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第20讲 原子物理与相对论初步
知识精讲
一．光电效应图象
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ν的关系图线 ①极限频率：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的绝对值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：光电流的最大值 ③最大初动能：Ek＝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与入射光频率ν的关系图线 ①极限频率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荷量的乘积，即h＝ke.(注：此时两极之间接反向电压)
二．玻尔的原子理论：
定态理论（量子化能级）：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稳定的，电子虽做加速运动，但并不向外辐射能量，这些状态叫做定态。
　　跃迁假设：原子从一种定态（能量Em）跃迁到另一种定态（能量En）时，要辐射（或吸收）一定频率的光子，光子能量（hv）由这两个定态的能量差决定的。即hv=Em-En。
　　轨道假设（量子化轨道）：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（能量）是不连续的，与它相对应的电子轨道分布也是不连续的。只有满足轨道半径跟电子动量乘积等于的整数倍，才是可能轨道，即： 其中n是正整数叫做量子数。
玻尔模型中的氢和类氢原子半径和电子在每一个轨道上的总能量。
三．质量亏损及核能的计算
1.利用质能方程计算核能
(1)根据核反应方程，计算出核反应前与核反应后的质量亏损Δm.
(2)根据爱因斯坦质能方程ΔE＝Δmc2计算核能.
质能方程ΔE＝Δmc2中Δm的单位用“kg”，c的单位用“m/s”，则ΔE的单位为“J”.
(3)ΔE＝Δmc2中，若Δm的单位用“u”，则可直接利用ΔE＝Δm×931.5 MeV计算ΔE，此时ΔE的单位为“MeV”，即1 u＝1.660 6×10－27 kg，相当于931.5 MeV，这个结论可在计算中直接应用.
2.利用比结合能计算核能
原子核的结合能＝核子的比结合能×核子数.
核反应中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.
四．相对论初步
1..时间延缓效应
经典时空观认为，时间是绝对时间，就像一条长河，源源不断地从过去到现在直至将来，与运动无关。而相对论时空观则认为，当时钟相对于观测者静止时，时钟走得快些； 当时钟相对于观测者高速运动时，观测者则认为时钟变慢了。
分析：在此过程中车上的钟走过的时间为Δt1，称固有时.静止在地面上的观察者看来，由于列车在高速行驶测得该过程经历的时间为Δt设车厢高度为h，列车行驶速度为v,则Δt＝。
爱因斯坦曾预言，两个校准好的钟，当一个沿闭合路线运动返回原地时，它记录的时间比原地不动的钟会慢一些。这已被高精度的铯原子钟超音速环球飞行实验证实。在相对论时空观中，运动时钟时间与静止时钟时间的关系：Δt＝。由于v＜c，所以Δt＞Δt′，即运动的钟比静止的钟走得慢。这种效应被称为时间延缓。
2.长度收缩效应:
长度的测量方法：同时测出杆的两端M、N的位置坐标，坐标之差就是测出的杆长.
如果与杆相对静止的人认为杆长为l0.
与杆相对运动的人认为杆长为l.
则l＝l0.
一根相对于观测者沿自身长度方向运动的杆，其被测长度总比杆相对观测者静止时的被测长度小，而在与运动方向垂直的方向上，没有这种效应.
按照狭义相对论时空观，空间也与运动密切相关，即对某物体空间广延性的观测，与观测者和该物体的相对运动有关。观测长度l′与静止长度l之间的关系：l′＝l，由于v3.质能关系
(1)经典物理学的观点
经典力学认为物体的质量是物体的固有属性，由物体所含物质的多少决定，与物体所处的时空和运动状态无关。由牛顿第二定律F＝ma可知，只要物体的受力足够大、作用时间足够长，物体将能加速到光速或超过光速。
(2)相对论的观点
由狭义相对论和其他物理原理，可推知物体的质量是变化的。当物体在所处的惯性参考系静止时，它具有最小的质量m0，这个最小质量叫静止质量。当物体以速度v相对某惯性参考系运动时，在这个惯性参考系观测到的质量为m＝。
2.质能关系
(1)经典物理学的观点
在经典物理学中，质量和能量是两个独立的概念。
(2)相对论的观点
由相对论及基本力学定律可推出质量和能量的关系为E＝mc2或ΔE＝Δmc2。
根据爱因斯坦的质能关系，人们利用重核裂变反应前、后质量亏损释放大量能量发电及制造原子弹。
典型例题
1.（北约自主招生）一个具有放射性的原子核 A 放射一个 β 粒子后变成原子核 B，原子核 B 再放射一个 α 粒子后变成原子核 C，可以肯定的是( )
A．原子核 A 比原子核 B 多 2 个中子
B．原子核 A 比原子核 C 多 2 个中子
C．原子核为 A 的中性原子中的电子数，比原子核为 B 的中性原子中的电子数少 1
D．原子核为 A 的中性原子中的电子数，比原子核为 C 的中性原子中的电子数少 1
2.（华约自主招生）一铜板暴露在波长λ=200nm 的紫外光中，观测到有电子从铜板表面逸出。当在铜板所在空间加一方向垂直于板面、大小为 E=15V/m 的电场时，电子能运动到距板面的最大距离为10 cm。 已知光速 c与普朗克常数h 的乘积为1.24×10-6eVm， 则铜板的截止波长约为 （ ）
A．240nm B．260nm
C．280nm D．300nm
3.（北约）固定在地面上的两激光器A 和B相距为L0，有大木板平行贴近地面以速度 v=0.6c 相对地面沿 AB 连线方向高速运动。地面参考系某时刻，两激光器同时发射激光在运动木板上形成点状灼痕 A’和B’。此后，让大木板缓慢减速至静止后，测量两灼痕的间距为L= L0。随原木板高速运动的惯性参考系的观察者认为，两束激光不是同时， 应存在发射时间差△t’= L0/c。
4.（华约自主招生）根据波尔原子理论，当某个氢原子吸收一个光子后，
A．氢原子所在能级下降
B．氢原子电势能增大
C．电子绕核运动的半径减小
D．电子绕核运动的动能增加
5.（清华五校）在光电效应实验中，先后用频率相同但光强不同的两束光照射同一个光电管。若实验a中的光强大于实验b中的光强，实验所得光电流I与光电管两端所加电压U间的关系曲线分别以a、b表示，则下列4图中可能正确的是 （ ）
6.（复旦）两放射性元素样品A与B，当A有15/16的原子核发生了衰变时，B恰好有63/64的原子核发生了衰变，则A与B的半衰期之比TA∶TB应为________。
A．2∶3 B．3∶2
C．5∶2l D．21∶5
7.（卓越自主招生）通过荧光光谱分析可以探知元素的性质，荧光光谱分析仪是通过测量电子从激发态跃迁到基态时释放的光子频率来实现的。激发态的原子可以采用激光照射基态原子的方法来获得。现用激光照射迎着激光而来的一离子束，使其电子从基态跃迁到激发态，已知离子质量为，电荷量为（），假设该离子束处于基态时的速度分布如图所示，为该离子束中离子的最大速度（）。
（1）速度为的离子束迎着发射频率为的激光运动时，根据经典多普勒效应，接收到此激光的频率为，其中为光速。设波长为的激光能够激发速度的基态离子，若要激发全部离子，试推断激光的波长范围。
（2）若用电压为的加速电场加速处于基态的离子束，试推断离子束的速度分布的范围是变大了还是变小了；加速后的基态离子束再被激发，那么激光的波长范围与（1）问的结论相比如何变化。
8.（清华五校）A、B、C三个物体（均可视为质点）与地球构成一个系统，三个物体分别受恒外力FA、FB、FC的作用。在一个与地面保持静止的参考系S中，观测到此系统在运动过程中动量守恒、机械能也守恒。S'系是另一个相对S系做匀速直线运动的参考系，讨论上述系统的动量和机械能在S'系中是否也守恒。（功的表达式可用WF =F.S的形式，式中F为某个恒力，S为在力F作用下的位移）
9.（清华保送生测试）物理学家在微观领域发现了“电子偶数”这一现象。所谓“电子偶数”就是由一个负电子和一个正电子绕它们的质量中心旋转形成的相对稳定的系统。已知正负电子的质量均为m，电量大小均为e，普朗克常数h，静电力恒量 k。
（1）用波尔模型推算“电子偶数”的基态半径；
（2）求赖曼线产生光子的最高频率。
10.（19届预赛）在相对于实验室静止的平面直角坐标系中，有一个光子，沿轴正方向射向一个静止于坐标原点的电子．在轴方向探测到一个散射光子．已知电子的静止质量为，光速为,入射光子的能量与散射光子的能量之差等于电子静止能量的1／10．
1．试求电子运动速度的大小,电子运动的方向与轴的夹角；电子运动到离原点距离为（作为已知量）的点所经历的时间．
2．在电子以1中的速度开始运动时，一观察者相对于坐标系也以速度沿中电子运动的方向运动(即相对于电子静止)，试求测出的的长度．
参考解答
（1）由能量与速度关系及题给条件可知运动电子的能量为
（1）
由此可解得
（2）
入射光子和散射光子的动量分别为和，方向如图复解19-6所示。电子的动量为，为运动电子的相对论质量。由动量守恒定律可得
（3）
（4）
已知 （5）
由（2）、（3）、（4）、（5）式可解得
（6）
（7）
（8）
电子从点运动到所需时间为
（9）
（2）当观察者相对于沿方向以速度运动时，由狭义相对论的长度收缩效应得
（10）
（11）第20讲 原子物理与相对论初步
知识精讲
一．光电效应图象
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ν的关系图线 ①极限频率：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的绝对值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：光电流的最大值 ③最大初动能：Ek＝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与入射光频率ν的关系图线 ①极限频率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荷量的乘积，即h＝ke.(注：此时两极之间接反向电压)
二．玻尔的原子理论：
定态理论（量子化能级）：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稳定的，电子虽做加速运动，但并不向外辐射能量，这些状态叫做定态。
　　跃迁假设：原子从一种定态（能量Em）跃迁到另一种定态（能量En）时，要辐射（或吸收）一定频率的光子，光子能量（hv）由这两个定态的能量差决定的。即hv=Em-En。
　　轨道假设（量子化轨道）：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（能量）是不连续的，与它相对应的电子轨道分布也是不连续的。只有满足轨道半径跟电子动量乘积等于的整数倍，才是可能轨道，即： 其中n是正整数叫做量子数。
玻尔模型中的氢和类氢原子半径和电子在每一个轨道上的总能量。
三．质量亏损及核能的计算
1.利用质能方程计算核能
(1)根据核反应方程，计算出核反应前与核反应后的质量亏损Δm.
(2)根据爱因斯坦质能方程ΔE＝Δmc2计算核能.
质能方程ΔE＝Δmc2中Δm的单位用“kg”，c的单位用“m/s”，则ΔE的单位为“J”.
(3)ΔE＝Δmc2中，若Δm的单位用“u”，则可直接利用ΔE＝Δm×931.5 MeV计算ΔE，此时ΔE的单位为“MeV”，即1 u＝1.660 6×10－27 kg，相当于931.5 MeV，这个结论可在计算中直接应用.
2.利用比结合能计算核能
原子核的结合能＝核子的比结合能×核子数.
核反应中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.
四．相对论初步
1..时间延缓效应
经典时空观认为，时间是绝对时间，就像一条长河，源源不断地从过去到现在直至将来，与运动无关。而相对论时空观则认为，当时钟相对于观测者静止时，时钟走得快些； 当时钟相对于观测者高速运动时，观测者则认为时钟变慢了。
分析：在此过程中车上的钟走过的时间为Δt1，称固有时.静止在地面上的观察者看来，由于列车在高速行驶测得该过程经历的时间为Δt设车厢高度为h，列车行驶速度为v,则Δt＝。
爱因斯坦曾预言，两个校准好的钟，当一个沿闭合路线运动返回原地时，它记录的时间比原地不动的钟会慢一些。这已被高精度的铯原子钟超音速环球飞行实验证实。在相对论时空观中，运动时钟时间与静止时钟时间的关系：Δt＝。由于v＜c，所以Δt＞Δt′，即运动的钟比静止的钟走得慢。这种效应被称为时间延缓。
2.长度收缩效应:
长度的测量方法：同时测出杆的两端M、N的位置坐标，坐标之差就是测出的杆长.
如果与杆相对静止的人认为杆长为l0.
与杆相对运动的人认为杆长为l.
则l＝l0.
一根相对于观测者沿自身长度方向运动的杆，其被测长度总比杆相对观测者静止时的被测长度小，而在与运动方向垂直的方向上，没有这种效应.
按照狭义相对论时空观，空间也与运动密切相关，即对某物体空间广延性的观测，与观测者和该物体的相对运动有关。观测长度l′与静止长度l之间的关系：l′＝l，由于v3.质能关系
(1)经典物理学的观点
经典力学认为物体的质量是物体的固有属性，由物体所含物质的多少决定，与物体所处的时空和运动状态无关。由牛顿第二定律F＝ma可知，只要物体的受力足够大、作用时间足够长，物体将能加速到光速或超过光速。
(2)相对论的观点
由狭义相对论和其他物理原理，可推知物体的质量是变化的。当物体在所处的惯性参考系静止时，它具有最小的质量m0，这个最小质量叫静止质量。当物体以速度v相对某惯性参考系运动时，在这个惯性参考系观测到的质量为m＝。
2.质能关系
(1)经典物理学的观点
在经典物理学中，质量和能量是两个独立的概念。
(2)相对论的观点
由相对论及基本力学定律可推出质量和能量的关系为E＝mc2或ΔE＝Δmc2。
根据爱因斯坦的质能关系，人们利用重核裂变反应前、后质量亏损释放大量能量发电及制造原子弹。
典型例题
1.（北约自主招生）一个具有放射性的原子核 A 放射一个 β 粒子后变成原子核 B，原子核 B 再放射一个 α 粒子后变成原子核 C，可以肯定的是( )
A．原子核 A 比原子核 B 多 2 个中子
B．原子核 A 比原子核 C 多 2 个中子
C．原子核为 A 的中性原子中的电子数，比原子核为 B 的中性原子中的电子数少 1
D．原子核为 A 的中性原子中的电子数，比原子核为 C 的中性原子中的电子数少 1
2.（华约自主招生）一铜板暴露在波长λ=200nm 的紫外光中，观测到有电子从铜板表面逸出。当在铜板所在空间加一方向垂直于板面、大小为 E=15V/m 的电场时，电子能运动到距板面的最大距离为10 cm。 已知光速 c与普朗克常数h 的乘积为1.24×10-6eVm， 则铜板的截止波长约为 （ ）
A．240nm B．260nm
C．280nm D．300nm
3.（北约）固定在地面上的两激光器A 和B相距为L0，有大木板平行贴近地面以速度 v=0.6c 相对地面沿 AB 连线方向高速运动。地面参考系某时刻，两激光器同时发射激光在运动木板上形成点状灼痕 A’和B’。此后，让大木板缓慢减速至静止后，测量两灼痕的间距为L= L0。随原木板高速运动的惯性参考系的观察者认为，两束激光不是同时， 应存在发射时间差△t’= L0/c。
4.（华约自主招生）根据波尔原子理论，当某个氢原子吸收一个光子后，
A．氢原子所在能级下降
B．氢原子电势能增大
C．电子绕核运动的半径减小
D．电子绕核运动的动能增加
5.（清华五校）在光电效应实验中，先后用频率相同但光强不同的两束光照射同一个光电管。若实验a中的光强大于实验b中的光强，实验所得光电流I与光电管两端所加电压U间的关系曲线分别以a、b表示，则下列4图中可能正确的是 （ ）
6.（复旦）两放射性元素样品A与B，当A有15/16的原子核发生了衰变时，B恰好有63/64的原子核发生了衰变，则A与B的半衰期之比TA∶TB应为________。
A．2∶3 B．3∶2
C．5∶2l D．21∶5
7.（卓越自主招生）通过荧光光谱分析可以探知元素的性质，荧光光谱分析仪是通过测量电子从激发态跃迁到基态时释放的光子频率来实现的。激发态的原子可以采用激光照射基态原子的方法来获得。现用激光照射迎着激光而来的一离子束，使其电子从基态跃迁到激发态，已知离子质量为，电荷量为（），假设该离子束处于基态时的速度分布如图所示，为该离子束中离子的最大速度（）。
（1）速度为的离子束迎着发射频率为的激光运动时，根据经典多普勒效应，接收到此激光的频率为，其中为光速。设波长为的激光能够激发速度的基态离子，若要激发全部离子，试推断激光的波长范围。
（2）若用电压为的加速电场加速处于基态的离子束，试推断离子束的速度分布的范围是变大了还是变小了；加速后的基态离子束再被激发，那么激光的波长范围与（1）问的结论相比如何变化。
8.（清华五校）A、B、C三个物体（均可视为质点）与地球构成一个系统，三个物体分别受恒外力FA、FB、FC的作用。在一个与地面保持静止的参考系S中，观测到此系统在运动过程中动量守恒、机械能也守恒。S'系是另一个相对S系做匀速直线运动的参考系，讨论上述系统的动量和机械能在S'系中是否也守恒。（功的表达式可用WF =F.S的形式，式中F为某个恒力，S为在力F作用下的位移）
9.（清华保送生测试）物理学家在微观领域发现了“电子偶数”这一现象。所谓“电子偶数”就是由一个负电子和一个正电子绕它们的质量中心旋转形成的相对稳定的系统。已知正负电子的质量均为m，电量大小均为e，普朗克常数h，静电力恒量 k。
（1）用波尔模型推算“电子偶数”的基态半径；
（2）求赖曼线产生光子的最高频率。
10.（19届预赛）在相对于实验室静止的平面直角坐标系中，有一个光子，沿轴正方向射向一个静止于坐标原点的电子．在轴方向探测到一个散射光子．已知电子的静止质量为，光速为,入射光子的能量与散射光子的能量之差等于电子静止能量的1／10．
1．试求电子运动速度的大小,电子运动的方向与轴的夹角；电子运动到离原点距离为（作为已知量）的点所经历的时间．
2．在电子以1中的速度开始运动时，一观察者相对于坐标系也以速度沿中电子运动的方向运动(即相对于电子静止)，试求测出的的长度．

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