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高中物理選修3-5原子物理部分總結
章節 名稱 定義（內容） 補充
第十七章 波粒二象性 第一節 能量量子化 黑體與黑體輻射 熱輻射：一切物體都在輻射電磁波，這種輻射與物體溫度有關。 黑體：如果某種物體能夠完全吸收入射的各種波長的電磁波而不發生反射，這種物體就是絕對黑體，簡稱黑體。
黑體輻射的實驗規律 隨著溫度的升高，一方面，各種波長的輻射強度都有增加；另一方面，輻射強度的極大值向波長較短的方向移動。
黑體輻射公式（輻射強度按波長分布的理論公式） 維恩公式：短波區與實驗非常接近，長波區則與實驗偏離很大。（德國物理學家維恩1896年提出）
瑞利公式（瑞利—金斯公式）：長波區與實驗基本一致，短波區與實驗嚴重不符，不但不符，而且當波長趨于零時，輻射強度竟變成無窮大，這顯然是荒謬的。由于波長很小的輻射處于紫外線波段，故而由理論得出的這種荒謬結果被認為是物理學理論的災難，當時被稱為紫外災難。（英國物理學家瑞利1900年提出，被金斯修正）
能量子 不可再分的最小能量值叫做能量子。為了得出同實驗相符得黑體輻射公式，德國物理學家普朗克于1900年底提出，于1918年因此獲得諾貝爾物理學獎。 h=6.626×10-34J·s 單位：J 單位：s-1
第二節 光的粒子性 光電效應的實驗規律 1、照射到金屬表面的光能使金屬中的電子從表面逸出，這個現象稱為光電效應，這種電子常被稱為光電子。 2、存在著飽和電流。 3、入射光越強，單位時間內發射的光電子數越多。 4、存在這遏止電壓Uc和截止頻率。 5、光電子的能量只與入射光的頻率有關。 6、當入射光的頻率減小到某一數值時，即使不施加反向電壓也沒有光電流，這表面已經沒有光電子了，稱為截止頻率。 7、入射光的頻率低于截止頻率時不發生光電效應。 8、光電效應具有瞬時性，產生電流的時間不超過10-9s。
逸出功 使電子脫離某種金屬所做功的最小值叫做這種金屬的逸出功，用W0表示。
光電效應解釋中的疑難（按照光的電磁理論） 光越強，光電子的初動能越大，所以遏止電壓應該與光的強弱有關。 不管光的頻率如何，只要光足夠強，電子都可以獲得足夠能量從而逸出表面，不應存在截止頻。 如果光很弱，按經典電磁理論估算的時間遠遠大于實驗結果。
愛因斯坦的光電效應方程 頻率為v的光的能量子為hv，h為普朗克常量，這些能量子被稱為光子。猶太裔物理學家愛因斯坦于1905年提出，于1921年因此獲得諾貝爾物理學獎。光電效應表明光子具有能量，粒子性。
從 從1907起，美國物理學家密立根測量光電效應中幾個重要的物理量，檢驗了愛因斯坦光電效應方程的正確性。
康普頓效應 光在介質中與物質相互作用，因而傳播方向發生改變，這種現象叫做光的散射。 石墨對X射線的散射實驗中，散射的X射線除了與入射波長相同的成分外，還有波長大于的成分，這個現象稱為朗普頓效應。 光子除了具有能量之外還具有動量。 美國物理學家康普頓于1923年提出，于1927年因此獲得諾貝爾物理學獎。 中國留學生吳有訓測試了多種物質對X射線的散射，證實了康普頓效應的普遍性。
光子的動量
第三節 粒子的波動性 光的波粒二象性 1801年，英國物理學家托馬斯·楊，觀察到了光的干涉現象； 19世紀初，法國物理學家菲涅耳，觀察到了光的衍射現象； 19世紀初，法國物理學家馬呂斯，觀察到了光的偏振現象； 19世紀60年代，英國物理學家麥克斯韋，從理論上確認了光的電磁波本質（電磁理論）； 1887年，德國物理學家赫茲發現了光電效應； 1905年，猶太裔物理學家愛因斯坦提出愛因斯坦光子理論，光電效應方。 光的微粒說→光的波動說→光的電磁理論→光子理論 光既具有波動性又具有粒子性。 干涉現象：兩列或幾列光波在空間相遇時相互疊加，在某些區域始終加強，在另一些區域則始終削弱，形成穩定的強弱分布的現象。證實了光具有波動性。 衍射現象：光在傳播過程中，遇到障礙物或小孔時，光將偏離直線傳播的路徑而繞到障礙物后面傳播的現象。證實了光具有波動性。 偏振現象：振動方向對于傳播方向的不對稱性。它是橫波區別于縱波的一個最明顯的標志，只有橫波才有偏振現象，證實了光的橫波性。
粒子的波動性 實物粒子具有波動性，即每一個運動的粒子都與一個對應的波相聯系，而且粒子的能量和動量跟它所對應的波的頻率和波長之間也像光子一樣遵從規律，這種與實物粒子相聯系的波稱為德布羅意波，也叫物質波。1924年法國物理學家德布羅意在博士論文中大膽地把光的波粒二象性推廣到實物粒子，于1929年因此獲得諾貝爾物理學獎。
物質波的實驗驗證 1912年，德國物理學家勞厄利用晶體中排列規律的物質微粒作為衍射光柵，檢驗了倫琴射線的波動性，證實了倫琴射線就是波長為十分之幾納米的電磁波。 1927年，美國物理學戴維孫和英國物理學家G·P·湯姆孫分別利用晶體做了電子衍射的實驗，證實了電子的波動性。他們為此獲得了1937年的諾貝爾物理學獎。 除電子外，后來還陸續證實了質子、中子以及原子、分子的波動性。 只有縫、孔的寬度或障礙物的尺寸跟波長相差不多或者比波長更小時，才能觀察到明顯的衍射現象。
第四節 概率波 經典的粒子和經典的波 經典粒子具有頻率和波長的特征。
概率波 1926年德國物理學家玻恩指出，一個光子通過狹縫后，雖然不能肯定某個光子落在哪一點，但由屏上各處明暗不同這個事實可以推知，光子落在各點的概率是不一樣的，即落在明紋處的概率大，落在暗紋處的概率小。這就是說，光子在空間出現的概率可以通過波動的規律確定。光是一種概率波。
第五節 不確定性關系 不確定性關系 不能準確的知道單個粒子的運動情況。 1927年，德國物理學家海森伯提出了不確定性關系，他于1932年獲得了諾貝爾物理學獎。
物理模型與物理現象
量子力學 關于微觀粒子運動規律的基本理論。 微觀粒子表現出一系列不同于宏觀顆粒的性質，其根本原因是微觀粒子具有波粒二象性。 1913年，在量子力學建立之前，丹麥物理學家玻爾根據普朗克、愛因斯坦等提出的量子概念建立了前期量子論；1925年，德國物理學家海森伯發展了矩陣力學； 1926年，奧地利物理學家薛定諤根據德布羅意的波粒二象性假說建立了波動力學，后又證明矩陣力學和波動力學在數學上是等價的，于是兩種理論融合為量子力學；之后又由狄拉克等人的進一步發展。



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第十八章 原子結構 第一節 電子的發現 陰極射線 1858年，德國物理學家普呂克爾實驗中，使玻璃管壁上產生熒光的射線。 1876年，德國物理學家戈德斯坦把該射線命名為陰極射線。
電子的發現 電子是組成陰極射線的粒子，電荷是量子化的。 1890年，舒斯特測出了陰極射線微粒的比荷； 1897年，考夫曼測出了陰極射線微粒的比荷； 1897年，英國物理學家J·J·湯姆孫證實陰極射線的本質是帶負電的粒子流并求出這種粒子的比荷，發現了電子； 1909~1913年，美國物理學家密立根通過“油滴實驗”精確測定電子電荷。 e＝1.6×10-19C me＝9×10-31kg 質子質量是電子質量的1836倍。
第二節 原子的核式結構模型 核式結構模型之前 1898年，英國物理學家J·J·湯姆孫提出了“棗糕模型”（也叫“西瓜模型”）； 1903年，勒納德讓電子束射到金屬膜上，發現高速的電子很容易穿過原子，說明原子不是一個實心球體。
α粒子散射實驗 （核式結構模型） 絕大多數粒子穿過金箔后，基本上仍沿原來的方向前進，但有少數粒子發生了大角度偏轉，偏轉的角度甚至大于90°。 該實驗于1909年，由英籍物理學家盧瑟福指導他的學生蓋革和馬斯頓進行的。 基于此實驗，1911年，英籍物理學家盧瑟福提出來了自己的原子結構模型，被稱為核式結構模型。
原子核的電荷與尺度 核半徑，原子半徑。 原子核的半徑無法直接測量，一般通過其他粒子與核的相互作用來確定，α粒子散射是估計核半徑的最簡單的方法。
第三節 氫原子光譜 光譜 光譜是一條條量線的叫線狀譜，光譜是連在一起的光帶的叫連續譜。 各種原子的發射光譜都是線狀譜，說明原子只發出幾種特定頻率的光。不同原子的亮線位置不同，說明不同原子的發光頻率是不一樣的，因此這些亮線稱為原子的特征譜線。 光譜分析：利用原子的特征譜線來鑒別物質和確定物質的組成成分。 優點：靈敏度高。
1814年，德國物理學家夫瑯和費通過光譜分析發現了鈉的譜線，發現了太陽光譜中的暗線； 1859年，德國物理學家基爾霍夫解釋了太陽光譜中暗線的含義。
氫原子光譜的實驗規律 許多情況下光是由原子內部電子的運動產生的。 1885年，巴耳末根據氫原子光譜提出了巴耳末公式。 巴耳末公式 R叫做里德伯常量1.10×107m-1
經典理論的困難 無法解釋原子的穩定性和原子光譜的分立特征。
第四節 玻爾的原子模型 玻爾原子理論的基本假設 軌道量子化與定態：1、電子的軌道是量子化的2、原子的能量是量子化的，這些量子化的能量值叫做能級，原子中具有確定能量的穩定狀態稱為定態。能量最低的狀態叫基態，其他狀態叫做激發態。
玻爾理論對氫光譜的解釋 通常情況下，原子處于基態，高速運動的電子撞擊時，有可能向上躍遷到激發態，處于激發態的原子放出光子，最終回到基態。 一般說來，電子只能吸收能量為Em－En =hv的光子，但當光子的能量達到13.6eV時，電子發生電離，大于13.6eV時，電離后有一定的初動能。 電子除了吸收特定的光子外，還能吸收實物粒子，如電子、光電子，不過能量只需大于或等于躍遷所需能量。（也可通過加熱） 氫原子的能級圖：n=3、4、5、6躍遷到n=2為可見光，頻率由大到小γ>X光>紫外線>可見光，其中γ射線來源于原子核，X光來源于核外內層電子躍遷，紫外線、可見光及紅外線來源于最外層電子躍遷。 原子從高能態向低能態躍遷時放出的光子的能量等于前后兩個能級之差。由于原子的能級是分立的，所以放出的光子的能量也是分立的。因此原子的發射光譜只有一些分立的亮線。 由于不同的原子具有不同的結構，能級各不相同，因此輻射（吸收）的光子頻率也不同。
1914年，美國物理學家弗蘭克和德國物理學家赫茲利用電子轟擊汞原子，發現電子損失的能量，也就是汞原子吸收的能量是分立的，從而證明汞原子的能量確實是量子化的。
波爾模型的局限 不能解釋復雜的原子。



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第十九章 原子核 第一節 原子核的組成 天然放射現象 物質發射射線的性質稱為放射性，具有放射性的元素稱為放射性元素，放射性元素自發地發出射線的現象叫天然放射現象。 原子序數大于或等于83的元素都能自發地發出射線，原子序數小于83的元素，有的也能放出射線。
1895年末，德國物理學家倫琴發現了一種的新射線——X射線，即倫琴射線。 1896年，法國物理學家貝可勒爾發現鈾和含鈾的礦物能夠發出看不見的射線，這種射線可以穿透黑紙使照相底板感光。 1898年，波蘭裔科學家瑪麗·居里和法國物理學家皮埃爾·居里在瀝青中發現新元素釙和鐳。 1903年，居里夫婦和貝克勒爾由于對放射性的研究而一起獲得諾貝爾物理學獎。 1911年，居里夫人因鐳和釙的發現而獲得了諾貝爾化學獎。
射線到底是什么 γ射線是伴隨著α衰變或β衰變產生的，γ射線不改變原子核的電荷數和質量數，其實質是放射性原子核在發生α衰變或β衰變時，產生的某些新核由于具有過多的能量(核處于激發態)而輻射出光子。
原子核的組成 帶正電的質子和不帶電的中子。 1919年，英籍物理學家盧瑟福用鐳放射出的α粒子轟擊氮原子核，從氮原子核打出了質子，用p表示。盧瑟福猜想原子核中還存在另一種粒子，把它稱作中子，用n表示。1932年，盧瑟福的學生查德威克（英國）通過實驗證實了這個猜想。 質子： 中子：
第二節 放射性元素的衰變 原子核的衰變 原子核放出α粒子或β粒子變成另一種原子核的變化。 （原子核衰變時電荷數和質量數都守恒） α衰變： β衰變： β衰變電子的來源：
半衰期 放射性元素有半數發生衰變所需的時間。 放射性元素衰變的快慢是由核內部自身的因素決定的，跟原子所處的化學狀態和外部條件沒有關系。即壓力、溫度或與其他元素的化合等，都不會影響原子核的結構。
第三節 探測射線的方法 威爾遜云室 有粒子在室內氣體中飛過，使沿途的氣體分子電離，過飽和酒精蒸汽就會以這些離子為核心凝結成霧滴，顯示出射線的徑跡。 該云室是英國物理學家威爾遜在1912年發明的。 α粒子：質量大、電離本領大，因而徑跡直而清晰。 β粒子：高速的，徑跡又細又直；低速的，又短又粗且彎曲。 γ粒子：電離本領很小，一般看不到徑跡。 根據徑跡的長短和粗細，可以知道粒子的性質；把云室放在磁場中，從帶電粒子運動軌跡的彎曲方向，還可以知道粒子所帶電荷正負。
氣泡室 原理同云室原理類似，所不同的是氣泡室李裝的是液體，如液態氫。
蓋革—米勒計數器 其主要部分是蓋革—米勒計數管，這種裝置是德國物理學家蓋革和米勒在1928年研制成的，又稱G-M計數器。
第四節 放射性的應用與保護 核反應 原子核在其他粒子的轟擊下產生新原子核的過程，稱為核反應。（在核反應中，質量數守恒，電荷數守恒） 第一次實現原子核的人工轉變。
人工放射性同位素 1934年，約里奧-居里夫婦發現經α粒子轟擊的鋁片中含有放射性磷（），。 約里奧-居里夫婦（居里夫人的女兒和女婿）由于發現了人工放射性而獲得1935年諾貝爾物理學獎。
放射性同位素的應用 測厚度，治療癌癥，殺菌消毒等。
輻射與安全 過量的射線對人體組織有破壞作用。（貧鈾彈，貧鈾彈是指以含有鈾238的硬質合金為主要原料制成的炮彈和槍彈。放射性較）
第五節 核力與結合能 核力與四種基本相互作用 1、核力是強相互作用的一種表現2、核力是短程力3、核力的飽和性（在核中，某個核子只與相互鄰近的數目有限的幾個核子之間存在著核力的作用，而與那些遠離的核子之間不發生任何作用，這種現象被稱為核力的飽和性）
原子核中質子與中子的比例 較輕的原子核，質子數與中子數大致相等，對于較重的原子核，中子數大于質子數，越重的元素，兩者相差越多。 原子核的穩定與核力和電磁力之間的平衡有關。
結合能 1、使核子結合處原子核所需的能量2、結合能與核子數之比稱做比結合能3、比結合能越大，原子核中核子結合得越牢固，原子核越穩定。
質量虧損 原子核的質量小于組成它的核子的質量之和。 碳12元素原子質量的叫做原子質量單位，用u表示。根據質能方程，損失1u對應產生的能量為931MeV。 E＝mc2 1eV＝ 1.60×10-19J
第六節 重核的裂變 核裂變 1、原子核被中子轟擊后分裂成兩塊質量差不多的碎塊叫裂變2、裂變產生的中子使裂變反應一代接一代繼續下去的過程叫核裂變的鏈式反應。 1938年底，德國物理學家哈恩和他的助手斯特拉斯曼在用中子轟擊鈾核的實驗中發現，生成物中有原子序數為56的元素鋇。 奧地利物理學家邁特納和弗里施對此做出了解釋，提出了核裂變這個概念。 我國科學家錢三強、何澤慧夫婦于1947年在實驗中觀察到鈾核也可能分裂為三部分或四部分，其概率大約是分裂為兩部分的概率的千分之三。 臨界體積：通常把裂變物質能夠發生鏈式反應的最小體積叫做它的臨界體積，相應的質量叫做臨界質量。
核電站 利用可控核裂變，使核能轉變為內能進而轉變為電能。 1942年，美國物理學家費米主持建立了世界上第一個稱為“核反應堆”的裝置，首次通過可控制的鏈式反應實現了核能的釋放。
第七節 核聚變 核聚變 兩個輕核結合成質量較大的核的反應。
受控熱核反應 1、輕核聚變產能效率高2、地球上聚變燃料儲量豐富3、輕核聚變更為安全。
第八節 粒子和宇宙 “基本粒子”不基本 許多粒子不是由質子、中子和電子組成，并且質子和中子自身也都有復雜的結構。
發現新粒子 1932年，發現了正電子，1937年發現了μ子，1947年發現了K介子核π介子，后來還發現一些粒子，質量比質子的質量大，叫做超子。現在已經發現的粒子達400多種。按照粒子與各種相互作用的不同關系，可以將粒子分為三大類：強子、輕子和媒介子。 強子：參與強相互作用的粒子。例如質子（最早發現）、中子。分為介子和重子兩類。 輕子：不參與強相互作用的粒子。例如電子（最早發現），還有電子中微子，μ子和μ子中微子，τ子和τ子中微子。目前就這6種。 媒介子：傳遞各種相互作用的粒子。如光子、中間玻色子、膠子。光子傳遞電磁相互作用，中間玻色子傳遞弱相互作用，膠子傳遞強相互作用。
夸克模型 組成強子的基本成分。
宇宙的演化
恒星的演化

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