2027届高考物理 人教版（2019）选修第三册一轮复习学案 专题18 近代物理

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掌握光电效应的方程和计算方法，会利用光电效应方程计算逸出功、截止频率、最大初动能等物理量；
掌握波粒二象性的内容；
掌握玻尔理论，学会跃迁的计算公式；
掌握原子核的组成及核力的性质，了解半衰期，会根据半衰期计算时间或衰变次数；
掌握核裂变和核聚变，能根据质量数、电荷数守恒写出核反应方程。
核心考点01 波粒二象性
一、能量子
1、热辐射
一切物体都在辐射 ，这种辐射与物体的温度有关，所以叫热辐射。
特点：热辐射强度按波长的分布情况随物体温度的不同而有所不同。
2、黑体
某种物体能够 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。
【注意】黑体是一个理想化的物理模型，看上去不一定是黑的。绝对的黑体实际上是不存在的，但可以用某装置近似地代替。如图所示，如果在一个空腔壁上开一个小孔，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，最终不能从小孔射出，这个小孔就成了一个绝对黑体。
3、黑体辐射
黑体虽然不 电磁波，却可以 辐射电磁波。。
4、黑体辐射规律
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，温度一定时，黑体辐射强度随波长的分布有一个极大值，随着温度的升高各种波长的辐射强度都有增加且辐射强度的极大值向波长较短的方向移动，如下图所示。
5、能量子
振动着的带电微粒的能量只能是某一最小 值的整数倍，例如可能是或2、3……当带电微粒辐射或吸收能量时，也是以这个最小能量值为单位一份一份地辐射或吸收的，这个不可再分的最小能量值叫做能量子。
6、能量子表达式
，其中是带电微粒吸收或辐射电磁波的频率，称为 ，h＝6.626 070 15×10－34 J·s。
7、能量的量子化
在微观世界中能量不能连续变化，只能取 值，这种现象叫做能量的量子化。
【注意】①物体在发射或接收能量的时候，只能从某一状态“飞跃”地过渡到另一状态，而不可能停留在不符合这些能量的任何一个中间状态。②在宏观尺度内研究物体的运动时我们可以认为：物体的运动是连续的，能量变化是连续的，不必考虑量子化；在研究微观粒子时必须考虑能量量子化。
8、一般物体与黑体的比较
二、光电效应
1、光子与光电子
光子指光在空间传播时的每一份能量，光子不带电。
光电子是金属表面受到光照射时发射出来的电子，其本质是电子。
【注意】光子是因，光电子是果。
2、光电子的动能与光电子的最大初动能
只有金属表面的电子飞出原子核需要克服原子核的引力做功时，才具有最大初动能。
3、光电流和饱和光电流
金属板飞出的光电子到达阳极，回路中便产生光电流。随着所加正向电压的增大，光电流趋于一个饱和值，这个饱和值是饱和光电流，在一定的光照条件下，饱和光电流与所加电压大小无关。
4、入射光强度与光子能量
入射光强度指指单位时间内照射到金属表面单位面积上的总能量，而光子能量E＝hν。
5、光的强度与饱和光电流
频率相同的光照射金属产生光电效应，入射光越强，饱和光电流越大，但不是简单的正比关系。
6、光电效应现象
在光的照射下物体发射电子的现象叫光电效应。如下图所示，用弧光灯照射锌版，有电子从锌版表面飞出，使原来不带电的验电器带正电。
7、光电效应实质
光电效应的实质是金属中的电子获得能量后逸出金属表面，从而使金属带上正电。
8、光电效应的产生条件
能否发生光电效应，不取决于光的强度，而是取决于光的频率。只要照射光的频率大于该金属的极限频率，无论照射光强弱，均能发生光电效应。
9、光电效应的规律
每种金属都有一个截止频率，入射光的频率必须大于或等于这个截止频率才能产生光电效应。
光电子的最大初动能与入射光的强度无关，只随入射光频率的增大而增大。
光电效应的发生几乎是瞬时的，一般不超过。
当入射光的频率大于截止频率时，入射光越强，饱和电流越大，逸出的光电子数越多，逸出光电子的数目与入射光的强度成正比，饱和电流的大小与入射光的强度成正比。
三、爱因斯坦光电效应方程
1、光子说
光是不连续的，是一份一份的，每一份叫做一个光子，光子的能量E与光的频率成正比：。
2、方程
。①hν为光子的能量；②W0为逸出功，即从金属表面直接飞出的光电子克服原子核引力所做的功的最小值；③Ek为光电子的最大初动能，即发生光电效应时，金属表面上的电子吸收光子后克服原子核的引力逸出时所具有的动能的最大值。
物理意义：金属表面的电子吸收一个光子获得的能量是，这些能量的一部分用来克服金属的逸出功，剩下的表现为逸出后电子的最大初动能。
3、对方程的理解
光电效应方程实质上是能量守恒方程。能量为E=ℎν的光子被电子吸收，电子把这些能量的一部分用来克服金属表面对它的吸引，另一部分就是电子离开金属表面时的动能。
光电效应方程包含了产生光电效应的条件。若发生光电效应，则光电子的最大初动能必须大于零，即Ek=ℎν−W0>0，亦即ℎν>W0，ν>W0ℎ=νc，而νc=W0ℎ恰好是光电效应的截止频率。
方程中的Ek是光电子的最大初动能，就某个光电子而言，其离开金属时剩余动能大小可以是0∼Ek范围内的任何数值。
4、三个关系式
①爱因斯坦光电效应方程：Ek＝hν－W0；②逸出功与截止频率的关系：W0＝hνc；③最大初动能与遏止电压的关系：Ek＝eUc。
5、光电效应的理解
极限（截止）频率：电子要从金属表面逸出,必须克服金属原子核的引力做功,照射光子能量不能小于,对应的频率即极限频率。
最大初动能：电子吸收光子能量后,一部分克服阻碍作用做功,剩余部分转化为光电子的初动能,只有直接从金属表面飞出的光电子才具有最大初动能,对于确定的金属,W0是一定的,所以光电子的最大初动能只随照射光频率的增大而增大,与照射光强度无关。
饱和电流：当发生光电效应时,增大照射光强度,包含的光子数增多,照射金属时产生的光电子增多,因而饱和电流变大。
光电效应的发生几乎是瞬时的：光照射金属时,电子吸收一个光子的能量后,动能立即增大,不需要能量积累的过程。
6、研究思路
通过频率分析：光子频率越高，光子得能量越大，产生光电子得最大出动能越大。
通过光的强度分析：入射光强度越大，单位时间照到金属表面的光子数目越多，单位时间产生的光电子越多，光电流越大。
7、光电管分析
8、四类图像
氢原子的能级图如图甲所示，大量处于n=4能级的氢原子向基态跃迁时，放出频率不同的光子。其中频率最高的光照射图乙电路中光电管阴极K时，电路中电流随电压变化的图像如图丙所示。电子的电荷量大小为e，质量为m，可见光光子的能量范围为1.62~3.11eV，则下列说法正确的是（ ）
A．这群氢原子跃迁时最多可放出4 种可见光
B．从n=4跃迁到n=3能级放出光子的频率最高
C．用图乙实验电路研究光电效应，要测遏止电压，滑片P应向b端滑动
D．若频率最高的光子能量为E0，可求出光电管阴极 K 的逸出功为（E0-eU1）
四、波粒二象性
1、康普顿效应
在研究石墨对X射线的散射时，发现在散射的X射线中，除了与入射波长λ0相同的成分外，还有波长 λ0的成分，这个现象称为康普顿效应。
2、康普顿效应的表达式
p＝eq \f(h,λ)。在康普顿效应中，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，光子的动量可能变小，因此有些光子散射后波长变大。
3、光的波动性
光的干涉、衍射、偏振现象证明光具有波动性。
表现：光子在空间各点出现的可能性大小可用波动规律来描述。足够能量的光在传播时，表现出波的性质。
【注意】光的波动性是光子本身的一种属性，不是光子之间相互作用产生的，光的波动性不同于宏观观念的波。
4、光的粒子性
光电效应、康普顿效应说明光具有粒子性。
表现：当光同物质发生作用时，这种作用是“一份一份”进行的，表现出粒子的性质。少量或个别光子容易显示出光的粒子性。
【注意】粒子的含义是“不连续”“一份一份”的，光子不同于宏观观念的粒子。
5、波粒二象性
光既具有 性，又具有 性，称为光的波粒二象性。
6、光的波粒二象性的表现规律：
①数量上：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，光的干涉、衍射、偏振现象说明光具有波动性。
②频率上：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，贯穿本领越强，越不容易看到光的干涉和衍射现象。
③传播与作用上：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。
④波动性与粒子性上：由光子的能量E＝hν、光子的动量表达式p＝eq \f(h,λ)也可以看出，光的波动性和粒子性并不矛盾，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ν和波长λ。
【注意】理解光的波粒二象性时不可把光当成宏观概念中的波，也不可把光当成宏观概念中的粒子。由E＝hν和p＝eq \f(h,λ)可得波速和。
7、物质波
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。
物质波：任何一个运动着的物体，小到微观粒子，大到宏观物体都有一种波与它对应，其波长λ＝ eq \f(h,p) ，p为运动物体的动量，h为普朗克常量。
8、光的认识史
核心考点02 原子结构
一、电子的发现
1、阴极射线
阴极发出的一种射线。它能使对着阴极的玻璃管壁发出荧光。
2、汤姆孙的观点
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(填“正电”或“负电”)的粒子流，并求出了这种粒子的比荷。组成阴极射线的粒子被称为电子。
3、密立根的实验
电子电荷的精确测定是由密立根通过著名的“油滴实验”做出的。
电子电荷的值为e＝1.6×10－19C。
4、电荷的量子化
任何带电体的电荷只能是e的整数倍。
二、α粒子散射实验
1、实验背景
1909～1911年，英国物理学家卢瑟福和他的助手进行了用α粒子轰击金箔的实验。
2、实验装置图
3、实验结果
α粒子穿过金箔后，绝大多数沿原方向前进，少数发生较大角度偏转，极少数偏转角度大于90°，甚至被弹回，如下示意图所示。
4、原子核式结构模型
原子中心有一个很小的核，叫做原子核，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绕核旋转。
【注意】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。
5、原子核的电荷与尺度
原子内的电荷关系：原子核的电荷数即核内质子数，与核外的电子数相等。
原子核的组成：原子核由质子和中子组成，原子核的电荷数等于原子核的质子数。
原子核的大小：原子半径的数量级是10−10m，原子核半径的数量级是10−15m，两者相差10万倍之多，因而原子内部十分空旷。
三、光谱
1、定义
把光用棱镜或光栅按 (频率)展开，获得光的波长(频率)和强度分布的记录，即光谱。
2、分类
线状谱：一条条的 。产生条件为稀薄气体发光形成的光谱。
连续谱：连在一起的 。产生条件为炽热物体发出的白光通过温度较低的气体后，再色散形成的。
3、特征谱线
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，不同原子的亮线位置不同，说明不同原子的发光频率不一样，光谱中的亮线称为原子的特征谱线。
4、氢原子光谱的实验规律
许多情况下光是由原子内部电子的运动产生的，因此光谱是探索原子结构的一条重要途径。
巴耳末系是氢原子光谱在可见光区的谱线，其波长公式eq \f(1,λ)＝Req \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(1,22)－\f(1,n2)))(n＝3,4,5，…)，R是里德伯常量，R＝1.10×107 m－1，n为量子数，此公式称为巴耳末公式。巴耳末公式的意义：以简洁的形式反映了氢原子的线状光谱的特征。
氢光谱在红外和紫外光区的其他谱线也都满足与巴耳末公式类似的关系式。
氢原子光谱按波长展开的谱线如图甲所示，此谱线满足巴耳末公式，…，图乙为氢原子能级图。普朗克常量约为，则（ ）
A．垂直入射到同一单缝衍射装置，光的衍射中央亮条纹宽度小于
B．氢原子从跃迁到能级时会辐射出γ射线
C．氢原子从跃迁到与跃迁到产生光子的动量之比为286∶255
D．在同一光电效应装置中，光照射产生的光电子初动能都大于光照射产生的光电子
四、玻尔理论
1、三条假设
定态假设：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。电子只能在特定轨道上运动，原子的能量只能取一系列特定的值。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。能量最低的状态称为基态，其他的状态叫做激发态。
跃迁假设：原子从一种定态跃迁到另一种定态时，它辐射或吸收一定频率的光子，光子的能量由这两个定态的能量差决定，即hν＝Em－En。(h是普朗克常量，h＝6.63×10－34 J·s)。
轨道量子化假设：原子中的电子在库仑引力的作用下，绕原子核做圆周运动。电子运行轨道的半径不是任意的，也就是说电子的轨道是量子化的。电子在这些轨道上绕核的运动是稳定的，不产生电磁辐射。
2、氢原子跃迁能级图如下所示
如图所示为氢原子的发射光谱和氢原子能级图，、、、是其中的四条光谱线及其波长，分别对应能级图中从量子数为n=3、4、5、6的能级向量子数为n=2的能级跃迁时发出的光谱线。已知可见光波长在400nm~700nm之间，下列说法正确的是（ ）
A．谱线对应的光是可见光中的紫光
B．四条光谱线中，谱线对应的光子能量最大
C．谱线对应的是从n=5的能级向n=2的能级跃迁时发出的光谱线
D．谱线对应的光，照射逸出功为3.20eV的金属，可使该金属发生光电效应
2、玻尔理论的几个重要概念：
①能级：在玻尔理论中，原子各个状态的 。
②基态：原子 最低的状态。
③激发态：在原子能量状态中除基态之外的其他能量较高的 。
④量子数：原子的状态是不连续的，用于表示原子状态的 。
⑤氢原子的能级公式：En＝eq \f(1,n2)E1 （n＝1，2，3，…），其中E1为基态能量，其数值为E1＝－13.6 eV。
⑥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，其数值为r1＝0.53×10－10 m。
3、跃迁类型
氢原子能级跃迁：①从低能级（n）到高能级（m）的跃迁：动能减少，势能增加，原子能量增加，吸收能量，hν＝Em－En；②从高能级（m）到低能级（n）的跃迁：动能增加，势能减少，原子能量减少，放出能量，hν＝Em－En。
受激跃迁：①光照(吸收光子)：光子的能量必须恰好等于能级差，hν＝Em－En；②碰撞、加热等：只要入射粒子能量大于或等于能级差即可，E外≥Em－En。
【注意】只有光子能量恰好等于跃迁所需的能量时,原子才会吸收光子并跃迁到激发态，对于大于电离能的光子可被吸收，可将原子电离。
跃迁产生的谱线条数：①一群原子的核外电子向基态跃迁时发射光子的种类：或者在氢原子能级图中将氢原子跃迁的各种可能情况画出并相加；②一个原子的核外电子向基态跃迁时发射最多光子的种类：。
能级之间发生跃迁时放出(吸收)光子的频率由求得.若求波长可由公式求得。
能级之间发生跃迁时放出(吸收)的光子频率是不连续的。
4、玻尔理论对氢光谱的解析
解释巴耳末公式：巴耳末公式中的正整数n和2正好代表能级跃迁之前和跃迁之后所处的定态轨道的量子数n和2。
解释氢原子光谱的不连续性：原子从较高的能级向低能级跃迁时放出的光子的能量等于前后两个能级之差，由于原子的能级是分立的，所以放出的光子的能量也是分立的，因此原子的发射光谱只有一些分立的亮线。
解释不同原子具有不同的特征谱线：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。
解释气体导电发光：通常情况下，原子处于基态，非常稳定，气体放电管中的原子受到高速运动的电子的撞击，有可能向上跃迁到激发态，处于激发态的原子是不稳定的，会自发地向能量较低的能级跃迁，放出光子，最终回到基态。
5、玻尔理论的局限性
成功之处：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，成功解释了氢原子光谱的实验规律。
局限性：保留了经典粒子的观念，仍然把电子的运动看作经典力学描述下的轨道运动。
【注意】现代物理描述电子引用了电子云的概念。原子中的电子没有确定的坐标值，我们只能描述某时刻电子在某个位置出现概率的多少，把电子这种概率分布用疏密不同的点表示时，这种图像就像云雾一样分布在原子核周围，故称电子云。
4、电离
电离是指原子从基态(n＝1)或某一激发态(n≥2)跃迁到n＝∞状态的现象。
电离能：指原子从基态或某一激发态跃迁到电离态所需要吸收的最小能量。
对于氢原子：①基态→电离态：E吸＝0－(－13.6 eV)＝13.6 eV，即为基态的电离能；②n＝2→电离态：E吸＝0－E2＝3.4 eV，即为n＝2激发态的电离能。
【注意】如果原子吸收能量足够大，克服电离能后，电离出的自由电子还具有一部分动能。
5、原子结构问题的解题规律
库仑定律：,可以用来确定电子和原子核、α粒子和原子核间的相互作用力。
圆周运动知识：用来分析电子绕原子核做匀速圆周运动的问题。
功能关系：分析由于库仑力做功引起的带电粒子在原子核周围运动时动能、电势能之间的转化问题。
核心考点03 原子核
一、原子核
1、原子核的组成
原子核是由质子和中子组成的，原子核的电荷数等于核内的质子数。
2、原子核的符号
原子核常用eq \\al(A,Z)X表示，X为元素符号，上角标A表示核的质量数，下角标Z表示核的电荷数(原子序数)，如下图所示。
3、同位素
同位素是具有相同的 数而 数不同的原子核，在元素周期表中处于同一位置。
原子核内的质子数决定了核外电子的数目，进而也决定了元素的 。
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，但它们的中子数不同，所以它们的物理性质不同。
4、天然放射现象
放射性元素自发地发出射线的现象，首先由贝可勒尔发现。天然放射现象的发现，说明原子核具有复杂的结构。
5、三种放射线
二、原子核衰变
1、原子核衰变
原子核自发地放出α粒子或β粒子，变成另一种原子核的变化称为原子核的衰变。
进行α衰变时，质量数减少4，电荷数减少2。
进行β衰变时，质量数不变，电荷数加1。
2、两者衰变类型
γ射线经常是伴随着α衰变或β衰变同时产生的。其实质是放射性原子核在发生α衰变或β衰变的过程中，产生的新核具有过多的能量(核处于激发态)，从而辐射出光子。
3、衰变在电场、磁场中偏转情况的比较
在匀强磁场中，α射线偏转半径较大，β射线偏转半径较小，γ射线不会偏转；在匀强电场中，α射线偏离较小，β射线偏离较大，γ射线不会偏离，如下图所示。
4、确定衰变次数的方法
因为β衰变对质量数无影响，先由质量数的改变确定α衰变的次数，然后再根据衰变规律确定β衰变的次数。例如： ZAX→Z'A'Y+n24He+m-10e，则A=A'+4n,Z=Z'+2n-m，求解以上两式即可求出n＝eq \f(A－A′,4)，m＝eq \f(A－A′,2)＋Z′－Z。
如图，某放射性元素的原子核静止在匀强磁场中的点，该原子核发生衰变后，放出一个粒子和一个新核，它们速度方向与磁场方向垂直，轨迹的半径之比为，重力、阻力和库仑力均不计，说法正确的是（ ）
A．粒子和新核的动量比为 B．放射性元素原子核的电荷数是90
C．可能的核反应方程为 D．衰变前原子核的比结合能大于衰变后新核的比结合能
三、半衰期
1、定义
放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间叫半衰期。
【注意】半衰期是大量原子核衰变时的统计规律，对个别或少量原子核，无半衰期可言。
2、特点
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，跟原子所处的化学状态和外部条件没有关系。
3、适用条件
半衰期描述的是统计规律，不适用于少数原子核的衰变。
4、公式
，，。式中N原、m原表示衰变前的放射性元素的原子数和质量,N余、m余表示衰变后尚未发生衰变的放射性元素的原子数和质量， n表示单位时间内放出的射线粒子数，t表示衰变时间,τ表示半衰期。
3、影响因素
放射性元素衰变的快慢是由原子核内部自身因素决定的，跟原子所处的物理状态(如温度、压强)或化学状态(如单质、化合物)无关。
4、应用
利用其射线：α射线电离性强，用于使空气电离，将静电泄出，从而消除有害静电。γ射线贯穿性强，可用于金属探伤，也可用于治疗恶性肿瘤。各种射线均可使DNA发生突变，可用于生物工程，基因工程。
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。一般都使用人工制造的放射性同位素（种类齐全，各种元素都有人工制造的放射性同位。半衰期短，废料容易处理。可制成各种形状，强度容易控制）。
示踪原子：用于研究农作物化肥需求情况，诊断甲状腺疾病的类型，研究生物大分子结构及其功能。
两种放射性元素的半衰期分别为t0和2t0，在t＝0时刻这两种元素的原子核总数为N，在t＝2t0时刻，尚未衰变的原子核总数为eq \f(N,3)，则在t＝4t0时刻，尚未衰变的原子核总数为( )
A.eq \f(N,12) B.eq \f(N,9) C.eq \f(N,8) D.eq \f(N,6)
四、核反应
1、定义
原子核在其他粒子的轰击下产生新 或者发生状态变化的过程。
2、类型
衰变、人工转变、裂变和聚变，如下表所示。
2、核裂变
核裂变：铀核在被中子轰击后分裂成两块质量差不多的碎块，这类核反应定名为核裂变。
铀核裂变：用中子轰击铀核时，铀核发生裂变，其产物是多种多样的，其中一种典型的反应是eq \\al(235, 92)U＋eq \\al(1,0)n→eq \\al(144, 56)Ba＋eq \\al(89,36)Kr＋3eq \\al(1,0)n。
链式反应：中子轰击重核发生裂变后，裂变释放的中子继续与其他重核发生反应，引起新的核裂变，使核裂变反应一代接一代继续下去，这样的过程叫做核裂变的链式反应。
临界体积和临界质量：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，相应的质量叫做临界质量。
3、核电站
核电站：利用核能发电，它的核心设施是反应堆，它的主要部件如下表所示。
工作原理：核燃料发生核裂变释放的能量使反应区温度升高，水或液态的金属钠等流体在反应堆内外循环流动，把反应堆内的热量传输出去，用于发电，同时也使反应堆冷却。
5、核聚变
两个轻核结合成质量较大的核，这样的核反应叫做核聚变。
核反应方程：eq \\al(2,1)H＋eq \\al(3,1)H→eq \\al(4,2)He＋eq \\al(1,0)n＋17.6 MeV。
条件：要使轻核发生聚变，必须使轻核间的距离达到核力发生作用的距离10－15 m以内，这要克服原子核间巨大的库仑斥力作用，使轻核具有足够大的动能。要使原子核具有足够大的动能，有一种方法就是给它们加热，使物质达到几百万开尔文的高温。
轻核聚变是放能反应：从比结合能的图线看，轻核聚变后比结合能增加，因此聚变反应是一个放能反应。
重核裂变与轻核聚变的区别如下表所示。
6、核反应方程的书写
熟记常见粒子的符号是正确书写核反应方程的基础。如质子(11H)、中子(01n)、α粒子(24He)、β粒子(-10e)、正电子(10e)、氘核(12H)、氚核(13H)等。
掌握核反应方程遵循的规律是正确书写核反应方程或判断某个核反应方程是否正确的依据。由于核反应不可逆，因此书写核反应方程式时只能用“→”表示反应方向。
核反应过程中质量数守恒，电荷数守恒。
【注意】核反应过程一般都是不可逆的，所以核反应方程只能用单向箭头连接并表示反应方向，不能用等号连接。
核反应的生成物一定要以实验为基础，不能凭空只依据两个守恒规律杜撰出生成物来写核反应方程。
核反应遵循质量数守恒而不是质量守恒，核反应过程中反应前后的总质量一般会发生变化。
核反应遵循电荷数守恒。
五、质量亏损和核能
1、核力
原子核中的核子之间存在一种很强的相互作用，即存在一种核力，它使得核子紧密地结合在一起，形成稳定的原子核。这种作用称为强相互作用。
2、核力的特点
强相互作用是短程力，作用范围只有约10－15m。
距离增大时，强相互作用急剧减小，超过10－15m，相互作用不存在。
核力具有饱和性。核子只对相邻的少数核子产生较强的引力，而不是与核内所有核子发生作用。
核力具有电荷无关性。核力与核子电荷无关。
3、结合能
原子核是核子凭借核力结合在一起构成的，要把它们分开，也需要能量，这就是原子核的 。
4、比结合能
原子核的结合能与 之比，叫做比结合能，也叫做平均结合能。
比结合能越大，原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定。中等大小的核的比结合能最大，最稳定。
比结合能的曲线如下图所示，从图中可看出，中等大小的核的比结合能最大，轻核和重核的比结合能都比中等大小的核的比结合能要小。
【注意】原子核中质子与中子的比例关系：较轻的原子核质子数与中子数大致相等，但对于较重的原子核，其中子数大于质子数，越重的原子核，两者相差越多。原因：若质子与中子成对地人工构建原子核，随原子核的增大，核子间的距离增大，核力和电磁力都会减小，但核力减小得更快。所以当原子核增大到一定程度时，相距较远的质子间的核力不足以平衡它们之间的库仑力，这个原子核就不稳定了；②若只增加中子，因为中子与其他核子没有库仑斥力，但有相互吸引的核力，所以有助于维系原子核的稳定，所以稳定的重原子核中子数要比质子数多；③由于核力的作用范围是有限的，以及核力的饱和性，若再增大原子核，一些核子间的距离会大到其间根本没有核力的作用，这时候再增加中子，形成的核也一定是不稳定的。
5、核能
核反应中放出的能量叫核能。
6、质量亏损
核子结合生成原子核，所生成的原子核的质量比生成它的核子的总质量要小些，这种现象叫做质量亏损。
7、质能方程
，该式表明物体的能量和质量之间存在着密切的联系。
质能方程的另一个表达形式是：。以上两式中的各个物理量都必须采用国际单位。在非国际单位里，可以用1u=931.5MeV。它表示1原子质量单位的质量跟931.5MeV的能量相对应。在有关核能的计算中，一定要根据已知和题解的要求明确所使用的单位制。
5、核能的计算方法
根据ΔE=Δmc2计算，计算时Δm的单位是“kg”，c的单位是“m/s”，ΔE的单位是“J”。
根据ΔE=Δm×931.5 MeV/u计算，因1原子质量单位(1u)相当于931.5MeV，所以计算时Δm的单位是“u”，ΔE的单位是“MeV”。
根据核子比结合能来计算核能：原子核的结合能=核子比结合能×核子数。
有时可结合动量守恒和能量守恒进行分析计算，此时应注意动量、动能关系式p2＝2mEk的应用。
【注意】核反应前系统内所有原子核的总结合能与反应后生成的所有新核的总结合能之差,就是该核反应所释放(或吸收)的核能。
6、对质能方程的理解
一定的能量和一定的质量相联系,物体的总能量和它的质量成正比,即E=mc2。方程的含义为物体具有的能量与它的质量之间存在简单的正比关系，物体的能量增大，质量也增大；物体的能量减少，质量也减少。
核子在结合成原子核时出现质量亏损Δm，其能量也要相应减少，即ΔE=Δmc2。
原子核分解成核子时要吸收一定的能量，相应的质量增加Δm，吸收的能量为ΔE=Δmc2。
7、核能释放的途径
凡是释放核能的核反应都有质量亏损。核子组成不同的原子核时，平均每个核子的质量亏损是不同的，所以各种原子核中核子的平均质量不同。核子平均质量小的，每个核子平均放的能多。铁原子核中核子的平均质量最小，所以铁原子核最稳定。凡是由平均质量大的核，生成平均质量小的核的核反应都是释放核能的。
研究表明原子核的质量虽然随着原子序数的增大而增大，但是二者之间并不成正比关系，其核子的平均质量（原子核的质量除以核子数）与原子序数的关系如图所示，一般认为大于铁原子核质量数（56）的为重核，小于则为轻核，下列对该图像的说法错误的是（ ）
A．从图中可以看出，Fe原子核最稳定
B．从图中可以看出，重核A裂变成原子核B和C时，释放核能
C．从图中可以看出，轻核D和E发生聚变生成原子核F时，释放核能
D．从图中可以看出，重核随原子序数的增加，其比结合能变大
六、基本粒子
1、分类
2、夸克
1964年美国物理学家盖尔曼等人提出了夸克模型，认为强子是由夸克构成的。
夸克的种类：上夸克(u)、下夸克(d)、奇异夸克(s)、粲夸克(c)、底夸克(b)和顶夸克(t)。
夸克所带电荷：夸克所带的电荷是元电荷的＋eq \f(2,3)或－eq \f(1,3)。
意义：电子电荷不再是电荷的最小单元，即存在分数电荷。
七、近代物理的相关实验、粒子发现小结
1、最早发现的光电效应
1887年，赫兹研究电磁波实验中偶尔发现，接受电路间隙如果受到光照，更容易产生火花。
2、光电效应
证明光具有粒子性,表明光具有能量。
3、 康普顿效应
证明光具有粒子性,表明光具有动量。
4、光栅衍射(劳厄)
证实伦琴射线就是波长为十分之几纳米的电磁波。
5、电子束衍射实验(戴维孙、G.P.汤姆孙)
证实电子的波动性。
6、汤姆孙的气体放电管
发现电子，测量电荷量但不很准确，在汤姆孙之前有两个人已经测量出阴极射线微粒的比荷。
7、密立根油滴实验
精确测量电子电荷量，发现电荷时量子化的。
8、α散射实验
占原子质量绝大部分的带正电的那部分物质集中在很小的空间范围。
9、线状光谱
说明原子只发出集中特定频率的光，发现电磁波发射或吸收的分力特性。
10、弗兰克-赫兹实验
证实原子中分立的能级的存在，证明汞原子的能量是量子化。
11、阴极射线
原子内部有结构。
12、天然放射现象
原子核内部结构信息。
13、居里夫妇
对铀和含铀的各种矿物进行深入研究。
14、质子
卢瑟福用α粒子轰击氮核，打出新粒子。
15、中子
卢瑟福预言中子的存在，查德威克证实。
16、X射线
伦琴在进行阴极射线的实验时第一次注意到放在射线管附近的氰亚铂酸钡小屏上发出微光。
17、第一次人工核反应
18、新粒子的发现
1932年发现了正电子。
1937年发现了μ子。
1947年发现了K介子和π介子。
20世纪60年代后发现超子。
1983年在欧洲原子能研究中心(CERN)发现W及Z玻色子。
常考考点
真题举例
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热辐射特点
吸收、反射特点
一般
物体
辐射电磁波的情况与温度、材料的种类及表面状况有关
既吸收又反射，其能力与材料的种类及入射波长等因素有关
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
完全吸收各种入射电磁波，不反射
电压情况
内容
图例
光电管加正向电压
P右移时，参与导电的光电子数增加；P移到某一位置时，所有逸出的光电子恰好都参与了导电，光电流恰好达到最大值；P再右移时,光电流不再增大。
光电管加反向电压
P右移时，参与导电的光电子数减少；P移到某一位置时，所有逸出的光电子恰好都不参与导电，光电流恰好为0，此时光电管两端加的电压为遏止电压；P再右移时,光电流始终为0。
图像名称
图线形状
考点
大初动能Ek与入射光频率ν的关系图线
①截止频率：图线与ν轴交点的横坐标νc
②逸出功：图线与Ek轴交点的纵坐标的值W0＝|－E|＝E
③普朗克常量：图线的斜率k＝h
颜色相同、强度不同的光，光电流与电压的关系
①遏止电压Uc：图线与横轴的交点
②饱和光电流Im：电流的最大值
③最大初动能：Ekm＝eUc
颜色不同时，光电流与电压的关系
①遏止电压Uc1、Uc2
②饱和光电流
③最大初动能Ek1＝eUc1，Ek2＝eUc2
遏止电压Uc-ν的关系图线，表达式为：Uc＝eq \f(h,e)ν－eq \f(W0,e)
①截止频率νc：图线与横轴的交点
②遏止电压Uc：随入射光频率的增大而增大
③普朗克常量h：等于图线的斜率与电子电量的乘积，即h＝ke。(注：此时两极之间接反向电压)
学说名称
微粒说
波动说
电磁说
光子说
波粒二象性
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
理论领域
宏观世界
宏观世界
微观世界
微观世界
微观世界
种类
α射线
β射线
γ射线
本质
高速氦核流
高速电子流
光子流(高频电磁波)
电荷量
2e
-e
0
质量
4mp,
mp=1.67×10-27 kg
mp1 836
静止质量为零
速度
0.1c
0.99c
c
在电场磁场中
偏转
与α射线偏转方向相反
不偏转
贯穿本领
最弱,用纸能挡住
较强,能穿透几毫米的铝板
最强,能穿透几厘米的铅板
对空气的
电离作用
很强
较弱
很弱
衰变类型
α衰变
β衰变
衰变过程
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
衰变规律
电荷数守恒、质量数守恒、动量守恒
类型
可控性
核反应方程典例
衰变
α衰变
自发
eq \\al(238, 92)U→eq \\al(234, 90)Th＋eq \\al(4,2)He
β衰变
自发
eq \\al(234, 90)Th→eq \\al(234, 91)Pa＋eq \\al( 0,－1)e
人工转变
人工控制
eq \\al(14, 7)N＋eq \\al(4,2)He→eq \\al(17, 8)O＋eq \\al(1,1)H
(卢瑟福发现质子)
eq \\al(4,2)He＋eq \\al(9,4)Be→eq \\al(12, 6)C＋eq \\al(1,0)n
(查德威克发现中子)
eq \\al(27,13)Al＋eq \\al(4,2)He→eq \\al(30,15)P＋eq \\al(1,0)n
约里奥－居里夫妇发现放射性同位素，同时发现正电子
eq \\al(30,15)P→eq \\al(30,14)Si＋eq \\al( 0,＋1)e
重核裂变
容易控制
eq \\al(235, 92)U＋eq \\al(1,0)n→eq \\al(144, 56)Ba＋eq \\al(89,36)Kr＋3eq \\al(1,0)n
eq \\al(235, 92)U＋eq \\al(1,0)n→eq \\al(136, 54)Xe＋eq \\al(90,38)Sr＋10eq \\al(1,0)n
轻核聚变
现阶段很难控制
eq \\al(2,1)H＋eq \\al(3,1)H→eq \\al(4,2)He＋eq \\al(1,0)n
组成部分
材料
作用
裂变材料(核燃料)
浓缩铀
提供核燃料
减速剂(慢化剂)
石墨、重水或普通水(也叫轻水)
使裂变产生的快中子减速
控制棒
镉棒
吸收中子，控制反应速度
热交换器
水或液态的金属钠
传输热量
防护层
厚水泥层
防止放射线泄露，对人体及其他生物体造成伤害
重核裂变
轻核聚变
放能原理
重核分裂成两个或多个中等质量的原子核，放出核能
两个轻核结合成质量较大的原子核，放出核能
放能多少
聚变反应比裂变反应平均每个核子放出的能量要大3～4倍
分类
参与的相互作用
发现的粒子
说明
强子
参与强相互作用
质子、中子
强子有内部结构，由“夸克”构成；强子又分为介子和重子两类
轻子
不参与强相互作用
电子、电子中微子、μ子、μ子中微子、τ子、τ子中微子
未发现内部结构
规范玻色子
传递各种相互作用
光子、中间玻色子(W和Z玻色子)、胶子
光子传递电磁相互作用，中间玻色子传递弱相互作用，胶子传递强相互作用
希格斯玻色子
希格斯玻色子是希格斯场的量子激发。
基本粒子因与希格斯场耦合而获得质量。
2012年，欧洲核子研究中心利用大型强子对撞机发现了希格斯玻色子。