第十四章近代物理初步章末總結(jié)【要點歸納】一、光電效應(yīng)及光電效應(yīng)方程1.有關(guān)光電效應(yīng)的問題主要有兩個方面，一是關(guān)于光電效應(yīng)現(xiàn)象中有關(guān)規(guī)律的判斷，二是應(yīng)用光電效應(yīng)方程進行簡單的計算．處理該類問題關(guān)鍵是掌握光電效應(yīng)的規(guī)律，明確各物理量之間的決定關(guān)系．2.光電效應(yīng)的規(guī)律是：①截止頻率ν0，是能使金屬發(fā)生光電效應(yīng)的最低頻率，這也是判斷能否發(fā)生光電效應(yīng)的依據(jù)．若ν<ν0，無論多強的光照射時，都不能發(fā)生光電效應(yīng)；②最大初動能Ek，與入射光的頻率和金屬的逸出功有關(guān)，與光強無關(guān)；③飽和光電流與光的強度有關(guān)，在入射光頻率不變的情況下，光強正比于單位時間內(nèi)照射到金屬表面單位面積上的光子數(shù)．3.光電子的最大初動能跟入射光的能量hν、金屬逸出功W0的關(guān)系為光電效應(yīng)方程，表達式為Ek＝hν－W0，反映了光電效應(yīng)現(xiàn)象中的能量轉(zhuǎn)化和守恒．二、波粒二象性1．大量光子產(chǎn)生的效果顯示出波動性，比如干涉、衍射現(xiàn)象中，如果用強光照射，在光屏上立刻出現(xiàn)了干涉、衍射條紋，波動性體現(xiàn)了出來；個別光子產(chǎn)生的效果顯示出粒子性．如果用微弱的光照射，在屏上就只能觀察到一些分布毫無規(guī)律的光點，粒子性充分體現(xiàn)；但是如果微弱的光在照射時間加長的情況下，在感光底片上的光點分布又會出現(xiàn)一定的規(guī)律性，傾向于干涉、衍射的分布規(guī)律．這些實驗為人們認識光的波粒二象性提供了良好的依據(jù)．2．光子和電子、質(zhì)子等實物粒子一樣，具有能量和動量．和其他物質(zhì)相互作用時，粒子性起主導(dǎo)作用．3．光子的能量與其對應(yīng)的頻率成正比，而頻率是波動性特征的物理量，因此ε＝hν揭示了光的粒子性和波動性之間的密切聯(lián)系．4．對不同頻率的光，頻率低、波長長的光，波動性特征顯著；而頻率高、波長短的光，粒子性特征顯著．5．光在傳播時體現(xiàn)出波動性，在與其他物質(zhì)相互作用時體現(xiàn)出粒子性．6．處理光的波粒二象性的關(guān)鍵是正確理解其二象性，搞清光波是一種概率波．三、原子的核式結(jié)構(gòu)1．電子的發(fā)現(xiàn)：英國物理學(xué)家湯姆孫發(fā)現(xiàn)了電子．2．α粒子散射實驗的結(jié)果：絕大多數(shù)α粒子穿過金箔后，基本上仍沿原來的方向前進，但少數(shù)α粒子發(fā)生了大角度偏轉(zhuǎn)，極少數(shù)α粒子甚至被撞了回來．3．三個原子模型的對比．原子模型實驗基礎(chǔ)原子結(jié)構(gòu)成功和局限“棗糕”模型電子的發(fā)現(xiàn)原子是一個球體，正電荷均勻分布在球內(nèi)，電子鑲嵌其中可解釋一些實驗現(xiàn)象，但無法說明α粒子散射實驗核式結(jié)構(gòu)模型盧瑟福的α粒子散射實驗原子的中心有—個很小的核，全部正電荷和幾乎全部質(zhì)量集中在核里，電子在核外運動成功解釋了α粒子散射實驗，無法解釋原子的穩(wěn)定性及原子光譜的分立特征玻爾的原子模型氫原子光譜的研究在核式結(jié)構(gòu)模型基礎(chǔ)上，引入量子觀念成功解釋了氫原子光譜及原子的穩(wěn)定性，不能解釋較復(fù)雜原子的光譜現(xiàn)象說明：認識原子結(jié)構(gòu)的線索：氣體放電的研究→陰極射線→發(fā)現(xiàn)電子→湯姆孫的“棗糕”模型eq\o(→,\s\up13(α粒子散射實驗))盧瑟福核式結(jié)構(gòu)模型eq\o(→,\s\up13(氫原子光譜的研究))玻爾模型四、氫原子的能級能級公式1．氫原子的能級和軌道半徑．氫原子的能級公式：En＝eq\f(1,n2)E1(n＝1，2，3，…)，其中E1為基態(tài)能量，E1＝－13.6eV.氫原子的半徑公式：rn＝n2r1(n＝1，2，3，…)，其中r1為基態(tài)半徑，又稱玻爾半徑，r1＝0.53×10－10m.2．氫原子的能級圖．(1)能級圖中的橫線表示氫原子可能的能量狀態(tài)——定態(tài)．(2)橫線左端的數(shù)字“1，2，3，…”表示量子數(shù)，右端的數(shù)字“－13.6，－3.4，…”表示氫原子的能級．(3)相鄰橫線間的距離，表示相鄰的能級差，量子數(shù)越大，相鄰的能級差越小．(4)帶箭頭的豎線表示原子由較高能級向較低能級躍遷，原子躍遷條件為：hν＝Em－En.注：原子躍遷條件hν＝Em－En只適用于光子和原子作用而使原子在各定態(tài)之間躍遷的情況．對于光子和原子作用而使原子電離時，只要入射光的能量E≥13.6eV，原子就能吸收．對于實物粒子與原子作用使原子激發(fā)時，粒子能量大于或等于能級差即可．原子躍遷發(fā)生的光譜線條數(shù)N＝Ceq\o\al(2,n)＝eq\f(n（n－1）,2)，是一群氫原子，而不是一個，因為某一個氫原子有固定的躍遷路徑．五、核反應(yīng)及其規(guī)律1．核反應(yīng)：原子核的變化叫做核反應(yīng)。2．規(guī)律：在各種核反應(yīng)中，存在著一些“守恒量”，這些“守恒量”為我們提供了解決核反應(yīng)中電荷、質(zhì)量、能量、動量變化問題的方法和依據(jù)。概括為：(1)五個守恒①質(zhì)量數(shù)守恒；②質(zhì)子數(shù)(電荷數(shù))守恒；③質(zhì)量守恒(“虧損質(zhì)量”與釋放的“核能”相當)；④能量守恒；⑤動量守恒。(2)兩個方程①質(zhì)能方程：E＝mc2，m指物體的質(zhì)量；②核能：ΔE＝Δmc2。(3)一個半衰期(T)①剩余核數(shù)：N＝N0(eq\f(1,2))eq\f(t,T)；②剩余質(zhì)量：m＝m0(eq\f(1,2))eq\f(t,T)。3．原子核衰變規(guī)律衰變類型α衰變β衰變衰變方程eq\o\al(A,Z)X→eq\o\al(A－4,Z－2)Y＋eq\o\al(4,2)Heeq\o\al(A,Z)X→eq\o\al(A,Z＋1)Y＋eq\o\al(0,－)1e衰變實質(zhì)2個質(zhì)子和2個中子結(jié)合成一個整體射出中子轉(zhuǎn)化為質(zhì)子和電子2eq\o\al(1,1)H＋2eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(4,2)Heeq\o\al(1,0)n→eq\o\al(1,1)H＋eq\o\al(0,－1)e衰變規(guī)律電荷數(shù)守恒、質(zhì)量數(shù)守恒4.核反應(yīng)的四種類型類型可控性核反應(yīng)方程典例衰變α衰變自發(fā)eq\o\al(238,92)U→eq\o\al(234,90)Th＋eq\o\al(4,2)Heβ衰變自發(fā)eq\o\al(234,90)Th→eq\o\al(234,91)Pa＋eq\o\al(0,－1)e人工轉(zhuǎn)變?nèi)斯た刂芿q\o\al(14,7)N＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(17,8)O＋eq\o\al(1,1)H(盧瑟福發(fā)現(xiàn)質(zhì)子)eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(9,4)Be→eq\o\al(12,6)C＋eq\o\al(1,0)n(查德威克發(fā)現(xiàn)中子)eq\o\al(37,13)Al＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(30,15)P＋eq\o\al(1,0)n(約里奧·居里夫婦發(fā)現(xiàn)放射性同位素，同時發(fā)現(xiàn)正電子)eq\o\al(30,15)P→eq\o\al(30,14)Si＋eq\o\al(0,1)e重核裂變比較容易進行人工控制eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(144,56)Ba＋eq\o\al(89,36)Kr＋3eq\o\al(1,0)neq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(136,54)Xe＋eq\o\al(90,38)Sr＋10eq\o\al(1,0)n輕核聚變除氫彈外無法控制eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)n六、核能及其計算1．核能的兩種類型在核反應(yīng)過程中，由于核力對核子做功，會引起“核反應(yīng)系統(tǒng)”(以下簡稱“系統(tǒng)”)的能量變化。我們則把系統(tǒng)釋放或吸收的這部分能量，叫做核能．核反應(yīng)即可分為質(zhì)量虧損、釋放能量和質(zhì)量增加、吸收能量兩大類型。其中，又以研究發(fā)生質(zhì)量虧損、釋放能量的一類核反應(yīng)為主。2．核能的計算方法(1)根據(jù)質(zhì)能方程，ΔE＝Δmc2是計算釋放核能多少的主要方法，其關(guān)鍵是質(zhì)量虧損Δm的確定。如果Δm單位為kg，則ΔE＝Δmc2如果Δm單位為u，則ΔE＝Δm×931.5MeV(2)如果在核反應(yīng)中無光子輻射，核反應(yīng)釋放的核能全部轉(zhuǎn)化為新核的動能和新粒子的動能．在這種情況下計算核能的主要依據(jù)是：①核反應(yīng)過程中只有內(nèi)力作用，故動量守恒。②反應(yīng)前后總能量守恒。常見的反應(yīng)類型的能量計算：反應(yīng)前總動能＋反應(yīng)過程中釋放的核能＝反應(yīng)后總動能。【考點整合】【考點一】對光電效應(yīng)的理解和應(yīng)用【典型例題1】用如圖所示的光電管研究光電效應(yīng)的實驗中，用某種頻率的單色光a照射光電管陰極K，電流計G的指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)．而用另一頻率的單色光b照射光電管陰極K時，電流計G的指針不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，那么()A．a(chǎn)光的頻率一定小于b光的頻率B．只增加a光的強度可使通過電流計G的電流增大C．增加b光的強度可能使電流計G的指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)D．用a光照射光電管陰極K時通過電流計G的電流是由d到c【解析】由于用單色光a照射光電管陰極K，電流計G的指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)，說明發(fā)生了光電效應(yīng)，而用另一頻率的單色光b照射光電管陰極K時，電流計G的指針不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，說明b光不能發(fā)生光電效應(yīng)，即a光的頻率一定大于b光的頻率；增加a光的強度可使單位時間內(nèi)逸出光電子的數(shù)量增加，則通過電流計G的電流增大，因為b光不能發(fā)生光電效應(yīng)，所以即使增加b光的強度也不可能使電流計G的指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)；用a光照射光電管陰極K時，通過電流計G的電子的方向是由d到c所以電流方向是由c到d，選項B正確．【答案】B【考點二】氫原子能級躍遷問題【典型例題2】(2022?北京市海淀區(qū)高三(下)一模)如圖所示為氦離子的能級圖，根據(jù)玻爾原子理論，關(guān)于氦離子能級躍遷，下列說法正確的是()A．大量處于能級的氦離子，最多可輻射2種不同頻率的光子B．從向能級躍遷，需吸收能量C．處于能級的氦離子，可以吸收的能量而發(fā)生電離D．從躍遷到能級比從躍遷到能級輻射出的光子頻率低【解析】A．大量處于能級的氦離子，最多可輻射種不同頻率的光子，故A錯誤；B．因為從向能級躍遷，是從高能級向低能級躍遷，要釋放能量，故B錯誤；C．由圖可知，處于能級的氦離子要發(fā)生電離，需要吸收的能量應(yīng)滿足，故C錯誤；D．因為從躍遷到能級輻射的光子能量為，而從躍遷到能級輻射的光子能量為，即從躍遷到能級比從躍遷到能級輻射出的光子的能量小，又因為，所以從躍遷到能級比從躍遷到能級輻射出的光子頻率低，故D正確。故選D。【答案】D【考點三】核能的計算【典型例題3】(2022?安徽合肥市高三(下)二模)2021年12月30日，在中科院合肥等離子體物理研究所內(nèi)，有“人造太陽”之稱的全超導(dǎo)托卡馬克實驗裝置(EAST)實現(xiàn)了1056秒的長脈沖高參數(shù)等離子體運行，這是目前世界上該裝置高溫等離子體運行的最長時間。該裝置內(nèi)發(fā)生的核反應(yīng)方程為，已知氘核()的質(zhì)量為2.0136u，X的質(zhì)量為1.008