原子物理学回顾

1、光学、原子物理学回顾光的传播1折射定律折射定律的各种表达形式： (1为入、折射角中的较大者。)2各种色光性质比较可见光中，红光的折射率n最小，频率最小，在同种介质中（除真空外）传播速度v最大，波长最大，从同种介质射向真空时发生全反射的临界角C最大，以相同入射角在介质间发生折射时的偏折角最小（注意区分偏折角和折射角）。以上各种色光的性质比较在定性分析时非常重要，一定要牢记。例1如图所示，有 a、b两束单色光（一束是红光一束是紫光）分别垂直于同种介质材料做成的两个不同顶角的三棱镜的一个腰射入，从另一个腰射出后，测得它们的偏折角大小相同。两个三棱镜的顶角分别为、且<，下列说法中正确的是 abA

2、a是红光，b是紫光Ba是紫光，b是红光C可能a、b 都是红光D可能a、b都是紫光解：不妨假设让a也垂直于腰射入右边的棱镜，与左图相比，在另一腰射出时入射角大了，偏折也将变大，因此偏折角将大于。与b光比较，可知a偏折大，是紫光。选B。3边作图边计算有关光的折射和全反射，在解题时要把计算和作图有机地结合起来，根据数据计算反射角、折射角，算一步画一步，画一步在根据需要算一步。作图要依据计算结果，力求准确。abco例2图示为一直角棱镜的横截面，bac=90º，abc=60º。一平行细光束从O点沿垂直于bc面的方向射入棱镜。已知棱镜材料的折射率n=，若不考虑原入射光在bc面上的反射光

3、，则有光线 A从ab面射出 B从ac面射出B从bc面射出，且与bc面斜交D从bc面射出，且与bc面垂直解：已知n=，折射定律，因此临界角i=45º。射到ab边时入射角60º>45º，全反射；射到ac边时入射角30º<45º，有折射，且折射角45º；到bc边时入射角0º垂直射出。选BD。例3两种单色光由水中射向空气时发生全反射的临界角分别为1、2，已知1>2。用n1、n2分别表示水对两单色光的折射率，v1、v2分别表示两单色光在水中的传播速度，则 An1<n2，v1<v2 Bn1<n2，v1

4、>v2 Cn1>n2，v1<v2 Dn1>n2，v1>v2 解：由，1>2，因此n1<n2；又，n1<n2，因此v1>v2。选B光的波动性1光的干涉光的干涉条件是有两个振动情况总是相同的波源，即相干波源。形成相干波源的方法有两种：利用激光（因为激光发出的是单色性极好的光）。设法将同一束光分为两束，如利用双缝、利用肥皂膜、利用空气膜等。干涉区域内产生亮、暗纹的充分必要条件分别是：亮纹：到双缝的光程差等于波长的整数倍，即= n（n=0，1，2，）暗纹：到双缝的光程差等于半波长的奇数倍，即=（n=0，1，2，）公式的应用利用此公式可以测定单色光的

5、波长。用同一双缝干涉装置做实验，红光x最大，可知红光波长最大、频率最低。用白光作双缝干涉实验时，中央是白色亮纹，两边出现彩色条纹。SaL光屏M相交区域SaL光屏M例4洛埃利用单面镜同样得到了杨氏干涉的结果。洛埃镜实验的基本装置如图所示，S为单色光源，M为一平面镜。试用平面镜成像作图法在答题卡上画出S经平面镜反射后的光与直接发出的光在光屏上相交的区域。设光源S到平面镜的垂直距离和到光屏的垂直距离分别为a和L，光的波长为，在光屏上形成干涉条纹。写出相邻两条亮纹（或暗纹）间距离x的表达式。 解：见下图 2光的衍射波在传播过程中绕过障碍物的现象叫做波的衍射。当障碍物或孔的尺寸小于0.5mm时，就可以看

6、到明显的衍射现象。在发生明显衍射的条件下，当缝变窄（孔变小）时，亮斑范围变大，条纹间距变大，亮度变暗。注意关于衍射的表述一定要准确。（区分能否发生衍射和能否发生明显衍射）各种不同形状的障碍物都能使光发生衍射。发生明显衍射的条件是：障碍物（或孔）的尺寸可以跟波长相比，甚至比波长还小。泊松亮斑用平行光照射不透明的小圆盘，在圆盘阴影中心会出现一个亮斑，这是波的衍射现象。干涉和衍射图样的区别双缝干涉和单缝衍射的图样都是明暗相间的条纹。但双缝干涉的条纹宽度是相同的，亮度也是均匀的；而单缝衍射的条纹是中央宽，两边窄，亮度分布也是中央亮两边暗。例5下面是四种与光有关的事实：用光导纤维传播信号；用透明的标准样

7、板和单色光检查平面的平整度；一束白光通过三棱镜形成彩色光带；水面上的油膜呈现彩色。其中，与光的干涉有关的是 A B C D解：利用全反射；等厚干涉；光的折射，色散；薄膜干涉。选B。3光的电磁说麦克斯韦根据电磁波与光在真空中传播速度相同，提出光在本质上是一种电磁波这就是光的电磁说，赫兹用实验证明了光的电磁说的正确性。电磁波谱。波长从大到小：无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、射线。各种电磁波中，除可见光以外，相邻两个波段间都有重叠。各种电磁波的产生机理分别是：无线电波是振荡电路中自由电子的周期性运动产生的；红外线、可见光、紫外线是原子的外层电子受到激发后产生的；伦琴射线是原子的内层电子受到

8、激发后产生的；射线是原子核受到激发后产生的。红外线、紫外线、X射线的主要性质及其应用。种 类产 生主要性质应用举例红外线一切物体都能发出热效应遥感、遥控、加热紫外线一切高温物体能发出化学效应荧光、杀菌、合成VDX射线阴极射线射到固体表面穿透能力强人体透视、金属探伤波长最长的无线电波容易表现出干涉、衍射等现象，而波长短的紫外线、X射线、射线，要观察它们的干涉、衍射就越来越困难了（但不是不能发生衍射）。 可见光频率范围是3.9-7.5×1014Hz，波长范围是400-770nm。EK AP Q例6右图是伦琴射线管的结构示意图。电源E给灯丝K加热，从而发射出热电子，热电子在K、A间的强电场

9、作用下高速向对阴极A飞去。电子流打到A极表面，激发出高频电磁波，这就是X射线。下列说法中正确的有 A.P、Q间应接高压直流电，且Q接正极 B.P、Q间应接高压交流电 C.K、A间是高速电子流即阴极射线，从A发出的是X射线即一种高频电磁波 D.从A发出的X射线的频率和P、Q间的交流电的频率相同 解：K、A间的电场方向应该始终是向左的，所以P、Q间应接高压直流电，且Q接正极。从A发出的是X射线，其频率由光子能量大小决定。设P、Q间电压为U，若电子射到对阴极时骤然停止，其动能全部转化为电磁波的能量，射出频率很高的X射线。本题选AC。4光的偏振所有沿同一个方向传播的纵波振动方向都是一样的；而所有沿同一

10、个方向传播的横波振动方向可以是不同的。这是纵波和横波的区别。光能产生偏振现象，因此可以判定光是横波。例7在下列各组的两个现象中都表现出光具有波动性的是 A光的折射现象、色散现象 B光的反射现象、干涉现象C光的衍射现象、偏振现象 D光的直线传播现象、光电效应现象解：干涉、衍射是波的特性；偏振是横波的特性。 选C。5激光激光的特点激光是相干光。激光的平行度好。（可以用来测距、测速；可以用来刻录、读取光盘）激光的亮度高。（切割、焊接、打孔、治疗视网膜剥落；用于人工控制聚变等）光的粒子性1.光电效应在光的照射下物体发射电子的现象叫光电效应。光电效应的规律。各种金属都存在极限频率0，只有0才能发生光电效

11、应。瞬时性（光电子的产生不超过10-9s）。爱因斯坦的光子说。光是不连续的，是一份一份的，每一份叫做一个光子，光子的能量E跟光的频率成正比：E=h 爱因斯坦光电效应方程：Ek= h-W（Ek是光电子的最大初动能；W是逸出功，即从金属表面直接飞出的光电子克服正电荷引力所做的功。）例8对爱因斯坦光电效应方程EK= h-W，下面的理解正确的有 C A.只要是用同种频率的光照射同一种金属，那么从金属中逸出的所有光电子都会具有同样的初动能EKB.式中的W表示每个光电子从金属中飞出过程中克服金属中正电荷引力所做的功 C.逸出功W和极限频率0之间应满足关系式W= h0VAPKD.光电子的最大初动能和入射光的

12、频率成正比例9如图，电键K断开时，用光子能量为2.5eV的光照射阴极P，电流表读数不为零；闭合电键调节变阻器，当电压表读数小于0.60V时，电流表仍有读数；当电压表读数增大到0.60V时，电流表读数刚好减小为零。由此可知阴极材料P的逸出功为 A2光的波粒二象性干涉、衍射和偏振以无可辩驳的事实表明光是一种波；光电效应又用无可辩驳的事实表明光是一种粒子；因此现代物理学认为：光具有波粒二象性。个别光子的作用效果往往表现为粒子性；大量光子的作用效果往往表现为波动性。高的光子容易表现出粒子性；低的光子容易表现出波动性。光在传播过程中往往表现出波动性；在与物质发生作用时往往表现为粒子性。由E=h和p=h/

13、也可以看出，光的波动性和粒子性并不矛盾。波粒二象性中所说的波是一种概率波，对大量光子才有意义。波粒二象性中所说的粒子也不再是宏观的微粒，而是强调其不连续性，表示的是一份能量。3物质波（德布罗意波）任何一个运动着的物体都有一种波与它对应，该波的波长=h/p。例10现用电子显微镜观测线度为d的某生物大分子的结构。为满足测量要求，将显微镜工作时电子的德布罗意波长设定为d/n，其中n>1。已知普朗克常量h、电子质量m和电子电荷量e，电子的初速度不计，则显微镜工作时电子的加速电压应为 A B C D解：利用=h/p和Ek=p2/2m，在利用Ek=Ue，得，选D。原子核1原子模型汤姆生模型（枣糕模型

14、）。汤姆生发现了电子，使人们认识到原子有复杂结构。卢瑟福的核式结构模型（行星式模型）。卢瑟福用粒子轰击金箔，观察结果是绝大多数粒子穿过金箔后基本上仍沿原来的方向前进，有少数粒子发生了较大的偏转。卢瑟福由粒子散射实验提出：在原子的中心有一个很小的核，叫原子核，原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里，带负电的电子在核外空间运动。玻尔模型。玻尔将量子理论引入原子理论，提出了三条假设，创建了玻尔原子模型。 轨道量子化：绕核旋转的电子的轨道半径只能是某些分立的值。电子在这些轨道上做变速运动，但不辐射电磁波。能量量子化：电子在一定的轨道上运动，其对应的动能、势能也是一定的。这些能量值叫能级。能量最

15、低的状态（量子数n=1）叫基态，其他状态叫激发态。氢原子的能级图n E/eV 01 -13.62 -3.43 -1.514 -0.853E1E2E3原子在两个能级间跃迁时辐射或吸收光子，对应光子的频率满足：h=Em-En。2玻尔理论的应用右图是氢原子的能级图。原子的跃迁。原子处于激发态时会自发地向较低能级跃迁，跃迁时以辐射光子的形式放出能量。原子处于基态或较低激发态时可以吸收光子而从低能级跃迁到高能级，或者被电离。处于基态或较低激发态的原子只吸收两种光子：能量满足h=Em-En的光子和能量大于该能级电离能的光子。原子光谱。和白光形成的连续光谱不同，稀薄气体通电后发出的光得到的光谱是不连续的几条

16、亮线，叫做线状谱。各种原子的能级是不同的，它们的线状谱也不完全相同。因此把这些线状谱叫做原子光谱。利用原子光谱可以鉴别物质，分析物体的化学组成。玻尔理论的局限性。玻尔理论成功地解释了氢光谱的规律，是因为引进了量子理论。但解释其它元素的光谱就遇到了困难，它的局限性是由于它保留了过多的经典物理理论。量子力学。更加彻底的量子理论就是量子力学。在量子力学中所谓电子绕核运行的轨道，实际上只是电子出现概率密度较大的位置。如果用疏密不同的点表示电子在各个位置出现的概率，画出的图形叫做电子云。例11用光子能量为E的单色光照射容器中处于基态的氢原子。停止照射后，发现该容器内的氢能释放出三种不同频率的光子，它们的

17、频率由低到高依次为1、2、3，由此可知，开始用来照射容器的单色光的光子能量可以表示为：h1；h3；h(1+2)；h(1+2+3) 以上表示式中 C A.只有正确 B.只有正确 C.只有正确 D.只有正确例12现有1200个氢原子被激发到量子数为4的能级上，若这些受激氢原子最后都回到基态，则在此过程中发出的光子总数是多少？假定处在量子数为n的激发态的氢原子跃迁到各较低能级的原子数都是处在该激发态能级上的原子总数的 A A2200 B2000 C1200 D24 003天然放射现象贝克勒尔发现铀和含铀矿物能够自发地发出看不见的射线。这种性质叫放射性。具有放射性的元素叫放射性元素。这种现象叫天然放射

18、现象。天然放射现象的发现，使人们认识到原子核也有复杂结构。原子序数大于82的所有元素都具有放射性，原子序数小于83的某些元素也有放射性。各种放射线的性质比较种 类本 质质量（u）电荷（e）速度（c）电离性贯穿性射线氦核4+20.1最强最弱，纸能挡住射线电子1/1840-10.99较强较强，穿几mm铝板射线光子001最弱最强，穿几cm铅版 O三种射线在匀强磁场、匀强电场、正交电场和磁场中的偏转情况比较： 如、图所示，在匀强磁场和匀强电场中都是比的偏转大，不偏转；区别是：在磁场中偏转轨迹是圆弧，在电场中偏转轨迹是抛物线。图中肯定打在O点；如果也打在O点，则必打在O点下方；如果也打在O点，则必打在O

19、点下方。Aabc例13如图所示，铅盒A中装有天然放射性物质，放射线从其右端小孔中水平向右射出，在小孔和荧光屏之间有垂直于纸面向里的匀强磁场，则下列说法中正确的有 ACA打在图中a、b、c三点的依次是射线、射线和射线B射线和射线的轨迹都是抛物线C射线和射线的轨迹都是圆弧 D如果在铅盒和荧光屏间再加一竖直向下的匀强电场，则屏上的亮斑可能只剩下b4核反应衰变。原子核自发地放出粒子而转变为其他原子核的反应。衰变： （核内）衰变： （核内）衰变：原子核也有能级，而且能级越低越稳定。发生衰变、衰变后产生的新核往往处于高能级。当它向低能级跃迁时辐射光子，这种变化也叫做衰变。射线经常是伴随衰变和衰变而产生的。

20、+衰变： （核内，其中是正电子。）一个放射性的原子核在一次衰变中不可能同时放出粒子和粒子。但一块放射性物质连续发生衰变时，放出的射线中就会同时具有、三种射线。人工转变。用人工的方法也能使原子核发生变化。（卢瑟福发现质子的核反应） （查德威克发现中子的核反应） （人工制造出放射性同位素的核反应）裂变。重核分裂成质量较小的核，释放出核能的反应，称为裂变。 在一定条件下（超过临界体积），裂变反应会连续不断地进行下去，这就是链式反应。聚变。轻核结合成质量较大的核，释放出核能的反应，称为聚变。聚变需要几百万度高温，所以又叫热核反应。在以上所有类型的核反应中，同样遵从电荷数守恒和质量数守恒。例14放射性同

21、位素经过一系列衰变后成为稳定的，其中发生了_次衰变和_次衰变。 8次，6次例15完成下列核反应方程：N+n C+_ N+He O+_ B+n _+He Be+He _+n Fe+H Co+_H H Li C n5半衰期放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间叫这种元素的半衰期，记做T。设初始时放射性元素原子核的个数为N0，经时间t后，剩余的放射性原子核个数为Nt，则。半衰期是由原子核内部本身的因素决定的，跟原子所处的物理状态、化学状态无关。例16一块含铀的矿石质量为M，其中铀元素的质量为m。铀发生一系列衰变，最终生成物为铅。已知铀的半衰期为T，那么下列说法中正确的有 C A.经过两个半衰期后

22、这块矿石中基本不再含有铀了 B.经过两个半衰期后原来所含的铀元素的原子核有m/4发生了衰变 C.经过三个半衰期后，其中铀元素的质量还剩m/8 D.经过一个半衰期后该矿石的质量剩下M/26核能核反应中放出的能叫核能。质量亏损。核子结合生成原子核，所生成的原子核的质量比生成它的核子的总质量要小些，这种现象叫做质量亏损。质能方程。爱因斯坦的相对论指出：物体的能量和质量之间存在着密切的联系：E = mc2，这就是爱因斯坦的质能方程。质能方程的另一个表达形式是：E=mc2。在有关核能的计算中，要根据已知和题解的要求选定单位制。用E = mc2或E=mc2时，必须用国际单位制。用原子质量单位u和电子伏特e

23、V时，利用1u的质量跟931.5MeV的能量相对应。释放核能的途径：衰变；裂变；聚变；由核子结合成原子核；反应过程发生质量亏损的；由核子平均质量大的核，生成核子平均质量小的核。 例17发生衰变后变为，已知核的质量是232.0372u，核的质量是228.0287u，粒子的质量是4.0026u。计算此次衰变释放的核能E。解：反应过程中的质量亏损：m=232.0372u-228.0287u-4.0026u=0.0059u释放的核能为E=0.0059×931.5MeV=5.5 MeV。例18氢原子的质量为1.6736×10-27kg，锂原子的质量为11.6505×10-27kg，氦原子的质量为6.6467×10-27kg。一个锂核受到质子轰击变为2个粒子，写出核反应方程，并计算该反应释放的核能是多少？1mg锂原子发生这样的反应共释放多少核能？解：H+Li 2He 反应前一个氢原子和一个锂原子共有8个核外电子，反应后两个氦原子也是共有8个核外电子，因此只要将一个氢原子和一个锂原子的总质量减去两个氦原子的质量，得到的恰好是反应前后核的质量亏损，电子质量自然消掉。由爱因斯坦质能方程E=mc2得释放核能E=2.76×10-12J1mg锂原子含锂原子个数为1