高中物理光学、原子物理知识要点.docx

光学一、光的折射1折射定律：n=sin大角sin小角 2光在介质中的光速：v=c/n3光射向界面时，并不是全部光都发生折射，一定会有一部分光发生反射。4真空/空气的n等于1，其它介质的n都大于1。5真空/空气中光速恒定，为c=3108m/s，不受光的颜色、参考系影响。光从真空/空气中进入介质中时速度一定变小。6光线比较时，偏折程度大（折射前后的两条光线方向偏差大）的光折射率n大。二、光的全反射1全反射条件：光由光密（n大的）介质射向光疏（n小的）介质；入射角大于或等于临界角C，其求法为sinC=1n。2全反射产生原因：由光密（n大的）介质，以临界角C射向空气时，根据折射定律，空气中的sin角将等于1，即折射角为90；若再增大入射角，“sin空气角”将大于1，即产生全反射。3全反射反映的是折射性质，折射倾向越强越容易全反射。即n越大，临界角C越小，越容易发生全反射。4全反射有关的现象与应用：水、玻璃中明亮的气泡；水中光源照亮水面某一范围；光导纤维（n大的内芯，n小的外套，光在内外层界面上全反射）三、光的本质与色散1光的本质是电磁波，其真空中的波长、频率、光速满足c=f（频率也可能用表示），来源于机械波中的公式v=/T。2光从一种介质进入另一种介质时，其频率不变，光速与波长同时变大或变小。3将混色光分为单色光的现象成为光的色散。不同颜色的光，其本质是频率不同，或真空中的波长不同。同时，不同颜色的光，其在同一介质中的折射率也不同。4色散的现象有：棱镜色散、彩虹。 5红光和紫光的不同属性汇总如下：频率f(或)真空中里的波长折射率n同一介质中的光速偏折程度临界角C红光大大大紫光大大大原因c=fv=c/nn越大偏折越厉害sinC=1n发生全反射光子能量发生光电效应双缝干涉时的条纹间距x发生明显衍射红光大容易紫光容易大容易原因临界角越小越容易发生全反射E=hh=W0+EKx=Ld波长越大越有可能发生明显衍射四、光的干涉1只有频率相同的两个光源才能发生干涉。2光的干涉原理（同波的干涉原理）：真空中某点到两相干光源的距离差即光程差s。当s=122n+1, n=0,1,2,时，即光程差等于半波长的奇数倍时，由于两光源对此点的作用总是步调相反，叠加后使此点振动减弱；当s=n, n=0,1,2,时，即光程差等于波长的整数倍，半波长的偶数倍时，由于两光源对此点的作用总是步调一致，叠加后使此点振动加强。3杨氏双缝干涉：单色光源经过双缝形成相干光，在屏上形成明暗相间的等间距条纹。双缝间距离d、双缝到屏的距离L、光的波长、条纹间距x的关系为x=Ld。4双缝干涉的条纹间距指的是两条相邻的明条纹中心的距离。其它条件相同时，光的波长越大，条纹间距越大，明、暗条纹本身也越粗。5若使用白光做双缝干涉实验，会得到彩色的条纹，中央明纹为白色。6薄膜干涉：光射向薄膜时，在膜的外、内表面各反射一次，两束反射光在外表面相遇发生干涉。若叠加后振动加强，则会使反射光增强，透射光减弱；若叠加后振动减弱，则会使反射光减弱，透射光增强。7薄膜干涉的现象与应用：彩色肥皂泡、彩色油膜；增透膜、增反膜、检查工件平整度。五、光的衍射1光绕过障碍物传播即光的衍射。只有障碍物、孔、缝的尺寸小到可以与光的波长比拟时，才能观察到明显的衍射现象。2单色光的单缝衍射在屏上得到的是不等间距的条纹。其它条件相同时，光的波长越大，条纹间距越大，条纹本身也越粗（同双缝干涉）。3白光的单缝衍射得到的是彩色条纹，中央明纹为白色。4衍射相关的现象：泊松斑；影子边缘模糊不清；透过缝看日光灯管。六、光的偏振1振动方向与传播方向平行的波称为纵波，如声波。振动方向与传播方向垂直的波称为横波，如光波（电磁波）、绳子上的波。2偏振原理不便叙述，详见教材。现象为当旋转两个偏振片中的一个时，透过的光强度会随之变化，甚至会消失（即当两偏振片相应方向垂直时）。3光的偏振说明光是一种横波。偏振可应用于镜头、车灯、立体电影等。七、激光1激光的特点是一致性高、平行度好、强度高（并非单个光子能量大）电磁波一、电磁波的发现1麦克斯韦建立了经典电磁场理论，预言了电磁波的存在；赫兹通过实验证实了电磁波的存在。2电磁场理论要点（一个字都不能错）：变化的磁场产生电场；变化的电场产生磁场。将“电场”改为“电流”，或将“产生电场”改为“产生变化的电场”、“产生磁场”改为“产生变化的磁场”都是错误的。二、无线电波的发射与接收1电视、广播、手机等信号都是由无线电波来传播的。利用无线电波传播声音、图像等信号时，发射电磁波前要将这些信号加载到电磁波（也叫载波）上，称为调制。调制分为调幅和调频两种，图见教材。2接收电磁波时，需要接收电路与空间中的相应的电磁波发生共振，叫调谐。将接收到的电信号转换回声音、图像信号的过程称为解调。三、电磁波谱1电磁波按照频率从小到大、波长从大到小的顺序排列为：无线电波 红外线 可见光 紫外线 X射线 射线2各种电磁波的应用无线电波：通信、广播红外线：热效应、探测、遥感紫外线：灭菌消毒、荧光防伪X射线：安检、医学透视、工业探伤射线：高能量、摧毁癌细胞、工业探伤3电磁波与机械波的比较机械波传播需要介质，但电磁波传播不需要介质，而且在真空中的速度总等于光速，进入介质传播速度会降低。机械波有纵波有横波，但电磁波都是横波。机械波不是概率波，但电磁波是概率波。波粒二象性一、能量量子化1普朗克假设微观粒子的能量不是连续变化的，用“能量子”概念完美解释了黑体辐射实验（之前的科学家们用能量连续变化的观点都解释不通），标志着量子力学的诞生。2能量子公式E=h，其中为电磁波的频率，h为普朗克常量。二、光电效应1光电效应：照射到金属表面的光，能使金属中的电子从表面逸出。逸出的电子称为光电子。2爱因斯坦推广了普朗克的理论，认为光本身就是由一个个光子组成的，并以此成功地解释了光电效应现象（之前的电磁波理论都不能完整解释光电效应）。3爱因斯坦光电效应方程：EK=h-W0。其中h为光子能量；W0为金属的逸出功，指电子从金属表面逸出时克服金属的束缚力所做的功，只与金属有关；EK为逸出的光电子的最大初动能。4发生光电效应的条件是，光子能量h必须大于逸出功W0。对同一种金属，逸出功一定，能量越大（或频率越大）的光，越有可能产生光电效应。金属恰好产生光电效应时有h=W0，此时的光子频率称为该金属的极限频率。5光强表征单位时间照射的光子数。光子能量大于逸出功时，光强越大，单位时间打出的光电子就会越多，所谓的光电流就会越大。即光子能量小于逸出功时，无论怎样增大光强也不能发生光电效应。三、康普顿效应康普顿用光子模型成功解释了康普顿效应。康普顿效应表明光子除了能量之外还具有动量。光子动量为p=h。四、光的波粒二象性1对光的认识历程：最开始光的粒子说和波动说都有拥护者，如牛顿认为光是粒子；然后光的衍射、干涉和偏振现象的发现，使人们一致赞同光的波动说；接下来麦克斯韦和赫兹确认了光的电磁波本质，进一步巩固了波动说；最后光电效应、康普顿效应再次让人们认识到光的粒子性，并得到光具有波粒二象性的结论。2光的干涉、衍射、偏振、多普勒效应揭示光的波动性；光电效应、康普顿效应揭示光的粒子性。五、物质波、概率波、不确定关系1德布罗意将光的波粒二象性推广到实物粒子，认为实物粒子也具有波粒二象性。这种实物粒子的波称为德布罗意波，或者物质波。2光子能量与动量的公式E=h、p=h 被推广到实物粒子，式中能量E、动量p描述物质粒子性，频率、波长描述物质的波动性，二者由普朗克常量h联系到一起。3实验观察到电子束衍射现象，证实了物质波的存在。4光、实物粒子之所以能集粒子性、波动性于一身，是因为光波、物质波都是概率波。概率波不同于机械波；其“振动”体现的并不是质点的位置改变，而是光子/实物粒子出现的概率大小。光的干涉、衍射等波动现象中，得到的条纹分布实际是光子的出现概率分布。干涉中的振动叠加其实是概率的叠加：振动加强点，实际是光子出现概率被增大，即到达光子多，因此形成亮条纹；振动减弱点，实际是光子出现概率被减小，即到达光子少，因此形成暗条纹。电子的衍射图样，同样是反映其到达几率的分布。5不确定关系：由于波粒二象性的存在，光子、实物粒子的位置和动量不可能同时测准。原子结构一、电子的发现1汤姆孙发现电子，说明原子具有复杂结构，即原子可以再分（因为电子是从原子里发出来的）。2密立根油滴实验测出了电子电荷量e。二、原子核式结构模型1卢瑟福的粒子散射实验（图见教材）完全否定了汤姆孙的原子枣糕模型，说明原子具有核式结构。2实验现象为绝大多数粒子穿过金箔后能沿原来的方向前进，但少数粒子会发生大角度偏转。唯一的解释只能是原子的核式结构：原子内除电子外只有一个非常小的原子核，整个原子很空旷；此核集中了原子中所有的正电荷和绝大部分质量。使粒子发生偏转的是它与原子核之间的库伦斥力（二者都带正电）。三、氢原子光谱与能级理论1连续光谱、明线光谱、吸收光谱各自的产生条件。2波尔为了解释氢原子光谱的不连续性，将“量子化”的理论引入氢原子结构模型。即氢原子中的电子，在库仑力的作用下绕原子核作圆周运动，其轨道半径是不能连续变化的，而是量子化的，只能取某些特定的值。由此形成的氢原子的能量也是量子化的，只能取某些特定的值，这些能量值称为能级。3所谓氢原子的能量，包括电子绕核运动的动能，以及原子核与电子共同具有的电势能。能级越高，电子运动轨道半径越大，动能越小，电势能越大，总能量也越大。此规律与天体运动中卫星轨道半径与能量的关系相同。4n=1能级是最低、最稳定的能级，原子在此能级时称为处于基态，而在n=2以上的能级时称为处于激发态。5氢原子在被光照射时，可能吸收适当频率的光子，并向上跃迁至更高的能级，此时总能量增加，跃迁前后的能量之差E即等于需要吸收的光子能量h。光子能量不等于相应能量差时不会被吸收。6氢原子处于激发态时，会自发地向下跃迁，同时放出光子。经过一次或多次向下跃迁，最终回到基态。每次向下跃迁放出的光子能量 h即等于跃迁前后的能量之差E。处于n=2、3、4、5能级的大量氢原子分别能放出1、3、6、10种不同频率的光子。原子核一、天然放射现象1元素自发地发出射线的现象叫天然放射现象。天然放射现象说明原子核具有复杂结构，即原子核可以再分（因为射线是从原子核里发出来的；注意与“电子的发现”区分开）。由于是原子核层面的反应，天然放射现象完全不受温度、压强、元素化学态的影响。2放出的三种射线中，带正电、在磁场中偏转半径较大的称为射线；带负电、在磁场中偏转半径较小的称为射线；不带电的称为射线。三种射线的本质与性质如下：射线本质符号速度穿透能力电离能力氦核24He稍慢弱，一张纸就能挡住强电子流-10e快中，可穿几毫米厚的铝板中光子流h最快强，可穿几厘米厚的铅板弱3之后的研究表明，原子核是由质子和中子构成的，质子带1个单位正电荷，中子不带电。二者质量均远大于电子。质子和中子统称核子。4原子核常用符号ZAX表示，X为元素符号，Z为质子数，亦即核电荷数、原子序数；A为质量数，即核子数，也就是质子数与中子数之和。中子数则等于A-Z。5同种元素的原子，质子数相同，但中子数/质量数可以不同。质子数相同但中子数不同的原子相互称为同位素。6几种重要的粒子符号：氦核24He；电子-10e；质子11H；中子01n；正电子10e。二、衰变1由于天然放射现象放射出或粒子导致元素种类发生了变化，称为发生了衰变。衰变可分为衰变和衰变。2衰变可概括为：ZAXZ-2A-4Y+24He，其反应原理为：211H+201n24He，即原子核中的两个质子和两个中子结合形成一个氦核后放射出来。3衰变可概括为：ZAXZ+1AY+-10e，其反应原理为：01n11H+-10e，即原子核中的一个中子分裂成一个质子和一个电子，并把电子放射出来。衰变放出的电子来自于原子核，但不能说原子核中含有电子。4衰变方程属于核反应方程，所有核反应前后满足电荷数守恒、质量数守恒，但质量不守恒。5没有所谓的衰变。原子核不会单独放出射线，但衰变和衰变总是伴随着辐射。6大量原子核有半数发生衰变需要的时间称为这种元素的半衰期。半衰期只对大量原子核有效，不能用于预测少量原子核的衰变。半衰期完全不受温度、压强、元素化学态的影响。举例说明：假设A原子核衰变为B原子核的半衰期为T，且B不再衰变；现有1mol A原子，则：经过T时间，会变为1/2 mol A原子，1/2 mol B原子。经过2T时间，会变为1/4 mol A原子，3/4 mol B原子。经过3T时间，会变为1/8 mol A原子，7/8 mol B原子。三、裂变与聚变1核裂变是一个很大的原子核被撞击裂成两个中等大小的原子核。反应物和生成物还可带有中子等。如92235Um+01n56144Ba+3689Kr+301n（方程不用记）。2核裂变有时也称为链式反应。反应过程中放出巨大能量，应用于原子弹、核电站发电。3核聚变是几个很