高中物理光學(xué)、原子物理知識(shí)要點(diǎn)

光學(xué)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(shí)，并不是全部光都發(fā)生折射，一定會(huì)有一部分光發(fā)生反射。4．真空/空氣的n等于1，其它介質(zhì)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(shí)，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(zhì)射向光疏（n小的）介質(zhì)；入射角大于或等于臨界角C，其求法為sinC2．全反射產(chǎn)生原因：由光密（n大的）介質(zhì)，以臨界角C射向空氣時(shí)，根據(jù)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(chǎn)生全反射。3．全反射反映的是折射性質(zhì)，折射傾向越強(qiáng)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(guān)的現(xiàn)象與應(yīng)用：水、玻璃中明亮的氣泡；水中光源照亮水面某一范圍；光導(dǎo)纖維（n大的內(nèi)芯，n小的外套，光在內(nèi)外層界面上全反射）三、光的本質(zhì)與色散1．光的本質(zhì)是電磁波，其真空中的波長(zhǎng)、頻率、光速滿足c=λf（頻率也可能用ν表示），來源于機(jī)械波中的公式2．光從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)時(shí)，其頻率不變，光速與波長(zhǎng)同時(shí)變大或變小。3．將混色光分為單色光的現(xiàn)象成為光的色散。不同顏色的光，其本質(zhì)是頻率不同，或真空中的波長(zhǎng)不同。同時(shí)，不同顏色的光，其在同一介質(zhì)中的折射率也不同。4．色散的現(xiàn)象有：棱鏡色散、彩虹。5．紅光和紫光的不同屬性匯總?cè)缦拢侯l率f(或ν)真空中里的波長(zhǎng)λ折射率n同一介質(zhì)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(yīng)雙縫干涉時(shí)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(zhǎng)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(gè)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(diǎn)到兩相干光源的距離差即光程差Δs。 當(dāng)Δs=122n+1λ,n=0,1,2,…當(dāng)Δs=nλ,n=0,1,2,…時(shí)，即光程差等于波長(zhǎng)的整數(shù)倍，半波長(zhǎng)的偶數(shù)倍時(shí)，由于兩光源對(duì)此點(diǎn)的3．楊氏雙縫干涉：?jiǎn)紊庠唇?jīng)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(zhǎng)λ、條紋間距Δx的關(guān)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(shí)，光的波長(zhǎng)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(shí)驗(yàn)，會(huì)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(shí)，在膜的外、內(nèi)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(dòng)加強(qiáng)，則會(huì)使反射光增強(qiáng)，透射光減弱；若疊加后振動(dòng)減弱，則會(huì)使反射光減弱，透射光增強(qiáng)。7．薄膜干涉的現(xiàn)象與應(yīng)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(zhǎng)比擬時(shí)，不能發(fā)生光電效應(yīng)。三、康普頓效應(yīng)康普頓用光子模型成功解釋了康普頓效應(yīng)?？灯疹D效應(yīng)表明光子除了能量之外還具有動(dòng)量。光子動(dòng)量為p=h四、光的波粒二象性1．對(duì)光的認(rèn)識(shí)歷程：最開始光的粒子說和波動(dòng)說都有擁護(hù)者，如牛頓認(rèn)為光是粒子；然后光的衍射、干涉和偏振現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，使人們一致贊同光的波動(dòng)說；接下來麥克斯韋和赫茲確認(rèn)了光的電磁波本質(zhì)，進(jìn)一步鞏固了波動(dòng)說；最后光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)再次讓人們認(rèn)識(shí)到光的粒子性，并得到光具有波粒二象性的結(jié)論。2．光的干涉、衍射、偏振、多普勒效應(yīng)揭示光的波動(dòng)性；光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)揭示光的粒子性。五、物質(zhì)波、概率波、不確定關(guān)系1．德布羅意將光的波粒二象性推廣到實(shí)物粒子，認(rèn)為實(shí)物粒子也具有波粒二象性。這種實(shí)物粒子的波稱為德布羅意波，或者物質(zhì)波。2．光子能量與動(dòng)量的公式E=hν、p=hλ被推廣到實(shí)物粒子，式中能量E、動(dòng)量p描述物質(zhì)粒子性，頻率ν、波長(zhǎng)λ描述物質(zhì)的波動(dòng)性，二者由普朗克常量3．實(shí)驗(yàn)觀察到電子束衍射現(xiàn)象，證實(shí)了物質(zhì)波的存在。4．光、實(shí)物粒子之所以能集粒子性、波動(dòng)性于一身，是因?yàn)楣獠?、物質(zhì)波都是概率波。概率波不同于機(jī)械波；其“振動(dòng)”體現(xiàn)的并不是質(zhì)點(diǎn)的位置改變，而是光子/實(shí)物粒子出現(xiàn)的概率大小。 光的干涉、衍射等波動(dòng)現(xiàn)象中，得到的條紋分布實(shí)際是光子的出現(xiàn)概率分布。干涉中的振動(dòng)疊加其實(shí)是概率的疊加：振動(dòng)加強(qiáng)點(diǎn)，實(shí)際是光子出現(xiàn)概率被增大，即到達(dá)光子多，因此形成亮條紋；振動(dòng)減弱點(diǎn)，實(shí)際是光子出現(xiàn)概率被減小，即到達(dá)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(dá)幾率的分布。5．不確定關(guān)系：由于波粒二象性的存在，光子、實(shí)物粒子的位置和動(dòng)量不可能同時(shí)測(cè)準(zhǔn)。原子結(jié)構(gòu)一、電子的發(fā)現(xiàn)1．湯姆孫發(fā)現(xiàn)電子，說明原子具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)，即原子可以再分（因?yàn)殡娮邮菑脑永锇l(fā)出來的）。2．密立根油滴實(shí)驗(yàn)測(cè)出了電子電荷量e。二、原子核式結(jié)構(gòu)模型1．盧瑟福的α粒子散射實(shí)驗(yàn)（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(jié)構(gòu)。2．實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象為絕大多數(shù)α粒子穿過金箔后能沿原來的方向前進(jìn)，但少數(shù)粒子會(huì)發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)。唯一的解釋只能是原子的核式結(jié)構(gòu)：原子內(nèi)除電子外只有一個(gè)非常小的原子核，整個(gè)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(zhì)量。使α粒子發(fā)生偏轉(zhuǎn)的是它與原子核之間的庫(kù)倫斥力（二者都帶正電）。三、氫原子光譜與能級(jí)理論1．連續(xù)光譜、明線光譜、吸收光譜各自的產(chǎn)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(jié)構(gòu)模型。即氫原子中的電子，在庫(kù)侖力的作用下繞原子核作圓周運(yùn)動(dòng)，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(jí)。3．所謂氫原子的能量，包括電子繞核運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能，以及原子核與電子共同具有的電勢(shì)能。能級(jí)越高，電子運(yùn)動(dòng)軌道半徑越大，動(dòng)能越小，電勢(shì)能越大，總能量也越大。此規(guī)律與天體運(yùn)動(dòng)中衛(wèi)星軌道半徑與能量的關(guān)系相同。4．n=1能級(jí)是最低、最穩(wěn)定的能級(jí)，原子在此能級(jí)時(shí)稱為處于基態(tài)，而在n=2以上的能級(jí)時(shí)稱為處于激發(fā)態(tài)。5．氫原子在被光照射時(shí)，可能吸收適當(dāng)頻率的光子，并向上躍遷至更高的能級(jí)，此時(shí)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(yīng)能量差時(shí)不會(huì)被吸收。6．氫原子處于激發(fā)態(tài)時(shí)，會(huì)自發(fā)地向下躍遷，同時(shí)放出光子。經(jīng)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(jí)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(xiàn)象1．元素自發(fā)地發(fā)出射線的現(xiàn)象叫天然放射現(xiàn)象。天然放射現(xiàn)象說明原子核具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)，即原子核可以再分（因?yàn)樯渚€是從原子核里發(fā)出來的；注意與“電子的發(fā)現(xiàn)”區(qū)分開）。 由于是原子核層面的反應(yīng)，天然放射現(xiàn)象完全不受溫度、壓強(qiáng)、元素化學(xué)態(tài)的影響。2．放出的三種射線中，帶正電、在磁場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)半徑較大的稱為α射線；帶負(fù)電、在磁場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)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(zhì)與性質(zhì)如下：射線本質(zhì)符號(hào)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(qiáng)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(qiáng)，可穿幾厘米厚的鉛板弱3．之后的研究表明，原子核是由質(zhì)子和中子構(gòu)成的，質(zhì)子帶1個(gè)單位正電荷，中子不帶電。二者質(zhì)量均遠(yuǎn)大于電子。質(zhì)子和中子統(tǒng)稱核子。4．原子核常用符號(hào)ZAX表示，X為元素符號(hào)，Z為質(zhì)子數(shù)，亦即核電荷數(shù)、原子序數(shù)；A為質(zhì)量數(shù)，即核子數(shù)，也就是質(zhì)子數(shù)與中子數(shù)之和。中子數(shù)則等于5．同種元素的原子，質(zhì)子數(shù)相同，但中子數(shù)/質(zhì)量數(shù)可以不同。質(zhì)子數(shù)相同但中子數(shù)不同的原子相互稱為同位素。6．幾種重要的粒子符號(hào)：氦核24He；電子-10e；質(zhì)子11二、衰變1．由于天然放射現(xiàn)象放射出α或β粒子導(dǎo)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(yīng)方程，所有核反應(yīng)前后滿足電荷數(shù)守恒、質(zhì)量數(shù)守恒，但質(zhì)量不守恒。5．沒有所謂的γ衰變。原子核不會(huì)單獨(dú)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(shù)發(fā)生衰變需要的時(shí)間稱為這種元素的半衰期。半衰期只對(duì)大量原子核有效，不能用于預(yù)測(cè)少量原子核的衰變。半衰期完全不受溫度、壓強(qiáng)、元素化學(xué)態(tài)的影響。 舉例說明：假設(shè)A原子核衰變?yōu)锽原子核的半衰期為T，且B不再衰變；現(xiàn)有1molA原子，則： 經(jīng)過T時(shí)間，會(huì)變?yōu)?/2molA原子，1/2molB原子。 經(jīng)過2T時(shí)間，會(huì)變?yōu)?/4molA原子，3/4molB原子。 經(jīng)過3T時(shí)間，會(huì)變?yōu)?/8molA原子，7/8molB原子。三、裂變與聚變1．核裂變是一個(gè)很大的原子核被撞擊裂成兩個(gè)中等大小的原子核。反應(yīng)物和生成物還可帶有中子等。如922352．核裂變有時(shí)也稱為鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。反應(yīng)過程中放出巨大能量，應(yīng)用于原子彈、核電站發(fā)電。3．核聚變是幾個(gè)很小的原子核結(jié)合生成一個(gè)稍大一點(diǎn)的原子核。反應(yīng)物通常是氫的同位素，生成物中可以