1、目录第四章 原子结构和波粒二象性54.1普朗克黑体辐射理论51.黑体与黑体辐射52.黑体辐射的实验规律53.能量子64.2光电效应6一光电效应现象6二. 光电效应的典型规律7三经典电磁理论解释光电效应到的困难7四爱因斯坦光电效应方程8五、康普顿效应和光子的动量111光的散射112康普顿效应11六光的波粒二象性124.3原子的核式结构模型15原子物理发展简史15一、电子发现16二、原子的核式结构模型17三原子核的电荷与尺度194.4氢原子光谱和波尔的原子模型（电子在原子核周围怎样运动）20一、光谱20二、氢原子光谱的实验规律21三、经典理论解释原子问题的困难21四、玻尔原子理论的基本假设22五、
2、波尔理论对氢光谱的解释22六、玻尔模型的意义与局限性244.5粒子的波动性和量子力学的建立25一、粒子的波动性25二、物质波的实验验证电子束的衍射：26三、结论：物质波是概率波27第五章 原子核29一、天然放射现象30二、射线本质305.1放射性元素的衰变33一、原子核的衰变331. 衰变：332.衰变、衰变的比较333.确定衰变次数的方法344.射线的探测34二半衰期36三、核反应37四、放射性同位素及其应用375.3核力与结合能39一、核力与四种基本相互作用40二、结合能41三核能的计算方法431.基本方法：432.衰变过程中核能的计算445.4核裂变与核聚变45核反应45一、核裂变的发现
3、45二、重核裂变46三、核裂变的应用：47四、核聚变48五聚变与裂变的区别49六、核反应的四种类型505.5“基本”粒子501“基本粒子”不基本502.发现新粒子513粒子的分类514夸克模型52&波粒二象性原&子结构原子核&波粒二象性&光的波动性&光是一种概率波&物质波：=hp&光的粒子性&光电效应的实验规律&爱因斯坦光电效应方程：E=h-W0&康普顿效应&光子的动量：p=h&能量量子化：能量子=h&原子结构&原子核式结构模型&粒子散射实验&原子的核式结构&原子核的电荷和尺度&玻尔原子模型&基本假设&能级&En=1n2E1&能级图&氢原子光谱&光谱&连续谱&线状谱&实验规律&原子核&天然放射
4、现象&三种射线&半衰期&原子核的组成&组成&质子&中字&半衰期&核反应&衰变&人工转变&裂变&聚变&核力和结合能第四章 原子结构和波粒二象性4.1普朗克黑体辐射理论1.黑体与黑体辐射（1）定义：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（blackbody），黑体虽然不反射电磁波，却可以向外辐射电磁波，这样的辐射叫作黑体辐射（blackbody radiation）。 注：什么样的物体可看成黑体a) 黑体是一个理想化的物理模型b) 如图所示，如果在一个空腔壁上开一个很小的孔，那么射入小孔的电磁波在空腔内表面会发生多次反射和吸收，最终不能从空腔射出
5、这个小孔近似看成一个绝对黑体 c.黑体看上去不一定是黑的，有些可看做黑体的物体由于自身有较强的辐射，看起来还会很明亮，如炼钢炉口上的小孔一些发光体（如太阳、白炽灯丝）也被当作黑体来处理2.黑体辐射的实验规律a) 热辐射：周围的一切物体都在辐射电磁波，这种辐射与物体的温度有关，所以叫热辐射.b) 特点： 对于一般材料的物体，辐射电磁波的情况除与温度有关外，还与材料的种类及表面状况有关. 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.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，如图1.图1历史：在1896 年维恩公式在短波区与实验非常接
6、近，在长波区则与实验偏离较大；1900 年瑞利公式在长波区与实验基本一致，但在短波区与实验严重不符。1900 年10 月，普朗克找到了一个数学公式，它与实验吻合得非常完美。3.能量子(1)定义：普朗克认为，当带电微粒辐射或吸收能量时，以最小能量值为单位一份一份地辐射或吸收，这个不可再分的最小能量值叫做能量子.(2)能量子大小：h，其中是带电微粒的振动频率，也就是带电微粒吸收或辐射电磁波的频率，h被称为普朗克常量.h6.6261034 Js(一般取h6.631034 Js).(3)发光功率与单个光子能量的关系：发光功率Pn，其中n为单位时间发出的光子数目，为单个光子的能量.4.2光电效应一光电效
7、应现象1.历史： 19世纪末赫兹用实验验证了麦克斯韦的电磁场理论，明确了光的电磁波说赫兹也是最早发现了光电效应现象德国物理学家勒纳德、英国物理学家J. J. 汤姆孙等相继进行了实验研究，证实了这个现象。如图所示：用弧光灯（紫外线灯）照射锌板，与锌板相连的验电器就带正电，这说明锌板在光的照射下发射了电子2.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（photoelectric effect），这种电子常称为光电子。二. 光电效应的典型规律1. 存在截止频率 当入射光的频率减小到某一数值vc 时，光电流消失，这表明已经没有光电子了。vc称为截止频率（cutoff f
8、requency）或极限频率。这就是说，当入射光的频率低于截止频率时不发生光电效应。实验表明，不同金属的截止频率不同。换句话说，截止频率与金属自身的性质有关。2. 存在饱和电流 在光照条件不变的情况下，随着所加电压的增大，光电流趋于一个饱和值。也就是说，在电流较小时电流随着电压的增大而增大；但当电流增大到一定值之后，即使电压再增大，电流也不会再进一步增大了（图4.2-2）。这说明，在一定的光照条件下，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。实验表明，在光的频率不变的情况下，入射光越强，饱和电流越大。这说明，对
9、于一定频率（颜色）的光，入射光越强，单位时间内发射的光电子数越多。3. 存在截止电压 如果施加反向电压，也就是阴极接电源正极、阳极接电源负极，在光电管两极间形成使电子减速的电场，电流有可能为0。使光电流减小到0的反向电压Uc称为截止电压。截止电压的存在意味着光电子具有一定的初速度，初速度的上限vc 应该满足以下关系mevc2 eUc12进一步的实验表明，同一种金属对于一定频率的光，无论光的强弱如何，截止电压都是一样的。光的频率v 改变时，截止电压Uc也会改变（图4.2-2）。这意味着，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. 光电效应具有瞬时性 当频率超过截
10、止频率vc 时，无论入射光怎样微弱，照到金属时会立即产生光电流。精确测量表明产生电流的时间很快，即光电效应几乎是瞬时发生的。三经典电磁理论解释光电效应到的困难逸出功（work function）：明金属表面层内存在一种力，阻碍电子的逃逸。电子要从金属中挣脱出来，必须获得一些能量，以克服这种阻碍。要使电子脱离某种金属，需要外界对它做功，做功的最小值叫作这种金属的逸出功（work function），（1）波动理论认为：光的能量是由光的强度决定的，而光的强度又是由光波的振幅所决定的，跟频率无关（2）电磁理论解释光电效应的三个困难：波动理论光电效应实验结果困难1按照光的波动理论，不论入射光的频率是多
11、少，只要光强足够大，总可以使电子获得足够的能量从而发生光电效应如果光的频率小于金属的极限频率，无论光强多大，都不会发生光电效应困难2光强越大，电子可获得更多的能量，光电子的最大初动能也应该越大，遏止电压也越大即出射电子的动能应该由人射光的能量即光强来决定遏止电压与光强无关，与频率有关困难3光强大时，电子能量积累的时间就短，光强小时，能量积累的时间就长当入射光照射到光电管的阴极时，无论光强怎样微弱，几乎在一开始就产生了光电子四爱因斯坦光电效应方程爱因斯坦是在普朗克量子假说的基础上作出的。他表示，普朗克关于黑体辐射问题的崭新观点还不够彻底，仅仅认为振动着的带电微粒的能量不连续是不够的。为了解释光电
12、效应，必须假定电磁波本身的能量也是不连续的，即认为光本身就是由一个个不可分割的能量子组成的1. 光子说：光由一个个不可分割的能量子组成，频率为的光的能量子为h，即光子，其中h普朗克常量。2. 爱因斯坦光电效应方程：Ek=hW0其中Ek为光电子的最大初动能，Ek=eUc=mev2，h为入射光子的能量，W0为金属的逸出功3. 爱因斯坦光电效应方程对光电效应的解释 光电子的最大初动能Ek与入射光的频率有关，而与光的强弱无关。只有当hW0时，才有光电子逸出，截止频率c=注1 每种金属都有一个极限频率，入射光的频率不低于这个极限频率才能使金属产生光电效应。注2 金属越活跃，逸出功越小，越容易发生光电效应
13、。注3 光电子的初动能介于0Ekm之间。 这个方程还表明，光电子的最大初动能Ek与入射光的频率v有关，而与光的强弱无关。这就解释了截止电压和光强无关 电子一次性吸收光子的全部能量，不需要积累能量的时间，所以光电流几乎在瞬间产生。 对于频率相同的光，光较强时，包含的光子数较多，照射金属时产生的光电子较多，因而饱和光电流较大。注 光照强度决定着每秒钟光源发射的光子数，频率决定着每个光子的能量。4 决定关系：能否发生光电效应取决于入射光频率 Ek=hW0最大初动能由入射光频率决定（逸出功确定时） Ek=hW0截止电压/遏制电压由入射光频率（逸出功确定时） eUc= Ek=hW0截止频率由金属自身决定
14、： Ek=0时，0=hW0，截止=W0/h电流正向电压和光强饱和电流光强注1 光电子的本质是电子，而不是光子。5、四类图象图象名称图线形状由图线直接(间接)得到的物理量最大初动能Ek与入射光频率的关系图线Ek=hW0=hhc极限频率：图线与轴交点的横坐标c逸出功：图线与Ek轴交点的纵坐标的值W0|E|E普朗克常量：图线的斜率kh颜色相同、强度不同的光，光电流与电压的关系遏止电压Uc：图线与横轴的交点饱和光电流Im：电流的最大值最大初动能：EkmeUc频率相同的入射光，遏止电压相同；饱和光电流与光照强度成正比。颜色不同时，光电流与电压的关系遏止电压Uc1、Uc2饱和光电流最大初动能Ek1eUc1
15、，Ek2eUc2不同频率的入射光，遏止电压不同；入射光频率越大，遏止电压越大。遏止电压Uc与入射光频率的关系图线Uc=截止频率c：图线与横轴的交点遏止电压Uc：随入射光频率的增大而增大普朗克常量h：等于图线的斜率与电子电量的乘积，即hke.(注：此时两极之间接反向电压)纵轴截距的绝对值与电子电荷量的乘积等于逸出功。6 光的频率与光强的区别五、康普顿效应和光子的动量1光的散射光在介质中与物质微粒相互作用，因而传播方向发生改变，这种现象叫做光的散射2康普顿效应 （1）康普顿效应：美国物理学家康普顿在研究射线通过金属、石墨等物质的散射时，发现在散射的射线中，除了有与入射波长相同的成分外，还有波长大于
16、的成分人们把这种波长变长的现象叫做康普顿效应 （2）经典电磁理论的困难：按照经典物理学的理论，入射的电磁波引起物质内部带电微粒的受迫振动，振动着的带电微粒进而再次产生电磁波，并向四周辐射，这就是散射波。散射的X射线频率应该等于带电粒子受迫振动的频率，也就是入射X射线的频率。相应地，X射线的波长也不会在散射中发生变化。因此，康普顿效应无法用经典物理学解释。 （3）爱因斯坦的光子说：光子不仅具有能量，而且光子具有动量（4）康普顿用光子说成功解释了康普顿效应：他认为散射后射线波长改变，是射线光子和物质中电子碰撞的结果当入射的光子与晶体中的电子碰撞时，要把一部分动量转移给电子，因而，光子动量可能会变小
17、（图4.2-6）。从（2）式看，动量p减小，意味着波长 变大，因此，这些光子散射后波长变大。 （5）康普顿效应进一步揭示了光的粒子性，也再次证明了爱因斯坦光子说的正确性六光的波粒二象性a.光的波粒二象性(1)光的干涉、衍射、偏振现象证明光具有波动性。(2)光电效应、康普顿效应说明光具有粒子性。(3)光既具有波动性，又具有粒子性，称为光的波粒二象性。能统一描述光的波动性和粒子性的理论量子电动力学。b物质波(1)概率波：光的干涉现象是大量光子的运动遵守波动规律的表现，亮条纹是光子到达概率大的地方，暗条纹是光子到达概率小的地方，因此光波又叫概率波。(2)物质波（德布罗意波）：任何一个运动着的物体，小
18、到微观粒子，大到宏观物体，都有一种波与它对应，其波长，p为运动物体的动量，h为普朗克常量。从数量上看个别光子的作用效果往往表现为粒子性；大量光子的作用效果往往表现为波动性从频率上看频率越低波动性越显著，越容易看到光的干涉和衍射现象；频率越高粒子性越显著，越不容易看到光的干涉和衍射现象，贯穿本领越强从传播与作用上看光在传播过程中往往表现出波动性；在与物质发生作用时往往表现出粒子性波动性与粒子性的统一由光子的能量h、光子的动量表达式p也可以看出，光的波动性和粒子性并不矛盾，表示粒子性的能量和动量的计算式中都含有表示波的特征的物理量频率和波长光本性学说的发展简史学说名称微粒说波动说电磁说光子说波粒二
19、象性代表人物牛顿惠更斯麦克斯韦爱因斯坦公认实验依据光的直进光的反射光的干涉衍射能在真空中传播，是横波，光速等于电磁波速光电效应康普顿效应光既有波动现象，又有粒子特征内容要点光是一群弹性粒子光是一种机械波光是一种电磁波光是由一份一份光子组成的光是具有电磁本性的物质，既有波动性又有粒子性4.3原子的核式结构模型原子物理发展简史一、电子发现 1阴极射线1858年德国物理学家普里克发现了阴极射线 产生：在研究气体导电的玻璃管内有阴、阳两极当两极间加一定电压时，阴极便发出一种射线，这种射线为阴极射线阴极射线的特点：碰到荧光物质能使其发光2汤姆孙发现电子从1890年起英国物理学家汤姆孙开始了对阴极射线的一
20、系列实验研究a) 产生阴极射线的机理是：管中残存气体分子中的正负电荷在强电场的作用下被“拉开”（即气体分子被电离），正电荷（即正离子）在电场加速下撞击阴极，于是阴极释放更多粒子流，形成了阴极射线。b) 1897年，J. J.汤姆孙根据阴极射线在电场和磁场中的偏转情况断定，它的本质是带负电的粒子流，并求出了这种粒子的比荷（带电粒子的电荷量与其质量之比，即）。他进一步发现，用不同材料的阴极做实验，所得比荷的数值都是相同的。这说明不同物质都能发射这种带电粒子，它是构成各种物质的共有成分，被称为电子。c) 1897年汤姆孙发现了电子（阴极射线是高速电子流）电子的电量，电子的质量，电子的比荷 电子的质量
21、约为氢原子质量的3密立根实验美国物理学家密立根在1910年通过著名的“油滴实验”简练精确地测定了电子的电量 密立根实验更重要的发现是：电荷是量子化的，即任何电荷只能是元电荷的整数倍 5电子发现的意义以前人们认为物质由分子组成，分子由原子组成，原子是不可再分的最小微粒现在人们发现了各种物质里都有电子，而且电子的质量比最轻的氢原子质量小得多，这说明电子是原子的组成部分电子是带负电，而原子是电中性的，可见原子内还有带正电的物质，这些带正电的物质和带负电的电子如何构成原子呢？电子的发现大大激发了人们研究原子内部结构的热情，拉开了人们研究原子结构的序幕619世纪末物理学的三大发现对阴极射线的研究，引发了
22、19世纪末物理学的三大发现：（1）1895年伦琴发现了射线；（2）1896年贝克勒尔发现了天然放射性；（3）1897年汤姆孙发现了电子二、原子的核式结构模型 1汤姆孙的原子模型 “枣糕模型”“葡萄干布丁模型”“西瓜模型” 汤姆孙的原子模型是在发现电子的基础上建立起来的，汤姆孙认为，原子是一个球体，正电荷均匀分布在球内，电子像枣糕里的枣子一样，镶嵌在原子里面，所以汤姆孙的原子模型也叫枣糕式原子结构模型【注意】汤姆孙的原子结构模型虽然能解释一些实验事实，但这一模型很快就被新的实验事实仅粒子散射实验所否定2. 这个模型能够解释一些实验现象。但德国物理学家勒纳德1903 年做了一个实验，使电子束射到金
23、属膜上，发现较高速度的电子很容易穿透原子。这说明原子不是一个实心球体，这个模型可能不正确。3粒子散射实验 19091911年卢瑟福和他的助手做粒子轰击金箔的实验，获得了重要的发现 （1）实验装置（如图所示）由放射源、金箔、荧光屏等组成有库仑力的作用，一些 粒子的运动方向改变，也就是发生了 粒子的散射。统计散射到各个方向的 粒子所占的比例，可以推知原子中电荷的分布情况。 特别提示：整个实验过程在真空中进行 金箔很薄，粒子（核）很容易穿过 （2）实验现象与结果绝大多数粒子穿过金箔后基本上仍沿原来的方向前进，但是有少数粒子发生了较大角度的偏转，极少数粒子偏转角超过仅粒子散射实验令卢瑟福万分惊奇按照汤
24、姆孙的原子结构模型：带正电的物质均匀分布，带负电的电子质量比粒子的质量小得多粒子碰到电子就像子弹碰到一粒尘埃一样，其运动方向不会发生什么改变但实验结果出现了像一枚炮弹碰到一层薄薄的卫生纸被反弹回来这一不可思议的现象卢瑟福通过分析，否定了汤姆孙的原子结构模型，提出了核式结构模型4原子的核式结构卢瑟福依据粒子散射实验的结果，提出了原子的核式结构：在原子中心有一个很小的核，叫原子核，原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在核里，带负电的电子在核外空间绕核旋转三原子核的电荷与尺度 由不同原子对粒子散射的实验数据可以确定各种元素原子核的电荷又由于原子是电中性的，可以推算出原子内含有的电子数结果发现各种元素
25、的原子核的电荷数，即原子内的电子数非常接近于它们的原子序数，这说明元素周期表中的各种元素是按原子中的电子数来排列的 原子核的半径无法直接测量，一般通过其他粒子与核的相互作用来确定，粒子散射是估算核半径最简单的方法对于一般的原子核半径数量级为，整个原子半径的数量级是，两者相差十万倍之多，可见原子内部是十分“空旷”的 7原子结构的探索历史 （1）发现原子核式结构的过程实验和发现说明了什么电子的发现说明原子有复杂结构粒子散射实验说明汤姆孙（枣糕式）原子模型不符合实际，卢瑟福重新建立原子的核式结构模型 （2）原子的核式结构与原子的枣糕式结构的根本区别核式结构枣糕式结构原子内部是非常空旷的，正电荷集中在
26、一个很小的核里原子是充满了正电荷的球体电子绕核高速旋转电子均匀嵌在原子球体内4.4氢原子光谱和波尔的原子模型（电子在原子核周围怎样运动）一、光谱1光谱用光栅或棱镜可以把光按波长展开，获得光的波长（频率）和强度分布的记录，即光谱。2光谱分类（1）有些光谱是一条条的亮线（谱线），这样的光谱叫做线状谱。气体中中性原子的发光光谱都是线状谱，说明原子只发出几种特定频率的光。（2）有的光谱是连在一起的光带，这样的光谱叫做连续谱。3光谱分析（1）特征谱线：各种原子的发射光谱都是线状谱，原子只能发出几种特定频率的光。不同原子的亮线位置不同，说明不同院子的发光频率不一样，这些亮线被称为原子的特征谱线。（2）明线
27、光谱，又叫发射光谱。物质（原子）发光，特征谱线为亮线。（3）暗线光谱，又叫吸收光谱。物质（原子）吸收白光，特征谱线为暗线。（4）光谱分析：每种原子都有自己的特征谱线，用特征谱线可以鉴别物质和确定物质的组成成分。它的优点是灵敏度高，样本中一种元素的含量达到10-13 kg 时就可以被检测到。二、氢原子光谱的实验规律11885年，巴耳末（J.J.Balmer）分析氢原子光谱在可见光区的四条谱线，写出了表示谱线波长关系的巴耳末公式：=R()，n=3，4，5，其中R为里德伯常量，R=1.10107 m1，式中的n 只能取整数。3由巴耳末公式确定的一组谱线称为巴耳末系。氢光谱在红外和紫外光区的其他谱线的
28、波长也满足与巴耳末公式类似的关系式。三、经典理论解释原子问题的困难1原子的稳定性（1）经典理论：核外电子在原子核库仑引力的作用下绕核转动，会产生变化的电磁场，电子的动能以电磁波的形式辐射出去，最终电子会落向原子核。（2）实际现象：原子是个很稳定的系统。2原子光谱的分立特征（1）经典理论：电子辐射电磁波的频率就是电子绕原子核转动的频率，电子绕核转动的频率是连续变化的，则原子辐射的各种频率的光，即原子光谱应该是连续的。（2）实际现象：原子光谱是分立的线状谱。四、玻尔原子理论的基本假设（1）轨道量子化与定态电子的轨道是量子化的。当电子在不同的轨道上运动时，原子处于不同的状态，具有不同的能量，即原子的
29、能量是量子化的。这些量子化的能量值叫做能级。原子中这些具有确定能量的稳定状态，称为定态。定态中能量最低的状态叫做基态，其他状态叫做激发态。通常用一个或几个量子数来标志各定态，如用n=1，2，3，对应的E1，E2，E3，表示氢原子基态（n=1）和激发态（n=2，3，4，）的能量值。（2）频率条件当电子从能量较高的定态轨道（Em）跃迁到能量较低的定态轨道（En，mn）时，会放出能量为h的光子，有h=EmEn，其中h为普朗克常量。五、波尔理论对氢光谱的解释1玻尔的频率条件告诉我们，原子从较高的能级跃迁到较低的能级时，例如，从E3跃迁到E2时，辐射的光子的能量为hv E3 E2按照玻尔理论，巴耳末公式
30、中的正整数n 和2，正好代表电子跃迁之前和跃迁之后所处的定态轨道的量子数n 和22.氢原子的能级（1）氢原子的能级（2）氢原子的能级公式：En=E1（n=1，2，3，），其中E1为基态能量，E1=13.6 eV（3）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，r1=5.31011 m3.现象解释： 由于不同的原子具有不同的结构，能级各不相同，因此辐射（或吸收）的光子频率也不相同。这就是不同元素的原子具有不同的特征谱线的原因。各种气体原子的能级不同，跃迁时发射光子的能量各异。街道上的霓虹灯（图4.4-7）、试电笔中的氖管，都是由灯管内的气体原子从高能级
31、向低能级跃迁而发光的。食盐被灼烧时发的光，也主要是由食盐蒸气中钠原子的能级跃迁而造成的。4、能级跃迁1) 氢原子的能级跃迁a) 低能级高能级吸收能量，原子能量变大；电子的轨道半径变大，电场力做负功，电势能变大，电子动能变小。b) 高能级低能级放出能量，原子能量变小；电子的轨道半径变小，电场力做正功，电势能变小，电子动能变大。2) 电离（1）定义：电子脱离原子核的束缚成为自由电子的过程叫做电离。（2）电离态：n=，E=0氢原子基态电离态，吸收13.6 eV的电离能；激发态（En）电离态：吸收En+13.6 eV的电离能。如过原子吸收的能量足够大，自由电子还将携带一部分动能。(3)氢原子从高能级向
32、低能级跃迁发出的谱线数a) 一个氢原子从高能级（n）向各低能级跃迁发出的谱线最多有n1条。b) 一群氢原子从高能级（n）向各低能级跃迁发出的谱线最多有=条。(4)入射光子和入射电子的区别a) 若入射光子使原子跃迁，则入射光子的能量一定等于原子的某两个能级差，或大于等于原子的电离能。b) 若入射电子使原子跃迁，则入射电子的能量只需要大于等于原子的某两个能级差或电离能。如弗兰克赫兹实验中，汞原子的能量是量子化的，电子的动能会被汞原子以4.9 eV的整数倍吸收。六、玻尔模型的意义与局限性（1）意义：玻尔的原子理论第一次将量子观念引入原子领域，提出了定态和跃迁的概念，成功地解释了氢原子光谱的实验规律。
33、（2）局限：对稍微复杂一点的原子如氦原子的光谱现象，玻尔理论无法解释。这说明，玻尔理论还没有完全揭示微观粒子的运动规律。玻尔理论仍保留了经典粒子的观念，仍然把电子的运动看作经典力学中轨道运动。（3）实际上，原子中电子的坐标是概率的，其概率分布可通过电子云形象地表示出来。甲是氢原子处于n 1 状态时的电子云；当n 2 时有几个可能的状态， 图4.4-8 乙画的是其中一个状态的电子云4.5粒子的波动性和量子力学的建立一、粒子的波动性 1物质的分析物理学把物质分为两大类：一类是分子、原子、电子、质子及由这些粒子所组成的物体，我们称它们为实物；一类是场，如电场、磁场等，它们并不是由微观粒子所构成的，而
34、是客观存在的一种特殊物质 （1）问题猜想：大家知道，光具有波动性，但同时也具有粒子性，即光具有波粒二象性，那么像分子、原子、质子、电子等微观粒子是否具有波动性呢？ （2）德布罗意假设与物质波：1924年，32岁的法国物理学家德布罗意在他的博士论文中提出了一个大胆的假设：任何一个运动着的物体，小到电子、质子，大到行星、太阳，都有一种波与它相对应这种波叫物质波，也称为德布罗意波物质波波长的计算公式：，式中是普朗克常量，是运动物体的动量二、物质波的实验验证电子束的衍射：1.1927年美国物理学家戴维孙和英国物理学家汤姆孙分别获得了电子束在晶体上的衍射图样（如图所示），从而证实了实物粒子电子的波动性他
35、们为此获得了1937年的诺贝尔物理学奖 2.1960年约恩孙直接做了电子双缝干涉实验，从屏上摄得了微弱电子束的干涉图样和光的干涉图样是非常相似的（如图所示）这也证明了实物粒子的确具有波动性 3.除了电子以外，后来还陆续证实了质子、中子以及原子、分子的波动性，对于这些粒子，德布罗意给出的和关系同样正确1929年，德布罗意获得了诺贝尔物理学奖，成为以学位论文获此殊荣的人三、结论：物质波是概率波 电子和其他微观粒子同光子一样，具有波粒二象性，所以与它们相联系的物质波也是概率波（1）波粒二象性是包括光子在内的一切微观粒子的共同特征（2）德布罗意波是概率波，在电子束的衍射图样中，电子落在“亮环”上的概率
36、大，落在“暗环”上的概率小，但概率的大小受波动规律支配3不确定性关系（1）在经典力学中，一个质点的位置和动量是可以同时精确测定的，在量子理论中，要同时准确地测出微观粒子的位置和动量是不可能的，也就是说不能同时用位置和动量来描述微观粒子的运动我们把这种关系叫做不确定性关系 （2）海森伯（德国物理学家）的不确定性关系对于微观粒子的运动，如果以表示粒子位置的不确定量，以表示粒子在方向上的动量的不确定量，那么，式中是普朗克常量（3）海森伯的不确定性关系是量子力学的一条基本原理，是物质波粒二象性的生动体现它表明：在对粒子位置和动量进行测量时，精确度存在一个基本极限，不可能同时准确地知道粒子的位置和动量4
37、电子云 由不确定性关系可知原子中的电子在原子核周围的运动是不确定的，因而不能用“轨道”来描述它的运动电子在空间各点出现的概率是不同的当原子处于稳定状态时，电子会形成一个稳定的概率分布人们常用一些小黑圆点来表示这种概率分布，概率大的地方小黑圆点密一些，概率小的地方小黑圆点疏一些，这样电子的概率分布图的结果如同电子在原子核周围形成云雾，称为“电子云”电子云是原子核外电子位置不确定的反映 （1）电子云描述的是电子在原子核外空间各点出现的概率大小的一种形象化的图示，并不是代表电子的位置 （2）我们通常认为的“核外电子轨道”，只不过是电子出现概率最大的地方 5显微镜的分辨本领 最好的光学显微镜能够分辨大
38、小的物体衍射现象限制了光学显微镜的分辨本领波长越长，衍射现象越明显可见光波长为，日常生活中的物体大小比可见光波长大得多，光的衍射不明显，所以我们才说光沿直线传播当被观察物太小时，衍射现象不能忽略，这样物体的像就模糊了，影响了显微镜的分辨本领 电子显微镜是使用电子束工作的电子束也是一种波，如果把它加速，电子动量很大，它的德布罗意波波长就很短，衍射现象的影响就很小现代电子显微镜的分辨本领可以达到由于加速电压越高电子获得的动量越大，它的波长就越短，分辨本领也就越强，所以电子显微镜的分辨本领大小常用它的加速电压来表示第五章 原子核原子核物理发展简史一、天然放射现象1896年，法国物理学家贝可勒尔首先发
39、现。铀和含铀的矿物能够发出看不见的射线，它能穿透黑纸使照相底版感光。受到贝克勒尔的发现的鼓舞，波兰裔法国物理学家玛丽居里和她的丈夫皮埃尔居里对铀和含铀的各种矿石进行了深入研究。发现这种沥青中还存在着两种能够发出更强射线的新元素，居里夫人把其中一种元素命名为钋（Po），另一种元素命名为镭（Ra）。（1）放射性和放射性元素：物质发射射线的性质称为放射性，具有放射性的元素称为放射性元素。（2）天然放射现象：元素自发地放出射线的现象。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。（3）意义：实验发现，如果一种元素具有放射性，那么，无论它是以单质存在的，还是
40、以化合物形式存在的，都具有放射性。放射性的强度也不受温度、外界压强的影响。由于元素的化学性质决定于原子核外的电子，这就说明射线与这些电子无关，也就是说，射线来自原子核。这说明原子核内部是有结构的。二、射线本质 从感光位置知道，带正电的射线偏转较小，这种射线叫射线；带负电的射线偏转较大，这种射线叫射线；不偏转的射线叫射线名称构成符号电荷量质量电离作用穿透能力射线氦核He2e4 u最强最弱用纸即可挡住射线电子ee u较强较强穿透几毫米厚的铝板射线电磁波，波长小于0.1 nm00最弱最强穿透几厘米厚的铅板和几十厘米厚的混凝土 从原子内部能够射出这样高能的粒子，这使人们意识到原子核是一个能量的宝库。
41、三、原子核组成卢瑟福建立了原子的核式结构模型，知道核外有带负电的电子，原子核内有带正电的物质，那么，原子核内的构成又是怎样的呢？ （1）质子的发现1919年，卢瑟福又用粒子轰击氮核，结果从氮核中打出了一种粒子，并测定了它的电荷与质量，知道它是氢原子核，把它叫做质子符号或以后又从氟、钠、铝等原子核中打出了质子，所以断定质子是原子核的组成部分质子带正电荷，电荷量与一个电子的电荷量相等。质子的质量为mp 1.672 621 89810-27 kg 一开始，人们以为原子核只是由质子组成的但是，这不能正确地解释原子核的质量和原子核所带的电荷量如果原子核只是由质子组成的，那么，某种原子核的质量跟质子质量之
42、比，应该等于这种原子核的电荷跟质子电荷之比实际上，绝大多数原子核的质量跟质子质量之比都大于原子核的电荷跟质子电荷之比 （2）中子的发现卢瑟福发现质子后，预言核内还有一种不带电的粒子，并给这种还未“出生”的粒子起了一个名字叫“中子”卢瑟福的预言十年后就变成了现实，他的学生查德威克用实验证明了原子核内含有中子，中子的质量非常接近于质子的质量（用粒子轰击铍原子核实验）中子不带电，用n 表示。中子的质量是mn 1.674 927 47110-27 kg （3）原子核的组成1. 原子核是由质子和中子组成的，质子和中子统称核子2. 原子核所带电荷都是质子电荷的整数倍，用Z表示，叫做原子核的质子数，或叫核电
43、荷数3. 原子核的质量是核内质子和中子质量的总和4. 由于质子和中子质量几乎相等，所以原子核的质量近似等于核子质量的整数倍，用这个整数代表原子核的质量，叫做原子核的质量数，用表示，原子核的符号可以表示为其中为元素符号，为原子核的质量数，为核电荷数，例如氦核，可表示为表示氦核的质量数为，电荷数为，核内有个质子和个中子代表铀核，质量数为，电荷数为，质子数为，中子数为，有时也可写为或简称为铀5.同位素 原子核内的质子数决定了元素的化学性质，同种元素的原子质子数相同，核外电子数也相同，所以有相同的化学性质，但它们的中子数可以不同 定义：具有相同质子数、不同中子数的原子互称同位素 例如氢的三种同位素：氕
44、（）、氘（）、氚（）5.1放射性元素的衰变一、原子核的衰变1. 衰变：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（decay）2.衰变、衰变的比较衰变类型衰变衰变衰变过程XYHeXYe衰变实质2个质子和2个中子结合成一个整体射出1个中子转化为1个质子和1个电子2H2nHenHe匀强磁场中轨迹形状衰变规律电荷数守恒、质量数守恒（不是质量守恒）、动量守恒射线：射线经常伴随着衰变或衰变同时产生.其实质是放射性原子核在发生衰变或衰变的过程中，产生的新核由于具有过多的能量(原子核处于激发态)而辐射出光子.发生衰变时，除了产生电子 -10e 外，还产生反电子中微子 ve 。由于 ve 的质量数和电荷数都是0，所以在中学教科书中一般都不写出。3.确定衰变次数的方法 （1）核反应方程中有两个守恒规律：质量数守恒，电荷数守恒 （2）确定衰变次数的原理是两个守恒规律 方法是：设放射性元素经过次衰变和次衰变后，变成稳定的新元素，则表示该核反应的方程为： ZAXzAY+n24He+m-10e
