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1、第十六讲 近代物理对这部知识的复习建议:量子论初步原子核相对论经典物理与近代物理 这部知识的特点:识记性的、定性的概念多,定量的计算少,但繁。多看教材,看图说话,该记的记住知道总比不知道好!知识结构光电效应光子说光 具 有波 粒 二象性粒子性原子的核式结构粒 子散射原子核的人工转变、三种射线原子核的衰变原子核的组成天然放射现象原子核量子论初步玻 尔 原 子模型 能级光的波动性物质波核能质能联系方程 E=mc2质量亏损轻核聚变重核裂变第二十一章 量子论初步一、光电效应1.现象:现象:在光的照射下从物体表在光的照射下从物体表面面发发射出射出电电子的子的现现象象 例例1.实验中,在弧光灯与锌板间加入
2、一块厚的透明实验中,在弧光灯与锌板间加入一块厚的透明玻璃板时,发现验电器指针不会发生偏转,则根据所学玻璃板时,发现验电器指针不会发生偏转,则根据所学知识,你对于该实验能作出的推断是(知识,你对于该实验能作出的推断是()A用可见光照射锌板,验电器指针会发生偏转用可见光照射锌板,验电器指针会发生偏转 B用弧光灯照射锌板时,使锌板产生光电效应的用弧光灯照射锌板时,使锌板产生光电效应的是其中的紫外线成份是其中的紫外线成份 C厚的透明玻璃板能吸收紫外线厚的透明玻璃板能吸收紫外线 D使验电器指针发生偏转的是正电荷使验电器指针发生偏转的是正电荷2.光电效应的规律:任何一种金属都有一个极限频率0;光电子的最大
3、初动能只随入射光的频率的增大而增大;光电子的发射几乎是瞬时的,一般不超过10-9s;当0时,光电流的强度与入射光的强度成正比(实验研究表明)3光子说 光电效应方程爱因斯坦于爱因斯坦于1905年提出,在空间传播的光年提出,在空间传播的光不是连续的,而是一份一份的,每一份叫不是连续的,而是一份一份的,每一份叫做一个光子,光子的能量跟它的频率成正做一个光子,光子的能量跟它的频率成正比,比,h叫普朗克恒量叫普朗克恒量 光电效应方程:光电效应方程:式中光电子的最大初动能光电子的最大初动能 表示某种金属逸出功表示某种金属逸出功 0例 如图21-4所示,当开关S断开时,用光子能量为的一束光照射阴极K,发现电
4、流表读数不为零,合上开关,调节滑动变阻器,发现当电压表读数小于时,电流表读数仍不为零;当电压表读数大于或等于时,电流表读数为零由此可知阴极材料的逸出功为()(A)1.9eV (B)0.6 eV (C)2.5 eV (D)3.1 eVSEVA二、光的波粒二象性 物质波1光的波粒二象性干涉干涉干涉干涉衍射衍射衍射衍射现象现象现象现象 波动性波动性 光的光的光的光的康普顿效应康普顿效应 光电效应光电效应光压光压粒子性粒子性光具有波光具有波粒二象性粒二象性个别光子的行为表现出粒子性个别光子的行为表现出粒子性 大量光子的行为表现出波动性大量光子的行为表现出波动性康普顿效应:康普顿效应:碰撞前碰撞前碰撞后
5、碰撞后电子电子A.=.83 都有放射性都有放射性 Z83有的也具有放射性有的也具有放射性Aa为为射线、射线、b为为射线射线Ba为为射线、射线、b为为射线射线Cb为为射线、射线、c为为射线射线Db为为射线、射线、c为为射线射线种种种种类类类类组组组组成成成成粒子粒子粒子粒子衰衰衰衰变变变变方程方程方程方程出射出射出射出射速度速度速度速度贯贯贯贯穿穿穿穿本本本本领领领领电电电电离离离离能力能力能力能力 射射射射线线线线氦核氦核氦核氦核约约约约c c/10/10弱弱弱弱很很很很强强强强射射射射线线线线电电电电子子子子接近接近接近接近c c较较较较强强强强较较较较弱弱弱弱射射射射线线线线光子光子光子光
6、子伴随伴随伴随伴随 或或或或射射射射线线线线产产产产生生生生c c最最最最强强强强很小很小很小很小三种不同射线性质的比较:原子核由于放出原子核由于放出粒子或粒子或粒子而粒子而转变为新核的变化叫做原子核的衰变转变为新核的变化叫做原子核的衰变电荷数电荷数质量数质量数守恒守恒2原子核衰变原子核衰变 的半衰期的半衰期 某种放射性元素的原子核有半数发生衰某种放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间,称为这种元素的半衰期变所需的时间,称为这种元素的半衰期衰变规律可用如下公式表示:衰变规律可用如下公式表示:或或 半衰期是一个对放射性元素的大量原子核而半衰期是一个对放射性元素的大量原子核而言的统计概念言的统
7、计概念 半衰期的长短由核内部的因素决定半衰期的长短由核内部的因素决定,跟原跟原子所处的物理或化学状态无关子所处的物理或化学状态无关3放射性的应用与防护放射性的应用与防护应用:应用:(1)利用它放射出的射线,)利用它放射出的射线,如如射线探伤等射线探伤等(2)做为示踪原子,如确定)做为示踪原子,如确定肿瘤的部位和范围肿瘤的部位和范围过量的放射性对人体有伤害,过量的放射性对人体有伤害,应把放射源放在重金属箱内,应把放射源放在重金属箱内,尽可能远离放射源尽可能远离放射源防护:防护:放射性物质的放射性物质的国际通用标志国际通用标志三、核反应三、核反应 核能核能1核反应核反应原子核在其他粒子的轰击下产生
8、新原子核原子核在其他粒子的轰击下产生新原子核的过程,称为核反应的过程,称为核反应质量数和核电荷数守恒质量数和核电荷数守恒发现中子发现中子发现质子发现质子2核能核能 核反应中放出的能量称为核能核反应中放出的能量称为核能.如如 光子能量光子能量质量亏损质量亏损 质能方程质能方程 Emc2 Emc2 释放核能释放核能 释放核能的有效途径?释放核能的有效途径?重核裂变重核裂变 轻核聚变轻核聚变0ZA核子平均质量核子平均质量BCFED重核裂变重核裂变轻核聚变轻核聚变经典物理经典物理与近代物理与近代物理 物理学研究的对象:物理学研究的对象:思思维维方方法法物质物质基本结构基本结构相互作用相互作用运动规律运
9、动规律实实验验手手段段高中物理课程高中物理课程 近代物理初步近代物理初步 力学力学 热学热学 电磁学电磁学 光学光学经典物理经典物理19世纪以前世纪以前 宏观宏观低速低速 相对论量子论量子论 原子核原子核19世纪末世纪末20世纪初世纪初微观微观高速高速 理论和实践表明:理论和实践表明:但守恒定律仍然适用,如动量守恒、能但守恒定律仍然适用,如动量守恒、能量守恒、电荷守恒等量守恒、电荷守恒等在高中物理中,作为一些特例,在经典理论在高中物理中,作为一些特例,在经典理论中的一些物理模型在微观领域仍(近似)有中的一些物理模型在微观领域仍(近似)有效如效如粒子散射实验、原子核衰变等。实际粒子散射实验、原子
10、核衰变等。实际就是讨论带电粒子在电磁场中的运动。就是讨论带电粒子在电磁场中的运动。经典物理理论在微观领域不适用经典物理理论在微观领域不适用例例4、一个铀核衰变为钍核时释放出一个、一个铀核衰变为钍核时释放出一个粒子已知铀核的质量为粒子已知铀核的质量为3.85313110-25千克,千克,钍核的质量为钍核的质量为3.78656710-25千克,千克,粒子的质粒子的质量为量为6.6467210-27千克千克(1)在这个衰变过程中释放出的能量等于多)在这个衰变过程中释放出的能量等于多少焦?少焦?(保留两位数字保留两位数字)(2)设上述衰变是在一边界为圆形的半径)设上述衰变是在一边界为圆形的半径R的匀强
11、磁场中发生的,且衰变前铀核静止于圆的匀强磁场中发生的,且衰变前铀核静止于圆心,衰变过程中释放出的能量都转化为动能心,衰变过程中释放出的能量都转化为动能欲使衰变产物钍核和欲使衰变产物钍核和粒子均不飞出磁场,则粒子均不飞出磁场,则该磁场的磁感强度该磁场的磁感强度B至少多大?至少多大?解:解:(1)设钍核质量为设钍核质量为M,粒子的质量为粒子的质量为m,由动量守恒和能量守恒得由动量守恒和能量守恒得 vVTrR题题后后评说评说通常通常发发生生衰衰变时还变时还伴随着放出伴随着放出光子光子,这,这样衰变发生时样衰变发生时粒子与反冲核的动量粒子与反冲核的动量大小相等,方向相反就不成立,衰变大小相等,方向相反
12、就不成立,衰变时由于质量亏损而释放的核能也不仅时由于质量亏损而释放的核能也不仅是转化为是转化为粒子与反冲核的动能,因粒子与反冲核的动能,因为光子也具有能量和动量因此上述为光子也具有能量和动量因此上述计算只是近似的简化处理计算只是近似的简化处理题后评说:题后评说:例6、两氘核发生聚变反应:已知:mD,mHe,mn(1)求核反应中释放的核能(2)若两氘核以相等的动能进行对心碰撞,假设核能全部转化为粒子的动能,求反应中产生的中子和氦核的动能(3)假设反应中产生的氦核沿直线向原子来静止的碳核 接近,受库仑力的影响,当它们距离最近时,两个原子核的动能各是多少?质量1u对应的能量为解:氘核氘核p p+氦核
13、中子+碳核+设最接设最接近时共近时共同速度同速度为为V+碳核氦核中子+例5、太阳现正处于主序星演化阶段它主要是由电子和、等原子核组成.维持太阳辐射的是它内部的核聚变反应,核反应方程是 释放的核能,这些核能最后转化为辐射能根据目前关于恒星演化的理论,若由于聚变反应而使太阳中的 核数目从现有数减少10,太阳将离开主序星阶段而转入红巨星的演化阶段为了简化,假定目前太阳全部由电子和 核组成,太阳的质量M21030 kg (1)已知质子质量mp1.67261027 kg,质量m6.64581027 kg,电子质量 me0.91030 kg,光速c3108 m/s求每发生一次题中所述的核聚变反应所释放的核能(2)又知地球上与太阳垂直的每平方米截面上,每秒通过的太阳辐射能w1.35103 W/m2,日地中心的距离r1.51011 m试估算太阳继续保持在主序星阶段还有多少年的寿命(估算结果只要求一位有效数字)解:日rE=4.210-12t=3.217s
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