原子物理知识点总结

原子物理

一、波粒二象性

1、热辐射：一切物体均在向外辐射电磁波。这种辐射与温度有关。故叫热辐射。

特点：1）物体所辐射的电磁波的波长分布情况随温度的不同而不同；即同时辐射各种波长的电磁波，但某些波长的电磁波辐射强度较强，某些较弱，分布情况与

温度有关。

2）温度一定时，不同物体所辐射的光谱成分不同。

2、黑体：一切物体在热辐射同时，还会吸收并反射一部分外界的电磁波。若某种物体，在热辐射的同时能够完全吸收入射的各种波长的电磁波，而不发生反射，这种物体叫做黑体(或绝对黑体)。在自然界中，绝对黑体实际是并不存在的，但有些物体可近似看成黑体，例如，空腔壁上的小孔。

黑体辐射的实验规律：

1）温度一定时，黑体辐射的强度，随波长分布有一个极大值。

2）温度升高时，各种波长的辐射强度均增加。

3）温度升高时，辐射强度的极大值向波长较短方向移动。

4、能量子:上述图像在用经典物理学解释时与该图像存在严重的不符（维恩、瑞利的解释）。普朗克认为能量的辐射或者吸收只能是一份一份的．这个不可再分的最小能量值ε叫做能量子．ν

εh

=)

h?

?

J

=-。由量子理论得出的结果与黑体的辐射强度63

10

s

.6

(34叫普朗克常量

图像吻合的非常完美，这印证了该理论的正确性。

5光电效应：在光的照射下，金属中的电子从金属表面逸出的现象。发

射出来的电子叫光电子。光电效应由赫兹首先发现。

爱因斯坦指出:

① 光的能量是不连续的，是一份一份的，每一份能量子叫做一个光子．光子的能量为ε＝h ν，其中h=6.63×10－34 J ·s 叫普朗克常量，ν是光的频率；

② 当光照射到金属表面上时，一个光子会被一个电子吸收，吸收的过程是瞬间的（不超过10-9s ）。电子在吸收光子之后，其能量变大并向金属外逃逸，从而产生光电效应现象；

③ 一个电子只能吸收一个光子，不会有一个电子连续吸收多个光子的情况，该过程需要克服金属内部原子束缚做功（逸出功W 0，其大小与金属材料有关），然后才有可能从金属表面飞出。因此在只有当一个光子能量较大时，电子才会将其吸收并从金属内部飞出，否则电子无法克服原子束缚从金属中逸出。由能量守恒可得光电效应方程: 0W h E k -=ν

④ 决定能否发生光电现象的决定因素是极限频率而不是光的强度。光的强度只会影响从金属中逸出的电子数目。能使某种金属发生光电效应的最小频率叫做该种金属的截止频率(极限频率)．截止频率的大小与金属种类有关。光的强度：单位时间内垂直照射到金属表面单位面积上入射光中光子总数目。

若ν≥c ν，无论光照强度如何也会有光电效应现象产生

若ν＜c ν，则无论怎样增加光照强度，也不会有光电效应产生

知识拓展之光电管的伏安特性曲线：在光照条件不变时，若正向电压升高，则电路中的光电流会随之变大，当正向电压调到某值后电路中的电流不再增加，该电流叫饱和电流。饱和电流大小反映了入射光的强度（光子数目）。在光照条件不变时，若反向电压升高，则电路中的光电流会随之变小，当反向电压达到某值后，电路中的电流变为零，这个电压叫遏止电压。遏止电压只与入射光频率有关。

e W e h U c 0-=ν0(W h E k -=ν由）得出和00W h eU E eU c k c -=-=-ν

6. 康普顿效应:由于光在介质中与物质微粒相互作用，光的传播方向发生改变的现象，叫光的散射。在光的散射中，除了有与入射光波长相同的成分外，还有波长更长的光成分，这种现象叫康普顿效应。康普顿借助于爱因斯坦的光子理论，从光子与电子碰撞的角度对此实验现象进行了圆满地解释：他认为这种现象是由光量子和电子的相互碰撞引起的。光量子不仅具有能量，而且具有某些类似力学意义的动量，在碰撞过程中，光子把一部分能量传递给电子，减少了它的能量，由能量子公式νεh =可知光的频率减小。再由λν=c 知波长变长。 总结: 1）由光电效应和康普顿效应知光子具有粒子性。

能量νεh =，

动量λh p = （由2mc E =得λ

λννh h c E mc ===） 2）光子既具有波动性又具有粒子性，叫光的波粒二象性。大量光子易显示出波动性（概率波），少量光子易显示出粒子性。波粒二象性中所说的波是一种概率波，对大量光子才有意义。波粒二象性中所说的粒子，是指其不连续性，是一份能量。

● 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。 ● ν高的光子容易表现出粒子性；ν低的光子容易表现出波动性。

● 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为粒子性。 ● 由光子的能量νεh =，光子的动量λ

h p =也可以看出，光的波动性和粒子性并不矛盾：表示粒子性的粒子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ν和波长λ。由以上两式和波速公式λν=c 还可以得出：pc =ε。

7. 德布罗意提出: 任何运动着的物体都有一种波与之对应，这种波叫德布罗意波，又叫物质波。物质波对应的两个量:h

εν= p h =λ 特点是波长短，不易观察。

注: 1）一切运动的物体都具有波动性；

2）德布罗意波是一种概率波；

3）该假说是光子的波粒二象性在一切物质上的推广。

8. 不确定性关系: π

4h p x =??? 此式反映微观粒子的坐标和动量不能同时测准。 二、原子结构

1、普吕克尔发现阴极射线。汤姆孙通过进一步研究，发现这些阴极射线是一些带负电粒子。称为电子。这使人们认识到原子有复杂结构。他通过电子在电场和磁场中的偏转测出比荷。汤姆孙还提出原子的枣糕模型，又叫汤姆孙模型（错误）。后来密立根通过油滴实验测出电子的电荷量e 。所有带电体的带电量均是e 的整数倍。即电荷是量子化的。

2、卢瑟福通过α粒子散射实验提出原子核式结构模型。

⑴用α粒子轰击金箔现象：绝大多数α粒子穿过金箔后基本上仍沿原来的方向前进，只有少数α粒子发生了较大的偏转。这说明原子的正电荷和质量一定集中在一个很小的核上。（注：实验需在真空中进行）

⑵卢瑟福由α粒子散射实验提出原子的核式结构，即在原子的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原子核里，带负电的电子在核外空间运动。由α粒子散射实验的实验数据还可以估算出原子核大小的数量级是10-15m 。

3、氢原子光谱:

实验表明：1）不同元素的原子产生的明线光谱是不同的。某种物质的原子可由其明线光谱

加以鉴别，因此称某种元素原子的明线光谱的谱线为这种元素原子的特征谱

线。

2）各种原子的吸收光谱中的每一条暗线都跟该原子的明线光谱中的一条明线相

对应。即某种原子发出的光与吸收的光的频率是特定的，因此吸收光谱中的

暗线也是该元素原子的特征谱线。

3）明线光谱和吸收光谱均可用于鉴别和确定物质的组成成分，这叫光谱分析。

其优点是灵敏度高。

4）氢原子光谱在可见光区域的谱线满足经验公式：

叫里德伯常量其中1-722m 1010.1R ...5,4,3),121(1

?==-=n n

R λ

玻尔原子模型：氢原子的明线光谱用经典物理无法得到解释，按经典理论，原子应是一个不稳定系统，因为按经典理论，绕核运转的电子不断向外辐射能量，电子将逐渐接近原子核，最后落入原子核内部，原子消失，而实际上原子是一个很稳定的系统。

于是玻尔提出:

①电子轨道的量子化: ...3,2,1,12==n r n r n ，r 1=0.53×10-10m.即原子中电子在库仑引力的

作用下，绕原子核作圆周运动，电子运行轨道的半径不是任意的。电子在这些轨道的运行是稳定的，不产生电磁辐射。

②能量量子化：...),3,2,1(21==n n

E E n 注：基态能量E 1=－13.6eV 。当电子在不同的轨道运行时，原子处于不同的状态中，具有不同的能量，这些量子化的能量值叫能级，原子中这些具有确定能量的稳定状态叫定态，能量最低的状态叫基态（最稳定的状态），其他状态叫激发态。量子力学体系状态发生跳跃式变化的过程叫跃迁。

③电子从某一轨道跃迁到另一轨道上时，原子也便从某一能级跃迁到另一能级，同时

这个原子便吸收或放出一个光子。光子的能量等于两能级的能量差，n m E E h -=ν。

12

345-13.6-3.4-0.85-0.54-1.51

∞

n E /e V 0

注: 1) 原子能量包括原子核与电子具有的电势能和电子运动的动能。

2) n=1对应于基态，n →∞对应于原子的电离。

3）原子从基态跃迁到激发态时要吸收能量，从激发态跃迁到基态要以光子的形式放出能

量。需要注意的是使原子从基态跃迁到激发态的粒子可以是光子，也可以是实体粒子（例如电子）。若是光子，则务必要满足光子的能量等于两能级差；若是实体粒子，则只要满足该粒子的能量大于等于两能级差即可。另外使原子电离的光子或实体粒子的能量只要大于或等于该能级差即可。

4）对于一个原子和一群原子而言，一个处于量子数为n 的氢原子最多可以辐射出(n-1)

条光谱线。一群处于量子数为n 的氢原子可能辐射出的光谱条数为2

)1(2-=n n C n 。 5) 玻尔理论的成功与局限性。成功：引进了量子理论（不连续性）成功解释氢光谱的规律。是对卢瑟福原子模型的进一步完善。局限：保留了过多的经典物理理论，在解释其他原子的光谱上都遇到很大的困难。

另外，玻尔理论对氢光谱的解释:

1）对巴耳末公式的解释，经过推导证明氢原子光谱的巴耳末系是电子从n=3，4，5等能级跃迁到n=2能级时辐射出来的。

2)对稀薄气体导电时辉光现象的解释，通常情况下原子处于基态，气体导电管中的原子受到高速运动的电子撞击，有可能跃迁到激发态，处于激发态的原子是不稳定的，会自发的向低能级跃迁，最终回到基态，放出光子，形成辉光现象。

3)对特征谱线的解释，由于原子的能级是分立的，所以原子向低能级跃迁时放出的光子能量也是分立的，故原子的发射光谱只有一些分立的亮线。

原子核

1、天然放射现象: 放射性元素自发的发出射线的现象。由贝克勒尔发现.使人们认识到原子核也有复杂结构。物质发射射线的性质叫放射性。

注: 1）原子序数≥83的元素都有放射性。原子序数<83的某些元素也有放射性。

2）放射性物质所发出的射线有三种:

2、放射性元素的原子核放出α粒子或β粒子后变成新原子核的过程叫原子核的衰变。 衰变包括α衰变和β衰变。

α衰变是指两个质子和两个中子结合成一个整体从原子核中射出的过程。

（He Th 4223490823

92U +→，核内He n 2H 2421011→+）

β衰变是指原子核中的一个中子转化为一个质子和一个电子后，该电子被射出核外的过

程。（e Pa Th 012349123490-+→，

核内e H n 011110-+→）

+β衰变：e Si P 01301430

15+→（核内e n H 011011+→） γ射线是原子核经α或β衰变后产生了处于激发态的新核，这些新核（原子核的能量也不连续）在向低能级跃迁时辐射出的光子。即γ射线是伴随着α、β衰变产生的。

3、半衰期: 放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间。

注: 1）半衰期只由核内部因素决定，与它所处的物理状态（压强，温度等）或化学状态

（单质，化合物）无关。

2）T t m m )21(0=，T t N N )2

1(0=。 3）半衰期是大量原子核衰变的统计规律。对少数原子核无意义。

4）在处理衰变题目列衰变方程式时要注意电荷守恒，质量数守恒。在处理衰变次数

时，一般先由质量数的改变确定α衰变的次数，因为β衰变次数的多少对质量数没有影响，然后根据衰变规律确定β衰变次数。

4、探测射线的方法: 威尔逊云室、气泡室、盖革-米勒计数器

5、原子核在其他粒子的轰击下生成新原子核的过程叫核反应。实质是粒子打入原子核内部使核发生转化，而不是原子核被撞开！注：所有核反应的反应前后都遵守：质量数守恒、电荷数守恒。（注意：质量并不守恒。）

H O He N 11718424

17

+→+（卢瑟福发现质子的核反应,也是人类第一次实现原子核的人式转变） n C Be He 1021

6944

2+→+（查德威克发现中子的核反应）

人工放射性同位素：具有放射性性质的同位素。

n P Al He 103015271342+→+ e Si P 0130143015+→(小居里夫妇发现人工合成的放射性同位素.注：经过α粒子轰击后的铝片中含有放射性磷。)

天然放射性同位素不过只有40多种，而人工制造的放射性同位素已达到1000多种，每种元素都有了自己的放射性同位素。人工制造的放射性同位素具有很多优点：品种多、半衰期短、废料容易处理、可制成各种形状、强度容易控制。

放射性同位素的应用

⑴利用射线：α射线电离性强，用于使空气电离，消除有害静电。γ射线贯穿性强，可用于金属探伤，γ射线高能量可用于治疗恶性肿瘤。射线可使DNA 发生突变，可用于生物工程，基因工程。

⑵作为示踪原子。

⑶进行考古研究。利用放射性同位素碳14，判定出土木质文物的产生年代。

6、核力

1）四种基本相互作用：万有引力、电磁相互作用、强相互作用、弱相互作用

2）核力：组成原子核的相邻核子之间存在着一种特殊的力。属于强相互作用，为短程

力，作用范围为1.5×10－15m 内，在它的作用范围内核力比库仑力大的多。若核子间

距在m 15108.0-?到m 15105.1-?内体现为引力，小于0.8×10－15m 体现为斥力。核力与核

子是否带电无关，质子与质子间、质子与中子间、中子与中子间都可以有核力作用。每个核子只跟邻近的核子发生核力作用的性质称为核力的饱和性。

3）弱相互作用 是引起β衰变的原因，力程更短为10－18m 。

7、结合能: 克服核力束缚，使原子核分解为单个核子时所需要的能量，或若干个核子在核力作用下结合成原子核时释放的能量。例如，一个氘核被拆成一个中子和一个质子时，需要一个等于或大于2.2MeV 能量的γ光子照射。相反，当一个中子和一个质子结合成一个氘核时，会释放出同样的能量，这个能量以γ光子的形式辐射出去。

比结合能：结合能与核子数之比。也叫平均结合能。它反映了原子核的稳定程度。 比结合能越大，核越稳定。中等大小的原子核比结合能最大，核子的平均质量最小,最稳定。

8、质量亏损：原子核质量小于组成它的核子质量之和的现象。

9、爱因斯坦质能方程:2mc E =

注: 1）该方程告诉我们物体具有的能量和它的质量之间存在的简单正比关系，物体的能量 增大了，其质量也增大，能量减少了，其质量也减少。

2）该式反映的是质量亏损和释放出核能这两种现象之间的联系。并不表示质量和能量之间的转变关系。根据爱因斯坦的相对论，辐射出的γ光子静质量虽然为零，但他有动质量，而且这个动质量刚好等于亏损质量，所以质量守恒和能量守恒仍然成立。

3) 核子在结合成原子核过程中出现质量亏损，所以要释放能量，也即结合能！由上式可得结合能和质量亏损之间的关系式：ΔΕ=Δmc 2

4) 应用质能方程解题的流程图 书写核反应方程→计算质量亏损Δm →利用ΔE ＝Δmc 2

计算释放的核能

(1)根据ΔE ＝Δmc 2计算能量：计算时Δm 的单位是“kg ”，c 的单位是“m/s ”，ΔE 的单位是“J ”。

(2)根据ΔE ＝Δm ×931.5 MeV 计算能量。因1原子质量单位(u)相当于931.5 MeV 的能量，所以计算时Δm 的单位是“u ”，ΔE 的单位是“MeV ”

5) 比结合能曲线: 不同原子核的比结合能随质量数变化的曲线

从图中可以看出中等质量原子核的比结合能最大，轻核和重核的比结合能都比中等质量的原子核要小。说明中等核子数的原子核比较稳定。

启发: 当比结合能较小的原子核转化为比结合能较大的原子核时就可能重新释放核能。利用核能的两个途径：由于中等大小的原子核比结合能最大，因此可将重核裂变或轻核聚变。

10、核裂变: 重核分裂成质量较小的核时，释放出核能的反应称为原子核的裂变。

德国物理学家哈恩与斯特拉斯曼利用中子轰击铀核时发现了铀核裂变。向核能的利用迈出了第一步。铀核的裂变只能发生在人为的核反应中，自然界中不会自发的产生裂变，而是发生衰变。

n 3Kr Ba n U 1089364145610235

92++→+

n 3Kr Ba n U 109236141

5610235

92++→+

n 10n U 1009833615410235

92++→+Sr Xe

当一个中子引起一个铀核裂变后，裂变中放出的中子再引起其他铀核的裂变，且能不断地继续下去，这种反应叫核裂变的链式反应。

原子核的体积非常小，原子内部空隙很大，如果铀块不够大，中子在铀块中通过时就有可能碰不到铀核而跑到铀块外部，链式反应不能继续，只有铀块足够大时，裂变产生的中子才有足够的概率打中某个铀核，使链式反应进行下去。通常把核裂变物质能够发生链式反应的最小体积叫做它的临界体积。

链式反应的条件: 1)发生裂变物质的体积大于等于临界体积。

2)有足够浓度的铀235。

3)有足够数目的慢中子（目的是为了让铀235吸收）。

重核裂变的特点: 1)释放能量大。（一块铅笔大小的核燃料所产生的能量与10吨标准煤完全燃烧放出的热量相当）

2)裂变产物多样性。

3)裂变产物有放射性。

4)能产生多个中子。

重核裂变的主要应用：原子弹 核电站

核反应堆主要构造：

①核燃料。用浓缩铀（能吸收慢中子的铀235）。②慢化剂。用石墨、重水、轻水（使裂变

中产生的中子减速，以便被铀235吸收）。③控制棒。用镉做成（镉吸收中子的能力很强）。④导热剂。用水或液态钠（把反应堆内的热量传输出去用于发电，同时使反应堆冷却）。⑤水泥防护层。用来屏蔽裂变产物放出的各种射线。

11、核聚变: 两个轻核结合成质量较大的原子核时释放出能量的过程。

(n He H H 1042312

1+→+)

核聚变发生的条件: 需使两核距离达到10－15

m ，即需使核具有很大的初动能。方法：加热到高温（需要几百万度高温）。 故核聚变又叫热核反应。

轻核聚变（热核反应）主要应用：氢弹，太阳能量来源

轻核聚变与重核裂变比较，其优点：①产能效率高，核聚变比核裂变平均每个核子放出的能量大约要大3-4倍②核燃料储量丰富，③安全清洁，放射性污染小。但不如裂变容易控制。

注: 1）人工转变核反应和衰变的比较:不同点是人工转变核反应的是其他粒子与原子核相撞的结果，需要一定装置和条件才行。而衰变是原子核的自发变化，不受物理、化学条件影响。相同点是电荷守恒，质量数守恒。

在无光子辐射的情况下，核反应释放的核能为新核的动能，可根据动量守恒和能量守恒求解。

12、 粒子物理学

到19世纪末，人们认识到物质由分子组成，分子由原子组成，原子由原子核和电子组成，原子核由质子和中子组成。

20世纪30年代以来，人们认识了正电子、μ子、K 介子、π介子等粒子。后来又发现了各种粒子的反粒子（质量相同而电荷及其它一些物理量相反）。

现在已经发现的粒子达400多种，形成了粒子物理学。按照粒子物理理论，可以将粒子分成三大类：媒介子、轻子和强子，其中强子是由更基本的粒子——夸克组成。从目前的观点看，媒介子、轻子和夸克是没有内部结构的“点状”粒子。

用粒子物理学可以较好地解释宇宙的演化。

总结:原子物理各种重要的反应式汇总