2022届新高考物理冲刺精准复习：光学 原子物理

2022届新高考物理冲刺精准复习

《光学原子物理》

物理光学

历史关于光的本性的几种学说

1、牛顿主张的微粒说：光是光源发出的一种物质微粒，在均匀的介质中以一定的速度传播。

2、惠更斯的波动说：光是在空间传播的某种波。

3、麦克斯韦的电磁说：光是一种电磁波。

4、爱因斯坦的光子说：光是一份一份的，每一份为一个光子，其能量为£毛丫。

5、波粒二象性说：光既有波动性，又具有粒子性，是一种概率波。与物质作用时，少量的

光子表现出粒子性（光子运动没有规则），传播过程中，大量的光子表现出波动性（这是概

率波，不是机械波）。

光的干涉

1、光的干涉现象：频率相同、相位差恒定的两列相干光波在相遇区相互叠加，在一些地方

相互加强,在一些地方相互削弱，形成明暗相间条纹的现象。光的干涉证明了光具有波动性.

2、双缝干涉：由同一光源发出的光经双缝后获得的两列相干光叠加而形成的干涉现象。形

成的条纹等亮等宽，宽度与波长成正比，增大光屏到双缝的距离或减小双缝间距都能增大条

纹间距。

3、薄膜干涉：薄膜的前、后表面反射的两束光相遇而形成的干涉现象。膜厚相同之处，都

是加强（或者都是减弱）的，将出现明条纹（或者暗条纹）（所以，肥皂膜的干涉图样是水

平条纹）。由于是两列反射波相遇叠加形成的干涉图样，因而应当从光源的一侧观察薄膜的

干涉图样（让反射光线进入眼睛！）。观察到的干涉条纹实际上是等厚线，即同一个条纹上各

处膜的厚度是相等的。

4、不管是双缝干涉还是薄膜干涉，都是用单色光照射时，出现明暗相间的条纹；用白光照

射时，出现彩色条纹。

三.光的衍射

1、光的衍射现象：光离开直线路径绕到障碍物阴影里去的现象。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。

2、单缝衍射：光通过单缝形成的衍射现象。衍射现象：中央明纹最宽最亮，其余明纹等宽

但不等亮。在发生明显衍射的条件下，当窄缝变窄时，亮斑的范围变大，条纹间距离变大,

而亮度变暗。白光的衍射条纹是彩色的。

3、泊松亮斑：当光照到不透明的小圆板时，在屏上较大的黑影中央（直线传播形成的影）

有一个极小的亮斑。当形成泊松亮斑时，圆板阴影的边缘是模糊的，在阴影外还有不等间距

的明暗相间的圆环。

四.光的电磁说

1、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一

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。

2、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、

丫射线。各种电磁波中，除可见光以外，相邻两个波段间都有重叠。

3、红外线、紫外线、X射线的主要性质及其应用举例。

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V02

X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

五、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。

2、光电效应的规律。（1）入射光频率必须大于金属的极限频率V。才能发生光电效应现象；

（2）光电效应现象的发生几乎是瞬时的：（3）发生光电效应现象时，光电流强度与入射光

强度成正比；（4）光电子的最大初动能与入射光强无关，只随着人射光频率的增大而增大。

3、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

少跟光的频率「成正比：E=hv

六、光的波粒二象性

1、光的波粒二象性

干涉、衍射的事实表明光是一种波；光电效应又表明光是一种粒子；因此现代物理学

认为：光具有波粒二象性。

2、正确理解波粒二象性

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,

是指其不连续性，是一份能量。不可把光当成宏观观念中的波，也不可把光当成微观观念中

的粒子。

3、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；频率

超低的光波动性越明显，频率越高的光粒子性越明显；光在传播过程中往往显示波动性，在

与物质作用时往往显示粒子性。

例1、下图为红光或紫光通过双缝或单缝所呈现的图样，则（）

■min

（甲）（乙）（丙）（T）

A.甲为紫光的干涉图样B.乙为紫光的干涉图样

C.丙为红光的干涉图样D.丁为红光的干涉图样

解析：当单色光通过双缝时形成的干涉图样为等间距的，而通过单缝时的图案是中间宽

两边窄的衍射图样，因此甲、乙为干涉图案；而丙、丁为衍射图案。并且红光的波长较长,

干涉图样中，相邻条纹间距较大，而紫光的波长较短，干涉图样中相邻条纹间距较小，因此

B选项正确。

例2、在光电效应的实验结果中，与光的波动理论不矛盾的是（）

A.光电效应是瞬时发生的

B.所有金属都存在极限颇率

C.光电流随着入射光增强而变大

D.入射光频率越大，光电子最大初动能越大

解析:光具有波粒二象性,即既具有波动性又具有粒子性,光电效应证实了光的粒子性。

因为光子的能量是一份一份的，不能积累，所以光电效应具有瞬时性，这与光的波动性矛盾，

A项错误；同理，因为光子的能量不能积累，所以只有当光子的频率大于金属的极限频率时，

才会发生光电效应，B项错误；光强增大时，光子数量和能量都增大，所以光电流会增大，

这与波动性无关，C项正确；一个光电子只能吸收一个光子，所以入射光的频率增大，光电

子吸收的能量变大，所以最大初动能变大，D项错误。

例3、用极微弱的可见光做双缝干涉实验，随着时间的增加，在屏上先后出现如图(a)、(6)、

(c)所示的图像，则

A.图像(a)表明光具有粒子性

B.图像(c)表明光具有波动性

C.用紫外光观察不到类似的图像

D.实验表明光是一种概率波

解析：本题考查双缝干涉实验及光的波粒

二象性。光子较少时，极其微弱的可见光光子

的落点位置具有不确定性，故(a)图说明光具有粒子性，A对；光照时间的增加，光子落在

亮条纹区域的概念明显较大，双缝干涉条纹越来越清晰，故(c)具有波动性，B对；显然光

子落在亮条纹上的概念较大，该实验也说明光是一种概率波，D对。

例4、太阳光垂直射到地面上时，地面上1m?接受的太阳光的功率为1.妹W,其中可见部

分约占45%

(1)假如认为可见光的波长约为0.55um,日地间距离R=l.5X10%.普朗克恒量h=6.6

XWMJ-s,估算太阳每秒辐射出的可见光子数为多少？

(2)若已知地球的半径为6.4X10、，估算地球接受的太阳光的总功率。

分析：了解光子说理论，建立起适当的模型，即可得出正确解答。

解答：(1)设地面上垂直阳光的In?面积上每秒钟接收的可见光光子数为n.则有PX

45%=n•h-.

A

叩目0.45"0.45x0.55xlO^x1.4xlO3

解得：n=-----------=---------------------------------------

he6.6X10-34X3X108

=1.75X102

设想一个以太阳为球心，以日、地距离为半径的大球面积包围着太阳，大球面接受的

光子数即等于太阳辐射的全部光子数。则所求可见光光子数

N=n・4nR2=1.75X1021X4X3.14X(1.5X10")2=4.9X1014

(2)地球背着阳光的半个球面没有接收太阳光。地球向阳的半个球面面积也不都与太

阳光垂直。接收太阳光辐射且与阳光垂直的有效面积是以地球半径为半径的圆平面的面积。

则地球接收阳光的总功率

P^P•nr2=1.4X3.14X(6.4X106)2=1.8X10l7kW.

原子物理

一、原子的核式结构

1、汤姆孙发现了电子

英国物理学家汤姆逊通过对阴极射线的研究,发现了从原子中发射出来的比原子更小的

带负电的电子。

2、汤姆孙的原子模型

汤姆孙的原子模型是在发现电子的基础上建立起来的，汤姆孙认为，原子是一个球体,

正电荷均匀分布在球内，电子像枣糕里的枣子一样，镶嵌在原子里面，所以汤姆孙的原子模

型也叫枣糕式原子结构模型。

3、卢瑟福的a粒子散射实验

为了了解原子的组成和结构，英国物理学家荧光屏―

卢瑟福等人做了用放射性元素针放出的a粒子0粒)编纹R

礴于源安就

束，轰击重金属箔片的实验（如图）.

实验思想:选择真空环境，避免气体分子对a粒子的运动产生影响.并选择延展性最好

的金打成尽可能薄的金箔，使a粒子在穿过金箔的过程中只与某一个金原子发生相互作用，

观察并比较轰击前后a粒子的运动情况，从而获取原子结构方面的信息.

实验结果：绝大多数。粒子穿过金箔后基本上仍沿原来的方向前进，但是有少数a粒

子发生了较大角度的偏转，极少数a粒子偏转角超过90°,有的几乎达到180°,沿原路返

回。

按照汤姆孙的原子结构模型，带正电的物质均匀分布，带负电的电子质量比a粒子的

质量小得多。。粒子碰到电子就像子弹碰到一粒尘埃一样，其运动方向不会发生什么改变。

但实验结果出现了像一枚炮弹碰到一层薄薄的卫生纸被反弹回来这一不可思议的现象。卢瑟

福通过分析，否定了汤姆孙的原子结构模型，提出了核式结构模型。

4、卢瑟福建立原子的核式结构

卢瑟福依据a粒子散射实验的结果，提出了原子的核式结构：在原子中心有一个很小

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核里，带负电的电子在核外空

间绕核旋转.

原子核的半径无法直接测量，a粒子散射是估算核半径最简单的方法。对于一般的原

子核半径数量级为l（）T5m,整个原子半径的数量级是,两者相差十万倍之多，可

见原子内部是十分“空旷”的。

二、天然放射现象

1、天然放射现象

1896年，法国物理学家贝克勒尔发现，铀和含铀的矿物能发出一种看不见的射线，这

种射线能穿透黑纸而使照相底片感光.这种元素白发地放出射线的现象叫天然放射现象。研

究发现，自然界中原子序数大于或等于83的所有元素，都能、自发地放出射线；原子序数

小于83的元素，有的也具有放射性，这种射线来自于原子核，放射性物质进行天然衰变时

放射出的a、B、丫三种射线。

2、三种射线的本质和特性

a射线：速度约为光速1/10的氮核流，贯穿作用很弱，一张薄纸就能挡住。电离作用很强。

B射线：速度约为光速十分之几的电子流，贯穿作用很强，能穿过几毫米厚的铝板，电离作

用较弱。

Y射线：波长极短的电磁波，贯穿作用最强，能穿过几厘米厚的铅板，电离作用最弱。

3、原子核的衰变规律

（1）a衰变的一般方程为-先贺+1He。每发生一次a衰变，新元素与原元素相比较，

核电荷数减小2,质量数减少4。a衰变的实质是某元素的原子核同时放出由两个质子和两

个中子组成的粒子（即氨核）

（2）B衰变的一般方程为fz£y+-；e。每发生一次B衰变，新元素与原元素相比较，

核电荷数增加1,质量数不变。B衰变的实质是元素的原子核内的一个中子变成质子时放射

出一个电子。

（3）丫射线是伴随a衰变或6衰变同时产生的，丫射线不改变原子核的电行数和质量数。

其实质是光子。

（4）半衰期

①定义：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。半衰期是表

示放射性元素衰变快慢的物理量；不同的放射性元素，其半衰期不同。

②公式：用T表示半衰期，，的与No表示衰变前的质量和原子核数，加和N表示衰变后

的质量和原子核数，〃表示半衰期数，则

m=2=〃％•2亍，N=—―=•27

2"27

③影响因素：放射性元素衰变的快慢是由核内部的因素决定的，跟原子所处的物理状态（如

温度、压强）或化学状态（如单质、化合物）无关。

④规律理解：半衰期是个统计概念，只对大量原子核有意义，对少数原子核是没有意义的。

某一个原子核何时发生衰变，是不可知的。若样品中有四个原子核，它们的半衰期为K）天，

10天后是否有两个原子核发生了衰变是无法确定的。

三、原子核的人工转变

1、原子核的组成：质子和中子组成原子核。质子和中子统称为核子，原子核的质量数等于

其核子数，原子核的电荷数等于其质子数，原子核的中子数N等于其质量数A与电荷数Z

之差，即加八一Z。具有相同的质子数、不同的中子数的原子核互称为同位素。

2、原子核的人工转变：用高能粒子轰击靶核，产生另一种新核的反应过程，其核反应方程

的一般形式为：^X+尤=^y+外式中，X是靶核的符号，x为入射粒子的符号，1V

是新生核符号，y是放射出的粒子的符号。

（1）卢瑟福用a粒子轰击氮原子核发现了质子，如图，该

实验装置为a粒子轰击氮原子核示意图。M是显微镜，S7J-L_Z!H_

是闪光屏，窗口F处装铝箔，氮气从阀门T充入，A是放射

源,在观察由质子引起的闪烁之前需进行必要调整充入氮气能

前，调整铝箔厚度，使S上见不到a粒子引起的闪烁。然

后控制放射源，使其放射a射线，目镜观测到了闪光屏出

现亮点。卢瑟福发现质子的核反应方程为：:NHef?O+\H

（2）中子的发现

卢瑟福发现质子后，预言核内还有一种不带电的粒子，并给这种还未“出生”的粒子起

了一个名字叫“中子”。

查德威克用a粒子轰击镀（如图），再用彼产生的射

线轰击氢、氮，结果打出了氢核。查德威克对新粒子的

性质做进一步研究，最终发现的师傅预言的中子。

查德威克发现中子的核反应方程为：

He甘c+\n.

（3）约里奥•居里夫妇发现放射性同位素和正电子的核

反应方程为：

P+",Si+：e其中，7P是放射性同位素，；e为正电子.

3.放射性同位素的应用

⑴利用其射线：a射线电离性强，用于使空气电离，将静电泄出，从而消除有害静电。丫射

线贯穿性强，可用于金属探伤，也可用于治疗恶性肿瘤。各种射线均可使DNA发生突变，可

用于生物工程，基因工程•

⑵作为示踪原子。用于研究农作物化肥需求情况，诊断甲状腺疾病的类型，研究生物大分子

结构及其功能。

⑶进行考古研究。利用放射性同位素碳14,判定出土木质文物的产生年代。

四、链式反应

1、定义：中子轰击铀核，铀核分裂成中等质量的核，同时放出2或3个中子.这些中子又

引起其他铀核裂变，这样，裂变就会不断地进行下去，释放出越来越多的核能，这就叫链式

反应。

2.条件：铀块的体积大于临界体积。

3.反应堆工作原理

(1)铀棒是燃料，石墨(重水)为慢化剂，使反应生成的快中子变廿镉棒

为慢中子，便于铀235的吸收.蛤、水泥防护层

(2)控制棒：镉棒的作用是吸收中子，控制反应速度，所以也叫

控制棒.控制棒插入深一些，吸收中子多，反应速度变慢，插入

浅一些，吸收中子少，反应速度加快.

(3)冷却剂：核反应释放的能量大部分转化为内能，这时通过水、^

液态钠等作冷却剂，在反应堆内外循环流动，把热量传输出去，慢化剂

用于推动蒸汽机，使发电机发电.

(4)保护层：发生裂变反应时，会产生一些有危险的放射性物质，很厚的水泥防护层可以防

止射线辐射到外面。

例5、卢瑟福通过对。粒子散射实验结果的分析，提出了原子内部存在()

A.电子B.中子C.质子1).原子核

解析：卢瑟福在«粒子散射实验中观察到绝大多数。粒子穿过金箔后几乎不改变运动

方向，只有极少数的。粒子发生了大角度的偏转，说明在原子的中央存在一个体积很小的

带正电的物质，将其称为原子核。故选项D正确。

例6、天然放射性元素放出的三种射线的穿透能力实验结果如图所示，由此可推知()

A.②来自于原子核外的电子

B.①的电离作用最强，是一种电磁波三种射线隼篦兽

C.③的电离作用较强，是一种电磁波①……-\「

D.③的电离作用最弱，属于原子核内释放的光子