原子物理

高中原子物理知识大纲分享！放射性元素的衰变、原子核的组成、原子结构、电子的发现、粒子的波动性、光的粒子性、能量量子化等内容全部都浓缩在下图之中。希望这份导图能够对你有所帮助！

原子物理

• 波粒二象性
  • 能量量子化
    • 黑体与黑体辐射
      • 热辐射
        • 定义：固体或液体在任何温度下都在发射各种波长的电磁波这种由于物体中的分子原子受到激发而发射电磁波的现象称为热辐射
        • 所辐射电磁波的特征与温度有关
        • 热辐射——热能转化为电磁能的过程。任何物体任何温度军存在辐射温度升高发射的能量升高
        • 无论是高温物体还是低温物体都有热辐射，所辐射的能量及其按波长的分布都属于温度而变化
      • 黑体
        • 定义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写成黑体
        • 黑体辐射的特点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
        • 黑体辐射的实验规律
          • 随着温度升高各种波长的辐射强度都增加
          • 随着温度的升高辐射强度的极大值向波长较短的方向移动
    • 能量子
      • 普朗克能量假说
      • 普朗克常数
      • 振子只能一份一份的按不联系方式辐射或吸收能量
  • 光的粒子性
    • 光电效应的实验规律
      • 光电效应：在光（包括不可见光）的照射下从物体发射电子的现象叫做光电效应，发射出来的电子叫做光电子
      • 光电效应的实验规律
        • 存在着饱和电流
        • 存在着遏制电压和截止频率
        • 光电效应具有瞬时性
        • 逸出功
      • 理解光电效应规律的四个角度
    • 爱因斯坦的光电效应方程
      • 爱因斯坦的光量子假设
      • 光电效应方程
      • 爱因斯坦对光电效应的理解
        • 对极限频率的理解
        • 锐最大初动能的理解
      • 光电效应在近代技术中的应用
    • 光子的动量
  • 粒子的波动性
    • 光的特性
      • 光是一种波也是一种离子光具有玻璃二象性
      • 光子的能量与动量之间的关系
    • 光的波粒二象性
      • 光的波动性
      • 光的粒子性
    • 实物离子也具有波粒二象性
      • 德布罗意关系式
      • 物质波波长
      • 德布罗意波长的计算
• 原子结构
  • 电子的发现
    • 阴极射线
    • 电子的发现
      • 电子的发现说明原子是可分的
      • 用不同材料的阴极和不同的方法做实验所得比和数值是相等的
  • 原子的核式结构模型
    • α离子散射实验
      • 实验现象
        • 绝大多数α粒子穿过金箔后基本沿原远方向前进
        • 少数α离子发生了较大偏转
        • 极少数α离子偏转角度超过90°有的甚至超过180°
        • 说明
          • 原子中绝大部分是空的
          • α粒子受到较大的库仑力作用
          • α粒子在原子中碰到了比它质量大得多的东西
      • 卢瑟福提出的原子核式结构
        • 在原子的中心有一个很小的和叫做原子和
        • 原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里
        • 带负电的电子在核外空间绕着核旋转
    • 原子核的电荷与尺度
      • 确定各种元素原子核的电荷
      • 估算原子尺度
        • 原子半径 数量级：10的－10 m
        • 原子核半径 数量级：10的－15 m
  • 氢原子的光谱
    • 光谱
      • 发射光谱
        • 连续光谱：连续分布的包含从红光到紫光各种色光的光谱
        • 明线光谱：只含有一些不连续的亮线的光谱，明线光谱中的亮线叫做谱线，各条谱线对应不同波长的光
      • 吸收光谱
        • 高温物体发出的白光通过物质时词波长的光被物质吸收后产生的光谱
        • 各种原子的吸收光谱中的每一条暗线都跟该种原子的发射光谱中的一条明线相对应。这表明，低温气体原子吸收的光恰好就是这种原子在高温时发出的光，因此吸收光谱中的谱线也是原子的特征谱线。
        • 太阳的光谱是吸收光谱
      • 光谱分析
        • 由于每种原子都有自己的特征谱线因此可以根据光谱来鉴别物质和确定化学组成这种方法叫做光谱分析
        • 原子光谱的不连续性反应出原子结构的不连续性所以光谱分析也可以用来探索原子的结构
    • 氢原子光谱的实验规律（巴尔末）
      • 巴尔末公式
      • 里德伯常量
    • 经典理论的困难
  • 玻尔的原子模型
    • 玻尔的原子模型理论的主要内容
      • 波尔理论的基础及实验依据
        • 卢瑟福核式结构学说的基础
        • 普朗克的量子理论
        • 光谱学
      • 三个假设
        • 能级假设
          • 原子只能处于一系列不连续的能量状态中，在这些状态中原子是最稳定的，电子数虽然做加速运动，但并不向外辐射能量，这些状态叫做定态
        • 跃迁假设
          • 原子从定态跃迁到另一种定态（设能量为E2）跃迁到另一种定态（设能量为E1）时，它辐射或吸收一定频率的光子，光子的能量由这两种定态的能量差决定（hv＝E2－E1）
          • 若E1>E2则hv＝E2－E1，它吸收一定频率的光子
          • 若E2>E1则hv＝E1－E2，它辐射能量且能量以光子的形式辐射出去，即原子发光
          • 可见，原子的吸能和放能都不是任意的，而为某两个能级的能量差。所以原子的光谱为线状谱，而原子线状谱中的亮线和吸收谱中的暗线一一对应
        • 轨道假设
          • 原子的不同能量状态跟电子沿不同的圆形轨道绕核运动相对应，原子的定态是不连续的。因此，电子的可能的轨道分布也是不连续的
    • 能级
      • 在玻尔模型中，原子的可能性太是不连续的，因此个状态对应的能量也是不连续的，这些能量值叫做能级。
      • 能量最低的状态叫做基态，其他状态叫做激发态，原子处于基态时最稳定，处于较高能级时会自发的向较低能级越迁
    • 有关氢原子中电子运动的两个公式
      • 轨道半径公式
        • Rn＝n²R1 n＝1、2、3、……
      • 能级公式
        • En＝E1/n² n＝1、2、3……
    • 波尔模型的局限
      • 波尔原子理论在解释具有两个以上电子的原子光谱时理论与实验偏离较大
      • 量子力学基础上的原子理论认为
        • 核外电子没有确定的轨道波尔的电子轨道是电子出现几率最大的地方
        • 电子云用小黑点的疏密来代表电子在各处单位体积出现的几率大小
• 原子核
  • 原子核的组成
    • 天然放射现象
      • 法国贝克勒尔发现天然放射现象，居里和居里夫人发现了钋和镭两种放射性元素
      • 物质发射射线的性质称为放射性，元素这种自发的放出射线的现象叫做天然放射现象，具有放射性的元素称为放射性元素
      • 放射性不是少数几种元素才有的，研究发现，原子序数大于或等于83的所有元素都能自发的放出射线，原子序数<83的元素有的也具有放射性
    • 射线
      • α射线
        • 由带正电的α粒子组成，α离子就是氦原子核。
        • α射线的实质就是高速运动的氦核流
        • 穿透本领很小，一张报纸就能挡住
        • 电离作用很强
      • β射线
        • β射线由带负电的粒子组成，β粒子就是电子
        • β射线的实质就是高速运动的电子流
        • 贯穿本领很大，能穿过几毫米厚的铝板
        • 电离作用较弱
      • γ射线
        • γ射线的本质是一种波长较短的电磁波，不带电，是中性的。
        • 总是伴随着α射线或β射线，不能自己单独发生。
        • 穿透本领最大，能穿过几厘米厚的铅板
        • 电离作用很小
    • 原子核的组成
      • 放射性现象中放出的三种射线都是从放射性元素的原子核内释放出来的。这表明原子核也有内部结构
      • 质子的发现（卢瑟福）
      • 中子的发现（查德威克）
      • 同位素：具有相同的质子数而中子数不同的原子和互称同位素
  • 放射性元素的衰变
    • 原子核的衰变
      • 衰变：原子核放出α或β离子，由于核电荷数变了，它在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。
      • 实质：将一种物质变成另一种物质，就是原子核的衰变。
      • α衰变：反应方程式左边只有一个原子核，右边有两个粒子，且其中一个为阿了α粒子。
      • β衰变：反应方程左边只有一个原子核，右边有两个粒子，且其中一个为β粒子。
      • 衰变方程式遵守的规律
        • 质量数守恒
        • 核电荷数守恒
      • 橄榄射线的本质
    • 半衰期
      • 放射性元素的原子核有半数发生衰变所需要的时间叫做这种元素的半衰期。半衰期表示放射性元素衰变的快慢
      • 不同的放射性元素半衰期不同，甚至差别非常大。放射性元素衰变的快慢是由核内部自身的因素决定的，跟原子所处的状态（物理和化学）和外部条件都没有关系
      • 半衰期不能人工控制
  • 放射性的应用与维护
    • 核反应
      • 原子核在其他粒子的轰击下产生新原子核的过程
      • 核反应中质量数与电荷数守恒
      • 核反应是原子核的变化，化学反应式核外电子的变化
    • 人工放射性同位素
      • 放射性同位素：有些同位素具有放射性，叫做放射性元素。
      • 与天然放射性物质相比人造放射性同位素的优点
        • 放射强度容易控制
        • 可以制成各种需要的形状
        • 半衰期更短
        • 放射性废料容易处理
      • 凡是用到射线时都用人造放射性同位素
    • 放射性同位素的应用
  • 质量亏损
    • 核力
      • 能够把核中的各种核子联系在一起的强大的力叫做核力
      • 核力的特点
        • 核力是四种相互作用中的强相互作用的一种表现
        • 核力是短程力
        • 核力具有饱和性
        • 核力具有电荷无关性
    • 原子核中质子与中子的比例
      • 随着原子序数的增加稳定原子核中的中子数大于质子数
      • 原子序数与重核、轻核
        • 轻核质子数与中子数大致相等
        • 重核中子数大于质子数，越重的元素两者相差越多
    • 结合能
      • 结合能
      • 比结合能
        • 原子核结合能与核子数之比
        • 比结合能越大，原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定
    • 质量亏损
      • 质量亏损
        • 原子核分解为核子时质量增加。反之质量减小
        • △m的理解：所谓质量亏损，并不是质量消失，而是减少的质量在核子结合成核的过程以能量的形式辐射出去
      • 爱因斯坦质能方程
        • 公式：△E＝mc²
        • 核能的计算方法
          • 根据质量亏损计算
          • 利用原子质量单位u和电子伏特计算
          • 根据能量守恒和动量守恒来计算
  • 核裂变
    • 核裂变
      • 核裂变：重核被中子轰击后分裂成两个质量差不多的新原子核并放出能量的过程。
      • 链式反应：当一个中子引起一个重核裂变后，裂变释放的中子再引起其他重核裂变且能不断继续下去，这种反应叫做核裂变的链式反应。
      • 链式反应的条件
        • 铀块的体积大于或等于临界体积或铀块的质量大于或等于临界质量
        • 有足够数量的慢中子
    • 核电站
      • 利用核能发电，核心设施是反应堆
      • 组成部分
        • 燃料：铀棒
        • 慢化剂：石墨、重水和普通水
        • 控制棒：镉棒
      • 工作原理
      • 核污染的处理
    • 计算问题
      • 重核裂变中核能的计算
        • 根据爱因斯坦质能方程计算
        • 根据原子质量单位计算
        • 根据能量守恒定律计算
      • 计算核电站向外输送的能量需要多少核燃料思路
        • 计算一个核反应释放的核能
        • 计算需要输送的能量
        • 计算出需要的核燃料质量
  • 核聚变
    • 两个氢核合成质量较大的核，释放大量能量，这样的反应叫作核聚变
    • 聚变与裂变相比具有的优点
      • 氢核聚变产能效率高
      • 地球上聚变燃料的储量丰富可以用锂来代替氢以满足聚变的需要
      • 氢核聚变更为安全清洁