1、第十五章 光的波粒二象性 15.1 早期的微粒说和波动说 一、牛顿的微粒说牛顿认为光是一种沿直线前进的弹性粒子 二、惠更斯的波动说惠更斯认为光是某种振动以波的形式向外传播 三、麦克斯韦的电磁波理论 四、爱因斯坦的光子说光由光子组成，在空间传播的光不是连续的，而是一份一份的，每一份叫做一个光子，每个光子具有能量 h=6.631034Js 五、光的波粒二象性：个别光子的行为显示出粒子性；大量光子的作用显示出波动性,15.2 光的干涉(Interference of Light) 一、光的干涉 定义：由两束振动情况完全相同的光在空间相互叠加，在一些地方相互加强，在另一些地方相互削弱的现象。干涉条件
2、（相干光源） 两列波具有相同的频率； 相同的振动方向； 有固定的相位差。,二、杨氏双缝干涉实验,杨氏实验的解释,杨氏双缝干涉条纹等间隔； 对双缝的要求：间距小，到单缝的距离相等。 波长长则间隔宽； 亮区和暗区逐渐变化； 白色光由多种色光组成，干涉亮区位置不同而出现彩色条纹;,三、薄膜干涉 实验,四、干涉现象的应用： 检查精密零件的表面质量；,增透膜（氟化镁）； 全息照相。,15.3 光的衍射(Diffraction of Light) 一、光的衍射：当光通过狭缝 ( 或障碍物 ) 的时候，光会偏离直线路径绕到狭缝 ( 或障碍物 ) 阴影里去的现象。 衍射图样：衍射时产生的明暗条纹或圆环,1.
3、单缝衍射,2. 小孔衍射,3. 圆屏衍射 ( 泊松亮斑 ),干涉和衍射是波特有的现象，光的干涉和衍射现象表明光具有波动性。 光是一种电磁波， 可见光的频率范围在3.841014 7.69 1014 Hz 之间的电磁波。,15.4 光电效应 一、光电效应 光电效应：在光的照射下物体表面发射出电子的现象 （1887年赫兹发现）。光电效应中发射出的电子称为光电子 2、光电效应的规律： （1）瞬时性：光电子的发射几乎是瞬时的，在入射光照后发射的时间不会超过109秒； （2）极限频率（截止频率或红限）：任何一种金属都有一个能产生光电效应的最低极限频率；,（3）饱和光电流强度与入射光强度成正比。 （4）最
4、大初动能光电子的最大初动能随入射光的频率增大而增大，而与入射光的强度无关；,几种金属的极限频率和红限波长,二、爱因斯坦光子说： 光辐射能并不象电磁理论所述的连续分布； 2、光由光子组成，在空间传播的光不是连续的，而是一份一份的，每一份叫做一个光子，每个光子具有能量与频率成正比,为光的频率，h6.6310-34 JS（普朗克常量） 光子说对光电效应的解释： 瞬时性： 极限频率和逸出功：,第十六章 物质的微观结构16.1原子的核式结构一、电子的发现，证实了原子是可分的。电子是原子的组成部分。1897年，汤姆生通过一系列关于阴极射线的实验，得出了如下结论： 原子是可以分割的。 这些粒子无论是从哪一种
5、原子里得到的，都具有相同的质量，且都带负电荷。 这些粒子的质量小于一个氢原子质量的千分之一。 汤姆生将组成阴极射线的粒子定名为“电子”。,二 汤姆生提出了“葡萄干蛋糕模型”原子里面正电荷的物质均匀地分布在整个原子球体中，而负电荷的电子则一粒粒地镶嵌在球内。 三 粒子散射实验1909年，卢瑟福的 粒子散射实验否定了汤姆生的原子结构模型，提出了原子的核式结构模型。 1、实验装置 2、结果：绝大多数 粒子穿过金箔后只有23度偏转，但有少数 粒子发生了大角度偏转，甚至接近180o,四、卢瑟福原子核式结构模型 在原子中心有一个很小的核心部分叫做原子核 原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里。 带
6、负电荷的电子在核外空间绕核做高速运动。 我们从实验还可以得出： 原子核的大小约10 -1510 -14米； 原子半径和原子核半径之比：r原子: r原子核104 : 1105 : 1 存在的矛盾： 由于电子运动轨道半径不断减小，电子最终要落到原子核上，表明原子是不能稳定存在的。 电子运动所辐射的电磁波的频率应该是连续变化的，因而应观察到连续光谱。,五、玻尔模型 定态： 原子只能处于一系列不连续的能量状态中，在这些状态中的原子才是稳定的，称为定态。 处在定态中的原子的核外电子虽然作绕核高速运动，但并不向外辐射能量。 能量跃迁：原子只有在从一种能量为 E初 的定态跃迁到另一种能量为 E末的定态时，才
7、会发射或者吸收辐射能，辐射能由两定态的能量差决定。,玻尔模型在解释氢原子光谱时取得了一定的成功，但是也存在着一系列难以克服的困难; 它不能解释只比氢原子多一个核外电子的氦原子光谱。,16.3 原子核 ( Nucleus ) 一、质子 ( proton ) 的发现1919年卢瑟福用粒子轰击氮核，发现了质子 二、中子 ( neutron ) 的发现1930年查德威克用粒子轰击铍核，发现了中子 中子质量接近于质子质量，只比后者大千分之一 特性：不带电、穿透本领强。 三、原子核的组成 原子核由质子和中子组成的。质子和中子统称核子 原子核的电荷数Z核内质子数 原子核质量数核内核子数 A=Z+N 同位素：
8、具有相同的质子数而有不同的中子数的原子。 放射性同位素：具有放射性的同位素。 核子力（核力）：核子之间的引力。 强相互作用 短程力（作用范围1015m以内）,三、粒子 电子、质子和中子曾被认为是组成物质的最小单元，被称为“基本粒子” 现在发现的粒子达400种之多。 正电子、 m子、 K介子、p介子、超子 许多粒子都有和它质量相同而电荷等物理量和它相反的粒子，叫做反粒子。（如：反电子、反质子） 现代粒子理论将粒子分为三大类：强子、轻子、媒介子 根据夸克（quark）模型，认为强子由更基本的粒子夸克组成。自然界有6种夸克： 上夸克（u）、下夸克（d）、奇夸克（s）、粲夸克（c）、底夸克（b）、顶夸
9、克（t） 目前认为夸克、媒介子和轻子是没有内部结构的“点状”粒子，是今日的“基本粒子”,粒子,强子,轻子,媒介子,重子,介子,质子,中子,介子,k介子,介子,电子,中微子,光子,引力子,16.2 放射性 ( Radioactivity ) 一、天然放射性现象 放射性：原子核自发地放出射线的现象，又叫做天然放射现象。 放射性元素：具有放射性的元素。 原子序数大于82的所有天然元素都有放射性，小于83的元素有些也具有放射性 放射性与元素的物理和化学状态无关。 天然放射现象表明原子核是可分的，人们用以研究原子核的复杂结构。,二、三种射线,三、放射性元素的衰变 1、衰变：原子核由于放出某种射线而转变为
10、新核的变化； 2、衰变类型： 衰变、衰变、衰变 3、衰变规律：电荷数和质量数守恒,放射性元素衰变的快慢是由核内部本身的因素决定的，跟原子所处的物理或化学状态无关。,4、半衰期 ( T ) ：放射性元素的半数的核发生衰变的时间,五、放射性的应用与防护 放射性同位素在示踪法中的应用 可能会对环境造成污染 2. 射线的应用 射线探伤仪，治疗肿瘤、刺激农作物生长 射线消除机器在运转中因摩擦而产生的有害静电， 辐射的防范,式中N0为t0时原子核数目；m 为剩余原子核数目，t 为衰变时间,四、探测射线的方法 放射线存在的现象放射线看不见。但放射线粒子与其他物质作用时，产生如下现象： 使气体电离; 使照相底
11、片感光; 使荧光物质产生荧光。 2、探测射线的方法 威尔孙云室 射线径迹直而粗; 射线径迹比较细，常弯曲; 射线几乎无径迹。 盖革弥勒计数器原理：射线使气体电离，发生链式反应，产生脉冲放电。但不能区分射线的种类。 半导体探测器 气泡室,16.4 重核裂变 ( fission ) 链式反应 一、原子核的人工转变 发现质子的核式反应：,3. 原子核的人工转变：用人工方法把原子核“轰开”，并使原子核发生转变。质子和中子的发现均属人工转变。 在核反应中，质量数和电荷数守恒。,2. 发现中子的核式反应：,核能 1、分散的核子结合成原子核时要放出一定能量;原子核分解成核子时，要吸收同样多能量，这个能量叫做
12、原子核的结合能 2、质量亏损：组成原子核的核子的质量与原子核的质量之差。 如：中子质量 mn1.67491027kg质子质量 mp1.67261027kg中子和质子的质量和 mn mp 3.34751027kg氘核质量 mD3.34361027kg质量亏损 m= 0.00391027kg 3、爱因斯坦的质能方程：Em c2核子结合为原子核时释放的能量： E = m c2 如：计算质子和中子结合为氘核时释放出的能量（MeV）2.2MeV,4、核能：原子核发生变化时释放的能量 三、重核的裂变 1939年德国物理学家用中子轰击铀核时，铀核发生裂变。典型的裂变反应方程式为：,2、重核裂变：重核受到其他
13、粒子轰击时裂变成两块质量较轻的核同时还可能放出中子。 3、链式反应：重核裂变时放出的中子引起其他核的裂变，可以使裂变不断进行下去。 4、临界体积：能够发生链式反应的最小体积。原子弹是利用链式反应制造的一种大规模杀伤武器。 5、铀核产生链式反应的条件：中子的“再生率”大于1。,6、核反应堆：用人工方法控制核裂变链式反应并获得核能的装置。 7、核电站：利用原子核裂变放出的核能来发电的发电厂。 三、轻核的聚变 核聚变：轻核聚合成质量较大的核的反应。 同等情况下，聚变时放出的能量比裂变时放出的多。且来源“取之不尽”。,3、聚变反应也叫热核反应。氢弹就是利用原子弹爆炸产生的高温，引起氢核聚变而产生更强裂
14、爆炸的装置。 4、太阳及许多恒星内部，核聚变反应放出大量能量。,第十七章 宇宙结构和恒星演化,宇宙： “四方上下曰宇，往古来今曰宙。”,17.1人类对宇宙的认识历史 一.中国古代宇宙观 1.西周“盖天说”：“天圆如张盖，地方如棋局。” 2.东汉张衡“浑天说”：“浑天如鸡子，天体圆如弹 丸，地如鸡中黄，孤居于内，天大而地小，天表 里有水，天之包地，犹壳之裹黄。”,二.古埃及宇宙观： 1.大地漂浮于水上。 2.埃及的观天工作最初是由僧侣们担任的，他们注意观测太阳、月亮和星星的运动，并从很古的时代起就知道了预报日食和月食的方法。 3.古埃及人发现了星辰更替与季节变化的对应关系，进行了长期的观察和研究
15、，把原先一年360日，改正为一年365日。这就是现今阳历的来源。,三.古希腊宇宙观： 1.大地由支柱支撑 2.泰勒斯(Thales of Miletus)（前640前560年）推测地球是一个球体，认为构成宇宙的基本物质是水，据说，他曾经预言了公元前585年所发生的一次日食。 3.阿那克西曼德（公元前611前547年）认为天空是围绕着北极星旋转的，因此天空可见的穹窿是一个完整的球体的一半，扁平圆盘状的大地就处在这个球体的中心，在大地的周围环绕着空气天、恒星天、月亮天、行星天和太阳天。阿那克西曼德是有史以来第一个认为宇宙不是平面形或者半球形，而是球形的。,4.数学家毕达哥拉斯(Pythagoras
16、)（公元前560前490年）认为数本身、数与数之间的关系构成宇宙的基础。他主张地圆说，并且是人类科技史上第一个主张“太阳、月亮、行星遵循着和恒星不同的路径运行”的人。 5.希腊天文学家托勒玫 (Ptolemy) 出版他的著作天文学大成，提出完整的“地心说”。在整个中世纪这本书被人们奉为天文学知识的经典著作。他指出：日、月、五大行星都在绕地球的偏心圆轨道上运转，并且各有其轨道层次。,四.古印度宇宙观： 1.大地驮于大象背上，大象踩在海龟背上，海龟站在眼镜蛇身上。印度教宇宙观2.多数的古印度天文学家认为太阳系的每个天体都受一股“风”的影响而有其各自的运动，此外还有一股更大的旋涡风带动一切天体每二十
17、四小时环绕地球一周。,17.2 宇宙概况,一.地球的起源 1.地球的起源、地球上生命的起源和人类的起源，被喻 为地球科学的三大难题。尤其是地球的起源，长期以来 信奉上帝创造世界的宗教观念，哥白尼、伽俐略、开普 勒和牛顿等人的发现彻底推翻了神创说 . 2.德国哲学家康德1755年设想因较为致密的质点组成凝 云且相互吸引而成为球体、因排斥而使星云旋转，是关 于地球起源的第一个假说。,3.法国数学家兼天文学家拉普拉斯1796年提出行星由围绕自己的轴旋转的气体状星云形成说。星云因旋转而体积缩小，其赤道部分沿半径方向扩大而成扁平状，之后从星云分离出去而成一个环、颇象土星的光环。环的性质是不均一的，物质可
18、聚集成凝云，发展为行星。按相同的原理和过程，从行星脱离出来的物质形成卫星。拉普拉斯的假说既简单动人，又解释了当时 所认识的太阳系的许多特点，以至竟统治了整个19世纪。,4.前苏联的天文学家费森柯夫认为太阳因高速旋转而成梨形和葫芦形，最后在细颈处断开，被抛出去的物质就成了行星。抛出物质后太阳缩小，旋转变慢；一旦旋转加快，又可能成梨形而抛出一个行星，逐渐形成行星系。施密特设想太阳在参加银河系的转动中，在穿越黑暗物质云时俘散了一部分尘埃和流星的固体物质，在其周围形成粒子群。后者在太阳引力作用下围绕太阳作椭圆运动并与太阳一起继续其在银河系的行程，最后从这些粒子群发展为行星和慧星（一部分成了流星和陨星）
19、。,5. 1977年，肖梅克提出：固态物体的撞击是发生在类地行星上所有过程中最基本的。在此基础上提出了宇宙撞击和爆炸的假说。这种撞击是分等级的，第四级的撞击形成月亮这样的卫星。具体过程是：一个撞击体冲击原始地球，引起爆炸，围绕地球形成一个气体、液体、尘埃和“溅”出来的固态物质组成的带，最初是碟状的，因旋转的向心力作用而成球状，失去了部分物质的地球也重新成为球状。,二.月球 1.月球的起源 F分裂说：地球和月亮曾经就是一个整体。快速的自转很有可能会使这一整体一部分最外层的物质被甩出，这就是后来形成的月亮。这以后，在潮汐的摩擦力的作用下将它驱赶得越来越远，直到它目前的这个位置。,F同源说：地球和月
20、亮都是来自于同一种尘埃和气体的旋流，而此时所有的行星正处于形成阶段，但是基于某些原因，没有演变成一个个体，而形成了两个不同的个体。,F撞击说：在很久以前，有一个类似地球而质量只有地球的10的小天体很有可能猛撞到地球上 ，这两个天体都各自含有一个铁金属核，并有可能已经凝聚。但是，其外层的岩石部分却有可能爆发到空间中，并形成了月亮。,F俘获说：它们原来就是由两种不同的旋流分别形成的两颗独立的行星。月亮所在的运行轨道使它每时每刻的运行都相当接近地球，并且在它每次接近地球的那一刻，会被地球的引力作用捕捉住。,2.月球的运动及其对地球的影响 F潮汐的产生：潮汐的产生就是由于月球和太阳对地球的引潮力作用引
21、起的。在这一系统中，由于月球（又称太阴）离地球远较太阳近，故其质量虽小，但它产生的引潮力比太阳大得多，是它的两倍左右。 F潮汐对地球自转的影响：由于月球的潮汐摩擦作用使得地球自转变慢，每天时间变长，平均每一百年一天的长度增加近千分之二秒。 F 潮汐对月地距离：由于地球自转变慢，使得月球缓慢向外作螺旋运动，目前月球正以每年34厘米的速度远离地球。,三.太阳和太阳系 1.太阳 F太阳质量占整个太阳系的九十九点八。（1.9891030 kg ） F太阳内核的温度高达摄氏一千五百万度，在那儿发生着氢-氦核聚变反应。核聚变反应每秒钟要消耗掉约五百万吨的物质，并转换成能量以光子的形式释放出来。 F在辐射光
22、和热的同时，太阳也产生一种低密度的粒子流太阳风。太阳风以每秒四百五十公里的速度向宇宙空间辐射。,F按物态分： F彗星,F太阳的寿命1010a,太阳将变成红巨星并最终塌缩成白矮星。 2.太阳系 F按位置分：,四.银河系 1.星系：由恒星、大量气体和尘埃组成的物质系统 2.银河系 F银河系的外貌像一个中间突起的透镜，其直径约为8.5万光年（比早期值小）。中间厚，边缘薄，中间的厚度约为1万光年，靠近地球的地方厚约30006000光年，边缘只有1000光年。,除了密集的恒星，组成银河系的还有众多的亮星云、暗 星云、星团和无数的星际弥漫气体和尘埃物质以及隐蔽的 暗物质与暗能量。 银河系作为一个整体在自转
23、着，银盘上所有的恒星也都 各自沿着近乎圆形的轨道绕银河系中心旋转，而且运动速 度不同。其中，太阳绕银心的公转速度为250千米/秒，绕 银心一周需要2.3亿年。,五.宇宙概述： 1.星系的分类： F不规则星系（形状无规律，无明显中心，无漩涡）， F漩涡星系（有漩臂从中心向外旋卷形状多姿丽，旋臂多为二条；其中又分为旋臂向外舒展的；旋臂向中心卷缩合拢的；介于前二者之间的。银河系属于漩涡星系。 F棒状星系（有漩涡，但中心为棒状，两端延伸出长短不一的旋臂。 F椭圆星系和圆形星系（星系形状呈椭圆或圆形）。 F星系的形成演变过程公认的有： 不规则形-棒形-漩涡形-椭圆形-圆形。,2.宇宙的结构层次 总星系（
24、150亿l.y)1000亿个以上星系（银河系及河外星系）恒星或星云 3.宇宙的诞生： F大爆炸理论：宇宙由200亿年前极其高密度的混沌状态经大爆炸所产生。 F宇宙仍处于膨胀中（红移） F宇宙的物理演化史： t=10-44s T=1032K E=1019GeV 引力产生 t=10-35s T=1028K E=1015GeV 暴胀开始 t=10-32s T=1027K E=1014GeV 重子不对称 t=10-6s T=1013K E=1GeV 夸克结合 t=180s T=109K E=105eV 氦原子核 t= 5109a 星系形成 太阳系形成 t= 11010a T=2.7K E=310-4e
25、V 人类活动,17.3恒星的演化 一.恒星的分类 1.超巨星:直径为太阳的几倍到几千倍的恒星,光度达到太阳的100万倍以上 F发光强度（简称光度）恒星每秒钟内辐射的总能量。 2.巨星：直径比太阳大20倍左右，质量为太阳的4倍左右的恒星,光度达到太阳的100倍左右。 3.中型星：与太阳大小差不多。 4.白矮星：一种低光度、高密度、高温度的恒星。 F白矮星属于演化到晚年期的恒星。恒星在演化后期，抛射出大量的物质，经过大量的质量损失后，如果剩下的核的质量小于1.44个太阳质量，这颗恒星便可能演化成为白矮星。,F半径接近于行星半径，平均小于103千米 。 F光度非常小，要比正常恒星平均暗103倍。 F
26、密度高达106107克厘米3，其表面的重力加速度大约等于地球表面重力加速度的10倍到104倍。假如人能到达白矮星表面，那么他休想站起来，因为在它上面的引力特别大，以致人的骨骼早已被自己的体重压碎了。 5.中子星：主要是由中子以及少量的质子、电子所组成的超密恒星。 F中子星不仅密度高达1亿吨每立方厘米以上，而且它的磁场强度也高达1亿特斯拉以上。中子星的体积很小，它的半径的典型值约为10千米。中子星的质量下限约为0.1太阳质量，上限为1.52个太阳质量。 F某些处于演化晚期的恒星，在其内部发生极其激烈的核爆炸，随后又急剧收缩，恒星的内部产生极大的压力，把原子外层电子挤压到原子核内，核内的质子与电子
27、结合，形成异常紧密的中子结构物质，这时这颗恒星就演变成为中子星。,二.恒星的物理特征 1.恒星的颜色和温度 F恒星的颜色是由它的表面温度决定的 星色 表面溫度 藍 40 000 - 25 000 藍白 25 000 - 12 000 白 11 500 - 7700 黃白 6000 - 5000 橙 4900 - 3700 紅 3600 - 2600 2.恒星的亮度 F恒星的亮度与恒星的体积和温度以及它与地球的距离有关。 F视星等：在地球上所见星体的亮度。 F绝对星等：恒星在离地球一个标准距离（10秒差距）情况下所具有的亮度。,3.恒星的温度和亮度（绝对星等） F赫罗图：1911年丹麦天文学家赫
28、茨普龙，1913年美国天文学家罗素各自独立绘出亮星的光度温度图，发现大多数恒星分布在图中左上方至右下方的一条狭长带内，从高温到低温的恒星形成一个明显的序列，称为“主星序”。FF炽热明亮的蓝巨星位于左上方，而比较冷且暗的红矮星分布在图的右下角。大多数恒星，包括太阳都在从左上至右下的一条对角线上，这条对角线被称为主星序，主星序上的恒星称为主序星，都处于一生中的氢燃烧阶段。当恒星核的氢烧完后，它们就离开主序，开始氦燃烧而成为红巨星。最终红巨星坍缩，温度上升，成为白矮星。根据恒星的温度或颜色可把恒星分成以字母O、B、A、F、G、K、M表示的七种类型。O型是热的蓝星，M型是较冷的红星。,4.恒星距离的测
29、量 F视差测距法：以日、地距离为基线利用周年视差，通过几何方法测量恒星距离的方法。 F视差测距法只适用于测量离我们较近的恒星距离。 F造父变星光变周期 三.恒星的演化 1.恒星的诞生 F恒星通常是在星际气体中诞生的。在宇宙中，当星际气体的密度增加到一定程度时，由于其内部引力的增长大于气体压力的增长，这团气体云就开始收缩。这样的倾向一开始，其自身引力使巨量物质的密度普遍增大。巨大质量的星际物质开始变得不稳定。这些巨量的星际气体与尘埃坍缩进行得越来越迅猛，开始分裂形成较小的云团，密度也增大了许多。这些较小的云团最终将各自成为一颗恒星。由于星际物质的质量通常非常巨大，通常在太阳的一万倍以上，所以恒星总是一下子一大批地降生。,2.恒星的后期演化 F恒星的寿命取决于恒星的质量。 F恒星的寿命与恒星的质量呈负相关关系。（p.84.17-23) F恒星的核心部分燃料耗尽后，其外层膨胀；核心收缩。恒星将变成红巨星或超巨星。 F中小型恒星的结局：红巨星白矮星黑矮星 F巨星或超巨星突然发生爆炸：F若超新星爆炸后，星体的剩余质量大于太阳的3倍，星体继续塌缩形成黑洞。,
