1、高考物理,新高考专用,专题十三 近代物理初步,考点一光电效应,一、能量量子化1.黑体与黑体辐射1)黑体:如果某种物体能够完全吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射,这种物体就是绝对黑体,简称黑体。2)黑体辐射实验规律:随着温度的升高,一方面,各种波长的辐射强度都有增加,另一方面,辐射强度的极大值向波长较短的方向移动。,黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体的温度有关。黑体的颜色不一定是黑色,黑体不反射电磁波,但会向外辐射电磁波。,2.能量量子化1)能量子:组成黑体的振动着的带电微粒的能量只能是某一最小能量值的整数倍。带电微粒辐射或吸收能量时也是以这个最小能量值为单位一份一份地进行的,这个不可
2、再分的最小能量值叫能量子。2)公式:=h。是带电微粒的振动频率,也是带电微粒吸收或辐射电磁波的频率,h是普朗克常量,其值为h=6.62610-34 Js。3)能量量子化:在微观世界中,能量不能连续变化,只能取某些分立值,这种现象叫能量量子化。,二、光电效应1.定义:照射到金属表面的光,能使金属中的电子从表面逸出。这个现象称为光电效应,这种电子常称为光电子。光电效应的实质:光现象电现象。,2.实验电路图:如图所示,真空玻璃管中密封的阴极K和阳极A这两个电极构成光电管,K在受到光照时能够发射光电子。加在K与A之间的电压大小可以调整,电源的正、负极也可以对调。,3.实验规律1)存在截止频率c(也叫极
3、限频率)当入射光的频率低于金属的截止频率时不发生光电效应。不同金属的截止频率不同,即截止频率与金属自身的性质有关。2)存在饱和电流原因:在光照强度一定的条件下,单位时间内阴极K发射的光电子的数目是一定的,电压增加到一定值时,所有光电子都被阳极A吸收,这时即使再增大电压,电流也不会增大。影响因素:在光的频率(颜色)不变的情况下,入射光越强,单位时间内发射的光电子数越多,饱和电流越大。,3)存在遏止电压:使光电流减小到0的反向电压Uc称为遏止电压。同一种金属对于一定频率的光,无论光的强弱如何,遏止电压都是一样的。对于同一种金属,光电子的能量只与入射光的频率有关,而与入射光的强弱无关。4)光电效应具
4、有瞬时性:当频率超过截止频率c时,无论入射光怎样微弱,照到金属时会立即产生光电流。,4.爱因斯坦光电效应方程1)光子定义:在空间传播的光不是连续的,而是一份一份的,每一份叫一个光量子,简称光子。光子的能量:每个光子的能量只决定于光的频率,即=h,表示光的频率。2)逸出功:要使电子脱离某种金属,需要外界对它做功,做功的最小值叫这种金属(不同金属的逸出功不同)的逸出功,一般用W0表示。3)爱因斯坦光电效应方程:Ek=h-W0,Ek为光电子的最大初动能。光电子的最大初动能随入射光频率的增大而增大。,5.光电效应三类图像最大初动能Ek与入射光频率的关系图线,遏止电压Uc与入射光频率的关系图线,光电流I
5、与电压U的关系图线,考点二光的波粒二象性,1.光的波粒二象性,2.物质波:与实物粒子相联系的波叫物质波。实物粒子的能量E和动量p跟它所对应的波的频率和波长之间遵循的关系为:E=h,p=。,考点三原子结构,一、原子的核式结构模型,1.现象:绝大多数粒子穿过金箔后仍沿原来的方向直线前进,但少数粒子发生了较大角度的偏转,并且有极少数的粒子偏转角度超过90,有的甚至被弹回,偏转角度几乎达到180。,2.结论:在原子的中心有一个很小的核,叫原子核,原子几乎全部质量和所有正电荷都集中在原子核里,带负电的电子在核外空间里绕着核旋转。,二、氢原子光谱1.定义:用光栅或棱镜可以把各种颜色的光按波长(频率)展开,
6、获得光的波长(频率)和强度分布的记录,即光谱。2.发射光谱1)连续谱:连续分布的包含从红光到紫光各种色光的光谱。2)线状谱:只含有一些不连续的亮线的光谱,又称为原子光谱。3)带状谱:由一系列光谱带组成。,3.吸收光谱1)特点:连续光谱的背景上出现一些暗线。2)与线状谱的关系:各种原子的吸收光谱的暗线和线状谱的亮线相对应,即表明某种原子发出的光和吸收的光的频率是特定的,通常吸收光谱中的暗线比线状谱中的亮线要少一些。这些亮线或暗线称为该原子的特征谱线。,三、玻尔理论、能级1.玻尔理论的三条假设1)定态条件:原子只能处于一系列不连续的能量状态中,在这些能量状态中原子是稳定的,电子虽然绕核运动,但并不
7、向外辐射能量。2)跃迁条件:原子从一种定态跃迁到另一种定态时,它辐射或吸收一定频率的光子,光子的能量由这两个定态的能量差决定,即h=Em-En(h是普朗克常量,h=6.6310-34 Js)3)轨道假设:原子的不同能量状态跟电子在不同的圆周轨道绕核运动相对应。原子的定态是不连续的,因此电子的轨道也是不连续的。,2.氢原子的能级、能级公式1)氢原子的能级图如图所示,2)两类能级跃迁自发跃迁:高能级低能级,释放能量,发射光子。受激跃迁:低能级高能级,吸收能量。吸收的光子能量必须恰好等于能极差。3)氢原子的能级和轨道半径氢原子的能级公式:En=E1(n=1,2,3,),其中基态能量E1最低,其数值为
8、E1=13.6 eV。氢原子的半径公式:rn=n2r1(n=1,2,3,),其中r1为基态半径,又称玻尔半径,其数值为r1=0.5310-10 m。,考点四原子核,一、天然放射现象1.天然放射现象:放射性元素自发地发出射线的现象。1)在1896年,由法国物理学家贝克勒尔发现。2)意义:使人们认识到原子核也有复杂的结构。2.放射性:物质发出射线的性质称为放射性。3.放射性元素:具有放射性的元素称为放射性元素。原子序数大于83的元素,都能自发地发出射线,原子序数小于或等于83的元素,有的也能发出射线。,4.三种射线的成分及特性,二、原子核的组成,1.原子核是由质子(符号为p或H)、中子(符号为n或
9、n)构成的,质子和中子统称为核子。,2.原子核的电荷数Z(核电荷数)=质子数=元素的原子序数。3.原子核的质量数A=核子数=质子数+中子数。4.同位素:具有相同质子数而中子数不同的原子核组成的元素,在元素周期表中处于同一位置,因而互称同位素。氢有三种同位素,分别叫氕、氘、氚,符号分别是HHH。,三、原子核的衰变1.定义:原子核自发地放出粒子或粒子,由于核电荷数变了,它在元素周期表中的位置就变了,变成另一种原子核。我们把这种变化称为原子核的衰变。2.衰变规律:电荷数守恒、质量数守恒。,3.衰变和衰变,射线经常是伴随射线和射线产生的。原子核发生衰变或衰变时,往往有核能释放,使产生的新核处于高能级,
10、这时它要向低能级跃迁,能量以光子的形式辐射出来。,四、半衰期1.定义:放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间,叫作这种元素的半衰期。半衰期是统计规律,适用于大量原子核。2.意义:表示衰变的快慢。3.决定因素:放射性元素衰变的快慢是由核内部自身的因素决定的,跟原子所处的化学状态和外部条件无关。,4.公式:N余=N原,m余=m原。,五、核反应1.定义:原子核在其他粒子的轰击下产生新原子核或者发生状态变化的过程,称为核反应。2.规律:在核反应中,质量数守恒、电荷数守恒。,3.三个重要核反应1)1919年卢瑟福发现质子的核反应N+OH。2)1932年卢瑟福的学生查德威克用实验证实了中子的存在,其核
11、反应方程为Be+Cn。3)1934年约里奥居里夫妇发现人工放射性同位素、发现正电子的核反应HeAlnPeSi。,六、结合能与比结合能1.结合能1)概念:孤立的核子结合成原子核时放出的能量,或原子核分解成孤立的核子时吸收的能量,都叫作原子核的结合能。2)理解结合能是针对由核子组成的原子核来说的,孤立核子如质子或中子无结合能。质量数越大的原子核结合能越大。,2.比结合能1)概念:原子核的结合能与核子数之比,叫作比结合能。2)理解比结合能的大小能够反映核的稳定程度,比结合能越大,原子核就越难拆开,表示该核就越稳定。核子数较小的轻核与核子数较大的重核,比结合能都比较小,中等大小的核比结合能较大,表示这
12、些原子核较稳定。当比结合能较小的原子核转化成比结合能较大的原子核时,就可释放核能。,3.质量亏损1)概念:原子核的质量小于组成它的核子的质量之和,这个现象叫作质量亏损。2)质能关系:E=mc2。3)核子平均质量:比结合能大的原子核,平均每个核子的质量亏损大,核子的平均质量就小,故核子的平均质量大小也能够反映原子核的稳定性,即核子的平均质量越小,原子核越稳定。核子平均质量随原子序数变化的定性关系图像如图所示。,拓展一原子跃迁、电离的理解,1.跃迁与电离,2.激发的方式,例1(多选)如图是氢原子的能级图,一群氢原子处于n=3能级,下列说法中正确的是(),A.这群氢原子跃迁时能够发出3种不同频率的光
13、B.这群氢原子发出的光子中,能量最大为10.2 eVC.从n=3能级跃迁到n=2能级时发出的光波长最长D.这群氢原子能够吸收任意光子的能量而向更高能级跃迁,解析根据=3知,这群氢原子能够发出3种不同频率的光,故A正确;由n=3跃迁到n=1,辐射的光子能量最大,E=(13.6-1.51)eV=12.09 eV,故B错误;从n=3跃迁到n=2辐射的光子能量最小,频率最小,则波长最长,故C正确;一群处于n=3能级的氢原子发生跃迁,吸收的能量必须等于两能级的能量差,故D错误。,答案AC,拓展二可控核聚变,1.热核反应和裂变反应相比较,具有许多优越性1)轻核聚变产能效率高。2)地球上聚变燃料的储量丰富每
14、升水中就含有0.03 g氘,地球上有138.6亿亿立方米的水,大约有40万亿吨氘。氚可以利用锂来制取,地球上锂储量有2 000亿吨。3)轻核聚变更为安全、清洁高温不能维持反应就能自动终止,聚变产生的氦是没有放射性的。废物主要是泄露的氚、高速中子、质子与其他物质反应生成的放射性物质。,2.实现核聚变的方法地球上没有任何容器能够经受几百万开尔文的高温,科学家设想了两种方案,即磁约束和惯性约束。1)磁约束:带电粒子运动时在匀强磁场中会由于洛伦兹力的作用而不飞散,因此有可能利用磁场来约束参加反应的物质。,2)惯性约束:由于聚变反应的时间非常短,聚变物质因自身的惯性还来不及扩散就完成了核反应。在惯性约束
15、下,可以用激光或X射线从各个方向照射参加反应的物质,使它们“挤”在一起发生反应。,例2中国可控核聚变装置“环流器二号M”于2020年在成都投入运行,装置原理图如图所示,使用HH和He为核燃料在该装置中进行热核聚变反应。核反应方程H+He+X+17.6 MeV。核反应方程HeHe+2Y+12.86 MeV。对比这两种核反应,下列说法正确的是(),A.核反应中质量亏损较大,强磁场不能对运动的X提供洛伦兹力进行约束B.核反应中质量亏损较小,强磁场可以对运动的X提供洛伦兹力进行约束C.核反应中质量亏损较大,强磁场可以对运动的Y提供洛伦兹力进行约束D.核反应中质量亏损较小,强磁场不能对运动的Y提供洛伦兹
16、力进行约束,解析根据爱因斯坦质能方程E=mc2可知核反应中质量亏损较大;根据电荷数和质量数守恒可知,核反应中产生的X是中子n,强磁场不能对不带电的中子产生力的作用;核反应中产生的Y是质子H,强磁场可以对带电的质子产生洛伦兹力而进行约束,故A正确,B、C、D错误。,答案A,拓展三核反应与核能的计算,1.核反应的四种类型,2.核能的计算方法1)根据E=mc2计算时,m的单位是“kg”,c的单位是“m/s”,E的单位是“J”。2)根据E=m931.5 MeV/u计算时,m的单位是“u”,E的单位是“MeV”。3)根据核子比结合能来计算核能原子核的结合能=核子比结合能核子数。,例3由中科院等离子体物理
17、研究所设计制造的EAST全超导非圆截面托卡马克实验装置试用已经成功,标志着我国站在了世界核聚变研究的前端。设可控热核反应前氘核H)的质量为m1,氚核H)的质量为m2,反应后氦核He)的质量为m3,中子n)的质量为m4,已知真空中的光速为c。下列说法中正确的是()A.核反应放出的能量为(m1+m2-m3-m4)c2B.上述核反应过程中,原子核的比结合能减小C.这种热核反应释放出氦核,是衰变D.这种装置的核反应原理与我国大亚湾核电站所使用核装置的原理相同,解析可控热核反应装置中发生的核反应方程式是HHHeH,核反应过程中存在质量亏损,因此m1+m2m3+m4,核反应过程中的质量亏损m=m1+m2-
18、m3-m4,释放的核能E=mc2=(m1+m2-m3-m4)c2,A项正确;因轻核聚变反应释放巨大核能,说明拆开的结合能小于组合的结合能,则生成物的比结合能增大,B项错误;这种热核反应是核聚变反应,而不是自发发生的衰变,C项错误;这种装置的核反应是核聚变,我国大亚湾核电站所使用核装置是核裂变,它们的核反应原理不相同,D项错误。,答案A,例4(2017课标,17,6分)大科学工程“人造太阳”主要是将氘核聚变反应释放的能量用来发电。氘核聚变反应方程是:HHn。已知H的质量为2.013 6 u,He的质量为3.015 0 un的质量为1.008 7 u,1 u=931 MeV/c2。氘核聚变反应中释放的核能约为()A.3.7 MeVB.3.3 MeVC.2.7 MeVD.0.93 MeV,解析聚变反应中的质量亏损为m=(22.013 6-3.015 0-1.008 7)u=0.003 5 u,则释放的核能为E=mc2=0.003 5931 MeV3.3 MeV,B正确。,答案B,
