問題1：除光電效應外，還有哪些實驗能夠證明“光子說”的合理性？

答：光電效應表明光是具有能量E=hν的光子流，也就是說光具有粒子性。除光電效應外，如圖中所示的康普頓效應、光壓、光鑷等現(xiàn)象或者技術均可以用“光子說”進行解釋，因此都是“光子說”合理性重要的實驗證據(jù)。問題2：什么是“康普頓效應”？答：1923年，美國物理學家康普頓利用如圖所示的實驗裝置在研究X射線與物質的散射實驗時發(fā)現(xiàn)：X射線經(jīng)過石墨散射后，在散射光線中除了有與入射波長λ0相同的成分外，還出現(xiàn)了波長大于λ0的成分，這個現(xiàn)象稱為康普頓效應。我國著名的物理學家吳有訓以精確的實驗和嚴密的分析進一步驗證了康普頓效應的普遍性。定量的研究表明，散射光線中波長的變化量?λ=λ-λ0隨散射角θ的增大而增大，而與入射X射線的波長及散射物質均無關。（這一結論在高中階段不做要求，僅供學有余力的同學拓展知識面）問題3：為什么經(jīng)典電磁理論無法解釋“康普頓效應”？答：根據(jù)經(jīng)典電磁理論，電磁波的散射是這樣產(chǎn)生的：當電磁波通過物體時，會引起物體中帶電粒子作受迫振動，而每個振動著的帶電粒子將向四周輻射電磁波，從而產(chǎn)生了散射光線。根據(jù)選擇性必修1中學習的波動理論，帶電粒子受迫振動的頻率等于入射光的頻率，帶電粒子受迫振動作為波源輻射的電磁波的頻率（或波長）等于波源的振動頻率，即等于入射光的頻率（或波長）。綜上所述，光的波動理論能夠解釋X射線經(jīng)過石墨散射后的光線中有波長不變的成分，但不能解釋其中出現(xiàn)的波長增大的成分。問題4：如何利用“光子說”解釋“康普頓效應”？答：1923年，康普頓利用“光子說”對康普頓效應進行了解釋?？灯疹D認為光子不僅具有能量，而且具有動量。光子的能量為hν，由于光子以光速c運動，因此研究光子與其他物質的作用時需要采用狹義相對論的理論。根據(jù)相對論中質量和能量的關系E=mc2可知光子的動質量為hν/c2，靜質量為0。狹義相對論中，任何物體動量p和能量E滿足關系E2=p2c2+m02c4，所以光子的動量p=mc=E/c=hν/c=h/λ，即光子的動量和能量之間存在如下關系：X射線經(jīng)過石墨散射時，X射線的光子與石墨晶體中的電子相互作用的過程遵循不僅遵循能量守恒定律，還遵循動量守恒定律，光子把一部分動量轉移給電子，使得光子動量可能會變小，根據(jù)p=h/λ可知光子動量p減小意味著波長

λ變大，所以散射后的射線中出現(xiàn)了波長變大的成分。對上述過程的定量推演過程可以很好地解釋前面提到的康普頓效應實驗中的定量規(guī)律（波長的改變量只與散射角有關，而與入射光和散射物質無關），過程如下。如圖所示，假設入射光子的能量為hν，散射前石墨中的電子是靜止的，散射后電子的速度為v，光子的能量為hν＇，散射的過程就是光子與電子的相互作用過程，這一過程中動量和能量都守恒，所以有：其中m0為電子的靜質量，根據(jù)E2=p2c2+m02c4可知電子的靜能量m0c2為，動能量為mc2。將E2=p2c2+m02c4與上面兩個方程聯(lián)立可得：hνν＇（1–cosθ）=m0c2（ν–ν＇）根據(jù)ν=c

/λ可得：上述理論推演過程得出的最終結果與實驗結果的一致性同時表明動量守恒定律和能量守恒定律不僅適用于宏觀的物體，也適用于微觀的粒子。問題5：什么是光壓？如何利用“光子說”解釋“光壓”作用？答：大量光子（光子流）在運動過程中遇到障礙物時，會像氣體分子在容器壁上的碰撞形成氣體壓力一樣，在障礙物上形成光壓力，這一過程中光子流在障礙物上產(chǎn)生的壓強用光壓來描述。光壓最早被提出早在17世紀，19世紀末麥克斯韋用電磁場理論證明了光壓的存在。1900年，俄國物理學家列別捷夫第一次利用實驗測得并證實了光壓的存在。如圖所示用強光手電筒照射高靈敏度電子秤時可以顯示出光壓的作用。利用“光子說”解釋光壓產(chǎn)生的過程如下：假設光強（單位時間內輻射到單位面積上的光的能量）為I、頻率為ν的光垂直照射到障礙物上時全部被反射。單個光子的動量p=hν/c，根據(jù)動量定理，在?t時間內單個光子被反彈過程中受到的作用力大小F0=2p/?t在?t時間內輻射到單位面積上的光子數(shù)目N=I?t/hν，因此這束光在單位面積受到的作用力根據(jù)牛頓第三定律可知光對障礙物施加的壓強為2I/c。光壓的存在不僅證明了光有能量和動量，更直接證明了光的物質性，說明光和電子、原子、分子等實物一樣是物質的不同形式。問題6：如何利用“光子說”解釋“光鑷”技術？答：根據(jù)上一個問題中對光壓的解釋可知，光在傳輸過程中如果遇到某種物質使傳播方向發(fā)生改變，光子的動量就會發(fā)生改變，這一過程中就會對該物質施加反作用力。如圖中所示，光鑷技術就是利用上述原理捕獲微觀粒子的（鑒于篇幅所限，理論推演力的大小的過程此處不詳細介紹，感興趣的同學可以參考2016年北京高考的24題）。光施加在物體上的作用力，與光的強度有直接關系，數(shù)量級大約在10-12～10-8N，與重力、摩擦力、空氣阻力相比完全可以忽略不計。但對于大小與波長相當?shù)奈⒘?，光壓力可以產(chǎn)生大約105g的加速度，因此可以對微粒產(chǎn)生較為明顯的力學效應。正因為如此，光鑷技術在分子生物學領域中對微生物、染色體、細胞的操作得到了廣泛的應用。問題7：如何理解“光既具有波動性，又具有粒子性”？答：如圖所示，在選擇性必修1的學習中，我們知道光能夠發(fā)生干涉、衍射和偏振現(xiàn)象，由于干涉、衍射和偏轉是波的特性，所以光的干涉、衍射、偏振等現(xiàn)象無可爭辯地表明光具有波動性。在選擇性必修2的學習中，我們了解到麥克斯韋通過理論預言光是一種電磁波，赫茲則通過實驗證實了電磁波和光波的統(tǒng)一性，“光具有波動性”這一結論得到了更為普遍的承認。光電效應、康普頓效應、光壓等現(xiàn)象說明光子具有動量和能量，即光具有粒子性。能量E和動量p是描述粒子的物理量?！肮庾诱f”指出光子具有的能量E=hν，具有的動量p=hν/c=h/λ。顯而易見，光子說并沒有完全否定光的波動性，因為頻率ν和波長λ都是描述波的物理量，但能量E和動量p是描述粒子的物理量。因此光既具有波動性，又具有粒子性，我們把光的這一性質稱為光的“波粒二象性”。光的“波粒二象性”