高中物理光学原子物理知识要点

光学

一、光的折射

1．折射定律：2．光在介质中的光速：

3．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，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。

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（频率也可能用表示），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

红光大大大紫光大大大

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

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

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：氦核；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：，其反应原理为：，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（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。如（方程不用记）。

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，其中为反应的质量亏损，

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。