理学家、化学 1691 端）内的空气柱受压缩变短。玻意耳测出封闭端空气柱的长度 家。 年用实验阐明了气压 1659 升降的原理，并发现了关于气 和相应的两端水银面的高度差，然后再缓缓倒入一些水银，再 体的著名的玻意耳定律。 测出空气柱的长度和相应的两端水银面的高度差，依次测出一 系列数据（图 ）。 2-2-1 玻意耳做实验时所用的 形管很长，他把 形管用绳子吊 U U 着做了约 次实验，终于得出了密闭气体在温度不变时其体积 40 与压强的变化关系。 年，玻意耳首次公布了他的发现。 1662 在玻意耳的实验中，为什么可以认为封闭气体的温度保持 不变？ 玻意耳在实验中是怎样测出封闭端空气柱压强的？请猜测 图2-2-1 玻意耳实验的示意图 一下，玻意耳的实验会得出怎样的关系？ 探究等温过程 学生必学做生实必验做实验探究等温情况下一定质量气体压强与体积的关系 设计实验 为了保证所研究的气体质量一定，必须封闭一段气体。为 了便于改变气体的体积，不妨选用注射器封闭一定质量的气体。 影响气体状态的参量有温度、压强和体积三个因素，为了研究 压强与体积的关系，必须在等温情况下实验，为此，除保持室 温恒定外，要缓慢推进注射器活塞。为知道气体的体积，可利 用注射器上的刻度直接读出气体的体积。为知道气体的压强，30 需要一只压强计。 采用“玻意耳定律实验仪”进行探究，如图 所示， 2-2-2 由压强计、注射器、柱塞、橡胶塞、刻度板、支架等组成。 实验操作 让注射器内封闭一定质量的气体，读出此时气体的体积和 压强。通过移动柱塞，改变气体体积，记下改变后的气体体积 和压强。重复多次，记下实验数据。 请思考： 实验操作过程中应该注意什么问题？ 1. 压强和体积的单位怎样确定比较合理和方便？ 2. 图2-2-2 玻意耳定律实验仪示意图 收集证据 物理量 1 2 3 4 5 6 压强p 体积V 通过计算或描绘 p V 图像（也可先计p算 1 值，再描绘 - - V p 1 图像），进行数据处理。 - V 想一想：各个小组实验中得到的 p、V乘积的大小是否都应 该相同？为什么？ 实验结论 对于封闭在注射器内的一定质量的气体，在等温情况下， 压强与体积成反比。 思考讨论 年，法国物理学家马略 1676 特（ ）也独立地总结出 . 描述一定质量气体的状态有温度（T）、体积（V）、压强（p） E. Mariotte 了温度不变时一定质量气体的压 1 三个状态参量，上述实验过程采用了怎样的研究方法？ 强跟体积成反比的规律。 . 通过上述实验得到数据后，可以采用哪些方法来处理这 2 些实验数据，得出实验结论？ 实验表明，一定质量的理想气体，在温度不变的情况下， 压强 p 与体积 V 成反比。这个结论叫做玻意耳定律（ ’ Boyle s ），是 世纪物理学上的一项重大发现。 law 17第 2 章 气体定律与人类生活 31 玻意耳定律的公式与图像 如果用 p 、V 和 p 、V 分别表示一定质量气体在等温过程 1 1 2 2 中任意两个状态的压强和体积，那么玻意耳定律可以用公式表 示为 p V 图2-2-3 等温线 或 pV p V 1 2 p = V 1 1 = 2 2 2 1 在平面直角坐标系中，用纵坐标表示压强 p，用横坐标表 示体积V，则p V图像就是如图 所示的双曲线，这条双 - 2-2-3 曲线叫做等温线（ ）。一定质量的气体，在不同的温度 isotherm 下，有着不同的等温线，但它们都是双曲线，如图 所示。 2-2-4 思考一下，在图 中，为什么温度越高，等温线就越 2-2-4 往右上方移？ 图2-2-4 对应不同温度的几条等 温线 玻意耳定律的微观解释 分析与论证 玻意耳定律虽然是在实验基础上归纳出来的一条反映理想 气体状态变化的宏观规律，但它在微观上有其本质的原因。 我们从前面研究气体压强的产生原因时已经知道，从微观 上分析，气体压强的大小跟两个因素有关：一个是气体分子的 平均动能，另一个是分子的密集程度。所以在宏观上，气体压 强跟温度和体积有关。 一定质量的气体，温度保持不变时，分子的平均动能是一 定的，压强的大小完全由分子密集程度决定。当体积减小为原 来的一半时，分子密集程度增大为原来的 倍，因此压强也增 2 大为原来的 倍，即气体的压强与体积的乘积保持不变。 2 案例分析 案例1 为适应太空环境，去太空旅行的航天员都要穿航天 服。航天服是一种高科技产品，它有一套生命保障系统，这套 系统为航天员提供了合适的温度、氧气和气压，让航天员在太 空如同在地面上一样舒适。研究一下，航天服内为什么要有一 套调节压力的系统？ 分析 航天员在地球上正常生活和工作时受到的外部压强 是一个大气压，身体内（如肺泡）气体产生的压强和身体外的 图2-2-5 穿上航天服的中国航天 大气压强处于平衡状态。当航天员进入太空时，体外的压强很 员杨利伟32 快减小，根据玻意耳定律，这时肺泡内气体的体积会急剧增 大，如果不采取一定措施的话，可能使肺泡膨胀破裂。当航天 员返回地面时，体外的压强很快增大，同样根据玻意耳定律可 知，肺泡内气体的体积会急剧减小，会使肺泡被压缩。 为了保障航天员在任何状况下体内外的压强平衡，因此航 天服内需要有一套调节压力的系统。 案例2 用打气筒给一个自行车内胎打气。设每按一次打气 筒，可打入压强为 × 的空气 。这个自行车内胎 5 3 1.0 10 Pa 125 cm 的容积是 ，假设胎内原来没有空气，那么按了 次后，胎 2.0 L 20 内空气的压强是多大？设打气过程中温度不变。 分析 以每次打入胎内的这部分气体为研究对象，它经历 了一个等温过程，其状态参量如下： 打入前 打入后 压强 p 压强 p′ 5 1=1.0×10 Pa 2 =? 体积 V 体积 V 3 1=125cm 2=2.0L 根据玻意耳定律，可以算出打入胎内后气体的压强 p ′。打 2 了 次后，胎内空气的压强p p ′。 20 2 = 20 2 请根据上述分析,完成本题的解答。 思考与讨论 你认为案例 还可以怎样思考求解？请相互交流。 2 有一位同学通过这个案例归纳出用玻意耳定律求解气体问 题的基本思路：明确研究对象→确定状态参量→列式算出结果。 你认同他这个解题思路吗？ 家庭作业与活动 1. 用注射器和其他相关的器材，设计一个实验， （ ）。 粗略地验证玻意耳定律。要求说明实验的主要 倍 倍 A. 3 B. 4 步骤和应测物理量，并列出相关表达式。 倍 倍 C. 5 D. 6 2. 一个气泡从水面下 深处缓缓上升到水 3. 如图 所示，某种自动洗衣机进水时，与 40 m 2-2-6 面，假定水的温度均匀，水面上方的压强为 洗衣缸相连的细管中会封闭一定质量的空气， ，则气泡到达水面时的体积约为原来的 通过压力传感器可知管中的空气压力，从而控 1 atm家庭作业与活动 第 2 章 气体定律与人类生活 33 （ ）。 体积不变，压强变小 A. 体积变小，压强变大 B. 体积不变，压强变大 C. 体积变小，压强变小 D. 4. 某地区空气污染较严重，一位学生从桶装纯净 水得到启发，提出用桶装的净化压缩空气供气。 图2-2-6 设每人 内呼吸 次，每次需吸入 1 min 16 1 atm 的净化空气 ，而每个桶能装 的 500 mL 10 atm 制进水量。假设洗衣缸的水位变化时，细管中 净化空气 ，假定这些空气可以全部被吸完。 20 L 的空气温度不变，那么当洗衣缸内水位升高时， 设温度保持不变，估算一下每人每天需吸多少 细管中被封闭空气的体积和压强的变化情况是 桶净化空气，请对这位同学的提议作出评价。 课题研究 用传感器和计算机研究气体压强与体积的关系 输入当前体积V ，点击“数据记 3. = 12 mL 实验主要仪器的示意图如图 所示。 录”，记下气体体积为 时所对应的压强 2-2-7 12 mL 操作步骤： 数据。改变针筒内气体的体积，输入体积读数， 将压强传感器接入数据采集器。点击软 同样点击“数据记录”，记录相应的压强数据。 1. 件主界面上的实验条目“气体压强与体积的关 重复上述实验，记录几组数据，点击“绘 4. 系”，打开软件。 图V”，将得到与各组记录数据对应的压强与体 移动针筒的活塞，选定初始体积（如 积的一组描点，如图 所示。 2. 2-2-8 ），并把针筒通过软管与压强传感器的测 12 mL 试口紧密连接。 图2-2-7 用传感器和计算机研究气体的压强与体积 关系示意图 图2-2-8 描绘p-V图像34 2.3 查理定律和盖 - 吕萨克定律 在发现玻意耳定律 多年之后，两位法国科学家查理（ 100 J. ）和盖 吕萨克（ ）分别找到了一定质量 Charles - J. Gay-Lussac 气体在等容过程和等压过程中的状态变化规律。 探究等容过程 实验探究 探究等容过程的规律 实验装置如图 所示。在玻璃管内封闭着一定质量的 2-3-1 空气。记下初始状态的室温 t 和压强 p ，然后将玻璃管浸在盛 0 0 有热水的烧杯中，并保持管内空气体积不变。过一会儿，估计 管内气体温度与杯中热水温度相等时，测出温度 t 和管内气体 压强 p。改变杯中热水的温度（每次都保持空气体积不变）， 图2-3-1 探究等容过程的 实验装置 重复上面的测量。如此可得到相应的几组数据，如下表。 物理量 1 2 3 4 5 温度T（= +t）/ 273 K 301 331 352 压强p/（× ） 5 10 Pa 1.0 1.1 1.3 p T 0.0033 0.0033 0.0033 实验表明，一定质量的理想气体，在体积不变的情况下， 压强p与热力学温度T成正比。 这个结论叫做查理定律（ ’ ）。 Charles s law 查理定律的公式与图像 如果用 T 、 p 和 T 、 p 分别表示一定质量气体在等容变 1 1 2 2 p V 化过程中任意两个状态的热力学温度和压强，那么查理定律的 p 2 公式可表示为 p 1 p T 1 1 p = T 2 2 O T T T 1 2 在平面直角坐标系中，用纵坐标表示压强 p，用横坐标表 图2-3-2 等容线 示热力学温度T，那么p T图像如图 所示。这条倾斜直 - 2-3-2第 2 章 气体定律与人类生活 35 线叫做等容线（ ）。 p isochore V 一定质量的气体，保持不同的体积，改变其温度和压强， 1 V 2 可以作出一系列不同的等容线，它们都是过原点的倾斜直线， V 3 如图 所示。 2-3-3 试比较图 中体积 V 、V 、V 的大小，你认为可以 O T 2-3-3 1 2 3 从哪些方面进行判断？请相互交流。 图2-3-3 对应不同体积的几条等 根据分子动理论，很容易对查理定律作出解释。一定质量 容线 的气体保持体积不变时，分子的密集程度也保持不变。温度升 高后，分子的平均动能增加，根据压强产生的微观机理可知， 气体的压强就会增大。 案例分析 案例1 某登山运动员在一次攀登珠穆朗玛峰的过程中，他 手表的表面玻璃没有受到任何撞击，却突然爆裂了。 查阅该手表出厂时给出的参数为： ℃时表内气体压强为 27 × ，当内外压强差超过 × 时，手表表面玻璃 5 4 1 10 Pa 6 10 Pa 可能爆裂。若已知当时气温是 ℃，那么手表表面玻璃爆裂 -13 时表内气体压强为多大？外界大气压强为多大？ 分析 手表的表壳与表面玻璃组合可以看成一个密闭容器， 出厂时表壳内封闭着一定质量的空气，气压是一个大气压。手 表出厂后随登山运动员上珠峰，可以认为表壳内的气体经历了 一个等容过程（不考虑表壳的热胀冷缩）。 根据查理定律可算出表壳内气体在山上的压强，结合表面 玻璃爆裂条件，即可求出当时的外界大气压。 解答 表壳内气体始、末两状态的状态参量如下： 初态 末态 T （ ） T （ ） 1= 273+27 K 2= 273-13 K p p ？ 5 1=1×10 Pa 2= 由查理定律得手表表面玻璃爆裂时，表内气体的压强为 T p p 2 260 5 4 2 = T 1 = × 1 × 10 Pa = 8.7 × 10 Pa 1 300 设此时外界大气压为p ，则表壳内外气体压强差 h Δp p p = 2 - h 所以外界大气压为 p p Δp × 4 × 4 × 4 h= 2 - = 8.7 10 Pa - 6 10 Pa = 2.7 10 Pa36 等压过程与盖 - 吕萨克定律 案例2 一定质量的理想气体，在压强不变的情况下，体积 V T V 与热力学温度 T 成正比，用公式可表示为 1 1 。这个结 V = T 2 2 V 论是法国科学家盖 吕萨克通过实验得到的，叫做盖-吕萨克定 - p V 律（ ’ ）。 2 Gay-Lussac s law 请你仿照等温过程和等容过程，用图像表示出盖 吕萨克 V - 1 定律。 解答 在平面直角坐标系中，用纵坐标表示体积 V，横坐 O T T T 标表示热力学温度 T，根据盖 吕萨克定律，其 V T 图像如图 1 2 - - 所示，这条倾斜直线叫做等压线。 图2-3-4 等压线 2-3-4 如果使一定质量的气体保持在不同压强下改变其温度和体 积，就可以得到一簇等压线，如图 所示。 V 2-3-5 p 你怎样判断图 中的压强p 、p 、p 的大小关系？ 1 p 2-3-5 1 2 3 2 p 3 根据分子动理论，同样可对盖 吕萨克定律作出微观解释。 - 因为一定质量的气体温度升高时，分子的平均动能增加，为了 O T 保持其压强不变，必须相应地增大气体的体积，使分子的密集 图2-3-5 一簇等压线 程度减小，这正是盖 吕萨克定律的结果。 - 多学一点 理想气体状态方程 如果一定质量理想气体的三个状态参量（T、V、p）同时发 生变化，那么，变化前后的这些参量之间遵循什么规律呢？ 设一定质量理想气体始、末两状态用 A、B 表示，对应的 状态参量分别为 T 、V 、p 和 T 、V 、p 。为了找出这两组参 A A A B B B 量之间的关系，我们让这些气体先经历一个等温过程，变化到 中间态 C，其温度、压强、体积分别为 T T 、 p 、V V 。 C = A C C = B 由玻意耳定律知 p V p V p V （ ） A A = C C = C B 1 再让它经历一个等容过程（V V ），变化到末状态 B， C = B 由查理定律知 p p p C C B （ ） T = T = T 2 C A B p V p A A （ ） 由（ 1 ）式得 C = V B 3第 2 章 气体定律与人类生活 37 p V p V 代入（ ）式，整理得 A A B B （ ） 2 T A = T B 4 上式表示，一定质量的理想气体在不同状态时，其压强和 体积的乘积与热力学温度的比值是不变的。这个结论叫做一定 质量的理想气体状态方程（ ）。用公式 state equation of ideal gas 可表示为 pV C （恒量） （ ） T = 5 pV p V 或 1 1 2 2 （ ） T = T 6 1 2 家庭作业与活动 1. 冬天，剩有半瓶热水的保温瓶经过一个夜晚， 3. 氧气瓶在车间里充好气，瓶内压强达到 × 1.5 第二天拔瓶口的软木塞时，觉得很紧，不易拔 。当把氧气瓶运送到工地上后，测得瓶 7 10 Pa 出来，其主要原因是（ ）。 内压强降为 × 。已知车间里的温度 7 1.35 10 Pa 软木塞受潮膨胀 为 ℃，工地上的温度为 ℃。试判断氧气 A. 27 -3 瓶口因温度降低而收缩变小 瓶在运输途中是否漏气。氧气瓶的热膨胀忽略 B. 白天气温升高，大气压强变大 不计。 C. 瓶内气体因温度降低而压强减小 4. 一户居民因家中厨房管道煤气泄漏发生爆炸事 D. 2. 取一根两端开口的细玻璃管，一端通过橡皮塞 故。事后技术人员估计爆炸时厨房温度从常温 与一个玻璃泡相连，另一端竖直插入水槽，并 迅速升高到 ℃。试估算此时产生的气体 1800 使管内吸入一段水柱。这就是一支伽利略验温 压强约为大气压的多少倍。 器（图 ）。一位同学认为，利用这个装置， 5. 一位同学提出一个粗略地验证盖 吕萨克定律 2-3-6 - 也可以粗略地验证查理定律。 的实验步骤。如图 所示，在一个大烧瓶 2-3-7 你认为上述看法是否合理，请说明你的理 中，插入一根带橡皮塞的弯成直角的玻璃管， 由。如认为合理，请提出实验方案。 管的水平部分留有一水滴。请你从物理原理上 说明，用这个装置验证盖 吕萨克定律时，还 - 需要添加哪些器材？写出实验的主要步骤。 水滴水滴 图2-3-6 伽利略验温器 图2-3-7 探究等压过程的实验装置38 第 2 章家庭作业与活动 A组 中可能做到的是（ ）。 1. 一个圆柱形汽缸，缸内有一个可以无摩擦滑动 先保持压强不变，使它的体积膨胀，然后保 A. 的活塞。已知活塞的横截面积为S，活塞所受 持体积不变，减小压强 重力为G，大气压强为p 。当按图 中三 先保持压强不变，使它的体积缩小，然后保 0 2-A-1 B. 种方式放置时，活塞均保持平衡，则缸内气体 持体积不变，减小压强 的压强分别为： 先保持体积不变，增大压强，然后保持压强 C. p ； p ； 不变，使它的体积膨胀 a = b = p 。 先保持体积不变，减小压强，然后保持压强 c = D. 不变，使它的体积膨胀 5. 气压式保温瓶内封闭的空气体积为V，外界大 气压为p ，瓶内水面低于出水口高度为h，水 0 的密度为 ρ，初始情况如图 所示，欲使 2-A-3 水从瓶中流出，则瓶内气体体积的压缩量至少 为多大？ a b c 图2-A-1 2. 一定质量的理想气体，当保持体积不变时，压 强随温度升高而增大。请用分子动理论解释。 3. 将一定质量的空气装入气瓶内，并对它进行等 温压缩。如果这些空气可以看成理想气体，那 么图 中能正确表示压缩过程中空气的压 2-A-2 强p和体积V关系的是（ ）。 图2-A-3 6. 一定质量的理想气体被轻质活塞封闭在可导热 的汽缸内，活塞相对于底部的高度为h，如图 所示。可沿汽缸无摩擦地滑动，取一小 2-A-4 A. B. 盒沙子缓慢地倒在活塞的上表面上，沙子倒完 C. D. 图2-A-2 4. 设有一定质量的理想气体，处于某个初始状态。 图2-A-4 现使它经过状态变化后温度不变，则下列过程第 2 章 气体定律与人类生活 39 h 它产生的压强变小，药液滴注的速度会变慢。 时，活塞下降了 。再取相同质量的一小盒沙 4 另一位同学说：根据实际观察，药液是均 子缓慢地倒在活塞的上表面上，外界大气压强 匀滴注的，没有出现变慢的现象。 和温度始终不变，求此次沙子倒完时活塞距汽 你同意哪一种说法？请说明你的理由。 缸底部的高度。 3. 年法国物理学家帕平发明了高压锅。高压 B组 1697 锅与普通铝锅不同，锅盖与锅体嵌合旋紧，加 1. 如图 所示，在一根一端封闭的粗细均匀 2-B-1 上锅盖与锅体之间有橡皮密封圈，所以锅盖与 的细玻璃管中有一小段水银柱，封闭着一定质 锅体之间不会漏气。在锅盖中间有一排气孔， 量的空气，现在要用它测定大气压，那么： 上面再套上类似砝码的限压阀，将排气孔堵住。 （）还需要用什么器材？ 1 当加热高压锅，锅内气体压强增大到一定程度 （）说明实验主要步骤； 2 时，气体就把限压阀顶起来，这时水蒸气就从 （） 用实验中测量的物理量写出大气压强的表 3 排气孔向外排出。由于高压锅内的压强大，温 达式。 度高，食物容易煮熟。假设锅内气体可以看成 理想气体，已知排气孔的直径为 ，外界大 0.3 cm 气压为 × ，温度为 ℃，要使高压锅 5 1.0 1.0 Pa 20 内的温度达到 ℃，则限压阀的质量应为多 图2-B-1 120 少（g取 2 ）？ 10 m/s 4. 图 是农村中常用来喷洒农药的小型压缩 2. 医院里给病人打“吊针”（静脉滴注）的装置 2-B-3 喷雾器结构示意图。其贮液筒A的容积为 ， 如图 所示。在讨论关于药液滴注速度快 7.5 L 2-B-2 现装入 的药液。关闭阀门K，用打气筒B 慢的原因时，有两位同学产生了分歧。 6 L 每次打入 × 的空气 。设下列过 5 3 一位同学说：随着瓶中药液的逐渐减少， 1 10 Pa 300 cm 程中温度都保持不变。 （） 要使药液上方气体的压强为 × ， 5 输 1 4 10 Pa 液 应按压几次打气筒？ 瓶 （） 当贮液筒A中有压强为 × 5 的空气 2 4 10 Pa 时， 打开K可喷射药液。当药液不能喷射 A 滴 时，贮液筒内还剩余多少体积的药液？ 注 B 管 流 输 K H 量 液 调 管 节 器 B A 图2-B-2 图2-B-340 3 第 章 固体、液体与新材料 生活在地球上的人类，在自然界的基础上，营造了一 个五彩缤纷的世界。从我们的生活、娱乐、交通上的设施， 到生产、科研上的装备，千姿百态，琳琅满目。构筑这一 切的物质基础就是材料。近几十年来，液晶材料、半导体 材料、纳米材料等新材料层出不穷，材料科学方兴未艾。 材料的研制与开发涉及固体和液体的许多性质。那么： 固体和液体有哪些性质？ 半导体材料有什么特性和应用？ 为什么液晶那么神奇？ 为什么纳米材料有如此广阔的发展前景？ 本章将以新材料对人类生活和社会发展的影响为线 索，研究固体和液体的性质及它们的微观结构，进一步认 识物质；探究液体的表面性质，了解液晶材料、半导体材料、 纳米材料的主要性质及应用，体会材料科学技术对人类的 影响。第 3 章 固体、液体与新材料 41 3.1 固体的性质 怎样区分晶体和非晶体 我们知道，固体有晶体（ ）和非晶体（ ）之分。 crystal noncrystal 如果把石英、玻璃、云母、明矾、味精、食盐、砂糖、蜂蜡、 松香这些固体放在你面前，你将怎样区分哪些是晶体，哪些是 非晶体？ 实验探究 1 从外形来区分晶体和非晶体 用放大镜观察砂糖颗粒和松香颗粒。观察时用镊子翻动颗 a 用放大镜观察颗粒 粒，注意颗粒各个面的形状,并对它们的外形加以描述。 把砂糖颗粒和松香颗粒碾碎，再放在放大镜下观察。碾碎 前后这些颗粒在外形上有什么变化？ 可以发现：砂糖颗粒总是保持一种规则的几何形状（立方 体）；而松香颗粒则不是这样，不论颗粒大小还是外形都是不 规则的。研究得出，外形规则是晶体的一个本质特征。因此， 砂糖是晶体，松香是非晶体。 b 观察用镊子翻动的颗粒 除了形状是否规则外，晶体和非晶体在物理性质上也有 图3-1-1 观察固体的外形 差异。 图 所示为一些常见的晶体。这些晶体在物理性质上 物理性质(如导热性、导电 3-1-2 有些什么特征呢？让我们通过实验进行研究。 性、导光性、抗压性等)中与方 向有关的特性叫做各向异性；与 方向无关的特性叫做各向同性。 a 石英晶体 b 雪花晶体图案 c 世界上最大的石膏晶体 图3-1-2 常见的一些晶体42 实验探究 2 从物理性质来区分晶体和非晶体 从初中物理学习已经知道 萘、硫代硫酸钠（海波）、冰等 , 晶体 具有确定的熔点；而松香、石蜡等非晶体，没有确定的熔 , 点。因此我们可以从有没有确定的熔点来区分晶体和非晶体。 取一张云母薄片，在上面涂一层很薄的石蜡，然后用烧热 的钢针去接触云母片。观察接触点周围的石蜡熔化后所成的形 状。再在玻璃片上做同样的实验，观察石蜡熔化后所成的形状。 比较观察的结果（图 ）。你能得出什么结论？ 3-1-3 a 云母片 b 玻璃片 图3-1-3 比较晶体和非晶体的导热性 实验表明：像云母这样的晶体，在各个方向上的导热性能 不同 即显示各向异性（ ）；而像玻璃这样的非晶体， , anisotropy 在各个方向上的导热性能相同 即显示各向同性（ ）。 , isotropy 通过上面的实验探究，请总结一下，能利用固体的哪些特 性来区分晶体和非晶体？ 怎样区分单晶体和多晶体 如果一块具有规则形状的晶体，把它碾成小颗粒后，这些 小颗粒仍然保持与原来整块晶体形状相似的规则外形，这样的 晶体叫做单晶体（ ）。雪花、食盐小颗粒就是单晶体。 single crystal 如果一块晶体，它是由许多取向不同的单晶体颗粒（晶粒） 组成的，这样的晶体叫做多晶体（ ）。食盐受潮粘结 polycrystal 成的大“疙瘩”，就是多晶体。 金属在通常条件下都是多晶体，用金相显微镜（图 ） 3-1-4 观察磨光了的铜、铝等金属的表面，可以发现它们都是由大量 微细的晶粒构成的，而且这些晶粒的取向也各不相同。 多晶体有确定的熔点，但由于它是由许多单晶体杂乱无章 地组合成的，因而没有一定的几何形状，也不显示各向异性。 在技术上，可以采用一定的工艺把多晶体制成单晶体，如半导 图3-1-4 金相显微镜 体材料单晶硅、单晶锗等。第 3 章 固体、液体与新材料 43 怎样区分单晶体和多晶体？平时见到的各种金属材料，如 铁、铜等，它们是单晶体还是多晶体？ 固体性质的微观解释 为什么晶体和非晶体在外形和物理性质上有那样大的差 异呢？ 科学家发现，组成晶体的微观粒子（分子或原子、离子） 依照一定的规则在空间排成整齐的行列 这种有规则的行列叫 , 做晶体的空间格点（ ），也称晶体点阵（晶格）。 space lattice 在晶体中，微观粒子之间的相互作用很强，粒子的热运动不足 钠离子 以克服这种相互作用而破坏空间格点结构，它只能使粒子在一 氯离子 定的平衡位置附近不停地做微小振动。图 是食盐晶体的 3-1-5 空间格点示意图。 立方体晶体 如图 所示是一个平面上晶体内部微粒的排列情况， 3-1-6 在沿不同方向所画的等长直线AB、 AC、AD上，微观粒子的数 目不同。直线AB上粒子较多，直线AD上较少，直线AC上更少。 由于在不同方向上物质微粒的排列情况不同，才引起晶体的不 同方向上物理性质的不同。 图3-1-5 食盐晶体的空间格点示 同样的原子，由于所组成的空间格点不同，会形成形状和 意图 性质都不同的晶体。例如，石墨晶体的空间格点中碳原子为层 状结构（图 ），在每层上，原子排列成六角形蜂巢状， B 3-1-7 A 层与层之间距离较大，各层之间相互作用力很弱。因而石墨质 地松软，可以用来制作粉状润滑剂、铅笔芯等。金刚石晶体的 C 空间格点中碳原子排列成立方单元型结构（图 ），原子 3-1-8 D 间的作用力很强。因而金刚石具有很强的硬度，可以用来切割 玻璃，钻入坚硬的岩石。 图3-1-6 晶体各向异性的微观解释 磷原子也能形成不同的晶体。白磷和红磷都是单质磷晶体， 但白磷是立方体结构，而红磷是像石墨那样的层状结构。 a b a b 图3-1-7 石墨晶体的空间格点示意图 图3-1-8 金刚石晶体的空间格点示意图44 晶体和非晶体的相互转化 物质的状态取决于内因（物 晶体和非晶体可以相互转化。例如，天然水晶是晶体，而 质结构）和外因（如温度等）， 经熔化后再凝结的水晶（即石英玻璃）是非晶体。非晶体的玻 而物质状态的变化是一个由量变 璃经过相当长的时间会生成微小的晶体，形成透明性减弱的模 到质变的过程，如达到一定的温 糊斑点，因此古建筑的窗玻璃常出现局部结晶。实验表明，在 度时晶体可变为非晶体。 冷却得足够快且冷却到足够低的温度时，几乎所有的材料都能 成为非晶体。例如，熔化晶体硫，并使它的温度超过 ℃， 300 然后把它倒入冷水，就能得到柔软的非晶体硫。在适当情况下， 非晶体硫又可变成晶体硫。 家庭作业与活动 1. 下列物质中，哪些是单晶体？哪些是多晶体？ 3. 下列说法中正确的是（ ）。 哪些是非晶体？ 显示各向异性的固体必定是晶体 A. 石英、雪花、铁、沥青、食盐、橡胶、硅、单 不显示各向异性的固体必定是非晶体 B. 晶锗、玻璃、明矾、松香、石墨、硫酸铜、金 具有确定熔点的固体必定是晶体 C. 刚石 不具有确定熔点的固体必定是非晶体 D. 2. 图 、 所示是两种不同物质的熔化曲 4. 下列说法中正确的是（ ）。 3-1-9a b 线，根据曲线，你认为在下列说法中正确的是 有规则的几何外形的固体一定是晶体 A. （ ）。 晶体的各向异性是由于组成它的微观粒子具 B. 是一种晶体的熔化曲线 有空间格点的结构 A. a 是一种晶体的熔化曲线 晶体一定显示各向异性 B. b C. 是一种非晶体的熔化曲线 某些物质的微观粒子能够形成几种不同的空 C. a D. 是一种非晶体的熔化曲线 间格点 D. b 5. 关于晶体和非晶体，下列说法中正确的是 t t /℃ /℃ （ ）。 具有各向同性的物体一定没有确定的熔点 A. 晶体熔化时，温度不变，则内能也不变 O Q O Q B. /J /J 通常的金属材料在各个方向上的物理性质都 a b C. 相同，所以这些金属都是非晶体 图3-1-9 晶体和非晶体在适当条件下可互相转化 D.第 3 章 固体、液体与新材料 45 3.2 液体的表面性质 为什么荷叶上的露珠是那样晶莹剔透？为什么有的昆虫能 在水面上“亭亭玉立”？为什么五彩缤纷的肥皂泡都是球形的？ 这些现象（如图 所示）都涉及液体的表面性质。 3-2-1 a 露珠晶莹剔透 b 大黾蝽在水面上“亭亭玉立” 图3-2-1 液体的几种表面现象 探究液体表面张力现象 实验探究 观察液体表面张力现象 . 在杯子内装满水，试着把若干枚小硬币轻轻地平放在水 1 面上。观察水面形状有什么变化？小硬币为什么不沉下去呢？ . 用金属丝制成如图 所示各种形状的框架，分别把 a b 2 3-2-2 它们浸入肥皂液内，轻轻取出后观察框架上皂膜的形状。 如图 所示，用针捅破金属圆环棉线上边的皂膜， 3-2-3 a 棉线的形状有什么变化？如图 所示，为什么金属框上 3-2-3 b 的皂膜把细金属丝向左拉？对图 和图 所形成 c d 3-2-3 c 3-2-3 d 的皂膜形状，你有什么猜测？ 图3-2-2 观察表面张力现象用的 . 如图 所示，把橄榄油滴入水和酒精的混合液中， 金属框架 3 3-2-4 橄榄油滴呈什么形状？ 这些实验表明，液体的表面就像紧绷着的橡皮膜，它有着 一种收缩的趋势。使液体表面具有收缩趋势的力叫做表面张力 （ ）。 surface tension 那么，表面张力是怎样产生的呢？46 a b c d 图3-2-3 观察表面张力现象 液体表面张力的产生原因 分析与论证 图 所示的是液体表面层附近分子的大致分布情况。 3-2-5 液体跟气体接触的表面存在着一个薄层叫做表面层。表面层的 分子要比液体内部稀疏些，即分子间距要比在液体内部的大一 些，分子间的相互作用表现为引力。 如图 所示，在液体内部，液体分子所受到的分子力 图3-2-4 橄榄油滴呈球形 3-2-6 是平衡的，而在表面层里，液体分子受到来自液体内部分子的 引力要大于来自液体表面附近气体分子的引力，因此它们有着 液体表面的分子 蒸汽 液体内部的分子 受各个方向的作用 表面层 液体 图3-2-5 液体表面层附近的分子分布 图3-2-6 液体表面张力的成因第 3 章 固体、液体与新材料 47 进入液体内部的趋势，这就是液体表面有收缩趋势的微观本质。 N A F 如果在液面上画一条分界线 MN，把液面分为 A 和 B 两个 1 部分（图 ），那么，由于表面层中分子间的引力，液面 F 3-2-7 2 A 对液面 B 有引力 F ，液面 B 对液面 A 有引力 F 。由于 MN 1 2 B 处于静止状态，所以 F 和 F 大小相等，方向相反，这个力的 1 2 M 作用是使液体表面像一张绷紧的膜，故称为表面张力。表面张 图3-2-7 液体表面张力的方向 力的方向总是沿着与液面相切的方向。作用在液面一条分界线 上的表面张力，总是跟这条分界线垂直。 请你用表面张力解释本节开始时提到的几个现象。 几种常见液体的表面张力系数 物质 t （ ） -3 -1 /℃ α/ ×10 N·m 多学一点 液体表面张力的大小 10 74.2 实验表明，作用在液面一条分界线上的表面张力f，其大小 水 18 73.0 与这条分界线的长度L成正比，即 30 71.2 f = αL 酒精 20 22 式中，α 是表面张力系数，在数值上等于作用在液面单位长度 甘油 20 65 分界线上的表面张力的大小。实验表明，表面张力系数随温度 水银 的上升而变小。有的杂质可使液体的表面张力系数增大，有的 20 540 则相反。能使表面张力系数减小的物质叫做表面活性物质。液 态金属的表面张力系数很大，水的表面张力系数较小。 液体表面张力的应用实例 在自然界、日常生活和科学研究中 常能看到表面张力现象 , , 请你选择一些现象并作出解释。 案例分析 案例1 在培养皿内注入清水，让泡沫塑料块浮在水面上。 在泡沫塑料块旁边轻轻地滴入几滴酒精，泡沫塑料块就会“自 己”运动起来。请你解释这一现象。 解答 漂浮在水面上的泡沫塑料块，原来处于平衡状态。 a 滴入酒精后，泡沫塑料块旁边的这部分液体的表面张力较另一 侧的迅速减小，使得泡沫塑料块两侧所受的表面张力不再平衡， 从而使泡沫塑料块运动起来。 案例2 让我们来做一个实验：先用铁丝弯成一个圆环， 并系上用细棉线围成的一个小线圈。再把这个圆环浸在肥皂水 中，然后提出液面，环上便蒙了一层肥皂膜。这时我们发现， 圆环中的小线圈可以在肥皂膜中自由地移动（图 ）；用 b 3-2-8a 一根针轻轻地将小线圈中的肥皂膜捅破，这时可看到小线圈立 图3-2-8 关于肥皂膜的实验48 刻被拉成一个圆环（图 ）。这是什么原因呢？ 3-2-8 b 分析 从肥皂膜具有表面张力这个角度出发，分为小线圈 中肥皂膜被捅破前后两种情况考虑，再分析小线圈被拉成一个 圆环的原因。 请同学们自己讨论，并用简洁的语言作出解释。 毛细现象 将一滴水和一滴水银分别滴在水平放置的干净玻璃板上， 你观察到什么现象？ 水会附着在玻璃上形成薄层，这种现象叫做浸润。水银在 液体与固体接触时，形成的 液体薄层（称为附着层）中，如 玻璃板上成为球形，不附着在玻璃板上，这种现象叫做不浸润。 果液体分子受到固体分子的吸引 同一种液体，对于一些固体是浸润的，对另一些固体可能 相当强（弱），则薄层中的液体 是不浸润的。例如，水能浸润玻璃，但不能浸润石蜡。水银不 分子比液体内部更密（疏），从 能浸润玻璃，但能浸润锌。 而出现液体相互排斥（吸引）的 如图 所示，把几根内径不同的细玻璃管插入水中， 力，致使液体有扩展（收缩）的 3-2-9 趋势，形成浸润（不浸润）现象。 可以看到管里的水面比容器里的水面高。管的内径越小，管里 如水浸润（水银不浸润）玻璃。 的水面就越高。如果把这些细玻璃管插入水银中，结果正好相反， 管里的水银面比容器里的水银面低。管的内径越小，管里的水 银面就越低。 内径 0.5 mm 内径 的毛细管 4 mm 的玻璃管 内径 5 mm 水面 的玻璃管 水面 水面 水 图3-2-9 毛细现象 浸润液体在细管里上升的现象和不浸润液体在细管里下降 的现象，叫做毛细现象（ ）。能够发生毛细现象的管 capillarity 子叫做毛细管 。 (capillary tube) 浸润液体为什么能在毛细管中上升呢？原来，浸润液体与 毛细管内壁接触时，由于附着层内液体具有扩展趋势，引起液 面沿管壁向上延展而呈凹形（图 ），而表面张力是沿 3-2-10 a 着液面切向作用的，所以沿着管壁作用的表面张力形成一个向第 3 章 固体、液体与新材料 49 a 浸润液体液面呈凹形 b 不浸润液体液面呈凸形 图3-2-10 浸润和不浸润现象 上的合力，使得管内液体上升，直到表面张力的向上拉引作用 和管内升高的液柱重量相等为止。同样的道理，对不浸润液体， 液面呈凸形（图 ），毛细管壁的表面张力的合力方向 3-2-10 b 向下，使管内液体下降。因此，毛细现象是由于浸润或不浸润 现象和液体表面张力共同作用引起的。 在日常生产和生活中，毛细现象相当普遍。你可曾想过， 当实验室的酒精灯点燃时，我们看到摇曳的火光，灯座里的酒 精是如何自动流入灯芯的呢？当运动后汗流浃背，我们用纸巾 擦拭额头的汗水时，汗水是如何吸入纸巾里而不留在纸面上呢？ 其实这些现象都可用毛细现象来说明。 信息浏览 为什么肥皂水容易起泡沫 一般无机物如氯化钠、硝酸钾、盐酸、氢氧 日常生活中用肥皂（或洗衣粉）洗衣服时， 化钠等，溶于水后会使溶液的表面张力系数随着 稍稍搅动一下肥皂水，就会产生较多的泡沫。那么， 溶液浓度的增加而缓慢增大。因此纯水较难“托” 肥皂水为什么很容易起泡沫呢？ 住硬币，而一些富含矿物质的矿泉水却能“托” 液体起泡沫的过程比较复杂。简单地说，密 住硬币。 度较小的液体经搅动，总会与空气混合而形成由 乙醇、丁醇、乙酸等，溶于水后会使溶液的 液膜包覆的气泡。如果液体的表面张力较大，液 表面张力系数随着溶液浓度的增加而降低，开始 膜便很快收缩，使泡内气体体积缩小，压强增大， 时降低得快些，后来则慢些。这些水溶液可以作 把液膜胀破，气泡迅速消失。如果表面张力较小， 为乳化剂、润湿剂和矿物浮选剂。 液膜的收缩趋势也较小，可与泡内气体的压强达 肥皂、油酸钠和各种洗涤剂，溶于水后会使 到平衡，气泡就能存在一段时间。 溶液的表面张力系数先随浓度增加而急剧下降， 肥皂水的表面张力系数仅是水的三分之一， 至一定浓度后几乎不再变化，再达到一定浓度后 因此它容易起泡沫。 可缔合形成胶团，从而具有润湿或抗粘、乳化或 一般来说，当水中溶有一些溶质（如肥皂、 破乳、起泡或消泡等一系列物理化学作用，在加溶、 洗衣粉）后，其表面张力系数会发生变化。根据 分散、洗涤、防腐蚀、抗静电等方面有相应的实 变化的情况，可把溶质分为以下三类。 际应用。这类物质称为表面活性剂。50 家庭作业与活动 1. 下雨天我们常用布伞遮雨，抬头望去，能看见 4. 如果你去外地度假，而家中有一盆心爱的花需 伞面纱线间的缝隙，但伞面却不漏雨。这是为 要及时浇水，否则花会枯萎，你该怎么办？ 什么？ 5. 请你课后动手做一做这个实验：如图 3-2-12 2. 如图 所示，一根竖直滴管的出口处附 所示，将靠得很近的两根木质筷子竖直插入盛 3-2-11 着一个小液滴，许久也不掉落，它好像被一个 水的碗中，你会发现两根筷子之间的水面会沿 看不见的“弹性橡皮袋”兜住了，并且，还好 着筷子上升。试解释这一现象。改变两根筷子 像有着固定的形状。这是为什么呢？ 之间的距离，你又会有什么发现？ 图3-2-11 3. 表面张力的方向为什么总是跟液面上的分界线 垂直？ 图3-2-12 课题研究 肥皂水与清水的表面张力比较研究 有关。做一下这个实验，并写出课题研究报告， 请你设计一个实验，比较肥皂水与清水的 在同学间相互交流评价。 表面张力，并粗略地研究表面张力与哪些因素第 3 章 固体、液体与新材料 51 3.3 液晶与显示器 液晶的发现和应用，越来越显著地影响着人类生活。用液 晶做的显示屏，使计算器、手机等许多电子产品的性能稳定、 轻巧耐用。用液晶做成的平面电视屏幕和巨大的彩色动画广告 屏，画面栩栩如生，使人们产生身临其境的空间效果。 请看看你的周围，还有哪些地方用到了液晶？ 那么，液晶是什么？它为什么会有显示功能？它的微观结 构是怎样的？液晶有哪些性质？它还有哪些应用？ 液晶的微观结构 液晶，顾名思义，既像液体又像晶体。通常，人们把介于 晶体和液体之间的中间态叫做液晶态，处于液晶态的物质叫做 图3-3-1 手机的液晶显示屏 液晶（ ）。 liquid crystal 分析与论证 液晶既像液体那样具有流动性，又像晶体那样具有各向异 性。这是为什么呢？ 这是由液晶的微观结构决定的。某物质的固态、液晶态和 液态的分子排列如图 所示。我们看到，当该物质处于固 3-3-2 态时，其分子排列相当整齐；当处于液态时，其分子排列较凌乱； 液晶态则介于其间，其分子排列较松散（因此液晶具有流动性）， 但又排列得有一定取向（因此液晶具有各向异性）。 a 固固态态 b 液液晶晶态态 c 液液态态 图3-3-2 固态、液晶态以及液态的分子排列示意图 不是所有物质都具有液晶态。天然存在的液晶不多，大多 数的液晶是人工合成的。现在已发现几千种有机化合物具有液 晶态。通常棒状分子、碟状分子和平板状分子的物质容易具有 液晶态。 不同的液晶具有不同的分子排列，有丝状相（又称向列相）、52 螺状相（又称胆甾相）和层状相（又称近晶相）等。例如，图 3-3-3 所示的是向列相液晶及其分子排列，这种液晶的分子为细长棒 形，沿一定方向排列。图 所示的是近晶相液晶及其分子 3-3-4 排列，这种液晶的分子也是细长棒形，但它们往往会相互平行， 且排成层状，分子只能在它所在的那一层上运动，无法移动到 邻近的一层上去。 a 液晶图像 b 分子排列示意图 图3-3-3 向列相液晶 a 液晶图像 b 分子排列示意图 图3-3-4 近晶相液晶 液晶的奇特效应 液晶具有两个熔点。将液晶加热，液晶先是变得混浊，然 后达到第一个熔点时，会变得完全不透明，但继续加热达到第 二个熔点时，又变得透明了。如胆甾醇在 ℃（第一个熔点） 145.5 时会熔化成混浊的液体 在 ℃（第二个熔点）时又变成了 , 178.5 清澈透明的液体。 液晶分子的排列是不稳定的，外界条件的微小变动都会引 起液晶分子排列的变化，从而改变液晶的某些性质。例如，温 度、压力、摩擦作用、电磁作用、化学作用、容器表面的差异等， 都可以改变液晶的光学性质。 有的液晶具有电光效应。在一般情况下，由于分子呈有序 排列，这种液晶看上去非常透明。加上电场后，其分子排列被 扰乱，透射光或反射光的强度和方向都发生了变化，液晶就变 得混浊了。但如果去掉电场，液晶又会呈透明状态。第 3 章 固体、液体与新材料 53 有的液晶具有温度效应。在不同的温度下，这种液晶能显 示出不同的颜色。当温度逐渐升高时，这种液晶就会按红、橙、 黄、绿、蓝、靛、紫的顺序改变颜色； 当温度降低时， 又按相 反顺序改变颜色。如图 所示的温谱图，就以不同的颜色 3-3-5 反映了人体各部分的不同温度。 图3-3-5 温谱图 有的液晶具有压电效应。当对这种液晶施加压力或撞击时， 其两端会产生电压。 有的液晶具有化学效应。这种液晶遇到某些化合物的蒸汽 时会变色，而且灵敏度极高。 有的液晶具有辐射效应。这种液晶受到放射性射线照射时 会变色。 偏振片 电极 液晶的广泛应用 液晶的这些奇特效应，使其得到了广泛的应用。 利用液晶的电光效应，可以制成液晶显示器。液晶显示器 电极 液晶 具有分辨率高、易彩色化、画面稳定、环保节能、体积超薄、 反光板 功耗低、寿命长等优点。 图3-3-6 计算器液晶显示屏的构造 下面以计算器的液晶显示屏（图 ）为例，说明液晶 3-3-6 的显示原理。 液晶既有液体的属性，也有晶体各向异性的属性。特别是 在一般情况下，偏振光经过液晶时，其偏振方向会旋转 °。 90 这种性质叫做液晶的旋光性。计算器的显示屏是在偏振片和反 光板当中插进一个液晶盒，盒内液晶层的上下是透明的电极板。 外界的自然光通过偏振片后，成了偏振光。这束光在通过液晶时， 如果上下两极板间没有电压，其偏振方向会旋转 °，下面的 90 反光板将光线反射回来。由于偏振方向被液晶再次旋转 °， 90 因此又能通过偏振片，这时液晶盒看起来是透明的，但在上下 两个电极间有一定大小的电压时，液晶的性质改变了，旋光性 消失，于是反射光线通不过偏振片，这个电极下的区域变暗。 图3-3-7 红外线测温仪的液晶显示屏54 如果电极刻成了数字笔画的形状，用这种方法就可以显示数字。 这就是液晶反射模式的工作原理。 电视机、计算机等则是利用透射模式工作的。透射模式要 把反光板换成一片偏振片，要求其偏振方向与液晶另一表面上 的偏振片的偏振方向垂直。这样，当光从液晶一侧入射后，利 用不同条件旋光性消失与否的特点，在液晶另一侧就可以显示 图形或数字符号。 彩色液晶显示器则是在某些液晶中掺入少量多色性的染料， 染料分子会与液晶分子结合而定向排列，表现出光学各向异性。 随着电压的变化，会对不同颜色的光表现出不同的吸收能力， 从而显示出各种颜色。 利用液晶的温度效应，可以探测温度。检修电子线路时， 可以利用这种效应确定电路中的短路点，方法是把液晶涂在印 刷线路板上，由于短路处温度升高，液晶显示的颜色就会与其 他地方不同。 在高能物理的研究中，可用具有辐射效应的液晶显示某些 微观粒子的径迹，或者用来测量放射性射线的剂量。 目前，液晶已经广泛应用于电子工业、航空航天工业、生物、 医学等众多领域。液晶的基础理论研究已成为凝聚态物理学的 一个重要分支。随着科学技术的发展，液晶的理论和技术应用 将有更广阔的前景。 信息浏览 液晶的发现 报告中，他附了一张图，这张图非常类似于如图 年，奥地利植物学家赖尼策尔（ 所示的手征丝状相液晶。莱曼称它们为软 1888 F. 3-3-8 ）观察到胆甾醇苯酸酯的双熔点现象。更 晶体，因为它们几乎是流体，后来他又使用了流 Reinitzer 重要的是，在这两个熔点之间，他观察到了双折 动晶体这个名词，此后又用晶态流体代替。他渐 射和彩虹色谱。赖尼策尔无法确定这些现象的原 渐开始确信：这种混浊液体的流动性使它类似于 因，于是给德国物理学家莱曼（ ）写 液体，而其光学性质又使它类似于固体。这两种 O. Lehmann 了一封信请教，并送去了两种材料的样品。 特征同时出现于一种物质，因而莱曼把这种物质 莱曼通过实验，确认了赖尼策尔的结论：在 称为“液晶”。不久，莱曼向一家学术刊物投寄 ℃时材料熔化成混浊的液体 在 ℃时 了一篇题为《论液晶》的论文。至此，经过两位 145.5 , 178.5 材料变成清澈透明的液体；降温时，材料先变成 不同学科、不同 蓝色，然后变混浊，继续降温则变成紫色，最后 国家科学家的合 变成白色固体。莱曼论证，物质只有处在晶体状 作研究，液晶走 态，才可能出现双折射现象。他写信给赖尼策尔 进了科学的殿 说：“这种晶体那么柔软，几乎能把它叫做液体， 堂，走进了人类 这对于物理学家来说，是极其有趣的。”在一份 的生活。 图3-3-8 手征丝状相液晶第 3 章 固体、液体与新材料 55 家庭作业与活动 1. 液晶有哪些主要的奇特效应？请归纳液晶显示 4. 液晶能够显示数码和图像，其原因是（ ）。 器的主要优点。通过查找资料，进一步了解液 液晶在温度、压力、摩擦、电磁的作用下， A. 晶的广泛应用。 其分子排列发生变化，改变了液晶的光学性质 2. 关于液晶是不是光源，甲、乙两同学各执己见。 有的液晶在电压的作用下能由透明状态变浑 B. 甲同学认为液晶是光源，因为液晶能够显示数 浊，可用来显示文字和数码 字和图像；乙同学则认为液晶不是光源，液晶 有的液晶可以随温度的变化而改变颜色 C. 本身是不发光的。对此你有什么看法？ 有的液晶既可以探测温度又可以显示数码 D. 3. 下列有关液晶的说法中正确的是（ ）。 5. 调查你家用过的和你见过的电子产品，哪些使 液晶具有流动性 用了液晶显示器？通过查阅资料，结合你了解 A. 液晶具有各向异性 的液晶相关知识，就液晶的种类及应用情况整 B. 液晶具有稳定的空间排列规律 理一份材料，在班上与同学交流。 C. 液晶就是液态的晶体 D.56 3.4 半导体材料和纳米材料 世纪中叶，半导体单晶硅材料、半导体晶体管的发明及 20 硅集成电路的研制成功，导致了电子工业革命，深刻地影响着 人们的生活和生产方式。 世纪 年代，人类又吹响了向纳 20 80 米世界进军的号角，一个纳米技术的新时代已经到来。 半导体材料 晶体管是现代化电子设备的基本元件，而半导体则是制造 晶体管的基本材料。那么，什么是半导体？它是怎样使晶体管 具有人们所需要的导电性能的？ 分析与论证 半导体（ ）就是导电能力介于导体和绝缘体 semiconductor 之间的物质，如硅、锗、氧化亚铜、砷化镓等。半导体的导电 性能会随着一些物理因素的改变而改变：在极低的温度下，纯 净的半导体像绝缘体一样不导电；在较高的温度下，或者有光 照射时，或者掺入一定杂质后，半导体的导电性能就大大增强， 甚至可以接近金属的导电性能。 用半导体制成的晶体二极管（ ）具有单向导电 crystal diode 性。这是什么原因呢？ 图3-4-1 在发明半导体材料之后，如图所示的微处理器代替了庞大的电子管 计算机的功能第 3 章 固体、液体与新材料 57 a 晶体二极管 b 晶体三极管 图3-4-2 几种晶体管 半导体有两种类型： 型半导体和 型半导体。我们以半 n p 导体硅为例来说明单向导电性的微观机理。 半导体材料硅是一种单晶体，在它的晶体结构中，每个 硅原子通过其 个价电子分别与周围的 个硅原子形成共价 4 4 键而结合在一起。如果在硅中掺入少量的磷（或砷），这些 磷原子就会取代少数硅原子与周围的 个硅原子结合。但磷 4 是五价元素，有 个价电子，这样就多出了一个电子，这个 5 电子就成为自由电子。以自由电子参与的导电叫半导体的电子 导电。经掺杂后形成电子导电的半导体叫 n 型半导体（ n-type ），如图 所示。 semiconductor 3-4-3 如果在硅中掺入的是三价元素硼（或铟），那就会缺少一 个电子，多出一个带正电的空穴。以空穴参与的导电叫半导体 的空穴导电。经掺杂后形成空穴导电的半导体叫 p 型半导体 （ ），如图 所示。 p-type semiconductor 3-4-4 将 型半导体和 型半导体紧密接触，在两种半导体接触 n p 面上会形成一个特殊的薄层，叫做 结。再加上引出线和管壳， pn 就组成了一个晶体二极管。当给晶体二极管加上正向电压时， 即把 型半导体接电源正极， 型半导体接电源负极时， 型半 p n n 导体的电子受电场力而越过 结，形成电流，二极管导通（图 pn ）。当给晶体二极管加上反向电压时，电子在电场力作 3-4-5a 二极管截止时，实际上还会 用下很难越过 结，因而几乎没有电流产生，二极管截止（图 有很小的电流，通常把它叫做漂 pn ）。这就是晶体二极管具有单向导电性的微观机理。 移电流。 3-4-5b 可自由移动 4 4 4 4 4 4 的多余电子 可自由移动 4 5 4 的多余空穴 4 3 4 4 4 4 4 4 4 图3-4-3 n型半导体晶体结构图 图3-4-4 p型半导体晶体结构图58 型硅 型硅 p n 接电源正极 接电源负极 a 导通时 接电源负极 接电源正极 b 截止时 图3-4-5 晶体二极管单向导电性的微观机理 图3-4-6 硅晶片 早期的电子产品中，电阻器、电容器、电感器、二极管、 三极管等电子元件都是一个个分立地安装在印制电路板上的。 用这种分立的方式做成的产品体积大，电能消耗也多，而且容 易出故障。后来，人们利用氧化、刻蚀、扩散等工艺方法，把 一个电子电路的所有元件按电路连接要求制作成一小块半导体 硅片，这就是集成电路（ ，简称 ），也称芯 integrated circuit IC 片。图 所示是在光源照射下观察到的硅晶片，在硅晶片 3-4-6 上，可以分切出许多的单元芯片，在各单元芯片表面，蚀刻着 极为复杂的电子电路。图 所示就是一块集成电路。现代 3-4-7 的集成电路技术，已经可以把包括上亿个晶体管等电子元件的 复杂电路制作在仅约 的芯片上，使得电子器件越来越小， 2 1 cm 效率越来越高，使用起来越来越方便。图 是微处理器， 3-4-8 这么小小的一块芯片，却是控制整台计算机的“司令部”。 思考与讨论 半导体技术在社会生产中的应用越来越广泛，走进我们生 图3-4-7 集成电路 活的半导体电子产品也越来越多，如计算机、彩色电视机、数 码相机、半导体照明（ ）、全自动洗衣机、手机、光碟机（ 、 LED CD 芯片封在金属 和 ）等，而且它们的外形越来越精巧，智能化程度也 陶瓷基板 VCD DVD 表面之下 越来越高。 请你通过调查研究，说明半导体技术给我们生活和生产所 带来的深刻影响。 金属管脚 图3-4-8 微处理器第 3 章 固体、液体与新材料 59 信息浏览 半导体照明 后，从 区注入到 区的空穴和由 区注入到 p n n p （ ）即发光二极管，是 区的电子，在 结附近数微米内分别与 区的电 LED light emitting diode pn n 一种半导体固体发光器件。它是利用固体半导体 子和 区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。不 p 芯片作为发光材料，在半导体中通过载流子发生 同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不 复合放出过剩的能量而引起光子发射，直接发出 同。当电子和空穴复合时释放出的能量越多，则 红、黄、蓝、绿、青、橙、紫、白色的光。 发出的光的波长越短，光的波长决定光的颜色， LED 照明产品就是利用 作为光源制造出来的照明 所以发光二极管发光的颜色是由形成 结的材料 LED pn 器具。 决定的。 与普通二极管一样，是由一个 结组成 在全球能源短缺的忧虑再度升高的背景下， LED pn 的，也具有单向导电性。但与普通二极管不同， 节约能源是我们未来面临的重要问题。 作为 LED 中由 型半导体和 型半导体组成的晶片具 一种新型的绿色光源产品，正吸引着世人的目光， LED p n 有电致发光特性。当给发光二极管加上正向电压 未来将进入以 为代表的新型照明光源时代。 LED a 发光二极管 b 城市夜间LED照明景观 c LED单色显示屏 图3-4-9 半导体LED光源 纳米材料 纳米（ ，简写为 ）是一个长度单位， nanometer nm 1 nm = ， 大约是一根头发丝直径的八万分之一。 -9 10 m 1 nm 纳米技术是在纳米尺度（ ）范围内研究材料的 0.1~100 nm 性质和应用的技术。可用原子或分子来构造具有特定功能的产 品，如纳米颗粒、纳米管线、纳米薄膜等纳米材料和纳米器件。 纳米材料的制备和研究是纳米科学技术的基础。 纳米材料有纳米金属材料、纳米磁性材料、纳米陶瓷材料、 有机 无机纳米复合材料、纳米传感材料、纳米医用材料等多种。 - 纳米材料有许多奇特效应，如在一定条件下，显示小尺寸 效应（由超导状态变为正常物态）、表面和界面效应（很容易 与其他原子结合）、量子尺寸效应（由导体变为绝缘体）、宏 图3-4-10 一种碳纳米管60 科学巨匠爱因斯坦早就预 观量子隧穿效应（微观粒子的运动速度几乎与温度无关）等。 言：“未来科学的发展无非是继 纳米材料的奇特效应使纳米材料表现出不同于传统材料的 续向宏观世界和微观世界进军。” 良好性能。例如，在力学性能方面 纳米材料具有高强、高硬 我国著名科学家钱学森曾预 , 和良好的塑性；在热学性能方面，纳米超细微粒的熔点比常规 言：“我认为纳米左右和纳米以 下的结构是下一阶段科技发展的 粉体低得多；在电学性能方面，纳米金属在低温时会呈现电绝 重点，会是一次技术革命。” 缘性；在磁学性能方面，当超细微粒的尺寸小到临界尺寸时， 常规的铁磁性材料会转变为处于顺磁性甚至超顺磁状态的纳米 材料；在光学性能方面，纳米半导体材料在室温下具有光致发 光特性、光电转换特性、介电特性和压电特性；在化学性能方面， 纳米材料具有相当高的化学活性。 纳米材料在能源、环保、通信、航空航天、医疗以及日常 生活等方面应用前景广阔。纳米制造技术的发展，促进了光电 技术的进步。光电器件在平板显示、照明、传感、光伏器件等 领域的广泛应用，促使纳米制造技术在可弯折性、可扩展性、 稳定性、加工速率等方面不断突破，柔性纳米结构在透明导电膜、 有机发光二极管、太阳能电池等器件中的应用有新的进展。 图3-4-11 放大后的纳米材料超细 微粒 材料科学技术发展前景 人类社会的文明和进步总是与材料密切相关。从石器时代、 铜器时代、铁器时代人们采用的天然材料和人造材料，到现在 的新型材料，无不对人类的生产和生活产生重大的影响。 至今，已发现的材料有 万种之多 并且还以每年 的 30 , 5% 比例递增，主要包括金属材料、高分子合成材料、无机非金属 材料、复合材料、光电子材料等。 金属材料有铝合金、镁合金、钛合金以及稀有金属等。铝 合金密度小，导电性能好，可代替铜用作导电材料。镁合金既 轻又强，是制造直升机某些零件的理想材料。钛合金被誉为“未 图3-4-12 “纳米医生” 来的钢铁”，可用来制造超音速飞机和宇宙飞船。稀有金属能 将肉眼都难以觉察的纳米传感 改善合金性能，用于制造光电材料、磁性材料、化工材料及原 器植入人体，让它自由游弋，它就 成为医生的“生物眼”，故称为“纳 子能反应堆零件。 米医生”。 课题研究 做一个关于纳米材料研究和应用的调查 用前景广阔。请你就关于纳米材料研究和应用 随着纳米科学技术的发展，纳米新材料层 及其可能存在的问题作一调查，写成调查报告， 出不穷，纳米制造技术方兴未艾，纳米材料应 在班上相互交流评价。第 3 章 固体、液体与新材料 61 高分子合成材料是 世纪用化学方法制造的一种新型材 20 料，有合成橡胶、塑料和化学纤维等几类。合成橡胶耐高温、 耐低温、耐油、耐腐蚀的性能好，一般用于制造火箭、导弹、 飞机的某些零件。塑料的综合性能好，原料丰富，工艺简便， 用作建筑材料、包装材料、医用材料，用于交通运输、电器、家具、 仪表零件。化学纤维耐用廉价，稳定性高，强度大，褶皱性好， 一般用作服装原料，在工业、农业、国防上有广泛用途。 图3-4-13 纳米齿轮 无机非金属材料有工业陶瓷、光导纤维、半导体材料。新 型工业陶瓷具有良好的耐高温性、抗氧化性、耐腐蚀性和抗热 冲击性，它强度高，耐磨损，可制造燃气轮机、磁流体发电机 的电极、高温燃料电池。光导纤维重量轻，通信容量大，传输 性能好，广泛用于通信、医疗、航空航天、舰艇等工业和科学 研究领域。半导体材料如砷化镓，处理信息能力比半导体硅快 倍，用于制作晶体管、集成电路和固态激光器。 材料是人类生存和发展的物 10 质基础，也是人类社会现代文明 复合材料由有机高分子、无机非金属和金属等材料复合而 的重要支柱，材料的变化直接影 成，可分为结构复合材料和功能复合材料。结构复合材料可根 响社会的变革。材料是技术进步 据受力要求进行选材设计及复合结构设计，用于航空航天、电 的关键要素之一。 子电工、建筑、船舶、车辆、化工容器、管道、生活用品等。 能源、信息和材料被称为现 代文明的三大支柱。 功能复合材料性能优于一般功能性材料，目前已研发出有压电、 吸波、屏蔽、隐身、导电等功能的复合材料，广泛应用于新能 源技术、信息技术、航天技术及海洋工程等方面。 光电子材料有光电子半导体材料、光纤和薄膜材料、液晶 显示材料。它具有方向性、相干性、单色性和储能性等突出的 优点，可用于制造高性能、小型化、集成化的光电子器件，并 用于光通信、光计算、激光医疗、激光印刷、激光影视、激光 受控热核反应、激光制导等。 随着科学技术的发展，各种新材料层出不穷，琳琅满目， 图3-4-14 用碳纤维加固的塑料（此为显微镜 图3-4-15 用弹性合金材料制成的 照片）的质量是钢的1/4，但强度是钢的2倍 眼镜架，被扭曲后仍会恢复原状62 图3-4-17 用导电纳米材料做的柔性仿 生皮肤，可用于监测人体健康指标 如超导材料、先进陶瓷材料、形状记忆合金材料等。图 图3-4-16 固定人体骨折用的形状 3-4-14 至图 就是一些新材料应用的例子。 记忆夹板，能依靠人的体温在恢复自 3-4-17 己形状的过程中产生压缩力，迫使断 请你走向社会，调查了解更多新材料的应用情况，在班上 骨尽早愈合 作一次交流评价。 家庭作业与活动 1. 什么是半导体？半导体有哪些特点？半导体是 3. 什么是纳米材料？纳米材料有哪些主要特性？ 怎样导电的？半导体技术在生活和生产中有哪 纳米材料有哪些应用？ 些应用？ 4. 关于纳米和纳米技术，下列说法中正确的是 2. 关于半导体的导电性，下列说法中正确的是 （ ）。 （ ）。 纳米是长度单位， -9 A. 1 nm = 10 m 半导体的导电性不会因外界条件的变化而 用纳米技术只能重新排列微小的颗粒 A. B. 改变 用纳米技术可以重新排列原子 C. 在极低的温度下，纯净的半导体不导电 纳米技术是微观领域中的一种先进技术 B. D. 在有光照射时，有的半导体可以导电 5. 目前，市场上主要有哪些新材料？它们有哪些 C. 掺入一定杂质后，半导体的导电性能可以 主要特点及应用？ D. 变好 第 3 章家庭作业与活动 A组 （ ） ； 1 1. 利用扫描隧穿显微镜（ ）可以得到物质表 （ ） 。 STM 2 面原子排列的图像，从而可以研究物质的结构。 2. 关于晶体和非晶体，下列说法中正确的是 图 所示的照片是一些晶体材料表面的 （ ）。 3-A-1 图像，通过观察、比较，可以看到这些材 可以根据各向同性或各向异性来鉴别晶体和 STM A. 料表面的原子排列有着共同的特点，这些共同 非晶体 的特点是： 一块均匀薄片，沿各个方向对它施加拉力，发 B.第 3 章 固体、液体与新材料 63 图3-A-1 现其强度一样，则此薄片一定是非晶体 （ ） 把张有皂膜的铁丝圆环置于水龙头之 1 一个固体球，如果沿其各条直径方向的导电性 下，让一束细流穿膜而过，观察皂液是 C. 不同，则该球一定是单晶体 否仍完好无损。 一块晶体，若其各个方向的导热性相同，则这 （ ） 用被水浸湿的细铁丝轻轻捅穿皂膜，观 D. 2 块晶体一定是多晶体 察皂膜是否破碎。 3. 对下列几种固体物质的认识，正确的有（ ）。 （ ） 往皂膜上滴一小滴酒精（或用烧热的铁 3 食盐熔化过程中，温度保持不变，说明食盐是 丝戳皂膜），观察皂膜是否顷刻四分五裂。 A. 晶体 烧热的针尖接触涂有蜂蜡薄层的云母片背面， B. 熔化的蜂蜡呈椭圆形，说明蜂蜡是晶体 天然石英表现为各向异性，是由于该物质的微 C. 粒在空间的排列不规则 石墨和金刚石的物理性质不同，是由于组成它 D. 们的物质微粒排列结构不同 图3-B-1 4. 关于草、树叶上的露珠呈球形的原因，下列说 法中正确的是（ ）。 露珠呈球形只是因为重力的作用 2. 据报道，科学家目前正加紧研制一种不需用雨 A. 露珠受到重力的影响比表面张力小得多，露 刷的挡风玻璃，雨滴落到这种挡风玻璃上仍然 B. 珠呈球形只能是因为表面张力的作用 保持圆珠状，并自行滑走。这种产品在原理上 重力和表面张力互相平衡，露珠呈球形是因 借鉴了郁金香花瓣的特点：一些水和灰尘落到 C. 为水的黏合力 郁金香花瓣上后会逐渐滑走，而不会附着在上 露珠呈球形是因为重力和表面张力同时作用 面。其中原因在于，郁金香花瓣表面有许多类 D. 的结果 似人体汗毛的物质，一层层地不断把水滴推走， 5. 水的密度比沙的密度小，为什么沙漠中的风能 使其无法摊开。水滴因此仍然保持圆珠形，并 刮起大量沙子，而海洋上的风却只带有少量的 像在气垫上一样滑走。科学家把这种原理运用 水沫？ 到玻璃上，在玻璃上大量移植只有几个纳米长 6. 在地球上，较小的水银滴呈球形，较大的水银 的塑料“绒毛”，结果取得了与郁金香花瓣一 滴因所受重力的影响不能忽略而呈扁平形状。 样的效果。请你分析解释这种挡风玻璃不用雨 那么，在处于失重状态的宇宙飞船中，一大滴 刷的道理。 水银会呈什么形状？为什么？ 3. 生活中的物理现象无处不在，仔细观察日常生 B组 活，就能发现毛细现象遍布我们生活的每个角 1. 依图 所示 做下面的实验 并对结果加 落。请你收集这方面的相关资料，谈谈毛细现 3-B-1 , , 以解释。 象在生活和生产中的应用及危害。64 4 第 章 热力学定律 物质世界在不断地运动变化着。自然界发生的任何运 动变化过程都遵循着一条最基本、最普遍的规律——能量 守恒定律。 你知道人们是怎样发现能量守恒定律的吗？ 自然界的能量不会消失，那么它可以被人们反复利用吗？ 能量可以相互转化，那么燃料的内能是否可以全部用 来做功呢？ 自然界宏观过程的方向性蕴含着怎样的物理原理？ 本章将以能量为主线，研究改变内能的方式与规 律——热力学第一定律，理解能量守恒定律及其应用；由 自然界中宏观过程的方向性，了解热力学第二定律；回顾 热力学第一定律和能量守恒定律的发现过程，体会科学探 索中的挫折和失败对科学发现的意义。第 4 章 热力学定律 65 4.1 热力学第一定律 我们从分子动理论出发对系统内能已作了微观定义，知道 可决定系统状态的物理量叫 做状态量。内能是一个状态量。 了决定系统内能大小的微观因素。根据决定系统内能大小的因 素可知，一个确定的热力学系统，它的内能可以由它的温度和 体积等宏观量来决定。一个热力学系统在一个确定的状态，对 应着某一确定的内能。系统的状态发生了变化，其内能随之变化。 那么，怎样改变系统的内能？系统的内能变化过程遵循什 么规律呢？ 做功和内能的改变 在现实生活中经常可以看到，通过做功改变系统的内能。 图4-1-1 飞船返回舱返回地球通 过大气层时，与空气剧烈摩擦，使 例如：用打气筒给自行车胎打气，若时间较长，气筒会明显发 其表面温度高达2000℃ 热；汽车在高速行驶中紧急制动时，制动片的温度升高很多， 轮胎也会出现软化；内燃机在压缩冲程中，对汽缸内的气体 做功，气体的温度升高；在做功冲程中，高温高压的气体膨胀 推动活塞对外做功，气体的温度降低。在这些事例中，做功都 引起了物体内能的变化。 年， 英 国 物 理 学 家 1852 假设在这些事例的做功过程中，系统跟外界之间不发 焦耳和威廉·汤姆孙（William 生热交换，这时系统经历的过程叫做绝热过程（ Thomson，即开尔文勋爵）在实 adiabatic 验中发现，让充分预冷的空气迅 ）。研究表明，系统在绝热过程中由状态 变化到状态 process 1 速膨胀做功，由于内能减少，空 时内能的增量，等于外界对系统所做的功。可表示为 气温度会降低，这为制冷技术开 2 辟了一条新的道路。 ΔU U U W = 2 - 1 = 由此可见，做功是热力学系统跟外界相互作用的一种方式， 功是在绝热过程中系统能量变化的量度。 实验探究 通过做功来改变物体的内能 如图 所示，在一个厚壁玻璃筒里放一小块硝化棉， 4-1-2 用力迅速地压下活塞，对气体做功，使气体的内能增加，温度 升高，硝化棉在瞬间燃烧，产生明亮的火焰。 除了通过机械运动对系统做功外，还可以通过什么方式对 系统做功，从而改变系统的内能？请你举几个例子。 从能量转化的意义上来说，通过做功改变系统内能的物理 实质是什么？ 图4-1-2 压缩气体使硝化棉燃烧66 由于做功的多少跟具体过程 热传递和内能的改变 有关，因此功是一个过程量。不 能说“系统的功是多少”，而只 热传递有传导、对流、辐射三种方式。通过热传递改变系 能说“系统通过某一过程做了多 少功”。 统的内能也十分普遍。 发生热传递时，能量的形式没有变化，仅是从一个系统转 移到另一个系统，或从系统的一部分转移到另一部分。 如果一个热力学系统仅通过热传递改变了内能，外界并没 热传递也跟它所经历的过程 有对系统做功，那么系统由状态 变化到状态 的过程中，系 有关，因此热量也是一个过程量， 1 2 同样不能说“系统在某状态时具 统内能的增量就等于它所吸收的热量，可以表示为 有多少热量”。 ΔU U U Q = 2 - 1 = 根据上述表达式，请你给热量下一个定义。 热从一个原子传到 受热后的原子振动 相邻的另一个原子 并击中相邻的原子 金属板 图4-1-3 热传递的微观机制示意图 计算机、电视机等电子设备，其电路板上常装有冷却扇或 散热器，它们可使电路板释放出来的热量尽快散发。 翅形散热器 电路板 图4-1-4 电路板上的散热器 思考与讨论 一根金属棒的温度升高了，也就是说它的内能增加了，你 能判断出它是通过哪种方式增加内能的吗？为什么？第 4 章 热力学定律 67 热力学第一定律 分析与论证 综合上面的研究可以知道，使热力学系统从一个状态变化 做功 到另一个状态，既可以通过做功也可以通过热传递的方式。实 W U U 验表明，这两种方式的物理过程虽然不同，对于系统内能的改 1 Q 2 传递热量 变却是等效的。系统内能的改变过程可用能流图（图 ） 4-1-5 形象地表示。 图4-1-5 能流图 应该指出，“做功”和“热传递”虽有其等效的一面，但 在物理本质上仍然存在着区别。“做功”（机械功）伴随着一 定的宏观位移，它是系统外的有序运动的能量与系统内分子无 规则运动能量之间的转化，从而改变系统的内能。“热传递” 是通过分子之间的相互作用，是系统外的物质分子无规则运动 的能量向系统内物质分子无规则运动能量之间完成的一种转移， 从而改变系统的内能。 一般情况下，当系统发生状态变化时，做功和热传递往往 同时存在。如果有一个系统，外界对系统做功 W，同时向系统 传递热量Q，则该系统内能的增加应为两者之和。 年，开尔文在焦耳等人研究的基础上，对上述关系给 1853 出了精确的表述，并用公式表示为 ΔU U U W Q = 2 - 1 = + 一个热力学系统的内能增量等于外界对它所做的功与外 界向它传递的热量之和。这就是热力学第一定律（ first law of ）。 thermodynamics 上式中的各个量都可以有正负 其意义如下 , : 系统的内能增加，ΔU ；系统的内能减少，ΔU 。 > 0 < 0 系统吸热，Q ；系统放热，Q 。 > 0 < 0 外界对系统做功，W ；系统对外界做功，W 。 > 0 < 0 热力学第一定律指出了内能、热量、功三者之间的定量关 系，它适用于自然界中在平衡态间发生的任何过程，且不论此 过程所经历的各种状态是否为平衡态。热力学第一定律实质上 就是能量守恒定律在一切涉及热现象的宏观过程中的具体表现。 如果把系统的内能变化看成 是所有形式的能量（机械的、热 它仅考虑做功和热传递这两种方式对系统内能变化的作用，并 的、电磁的、化学的、原子核的、 不考虑对系统整体的动能和势能的影响。 场的能量）的变化，所做的功包 应用热力学第一定律时，必须明确初态、终态和中间所经 含各种形式的功，那么热力学第 历的过程，通过画出能流图，从能量守恒定律的物理实质上把 一定律就推广为能量守恒定律。68 握各物理量之间的关系。 案例分析 案例1 阳光烤暖了大地，地面辐射又对地面附近的空气加 热，形成暖气团升往高空。于是有人认为高山顶上的气温要比 地面的高，但实际情况正好相反。你怎么解释这个现象？ 解答 产生这个现象有多种因素，如果仅从上升的气团来 说，这种大气现象可以用热力学第一定律来解释。 把地面附近温度、压强相同的一大团空气作为研究对象， 这团空气最初在地面附近受热膨胀，密度变小，因而逐渐上升。 在上升的过程中，其边缘部分和外界空气的热交换对整个气团 没有明显的影响，可以认为气团与外界之间传递的热量Q ， = 0 因此气团内能的变化仅与做功有关，即ΔU W。 = 气团上升时，不断膨胀，挤推周围的空气，对外做功（W ）， < 0 内能减少（ΔU ），温度降低，所以越高的地方，空气的温 < 0 度越低。 根据气象学家的考察与科学分析，对于干燥的空气，大约 每升高 ，温度降低 ℃左右。 1 km 6 对外做功 案例2 一定量的气体，从一个状态变化到另一个状态的过 W= 120J U U 程中，吸收热量 ，并对外做功 ，试问： 1 2 280 J 120 J （ ）这些气体的内能发生了怎样的变化？ 吸热 1 Q= （ ）如果这些气体又返回原来的状态，并放出热量 ， 280J 2 240 J 图4-1-6 从状态1到状态2的能 那么在返回的过程中是气体对外界做功，还是外界对气体做功？ 流图 做功多少？ 分析 这些气体在发生状态变化前后的两个状态用 、 表 1 2 做功 示，对应的内能分别用U 和U 表示。 W= 1 2 ? （ ）当气体从状态 变化到状态 时，能流图如图 U U 1 1 2 4-1-6 1 2 所示。 放热 （ ） 由于气体的内能仅与状态有关，因此它从状态 变 Q= 2 1 240J 化到状态 时的内能变化，与从状态 返回状态 时内能变化 图4-1-7 从状态2返回状态1的 2 2 1 能流图 的大小相等，其能流图如图 所示。 4-1-7 根据能量守恒定律，结合能流图，可以不必拘泥于热力学 第一定律的公式以及有关正负号的规定。请自己完成解答。第 4 章 热力学定律 69 信息浏览 “第一类永动机”梦想的破灭 是不会成功的。 在历史上，有人曾梦想制造出一种不需要任 “第一类永动机”的不能成功，最根本的原 何燃料和动力，一旦启动后就能不停地运转并对 因是它不符合热力学第一定律，因此热力学第一 外做功的机器，这种机器叫做“第一类永动机”。 定律也可表达为“：第一类永动机是不可能制成的。” 图 所示的是 世纪英国人马尔基斯设 4-1-8 17 计的“永动机”。这是一个转轮，直径达 ， 4.3 m 用了 个质量为 的重球，它们可沿转轮的 40 43 kg 辐条运动。马尔基斯设想，当一个辐条间隔在这 一侧要转动到下方时，这个间隔中的重球就会向 转轮边缘滚动；而当一个间隔在另一侧要转动到 上方时，间隔中的重球就会向转轮的轴心滚动。 这样，只要给转轮一个初始的转动速度，这个转 图4-1-8 马尔基斯的永动机 轮就会永远地转动下去。当然，这种“永动机” 家庭作业与活动 1. 给你一小段细铁丝、一盒火柴和一小块粗糙的 4.一定量的气体，从外界吸收 × 的热量， 5 4.7 10 J 布片，请你用两种不同的方式使铁丝的温度升 内能增加了 × 。那么 是气体对外界 5 2.5 10 J , 高。体验它们的效果，说出其中的道理。 做功，还是外界对气体做功？做了多少功？ 2. 一个系统不从外界吸收热量，也不减少内能， 5. 空气压缩机在一次压缩中，活塞对空气做了 它能否对外做功？为什么？ × 的功，同时空气的内能增加了 × 5 2 10 J 1.5 3. 如何理解热量的概念？如果用Q表示系统吸收 5 。那么 是空气从外界吸收了热量，还是 10 J , 的热量，用W表示系统对外界所做的功，把 向外界放出了热量？吸收或放出的热量是 热力学第一定律表示为 Q ΔU W。你认为 多少？ = + 应该怎样理解它的物理意义？70 4.2 能量守恒定律 漫长的发现之路 探索世界万千变化的共同规律，是哲学家、科学家感兴趣 的课题。 从公元 ～ 世纪的古希腊至 世纪，人们对力、热、电、 1 2 18 光等各种物理现象进行了分门别类的研究，但没有注意到它们 之间的相互联系。到 世纪末 世纪初，一系列自然科学的 18 19 重大发现，日益揭示出各自然现象之间的普遍联系。 年，英籍物理学家伦福德［原名本杰明·汤普森 1798 （ ）］做了用钻头在炮筒内钻孔并使水发热 Benjamin Thompson 的实验。 年，英国化学家戴维（ ）利用钟摆装置使 1799 H. Davy 放在真空中的金属轮子和盘子发生摩擦，在 ℃的条件下，将 0 蜡熔化。伦福德和戴维所做的摩擦生热实验表明了机械运动向 热的转化。同时，热机的发明和改进又表明热能可以转化为机 械能。 进入 世纪以后，相继出现了一系列关于不同运动形式之 19 间联系与转化的新发现。 年，意大利科学家伏打（ ）发明“伏打电堆”， 1800 A. Volta 实现了化学运动与电运动之间的转化。 年，丹麦物理学家奥斯特（ ）发现了电 1820 H. Oersted 流的磁效应，揭示了电与磁的联系。 年，法拉第（ 1821 M. ）制成了“电磁旋转器”，实现了电运动和机械运动之 Faraday 温差电现象，就是在两种不 间的转化。 同金属的一个接点处加热，就会 年，德国物理学家塞贝克（ ）首先发现了“温 1821 T. Seebeck 产生电动势；如果电路是闭合的， 差电”现象。 年后，法国物理学家珀耳帖（ ）发现 就会有电流通过。 13 J. Peltier 了它的逆效应——当有电流通过两种金属的结点处时，会发生 温度变化。 年法拉第发现了电磁感应现象。 年法拉第得出了 1831 1834 电解定律。 年和 年，焦耳和楞次先后发现了电流的 1840 1842 热效应。 此外，进入 世纪后，紫外线化学作用的发现（ 年）、 19 1801 用光照射稀酸液中的金属板能够改变电池电动势现象的发现 （ 年），等等，都从不同侧面反映了各种自然现象之间的 1839 联系与转化。 年科学家提出了“能量”的概念； 年起，“功” 1807 1820第 4 章 热力学定律 71 的概念首先在工程技术论著中被确定； 年，提出了机械过 “能量”的概念最早是由英 1829 程中的能量守恒原理（后来演变为动能定理）…… 国物理学家托马斯·杨（Thomas Young）于 年提出的，直到 到 世纪 年代前后，科学界普遍认为应该以一种相互 1807 19 40 年才被开尔文所采用。 联系与转化的观点去认识自然。能量守恒定律，已犹如一轮红日， 1853 喷薄欲出。 共同的发现 美国科学哲学家托马斯·库 在发现能量守恒定律的历程中，众多科学家尤其是迈尔、 恩（Thomas Kuhn）指出：“能 量守恒正是科学家们在 世纪前 焦耳、亥姆霍兹做了卓有成效的工作。 19 年间在实验室里先后发现的各 德国青年医生迈尔，从生理学开始对能量进行研究。 40 种能量转化过程的理论概括。” 1840 年，他观察到生活在热带的人普遍比生活在温带的人静脉血颜 所有物理结论都必须接受实践的 色更红，由此想到了食物中含有的化学能，可以像机械能一样 检验。 转化为热。在热带高温的情况下，人的肌体只需要吸收较少食 物中的热量，所以肌体中食物的氧化过程减弱了，静脉血中留 有较多的氧，因而静脉血颜色更红。 年，迈尔发表论文《论 1842 无机界的力》（他当时所说的“力”就是“能量”的意思）， 成为第一个提出能量转化和守恒定律的人。迈尔第一个得出了 热的机械当量，即物体从 高处下落，相当于把同等重量 365 m 的水从 ℃加热到 ℃。 年，迈尔出版《论有机运动和新 0 1 1845 陈代谢》一书，分析了 种不同形式能量之间的转化现象，指 25 出“力”的转化与守恒是支配宇宙的普遍规律。 英国物理学家焦耳以研究机械运动和热运动的联系为突破 口，从 世纪 年代起，历经 年，设计了各种不同的方案， 19 40 40 先后做了 多次实验，呕心沥血，矢志不渝，测定了热功当量， 400 奠定了各种形式能量之间互相转化和守恒的实验基础。 迈 尔 （ — J. Mayer, 1814 作为一个伟大的定律，最终还必须给出数学论证。德国物 ） 德国物理学家。能量 1878 , 守恒定律的发现者之一。 理学家亥姆霍兹第一次给出了能量守恒定律的数学表达式，进 而证明自然界的各种过程都遵从这个基本定律。亥姆霍兹的工 作被认为是对能量守恒定律的第一个最严谨、最全面的论证。 能量守恒定律 大量事实证明：能量既不能凭空产生，也不能凭空消失， 它只能从一种形式转化为其他形式，或者从一个系统（物体） 转移到其他系统（物体），在转化和转移的过程中其总量不变。 这就是能量守恒定律（ ）。能量守恒 law of conservation of energy 定律是自然界的一条普适的客观规律。72 案例分析 案例1 根据考察，科学家比较一致地认为 万年前 6 500 地球上发生的那次生物大灭绝（包括恐龙在内的占地球一半左 右的生物在一瞬间消失了）是由一颗直径大约 、质量为 10 km × 的小行星以 ～ 的速度砸到地球上而导致的。 12 1 10 t 20 30 km/s 这次碰撞所释放的能量相当于 × 的 炸药爆炸所放出 13 6 10 t TNT 的能量。 现假设有一颗直径 的小行星撞上了地球，请估算所释 1 km 放的能量，并讨论会给地球所造成的危害。 焦 耳 （ ， — 不妨认定这颗小行星的密度与 万年前与地球相撞的 J. Joule 1818 ），英国物理学家。测 6 500 1889 那颗小行星的密度一样，运动速度也一样。根据体积与质量的 定了热功当量，为建立能量 守恒定律作出了贡献。 关系，就可利用案例中的信息加以估算。 分析 质量巨大的小行星一般以几十千米每秒的巨大速度 运动，具有极大的动能。它在穿越地球大气层的过程中，由于 与空气摩擦，相当一部分动能转化为小行星以及周围空气的内 能。炽热的小行星燃烧、爆炸，分裂成许多碎片，继续以巨大 的速度向地球飞来。小行星在燃烧中把各种矿物的化学能转化 为各种形式的能量，向地球释放出大量的热量、冲击波、电磁 波及其他各种射线。小行星撞击地球所释放的能量，不仅来自 它的动能，更主要的是来自它所蕴含的化学能。 解答 由球体积公式 V R 知，球的直径缩小为原来 4 3 = π 3 亥姆霍兹 （ ， H. von Helmholtz — ），德国物理学家、 1821 1894 生理学家。 年发表关于 1847 能量守恒定律的重要论著《论 力的守恒》，他对眼睛的光学 结构等也有研究。 恩格斯把能量守恒定律、细 胞学说、达尔文的生物进化论， 称为 世纪中叶自然科学的“三 19 个伟大发现”。 图4-2-1 小行星撞击地球示意图第 4 章 热力学定律 73 的 1 时，其体积减为原来的 1 。当小行星的密度和撞击速 10 1000 度不变时，其质量和动能都减为原来的 1 ，则它与地球撞击 1000 所释放的总能量相当于 × 的 炸药爆炸所放出的能量。 10 6 10 t TNT 这相当于 万个八级大地震所释放的能量，其破坏力会给地球 6 及居住在地球上的人类和各种生物带来毁灭性的打击。 案例2 某班课题研究小组的同学为了测定夏季中午单位 面积上、单位时间内获得的太阳能，制作了一个太阳能集热装 置。实验器材有：（ ）内壁涂黑的泡沫塑料箱一个，底面积为 a ；（ ）盛水塑料袋一个；（ ）温度计一支；（ ）玻璃板 2 1 m b c d 一块（约 ）。如图 所示。 2 1 m 4-2-2 a 泡沫塑料箱 b 盛水塑料袋 c 温度计 d 玻璃板 图4-2-2 太阳能集热装置实验器材 有一块斜坡草地，太阳光垂直照射到草地表面，请将上述 实验器材按实验设计要求画在图 中。 4-2-3 已知水的比热容 c，被水吸收的热量 Q 与水的质量 m、水 温升高量 θt间的关系是Q cm θt，则为了测定中午单位面积 Δ = Δ 上、单位时间内获得的太阳能，除了需要测量m、 θt外，还应 Δ 图4-2-3 测量什么物理量？本实验会有一定误差，试写出产生误差的 主要原因。 分析 这是一个研究太阳能转化为内能的问题。本案例要 求测定单位面积上、单位时间内获得的太阳能（E），实际上 W E 就是测定太阳的辐射功率（P）。根据 P 知，还需测 = t = t 量太阳照射的时间，即水温升高 θt所用的时间t。 Δ 由于太阳照射过程中，受大气层等外界的影响和采热装置 散热的缘故，照射到玻璃板上的太阳能没有全部被水吸收，造 成一定误差。 解答 装置图如图 所示。 图4-2-4 4-2-4 还应该测量的物理量是水温升高 θt所用的时间t。 Δ 产生误差的主要原因是照射到玻璃板上的太阳能没有全部 被水吸收。74 家庭作业与活动 1. 考察你的家庭与学校，说出你在生活和学习中 能量转化为电能，可同时点亮几盏 100 W 必须用到哪些形式的能量，它们是通过何种设 的灯泡？ 备由什么形式的能量转化来的。 3. 如何从能量守恒定律的角度去认识闭合电路欧 2. 称出自己的质量，量出两层楼梯的垂直高度， 姆定律和法拉第电磁感应定律？ 手拿计时器，以正常速度匀速地向上跑完这两 4. 观察手电筒的结构，画出它工作时的能流图。 层楼梯，记下所用的时间。 5. 图 是一个现代的燃煤蒸汽发电厂的运行 4-2-5 （ ）求出你在跑楼梯时体内输出的有用能量， 流程图，请从能量的角度分析各生产部门（燃 1 这中间发生了什么样的能量转化？ 烧室、锅炉、涡轮机、发电机、冷凝器）之间 （ ） 求出以瓦为单位的输出功率。如果这些 能量转化或转移的情况。 2 烟囱排放的气体 电力 涡轮机 发电机 热蒸汽 锅炉 冷凝器 冷水 热水 较冷的蒸汽 火炉 燃料 图4-2-5 燃煤蒸汽发电厂运行流程示意图第 4 章 热力学定律 75 4.3 热力学第二定律 前面学习的热力学第一定律，揭示了物体系统在内能变化 过程中的规律，其间内能的转移或与其他形式能量的转化，遵 循能量守恒定律。因此，热力学第一定律实质上反映了能量在 转化和转移过程中的守恒性，是能量守恒定律在热力学现象中 的具体反映。 你有否想过：虽然能量的总量保持不变，但能量可以被人 们不断地反复利用吗？符合能量守恒定律的过程是否都会发 生？如何判断过程演化的方向？热力学第一定律和能量守恒定 律对这些都没有回答。自然界中一定还隐藏着另外的奥秘！ 自然界宏观过程的方向性 生活经验告诉我们，河水只能从高处流向低处，“奔流到 海不复回”，不会自动地从低处流向高处。水流具有方向性。 “时间老人”总是匆匆前行，时光不会倒流。时间的流逝 具有方向性。 热量能够自发地从高温物体传到低温物体，却不能自发地 从低温物体传到高温物体。热传递（内能的转移）具有方向性。 “自发”是指高温物体向低 寒冷的冬天，人们围着篝火取暖，木柴的生物能转化为内能。 温物体传递热量时，没有任何第 用于篝火的木柴燃烧后，不可能将已散发的热量重新积聚成木 三者的介入，没有对任何第三者 柴。能量的转化具有方向性。 产生任何影响。 图4-3-1 奔腾的黄河（壶口瀑布）76 图4-3-2 用于篝火的木柴燃烧后，不可能将已散发的热量重新积聚成木柴 在自然界中，一切自发的宏观过程都是有方向性的，是不 可逆的。 过程的方向性具有普遍的意义，请再列举一些事例，并与 同学相互交流。 年，德国物理学家克劳修斯根据热传递的方向性， 1850 总结出一条规律：不可能使热量从低温物体传到高温物体， 而不引起其他变化。这就是热力学第二定律（ second law of ）的一种表述，称为克劳修斯表述。 thermodynamics 有人说，用电冰箱冷藏食品，用空调机制冷，电冰箱和空 调机能够源源不断地把热量从温度较低的地方传递到温度较高 的地方，似乎并不遵循热力学第二定律。你的看法怎样？ 克 劳 修 斯 （ ， R. Clausius — ），德国物理学家， 理想热机的启示 1822 1888 近代分子动理论的创始人之 一。他提出了统计概念，并推 导出气体压强公式。 年 面对能源危机，有人提出了一个十分诱人的设想：地球上 1865 提出“熵”的概念，以定量形 的海水储量丰富，总质量约 × ，如果能够设计制造出 18 式表示出热力学第二定律，该 1.4 10 t 定律的影响和作用遍布很多 一种机器，它能从海水里吸热做功，则由计算可知，只要使海 方面。 水的温度降低 ，它所做的功就达 × ，这些功可 22 0.01 K 5.8 10 J 让全世界所有的工厂运转 多年！这个设想完全符合能量 1 000 守恒定律，但至今没有研制出这种机器。这是怎么回事呢？ 让我们先回顾初中学过的四冲程内燃机的工作过程。内燃 机的工作物质是空气与燃料的混合气。工作物质推动活塞做功 后，过程中产生的废气必须排出后才能进行下一个循环，也就第 4 章 热力学定律 77 是说，一个循环完成后，一定会放掉一些热量。 年，法国物理学家卡诺分析了各种热机的工作过程后， 高温热源 T 1824 1 运用理想模型的研究方法，对具体的热机进行简化抽象，建构 Q 了一部理想热机（图 ），它概括了各种热机的工作原理。 1 4-3-3 W 从理想热机的工作原理可以得到重要的启示：任何一种热 机必须联系着两个热源，分别称为高温热源和低温热源（冷凝 Q W Q Q 1 = + 2 器），工作物质从高温热源吸收热量后，除了对外做功，还必 2 须向低温热源放热，不可能实现只有单一热源的热机。也就是说， 冷凝器T 从高温热源吸收的热量不可能全部用来对外做功。 2 设工作物质在一个循环内从高温热源吸收热量 Q ，对外做 图4-3-3 理想热机的工作原理 1 功W，向低温热源放出热量Q ，则 2 Q W Q 或 W Q Q 1 = + 2 = 1 - 2 研究指出，理想热机的效率 所以理想热机的效率为 完全由两个热源的温度决定，即 W Q Q Q Q T T η = Q = 1 Q - 2 < 1 η = 1 Q - 2 = 1 T - 2 1 1 1 1 年，开尔文从热机的工作特点出发，总结出热力学第 1851 二定律的另一种表述：不可能从单一热源吸收热量并把它全部 用来做功，而不引起其他变化。这种表述称为开尔文表述。 当能量守恒定律对“第一类永动机”作出“不可能制成” 的判定后，历史上曾有许多人精心构思，想设计出一种从单一 热源吸热，并把所吸热量除用于克服摩擦做功外全部用来对外 做功的机器，即一种效率达到 的热机。这种机器被称为 100% “第二类永动机”。“第二类永动机”并不违背能量守恒定律， 但根据热力学第二定律的开尔文表述，同样可以做出判定：“第 二类永动机”是不可能制成的。这是热力学第二定律的又一种 表述。 从上面的分析不难看出，在自然界的一切自发过程中，能 卡 诺 （ ， — 量的转化或转移都是有方向性的，但都不违反能量守恒定律。 S. Carnot 1796 ），法国物理学家、工程 1832 热力学第二定律的实质就是揭示了自然界的一切自发过程都具 师。 年提出了关于热机 1824 的卡诺循环和卡诺定理。 有方向性。 案例分析 案例 炎炎夏日，两位同学在凉爽的空调室内，就空调机 的工作过程是否遵循热力学第二定律的问题发生了争论。 一位同学说：空调机工作时，不断地把热量从室内传到室 外，即从低温物体传到高温物体，可见它并不遵循热力学第二 定律。 另一位同学说：热力学第二定律是热力学系统的普遍规78 律，空调机的工作过程不可能违反它。 两人各执一词，都无法使对方信服。请你对他们的论点作 出评价。 分析 单冷空调机和电冰箱都是制冷机，它们的工作原理 低温高 低温低 压液体 基本相同。为了便于分析，我们以电冰箱为研究对象，认识它 压液体 毛细管 的基本结构和工作过程。从图 可以知道，电冰箱由压缩机、 4-3-4 冷凝器、毛细管（节流阀）、蒸发器四个部分组成。这四个部 冷 分由管道连接，组成一个密闭的连通器系统，制冷剂作为工作 蒸 凝 物质，由管道输送流经这四个部分，完成工作循环。 发 器 器 压缩机是电冰箱的“心脏”。压缩机消耗电能，对来自 四通阀 蒸发器的制冷剂蒸汽做功，使它变成高温高压的蒸汽（如 压缩机 p ≈ ，t≈ ℃）。 9.1 atm 46 高温高 低温低 然后，这些高温高压的蒸汽来到冷凝器，向低温的环 压气体 压气体 境（空气）放热，同时自身被冷却而凝成低温高压的液体（如 图4-3-4 电冰箱的制冷循环回路 p≈ ，t≈ ℃）。 8.9 atm 37.4 这些低温高压的液态制冷剂进入毛细管后，经节流阀膨胀， 变为低压的液体（如p≈ ） 随后进入电冰箱的蒸发器。 1.5 atm , 在那里，这些低温低压的液态制冷剂在低压条件下迅速汽化 , 从外界（电冰箱内）吸收大量的热量，使那儿的温度降低。这 样就完成了一个制冷循环。 请仔细考察图 中电冰箱的工作过程，分析其中的热 4-3-4 量流向,对这两位同学的争论作出正确的评价。 系统的无序程度 在热力学中，对所研究的热 力学系统能够发生相互作用的其 他物体，都称为外界或环境。跟 一碗沙子和一碗米，本来各自处于有序状态，当两者混合 外界没有任何相互作用的热力学 在一起，乱糟糟不可收拾，我们可以说系统混合后的无序程度 系统，叫做孤立系统。 比混合前增加了。 两种气体扩散前后，高温物体与低温物体发生热传递前后， 在物理学上，熵（ ） entropy 它们的无序程度变大了。 描述一个系统的无序程度。系统 的熵高，表示无序程度大，显得 “混乱”和“分散”；系统的熵低， 根据大量分子运动对系统无序程度的影响，热力学第二定 表示无序程度小，显得有序、“整 律又有一种表述：由大量分子组成的一个孤立系统自发变化 齐”和“集中”。 时，总是向着无序程度增加的方向进行，至少无序程度不会减少。 在希腊语中，熵（εντροπia） 通过做功改变内能的过程是一个不可逆的过程，这个过程 表示“转变”的意思，克劳修斯 中无序程度增加。 首先把它引入物理学，定义为热 量与温度之比。我国物理学家胡 大量事实证明，每一个不可逆过程，都是导致无序程度增 刚复根据其定义，新造了一字“熵”。 加的根源。平时常见的热传递、扩散、煤的燃烧、铁在空气中第 4 章 热力学定律 79 的氧化等一切自发的过程都是不可逆的，都会使无序程度增加。 马路上的摩托车疾驶而过，喷出阵阵黑烟，严重污染了环境， 同样导致了无序程度的增加。 能量守恒定律和无序程度的增加是自然界中两条普遍的 规律。 案例分析 案例 热力学第二定律的开尔文表述指出：内能与机械能 的转化具有方向性。请结合无序程度的变化加以解释。 解答 机械运动是宏观情况下物体在空间位置上的变化， 物体运动状态的变化完全遵循牛顿运动定律所反映的因果关系， 这是一种有序的运动。热运动是大量分子的无规则运动，系统 的一个宏观状态包含着大量的微观状态，这是一种无序的运动。 机械运动向热运动的转化，属于从有序向无序的转化，会导致 无序程度的增加，符合热力学的规律，因此机械能可以全部转 化为内能。反之，热运动向机械运动的转化，属于从无序向有 序的转化，不符合无序程度增加的原理，因此内能向机械能的 转化不能全部实现。 家庭作业与活动 1. 有人把热力学第二定律的克劳修斯表述简化为 × ，传送蒸汽损失 × ，蒸汽冷凝 6 6 10 J 1.2 10 J “热量不能由低温物体传到高温物体”，这种 损失 × ，废气带走损失 × ， 6 7 4.0 10 J 1.4 10 J 说法是否正确？为什么？ 机械磨损损失 × 。试画出其能流图。 6 0.7 10 J 2. 下列说法中正确的是（ ）。 这台蒸汽机输出的机械能是多少？热机的效率 热量能够从高温物体传到低温物体 是多少？ A. 机械能可以全部转化为内能而不引起其他变化 4. 横截面积为 的圆筒，内装有 的水， 2 B. 3 dm 0.6 kg 不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来 太阳光垂直照射 ，水温升高了 ℃，设 C. 2 min 1 做功 而不引起其他变化 大气层顶的太阳光只有 到达地面，试估算 , 45% 凡是不违背能量守恒定律的过程一定都能实现 太阳的全部辐射功率。太阳到地球的距离R D. = 3. 设一台蒸汽机中， 煤完全燃烧后，产生 × ，保留两位有效数字，水的比热容 11 1 kg 2.9 1.5 10 m × 7 的热量，其分配情况如下 锅炉损失 c × 3 （ ·℃）。 10 J : 5.9 = 4.18 10 J/ kg80 第 4 章家庭作业与活动 A组 ΔU，不考虑散热损失，则（ ）。 1. 下列关于内能变化的说法中正确的是（ ）。 ΔU Q A. = 电流通过电阻，电阻会发热，其内能增加是 ΔU Q A. B. < 通过热传递方式实现的 ΔU Q C. > 一定量气体经加热，其内能一定增加 无法比较ΔU与Q的大小关系 B. D. 气体膨胀，它的内能一定减少 C. 橡皮筋被拉长时，内能增加 A D. 2. 关于系统的内能及其变化，下列说法中正确的 是（ ）。 B 系统的温度改变时，其内能必定改变 A. 系统对外做功，其内能不一定改变；向系统 图4-A-1 B. 传递热量，其内能不一定改变 6. 请整理热力学第二定律的不同表述，并说明它 对系统做功，系统内能必定改变；系统向外 C. 们分别对应着怎样的物理事实。 传出一定热量，其内能必定改变 7. 关于热力学第二定律，下列表述中正确的是 若系统与外界不发生热交换，则系统的内能 D. （ ）。 必定不改变 物体可以从单一热源吸收热量并把它全部用 3. 关于系统的内能变化，下列说法中正确的是 A. 来做功，而不引起其他变化 （ ）。 热传递是有方向性的 系统吸收热量，内能一定增加 B. A. 不可能使热量从低温物体传到高温物体 系统对外做功，内能一定减少 C. B. 第二类永动机是可以制成的 系统吸收热量，同时对外做功，内能可能不变 D. C. 8. 在一间隔热很好的房间中，把正在工作的电冰 系统放出热量，同时对外做功，内能可能不变 D. 箱门打开，室内空气温度将 （选填“升高” 4. 汽车关闭发动机后恰能沿斜坡匀速下滑，在这 “不变”或“降低”），其原因是 。 个过程中（ ）。 9. 如图 所示，将一滴红墨水滴入一杯清水 汽车的机械能守恒 4-A-2 A. 中，红墨水会逐渐扩散到整杯水中。试说明这 汽车的机械能逐渐减少，内能增加，汽车的 B. 个过程中无序程度的变化。 总能量逐渐减少 汽车的机械能逐渐减少，内能增加，汽车的 C. 总能量不变 汽车的机械能和总能量都不变 D. 5. 如图 所示，直立容器内有一薄层隔板 4-A-1 , 把容器分成体积相等的两部分A和B，A中气 体的密度较小，B中气体的密度较大。若抽去 图4-A-2 红墨水的扩散 隔板，加热容器，使A、B两部分气体均匀混合， 设在此过程中气体共吸热Q，气体内能增量为 10. 一只铁球从高处落下，撞到地面上 最后处于 ,第 4 章 热力学定律 81 静止状态。试分析这个过程中无序程度的 画出的示意图：外界对制冷机做功，使热量从 变化。 低温物体传递到高温物体。请你根据第二种表 B组 述完成示意图 。根据你的理解，热力 4-B-1 b 1. 三峡工程的主要数据如下表所示。 学第二定律的实质是 。 坝高 大 /m 185 坝长 坝 /m 2335 最高蓄水位 /m 175 总库容 3 10 制 制 制 水 /m 3.930×10 防洪库容量 3 10 库 /m 2.215×10 平均年流量 3 11 /m 4.510×10 总装机数台 电 / 26 总装机容量 7 站 /kW 1.820×10 平均年发电量（ ） 图4-B-1 10 / kW·h 8.468×10 请根据表中有关数据完成下列问题。 3. 现代典型的燃煤蒸汽发电厂总效率一般为 （ ） 年平均消耗水能E ，转化 。有一座大型燃煤发电厂，如果发出 1 = J 40% 1.0 为电能的百分比η 。 × 的电力，可供一个大城市使用。图 9 = 10 W 4-B-2 （ ）若 台发电机组全部建成并同时发电， 表示这座发电厂的能量流向。请回答： 2 26 则按设计要求年发电时间为 。 （ ）燃煤提供的能量应等于哪几项能量之和？ d 1 2. 热力学第二定律常见的表述有两种： （ ） 图中烟囱废气所带走的能量没有标出， 2 第一种表述：不可能使热量由低温物体传递到 请你算出来，在图中补上。 高温物体，而不引起其他变化； （ ）算出这座发电厂的总效率。 3 第二种表述：不可能从单一热源吸收热量并把 （ ） 根据图 所示的电厂能量流向，你 4 4-B-2 它全部用来做功，而不引起其他变化。 认为在哪些地方作些改进，可以提高发 图 是根据热力学第二定律的第一种表述 电厂的总效率？ 4-B-1a 烟囱排出 由燃煤提供 进入涡轮机 （ 涡 由 轮 冷 机 凝 损 器 耗 排 1. 出 2× ） 10 9 W 损耗 1.6×10 9 W 9 2.5×10 W 9 2.2×10 W 功 9 1.0×10 W 传输损耗 8 1.0×10 W 电能 1.0×10 9 W 送达用户 有用功 9.0×10 8 W 8 9.0×10 W 图4-B-282 5 第 章 原子世界探秘 我们已经知道，物质是由原子组成的。那么，原子是 构成物质的最小微粒吗？原子有内部结构吗？如有内部结 构，则它是什么样的？这些问题促使科学家们试图敲开原 子的大门。为此他们在实验观察的基础上进行了一系列对 原子结构的描述、解释和预测，面对这些激动人心的探索 活动，我们不禁会问： 人类是怎样发现原子内部有复杂结构的？ 探索原子的结构经历了怎样的漫长过程？ 绚丽多彩的光是怎样产生的？ 迄今人们对原子结构的认识进入到一个什么样的层次？ …… 本章以人类探索原子结构的历史为线索，展示科学家 探索原子结构的过程及有关的经典实验，让你体会人类在 探究微观世界过程中的研究方法及其在现代科学发展中的 价值；通过对氢原子光谱的分析，在量子论视野下了解原 子的能级结构。第 5 章 原子世界探秘 83 5.1 电子的发现 年，英国化学家道尔顿（ ）根据化学实验的 1808 J. Dalton 结果，提出了近代“原子论”，认为物体是由原子组成的，同 时他又断定：原子就像一个实心球，是不能再分割的。 原子真的不能再分了吗？ 世纪末，电子的发现揭开了探 19 索原子内部结构的序幕。 那么，电子是怎样发现的呢？电子的发现对人类探索原子 结构有何重大意义呢？ 阴极射线的发现 世纪中期，物理学家在研究稀薄气体放电现象中发现： 19 将充有足够稀薄气体的放电管的阴极和阳极接上高压电源后， 阴极正对面的玻璃壁上会出现绿色的荧光（图 ），这个 5-1-1 绿色荧光是哪里来的？科学家研究认为，是阴极发出的一种射 线打到玻璃壁上产生的。 从阴极发射出来的射线叫阴极射线，气体放电管也被称为 阴极射线管。那么阴极射线究竟是什么？是光，还是粒子？它 带电吗？ 物理学家对阴极射线的研究，引发了 世纪末的三大发现： 19 年伦琴（ ö ）发现了 射线； 年贝可勒尔（ 1895 W. R ntgen X 1896 A. 图5-1-1 阴极射线管 ）发现了放射性； 年 . . 汤姆孙发现了电子。 Becquerel 1897 J J 你能设计一个实验，来探究阴极射线的性质吗？ 实验探究 研究阴极射线的带电性质 我们已经学过用阴极射线管来研究洛伦兹力了。 如图 所示，给阴极射线管加上高电压，将磁铁靠近 5-1-2 阴极射线管，你观察到什么现象？ 请思考：根据观察到的现象，你认为阴极射线是中性的， 还是带电的？如果是带电的，则是带了哪种电？ 汤姆孙发现电子 阴极射线的发现引起了英国物理学家 汤姆孙的极大关 J. J. 注，他认为阴极射线是一种动能很大的带电粒子流。 为了研究阴极射线的带电性质，他设计了如图 所示 图5-1-2 研究阴极射线的装置 5-1-3 的装置。从阴极发出的阴极射线，经过阳极上的小孔，射到管84 阴极 壁上，产生荧光斑点；用磁铁使射线偏转，进入集电圆筒；用 小孔 静电计检测的结果表明，收集到的是负电荷。 为了进一步弄清这种带负电粒子的性质，必须设法测出阴 极射线中一个带电粒子的质量。汤姆孙采用的是测比荷的方法， 阳极 e 这种方法是通过实验测出粒子的比荷 和电荷量 e，从而求得 m 粒子的质量m。 集电圆筒 接地 汤姆孙用如图 所示的装置测定了这种粒子的比荷。 5-1-4 接静电计 图5-1-3 检测阴极射线带电性质 的装置 AA′ P θ O K P′ 1 L 图5-1-4 测定阴极射线粒子比荷的装置 从阴极 K 发出的阴极射线，通过一对平行金属板 P、P′间 的匀强电场时发生偏转，偏转角 与电场强度 E、极板长度 L J. J. 汤姆孙 （ ， θ J. J. Thomson 以及带电粒子的速度v的关系为 — ），英国物理学家。 1856 1940 年发现电子，于 年 EeL 1897 1906 θ （ ） 获诺贝尔物理学奖。 tan = mv 2 1 请你用学过的知识证明上式。 然后再加一垂直于电场方向的匀强磁场，使粒子所受到的 电场力与磁场力平衡，不发生偏转，由此可得 E v （ ） = B 2 比荷是粒子所带电荷q跟粒 将（ ）式代入（ ）式，并代入实验数据，求得这种粒子 q 子质量m的比 。 2 1 m 的比荷为 e 现在测得的电子比荷为 11 m ≈ 10 C/kg e mm ee = 1.758 80 × 10 11 C/kg 汤姆孙通过进一步的实验，发现当改变阴极材料时，测得 电子的电荷量为 的比荷都相同，表明这种粒子是各种材料的共有成分。 年， e × -19 1898 = 1.602 19 10 C 从而算出电子的质量 汤姆孙测出这种粒子所带电荷量与氢离子的电荷量接近，从而 m e = × -31 。 证明这种粒子的质量小于氢原子质量的千分之一。至此，这种 9.109 53 10 kg 电子质量约为氢原子质量的 粒子的“身份”已经明确：它是一种带负电的质量很小的粒子。 。 1 物理学家把这种粒子叫做电子（ ）。 1837 electron第 5 章 原子世界探秘 85 实验探究 用洛伦兹力实验仪测定阴极射线的比荷 图 所示是洛伦兹力实验仪。 5-1-5 你能用这个仪器测出阴极射线中电子的比荷吗？ 实验中需测量哪些物理量？ 怎样测量这些物理量？ 怎样根据测量结果计算电子的比荷？ 请进行实验，并将测量结果与同学们交流。 电子发现的重大意义 电子是人类发现的第一个比原子小的粒子。电子的发现， 打破了原子不可再分的传统观念，使人们认识到原子不是组成 物质的最小微粒，原子本身也有内部结构。从此，原子物理学 图5-1-5 洛伦兹力实验仪 飞速发展，人们对物质结构的认识进入了一个新时代。 家庭作业与活动 1. 汤姆孙是通过怎样的实验和推理过程发现 加上偏转电压U后，亮点偏离到O′点， O′点 J. J. 电子的？ 到O点的竖直距离为d，水平距离可忽略不计。 2. 你认为电子的发现，对人类探索微观世界有什 此时在P与P′之间的区域再加上一个方向垂 么重大意义？ 直于纸面向里的匀强磁场，调节磁感应强度， 3. 当阴极射线通过匀强电场E或匀强磁场B时， 当其大小为B时，亮点重新回到O点。已知极 图 中射线形状中正确的是（ ）。 板水平方向长度为L ，极板间距为b，极板右 5-1-6 1 4. 图 所示为汤姆孙用来测定电子比荷的装 端到荧光屏的距离为L 。 5-1-7 2 置。当极板P和P′间不加偏转电压时，电子 （ ）求打在荧光屏O点的电子速度的大小。 1 束打在荧光屏的中心O点处，形成一个亮点； （ ）推导出电子比荷的表达式。 2 E B E B A. B. C. D. 图5-1-6 O′ AA′ P d b O K P′ O 1 L L 1 2 图5-1-786 5.2 原子模型的提出 人类追求科学真理和探索自 原子内部除了电子外，还有些什么？原子内部的结构又是 然奥秘的强烈欲望，始终是科学 怎样的？ 发展的永恒动力。 在 世纪末和 世纪初，科学家还无法通过实验手段来 19 20 直接揭示原子的内部结构，于是利用假设的方法，构思出一个 个原子结构的模型，再通过实验验证和理论分析，一步步接近 原子结构的真实图景。 汤姆孙的原子“枣糕”模型 世纪初，科学家们提出了几种原子模型，其中最有影响 20 的是 汤姆孙于 年提出来的原子模型。汤姆孙在发现电 J. J. 1904 子后，便投入了对原子内部结构的探索，他通过丰富的想象， 提出了原子的“枣糕”模型（图 ）。在这个模型里，汤 5-2-1 姆孙把原子看作一个球体，正电荷均匀地分布在整个球内，电 子像枣糕上的枣子一样嵌在球中，被正电荷吸引着。原子内正、 图5-2-1 汤姆孙的原子“枣糕” 负电荷相等，因此原子的整体呈中性。汤姆孙的原子“枣糕” 模型 模型是第一个有一定科学依据的原子结构模型。 汤姆孙的原子“枣糕”模型在一段较长的时间内得到科学 家们的普遍接受。在此期间，人们对原子结构的探索空前活跃， 一些科学家还提出了其他的一些原子结构模型。 一位科学家要提出科学的原子模型，你认为他必须具备一 些什么条件？ α粒子散射实验 年，英国物理学家卢瑟福为了检验汤姆孙模型的正确 1909 性，指导他的助手盖革（ ）和马斯登（ ）设 H. Geiger E. Marsden 计了一个引人注目的实验。 实验装置如图 所示。在一个小铅盒里放有少量的放 5-2-2 射性元素钋，钋发出的 α 粒子从铅盒的小孔射出，形成很细的 一束射线射到金箔上。α 粒子穿过金箔后，打到荧光屏上产生 卢瑟福 （ ， — 一个个闪光点。整个装置放在一个抽成真空的容器里。荧光屏 E. Rutherford 1871 ），英国物理学家， 世 和观察闪光的显微镜能够围绕金箔在一个圆周上运动。 1937 20 纪最著名的实验物理学家之 实验表明，绝大多数 α 粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前 一。他在研究放射性现象和原 子结构等方面都作出了重大的 进，但是有少数 α 粒子却发生了较大的偏转，有的 α 粒子偏 贡献。 年获诺贝尔化学奖。 1908 转角超过 °，极少数α粒子甚至被反弹回来。 90第 5 章 原子世界探秘 87 α 粒子的散射现象是出人意料的。卢瑟福对实验的结果感 荧光屏 到十分惊奇，他说：“这是我一生中从未有的最难以置信的事， α 粒子源 它好比你对一张纸发射出一发炮弹，结果被反弹回来而打到自 己身上……”。 金箔 思考与讨论 . 如果汤姆孙的原子模型是正确的，那么上述实验中，α 图5-2-2 α粒子散射实验示意图 1 粒子穿过金箔后的方向和分布应是怎样的？ . 你对卢瑟福的上述说法是怎样理解的？ 2 卢瑟福的原子核式结构模型 卢瑟福对他的实验结果进行了分析和计算，得出的结论是： 除非原子的几乎全部质量和正电荷都集中在原子中心的一个很 小的核上，否则，α 粒子的大角度散射是不可能的。卢瑟福在 这个实验的基础上，于 年提出了他的原子核式结构模型。 1911 在原子的中心有一个很小的核，叫做原子核（ atomic ），原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核 nucleus 上，带负电的电子在核外空间里绕着核旋转。 按照这个模型，原子内大部分的空间是空的，α 粒子很容 易穿过。当 α 粒子离原子核较远时，受到的库仑斥力很小，运 动方向改变很小；只有当 α 粒子与原子核十分接近时，才会受 到很大的库仑斥力，发生大角度的偏转。由于原子核很小，所 图5-2-3 用原子核式结构模型解 以只有极少数α粒子发生大角度的偏转（图 ）。 释α粒子散射实验 5-2-3 卢瑟福的原子核式结构模型能很好地解释 α 粒子散射实验 的结果，自然就取代了 汤姆孙的原子“枣糕”模型。 J. J. 年，卢瑟福引起了自德 1911 谟克里特时代以来，我们物质观 思考与讨论 念上的最大变化。 . 卢瑟福说：“我知道了！原子到底是什么样的……可以 ——爱丁顿 1 将它想象成一个小的太阳系。”你是怎样理解这段话的？ . 卢瑟福的原子核式结构模型与汤姆孙的原子“枣糕”模 2 型相比较，有什么不同？这个模型的建立，你认为在人类探索 原子结构的进程中有怎样的重大意义？ 原子核的电荷和尺度 根据卢瑟福的原子核式结构模型，可以推导出 α 粒子的散 射公式，利用这个公式和对不同元素进行 α 粒子散射实验所得 的数据，就可以计算出各种元素原子核的电荷量。当时得到碳88 核的电荷量为 e，铝核为 e或 e，金核为 e或 e，其 6 13 14 78 79 中 e 是电子的电荷量。这些元素的原子核电荷数非常接近于它 们的原子序数，这为理解元素周期表提供了重要的线索，它说 明元素周期表是按原子核外电子数来排列的。 原子核的电荷量是研究原子 的重要数据。原子是电中性的， 由 α 粒子散射实验的数据，还可以估算出原子核的尺度。 知道了某种元素的原子核电荷 原子核半径的数量级为 ，而原子半径的数量级为 ， -15 -10 数，就可以推算出这种原子内含 10 m 10 m 两者相差达十万倍之多，可见原子内部非常“空旷”。 有的电子数。 思考与讨论 . 你从原子模型的提出与演进过程中得到了哪些启示？ 1 . 在科学家探索原子结构奥秘的过程中，哪些事例最使你 2 感动？为什么？ 家庭作业与活动 1. 汤姆孙发现了电子，从而证明原子内部有 3. 原子的直径约为 ，氢原子核的直径约为 -10 J. J. 10 m 带负电的电子。但原子是中性的，所以必定还 × ，若把氢原子放大，使核的直径为 -15 3 10 m 有带正电的部分，这些正电荷具有什么性质？ ，则电子离核的距离为多大？ 1 mm 它们是怎样分布的？正、负电荷之间如何相互 4. α粒子散射实验是让α粒子射向金箔去碰撞 作用？原子内究竟有多少电子？电子的数目如 金原子，结果发现：大部分α粒子穿过金箔 何决定？怎样才能保持原子的稳定状态？面对 后不发生偏转，少数α粒子发生偏转 有的偏 , 这些问题，物理学家们根据自己的实践和见解， 转角很大。 从不同的角度提出了各种不同的模型。经过实 （ ） 为什么有的 α 粒子会发生大角度的 1 践的检验，有的成功，有的失败。 偏转？ 请你查阅文献，选取一些有代表性的例子 （ ） 已知金的原子序数为 ，当α粒子距 2 79 来说明原子模型的历史演变过程。 金原子中心为 × 时受到的库仑 -13 1.0 10 m 2. 卢瑟福是怎样提出原子核式结构模型的？ 力多大？第 5 章 原子世界探秘 89 5.3 量子论视野下的原子模型 科学家在探索原子结构时，还有一条线索很重要，就是在 原子的核式结构模型提出之前，科学家就已经知道每种元素的 原子发出的光都有自己的特征，于是，光又成为探索原子结构 的一个突破口。 氢原子光谱 早在 世纪，牛顿就发现了日光通过三棱镜后的色散现象， 17 并把实验中得到的彩色光带叫做光谱。 年，德国物理学家 1814 夫琅禾费（ ）展示了太阳光谱内的多条黑线， J. von Fraunhofer 其后，光谱的研究受到了重视，科学家认为光谱与光源所含元 素的原子有关。 稀薄气体在强电场的作用下，气体分子会电离成能自由移 动的正负带电离子，气体变成了导体，导电时还会发光。把稀 薄气体封闭在两端有电极的细玻璃管中，就制成了气体放电管， 也叫光谱管（如图 所示）。不同的气体发出光的颜色不同， 5-3-1 你在大街上见到绚丽多彩的霓虹灯广告，其发光原理与气体放 电管是相同的。 通过分光镜（如图 所示）可以看到稀薄气体的光谱 5-3-2 图5-3-1 光谱管 是由一些不连续的亮线组成，这些亮线叫谱线，呈分立特征。 不同的气体，谱线的分布也不同。由于氢是最简单的元素，它 的光谱也是最简单的，所以科学家们就试图从氢光谱上寻找一 个突破口。 可以通过分光镜观察到氢气光谱管放电时氢气的四条谱 线：红、绿、蓝和紫，如图 所示。 年，巴耳末（ 5-3-3 1885 J. ）对可见光区的这四条谱线做了分析，并计算出了四条 Balmer 谱线的波长。当时，科学界已经有了一个共识，就是任何用来 解释原子结构的理论，都必须能对这些谱线的波长作出合理的 图5-3-2 分光镜 诠释。 mn 1.014 mn 0.434 mn 1.684 mn 2.656 图5-3-3 氢原子的光谱90 普朗克的能量子假设 德国物理学家普朗克对黑体辐射问题进行了系统的理论研 如果一个物体能完全吸收投 究，他结合有关实验证据，于 年 月推导出了普朗克公式。 射到其表面的电磁波而不产生反 1900 10 射，我们称之为绝对黑体（ 年 月 日普朗克在德国物理学会会议上宣读了论 absolute 1900 12 14 ），简称黑体。 文《关于正常光谱的能量分布定律的理论》，提出了革命性的 black body 能量子假设。这一天便成了量子论的诞生日。 普朗克设想，黑体由大量振子组成，这些振子能够和周围 的电磁场交换能量；这些振子的能量 E 只能是某一最小能量值 hν的整数倍，即 EE==nnhhν（ν（nn==，，，，，，……））， 11 2233 式中hν为= 振E 子-的E 频率，h是一个常量，叫做普朗克常量（ m n Planck ），实验测得 constant h × -34 · = 6.63 10 J s 普朗克指出：只有认为振子辐射或吸收的能量是不连续的， 理论计算的结果才能与实验事实相符。这样的一份最小能量 普 朗 克 （ ， — M. Planck 1858 hhν叫= 做E 能-E量子（ ）。在微观世界中，能量取 ），德国物理学家。因发现 m n quantum of energy 1947 能量子而对物理学发展做出的 分立值的现象叫做能量的量子化（ ）。 quantization of energy 杰出贡献，于 年荣获诺贝 1918 尔物理学奖。 案例分析 案例 某红光的波长为 × ，求其能量子的值。 -7 6.35 10 m 分析 c 根据公式ν 和E hν，可求得能量子的值 = λ = c E hν h 8 -34 3.0 × 10 -19 = = λ = 6.63 × 10 × J = 3.13 × 10 J -7 6.35 × 10 能量子的值非常小，在宏观世界里一般观测不到能量子的 这个发现将人类的观念，不 效应，可认为能量是连续的，因此经典物理学能很好地解释宏 仅是有关经典科学的观念，而且 观世界的运动规律。但当人们的视野深入到原子以下的微观世 是有关通常思维方式的观念的基 界时，就必须考虑能量的量子化。 础砸得粉碎。 普朗克的能量子假设，使人类对微观世界的本质有了全新 ——玻尔 的认识，对现代物理学的发展产生了革命性的影响。普朗克 常量 h 是自然界最基本的常量之一，它体现了微观世界的基本 特征。第 5 章 原子世界探秘 91 玻尔的原子模型 卢瑟福的原子核式结构模型很好地解释了 α 粒子散射实 验，初步建立了原子核式结构的图景。但是这个模型有一定的 局限性。按照经典电磁理论，电子在围绕原子核高速运转时， 必然要向外辐射电磁波。辐射能量后的电子，将因原子核的引 力作用而沿螺旋线运动，最终落到原子核上。这样，原子也将“塌 方”，不再成为原子了。但事实上，原子的结构相当稳定。 另外，电子在绕原子核转动过程中，向外辐射电磁波，其 频率等于电子绕核旋转的频率。电子离核越近，转动越快（频 率变大），能量越小，其变化是连续的，即原子辐射光的光谱 是连续的。但原子（如氢原子）光谱却是一些分立的不连续的 谱线。 显然，卢瑟福的原子核式结构模型无法解释氢原子光谱。 这是怎么回事？怎样解决这个矛盾？ 年，丹麦物理学家玻尔为了解决上述矛盾，在卢瑟福 1913 的原子核式结构模型的基础上，把量子概念引入了原子系统， 提出了玻尔理论。玻尔理论的主要假设是： （ ） 原子只能处于一系列不连续的能量状态中，在这 1 些状态中的原子是稳定的，这些状态叫做定态（ stationary ）。处于定态的原子并不对外辐射能量，只有当原子在两 state 个定态之间跃迁时，才产生电磁辐射。 （ ）原子从能量为E 的定态跃迁到能量为E 的定态时， 2 m n 辐射（或吸收）一定频率的光子，光子的能量由两个定态的能 玻尔 （ ， — ）， N. Bohr 1885 1962 量差决定，即 丹麦物理学家。于 年把 1913 量子论与原子结构模型结合起 hν = E -E 来，提出了原子能级结构假说， m n 因而获 年的诺贝尔物理 1922 式中h为普朗克常量，hν为= 光E子-的E频率。 学奖。 m n （ ） 原子的不同能量状态对应于电子的不同运行轨道。 3 由于原子的能量状态是不连续的，因此电子不能在任意半径的 轨道上运动。 玻尔在上述假设的基础上，还计算出氢原子的电子轨道半 径（叫做玻尔半径）与电子在各条轨道上运动时氢原子的能量 r rn r，nEr，E E(nE(n， ，， ，， ，) ) n = n 2 =1 2 1 n = nn1 2 = n1 1 2 =1 1 =21 32 …3 … 式中，r 表示第一条（即离核最近的）可能轨道的玻尔半径， 1 E 表示电子在这一轨道上运动时氢原子的能量，r 表示第 n 条 1 n 可能轨道的玻尔半径，E 表示电子在这一轨道上运动时氢原子 n92 的能量。由此可见，电子围绕原子核运动的轨道半径是不连续 的，只能是一些分立的数值。 玻尔计算出了r 和E 的数值： 1 1 r × -10 ，E 。 1 = 0.53 10 m 1 = -13.6 eV 思考与讨论 玻尔的观点与经典物理学的观点有很大的不同： 玻尔认为，处于定态的原子并不对外辐射能量。经典物 1. 理学的观点是怎样的？ 玻尔认为，电子只能在一些半径取分立值的轨道上运动， 2. 如氢原子中电子运动轨道的最小半径是 × -10 ，其他的 0.53 10 m 玻尔半径只能是 × -10 、 × -10 等，玻尔半径 2.12 10 m 4.77 10 m 不可能是介于这些数值之间的中间值。经典物理学的观点是怎 样的？ 能级和原子光谱 在玻尔的原子模型中，原子的能量状态是不连续的，因而 各定态的能量只能取一些分立值，我们把原子在各定态的能量 值叫做原子的能级（ ）。图 是氢原子的能级图。 energy level 5-3-4 在正常状态下，原子处于能量最低的状态，这时电子在离 核最近的轨道上运动，这一定态叫做基态（ ）。电 ground state 子在其他轨道上运动时的定态叫做激发态（ ）。基 excited state 态和各激发态的能量分别用E 、E 、E 、…表示。 1 2 3 原子处于基态时最稳定，处于较高能级的激发态时会自发 地向较低能级的激发态或基态跃迁，这一过程是辐射能量的过 n E ∕eV ∞ 0 5 -0.54 4 -0.85 3 -1.51 2 -3.4 - 1 13.6 图5-3-4 氢原子的能级第 5 章 原子世界探秘 93 程，能量以光子的形式辐射出去。原子从基态或较低能级的激 发态向较高能级的激发态跃迁的过程是吸收能量的过程。给物 体加热或有光照射物体时，物体中某些原子能够从相互碰撞或 从入射光子中吸收一定的能量，从基态或较低能级的激发态跃 迁到较高能级的激发态。原子吸收或辐射的能量，等于发生相 应跃迁的两个能级的能量差。 各种物质的原子结构不同，能级分布也就各不相同。它们 可能发射的光的频率也不同，每种元素的原子发出的光都有自 己的特征，因而具有自己的原子光谱，图 显示了氢原子 5-3-3 光谱的几条谱线。 玻尔理论很好地解释了氢原子的光谱。由于原子的能级是 不连续的，所以辐射的光子的能量也是不连续的。从光谱上看， 原子辐射光波的频率只有若干分立的值。按照玻尔理论计算得 到的氢原子光谱跟实验观察的结果符合得很好，而且还预言了 一些新的谱线。 案例分析 案例 计算氢原子从 n 能级跃迁到基态时，辐射的光波 = 4 波长。 解答 根据玻尔理论，由 hν =E -E 得到氢原子跃迁时辐 m n 射的光波频率为 E E ν 4 - 1 = h 代入图 中的数据，再根据 c= λν ，即可计算出辐射 5-3-4 的光波波长 λ -8 = 9.75 × 10 m 玻尔理论的成就和局限 卢瑟福的原子核式结构模型发表后，几乎没有引起多少反 响。玻尔将量子论引入原子能级结构理论后，科学界才予以重视， 并将卢瑟福和玻尔的原子模型称为“卢瑟福 玻尔模型”。 - 玻尔理论在解释氢原子光谱上获得了很大成功，但在解释 比较复杂的原子光谱时遇到了困难。例如，有两个外层电子的 氦原子光谱，用理论推导出来的结果跟实验事实出入很大。后 来玻尔和其他物理学家研究了这些问题，终于明白这个理论成 功之处在于它引入了量子观念，不足之处在于它没有彻底摆脱 经典物理学的束缚，保留了电子有确定的位置和动量、绕原子 核在圆周轨道上运行的概念，并用经典力学原理加以计算，是“普94 朗克的量子观念与经典力学的混合模型”。但正是这种“混合”， 打破了经典物理学一统天下的局面，为建立描述微观世界运动 规律的量子力学奠定了基础。 多学一点 激光的产生机理 原子从较高的激发态向较低的激发态或基态跃迁的过程， 是以光子的形式辐射能量的过程，这就是原子发光现象。 原子发光有两种情形，一种是自发辐射，即处于不稳定的 激发态的原子，自发地跃迁到较低能级，辐射出一个光子。各 个原子发出的光是向四面八方辐射的，它们的频率和振动情况 互不相同，我们看到的只是大量光产生的平均效果，这种光就 是自然光，就是普通光源的发光的情形。 另一种是受激辐射，当原子处于激发态E 时，如果恰好有 2 能量c=hλν E E 的光子从附近通过，在入射光的电磁场的影 = 2 - 1 响下，原子会发出一个同样的光子而跃迁到低能级 E 去，这种 1 辐射叫做受激辐射。原子发生受激辐射时，发出的光子的频率 和振动情况，都跟入射光子完全一样。如此，一个入射光子由 于受激辐射就变成了两个同样的光子。如果这两个光子在介质 图5-3-5 激光发射器 中传播时再引起其他原子发生受激辐射，就会产生越来越多的 相同光子，使光得到加强。由于受激辐射而得到加强的光被称 为激光。 家庭作业与活动 1. 根据玻尔理论， 某原子的电子从能量为E的 基态的氢原子电离出自由电子 激发态跃迁到能量为E′的激发态，辐射出波 用能量为 的光子照射，可使处于基 B. 10.2 eV 长为λ的光，以h表示普朗克常量，c表示真 态的原子跃迁到激发态 空中的光速，那么E′等于（ ）。 用能量为 的光子照射，可使处于基 C. 11.0 eV λ λ 态的氢原子跃迁到激发态 E h E h A. - c B. + c 用能量为 的光子照射，可使处于基 c c E h E h D. 12.5 eV C. - λ D. + λ 态的氢原子跃迁到激发态 2. 关于氢原子在不同能级间的跃迁，下列叙述中 3. 要使处于基态的氢原子电离，它所吸收的光子 正确的是（ ）。 的频率至少是多大？ 用波长为 的 射线照射，可使处于 A. 60 nm X第 5 章 原子世界探秘 95 第 5 章家庭作业与活动 A组 1. 在α粒子散射实验中，没有考虑α粒子跟电 子的碰撞，其原因是（ ）。 α粒子不跟电子发生相互作用 A. α粒子跟电子相碰时，损失的能量极少，可 B. 忽略 电子的体积很小，α粒子不会跟电子相碰 C. 由于电子是均匀分布的， α粒子所受电子 图5-A-1 D. 作用的合力为零 2. 在α粒子散射实验中，如果两个具有相同能量 率比可见光的高 的α粒子以不同的角度散射出来，则散射角 从n 能级向n 能级跃迁时发出的光为 D. = 3 = 2 度大的这个α粒子（ ）。 可见光 更接近原子核 6.要使处于n 的激发态的氢原子电离，它需吸 A. = 2 更远离原子核 收的能量为多大？ B. 受到一个以上的原子核作用 7. 氢原子处于n 的激发态时，可能放出几种 C. = 3 受到原子核较大的冲量作用 能量的光子？它们分别是什么类型的光？ D. 3. 处于基态的氢原子在某单色光照射下，只能发 B组 出频率分别为hν、hν、hν的三种光，且hν hν 1. 你能采用什么方法来判定太阳大气中有没有氧 1 2 3 1 < 2 < hν，则该照射光的光子能量为（ ）。 元素？ 3 hν hν 2. 现有一群处于n 能级上的氢原子，已知氢 A. 1 B. 2 = 4 hν h（ν ν ν） 原子的基态能量E ，氢原子处于基 C. 3 D. 1+ 2+ 3 1 = -13.6 eV 4. 用分光镜观察洒有食盐的酒精灯火焰的光谱， 态时电子绕核运动的轨道半径为r，静电力常 会看到什么现象？ 量为k，普朗克常量h × -34 · 。 = 6.63 10 J s 5. 氢原子的部分能级如图 所示。已知可见 （ ）电子在n 轨道上运动的动能是多少？ 5-A-1 1 = 4 光的光子能量在 到 之间。由此 （ ）这群氢原子发光的光谱共有几条谱线？ 1.62 eV 3.11 eV 2 可推知，氢原子（ ）。 （ ） 这群氢原子所发出的光子的最大频率是 3 从高能级向n 能级跃迁时发出的光的波 多少？ A. = 1 长比可见光的短 3. 去图书馆或上网查阅资料，了解人类探索原子 从高能级向n 能级跃迁时发出的光均为 结构的历史及有关经典实验，写出报告，与同 B. = 2 可见光 学们交流。 从高能级向n 能级跃迁时发出的光的频 C. = 396 6 波粒二象性 第 章 扫描电子显微镜可生成极其详细生动的三维图像，在 上图所示的照片中，圆盘状的血红细胞和球状的白细胞纤 毫毕现，让人一览无遗。扫描电子显微镜利用了电子的波 动性，以电子束代替光束在微观世界中探幽入微，我们不 禁要问： 电子究竟是粒子，还是波？ 光会不会也具有粒子性？ 实物粒子是否具有波动性？ 本章将循着物理学家探索的足迹，通过实验了解光电 效应现象，认识爱因斯坦光电效应方程及其意义；根据实 验结论说明光的波粒二象性，知道实物粒子具有波动性， 了解微观世界的量子化特征；体会量子论的建立对人们认 识物质世界的影响，从而完善对物质和运动的认识。第 6 章 波粒二象性 97 6.1 光电效应现象 世纪 年代，麦克斯韦提出电磁场理论， 世纪 年 19 60 19 80 代赫兹用实验验证了这一理论，光的波动说取得了胜利。但同 时赫兹还发现了用光的波动说无法解释的现象——光电效应。 光 光电效应实验 年，赫兹在做证实麦克斯韦理论的火花放电实验时意 1887 外地发现：当接收电磁波的电极受到紫外线的照射时，火花放 电就更容易产生。 此后，许多物理学家对此进行了深入研究。英国物理学 家 . . 汤姆孙、德国物理学家勒纳德（ ）等人通过实 J J P. Lenard 验认识到：当光照射到金属表面上时，金属内部的自由电子会 电子 从表面逃逸出来（图 ）。 金属板 6-1-1 在 光 的 照 射 下 物 体 发 射 电 子 的 现 象 叫 光 电 效 应 图6-1-1 光电效应现象 （ ）， 所 发 射 出 来 的 电 子 叫 做 光 电 子 photoelectric effect （ ）。 photoelectron 实验探究 探究光电效应产生的条件 如图 6-1-2 所示，取一块锌板，用砂纸擦净其一面的氧化 层。用金属导线将锌板连接到验电器上。设法给锌板带上负电， 锌板表面极易氧化，每次实 验电器的箔片张开。 验前都应该用砂纸擦去氧化层。 1. 用紫外线灯照射锌板擦净的一面，验电器的箔片张角有 何变化？ 2. 在紫外线灯和锌板间插入一块玻璃， 验电器的箔片张角 有何变化？ 3. 用白炽灯照射锌板擦净的一面，验电器的箔片张角有何 变化？设法增加白炽灯的亮度，情 况有无改变？ 从上述实验中，你能得到什么 结论？ 请思考并讨论：实验中为什么 锌板 验电器 要给锌板带上负电？带正电行吗？ 紫外线 绝缘支架 如果不给锌板带电，怎样才能观察 到光电效应现象？请试一试。 图6-1-2 光电效应实验98 探究光电效应的规律 实验探究 研究光电效应的规律 如图6-1-3配置实验装置，进一步研究光电效应的规律。 1. 加在光电管两极上的正向电压（阳极A 接电源正极，阴 极K接电源负极）为零时，用紫光照射到用铯做成的阴极K上， 回路中有电流吗？不改变光照条件，当正向电压增大时，电流 如何变化？电流会持续增大吗？ 2. 在光电管两极加上反向电压，当电压由小逐渐增大的过 程中，电流表指针怎样变化？引起变化的原因是什么？ 3. 当反向电压达到一定数值时，电流变为零，这时的电压 叫做遏止电压。有同学认为，遏止电压 U 与光电子的最大动能 E 有关，其关系可由E = eU表达。你同意吗？请说明理由。 km km 4. 改变紫光的强度进行实验；改用绿光、蓝光再各做一次。 有人通过实验得到了如表 1 所示的实验数据，请对表中的数据 进行分析、处理，把结果填入表2。你能得到什么结论？ 图6-1-3 研究光电效应的电路图 勒纳德等人通过实验得出如下结论： 对于各种金属都存在着一个截止频率（ ）， 1. cutoff frequency 表1 颜色 绿 蓝 紫 波长 410 /nm 546 480 强度较低 强度较高 反向电压 光电流 光电流 光电流 光电流 U I I I I /V /μA /μA /μA /μA 0.00 10.4 11.2 8.5 14.8 0.10 7.1 9.0 7.6 13.3 0.20 4.0 7.0 6.7 11.9 0.30 1.0 4.9 5.7 10.4 0.40 0 2.8 4.8 8.9 0.50 0 1.2 3.9 7.4 0.60 0.4 3.0 6.0 0.70 0 2.0 4.5 0.80 0 1.1 3.0 0.90 0.7 1.7 1.00 0.3 0.8 1.15 0 0第 6 章 波粒二象性 99 表2 波长 频率 遏止电压 最大动能 颜色 λ ν U E /nm /Hz /V km/eV 绿 蓝 紫（强度较低） 紫（强度较高） 或称为极限频率，当入射光的频率高于这个截止频率时，才能 在产生光电效应时，电子脱 产生光电效应；如果入射光的频率低于这个截止频率，无论光 离某种金属所做功的最小值， 叫做这种金属的逸出功（ 多么强，照射时间多么长，都不会产生光电效应。 work ），用符号W表示。 光电子的最大动能随着入射光频率的增大而增加，与入 function 2. 不同金属的逸出功不同，表 射光的强度无关。 列出了几种金属的截止频率和 3 当产生光电效应时，单位时间内从金属表面逸出的电子 逸出功。 3. 数与入射光的强度有关，光的强度越大，单位时间内逸出的电 表3 若干金属的截止频率v 和逸 0 子数越多。 出功W 入射光射到金属表面时，光电子的产生几乎是瞬时的。 4. 金属 ν W 有人对光电效应做出如下解释。光是一种电磁波，其能量 0/Hz /eV 铯 14 由光的强度决定，而光的强度又由光的振幅决定，与频率无关。 4.55×10 1.9 钾 当光射到金属表面时，金属中的自由电子会由于电磁场的作用 14 5.38×10 2.2 而振动。只要光的强度足够大，照射的时间足够长，就可使自 锌 14 8.07×10 3.3 由电子获得足够的能量，飞出金属表面。你认为这种说法能解 银 14 11.5×10 4.8 释光电效应的实验结果吗？为什么？ 铂 14 15.3×10 6.3 家庭作业与活动 1. 如图 所示，用导线将验电器与洁净锌板 针张角减小，此现象说明锌板带 电（选 6-1-4 ________ 连接，触摸锌板使验电器指示归零。用紫外线 填“正”或“负”）；若改用红外线重复上述 照射锌板，验电器指针发生明显偏转，接着用 实验，结果发现验电器指针根本不会发生偏转， 毛皮摩擦过的橡胶棒接触锌板，发现验电器指 说明金属锌的截止频率 红外线的频率 ______ （选填“大于”或“小于”）。 2. 某单色光照射某金属时不能产生光电效应，则 下列措施中可能使该金属产生光电效应的是 （ ）。 延长光照时间 A. 增大光的强度 B. 换用波长较短的光照射 C. 图6-1-4 换用频率较低的光照射 D.100 6.2 光电效应的理论解释 面对光电效应的实验结果，如何从理论上做出合理的解 释呢？ 爱因斯坦的光子说 年， 岁的爱因斯坦发表了题为《关于光的产生和转 1905 26 化的一个启发性观点》的论文，提出了光的量子理论。 爱因斯坦提出，光在空间传播时不是连续的，而是一份一 份的，每一份叫做一个光量子，简称光子（ ）。光子的 photon 能量E跟光的频率hν成= 正E比-，E即 m n E hν = E -E m n = 式中h 为普朗克常量。这个学说叫做光子说。 你能用光子说来解释光电效应的实验结果吗？ 从点光源发射出来的光束的 爱因斯坦光电效应方程 能量在传播中不是连续分布在越 来越大的空间之中，而是由个数 光子说对光电效应做出了圆满的解释。当光照射到金属表 有限的、局限在空间各点的能量 面时，金属中的一个电子吸收一个光子，得到大小为hν的= 能E量-。E 子所组成。这些能量子能够运动， m n 如果照射光的频率足够高，使得电子吸收光子后能量变得足够 但不能再分割，而只能整个地被 吸收或产生出来。 大，它就能从金属表面逃逸出来，成为光电子，产生光电效应。 ——爱因斯坦 由于金属中电子吸收光子能量时是一对一进行的，吸收过程十 分迅速，因此光电子的产生几乎是瞬时的。 如果光子的能量 E 小于金属的逸出功 W，增加照射光的强 度和照射时间，虽能提高射到金属表面上的光子数，但电子吸 收了光子的能量后，却不能从金属中逃逸出来。这就是存在截 止频率的原因。 请思考并讨论：金属的截止频率与其逸出功有何关系？请 举例说明。 如果金属中的电子从入射光子得到的能量E大于逸出功W， 那么光电子在脱离金属表面后具有一定的动能。如果一光电子 在逸出金属表面的过程中所做功恰好等于逸出功 W，那么它具 有最大动能E 。根据能量守恒定律，可以写出以下关系式： km hν = WE -EE m n = + km 这就是爱因斯坦在其著名论文中写下的光电效应方程。爱 因斯坦的光子说不仅可以解释当时有关光电效应的所有实验结 果，还对光电子的最大动能与入射光频率、金属逸出功之间的 定量关系作出了精确预测，光电效应方程是能量守恒定律在光第 6 章 波粒二象性 101 电效应现象中的具体体现。 密立根的实验验证 密立根对光电效应进行了长期研究。在 年发表的论文 E 1916 km 中，他公布了实验结果：光电子的最大动能与入射光频率的关 E 系曲线，确实是一条直线，由直线斜率还精确测定了h的值。 Δ km ν 对于一种金属，由于它的逸出功是一定的，h又是一个常量， O ν Δ ν 0 根据光电效应方程，光电子的最大动能与入射光频率呈一种线 图6-2-1 E -ν图像 km 性关系，即E hν =图E像是-E一条直线（图 ）。这条直线的 m n km - 6-2-1 E 斜率就是普朗克常量 h Δ km ，这为普朗克常量的实验测定指 = ν Δ 明了方向。这条直线在 ν 轴上的截距就是这种金属的截止频率 hν =，E由此-E可求得逸出功W hν =。E -E m n m n 0 = 0 密立根的实验结果促成爱因斯坦“因在数学物理方面的成 就，尤其是发现了光电效应的规律”而荣获 年的诺贝尔物 1921 理学奖，密立根也“因基本电荷及光电效应方面的工作”而荣 获 年的诺贝尔物理学奖。 1923 案例分析 案例 用频率为 × 的紫外线照射钠的表面，释 15 1.00 10 Hz 放出来的光电子的最大动能为 ，求钠的光电效应截止 康 普 顿 （ — A. Compton, 1892 1.86 eV ），美国物理学家。因发现 频率。 1962 康普顿效应而与英国物理学家 分析 入射光中光子的能量 威尔逊（ ）分享 C. Wilson 1927 年的诺贝尔物理学奖。 E hν = E m -×E n -34 × × 15 × -19 = = 6.63 10 1.00 10 J = 6.63 10 J 释放出来的光电子的最大动能 E × × -19 × -19 km = 1.86 1.6 10 J = 2.98 10 J 钠的逸出功与其截止频率的关系为 W hν =，E根-据E光电效 m n = 0 应方程可得到本案例的答案。 请自行完成解答本题。 光子说的又一明证——康普顿效应 年，爱因斯坦进一步指出：光子不仅具有能量，而且 1916 像实物粒子一样具有动量，其大小为 hν h p = c = λ 吴有训 （ — ），中国物 其方向为光波的传播方向。美国物理学家康普顿发现的康普顿 1897 1977 理学家。进一步验证了康普顿 效应（ ）为此提供了明证。我国著名的物理学家 效应的普遍性。 Compton effect 吴有训以精确的实验和严密的分析进一步验证了康普顿效 应的普遍性。102 STSE 光电效应在我们身边 产生电流，电流经放大后使电磁铁吸住铁条（如 一个漆黑的夜晚，一条黑影窜入藏有宝物的 图 ）；一旦有物体挡住光束，阴极上不再 6-2-2 a 博物馆内。突然间，铃声大作，安保人员闻声而动， 有光电子逸出，电磁铁失去磁性，弹簧把铁条拉回， 窃贼束手就擒。这是影视作品中常会出现的场景。 接通警报器电路，于是铃声大作（图 ）。 6-2-2 b 但这里的幕后“英雄”，往往是应用光电效应原 自动门、烟雾探测器等也利用了相同的物理原理， 理制成的警报器，这种警报器用到了光电管。当 不过现在光电管大多已为光电二极管所替代。 一束不为人眼所见的红外线或紫外线照射到由光 我们在观看电影时，能听到与画面配合一致 敏材料制成的阴极上时，逸出的光电子在电路中 的配音，也多亏了光电管。影片的音轨位于电 影胶片的边缘，是一些宽窄不一的暗条纹。如图 所示，放映电影时，强度不变的光束通过 6-2-3 音轨后，形成强度不断变化的光入射到光电管中， 在电路中产生变化的电流，经放大后驱动扬声器 发出变化的声音。 a b 图6-2-2 警报器的工作原理 图6-2-3 电影放映机中的光电管 家庭作业与活动 1. 请思考：量子论关于能量的观点与经典物理学 2. 对应于 × 的能量子，其电磁辐射的 -19 3.4 10 J 的观点有什么不同？请结合图 ，与同学 频率和波长各是多少？它是什么颜色的？ 6-2-4 们交流体会。 3. 当用频率为 × 的紫光分别照射铯、 14 7.0 10 Hz 锌和银的表面时，能产生光电效应吗？为什 么？若能产生光电效应，逸出的光电子的最大 H H 动能是多大？ h 4. 让波长为 的光照射钾表面，产生的光 a b 350 nm 电子的最大动能是 ，求钾的截止频率和 1.3 eV 图6-2-4 关于能量变化的两种观点 逸出功。第 6 章 波粒二象性 103 6.3 光的波粒二象性 光电效应和康普顿效应告诉我们：光具有粒子性，光子像 其他粒子一样，有一定的能量和动量。光的反射、折射、干涉、 衍射和偏振现象又向我们表明：光具有波动性。那么，光究竟 是什么？ 光的波粒二象性 让我们先来考察频率为 的无线电波。根据普朗克 2.5 MHz 公式，可算得其光子的能量 E hν = E m -×E n -34 × × 6 × -27 = = 6.63 10 2.5 10 J = 1.7 10 J 从实验的角度看来，这个能量值太小了。要使一个灵敏的 无线电接收天线探测到信号，每秒至少需要 个这样的光子 10 10 到达天线，因此我们很难探测出到达天线的单个光子，信号表 现为一个连续的波。 爱因斯坦首先提出“波粒二 如果电磁辐射的频率很高，相应的波长很短，其光子能量、 象性”的概念，他在 年 月 1909 9 的一次讲演中指出：“理论物理 动量就很大，光的粒子性就能明显地表现出来。 学发展的随后一个阶段，将给我 实验证实光（电磁辐射）具有波和粒子的双重性质。 们带来这样一种光学理论，它可 现代物理学对“光是什么”的回答是：光是波，同时也是 以认为是光的波动论和发射论的 粒子，光具有波粒二象性（ ）。 某种综合。” wave-particle dualism hν h 光子的能量和动量的公式E hpν和= Ep -E 对光同时具有粒 = = c m == λn 子性和波动性做出了生动的诠释。式中由普朗克常量 h 把描写 光的粒子性的能量E、动量p，与描写光的波动性的频率hν、= 波E -E m n 长λ紧密联系了起来。 在宏观世界中，我们几乎看不到同时具有波动性和粒子性 的现象。但在微观世界里，波粒二象性却是必须予以承认的现实。 a 28个光子 再探光的双缝干涉实验 我们曾用光的波动说解释了光的双缝干涉实验的结果（图 ）。那么，能不能用光的波粒二象性来解释这一结果呢？ b 1000个光子 6-3-1 图 表示曝光时间很短的情况，在胶片上出现的是 6-3-1 a 随机分布的光点。延长胶片曝光的时间，就会出现如图 6-3-1 b 所示的图样。从图中可以看出，光子在某些条形区域出现的概 率很大，这些区域是光波通过双缝后产生相干振动加强的区域； 而落在其他一些条形区域的概率很小，这些区域是光波通过双 c 10000个光子 缝后产生相干振动减弱的区域。曝光的时间越长，图样就越清 图6-3-1 双缝干涉图样104 晰（如图 ）。这说明，可以用光子在空间各点出现的概率， 6-3-1 c 来解释光的干涉图样，即认为光是一种概率波。 在双缝干涉实验中，如果我们挡住双缝中的一条缝，经过 一段时间后，在胶片上会出现单缝衍射图样。你能不能用概率 波的观念对此进行解释呢？ 光既是波又是粒子的说法，常常使人感到困惑。其根源在 于我们的思维方式：提到粒子时，我们会联想到小钢球；提到 波时，我们会联想到荡漾的水波。 我们应该准备……与我们迄 为了解释光的行为，我们应用了波和粒子的观念，而这两 今为止一直据以描述自然的概念 个观念似乎是相互抵触的。因为在日常经验中，找不到既是波、 做最后的决裂。 又是粒子的物体。随着人类的认识向着微观世界的扩展，未被 ——玻尔 认识的事物越来越多地出现在我们的面前。从日常经验看来， 它们的行为难以理解，我们必须用新的观念予以解释。 家庭作业与活动 1. 在日常生活中，我们不会注意到光是由光子构 这是由人和景物发出或反射的光波经过照相机 成的，这是因为普朗克常量很小，每个光子的 的镜头聚焦在底片上形成的。实际上照片上的 能量很小，而我们观察到的光学现象中涉及大 图像也是由光子撞击底片，使上面的感光材料 量的光子。试估算 的白炽灯泡 内发 发生化学反应形成的。图 是用不同曝光 60 W 1 s 6-3-2 出的光子数。 量洗印的照片，请你根据自己对光的理解做出 2. 在生活中我们会拍很多照片，通常我们都认为， 说明。 a 2 × 103 个光子 b 1.2×104 个光子 c 9.3×104 个光子 d 7.5×105 个光子 e 3.5×106 个光子 f 2.8×107 个光子 图6-3-2 用不同曝光量洗印的照片第 6 章 波粒二象性 105 6.4 实物粒子具有波动性 光的波粒二象性理论告诉我们：光是电磁波，又是光子。 这表明场和实物并非泾渭分明。那么，电子、质子、中子甚至 原子、分子，是否也具有波动性？这就是法国物理学家德布罗 意在 年为自己提出的研究课题。 1923 德布罗意波 当时，德布罗意正在巴黎大学攻读理论物理博士学位。他勇 敢地打破传统观念，把光的波粒二象性推广到了所有的物体。 他于 年在题为《关于量子理论的研究》的博士论文中明确 1924 提出：任何一个运动着的物体，都有一种波与之相伴随，其波长 h λ = p 式中 p 是物体的动量，h 是普朗克常量。人们把这种波称为物 质波（ ），也叫德布罗意波。物质波波长 λ 叫做德 matter wave 德 布 罗 意 （ ， 布罗意波长。 L. de Broglie — ），法国物理学家。 1892 1987 在其博士论文中提出物质波 理论， 年获得诺贝尔物理 案例分析 1929 学奖。 案例 一只质量为 的足球以 的速度在空中飞 450 g 10 m/s 行；一个初速度为零的电子，通过电压为 的加速电场。 100 V 试分别计算它们的德布罗意波长。 h h 解答 物体的动量p mv，其德布罗意波长λ 。 = = p = mv 足球的德布罗意波长 h λ -34 6.63 × 10 -34 1 = m v = -3 m = 1.47 × 10 m 1 1 450 × 10 × 10 电子经电场加速后，速度增加为v ，根据动能定理 2 m v eU 1 2 2 2 = 2 p m v m eU 2 = 2 2 = 2 2 该电子的德布罗意波长 h h λ 2 = p = m eU 2 2 2 -34 6.63 × 10 -10 = m = 1.2 × 10 m -31 -19 2 × 9.1 × 10 × 1.6 × 10 × 100106 我们知道，为了观察到可见光的明显的单缝衍射图样，要 求缝宽不能比光的波长大得太多，实验中所用单缝的缝宽数量 级是 。若要探测到足球的波动性，所用狭缝宽度的数量 -4 10 m 级要达到 ，目前我们尚无能为力。 -33 10 m 微观粒子的质量和动量都很小，其德布罗意波长比足球等 宏观物体要长得多。上述案例中电子的德布罗意波长的数量级 为 ，与晶体中晶格大小的数量级相当，把电子束照射到 -10 10 m 晶体上，就有可能观察到电子的波动性。早在 年，德布罗 爱因斯坦曾经说过：“只有 1923 意就预言：“从很小的孔穿过的电子束能够呈现衍射现象，这或 理论才能决定我们可以观察到 什么。” 许就是人们能借以寻找关于我们想法的实验证据的方向。” 请思考并讨论：德布罗意用来证实电子波动性的设想可 行吗？ 电子衍射实验 年 月的一天，美国物理学家戴维孙（ ） 1925 4 C. Davisson 和他的合作者革末（ ）在真空条件下用镍作为靶子研 L. Germer 究电子的散射，结果发生了事故，镍靶被进入的空气严重氧化。 他们经过长时间对镍靶加热、清理后，再重新实验，发现电子 被散射后出现了类似光的衍射图样。这是由于镍靶经过加热后， 从多晶体变成了单晶体，这对电子而言，成了很好的衍射光栅。 但他们并不知晓这一现象的本质就是电子衍射。 年夏，戴 1926 维孙在听取了德国物理学家玻恩（ ）的说明后，才认识 M. Born 到自己工作的意义。于是他们又重做实验，并于 年公布实 有趣的是 . . 汤姆孙为 1927 G P J. J. 汤姆孙之子，父亲对阴极射 验结果，证实了德布罗意理论。 线的实验研究表明电子是粒子， 就在 年，英国物理学家 汤姆孙（ ） 1927 G. P. G. P. Thomson 儿子的电子衍射实验表明电子也 也完成了电子衍射实验。他是在德布罗意理论的启发下进行实 是波。 验的，并采用了更为简单、明确的方法，即利用高能电子通过 金属薄层做透射实验，很快就观察到了衍射环（图 ）， 6-4-2 并计算出相应的波长，从而令人信服地证明了德布罗意理论。 戴维孙和 汤姆孙因此分享了 年的诺贝尔物理学奖。 G. P. 1937 物质波是一种概率波 物质波是概率波。如图 所示，电子落在“亮环”上 6-4-1 的概率大，落在“暗环”上的概率小。 原子中电子的运动并没有确定的轨道，而是可以出现在原 子内的整个核外空间，只是在不同的地方出现的概率不同。如 图6-4-1 电子通过金箔的衍射图样 果用疏密不同的点表示电子在各处出现的概率，画出图来，就第 6 章 波粒二象性 107 像云雾一样（图 ），因此人们把它叫做电子云（ 6-4-2 electron ）。对于氢原子，计算表明，玻尔理论中的电子轨道正是 cloud 电子出现概率最大的地方。 图6-4-2 氢原子在各种定态时的电子云示意图 海森堡 （ ， — W. Heisenberg 1901 ），德国物理学家。创立了 电子绝不是具有波动性的唯一粒子，物理学家还观察到了 1976 矩阵力学，提出不确定关系，荣 来自核反应堆的中子，甚至氢、氮等原子的衍射图样（图 获 年的诺贝尔物理学奖。 6-4- 1932 ）。德布罗意理论是物理学史上又一次伟大的综合，它揭示了 3 物质世界的普遍属性，启示人们在对电子这类微观粒子进行研 究时，不能再局限在经典物理学的框架内，从而为量子力学的 建立奠定了坚实的基础。 图6-4-3 中子的衍射图样 薛定谔 （ ö ， — 年德国物理学家海森堡建立了矩阵力学。 E. Schr dinger 1887 1925 ），奥地利物理学家。因发 年，奥地利物理学家薛定谔接受并发展了德布罗意的 1 现 96 原 1 子理论的新的有效形式， 1926 与英国物理学家狄拉克（ 思想，建立了波动力学。不久，薛定谔证明了矩阵力学和波动 P. A. ）分享了 年的诺贝 力学在数学上是等价的，后来人们将这两种理论通称为量子 M. Dirac 1933 尔物理学奖。 力学。108 信息浏览 原子，请你排好队！ 测到单个原子的立体形貌。利用 ，人类还实 STM 借助光学显微镜，人们可以观察到细胞、细 现了直接操纵和排布原子的奇迹（图 ）。 6-4-4 菌和其他微生物，其分辨本领可达 × 。 -4 2 10 mm 尽管从技术上来说，提高光学显微镜的放大倍数 并不困难，但不管放大倍数有多大，比 × -4 2 10 mm 还小的物体，如大多数病毒，在光学显微镜下都 不能被看清楚。 要提高显微镜的分辨本领，必须改用波长比 可见光短得多的射线。电子的德布罗意波长很短， 因此用电子束代替光束成为上佳选择。 年德 1931 国物理学家鲁斯卡（ ）发明了世界上第一 E. Ruska 台电子显微镜。 年，美国 公司的物理学家宾尼希和 1982 IBM 他的老师罗雷尔发明了世界上第一台扫描隧穿显 图6-4-4 用扫描隧穿显微镜把碳原 微镜，它应用了电子的量子隧穿效应，能直接观 子排布在铜表面上的“原子”两字 家庭作业与活动 1. 世界上运动速度最快的球是羽毛球， 你相信 性吗？ 吗？根据测算，羽毛球离拍时的最大速度可达 2. 一个细菌在培养皿中的移动速度为 μ ， 3.5 m/s 到 ，羽毛球的质量为 ，试求其 其德布罗意波长为 × 该细菌的质 -19 288 km/h 5.0 g 1.9 10 m, 德布罗意波长。我们能观察到羽毛球的波动 量多大？ 第 6 章家庭作业与活动 A组 定，使金属板产生光电效应的弧光中有（ ）。 1. 在演示光电效应的实验中， 把某种金属板连在 可见光成分 A. 验电器上。第一次，用弧光灯直射金属板，验 紫外光成分 B. 电器的箔片就张开一个角度。第二次，在弧光 红外光成分 C. 灯和金属板之间插入一块普通的玻璃板，再用 无线电波成分 D. 弧光灯照射，验电器箔片不张开。由此可以判 2. 关于光电效应，下列陈述中正确的是（ ）。第 6 章 波粒二象性 109 金属电子的逸出功与入射光的频率成正比 普朗克常量 A. D. 光电流的大小与入射光的强度无关 2. 某同学用两种不同的金属做光电效应实验。实 B. 对于同种金属，用不可见光照射一定比用可 验中他逐渐增大入射光的频率，并测出光电子 C. 见光照射产生的光电子的动能要大 的最大动能。图 中哪一幅图像表达了他 6-B-2 对于任何一种金属都存在一个“最大波长”， 的实验结果？为什么？ D. 入射光的波长必须小于这个波长，才能产生 光电效应 E E km km 3. 已知铁的逸出功是 ，试求： 4.7 eV （ ）铁的光电效应截止频率； 1 （ ） 用波长为 的光照在铁表面上时发 O O ν ν 2 150 nm a b 射出的光电子的最大动能。 4. 在光的双缝干涉实验中，光子撞击屏幕的位置 可以预言吗？ E E km km 5. 如果你拍一张照片时用的快门速度是如此之 快，使得只有 个光子进入镜头，那么你在 20 照片上会看到什么？ O O ν ν c d 6. 求以 c的速度打在电视机荧屏上的电子的德 0.1 布罗意波长（c为真空中的光速）。 图6-B-2 B组 1. 在演示光电效应的实验中， 某金属被光照射后 3. 物理学家做了个有趣的实验，在双缝干涉实验 产生了光电效应现象，实验测出了光电子的最 中，在光屏处放上照相底片，若减弱光强的大 大动能E 与入射光频率hν的= 关E系-，E如图 小，使光子只能一个一个地通过狭缝。实验结 m n km 6-B-1 所示。由E hν=图E像可-求E 出（ ）。 果表明，如果曝光时间不太长，底片上只能出 m n km - 该金属的逸出功 现一些不规则的点子；如果曝光时间足够长， A. 该金属的截止频率 底片上就会出现规则的干涉条纹。请你对这个 B. 单位时间内逸出的光电子数 实验结果，从以下几方面作分析。 C. （ ） 曝光时间不长时，在底片上只能出现不 1 规则的点子，是因为能量太小，底片上 E km 的条纹看不清楚？ （ ）单个光子的运动有确定的轨道么？ 2 （ ）干涉条纹中出现亮条纹是何原因？ 3 O ν （ ） 无论是单个光子还是大量光子，其行为 4 图6-B-1 都表现出波动性吗？110 7 第 章 原子核与核能 世纪初，科学家结合严密的理论研究，利用强有力 20 的实验手段，对原子核结构进行深入探索，不但发现了构 成原子核的更小的微粒，还发现了原子核中蕴藏的巨大能 量。那么： 原子核是由什么组成的？ 组成原子核的质子与中子还能再分吗？ 原子核的变化有规律吗？ 神秘的核能是从何而来的？核能安全吗？ 浩瀚宇宙中恒星的演化跟这些微观粒子之间有怎么样 的联系？ 在本章中，我们将循着物理学家的足迹，了解原子核 的组成和核力的性质，讨论核反应中的质量数守恒和电荷 守恒问题。学习放射性和原子核衰变规律，知道射线的危 害与防护。关注核技术应用对人类生活和社会可持续发展 的影响。了解华人科学家在粒子物理领域中的杰出贡献。第 7 章 原子核与核能 111 7.1 原子核结构探秘 我们已经知道原子是由原子核和核外电子组成的，那么， 原子核的里面是什么呢？它是怎样构成的？ 质子的发现 从 年起，卢瑟福就开始进行 α 射线轰击氮原子核的 1917 实验，他的实验装置及示意图如图 和图 所示。在 7-1-1 7-1-2 罐中充入氮气，尽管放射源与荧光屏的距离超过 α 粒子的射程 很多，仍能观察到屏上有明亮的辉光；但罐中充入氧气后，却 观察不到任何闪光。至 年，卢瑟福经过 年的反复研究， 1919 3 终于明白：氮原子核在 α 粒子的轰击下发生了核反应，释放出 了氢核，辉光是氢核引起的。 气阀 图7-1-1 卢瑟福用α射线轰击氮 核的实验装置 黄铜罐 荧光屏 放射源 显显微微镜镜 标尺 图7-1-2 第一次实现人工核反应的实验装置示意图 这个实验是历史上第一次人工核反应。实验表明，可以用 人工的方法改变原子核，把一种元素变成另一种元素。继卢瑟 福的发现后，人们对多种物质进行了类似的实验，发现硼、氟、 钠、铝、磷等原子核在受到 α 粒子轰击后，也会发射出氢核。 于是，人们借用“原始”（ ）之义把氢核叫做质子（ ）， prot proton 并认为质子是原子核的组成部分。 质子用 表示，质子带正电荷，电荷量与一个电子的电荷 p 量相等，质子的质量是 m × -27 p= 1.672 623 1 10 kg 中子的发现 年，人们用质谱仪发现：在忽略电子质量的情况下， 1920 原子质量都是氢原子质量的整数倍，也就是说，原子核的质量 是质子质量的整数倍。于是，人们认为原子核是由质子组成的。112 但是困惑马上就出现了，如果原子核是由质子组成的，原子核 的电荷数就应该与质量数基本相等，然而大量事实表明，多数 原子核的电荷数只是质量数的一半或者还少一些，怎么解释这 个现象呢？同年，卢瑟福在一次演讲中，提出了一个大胆的猜 想：原子核内除了质子外，还存在一种质量与质子的质量大体 相等但不带电的粒子。卢瑟福认为这种不带电的中性粒子是由 电子进入质子后形成的。在这之后，许多科学家开始用实验来 探索这种不带电的中性粒子。 年，查德威克用如图 所示的装置验证了他的老 1932 7-1-3 接真空泵 查德威克 （ ， — J. Chadwick 1891 ），英国物理学家。因发现 1974 中子获得 年的诺贝尔物理 1935 放大器 快速过程记录仪 学奖。 钋源 铍 图7-1-3 查德威克发现中子的装置示意图 信息浏览 大海捞针——40多万条与8条 核放出的，那么在云室里就只能看到 条径迹： 3 卢瑟福实验中发现的质子，是α粒子从氮核 入射α粒子的径迹、质子 的径迹、核的反冲径 p 中打出的，还是α粒子打进氮核后形成的复核放 迹（图 ）。 7-1-4 b 出的？为了进一步弄清这个问题， 年，英国 实验中，布莱克特拍摄了 万多张云室照片， 1925 2 物理学家布莱克特（ ）又在充氮的 终于从照片上的 多万条α粒子径迹中，发现 P. M. S. Blackett 40 云室里做了这个实验。 有 条产生了分叉（图 ）。分叉的情况表明， 8 7-1-5 实验设想是：如果质子是α粒子直接从氮 上述的第二种设想是正确的。从质量数守恒和电 核中打出的，那么在云室里就会看到 条径迹： 荷数守恒可以知道，这个人工核反应产生的新核 4 入射α粒子的径迹、碰撞后α粒子的径迹、质 是质量数等于 的氧核。 17 子 的径迹、抛出质子后的核的反冲径迹（图 在云室的照片中，分叉后细而长的是质子的 p ）；如果是α粒子打进氮核后形成的复 径迹，短而粗的是反冲氧核的径迹。 7-1-4 a p α p α 反冲核 α 反冲核 a a b b 图7-1-4 布莱克特实验的两种可能结果 图7-1-5 α粒子打进氮原子核的示意图第 7 章 原子核与核能 113 师卢瑟福 年前的预言，原子核中确实存在着中性的、质量几 12 乎与质子相同的粒子。查德威克把它叫做中子（ ）。 neutron 在这之后，查德威克通过实验，发现从各种元素的原子核 里都能打出中子来，可见中子也是原子核的组成部分。 中子用 表示，中子不带电，中子的质量是 n m × -27 。 n = 1.674 928 6 10 kg 中子的发现是原子核物理学发展史上的一座里程碑。 请你查阅资料，谈一谈为什么这样评价中子的发现？ 原子核的组成 在相继发现质子、中子的基础上，苏联物理学家伊万年科 在原子核物理中，把元电荷 （Д. Д. Иваненко）和德国物理学家海森堡相继提出，原子核是 取作电荷的单位；把碳- 原子 12 质量的 取作原子质量单位， 由质子和中子组成的。 1/12 用u表示， u = . × - 27 kg。 质子和中子统称为核子。质子带一个单位的正电荷，中子 1 166 10 原子核的质量数通常非常接近整 不带电。质子和中子的质量几乎相等，都等于一个质量单位， 数，习惯上就用核子数表示原子 所以原子核的电荷数就等于它的质子数，原子核的质量数就等 核的质量数。 于它的质子数与中子数的和，即核子数。如原子序数（即核电 荷数）为 Z、质量数是 A 的原子的核 ，有 Z 个质子和 N（N 原子核的符号有时可以省去 X = A - Z）个中子。原子核用符号表示为 A Z X 。 可 下 以 标 写 ， 成 如 铅 2 8 0 2 7 P - b 可简 或 写 P 为 b 207 。 Pb ，还 例如， 207 表示原子序数是 的铅原子核，它的质量数是 207 207 82Pb 82 ，它的核中有 个质子，有 个中子。 207 82 125 为了表述方便，人们将中子表示为 ，它的质量数是 ， 1 0n 1 电荷数是 ；电子表示为 ，它的质量数是 ，电荷数是 。 0 0 -1e 0 -1 具有相同质子数的原子，它们核外的电子数也相等，因而 有相同的化学性质，属于同一元素。但它们的中子数可能不 同，这些具有相同质子数和不同中子数的原子核，互称同位素 （ ）。 isotope 想一想：互为同位素的原子核，质量数是否相等？为什么？ 核反应方程 图7-1-6 质子和中子组成原子核 在核反应中，参与反应的原子核内的核子（质子和中子） 将重新排列或发生转化。用原子核的符号来表示核反应前后各 原子核变化情况的式子称为核反应方程。核反应遵守质量守恒 定律和电荷守恒定律，即核反应方程两边的质量数和电荷数均 是守恒的。 案例 卢瑟福发现质子的人工核反应如图 所示： 7-1-7114 + + 粒子（氦核） 氮核 氧核 质子（氢核） α 4 14 17 1 2He 17N 18O 1H 图7-1-7 用核反应方程可表示为 4 14 17 1 2He + 7N → 8O + 1H 请你检查方程两边的质量数和电荷数是否守恒。 请分析：发现中子的实验是用 α 粒子轰击铍核（ 9 ）, 核 4Be 反应的产物是中子和另一个原子核。那么，另一个原子核是什 么元素的原子核？写出核反应方程。 家庭作业与活动 1. 请分别用符号表示质子、α粒子、氮原子核、 3. 铀 的核里有多少个质子？多少个中子？ -238 氧原子核。 铜 的核里有多少个质子？多少个中子？ -63 2. 有 、 、 三种原子核，已知 、 的核子 4. 完成下列核反应方程： J K L J K 数相同， 、 的质子数相同，试完成下列表格。 K L （ ） 10 4 1 5B + 2He→ + 1H 原子核 原子序数 质量数 质子数 中子数 （ ） 9 1 4 4Be + 1H→2He + （ ） 27 1 28 J 9 18 13Al + 0n→13Al + （ ） 24 1 1 Z A 12Mg + 0n→ + 1H K L 10 19第 7 章 原子核与核能 115 7.2 原子核的衰变 我们已经知道，原子核在一定条件下是可以发生变化的，那 么其中的变化规律是什么样的呢？ 天然放射性的发现 年，法国物理学家贝可勒尔在研究荧光物质和 射线 1896 X 之间关系时，准备把铀盐和一张用黑纸包得密不透光的照相底 片一起放到太阳光下照射，不料一连几天都是阴雨，于是他只 好把铀盐和照相底片一起锁进了抽屉。几天后，他惊奇地发现， 放在抽屉里的底片竟然感光了。 经过反复探索，贝可勒尔发现只要照相底片放在铀盐附近， 图7-2-1 第一张由铀盐射线感光 不管在多么黑暗的地方，底片上都会产生铀盐的阴影。贝可勒 的照片 尔意识到，这个现象说明铀及其化合物放出了一种不同于 射 X 线的新射线，这种射线可以穿透黑纸使照相底片感光。 物理学中把物质放出射线的性质叫做放射性。某些物质 能自发地放出射线，我们称这些物质具有天然放射性（ natural ）。后来，物理学家发现，天然放射性是某些元素 radioactivity 的特有性质。原子序数大于 的所有天然存在的元素都具有放 83 射性。原子序数小于 的元素，有的也有放射性。我们称具有 83 放射性的元素为放射性元素（ ）。 radioactive element 三种放射性射线 放射性元素每时每刻都在放出射线，这些看不见的射线到 底是什么呢？ 科学家们经过努力，发现各种放射性元素所放出的射线有 三种：一种射线带正电，能在磁场作用下发生偏转，偏转角度 α γ 较小，叫做 α 射线；另一种射线带负电，在磁场作用下与 α 射线“分道扬镳”，朝另一个方向偏转，偏转角度较大，叫做 β 射线；还有一种射线不带电，在磁场中不偏转，叫做 γ 射 β 线（图 ）。 7-2-2 实验证明，这些射线是从原子核内发射出来的。α 射线是 α 粒子流，α 粒子就是氦原子核，电荷数为 ，质量数为 ； 2 4 β射线是高速运动的电子流；γ射线是波长很短的电磁波。 令人惊讶的是，这三种射线都有“穿墙破壁”的本领。 α 粒子射出时的速度大约是光速的十分之一，穿透物质 图7-2-2 三种放射性射线116 的本领很小。能量为 的 α 粒子，在空气中只能飞行 2 MeV 纸 金属 混凝土 ，一张薄锡箔或一张纸就能把它挡住。但它有很强的电 1.7 cm a 离作用，很容易使空气电离，使照相底片感光。 β 射线的速度接近光速，对物质的穿透本领比 α 射线约 b 强 倍。能量为 的β粒子，可以穿透 的空气层， g 100 0.5 MeV 1.6 m 甚至穿透几毫米厚的铝板，但它的电离作用比较弱。 γ 射线的穿透本领比 β 射线更强。能量为 的 γ 射 1 MeV 图7-2-3 α、β、γ射线穿透本 线，在空气中经过 的路程时，强度才减弱一半。它甚至 领示意图 100 m 能穿透几厘米厚的铅板，但它的电离作用很小。 放射性元素的衰变 放射性的研究已经深深地修 原子核放出一个α粒子或β粒子后，就变成了新的原子核。 改了古老的原子观念，并且为几 原子核由于放出某种粒子而转变成新核的变化，叫做原子核的 乎 种新型物质带来光明…… 衰变（ ）。 30 同时，它已经给我们提供了一个 decay 那么，原子核衰变有什么规律呢？ 很直接的方法，显示出作为物质 在核的衰变中电荷数和质量数都是守恒的。 核的衰变 结构中一个确实的物理和化学单 238 92U 位而单个存在的原子的有力 可用下面的方程来表示： 方法。 238 234 4 ——卢瑟福 92U→ 90Th + 2He 这种放出 α 粒子的衰变叫做 α 衰变。它的规律是：新核 的质量数比原来核的质量数减少 ，电荷数减少 ，因此新核在 4 2 元素周期表中的位置要向前移两位。 衰变后产生的新核 （钍）也具有放射性，它能放 238 234 92U 90Th 出一个 β 粒子而变成 （镤）。由于 β 粒子就是电子，电 234 91Pa 子的质量比核的质量小得多，可以认为它的质量数为零，因此 一个原子核放出一个 β 粒子后，质量数不变。放出 β 粒子的 衰变叫做β衰变。 请你仿照 238 的衰变方程，写出 234 的衰变方程。 92U 90Th 想一想：发生 β 衰变时，新核的电荷数变化多少？新核在 元素周期表中的位置怎样变化？ 放射性元素的原子核在发生 α 衰变或 β 衰变时，产生的 新核往往处于激发状态，这时它要向低能量状态跃迁，辐射出 光子，产生γ射线。原子核放出γ射线后不会变成其他核。 放射性元素的半衰期 放射性元素的衰变随时间变化的规律是怎样的呢？它的寿第 7 章 原子核与核能 117 命有多长呢？ 对于单个原子核而言，它发生衰变的时刻是不确定的。但 实验发现，大量的放射性物质中发生放射性核衰变的量的变化 却是有规律的。例如， 铋 ，由于β衰变，经过 （天）， 1 g -210 5 d 就会有一半变成钋 ；再经过 ，剩下的 铋 又 -210 5 d 0.5 g -210 会有一半衰变成钋 。这就是说，放射性元素每经过一段时 -210 间，就有一半的核发生衰变，这段时间叫做放射性元素的半衰 期（ ）。半衰期反映的是大量原子核的平均衰变快慢。 half life 例如，一块矿石中的某些铀 核可能立即发生衰变，而它们 -238 旁边的另一些核却可以平静地度过几十亿年仍不发生衰变，但 每经过一个半衰期，将有一半的铀 核发生衰变。 -238 每一种放射性元素都有一定的半衰期，不同的放射性元素 有不同的半衰期，而且不同元素的半衰期可以相差很大。例如， 铀 的半衰期是 × （年），氡 的半衰期是 ， 9 -238 4.5 10 a -222 3.8 d 而钋 的半衰期只有 × 。 -4 -214 1.64 10 s 放射性元素的半衰期是由其原子核本身决定的。一种放射 性元素，不论它是以单质的形式存在，还是和其他元素形成化 合物，也不论所处环境如何，它的半衰期都不会改变。 案例分析 案例 1 图 反映了放射性原子核衰变过程中，剩余 7-2-4 n 原子核数n 和衰变时间t 的关系。 n 分析 可以看出，经过第一个半衰期T ，未衰变核数是 ， 2 n n 有 的核发生了衰变。 2 2 n 看图并回答： n4 . 经过前两个半衰期（共经历 T时间），发生衰变的原子 1 2 8O 核数是不是n？ T T T t . 第二个半衰期中发生衰变的原子核数是多少？未发生衰 图7-2-4 放射性原子核衰变规律 2 变的原子核数是多少？ 案例 2 图 表示了氡 的衰变规律。m 为衰变前 7-2-5 -222 0 氡 的质量，m 为t 时刻氡 的质量。 m -222 -222 m 请讨论： 0 . 图 的纵坐标表示什么？ 1 7-2-5 . 图 中的 n和图 中的 m有什么不同？两者有 0.5 2 7-2-4 7-2-5 0.25 什么关系？ 0.125 O t/天 . 氡 的半衰期是多少？经过 和 d，分别有 3.8 7.6 11.4 3 -222 7.6 d 11.4 图7-2-5 氡-222的衰变规律 多少氡 发生了衰变？ -222118 部分放射性元素的半衰期 原子核 半衰期 14 6C 5 730 a 24 11Na 15 h 60 27Co 5.27 a 131 53I 8.04 d 信息浏览 大自然的“时钟”—— 碳-14 粒子探测器，通过直接测量被鉴定样品中碳 -14 一座古墓被发掘出来了，科学家们从其中的 的原子数来断定文物样品的年代。这种方法可使 一块木片就可以大致推断这座古墓是在多少年前 考古年代推至数十万年前，误差仅为数十年，测 建造的。你想知道其中的原因吗？ 量精度非常高。 原来，在地球的大气中含有一定比例的 碳 ，碳 具有放射性。活的动植物从空气 -14 -14 中吸收的碳中，既有不带放射性的碳 ，也有 -12 一定比例的碳 。动植物死后，不能再吸收空 -14 气中的碳 ，于是动植物体中的碳 通过衰 -14 -14 变而逐渐减少。 死亡 死亡 死亡 活的 刚死亡 碳 的半衰期是 。图 为碳 年 年 年 -14 5 730 a 7-2-6 -14 100% 100% 1000 2000 5730 测年法示意图。现在利用先进的加速器质谱计， 88.6% 78.7% 50% 图7-2-6 碳-14测年法示意图 让碳 离子在加速器中获得较高能量后，进入 古生物遗骸中所含的碳-14经半衰期5730a减为一半。 -14 人工放射性元素的发现 年，约里奥 居里夫妇在用 α 粒子轰击铝箔时，除 正电子是美国物理学家安德 1934 - 森（C. Anderson） 在 年 发 探测到了预料中的中子，还意外地探测到了正电子。他们把 α 1932 现的，它的质量跟电子的相同， 放射源拿走后，仍能测到正电子。物质放射正电子也随时间衰 电量也相同，但符号相反，是正 减，有一定的半衰期。原来，铝箔经 α 粒子轰击后，产生了一 电荷，通常用 0 表示。 1e 种具有放射性的新元素，是这种新元素在不断地放射出正电子。 核反应过程可表示为： 4 27 30 1 2He+13Al→15P+0n 30 30 0 15P→14Si+1e 与天然磷比较，具有相同的质子数，但中子数不同，它 30 15P 们互为同位素。 有放射性，衰变时放出正电子，同时还放出 30 15P 一个电子中微子。具有放射性的同位素（如 ）称为放射性同 30 15P第 7 章 原子核与核能 119 位素。 居里夫妇的这一重大发现，为发现更多的放射性元素开辟 了全新的途径，开拓了放射性研究中的一个崭新领域。 探测射线的方法 放射性射线用肉眼是看不见的，那么怎样对它们进行探测 呢？人们根据射线的性能和所产生的效应，设计制造了专门的 仪器来进行探测。下面介绍几种常用的探测仪器和探测方法。 计数器 计数器的主要部分是计数管，其结构如图 所示。它 阳极 7-2-7 是一支玻璃管，里面的一个铜圆筒（或在管壁上涂有一层导电 薄膜）是阴极，穿过圆筒轴心的钨丝是阳极。管内充有低压惰 性气体，工作时在两极间加上的电压通常略低于管内气体的击 铜圆筒（阴极） 穿电压。 图7-2-7 计数器结构示意图 一个带电粒子或一个 γ 粒子（光子）射进管内，会使管内 气体发生电离。电离产生的电子和正离子在强电场作用下分别 向阳极和阴极加速运动，跟管内的气体分子发生碰撞，产生新 的电子和正离子。这个过程在极短时间内会发生很多次，于是 产生大量电子，使计数管电路中出现一个相当强的脉冲电流。 这个电流经放大器放大，由计数器记下，表明有一个粒子 进入了计数管。高级计数器每秒能计数 万次以上。 1 云室 计数器只能记录粒子进入计数管的次数，而利用云室就可 以显现出粒子的径迹。 云室的主要结构如图 所示。圆筒形容器的下底是一 照相机 7-2-8 个可在小范围活动的活塞，上盖是透明的，通过它可以观察室 透明盖 内发生的现象或进行照相。放射源可放在室内侧壁附近，也可 饱 和 放在室外侧壁的窗口处。 汽 实验时，在云室内加一些酒精，使室内充满饱和汽。然后 放 射 使活塞迅速向下移动一段距离，室内气体由于突然膨胀而温度 源 降低，使酒精的饱和汽处于过饱和状态。这时如果有能量较高 的粒子从室内气体中飞过，就会使沿途的气体分子电离产生离 图7-2-8 云室结构示意图 子，过饱和汽便以这些离子为核心凝结成一条雾迹。 各种粒子的电离本领不同，因此它们在云室中的径迹也 不同。 请思考：为什么云室中 α 粒子径迹粗而直，β 粒子径迹细 而弯，γ粒子径迹细而碎？120 乳胶照相 利用高速运动的带电粒子能使照相底片感光的特性，可以 直接用照相胶片来得到粒子的径迹。 高速粒子通过胶片时，会使胶片乳胶层中的溴化银晶粒电 离形成潜像。经显影和定影，便可显示出粒子的径迹。乳胶照 相的优点是可以连续记录，并可得到完整的径迹，便于判断粒 子的性质和行为。图 是粒子在乳胶中分裂的径迹。 7-2-9 放射性射线的应用及其防护 图7-2-9 粒子在乳胶中分裂的径迹 天然放射性同位素只有几十种。 年后，人们用质子、 1934 氘核、中子和 γ 射线来轰击各种原子核，得到了多种放射性同 位素。现在，人们利用原子反应堆和加速器生产的放射性同位 素已达 多种。射线有益也有害，我们要扬其长，避其短， 2 000 合理应用射线。 射线的应用 射线源 放射性同位素在工农业生产、医疗卫生和科学研 究各个方面已有广泛应用。 由于透过物体的射线的强度跟物体的密度和厚度有关，因 此可以用射线来检查产品的厚度、零件内部有无砂眼或裂缝、 放射源 被测 密封容器中液面的高度等。这种检查可自动进行，并可根据检 材料 探测器 查的结果控制生产过程或发出必要的报警信号。 利用射线的生物效应，可以消灭害虫，杀菌消毒，治疗癌症， 指示仪表 保藏肉类、水产、谷物和水果，抑制马铃薯发芽，改良种子等。 利用射线的化学效应，可以促进高分子化合物的聚合反应， 图7-2-10 用射线监测产品厚度的 示意图 以制造各种塑料或改善塑料的性能。此外，还可以利用射线使 石油裂解，增加汽油的产量。 示踪原子 我们知道，一种元素的各种同位素具有相同的 化学性质，因此用放射性同位素制成的化合物，在经历各种过 射线源 程时会不断地放出射线。由此可以掌握它的踪迹，研究它所经 γ 历的变化。作这种用途的放射性同位素通常叫做示踪原子。 例如，在内燃机的活塞上装有放射性同位素铁 的活塞 -59 钢板 环，通过测量润滑油中的放射性就可以弄清楚活塞跟汽缸壁的 磨损情况，不必拆开内燃机去检查。 农田施肥时，在肥料中加一些放射性同位素，就会知道哪 种农作物在什么季节最能吸收含有哪种元素的肥料。 计数器 在医学上，利用放射性同位素可以了解病人的血液循环情 图7-2-11 无损探伤的示意图 况和食物消化情况，以及诊断某些疾病的病变情况。第 7 章 原子核与核能 121 放射性污染及其防护 随着核工业的出现和发展，人们越来越多地利用核能和放 射性同位素。但放射性对人体有危害，而且会污染环境，因此 我们应懂得如何防护。 人类一直就生活在自然辐射的环境中。我们周围的空气、 水和各种食物，都有一定的放射性。人体中也有一些放射性物质， 如钾 和碳 等。它们在体内也会放出射线，对人体产生 -40 -14 内辐射。通常这种自然条件下的内外辐射都很弱，没有发现对 人体的健康有什么影响。 但是，过强的辐射，无论哪种射线（包括电磁辐射），都 会对生物体造成危害。科学的发展已使我们掌握了安全生产和 使用放射性物质的方法。在使用放射性物质时必须严格遵守操 作规程，不准用手接触；即使是废弃不用的放射性物质也不能 随便丢弃，应交有关部门处理，或者在指定地点深埋于地下， 并要远离水源。特别要注意防止放射性物质对空气、水源和食 品的污染。 家庭作业与活动 1. 请填写下表，以总结比较与区分α射线、β 4. 下面是四种元素的同位素的原子核： 射线、γ射线的性质。 ， ， ， 118 3 50 197 50X 2X 22X 79X 2. 镭 发生 次α衰变和 次β衰变，变 请将 改为具体的元素符号，并说明每个原子 -226 4 4 X 成什么？ 核中的中子数。 3. 已知铋 的半衰期是 ， 铋 经 5. 为什么说射线是把双刃剑？请查阅资料加以说明。 -210 5 d 1 g -210 后还剩下多少？ 20 d 射线名称 本质 符号 速度 穿透能力 电离本领 射线 α 射线 β 射线 γ 课题研究 调查住房装饰材料的放射性 了解如何检测装饰好的住房中的放射性；讨论 查找有关装饰材料在放射性方面的标准； 如何减少装饰住房带来的放射性污染。122 7.3 原子核的结合能 世纪初，爱因斯坦质能方程的提出，使一些科学家敏锐 20 地认识到，核反应伴随着巨大的能量。一个小小的原子核，居 然是一个能量宝库。那么，原子核的能量来自何方？ 强大的核力 我们知道，原子核很小，结构却十分复杂，除氢核外，其 他各种元素的原子核中既有带正电的质子，又有不带电的中子。 如铀 的核内有 个质子， 个中子。因此，人们不禁 -235 92 143 要问： 质子间的静电斥力为什么没有把它们驱散开来？ 中子不带电，又是靠什么力聚集在一起？ 这么多的核子（质子和中子）挤在半径小于 的核内， -14 10 m 为什么能形成稳定的结构呢？ 科学研究发现，组成原子核的核子之间存在着一种特殊的 力，这种力叫做核力（ ）。 nuclear force 核力是目前已知的各种力中最强的力，它存在于质子与质 子间、质子与中子间、中子与中子间。因此，在研究核的稳定 性等问题时，核力起着决定性的作用。 科学研究表明，正是核子间存在着这么强大的核力，才使 小小的原子核蕴藏着巨大的能量。 结合能 研究氢原子的能级时已经知道，由于原子核跟核外电子间 存在着静电力的作用，要把一个氢原子的核外电子从基态移送 到无穷远处（也就是使一个处于基态的氢原子电离），必须克 服库仑力做功，这需要吸收 的能量。从对称性的角度 13.6 eV 思考，使相距无穷远的一个电子和一个质子结合成一个处于基 态的氢原子时，由于静电力做功，会放出 的能量。 13.6 eV 同样道理，由于核子间强大的核力，要把原子核拆散成核 子，必须克服核力做巨大的功，即需要提供巨大的能量。反过来， 核子结合成原子核时，由于核力做功，会放出同样多的能量。 在物理学上，把核子结合成原子核时放出的能量，或原子 核分解成核子时吸收的能量，都叫做原子核的结合能。 研究表明，用光照射氘核（ ），只有当光子的能量等于 2 1H第 7 章 原子核与核能 123 或大于 时，才能使它分解为质子和中子。核反应方程为 2.2 MeV 2 1 1 γ + 1H → 1H + 0n 反过来，使一个质子和一个中子结合成氘核，就会放出 的能量。因此，氘核的结合能为 。 2.2 MeV 2.2 MeV 结合能的计算 爱因斯坦的质能方程指出，物体的质量跟它的能量有一定 的联系。如果物体质量增加（或减少）了 Δm，物体的能量相 应会增加（或减少）ΔE，它们的关系是 ΔE Δmc2 = 实验发现，核子组成原子核时，仿佛会变“轻”一些，原 子核的质量总是小于其全部核子的质量之和。我们把组成原子 核的核子的总质量与原子核的质量之差，叫做核的质量亏损 （ ）。核子组成原子核时所亏损的这部分质量，实 mass defect 际上体现为辐射能量的形式。 所以，只要知道了核反应中的质量变化，利用质能方程， 就很容易算出所释放或吸收的能量。 思考与讨论 . 有人说，质量亏损就是核子变少了；也有人说，质量亏损， 1 意味着质量消失了。这两种说法对不对？为什么？ . 有人认为，公式ΔE = Δmc2 中的Δm，既是原子核的质量 2 亏损，也是原子的质量亏损。这种认识对不对？为什么？ 案例分析 案例1 已知中子质量m × -27 ，质子质量 m n = 1.674 9 10 kg p × -27 ，氘核质量 m × -27 ，试计算 = 1.672 6 10 kg D = 3.343 6 10 kg 一个中子和一个质子结合成氘核时释放的能量。 解答 中子和质子结合成氘核的核反应方程为 1 1 2 0n + 1H → 1H 核反应中的质量亏损 Δm （m m ） m = n + p - D Δm （ ）× -27 × -27 = 1.674 9 + 1.672 6 10 kg - 3.343 6 10 kg Δm × -27 = 0.003 9 10 kg 所以，释放的核能 ΔE Δmc2 × -27 ×（ × 8 ） 2 = = 0.003 9 10 2.997 9 10 J ΔE × -13 = 3.5 10 J124 ΔE = 2.2 MeV × -27 1u = 1.660 6 10 kg 直接用u作为质量单位时， 案例2 “原子质量单位”是原子物理中常用的一个特殊质 根据ΔE Δmc2 可得出一个常用 量单位，符号为 。已知碳 原子的质量是 ，一 = 的换算关系： u -12 12.000 000 u 个碳 原子可以看作是由 个氢原子（每个氢原子的质量是 u相当于 . MeV。 -12 6 1 9315 ）和 个中子（每个中子的质量是 ）组 1.007 825 u 6 1.008 665 u 成，求碳 原子核的结合能。 -12 分析 在计算碳核的质量亏损时，因为与电子的质量有关 的部分在相减过程中能消去，所以可以用碳原子的质量代替碳 原子核的质量，用氢原子的质量代替质子的质量。 解答 中子的总质量 m × 6 n = 6 1.008 665 u = 6.051 990 u 氢原子的总质量 m × 6 H = 6 1.007 825 u = 6.046 950 u 中子和氢原子的质量和 m 6 n + 6 mH = 12.098 940 u 碳 原子的质量 m -12 C = 12.000 000 u 质量亏损 Δm × -28 = 0.098 940 u = 1.643 10 kg 碳 核的结合能 -12 （ ） E mc -28 8 2 2 1.643 × 10 × 2.9979 × 10 Δ = Δ = eV = 92.2MeV -19 1.6022 × 10 通过这两个案例，请你归纳一下，如何利用公式ΔE Δmc2 = 计算结合能？在计算中，如何合理地选用单位？ 多学一点 平均结合能与核的稳定性 核子结合成原子核时每个核子平均放出的能量叫做平均 结合能，它等于核的结合能跟核子数的比值。例如，氘核的 平均结合能为 ；碳 核的平均结合能为 2.2 MeV = 1.1 MeV -12 2 ≈ 。用同样的方法，可以求出其他原子核的 92.2 MeV 7.7 MeV 12 平均结合能。平均结合能的大小能够反映原子核的稳定程度。 平均结合能越大，原子核就越难拆开，表示该核越稳定。 图 反映了原子核的平均结合能随原子核的核子数变 7-3-1 化的规律。由图像可以看出，核子数较小的轻核与核子数较大 的重核，平均结合能都比较小。中等核子数的原子核，平均结 合能较大，表示这些原子核较稳定。 当平均结合能较小的原子核转化成平均结合能较大的原子 核时，就会释放核能。例如，一个核子数较大的重核分裂成两 个核子数小一些的核，或者两个核子数很小的轻核结合成一个 核子数大一些的核，都能释放出巨大的核能。 平均结合能启示人们，利用核能有两种可能的方式：一种 是利用重核分裂，另一种是利用轻核聚合。第 7 章 原子核与核能 125 平均结合能 ∕MeV 9 4 8 2He 92 36Kr 141 7 56Ba 235 6 92U 7 5 3Li 4 3 3 1H 2 2 1 1H O 核子数 40 80 120 160 200 240 图7-3-1 原子核的平均结合能曲线 家庭作业与活动 1. 兆电子伏（ ）和原子质量单位（ ）是核 子的质量是 ， 个中子的质量是 MeV u 1.007 277 u 1 物理领域常用的两个单位，请根据质能方程证 ，氦核的质量是 ，试求 1.008 665 u 4.001 509 u 明， 相当于 的能量。 氦核的结合能。 1 u 931.5 MeV 2. 氦核由 个质子和 个中子组成。 个质 2 2 1126 7.4 裂变与聚变 既然原子核蕴藏着巨大的核能，那么，怎样才能使核能释 放出来呢？一个世纪以来对核能的研究与开发，对当今世界产 生了巨大的影响。 裂变及其应用 年，在意大利物理学家费米的主持下，在美国芝加哥 1942 大学建成了世界上第一座核反应堆。人类从此开始了利用核能 费米 （ ， — ）， 的新纪元。 E. Fermi 1901 1954 意大利物理学家。因利用中子 辐射发现新的放射性元素，及 慢中子所引起的有关核反应，获 铀核的裂变 年诺贝尔物理学奖。第二 1938 重核裂变是在 世纪 年代末期用中子轰击铀核时发现 次世界大战时逃离法西斯意大 20 30 利，来到美国，领导设计和建造 的。如图 所示，中子打进铀 核，使该核变成处于 7-4-1 -235 了世界上第一台可控核反应堆。 激发状态的复核，并分裂成质量差不多的两部分，同时放出 为纪念费米，元素周期表中的第 号元素命名为镄。 几个中子。重核分裂成质量较小的核叫做裂变。裂变时会释放 100 核能。 铀核裂变的产物是多种多样的，有时裂变为氙（ ）和锶 Xe （ ），有时裂变为钡（ ）和氪（ ），有时裂变为锑（ ） Sr Ba Kr Sb 和铌（ ）。产物不同，所释放的能量和中子数也不尽相同。 年至 年间，我国 Nb 1946 1948 物理学家钱三强、何泽慧夫妇在 研究铀核裂变时，经过上万次的 观测，首先发现三分裂和四分裂 现象。钱三强从实验与理论两个 方面对三分裂现象作了全面的 论述。 三分裂现象比较罕见，约为 二分裂现象的千分之三；四分裂 现象就更少了。 图7-4-1 铀核裂变过程示意图 链式反应及其条件 如图 所示，铀核裂变时，通常会放出 到 个中子， 7-4-2 2 3 这些中子可以作为新的“炮弹”轰击其他的铀核，使裂变反应 不断地进行下去，这种反应叫做链式反应（ ）。 chain reaction 研究发现，核裂变所释放的中子，并不是每个都能引起新 的裂变。要想引起链式反应，必须使每一次核裂变所释放的中 子中至少有一个能引起新的核裂变，也就是说，中子的“再生率” 要大于 。因此，要发生链式反应，必须保证铀块有足够大的 1第 7 章 原子核与核能 127 天然铀中主要有两种同位 素： 铀 与 铀 。 其 中 -235 -238 以上是铀 ， 是 99.3% -238 0.7% 铀 。铀 俘获各种能量 -235 -235 的中子都会发生裂变， 铀 -238 只有俘获能量大于 的中子 1 MeV 才可能发生裂变，并且概率很小。 因此，为了便于发生链式反应， 需要选用铀 。 -235 图7-4-2 链式反应示意图 体积。如铀块太小，铀核裂变放出的中子会逸出铀块，从而中 断反应。能够使铀块发生链式反应的最小体积 或对应的最小 ( 质量 称为临界体积（或临界质量）。 ) 当铀 的体积超过其临界体积时，中子进入铀块，立即 -235 会引起链式反应，在短时间内释放出大量的核能，原子弹就是 根据这个原理制成的。 裂变反应堆 裂变反应堆是核电站的心脏。它是一种用人工控制链式反 应的装置，可以使核能较平缓地释放出来。 裂变反应堆的基本结构由裂变材料（核燃料）、慢化剂（减 速剂）、控制棒、反射层、热交换器及防护层构成。 裂变反应堆的常见类型有重水堆、高温气冷堆、快中子增 殖反应堆（又叫快堆）等。 核电站的工作模式是以核反应堆为能源，用核反应堆产生 高压蒸汽，取代发电厂的锅炉，其余部分与火力发电厂基本相同。 图 是秦山核电站的基本结构示意图。 7-4-3 案例分析 案例 用中子轰击铀核（ ），其中的一个可能反应是分 235 192U 裂成钡（ ）和氪（ ）两部分，放出 个中子，试写出核 141 92 156Ba 36Kr 3 反应方程，算出反应中释放的核能。 分析 根据反应前后核的核子数守恒、核电荷数守恒，就128 安全壳 发电机 蒸汽发生器 控制棒 稳压器 汽轮机 堆芯 反应堆 压力容器 给水泵 冷凝器 主泵 a 核蒸汽供应系统 b 汽轮发电机系统 （第一回路系统） （第二回路系统） 图7-4-3 秦山核电站的基本结构示意图 可以写出核反应方程。 为了算出核能，查出各个核和中子的质量如下： m × -27 m × -27 U = 390.313 9 10 kg n = 1.674 9 10 kg m × -27 m × -27 Ba = 234.001 6 10 kg Kr = 152.604 7 10 kg 根据核反应前后的质量亏损，用爱因斯坦的质能方程就可 算出释放的核能。 请根据上述分析，完成本题的解答。 聚变与受控热核反应 聚变 轻核结合成质量较大的核叫做聚变。聚变时会释放核能。 在核燃料消耗量相同的条件下，聚变比裂变释放的能量更多。 例如，一个氘核（ ）和一个氚核（ ）发生聚变时，产 2 3 1H 1 H 氘核 氦核 氚核 中子 图7-4-4 氘核与氚核聚变成氦核第 7 章 原子核与核能 129 生一个氦核（ ），同时放出一个中子和 的能量。 2 4 2 1 H→ 2 He 17.6 MeV 平均每个核子释放的能量在 以上，比裂变反应中平均每 3 MeV 个核子释放的能量大 到 倍。这个核反应方程为 3 4 2 3 4 1 1 H + 1 H→ 2 He + 0 n+17.6MeV 据推算， 氘发生聚变放出的能量为 × · 。地 5 1 g 1 10 kW h 球上共有约 × 海水，其中含氘约 × ，如果用来 18 13 1 10 t 3 10 t 发电，足够人类使用上百亿年。可见，聚变核能是一个更大的 能源宝库。 聚变的条件 我们知道，原子核只占整个原子体积极小的一部分，电子 在原子核外绕核运动。要使两个原子的核靠近并聚合在一起， 必须剥离原子核外的电子，使两个核接近到 以内，这时 -15 10 m 核力才能发生作用。 原子核带正电，它紧紧地吸引着核外电子。要让核外电子 逃逸，并使原子核克服相互靠近时产生的巨大的静电斥力，必 须有几千万开以上的高温。在这么高的温度下，剧烈的热运动 使原子完全电离，形成物质的第四态——等离子态，原子核可 获得足够大的动能，进行剧烈的运动和相互碰撞，这时总有一 部分核可以接近到足以发生聚变的距离。所以，聚变又叫热核 反应。 热核反应在宇宙中很普遍。目前的理论认为，太阳以及许 多恒星内部，都在不断地进行着聚变反应，因此它们不断地辐 图7-4-5 1967年6月17日我国 射出光和热。 第一颗氢弹爆炸成功 那么，怎样才能获得这么高的温度以实现热核反应呢？目 前较成熟的技术是利用原子弹的爆炸使氘和氚发生热核反应。 氢弹就是这样制造出来的，它能产生比原子弹大得多的威力。 受控热核反应 为了使热核反应的能量缓慢地释放出来，当前，受人青睐 中央螺线管 的受控热核反应实验装置称为“托卡马克”（ ），它 Tokamak 是一种利用强磁场约束参加反应的等离子体的环流器，其结构 如图 所示。它的主体是一个环状真空室，其中充以氘气 7-4-6 或氘、氚混合气体，这是托卡马克的核燃料。真空室外是磁场 装置，它的作用是约束等离子体。当中央螺线管通电后，在环 等离子体 状真空室内感应出强电流，加热核燃料，使其成为等离子体， 同时中央螺线管和同轴环形线圈一起形成一个螺旋状磁场，将 同轴环 等离子体约束在环状真空室内，使之不与室壁接触，也不会从 形线圈 环状真空室 端面流失。等离子体在真空室内互相碰撞就会发生热核反应。 图7-4-6 托卡马克的结构130 运用多种方法，创设多种问 题情境，有助于广泛了解核能等 对人类生活和社会发展的影响。 图7-4-7 中国首座核聚变全超导托卡马克（人造太阳）实验装置 年，我国著名物理学家王淦昌提出了激光聚变的构想， 1964 即用高功率的激光束打在氘、氚组成的靶丸上，产生高温使核 燃料发生核聚变。现在，我国已建成首座全超导托卡马克实验 装置，步入核聚变研究的世界前列。 案例分析 案例 使两个氘核发生聚变生成一个氦核放出多少核能？ 分析 聚变的核反应方程为 2 4 2 1 H→ 2 He 先查出氘核和氦核的质量 m ，m D = 2.014 102 u He = 4.002 603 u 然后根据核反应前后的质量亏损，用质能方程算出释放的 核能。 请同学们根据上述分析，完成计算。 核能利用与社会发展 核能登上历史舞台，虽然只有短短的 多年 却已有了长 70 , 足的发展。目前世界上已有 多个国家和地区建有 多座核 40 400 电站，发电量已占世界发电总量的 以上。 17% 核能的发展和利用对人类社会产生了哪些影响？ 核能的优越性 核能跟常规能源相比，具有明显的优势。 核燃料提供的能量巨大。计算表明，如果按照 个铀核裂 1 变放出 的能量估算， 铀全部裂变释放的能量相当 200 MeV 1 kg 于 标准煤完全燃烧放出的能量。 2 700 t第 7 章 原子核与核能 131 核燃料的储量丰富。目前核电站使用的裂变材料是铀，铀 在地壳中的平均含量比金、银更为丰富，不仅分布在岩石中， 也蕴藏在海水、河水、湖水中。除铀以外，钍也是一种裂变材料， 它比铀更为丰富。 热核反应需要的聚变材料——氘，在海水中有着丰富的储 量。 海水中大约有 的氘，它发生热核反应放出的能量 1 L 0.03 g 跟燃烧 汽油相当。因此，一旦受控热核反应获得成功， 300 L 将从根本上解决困扰人类社会的能源问题。 核燃料的运输和储存方便。一座 × 的火力发电 6 1 10 kW 厂，一年要烧煤 × ，这些煤每天要用 节火车车皮 6 3.5 10 t 200 或一艘万吨巨轮运输。而同等规模的压水堆核电站，一年只需 低浓铀，只需 辆卡车就可全部运到现场 储存也很 30~40 t 6 , 方便。 核能清洁卫生，对环境的污染小。火力发电厂运行时会排 出大量的废气以及其他对环境和人体有害的物质。核电站不排 放二氧化碳、氮氧化物等造成温室效应或酸雨的气体及烟尘。 设计良好、管理完善的核电站，不易发生放射性污染事故。因 此利用核能有利于环境的保护和可持续发展。 核安全性与核废料处理 年美国三哩岛核电站、 年苏联切尔诺贝利核电站、 1979 1986 年日本福岛核电站的核泄漏事故，曾给核电站的应用前景 2011 投下了一片阴影。目前，核电站有可靠的安全措施，对核废料 有严格的处理规程，核能发电技术已经成熟。 为了防止核电站放射性物质的泄漏，核电站设置了多道安 全屏障（图 ）。 7-4-8 燃料芯块 第三道安全屏 障 —— 压 力 边 界（压力容器和 冷却回路） 第一道安全屏障 ——燃料芯块 压力容器 第四道 第二道安全 安全屏 屏障——锆 合金包壳 障 —— 安全壳 锆合金包壳 安全壳 图7-4-8 核电站的四道安全屏障132 第一道屏障——可以把 以上的裂变产物滞留在燃料芯 98% 块内，不向外释放。 第二道屏障——性能良好的锆合金包壳把燃料芯块密封在 其中，能够经受各种运行工作情况的考验，保证密封性良好。 第三道屏障——保证结构的完整性。 第四道屏障——能承受事故发生的压力并保持良好的密封 性，防止放射性物质向外泄漏。 核电站是现代科学技术综合发展的产物，它的科学设计、 精心制造、可靠运行和多重安全措施，使得发生重大事故的可 能性远比其他自然或人为灾害的要小，核电站是安全可靠的。 对核废料的处理有多种方法。目前我国对核废料采用后处 理技术，即从用过的核燃料中回收铀、钚等。这样，占 的 96% 铀和占 的钚可回收再利用，只需处理剩下的 放射性废 1% 3% 料和其他途径产生的核废料。对其中的低、中放射性废物进行 沥青固化或水泥固化后，贮存在地下浅层废料库；对高放射性 废料采用玻璃固化后，埋藏在深层废料库。在核电站周围还设 置许多监测点，定期采集空气、水、土壤和动植物样品进行分析， 监测放射性对环境的影响。 如果国家需要在你的家乡选址建设核电站，你对此持何态 度？为什么？就这一问题与你的同学、朋友进行讨论和交流。 为和平利用核能而努力 巨大的核能既能造福于人类，也存在一定的潜在危险。现 代社会比以往任何时候更需要科学家的高度社会责任感和正 义感。 发现铀核裂变时正值第二次世界大战，科学家认识到核 裂变能释放出巨大的能量，并担心这一科学成果被德国纳粹 政府用来制造大规模杀伤性武器。当原子弹快要研制成功时， 科学技术对人类生活和社会 齐拉（ ）、爱因斯坦、玻尔等科学家纷纷告诫美国 L. Szilard 发展具有积极的影响，但同时也 政府对原子弹的使用应采取慎重态度。然而， 年美国还 1945 会带来一系列问题，要充分认识 是在日本的广岛和长崎投掷了两颗原子弹。爱因斯坦在一篇 到人与自然是生命共同体，人类 文章中写道：“参加那些令人恐惧和充满危险的武器研制的 必须尊重自然，遵循自然规律。 物理学家们，被同样的责任感所烦扰……” 为了维护世界和平与安定，要求全面销毁核武器，特别是 反对各种类型的核试验的呼声日益高涨。 年 月 日联 1968 6 12 合国大会通过《防止核武器扩散条约》。当前，如何使人类避 免核灾难的问题已变得越来越严峻。近年来，联合国等国际组织 先后通过了一系列条约和协定，限制各国制造和使用核武器。 我国发展核武器是在特定的历史条件下迫不得已作出的决第 7 章 原子核与核能 133 定。我们研制和发展少量核武器，完全是出于防御的需要，是 为了抵制核威胁，打破核垄断。中国从拥有核武器的第一天起， 就郑重声明，中国在任何时间、任何情况下都不首先使用核武器。 中国还无条件地承诺不对无核武器国家和地区使用或威胁使用 核武器。中国是世界上唯一作出并恪守这一承诺的有核国家。 我国的原子能科学技术发展迅速。自 世纪 年代以来， 20 60 成功地爆炸了原子弹、氢弹。 年，自行设计的浙江秦山核 1991 电站一期工程 万千瓦压水堆机组并网发电成功。 年， 30 1993 广东大亚湾核电站成功运行。至今，我国是拥有核电机组最多 的国家。我国的原子能和平开发利用技术已达到世界先进水平， 有多项关键技术被突破。如微堆技术方面，能对高浓度微堆进 行低浓化，浓度由原来的 达到现在的 ，有效完成核 90% 12.5% 燃料的低能化，成为被国际原子能机构认可的几种核能设施之 一。未来，我国将进一步为人类的核能和平利用做出自己应有 的贡献。 家庭作业与活动 1. 我国目前已建成的秦山核电站和大亚湾核电 已知优质煤的热值为 × 。 7 3.34 10 J / kg 站，都是利用核燃料 235 在裂变反应堆中“燃 4. 假设太阳内部持续不断地发生着 个氢核聚变 92U 4 烧”产生的热能使水汽化以推动汽轮机发电的。 为 个氦核的热核反应，这个核反应释放出的 1 已知一个 235 在反应堆中完全“燃烧”放出的 能量就是太阳的能源。 92U 能量约为 。 （ ）太阳的质量每秒减少多少千克？ 200 MeV 1 （ ） 235 完全“燃烧”释放出的能量约为 （ ） 若太阳质量减少 ，热核反应就不 1 1 g 92U 2 0.03% 多少焦？ 能继续发生。据此估算，太阳还能发光 （ ） 秦山核电站的发电功率为 × 。 多少年？（已知太阳向空间辐射的总功 5 2 3.0 10 kW 假定核燃料 235 完全“燃烧”释放的能 率为 × 26 ， 太阳的质量为 × 92U 3.6 10 W 2 量有 转变成电能，则该核电站每年 30 ，m ，m ， 90% 10 kg p= 1.007 276 u He = 4.002 603 u 需消耗纯 235 约多少千克？ m 。） 92U e = 0.000 548 u 2. 个氘核和 个氚核聚变成氦核，放出 个中 5. 皮埃尔·居里在 年说：“人类从未来的 1 1 1 1903 子，这个反应中放出了多少核能？已知m 发现所得到的好处将比坏处更多。”卢瑟福在 D = ，m ，m ， 年说：“我希望人们在学会和平相处之前， 2.014 102 u T = 3.016 050 u He = 4.002 603 u 1915 m 。 不要释放镭的内部能量。”两位科学家的意见 n = 1.008 665 u 3. 已知 个氢核聚变成 个氦核，放出 个正电子。 是互为对照的。结合本节内容，请说说你的看 4 1 2 （ ）写出这个核反应方程； 法。 1 （ ）这一核反应释放出的能量有多少焦？ 6. 通过查找资料、观看科普录像，了解核能开发 2 （ ） 若 氢完全聚变，它放出的核能相当 的社会效益及所带来的安全利用核能等问题。 3 1 g 于多少优质煤完全燃烧放出的化学能？134 7.5 粒子物理与宇宙起源 粒子物理，是当前物理学的前沿之一，它的研究对象是比 原子核更深的层次，随着科学研究的深入，科学家发现组成原 子核的更微小粒子的研究与组成宇宙的更大星系的研究是直接 相连的。粒子物理学家和天文学家研究的正好是长度标尺极小 与极大的两端，现在他们要共同回答的问题是：“这世界究竟是 由什么组成和怎样组成的？”你想过这个问题吗？ 四种基本相互作用 人们在认识原子核之前，只知道在自然界中有万有引力与 四种基本相互作用丰富了我 们的物理观念。 电磁力两种力。随着对微观世界研究的深入，物理学家发现， 自然界中各种不同的相互作用都可以归结为四种基本相互作用： 引力相互作用（万有引力）、电磁相互作用（电磁力）、强相 互作用（强力）和弱相互作用（弱力）。 万有引力是一切具有质量的物体之间具有的一种吸引力， 电磁力是带电物体与电磁场之间及带电物体之间通过电磁场传 递的相互作用。万有引力和电磁力的作用范围很远。强相互 作用和弱相互作用发生在微观领域。强相互作用的作用范围在 以内，弱相互作用的作用范围在 以内。 -15 -18 10 m 10 m 两位著名物理学家杨振宁（右） 除了作用距离，这四种基本相互作用的差异还表现在它们 和李政道（左）。 的作用强度上。在原子的尺度上，如果把强相互作用的作用强 度规定为 ，则核内电磁力的强度在 数量级，弱相互作用 -2 1 10 的强度在 数量级，而引力的强度仅在 数量级。因此， -6 -39 10 10 在微观领域，引力常常被忽略，只有在质量巨大且呈电中性的 宏观领域，引力作用才会产生明显的效应。 著名物理学家杨振宁和李政道致力于粒子物理的研究， 年提出“弱相互作用中宇称不守恒理论”， 年共同获 1956 1957 得诺贝尔物理学奖。著名核物理学家吴健雄在 β 衰变研究领域 具有世界性的贡献，验证了“弱相互作用下的宇称不守恒”。 粒子加速器 粒子怎样被发现的？科学家又怎样进一步观测和研究粒 吴健雄 （ — ），生 1912 1997 于江苏省苏州市太仓浏河镇， 子呢？ 是世界最杰出的实验物理学家 原子核的结构是坚固稳定的， 年，卢瑟福用天然放射 之一。 1919 源实现了历史上第一个人工核反应。卢瑟福宣称，如果粒子有第 7 章 原子核与核能 135 更大的能量，就有希望击破更多元素的原子核。也就是说，打 开原子核就需要一些比天然放射性能量更高、更便于控制的高 能粒子，于是各种粒子加速器与粒子探测器就产生了。 直线加速器 直线加速器是指利用高频电场对质子、电子 或其他带电粒子进行加速的设备，它由一系列内部有着很长真 空室的中空管组成，被加速粒子的运动轨迹为直线。从原理上 讲直线加速器可以把粒子加速到足够高的能量，可是当需要很 高的能量时，加速器的直线距离会很长，这就限制了直线加速 器的发展。现在的直线加速器大多作为注入器与同步加速器一 起使用。 同步加速器 同步加速器是一种环形装置，它利用磁场把 粒子的路径弯成圆形，使加速器变得较小。在同步加速器中， 使粒子做圆弧运动的弧形电磁场单元与粒子加速电场区域单元 是分开的。在直线区域用高频电场加速带电粒子，使粒子的动 能增加。在弧形电磁场单元用磁场让粒子偏转，弧形区域的磁 感应强度和路径长度都是设定好的。当粒子在到达有交变电场 的直线区域时电场正好能对它们进行加速，当粒子在到达有磁 场的弧形区域时磁场正好能让它们做匀速圆周运动。同时，同 步加速器中磁感应强度随被加速粒子能量的增加而同步增加， 保持粒子回旋频率与高频加速电场同步，这样洛伦兹力就始终 将粒子约束在同一条轨道。原理如图 所示。 7-5-1 近年来，在粒子物理中的一系列研究成果与重大发现， 图7-5-1 同步加速器原理图 几乎都是通过同步加速器来完成的。在粒子物理学中，通常称 × 以下为低能（原子弹爆炸时平均每个核子释放的能量 8 1 10 eV 只在 的量级）， × × 为中能， × 6 8 9 9 10 eV 1 10 ~ 3 10 eV 3 10 eV 以上为高能。粒子能量越高，波长越短，越能深入到粒子内部 去获得更多的信息。我国在 年建成的北京正负电子对撞机， 1989 同时加速两种粒子，使它们沿相反方向加速运动并相撞，能量 为 × 。 9 5.6 10 eV 粒子世界和夸克模型 粒子世界 在知道原子核是由质子和中子组成之后，人们以为电子、 质子、中子等是组成物质的最基本的粒子，曾把它们叫做“基 本粒子”。用这种观点能成功解释各种原子核的一些性质和核 反应的一些规律。但是，还是有一些现象不能通过该观点解释。 如原子核内并不存在电子，那么 β 射线是怎样产生的？于是人 们怀疑，“基本粒子”是否基本？它们是否有着更深层次的结构？136 在发现的粒子中，有的质量 年，奥地利物理学家赫斯（ ）通过在气球上进 1912 V. Hess 中等，还有的比质子重得多。它 行的高空观测，证实有射线从宇宙空间射来，这些射线被称为 们有的带正电，有的带负电，也 宇宙线。之后，许多物理学家常年坚持对宇宙线进行观测，从 有的不带电。一些粒子的寿命只 中发现了一些新的粒子。 有 ，而另一些的寿命却很 -23 10 s 长，如质子，根本看不到它们的 宇宙线中有能量很高的粒子，但数量很少。人们用高能加 衰变。美国物理学家费米曾一度 速器进行实验，发现了更多的新粒子。如 年发现了μ子， 被问及该怎样识别粒子的径迹并 1937 年发现了 介子和π介子，此后不久又发现了Λ子。 将其分类，他的回答是：“如果 1947 K 我能够记住所有这些粒子的名 称，那么我就是植物学家了。” 夸克模型 世纪 年代后期，人们弄清楚了构成原子核的质子与 20 60 中子也是有结构的。在许多科学家研究的基础上，美国物理学 家盖尔曼（ ． ）于 年提出了夸克模型，认为 M Gell-Mann 1964 质子和中子是由一个叫做夸克（ ）的粒子家族组成的，夸 quark 克模型把核子（质子和中子）看做夸克的一个集合体。 后来，一系列的实验证实了夸克的存在。在夸克模型中， 人们最初预言的三种夸克是上夸克（ ）、下夸克（ ）和奇异 u d 夸克（ ）。后来又相继提出存在第四种夸克——粲夸克（ ）、 s c 第五种夸克——底夸克（ ）。 年，美国费米实验室间接 b 1994 证实了第六种夸克——顶夸克（ ）的存在。 t 不过需要强调的是，至今人们仍不能将夸克从强子中打出 来，即无法获得自由的夸克，夸克始终被“禁闭”着，这是一 个尚未解开的谜。 当今粒子物理学研究的第一个粒子家族是强子，参与强相 信息浏览 丁肇中的实验研究 质等方面都有深入的研究。因发现 ψ粒子，他 J/ 年 月，美籍华裔物理学家丁肇中 与里克特分享了 年的诺贝尔物理学奖。 1974 12 1976 教授领导的一个小组发现了一种新粒子，他把 它命名为 粒子。几乎同时，美国物理学家里克 J 特（ ）领导的另一个实验小组也找到了 B. Richter 这种粒子，他把它命名为ψ，所以现在这种粒子 叫做 ψ粒子。 J/ 丁肇中 （ — ）， ψ粒子的质量是质子的 倍多，这个新粒 1936 J/ 3 美籍华裔物理学家。 子的发现表明了第四种夸克——粲夸克的存在。 年因发现 ψ粒 1976 J/ 子而荣获诺贝尔物理 丁肇中主要从事实验粒子物理学的研究工作， 学奖。 在电子和μ子物理学、量子电动力学、重光子性第 7 章 原子核与核能 137 互作用。质子是最早发现的强子，中子、介子和超子也是强子。 第二个粒子家族是轻子，它们不参与强相互作用。轻子包括电子、 人类对物质的认识是无止境 μ 子、τ 子以及与它们相联系的三种中微子。第三个粒子家族 的。要不断完善对物质的认识， 是传递相互作用的粒子，目前包括传递电磁作用的光子、传递 形成相对完整、科学的物质观念。 弱相互作用的中间玻色子 ±、 ，以及传递强相互作用的胶子。 0 W Z 现在已发现的粒子总数达 多种，难道它们都是“基本” 400 的吗？特别是参与强相互作用的粒子（称为强子），形形色色， 种类繁多，它们会不会有内部结构呢？有待我们进一步去探秘。 多学一点 反物质 年，美国物理学家安德森在对宇宙射线的研究中，利 1932 用云室观察到了人们预言过的电子的反粒子，即正电子。 正电子是人们发现的第一个反粒子。此后，一些粒子的反 粒子相继被人们发现： 年，发现反质子； 年，发现反 1955 1957 中子； 年，我国物理学家王淦昌等发现反超子。随着反粒 1959 子的不断被发现，科学家开始设想：如果用反质子和反中子代 替原子核中的质子和中子，就可以得到一个反原子核，再配上 相应的正电子，就可得到一个反原子，我们可用反原子构成反 分子，而反原子和反分子则构成反物质。 反粒子（反物质）最显著的特点是：当它们与相应的正粒 子（物质）相遇时，会发生“湮灭”，即同时消失而转化成电 磁辐射。 小粒子与大宇宙 宇观世界和微观世界之间存在着巨大的差异。从空间范围 宇观世界通常指宇宙学和天 来讲，宇观世界现已扩展到现代天文学观测手段所能探及的 文学所研究的范围。常用光年等 作为长度单位。 约 之远的宇宙深处；微观世界则已深入到约 之微的 27 -19 10 m 10 m 夸克和轻子。从时间范围来讲，宇观世界的“寿命”至少不少 于 亿年。微观世界中粒子的寿命有的很长，如质子（＞ ）、 32 150 10 a 中子（约 ），而有的却很短，如 μ 子（ × ）， -6 15 min 2.2 10 s 有的粒子寿命甚至短到仅 。这两个在空间上和时间上有 -23 10 s 着“天壤之别”的世界之间，却存在着千丝万缕的联系。 年诺贝尔物理学奖获得者格拉肖（ ）曾经 1979 S. Glashow 非常形象地把大至宇观世界小至微观世界的“链条”比喻成一 条咬住自己尾巴的巨蟒（图 ），从尾到首依次对应于粒子、 7-5-2 原子核、原子、细胞，一直到超星系团、整个宇宙。宇宙大爆 炸学说认为，宇宙是在一百多亿年前的一次大爆炸中诞生的， 开始物质的密度和温度都极高，那时只有极高温的热辐射和高138 27 10 m 24 10 m -15 10 m 21 10 m -12 10 m 18 10 m -9 10 m 15 10 m -6 10 m 12 10 m -3 10 m 9 10 m 1 m 6 3 10 m 10 m 图7-5-2 宇观世界与微观世界紧密联系 物理学家的进一步追求，是 能粒子，早期的宇宙就成为粒子物理学的研究对象，这样粒子 把强相互作用、电磁相互作用、 物理学和宇宙学竟奇妙地衔接起来！ 弱相互作用、引力相互作用这四 我国在探索宇宙奥秘方面已处于世界前沿水平。 年 种各有特色的相互作用再综合在 2016 9 月 日，自行设计建设的世界最大单口径 球面射电望远 一个统一的理论体系——统一场 25 500 m 论之中。 镜（ ）落成启用，至今已在发现新脉冲星等方面取得重要 FAST 成果。这一“中国天眼”必将在观测宇宙线、暗物质和暗能量， 开展从宇宙起源到星际物质的探讨方面获得更大的科研成果。 家庭作业与活动 1. 自然界中的基本相互作用是如何分类的？ 3. 你对物质的层次结构有什么见解？ 2. 粒子是如何分类的？第 7 章 原子核与核能 139 第 7 章家庭作业与活动 A组 可以看出，衰变产物A 和 的运动径 Z -0 Ni -1e 1. 完成下列核反应方程，并指出核反应的类型： 迹不在同一条直线上，如果认为衰变产 3 2He+_____→ 4 2He+ 1 1H ，是 ____ 变。 物只有 A Z Ni 和 - - 0 1e ，那么衰变过程将违反 ，是 变。 守恒定律。 24 24 11Na→ 12Mg+_____ _____ ________ ，是 变。 2. 已知 海水中含有 的重水，从中可提 24 23 1 11Na+______→ 11Na+1H _____ 1 L 0.146 g 2 1 3 9 5 2U+ 1 0n→ 1 1 4 5 1 6Ba+____+3 1 0n, 是 ____ 变。 取 0.03 g 的氘（ 2 1H ）。假如 1 L 海水中的氘全 2. 用α粒子轰击硼 ，产生一个中子和一个具 部聚变为氦，则释放多少能量？氘核和氦核的 -10 有放射性的核，这个核是什么？这个核能放出 质量分别为 和 ，若 汽油 2.014 1 u 4.002 6 u 1 L 正电子，它衰变后变成什么？写出核反应方程。 完全燃烧释放的能量为 × ，那么 海 7 3.23 10 J 1 L 3. 用中子轰击氮 ，产生碳 ，碳 具有 水中的氘全部聚变所放出的能量相当于多少升 -14 -14 -14 β放射性。它放出一个β粒子后衰变成什么？ 汽油燃烧时释放的能量？（ × ） -27 1u = 1.66 10 kg 写出核反应方程。 3. 放射性同位素 被考古学家称为“碳钟”，它 C 4. 铀 衰变为镭 的过程如下： 可以用来判定古生物体的年代，此项研究获得 -238 -226 年诺贝尔化学奖。 238 234 234 234 230 226 92U→90Th→91Pa→92U→90Th→88Ra 1960 每次衰变放出的粒子是什么？请标在箭头的 （ ） 宇宙射线中高能量的中子碰到空气中的 1 下方。 氮原子后，会形成很不稳定的 14 ，它很 6 C 5. 锶 的半衰期是 ，如果有 锶 ， 容易发生衰变，放出β射线变成一个新 -82 25 d 140 g -82 那么经过多少天只剩下 ？再经过多少天 核，其半衰期为 。试写出此核反 17.5 g 5 730 a 剩下的量不足 ？ 应方程。 1 g 6. 钍 具有放射性，它放出一个α粒子后变 （ ） 若测得一古生物遗骸中的 14 含量只有 -230 2 6 C 成了什么？写出衰变方程。 活体中的 ，则此遗骸距今约有多 12.5% 7. 钫 具有放射性，它放出一个β粒子后变 少年？ -223 成了什么？写出衰变方程。 4. 已知物体从地球上逃逸的速度（第二宇宙速度） 8. 在某些恒星内，发生着 个氦核聚变成碳 GM 3 -12 v 2 E ，其中G、M 、R 分别表示万有引 核的反应，已知氦核的质量为 ， = R E E 4.001 509 u E 碳 核的质量为 ，计算这一反 力常量、地球的质量和半径。已知G × -12 12.000 000 u = 6.67 应中释放的能量。 -11 · 2 2 ，光速c × 8 。 10 N m /kg = 2.997 9 10 m/s B组 （ ） 逃逸速度大于真空中光速的天体叫黑洞。 1 1. 年李政道和杨振宁提出在弱相互作用中宇 设某黑洞的质量等于太阳的质量M 1956 = 1.98 称不守恒，吴健雄用 60 对此进行了实验验证。 × 30 ，求它的可能最大半径（结果 27Co 10 kg 次年，李、杨两人为此获得诺贝尔物理学奖， 保留两位有效数字）。 60 的衰变方程是： （ ） 在目前天文观测范围内，物质的平均密 27Co 2 60 A Z -0 ν 度为 -27 3 。如果认为我们的宇宙是 27Co→ Ni +-1e + e 10 kg/m 其中ν 是反电子中微子，它的电荷为零，静止 这样一个均匀大球体，其密度使得它的 e 质量被认为是零。 逃逸速度大于光在真空中的速度c，因此 （ ）在上述衰变方程中，衰变产生的A 的核 任何物体都不能脱离宇宙，则宇宙的半 Z 1 Ni 子数A是 ，核电荷数Z是 。 径至少多大？ ____ ______ （ ） 在衰变前 是静止的，根据云室照片 60 2 27Co140 总结与评价 课题研究成果报告会 亲爱的同学： 来，再做进一步的研究，取得更有意义的成果， 祝贺你即将完成《物理（选择性必修 3）》 到这个报告会上去展示；你也可以从下面的研究 的学习。在这个模块中，我们用统计思想方法， 课题示例中，选择你感兴趣的课题，独立完成或 认识了大量分子无规则热运动的规律；从宏观 与同学合作完成。当然，你还可以自选其他课题 和微观两个角度研究，知道了固体、液体和气体 进行研究。 的性质；以实验探究为基础和量子论的视野探 在这个报告会上，也许没有鸿篇大论，也许 秘原子世界，认识光和实物粒子的波粒二象性； 没有什么重大的发明，但这里展示的成果，铭刻 认识了核能对人类生活和社会发展的影响，培 着你们的勤奋，凝聚着你们的心血……这里，最 养了我们的物质观念、运动与相互作用观念、能 可贵的是真实！ 量观念和物理模型建构等物理学科核心素养。 简单就是美丽，巧妙就是智慧！ 你一定有许多新的感受和收获，那么，就让我们 这个“课题研究成果报告会”，将让你的智 开一个“课题研究成果报告会”吧！ 慧放出灿烂的火花，让你的才智得到充分的展 你可以把你平时做过的最满意的课题拿出 示！ 研究课题示例 ■ 寻找生活中显现统计规律的实例 ■ 讨论建立核电站的必要性 例如：可记录电视台或广播电台天气预报的主要指 通过查阅资料，了解世界各国核电站的基本情况、 标，了解这些指标的意义，分析诸如天气晴好、降雨、台风、 成功经验和深刻教训，了解本地区能源供应情况，论证 下雪的统计规律，据此预测本地的天气状况。体会统计 本地区建立核电站的必要性和可行性，写一份发言材料， 规律意义和作用，写出课题研究报告，在同学间相互交 在班上交流评价。 流评价。 ■ 华人科学家在粒子物理领域中的贡献 ■ 关于新材料的应用研究 通过到图书馆或上网等途径查找资料，了解华人科 你可通过查阅资料、上网搜索、实地调查等方式， 学家在粒子物理领域中的杰出贡献。搜集从古至今有关 了解材料科学技术的有关知识及其应用，体会它们的发 我国科学家的发明创造成果，学习其科学奉献精神，为 展对人类生活和社会发展的影响，自选一个题目，整理 实现中华民族伟大复兴而努力奋斗。写成体会文章，在 一份情况报告资料，在班上交流，并作出相应的评价。 班上交流评价。 ■ 合理开发和利用能源的调查 ■ 我所知道的宇观、宏观和微观世界 基于对热力学定律和能量守恒定律的认识，结合可 查阅资料，阅读科普读物，收集有关研究宇观星系 持续发展的理念，对当地人们在生活生产中开发和利用 和微观粒子领域的进展情况，就人类探索物质结构和宇 能源的问题作一调查，写成调查报告，并提出合理开发 宙起源，写一份关于人类向自然界两极空间求索的专题 和利用能源的建议，供当地有关部门参考。 报告，在班上进行交流评价。总结与评价 课题研究成果报告会 141 评价表 课题名称： 姓名： 完成日期： 合作者： 1. 课题设计思路 2. 课题研究过程 3. 收集的主要资料或证据 4. 分析与论证 5. 研究成果和结论142 6. 自我评价 我在课题研究中的表现： 我对小组研究的贡献是： 我擅长的是： 我在研究中遇到的困难是： 我在这些方面应该做得更好： 自我评价等级（在评价的等级上画圈） 级（优秀） 级（良好） 级（合格） 级（低于标准） A B C D 7. 小组评语 8. 教师评语 建议从成果的科学性、创造性、实践性， 建议从成果的科学性、创造性、实践性， 以及从参与课题研究的热情和态度、克服困 以及从参与课题研究的热情和态度、克服困 难的勇气、团队合作精神等方面进行评价。 难的勇气、团队合作精神等方面进行评价。总结与评价 课题研究成果报告会 143 后 记 我们编写的《普通高中物理课程标准实验教科书》（沪科教版）在实验区已试用十余 年了，随着基础教育课程改革的深入，教育部又颁布了《普通高中物理课程标准（ 2017 年版）》，为此，我们根据新课标的要求，对这套教科书进行了全面修订，以适应新时期 课程改革的要求。 这次修订旨在落实“立德树人”根本任务，进一步提升学生的物理核心素养，为学生 的终身学习、终身发展和做有责任感的社会公民奠定基础。 参加本册修订的编写组成员如下： 总主编： 束炳如 何润伟 副总主编：母小勇 仲扣庄 本册主编：谢步时 王溢然 本册主要作者：谢步时、王溢然、徐达林、孙 浩 本教科书于 年首次出版，当时参加本册书有关内容编写的人员还有：汪乾荣、 2004 李金生、朱琦、仲扣庄、汪延茂、钱嘉伟、戴苾芬等。沈永昭、倪汉彬、王文祥、罗基鸣、 徐建国、梁明奋等同志也曾对本书的修改提出了许多宝贵意见。随着课程改革的深入，编 写队伍的组成人员也发生了一些变化，旨在进一步优化编写队伍，以适应新时期课程改革 的需求。 在本书的编写过程中，得到了许多专家、学者、教学研究人员和广大教师的热情帮助 和大力支持。上海科技教育出版社的李志棣、匡志强、李枯青、朱惠霖、汤世梁等同志和 有关工作人员为本书的编辑加工、美术设计、排版印刷等方面做了大量的工作，在此，编 写组特向关心本书及为本书的出版提供帮助的所有同志表示诚挚的谢意。 研制符合时代要求的、有特色的、高质量的高中物理教科书，始终是我们的追求目标。 恳请广大专家、学者、教师、教研员、学生和家长对本套教科书提出宝贵的意见和建议， 与我们一起，合作共建这套教科书。 编者 年 月 2018 8