第頁第三節(jié)康普頓效應(yīng)及其解釋第四節(jié)光的波粒二象性[目標(biāo)定位]1.了解康普頓效應(yīng)及其意義.2.知道光的波粒二象性并會分析有關(guān)現(xiàn)象.3.了解什么是概率波，知道光也是一種概率波．一、康普頓效應(yīng)及其解釋1．康普頓效應(yīng)(1)用X射線照射物體時，一局部散射出來的X射線的波長會變長，這個現(xiàn)象后來稱為康普頓效應(yīng)．(2)光子的能量為ε＝hν，光子的動量為p＝eq\f(h,λ).2．康普頓對散射光波長變化的解釋(1)散射光波長的變化，是入射光子與物質(zhì)中的電子發(fā)生碰撞的結(jié)果．(2)物質(zhì)中電子的動能比入射光子的能量小很多，電子可以看做是靜止的．(3)光子與電子作用過程中，總能量、總動量均守恒．(4)光子因與電子相碰，有一局部能量和動量給了電子，光子的能量和動量均減小了，這樣，散射光的波長也就變長了．3．康普頓效應(yīng)的意義康普頓效應(yīng)說明光子除了具有能量之外，還具有動量，深入揭示了光的粒子性的一面．二、光的波粒二象性1．光的波粒二象性的本質(zhì)(1)雙縫干預(yù)實驗裝置如圖1所示．圖1(2)實驗要求：降低光源S的強(qiáng)度，直到入射光減弱到?jīng)]有兩個光子同時存在的程度．(3)實驗結(jié)果：①短時間，感光片上呈現(xiàn)雜亂分布的亮點．②較長時間，感光片上呈現(xiàn)模糊的亮紋．③長時間，感光片上形成清晰的干預(yù)圖樣．(4)實驗結(jié)論：光既有波動性，又有粒子性，光具有波粒二象性．2．概率波(1)對干預(yù)實驗中明暗條紋的解釋每個光子按照一定的概率落在感光片的某一點，概率大的地方落下的光子多，形成亮紋；概率小的地方落下的光子少，形成暗紋．(2)光波是一種概率波，干預(yù)條紋是光子在感光片上各點概率分布的反映．預(yù)習(xí)完成后，請把你疑惑的問題記錄在下面的表格中問題1問題2問題3一、康普頓效應(yīng)1．實驗結(jié)果1918年～1922年，美國物理學(xué)家康普頓在研究石墨對X射線的散射時，發(fā)現(xiàn)散射的X射線中，除有與入射線波長相同的射線外，還有波長比入射線波長更長的射線．人們把這種波長變化的現(xiàn)象叫做康普頓效應(yīng)．2．光子說對康普頓效應(yīng)的解釋假定X射線光子與電子發(fā)生彈性碰撞，這種碰撞跟臺球比賽中的兩球碰撞很相似．按照愛因斯坦的光子說，一個X射線光子不僅具有能量ε＝hν，而且還有動量．如圖2所示．這個光子與靜止的電子發(fā)生彈性斜碰，光子把局部能量轉(zhuǎn)移給了電子，能量由hν減小為hν′，因此頻率減小，波長增大．同時，光子還使電子獲得一定的動量．這樣就圓滿地解釋了康普頓效應(yīng)．圖2【例1】康普頓效應(yīng)證實了光子不僅具有能量，也有動量，如圖3給出了光子與靜止電子碰撞后，電子的運(yùn)動方向，那么碰撞后光子可能沿方向____________運(yùn)動，并且波長________(選填“不變〞、“變短〞或“變長〞)．圖3答案1變長解析根據(jù)動量守恒定律知，光子與靜止電子碰撞前后動量守恒，相碰后合動量應(yīng)沿2方向，所以碰后光子可能沿1方向運(yùn)動，由于動量變小，故波長應(yīng)變長．針對訓(xùn)練在康普頓效應(yīng)中，光子與電子發(fā)生碰撞后，關(guān)于散射光子的波長，以下說法正確的選項是()A．一定變長B．一定變短C．可能變長，也可能變短D．決定于電子的運(yùn)動狀態(tài)答案A解析因為光子入射的能量很大，比電子的能量要大得多，碰撞時，動量和能量都守恒，碰后一定是電子的動能增加，光子的能量減少，所以散射光子的波長一定變長，選項A正確．二、對光的波粒二象性的理解實驗根底表現(xiàn)說明光的波動性干預(yù)和衍射①光是一種概率波，即光子在空間各點出現(xiàn)的可能性大小(概率)可用波動規(guī)律來描述．②頻率較低的光在傳播時，表現(xiàn)出波的性質(zhì).①光的波動性是光子本身的一種屬性，不是光子之間相互作用產(chǎn)生的．②光的波動性不同于宏觀觀念的波．光的粒子性光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)①當(dāng)光同物質(zhì)發(fā)生作用時，這種作用是“一份一份〞進(jìn)行的，表現(xiàn)出粒子性．②少量或個別光子清楚地顯示出光的粒子性.①粒子的含義是“不連續(xù)〞、“一份一份〞的．②光子不同于宏觀觀念的粒子．波動性和粒子性的對立、統(tǒng)一①大量光子易顯示波動性，而少量光子易顯示出粒子性．②波長長(頻率低)的光波動性強(qiáng)，而波長短(頻率高)的光粒子性強(qiáng).①光子說并未否認(rèn)波動性，ε＝hν＝eq\f(hc,λ)中，ν和λ就是波的概念．②波和粒子在宏觀世界是不能統(tǒng)一的，而在微觀世界卻是統(tǒng)一的.【例2】(多項選擇)關(guān)于光的波粒二象性的理解正確的選項是()A．大量光子的行為往往表現(xiàn)出波動性，個別光子的行為往往表現(xiàn)出粒子性B．光在傳播時是波，而與物質(zhì)相互作用時就轉(zhuǎn)變成粒子C．高頻光是粒子，低頻光是波D．波粒二象性是光的根本屬性，有時它的波動性顯著，有時它的粒子性顯著答案AD解析光的波粒二象性指光有時候表現(xiàn)出的粒子性較明顯，有時候表現(xiàn)出的波動性較明顯，D正確；大量光子的效果往往表現(xiàn)出波動性，A正確；光在傳播時波動性顯著，光與物質(zhì)相互作用時粒子性顯著，B錯誤；頻率高的光粒子性顯著，頻率低的光波動性顯著，C錯誤．借題發(fā)揮解答此類問題的關(guān)鍵是要理解以下知識要點：(1)光是一種波，同時也是一種粒子，也就是說光具有波粒二象性；(2)光的波動性在光的傳播過程中表達(dá)出來，具有一定的波長和頻率，能夠發(fā)生干預(yù)和衍射現(xiàn)象；(3)光的粒子性在它與物質(zhì)的相互作用時表達(dá)出來，光子具有一定的能量(ε＝hν)和動量(p＝eq\f(h,λ))．三、對光是概率波的理解1．單個粒子運(yùn)動的偶然性：我們可以知道粒子落在某點的概率，但不能預(yù)言粒子落在什么位置，即粒子到達(dá)什么位置是隨機(jī)的，是預(yù)先不能確定的．2．大量粒子運(yùn)動的統(tǒng)計規(guī)律：光在傳播過程中，光子在空間出現(xiàn)的概率可以通過波動規(guī)律確定，所以光波是一種概率波．【例3】(多項選擇)在單縫衍射實驗中，中央亮紋的光強(qiáng)占從單縫射入的整個光強(qiáng)的95%以上，假設(shè)現(xiàn)在只讓一個光子通過單縫，那么該光子()A．一定落在中央亮紋處B．一定落在亮紋處C．可能落在暗紋處D．落在中央亮紋處的可能性最大答案CD解析根據(jù)光波是概率波的概念，對于一個光子通過單縫落在何處，是不可確定的，但概率最大的是落在中央亮紋處．當(dāng)然也可落在其他亮紋處，還可能落在暗紋處，不過，落在暗紋處的概率很小，故C、D選項正確.對康普頓效應(yīng)的理解1．關(guān)于康普頓效應(yīng)，以下說法不正確的選項是()A．康普頓在研究X射線散射時，發(fā)現(xiàn)散射光的波長發(fā)生了變化，為波動說提供了依據(jù)B．X射線散射時，波長改變的多少與散射角有關(guān)C．發(fā)生散射時，波長較短的X射線或γ射線入射時，產(chǎn)生康普頓效應(yīng)D．愛因斯坦的光子說能夠解釋康普頓效應(yīng)，所以康普頓效應(yīng)支持粒子說答案A解析美國物理學(xué)家康普頓在研究X射線散射時，發(fā)現(xiàn)散射光波長發(fā)生了變化，這種現(xiàn)象用波動說無法解釋，用光子說卻可以解釋，A錯；波長改變的多少與散射角有關(guān)，B對；當(dāng)波長較短時發(fā)生康普頓效應(yīng)，較長時發(fā)生光電效應(yīng)，C對、D對．2．一個沿著一定方向運(yùn)動的光子和一個原來靜止的自由電子相互碰撞，碰撞之后電子向某一方向運(yùn)動，而光子沿著另一方向散射出去，那么這個散射光子跟原來入射時相比()A．散射光子的能量減少B．光子的能量增加，頻率也增大C．速度減小D．波長減小答案A解析由于光子既具有能量，也具有動量，因此在碰撞過程中遵循能量守恒定律，所以光子能量減少，頻率減小，波長增大．對光的波粒二象性的理解3．以下有關(guān)光的波粒二象性的說法中，正確的選項是()A．有的光是波，有的光是粒子B．光子與電子是同樣的一種粒子C．光的波長越長，其波動性越顯著；波長越短，其粒子性越顯著D．大量光子的行為往往顯示出粒子性答案C解析一切光都具有波粒二象性，光的有些行為(如干預(yù)、衍射)表現(xiàn)出波動性，光的有些行為(如光電效應(yīng))表現(xiàn)出粒子性．所以，不能說有的光是波，有的光是粒子；雖然光子與電子都是微觀粒子，都具有波粒二象性，但電子是實物粒子，有靜止質(zhì)量，光子不是實物粒子，沒有靜止質(zhì)量，電子是以實物形式存在的物質(zhì)，光子是以場形式存在的物質(zhì)，所以，不能說光子與電子是同樣的一種粒子；光的波粒二象性的理論和實驗說明，大量光子的行為表現(xiàn)出波動性，個別光子的行為表現(xiàn)出粒子性．光的波長越長，衍射性越好，即波動性越顯著，光的波長越短，其光子能量越大，個別或少數(shù)光子的作用就足以引起光接收裝置的反響，所以其粒子性就很顯著．應(yīng)選項C正確，A、B、D錯誤．4．關(guān)于光的波粒二象性，以下說法中不正確的選項是()A．波粒二象性指光有時表現(xiàn)為波動性，有時表現(xiàn)為粒子性B．光波頻率越高，粒子性越明顯C．能量越大的光子其波動性越顯著D．個別光子易表現(xiàn)出粒子性，大量光子易表現(xiàn)出波動性E．光的波粒二象性應(yīng)理解為，在某種場合下光的粒子性表現(xiàn)明顯，在另外某種場合下光的波動性表現(xiàn)明顯答案C解析光的波粒二象性指光有時候表現(xiàn)出的粒子性較明顯，有時候表現(xiàn)出的波動性較明顯，或者說在某種場合下光的粒子性表現(xiàn)明顯，在另外某種場合下光的波動性表現(xiàn)明顯；個別光子易表現(xiàn)出粒子性，大量光子易表現(xiàn)出波動性，A、D、E說法正確；光的頻率越高，能量越大，粒子性相對波動性越明顯，B說法正確、C說法錯誤．(時間：60分鐘)題組一康普頓效應(yīng)1．白天的天空各處都是亮的，是大氣分子對太陽光散射的結(jié)果．美國物理學(xué)家康普頓由于在這方面的研究而榮獲了1927年的諾貝爾物理學(xué)獎．假設(shè)一個運(yùn)動的光子和一個靜止的自由電子碰撞以后，電子向某一個方向運(yùn)動，光子沿另一方向散射出去，那么這個散射光子跟原來的光子相比()A．頻率變大 B．速度變小C．光子能量變大 D．波長變長答案D解析光子與自由電子碰撞時，遵守動量守恒和能量守恒，自由電子碰撞前靜止，碰撞后動量、能量均增加，所以光子的動量、能量減小，故C錯誤；由λ＝eq\f(h,p)、ε＝hν可知光子頻率變小，波長變長，故A錯誤、D正確；由于光子速度是不變的，故B錯誤．2．光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)都包含有電子與光子的相互作用過程，對此以下說法正確的選項是()A．兩種效應(yīng)中電子與光子組成的系統(tǒng)都服從動量守恒定律和能量守恒定律B．兩種效應(yīng)都相當(dāng)于電子與光子的彈性碰撞過程C．兩種效應(yīng)都屬于吸收光子的過程D．光電效應(yīng)是吸收光子的過程，而康普頓效應(yīng)相當(dāng)于光子和電子彈性碰撞的過程答案D解析光電效應(yīng)吸收光子放出電子，其過程能量守恒，但動量不守恒，康普頓效應(yīng)相當(dāng)于光子與電子彈性碰撞的過程，并且遵守動量守恒定律和能量守恒定律，兩種效應(yīng)都說明光具有粒子性．故D正確．3．科學(xué)研究證明，光子有能量也有動量，當(dāng)光子與電子碰撞時，光子的一些能量轉(zhuǎn)移給了電子．假設(shè)光子與電子碰撞前的波長為λ，碰撞后的波長為λ′，那么碰撞過程中()A．能量守恒，動量不守恒，且λ＝λ′B．能量不守恒，動量不守恒，且λ＝λ′C．能量守恒，動量守恒，且λ＜λ′D．能量守恒，動量守恒，且λ＞λ′答案C解析能量守恒和動量守恒是自然界的普遍規(guī)律，適用于宏觀世界，也適用于微觀世界．光子與電子碰撞時遵循這兩個守恒定律．光子與電子碰撞前光子的能量ε＝hν＝heq\f(c,λ)，當(dāng)光子與電子碰撞時，光子的一些能量轉(zhuǎn)移給了電子，光子的能量ε′＝hν′＝heq\f(c,λ′)，由ε＞ε′可知λ＜λ′，選項C正確．題組二光的波粒二象性4．(多項選擇)說明光具有粒子性的現(xiàn)象是()A．光電效應(yīng) B．光的干預(yù)C．光的衍射 D．康普頓效應(yīng)答案AD5．(多項選擇)關(guān)于光的波動性與粒子性，以下說法正確的選項是()A．愛因斯坦的光子說否認(rèn)了光的電磁說B．光電效應(yīng)現(xiàn)象說明了光的粒子性C．光波不同于機(jī)械波，它是一種概率波D．光的波動性和粒子性是相互矛盾的，無法統(tǒng)一答案BC解析愛因斯坦的光子說并沒有否認(rèn)電磁說，只是在一定條件下光是表達(dá)粒子性的，A錯；光電效應(yīng)說明光具有粒子性，說明光的能量是一份一份的，B對；光子在少量的情況下表現(xiàn)粒子性，大量的情況下表現(xiàn)波動性，所以C對；光的波動性和粒子性不是孤立的，而是有機(jī)的統(tǒng)一體，D錯．6．以下現(xiàn)象能說明光具有波粒二象性的是()A．光的色散和光的干預(yù) B．光的干預(yù)和光的衍射C．光的反射和光電效應(yīng) D．泊松亮斑和光電效應(yīng)答案D解析光的色散、光的反射可以從波動性和粒子性兩方面分別予以理解，故A、C選項錯誤．光的干預(yù)、衍射現(xiàn)象只說明光的波動性，B選項錯誤．泊松亮斑能說明光具有波動性，光電效應(yīng)說明光具有粒子性，故D選項正確．7．關(guān)于光的本性，以下說法正確的選項是()A．波動性和粒子性是相互矛盾和對立的，因此光具有波粒二象性是不可能的B．光的波動性類似于機(jī)械波，光的粒子性類似于質(zhì)點C．大量光子具有波動性，個別光子具有粒子性D．γ射線具有顯著的粒子性，而不具有波動性答案C解析由光的波粒二象性可知：光是同時具有波粒二象性的．但是不同于宏觀的機(jī)械波和宏觀粒子，波動性和粒子性是光在不同情況下的表現(xiàn)，是同一客觀事物的兩個側(cè)面．我們無法用一種學(xué)說去解釋光的所有行為，只能認(rèn)為光具有波粒二象性．實際上光是一種概率波，即少數(shù)光子的行為表現(xiàn)出粒子性，大量光子的行為表現(xiàn)出波動性，綜上所述選項C正確．8．(多項選擇)關(guān)于光的性質(zhì)，以下表達(dá)中正確的選項是()A．在其他同等條件下，光的頻率越高，衍射現(xiàn)象越容易看到B．頻率越高的光，粒子性越顯著；頻率越低的光，波動性越顯著C．大量光子產(chǎn)生的效果往往顯示出波動性，個別光子產(chǎn)生的效果往往顯示出粒子性D．如果讓光子一個一個地通過狹縫時，它們將嚴(yán)格按照相同的軌道和方向做極有規(guī)那么的勻速直線運(yùn)動答案BC解析光具有波粒二象性，頻率越高，粒子性越顯著；少量光子表現(xiàn)出粒子性，但光子的波粒二象性是本身固有的．9．(多項選擇)在驗證光的波粒二象性的實驗中，以下說法正確的選項是()A．使光子一個一個地通過單縫，如果時間足夠長，底片上會出現(xiàn)衍射圖樣B．單個光子通過單縫后，底片上會出現(xiàn)完整的衍射圖樣C．光子通過單縫的運(yùn)動路線像水波一樣起伏D．單個光子通過單縫后打在底片上的情況呈現(xiàn)出隨機(jī)性，大量光子通過單縫后打在底片上的情況呈現(xiàn)出規(guī)律性答案AD10．(多項選擇)為了驗證光的波粒二象性，在雙縫干預(yù)實驗中將光屏換成照相底片，并設(shè)法減弱光的強(qiáng)度，以下說法正確的選項是()A．使光子一個一個地通過雙縫干預(yù)實驗裝置的單縫，如果時間足夠長，底片上將出現(xiàn)雙縫干預(yù)圖樣B．使光子一個一個地通過雙縫干預(yù)實驗裝置的單縫，如果時間很短，底片上將出現(xiàn)不太清晰的雙縫干預(yù)圖樣C．大