高中物理光學、原子物理知識要點

光學一、光的折射1．折射定律：n=sin大角sin小角2．3．光射向界面時，并不是全部光都發(fā)生折射，一定會有一部分光發(fā)生反射。4．真空/空氣的n等于1，其它介質的n都大于1。5．真空/空氣中光速恒定，為c=3×108m/s，6．光線比較時，偏折程度大（折射前后的兩條光線方向偏差大）的光折射率n大。二、光的全反射1．全反射條件：光由光密（n大的）介質射向光疏（n小的）介質；入射角大于或等于臨界角C，其求法為sinC2．全反射產生原因：由光密（n大的）介質，以臨界角C射向空氣時，根據折射定律，空氣中的sin角將等于1，即折射角為90°；若再增大入射角，“sin空氣角”將大于1，即產生全反射。3．全反射反映的是折射性質，折射傾向越強越容易全反射。即n越大，臨界角C越小，越容易發(fā)生全反射。4．全反射有關的現象與應用：水、玻璃中明亮的氣泡；水中光源照亮水面某一范圍；光導纖維（n大的內芯，n小的外套，光在內外層界面上全反射）三、光的本質與色散1．光的本質是電磁波，其真空中的波長、頻率、光速滿足c=λf（頻率也可能用ν表示），來源于機械波中的公式2．光從一種介質進入另一種介質時，其頻率不變，光速與波長同時變大或變小。3．將混色光分為單色光的現象成為光的色散。不同顏色的光，其本質是頻率不同，或真空中的波長不同。同時，不同顏色的光，其在同一介質中的折射率也不同。4．色散的現象有：棱鏡色散、彩虹。5．紅光和紫光的不同屬性匯總如下：頻率f(或ν)真空中里的波長λ折射率n同一介質中的光速偏折程度臨界角C紅光大大大紫光大大大原因cvn越大偏折越厲害sin發(fā)生全反射光子能量發(fā)生光電效應雙縫干涉時的條紋間距Δx發(fā)生明顯衍射紅光大容易紫光容易大容易原因臨界角越小越容易發(fā)生全反射E=hνhν=Δx=波長越大越有可能發(fā)生明顯衍射四、光的干涉1．只有頻率相同的兩個光源才能發(fā)生干涉。2．光的干涉原理（同波的干涉原理）： 真空中某點到兩相干光源的距離差即光程差Δs。 當Δs=122n+1λ,n=0,1,2,…當Δs=nλ,n=0,1,2,…時，即光程差等于波長的整數倍，半波長的偶數倍時，由于兩光源對此點的3．楊氏雙縫干涉：單色光源經過雙縫形成相干光，在屏上形成明暗相間的等間距條紋。雙縫間距離d、雙縫到屏的距離L、光的波長λ、條紋間距Δx的關系為Δx=L4．雙縫干涉的條紋間距指的是兩條相鄰的明條紋中心的距離。其它條件相同時，光的波長越大，條紋間距越大，明、暗條紋本身也越粗。5．若使用白光做雙縫干涉實驗，會得到彩色的條紋，中央明紋為白色。6．薄膜干涉：光射向薄膜時，在膜的外、內表面各反射一次，兩束反射光在外表面相遇發(fā)生干涉。若疊加后振動加強，則會使反射光增強，透射光減弱；若疊加后振動減弱，則會使反射光減弱，透射光增強。7．薄膜干涉的現象與應用：彩色肥皂泡、彩色油膜；增透膜、增反膜、檢查工件平整度。五、光的衍射1．光繞過障礙物傳播即光的衍射。只有障礙物、孔、縫的尺寸小到可以與光的波長比擬時，無線電波紅外線可見光紫外線X射線γ射線2．各種電磁波的應用 無線電波：通信、廣播 紅外線：熱效應、探測、遙感 紫外線：滅菌消毒、熒光防偽 X射線：安檢、醫(yī)學透視、工業(yè)探傷 γ射線：高能量、摧毀癌細胞、工業(yè)探傷3．電磁波與機械波的比較 機械波傳播需要介質，但電磁波傳播不需要介質，而且在真空中的速度總等于光速，進入介質傳播速度會降低。 機械波有縱波有橫波，但電磁波都是橫波。 機械波不是概率波，但電磁波是概率波。波粒二象性一、能量量子化1．普朗克假設微觀粒子的能量不是連續(xù)變化的，用“能量子”概念完美解釋了黑體輻射實驗（之前的科學家們用能量連續(xù)變化的觀點都解釋不通），標志著量子力學的誕生。2．能量子公式E=hν，其中ν為電磁波的頻率，h為普朗克常量。二、光電效應1．光電效應：照射到金屬表面的光，能使金屬中的電子從表面逸出。逸出的電子稱為光電子。2．愛因斯坦推廣了普朗克的理論，認為光本身就是由一個個光子組成的，并以此成功地解釋了光電效應現象（之前的電磁波理論都不能完整解釋光電效應）。3．愛因斯坦光電效應方程：EK=hν-W0。其中hν為光子能量；W0為金屬的逸出功，指電子從金屬表面逸出時克服金屬的束縛力4．發(fā)生光電效應的條件是，光子能量hν必須大于逸出功W0。對同一種金屬，逸出功一定，能量越大（或頻率越大）的光，越有可能產生光電效應。金屬恰好產生光電效應時有hν=W05．光強表征單位時間照射的光子數。光子能量大于逸出功時，光強越大，單位時間打出的光電子就會越多，所謂的光電流就會越大。即光子能量小于逸出功時，無論怎樣增大光強也不能發(fā)生光電效應。三、康普頓效應康普頓用光子模型成功解釋了康普頓效應。康普頓效應表明光子除了能量之外還具有動量。光子動量為p=h四、光的波粒二象性1．對光的認識歷程：最開始光的粒子說和波動說都有擁護者，如牛頓認為光是粒子；然后光的衍射、干涉和偏振現象的發(fā)現，使人們一致贊同光的波動說；接下來麥克斯韋和赫茲確認了光的電磁波本質，進一步鞏固了波動說；最后光電效應、康普頓效應再次讓人們認識到光的粒子性，并得到光具有波粒二象性的結論。2．光的干涉、衍射、偏振、多普勒效應揭示光的波動性；光電效應、康普頓效應揭示光的粒子性。五、物質波、概率波、不確定關系1．德布羅意將光的波粒二象性推廣到實物粒子，認為實物粒子也具有波粒二象性。這種實物粒子的波稱為德布羅意波，或者物質波。2．光子能量與動量的公式E=hν、p=hλ被推廣到實物粒子，式中能量E、動量p描述物質粒子性，頻率ν、波長λ描述物質的波動性，二者由普朗克常量3．實驗觀察到電子束衍射現象，證實了物質波的存在。4．光、實物粒子之所以能集粒子性、波動性于一身，是因為光波、物質波都是概率波。概率波不同于機械波；其“振動”體現的并不是質點的位置改變，而是光子/實物粒子出現的概率大小。 光的干涉、衍射等波動現象中，得到的條紋分布實際是光子的出現概率分布。干涉中的振動疊加其實是概率的疊加：振動加強點，實際是光子出現概率被增大，即到達光子多，因此形成亮條紋；振動減弱點，實際是光子出現概率被減小，即到達光子少，因此形成暗條紋。電子的衍射圖樣，同樣是反映其到達幾率的分布。5．不確定關系：由于波粒二象性的存在，光子、實物粒子的位置和動量不可能同時測準。原子結構一、電子的發(fā)現1．湯姆孫發(fā)現電子，說明原子具有復雜結構，即原子可以再分（因為電子是從原子里發(fā)出來的）。2．密立根油滴實驗測出了電子電荷量e。二、原子核式結構模型1．盧瑟福的α粒子散射實驗（圖見教材）完全否定了湯姆孫的原子棗糕模型，說明原子具有核式結構。2．實驗現象為絕大多數α粒子穿過金箔后能沿原來的方向前進，但少數粒子會發(fā)生大角度偏轉。唯一的解釋只能是原子的核式結構：原子內除電子外只有一個非常小的原子核，整個原子很空曠；此核集中了原子中所有的正電荷和絕大部分質量。使α粒子發(fā)生偏轉的是它與原子核之間的庫倫斥力（二者都帶正電）。三、氫原子光譜與能級理論1．連續(xù)光譜、明線光譜、吸收光譜各自的產生條件。2．波爾為了解釋氫原子光譜的不連續(xù)性，將“量子化”的理論引入氫原子結構模型。即氫原子中的電子，在庫侖力的作用下繞原子核作圓周運動，其軌道半徑是不能連續(xù)變化的，而是量子化的，只能取某些特定的值。由此形成的氫原子的能量也是量子化的，只能取某些特定的值，這些能量值稱為能級。3．所謂氫原子的能量，包括電子繞核運動的動能，以及原子核與電子共同具有的電勢能。能級越高，電子運動軌道半徑越大，動能越小，電勢能越大，總能量也越大。此規(guī)律與天體運動中衛(wèi)星軌道半徑與能量的關系相同。4．n=1能級是最低、最穩(wěn)定的能級，原子在此能級時稱為處于基態(tài)，而在n=2以上的能級時稱為處于激發(fā)態(tài)。5．氫原子在被光照射時，可能吸收適當頻率的光子，并向上躍遷至更高的能級，此時總能量增加，躍遷前后的能量之差ΔE即等于需要吸收的光子能量hν。光子能量不等于相應能量差時不會被吸收。6．氫原子處于激發(fā)態(tài)時，會自發(fā)地向下躍遷，同時放出光子。經過一次或多次向下躍遷，最終回到基態(tài)。每次向下躍遷放出的光子能量hν即等于躍遷前后的能量之差ΔE。處于n=2、3、4、5能級的大量氫原子分別能放出1、3、6、10種不同頻率的光子。原子核一、天然放射現象1．元素自發(fā)地發(fā)出射線的現象叫天然放射現象。天然放射現象說明原子核具有復雜結構，即原子核可以再分（因為射線是從原子核里發(fā)出來的；注意與“電子的發(fā)現”區(qū)分開）。 由于是原子核層面的反應，天然放射現象完全不受溫度、壓強、元素化學態(tài)的影響。2．放出的三種射線中，帶正電、在磁場中偏轉半徑較大的稱為α射線；帶負電、在磁場中偏轉半徑較小的稱為β射線；不帶電的稱為γ射線。三種射線的本質與性質如下：射線本質符號速度穿透能力電離能力α氦核2稍慢弱，一張紙就能擋住強β電子流-1快中，可穿幾毫米厚的鋁板中γ光子流hν最快強，可穿幾厘米厚的鉛板弱3．之后的研究表明，原子核是由質子和中子構成的，質子帶1個單位正電荷，中子不帶電。二者質量均遠大于電子。質子和中子統稱核子。4．原子核常用符號ZAX表示，X為元素符號，Z為質子數，亦即核電荷數、原子序數；A為質量數，即核子數，也就是質子數與中子數之和。中子數則等于5．同種元素的原子，質子數相同，但中子數/質量數可以不同。質子數相同但中子數不同的原子相互稱為同位素。6．幾種重要的粒子符號：氦核24He；電子-10e；質子11二、衰變1．由于天然放射現象放射出α或β粒子導致元素種類發(fā)生了變化，稱為發(fā)生了衰變。衰變可分為α衰變和β衰變。2．α衰變可概括為：ZAX→Z-2A-43．β衰變可概括為：ZAX→Z+1AY+4．衰變方程屬于核反應方程，所有核反應前后滿足電荷數守恒、質量數守恒，但質量不守恒。5．沒有所謂的γ衰變。原子核不會單獨放出γ射線，但α衰變和β衰變總是伴隨著γ輻射。6．大量原子核有半數發(fā)生衰變需要的時間稱為這種元素的半衰期。半衰期只對大量原子核有效，不能用于預測少量原子核的衰變。半衰期完全不受溫度、壓強、元素化學態(tài)的影響。 舉例說明：假設A原子核衰變?yōu)锽原子核的半衰期為T，且B不再衰變；現有1molA原子，則： 經過T時間，會變?yōu)?/2molA原子，1/2molB原子。 經過2T時間，會變?yōu)?/4molA原子，3/4molB原子。 經過3T時間，會變?yōu)?/8molA原子，7/8molB原子。三、裂變與聚變1．核裂變是一個很大的原子核被撞擊裂成兩個中等大小的原子核。反應物和生成物還可帶有中子等。如922352．核裂變有時也稱為鏈式反應。反應過程中放出巨大能量，應用于原子彈、核電站發(fā)電。3．核聚變是幾個很小的原