光、原子、原子核-知识梳理(1)

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1、光、原子、原子核（一）几何光学我们利用光线的概念来研究光的传播规律，而不研究光的本质属性。本章以光的直线传播为基础，利用几何知识，研究光传播到两种介质的界面时发生的反射、折射、全反射、色散等现象和它们表现的规律，即光的反射和折射，难点是光的全反射及其应用。1光的直线传播（同种介质）自行发光的物体叫做光源物理模型（点光源）。灯泡发光是因为热电阻受热辐射电磁波，且这种电磁波有某一波段处于可见光区，于是我们看见灯泡亮；日光灯发光是因为两个灯丝之间的气体导电发出紫外线，使灯管壁上的荧光粉发出荧光；太阳发光是因为其内正在进行核聚变辐射出巨大的能量。（月亮不是光源。 ）我们在做题的时候遇到的一般都是点光源

2、。光能够在其中传播的物质简称介质。考题中常见的介质是：空气，水，玻璃。注意在介质中传播会有速度的变化。真空中的光速8310cm s。光在其他介质中传播的速度都小于在真空中的速度。真空不是介质，但光在其中传播的速度最大。光线：沿光的传播方向作一条线，并标上箭头，表示光的传播方向，这样的线叫做光线。在这里注意光线是虚拟的线。在同种均匀介质中，光是沿直线传播的。注意前提条件： 在同一种介质中，而且是均匀介质。否则，可能发生偏折。如光从空气斜射入水中（不是同一种介质）； “海市蜃楼”现象（介质不均匀）。人眼看物体的规律：根据光沿直线传播的经验，人认为， 光是从射入眼睛的光线的反向延长线的交点发出的。2

3、反射与折射（两种介质）光从一种介质射到它和另一种介质的分界面时，一部分光返回到这种介质中的现象叫做光的反射；斜着射向界面的光进入第二种介质的现象，叫做光的折射。反射与折射产生的原因：光本来在同种介质中沿直线传播，但是此时介质发生了一个突变，而导致光在传播到两种介质的交接面上时不再沿直线传播，而是一部分光进入第二种介质，并且偏离原来的方向，一部分光像是被反弹回来。反射定律：反射光线、法线、入射光线共面；反射光线与入射光线分居法线两侧；反射角等于入射角。折射定律：折射光线、法线、入射光线共面；折射光线与入射光线分居法线两侧；入射角的正弦与折射角的正弦之比等于常数，即12sinsinn。 （适用光从

4、空气射入某种介质的情况）如果光从介质射入水中，则用光路可逆原理。光路：光实际传播的轨迹。在反射与折射现象中，光路是可逆的。折射率： 光从真空射入某种介质发生折射时，入射角1的正弦与折射角2的正弦之比n，叫做这种介质的折射率。折射率是反映介质的光学性质的物理量。任何介质的折射率大于1。我们可以认为折射率越大的介质，光在其中传播受到的阻碍会越多，所以导致了光的速度会变小。光从真空射入任何介质，入射角都大于折射角。 Cvcn sin1sinsin21(1为入射角、折射角中的 较大 者，C为全反射时的临界角。) 平面镜成像：等大正立的像。像与物关于镜面对称。（高考不考实像与虚像的区别）全反射：没有折射

5、光线，只有反射光线的情况。当光线从光密介质射入光疏介质时，如果入射角大于或等于临界角，就会发生全反射。光密介质与光疏介质：折射率较大的称为光密介质；折射率较小的称为光疏介质。这两个概念是相对的， 视所给条件来确定哪个是光疏或光密。比如： 从空气射入到水中，则空气是光疏介质，水为光密介质； 若从水射入到玻璃中，则水为光疏介质， 玻璃为光密介质。nnn空水玻临界角：折射角等于90时的入射角，称为临界角。发生全反射的前提是光从光密到光疏。光从光疏介质射入到光密介质中，入射角大于折射角。光从光密介质射入到光疏介质中，入射角小于折射角，这时才可能发生入射角没达到90时折射角达到90，即没有折射光线。此后

6、如果入射角继续增大直到小于90，都在发生全反射。光导纤维：光纤有内、外两层材料，其中内层是光密介质，外层是光疏介质。光在光纤中传播时，每次射到内、外两层材料的界面，都要求入射角大于临界角，从而发生全反射。这样使从一个端面入射的光，经过多次全反射能够没有损失地全部从另一个端面射出。3光的色散（ 121 折射）由单一频率组成的光称为单色光；由多种频率组成的光称为复色光，而光的色散即把复色光分成多条单色光。棱镜玻璃砖和全反射棱镜：棱镜：一般所说的棱镜都是用光密介质制作的（玻璃）。入射光线经三棱镜两次折射后，射出方向与入射方向相比，向底边偏折。由于各种色光的折射率不同，因此一束白光经三棱镜折射后发生色

7、散现象（红光偏折最小，紫光偏折最大。）玻璃砖： 玻璃砖一般指横截面为矩形的棱柱。当光线从上表面入射，从下表面射出时，其特点是：射出光线和入射光线平行，但会发生侧移；各种色光在第一次入射后就发生色散；射出光线的侧移和折射率、入射角、玻璃砖的厚度有关；可利用玻璃砖测定玻璃的折射率。全反射棱镜：横截面是等腰直角三角形的棱镜叫全反射棱镜。选择适当的入射点，可以使入射光线经过全反射棱镜的作用在射出后偏转90o（右图 1）或 180o（右图 2） 。要特别注意两种用法中光线在哪个表面发生全反射。（二）物理光学物理光学主要研究光的本性，包括波动性和粒子性，以及光与物质的相互作用。本章以光的干涉、衍射现象为基

8、础，学习光的波动性，以光电效应为基础，学习光的粒子性。最后学习光的波粒二象性。1光的干涉与衍射（波动独有的特征）干涉： 光发生干涉的先决条件是有两个振动情况（频率相同， 相位差恒定） 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（这样两束光都来源于同一个光源，因此频率必然相等）。上面 4 个图分别利用双缝、利用楔形薄膜、 利用空气膜、 利用平面镜形成相干光源的示意图双缝干涉相邻亮纹（暗纹）间的距离：lx d其中为光的波长，d为两狭缝间的距离，l为挡板与屏的距离。适用条件ld。衍射：各种不同形状的障碍物都能使光发生衍射

9、。发生明显衍射的条件是：障碍物（或孔）的尺寸可以跟波长差不多，甚至比波长还小。注意： 各种障碍物都可以使光发生衍射，但是只有在障碍物尺寸可以跟光的波长差不多时才会发生明显的衍射现象。且入射光的波长越小，衍射现象越明显。2可见光（红橙黄绿蓝靛紫）各种颜色的光在真空中传播的速度相同，都等于光速；光之所以显示出颜色的不同本质上是因为他们的频率不同，红光频率小， 紫光频率大。 且频率不随介质的不同而发生变化。在棱镜中， 频率小的光折射率小，频率大的光折射率大。光在此种介质中传播的速度满足cv n。所以红光在介质中的速度快于紫光。注：在记忆这部分知识时只要把握住红光和紫光的性质即可，其他的色光可由此类推

10、。1sin C n（颜色频率f折射率n）光在介质中的速度vcv n 波长vf3电磁波谱，激光与光的物理学史麦克斯韦根据电磁波与光在真空中的传播速度相同，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。 波长从大到小排列顺序为：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激发后产生的； 射线是原子核受到激发后产生的。激光

11、：相干光平行度好亮度高S b a c S1S2 光的本性史：微粒说（牛顿）波动说（惠更斯）电磁说（麦克斯韦）光子说（爱因斯坦）光的波粒二象说4偏振光（进一步验证光的波动性）偏振：横波沿某一特定的方向振动，称为波的偏振。只有横波才会发生偏振现象。纵波和横波的主要区别是纵波的振动方向和波的传播方向一致，而横波的振动方向与波的传播方向垂直。 仔细观察这两种波动还会发现，横波的振动是偏在某一平面内，所以只有横波才可能是偏振的。自然光： 太阳、电灯等普通光源直接发出的光，包含垂直于传播方向上沿一切方向振动的光，而且沿各个方向振动的光波的强度都相同，这种光叫自然光。偏振光： 自然光通过偏振片后，在垂直于传

12、播方向的平面上，只沿一个特定的方向振动，叫偏振光。5光电效应（粒子性）在光的照射下物体发射电子的现象叫光电效应。（右图装置中，用弧光灯照射锌版，有电子从锌版表面飞出，使原来不带电的验电器带正电。 ）光电效应中发射出来的电子叫光电子。光电效应的规律。各种金属都存在极限频率0v，只有0vv时才能发生光电效应；光电子的最大初动能与入射光的强度无关，只随入光的频率增大而增大；当入射光的频率大于极限频率时，入射光的强度与单位时间逸出的光子数成正比。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：Ehv爱因斯坦光电效应方程：kEhvW。kE是光电子的最

13、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，逸出功只与金属的种类有关，即仅取决于金属原子的性质。电子伏与焦耳的换算：1819116.210 1.610JeV6光的波粒二象性与物质波干涉、 衍射和偏振现象表明光是一种波；光电效应又表明光是一种粒子；因此现代物理学认为：光具有波动微粒二象性。这里所说的波是一种概率波，对大量光子才有意义；这里所说的粒子，是指其不连续性，是一份，一份的能量子（光子）。即：个别的，频率高的光子的作用效果往往表现为粒子性；大量的，频率低的光子的作用效果往往表现为波动性。德布罗意物质波：任何一个运动着的物体都有一种波与它对应，波长hp。我们从中

14、可以看出， 对于一个运动的物体来说，动量p表现的是宏观物体的性质，波长表示物质波微观的性质，普朗克常量h是连接宏观世界与微观世界的桥梁。（三）原子的结构1汤姆生模型（枣糕模型）：汤姆生发现了电子，使人们认识到原子有复杂结构。2原子的核式结构模型（行星式模型）：卢瑟福粒子散射实验：用粒子轰击金箔。实验结果：绝大多数粒子不发生偏转。少数粒子发生较大的偏转。极少数粒子发生大角度偏转，甚至被弹回。卢瑟福的结论：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内。带负电的电子在核外空间运动。原子的半径：1010m；原子核的半径：15141010m与经典电磁场之间的矛盾：电

15、子绕核旋转是有加速度的，它要辐射电磁波，导致自身能量减小，最终电子将塌缩到原子上，这样原子就是不稳定存在的。与实际情况不符大量原子发光应该是连续光谱，而实际上原子发光的谱线是分立的。与实际情况不符3玻尔原子模型（引入量子理论）：定态理论： 原子只能处于一系列不连续的能量状态之中，在这些状态之中能量最小的态是最稳定的，我们称之为基态。在这些状态下电子虽然绕核运动，但不向外辐射能量。对于氢原子：12nEE n，113.6EeV。1E为基态，nE（1n）称为激发态。 原子的能量等于原子绕核运动的动能kE和势能pE的代数和。222,2, 2pkkkeqvkeqkeqmEmvEE rC rrr轨道量子化

16、理论：原子的不同能量状态完全对应着电子在核外的不同轨道。能量越低， 轨道半径越小。因为能量是不连续的，所以半径也是不连续的，即轨道量子化。对于氢原子21nrn r，1010.5310rm所谓量子化就是不连续性，整数n 叫量子数，1, 2, 3,n跃迁理论： 原子可以在不同能量状态间发生跃迁，辐射或吸收一定频率的光子，满足公式：mnhvEE。原子从nk能级跃迁到1n能级能观察到(1)2n n种不同波长的波。激发与电离：激发是使原子从一个低能级的状态到一个高能级的状态，在整个过程中原子机构没有被破坏；而电离是使原子中的一个或几个电子脱离原子的舒服，从而改变了原子的结构。原子从低能级向高能级跃迁时只能吸收一定频率的光子；而从某一能级到被电离可以吸收能量大于或等于电离能的任何频率的光子。（如在基态，可以吸收E 13.6eV 的任何光子，所吸收的能量除用于电离外，都转化为电离出去的电子的动能）。激发的实质是原子内的电子从一个轨道跑到另一个轨道上继续运