高中物理光学原子物理知识要点Word文档格式.docx
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表示),来源于机械波中的公式
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ν)
真空中里的波长λ
折射率n
同一介质中的光速
偏折程度
临界角C
红光
大
紫光
原因
n越大偏折越厉害
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Δx
发生明显衍射
容易
临界角越小越容易发生全反射
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Δs。
当
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
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λ、条纹间距Δx的关系为
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γ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
γ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
,其中
为电磁波的频率,
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:
其中
为光子能量;
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;
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
必须大于逸出功
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
,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
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
、
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α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α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α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。
4.n=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ΔE即等于需要吸收的光子能量
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
即等于跃迁前后的能量之差ΔE。
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α射线;
带负电、在磁场中偏转半径较小的称为β射线;
不带电的称为γ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
α
氦核
稍慢
弱,一张纸就能挡住
强
β
电子流
快
中,可穿几毫米厚的铝板
中
γ
光子流
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
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:
电子
质子
中子
正电子
二、衰变
1.由于天然放射现象放射出α或β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α衰变和β衰变。
2.α衰变可概括为:
,其反应原理为:
,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.β衰变可概括为:
,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。
β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γ衰变。
原子核不会单独放出γ射线,但α衰变和β衰变总是伴随着γ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1molA原子,则:
经过T时间,会变为1/2molA原子,1/2molB原子。
经过2T时间,会变为1/4molA原子,3/4molB原子。
经过3T时间,会变为1/8molA原子,7/8molB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
(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.核聚变是几个很小的原子核结合生成一个稍大一点的原子核。
反应物通常是氢的同位素,生成物中可以带有中子等。
4.核聚变也成为热核反应,因为反应需要极高的温度。
核聚变过程中放出巨大的能量,被应用于氢弹。
另外太阳放出能量靠的也是核聚变。
四、核能
1.衰变、裂变、聚变等核反应中,生成物的总质量都小于反应物的总质量,即有质量亏损。
亏损的质量变为能量,并以光子(γ射线)的形式放射出来。
2.根据爱因斯坦质能方程,核反应放出的能量为
为反应的质量亏损,即反应物的总质量减去生成物的总质量。
再结合光子能量公式
,可求出生成光子的频率。
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