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1、 4.3 4.3 光的波粒二象性光的波粒二象性 高中物理選修3-5教科版1.1.光的散射光的散射 光在介質(zhì)中與物質(zhì)微粒相互作用光在介質(zhì)中與物質(zhì)微粒相互作用,因而傳因而傳播方向發(fā)生改變播方向發(fā)生改變,這種現(xiàn)象叫做這種現(xiàn)象叫做光的散射光的散射. 1923年康普頓在做年康普頓在做 X 射線通過(guò)物質(zhì)散射的射線通過(guò)物質(zhì)散射的實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)散射線中除有與入射線波長(zhǎng)相實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)散射線中除有與入射線波長(zhǎng)相同的射線外，還有比入射線波長(zhǎng)更長(zhǎng)的射線，同的射線外，還有比入射線波長(zhǎng)更長(zhǎng)的射線，其波長(zhǎng)的改變量與散射角其波長(zhǎng)的改變量與散射角有關(guān)，而與入射線有關(guān)，而與入射線波長(zhǎng)和散射物質(zhì)都無(wú)關(guān)波長(zhǎng)和散射物質(zhì)都無(wú)關(guān)。2 2 康

2、普頓效應(yīng)康普頓效應(yīng)一一. .康普頓散射的實(shí)驗(yàn)裝置與規(guī)律：康普頓散射的實(shí)驗(yàn)裝置與規(guī)律：晶體晶體 光闌光闌X 射線管射線管探探測(cè)測(cè)器器X 射線譜儀射線譜儀 石墨體石墨體(散射物質(zhì)散射物質(zhì))j 0散射波長(zhǎng)散射波長(zhǎng) 康普頓正在測(cè)晶體對(duì)X 射線的散射 按經(jīng)典電磁理論：按經(jīng)典電磁理論： 如果入射如果入射X光是光是某種波長(zhǎng)的電磁波，某種波長(zhǎng)的電磁波，散射光的波長(zhǎng)是不散射光的波長(zhǎng)是不會(huì)改變的！會(huì)改變的！康普頓散射曲線的特點(diǎn)：康普頓散射曲線的特點(diǎn)： 1.除原波長(zhǎng)除原波長(zhǎng) 0外出現(xiàn)了移向外出現(xiàn)了移向長(zhǎng)波方向的新的散射波長(zhǎng)長(zhǎng)波方向的新的散射波長(zhǎng) 。 2.新波長(zhǎng)新波長(zhǎng) 隨散射角的增大隨散射角的增大而增大。而增大。 散

3、射中出現(xiàn)散射中出現(xiàn) 0 的現(xiàn)象，稱的現(xiàn)象，稱為為康普頓散射?？灯疹D散射。波長(zhǎng)的偏移為波長(zhǎng)的偏移為=0Oj=45Oj=90Oj=135Oj. . . . . . . . . . .o（A）0.7000.750波長(zhǎng)波長(zhǎng). . 0 0 二、經(jīng)典電磁理論在解釋康普頓效應(yīng)時(shí)遇到的困難二、經(jīng)典電磁理論在解釋康普頓效應(yīng)時(shí)遇到的困難2. 2. 無(wú)法解釋波長(zhǎng)改變和散射角的關(guān)系。無(wú)法解釋波長(zhǎng)改變和散射角的關(guān)系。1. 1. 根據(jù)經(jīng)典電磁波理論，當(dāng)電磁波通過(guò)物根據(jù)經(jīng)典電磁波理論，當(dāng)電磁波通過(guò)物質(zhì)時(shí)，物質(zhì)中帶電粒子將作受迫振動(dòng)，其質(zhì)時(shí)，物質(zhì)中帶電粒子將作受迫振動(dòng)，其頻率等于入射光頻率，所以它所發(fā)射的散頻率等于入射光頻率

4、，所以它所發(fā)射的散射光頻率應(yīng)等于入射光頻率。射光頻率應(yīng)等于入射光頻率。三、光子理論對(duì)康普頓效應(yīng)的解釋三、光子理論對(duì)康普頓效應(yīng)的解釋 康普頓效應(yīng)是光子和電子作彈性碰撞的結(jié)果，具體解釋康普頓效應(yīng)是光子和電子作彈性碰撞的結(jié)果，具體解釋如下：如下：1. 若光子和外層電子相碰撞，光子有一部分能量傳給電子若光子和外層電子相碰撞，光子有一部分能量傳給電子,散射光子的能量減少，于是散射光的波長(zhǎng)大于入射光的波。散射光子的能量減少，于是散射光的波長(zhǎng)大于入射光的波。 2. 若光子和束縛很緊的內(nèi)層電子相碰撞，光子將與整個(gè)原若光子和束縛很緊的內(nèi)層電子相碰撞，光子將與整個(gè)原子交換能量子交換能量,由于光子質(zhì)量遠(yuǎn)小于原子質(zhì)量

5、，根據(jù)碰撞理論由于光子質(zhì)量遠(yuǎn)小于原子質(zhì)量，根據(jù)碰撞理論， 碰撞前后光子能量幾乎不變，波長(zhǎng)不變。碰撞前后光子能量幾乎不變，波長(zhǎng)不變。 3. 因?yàn)榕鲎仓薪粨Q的能量和碰撞的角度因?yàn)榕鲎仓薪粨Q的能量和碰撞的角度有關(guān)，所以波長(zhǎng)改有關(guān)，所以波長(zhǎng)改變和散射角有關(guān)。變和散射角有關(guān)。四四. .康普頓散射實(shí)驗(yàn)的意義康普頓散射實(shí)驗(yàn)的意義（1 1）有力地支持了愛(ài)因斯坦）有力地支持了愛(ài)因斯坦“光量子光量子”假設(shè)；假設(shè)； （2 2）首次在實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了）首次在實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了“光子具有動(dòng)量光子具有動(dòng)量” 的假設(shè)；的假設(shè)；（3 3）證實(shí)了）證實(shí)了在微觀世界的單個(gè)碰撞事件中，在微觀世界的單個(gè)碰撞事件中， 動(dòng)量和能量守恒定律仍然是成

6、立的。動(dòng)量和能量守恒定律仍然是成立的。 康普頓的成功也不是一帆風(fēng)順的，在他早期的幾康普頓的成功也不是一帆風(fēng)順的，在他早期的幾篇論文中，一直認(rèn)為散射光頻率的改變是由于篇論文中，一直認(rèn)為散射光頻率的改變是由于“混進(jìn)混進(jìn)來(lái)了某種熒光輻射來(lái)了某種熒光輻射”；在計(jì)算中起先只考慮能量守恒，；在計(jì)算中起先只考慮能量守恒，后來(lái)才認(rèn)識(shí)到還要用動(dòng)量守恒。后來(lái)才認(rèn)識(shí)到還要用動(dòng)量守恒?？灯疹D于康普頓于19271927年獲諾貝爾物理獎(jiǎng)。年獲諾貝爾物理獎(jiǎng)。19251926年，吳有訓(xùn)用銀的年，吳有訓(xùn)用銀的X射線射線( 0 =5.62nm) 為入射線為入射線, 以以15種輕重不同的元素為散射物質(zhì)，種輕重不同的元素為散射物質(zhì)，

7、五、吳有訓(xùn)對(duì)研究康普頓效應(yīng)的貢獻(xiàn)五、吳有訓(xùn)對(duì)研究康普頓效應(yīng)的貢獻(xiàn)1923年年,參加了發(fā)現(xiàn)康普頓效應(yīng)的研究工作參加了發(fā)現(xiàn)康普頓效應(yīng)的研究工作.對(duì)證實(shí)康普頓效應(yīng)作出了重要對(duì)證實(shí)康普頓效應(yīng)作出了重要貢獻(xiàn)。貢獻(xiàn)。在同一散射角在同一散射角( )測(cè)量測(cè)量各種波長(zhǎng)的散射光強(qiáng)度，作了各種波長(zhǎng)的散射光強(qiáng)度，作了大量大量 X 射線散射實(shí)驗(yàn)。射線散射實(shí)驗(yàn)。0120 j j（1897-19771897-1977） 吳有訓(xùn)吳有訓(xùn)稱為電子的稱為電子的Compton波長(zhǎng)波長(zhǎng))cos1 (j j c只有當(dāng)入射波長(zhǎng)只有當(dāng)入射波長(zhǎng) 0與與 c可比擬時(shí)，康普頓效應(yīng)才顯可比擬時(shí)，康普頓效應(yīng)才顯著，著，因此要用因此要用X射線才能觀察到

8、射線才能觀察到康普頓散射，用可康普頓散射，用可見(jiàn)光觀察不到康普頓散射。見(jiàn)光觀察不到康普頓散射。波長(zhǎng)的偏移只與散射角波長(zhǎng)的偏移只與散射角j j 有關(guān)，有關(guān)，而與散射物質(zhì)而與散射物質(zhì)種類及入射的種類及入射的X X射線的波長(zhǎng)射線的波長(zhǎng) 0 0 無(wú)關(guān)，無(wú)關(guān)，0 c = 0.0241=2.41 10-3nm（實(shí)驗(yàn)值）（實(shí)驗(yàn)值）光的光的干涉干涉 1801年，英國(guó)物理學(xué)家年，英國(guó)物理學(xué)家托馬斯托馬斯楊楊在實(shí)在實(shí)驗(yàn)室里成功的觀察到了光的干涉驗(yàn)室里成功的觀察到了光的干涉 兩列或幾列光波在空間相遇時(shí)兩列或幾列光波在空間相遇時(shí)相互疊加，相互疊加，在某些區(qū)域始終加強(qiáng)，在另一些區(qū)域則始終在某些區(qū)域始終加強(qiáng)，在另一些區(qū)域

9、則始終削弱，削弱，形成穩(wěn)定的強(qiáng)弱分布的現(xiàn)象形成穩(wěn)定的強(qiáng)弱分布的現(xiàn)象。一一、光的干涉現(xiàn)象、光的干涉現(xiàn)象-楊氏干涉實(shí)驗(yàn)楊氏干涉實(shí)驗(yàn)單縫單縫 雙縫雙縫紅濾色片紅濾色片S1SS2屏幕屏幕1 1、裝置特點(diǎn)、裝置特點(diǎn)：（1 1）雙縫很近雙縫很近 0.1mm0.1mm， （2 2）雙縫）雙縫S S1 1、S S2 2與單縫與單縫S S的距離相等的距離相等. .2 2、濾光片的作用：濾光片的作用：得到單得到單色光色光. . 單孔的作用：?jiǎn)慰椎淖饔茫菏谦@得點(diǎn)是獲得點(diǎn)光源光源. . 雙孔的作用：雙孔的作用：相當(dāng)于兩相當(dāng)于兩個(gè)振動(dòng)情況完全相同的光源，個(gè)振動(dòng)情況完全相同的光源，雙孔的作用是獲得相干光源雙孔的作用是獲得

10、相干光源. .得到相干光源：得到相干光源：一分為二一分為二的思想的思想光的干涉光的干涉雙縫干涉雙縫干涉激光束激光束雙縫雙縫屏屏屏上看到明暗相間的條紋屏上看到明暗相間的條紋光到底是什么？光到底是什么？牛頓牛頓微粒說(shuō)：微粒說(shuō)：認(rèn)為光是一種認(rèn)為光是一種粒子流，是實(shí)物粒子，粒子流，是實(shí)物粒子，有靜止質(zhì)量，沒(méi)有波動(dòng)有靜止質(zhì)量，沒(méi)有波動(dòng)性。性。惠更斯惠更斯波動(dòng)說(shuō)：波動(dòng)說(shuō)：認(rèn)為波是一種認(rèn)為波是一種機(jī)械波，沒(méi)有物質(zhì)性，機(jī)械波，沒(méi)有物質(zhì)性，在太空中傳播要依賴在太空中傳播要依賴“以太以太”這種媒介。這種媒介。兩者相互排斥，相互矛盾！兩者相互排斥，相互矛盾！愛(ài)因斯坦愛(ài)因斯坦光子說(shuō)：光子說(shuō)：認(rèn)為光是一份一份認(rèn)為光是一

11、份一份的光子構(gòu)成，是一種沒(méi)有靜的光子構(gòu)成，是一種沒(méi)有靜止質(zhì)量的特殊物質(zhì)，具有波止質(zhì)量的特殊物質(zhì)，具有波動(dòng)性。動(dòng)性。麥克斯韋麥克斯韋電磁說(shuō)：電磁說(shuō)：認(rèn)為光是一種電認(rèn)為光是一種電磁波，是物質(zhì)的一種特殊磁波，是物質(zhì)的一種特殊形態(tài)，在真空傳播不需依形態(tài)，在真空傳播不需依賴媒介賴媒介兩者是統(tǒng)一的，并沒(méi)有否定對(duì)兩者是統(tǒng)一的，并沒(méi)有否定對(duì)方！方！增透膜增透膜薄膜干涉薄膜干涉鏡面檢測(cè)鏡面檢測(cè)圓屏衍射圓屏衍射圓孔衍射圓孔衍射鋼針的衍射鋼針的衍射光的干涉和衍射現(xiàn)象表明光確實(shí)是一種波光的干涉和衍射現(xiàn)象表明光確實(shí)是一種波愛(ài)因斯坦愛(ài)因斯坦康普頓康普頓光電效應(yīng)以及光電效應(yīng)以及康普頓效應(yīng)等康普頓效應(yīng)等無(wú)可辯駁的證無(wú)可辯駁的

12、證實(shí)了光是一種實(shí)了光是一種粒子粒子光到底是一種波，還是一種粒子光到底是一種波，還是一種粒子呢？呢？減弱光源，直到只剩下一個(gè)光子減弱光源，直到只剩下一個(gè)光子圖圖4-3-3 4-3-3 光的雙縫干涉光的雙縫干涉短長(zhǎng)曝光時(shí)間結(jié)論結(jié)論1 1、圖片呈現(xiàn)、圖片呈現(xiàn)雜亂無(wú)章的幾雜亂無(wú)章的幾個(gè)亮點(diǎn)個(gè)亮點(diǎn)清晰的顯示了清晰的顯示了光的光的粒子性粒子性2 2、亮點(diǎn)在感光片上、亮點(diǎn)在感光片上形成形成模糊的亮紋模糊的亮紋，形成了干涉，形成了干涉條紋。說(shuō)明了條紋。說(shuō)明了波動(dòng)性是波動(dòng)性是每一個(gè)光子的屬性。每一個(gè)光子的屬性。并且每一次光子落在亮條并且每一次光子落在亮條紋的可能性大，落在暗條紋的可能性大，落在暗條紋處的可能性小

13、。紋處的可能性小。 干涉條紋是光子落在感光片上各點(diǎn)的概率干涉條紋是光子落在感光片上各點(diǎn)的概率分布的反映。分布的反映。光是一種概率波。光是一種概率波。光的波粒二象性：光的波粒二象性：個(gè)別光子的作用效果往往表現(xiàn)為個(gè)別光子的作用效果往往表現(xiàn)為粒子性粒子性;大大量光子的作用效果往往表現(xiàn)為量光子的作用效果往往表現(xiàn)為波動(dòng)性波動(dòng)性. 高的光子容易表現(xiàn)出高的光子容易表現(xiàn)出粒子性粒子性;低的光子容低的光子容易表現(xiàn)出易表現(xiàn)出波動(dòng)性波動(dòng)性. 光在傳播過(guò)程中往往表現(xiàn)出光在傳播過(guò)程中往往表現(xiàn)出波動(dòng)性波動(dòng)性;在與物在與物質(zhì)發(fā)生作用時(shí)往往表現(xiàn)為質(zhì)發(fā)生作用時(shí)往往表現(xiàn)為粒子性粒子性. 希臘字母希臘字母: : 讀讀nju:,nj

14、u:,音同音同newnew1672T/年年1690186419051801托馬斯托馬斯楊楊雙縫干涉雙縫干涉實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)1814菲涅耳菲涅耳衍射實(shí)驗(yàn)衍射實(shí)驗(yàn)赫茲赫茲電磁波實(shí)驗(yàn)電磁波實(shí)驗(yàn)1888赫茲赫茲發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng)發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng)牛頓微粒說(shuō)牛頓微粒說(shuō)占主導(dǎo)地位占主導(dǎo)地位波動(dòng)說(shuō)波動(dòng)說(shuō)漸成真理漸成真理.光的本性微粒說(shuō)微粒說(shuō)牛頓牛頓光的直進(jìn)反射光的直進(jìn)反射彈性粒子彈性粒子波動(dòng)說(shuō)波動(dòng)說(shuō)惠更斯惠更斯干涉、衍射干涉、衍射光是一種機(jī)械波光是一種機(jī)械波電磁說(shuō)電磁說(shuō)麥克斯韋麥克斯韋真空、橫波、速度真空、橫波、速度電磁波電磁波學(xué)說(shuō)學(xué)說(shuō)代表人物代表人物依據(jù)依據(jù)觀點(diǎn)觀點(diǎn)光的本性 光的本性 光的 波動(dòng)說(shuō) 光的 電磁說(shuō) 光的衍射 光的干涉 電磁波譜 光的 微粒說(shuō) 光的 光量子說(shuō) 光電效應(yīng) 薄膜干涉 雙縫干涉 光的波、粒二象性 光的本性二、光子的能量和動(dòng)量二、光子的能量和動(dòng)量2Em c2hhhPmccccEh2hmc分析：得：hP1.動(dòng)量和能量是描述粒子的動(dòng)量和能量是描述粒子的h2.頻率和波長(zhǎng)則是用來(lái)描述波的頻率和波長(zhǎng)則是用來(lái)描述波的.