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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 第二章波粒二象性 欄目鏈接 學(xué)習(xí)目標(biāo) 1 了解康普頓效應(yīng)及其解釋 2 知道光的波粒二象性及其本質(zhì) 3 知道概率波 欄目鏈接 康普頓效應(yīng)及其解釋 康普頓效應(yīng)這一實(shí)驗(yàn)有什么物理意義 提示 康普頓效應(yīng)這一實(shí)驗(yàn)證明了愛(ài)因斯坦光子假說(shuō)的正確性 用光照射物體時(shí) 散發(fā)出來(lái)的光的波長(zhǎng)會(huì)變長(zhǎng) 這種現(xiàn)象后來(lái)稱為康普頓效應(yīng) 欄目鏈接 光電效應(yīng)揭示出光的粒子性 愛(ài)因斯坦進(jìn)一步提出光子的動(dòng)量應(yīng)為p 康普頓借助愛(ài)因斯坦的光子假說(shuō)解析了散射光的波長(zhǎng)改變的現(xiàn)象 康普頓認(rèn)為光子不僅有能量 也像其他粒子一樣有動(dòng)量 用X射線照射物體時(shí) X射線中的光子與物體中的電子相碰 碰撞中動(dòng)量守恒 能量守恒 電子碰前可認(rèn)為是靜止的 碰后獲得了一定的動(dòng)量和能量 碰后光子的動(dòng)量 能量減少 散射光的波長(zhǎng)變長(zhǎng) 康普頓效應(yīng)再次證明了愛(ài)因斯坦光子假說(shuō)的正確性 它不僅證明了光子具有能量 同時(shí)還證明了光子具有動(dòng)量 欄目鏈接 如果按照經(jīng)典電磁理論 入射波引起物質(zhì)中電子的振動(dòng) 這種振動(dòng)頻率必然與入射波的頻率相同 從而引起的散射波也應(yīng)該與入射波的頻率相同 而散射前后的介質(zhì)相同 所以散射前后波長(zhǎng)也就不變 因此康普頓效應(yīng)說(shuō)明了光具有粒子性 白天的天空各處都是亮的 是大氣分子對(duì)太陽(yáng)光散射的結(jié)果 美國(guó)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(jiǎng) 假設(shè)一個(gè)運(yùn)動(dòng)的光子和一個(gè)靜止的自由電子碰撞以后 電子向某一個(gè)方向運(yùn)動(dòng) 光子沿另一方向散射出去 則這個(gè)散射光子跟原來(lái)的光子相比 欄目鏈接 A 頻率變大B 速度變小C 光子能量變大D 波長(zhǎng)變長(zhǎng)解析 光子與自由電子碰撞時(shí) 遵守動(dòng)量守恒和能量守恒 自由電子碰撞前靜止 碰撞后動(dòng)量 能量均增加 所以光子的動(dòng)量 能量減小 故C錯(cuò)誤 由 h 可知光子頻率變小 波長(zhǎng)變長(zhǎng) 故A錯(cuò)誤 D正確 由于光子速度是不變的 故B錯(cuò)誤 答案 D 欄目鏈接 課堂訓(xùn)練1 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(zhǎng) 下列說(shuō)法正確的是 A A 一定變長(zhǎng)B 一定變短C 可能變長(zhǎng) 也可能變短D 決定于電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)解析 因?yàn)楣庾尤肷涞哪芰亢艽?比電子的能量要大得多 碰撞時(shí) 動(dòng)量和能量都守恒 碰后一定是電子的動(dòng)能增加 光子的能量減少 所以散射光子的波長(zhǎng)一定變長(zhǎng) 選項(xiàng)A正確 對(duì)光的波粒二象性的認(rèn)識(shí)與理解 什么是光的波粒二象性 提示 光的波粒二象性是指光既具有粒子性 又具有波動(dòng)性 光具有粒子性 又有波動(dòng)性 單獨(dú)使用波或粒子的解釋都無(wú)法完整地描述光的所有性質(zhì) 有人就把這種性質(zhì)稱為波粒二象性 欄目鏈接 大量 多數(shù) 光子行為易表現(xiàn)為波動(dòng)性 個(gè)別 少數(shù) 光子行為易表現(xiàn)出粒子性 波長(zhǎng)較長(zhǎng)的 易表現(xiàn)為波動(dòng)性 波長(zhǎng)較短的 易表現(xiàn)為粒子性 光在傳播的過(guò)程中 易表現(xiàn)為波動(dòng)性 在與其他物質(zhì)相互作用時(shí) 易表現(xiàn)為粒子性 光是波動(dòng)性與粒子性的統(tǒng)一 光在傳播時(shí)體現(xiàn)出波動(dòng)性起主導(dǎo)作用 在與其他物質(zhì)相互作用時(shí) 粒子性起主導(dǎo)作用 光的能量與其對(duì)應(yīng)的頻率成正比 而頻率是反映波動(dòng)性特征的物理量 因此 h 揭示了光的粒子性與波動(dòng)性的密切聯(lián)系 欄目鏈接 波動(dòng)性是光子的本身屬性 不能把光看作宏觀上的波 也不能把光看作宏觀上的粒子 對(duì)光的認(rèn)識(shí) 以下說(shuō)法中錯(cuò)誤的是 A 個(gè)別光子的行為表現(xiàn)出粒子性 大量光子的行為表現(xiàn)出波動(dòng)性B 光的波動(dòng)性是光子本身的一種屬性 不是光子之間的相互作用引起的C 光表現(xiàn)出波動(dòng)性時(shí) 就不具有粒子性了 光表現(xiàn)出粒子性時(shí) 就不再具有波動(dòng)性了D 光的波粒二象性應(yīng)理解為 在某種場(chǎng)合下光的波動(dòng)性表現(xiàn)得明顯 在另外某種場(chǎng)合下 光的粒子性表現(xiàn)明顯 欄目鏈接 解析 個(gè)別光子的行為表現(xiàn)為粒子性 大量光子的行為表現(xiàn)為波動(dòng)性 光與物質(zhì)相互作用 表現(xiàn)為粒子性 光的傳播表現(xiàn)為波動(dòng)性 光的波動(dòng)性與粒子性都是光的本質(zhì)屬性 光的粒子性表現(xiàn)明顯時(shí)仍具有波動(dòng)性 因?yàn)榇罅苛Ｗ拥膫€(gè)別行為呈現(xiàn)出波動(dòng)規(guī)律 故本題答案選C 答案 C 方法總結(jié) 解答此類問(wèn)題關(guān)鍵要理解光具有波粒二象性及掌握有關(guān)光的波動(dòng)性 粒子性的一些常見(jiàn)現(xiàn)象 欄目鏈接 課堂訓(xùn)練2 關(guān)于光的波粒二象性 下列說(shuō)法中不正確的是 C A 波粒二象性指光有時(shí)表現(xiàn)為波動(dòng)性 有時(shí)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(dòng)性越顯著D 個(gè)別光子易表現(xiàn)出粒子性 大量光子易表現(xiàn)出波動(dòng)性E 光的波粒二象性應(yīng)理解為 在某種場(chǎng)合下光的粒子性表現(xiàn)明顯 在另外某種場(chǎng)合下光的波動(dòng)性表現(xiàn)明顯 欄目鏈接 解析 光的波粒二象性指光有時(shí)候表現(xiàn)出的粒子性較明顯 有時(shí)候表現(xiàn)出的波動(dòng)性較明顯 或者說(shuō)在某種場(chǎng)合下光的粒子性表現(xiàn)明顯 在另外某種場(chǎng)合下光的波動(dòng)性表現(xiàn)明顯 個(gè)別光子易表現(xiàn)出粒子性 大量光子易表現(xiàn)出波動(dòng)性 A D E說(shuō)法正確 光的頻率越高 能量越大 粒子性相對(duì)波動(dòng)性越明顯 B說(shuō)法正確 C說(shuō)法錯(cuò)誤 欄目鏈接 對(duì)概率波的認(rèn)識(shí)與理解 雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中 如圖甲所示 在光屏處放置感光片 并設(shè)法減弱光的強(qiáng)度 使光子只能是一個(gè)一個(gè)地通過(guò)狹縫 曝光時(shí)間短時(shí) 可看到感光片上出現(xiàn)一些無(wú)規(guī)則分布的亮點(diǎn) 如圖乙所示 曝光時(shí)間足夠長(zhǎng) 有大量光子通過(guò)狹縫 感光片上出現(xiàn)了規(guī)則的干涉條紋 如圖丁所示 如何解釋曝光時(shí)間較短時(shí)的亮點(diǎn)和曝光時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)的干涉圖樣呢 欄目鏈接 提示 圖片上的亮點(diǎn)表明 光表現(xiàn)出粒子性 也看到光子的運(yùn)動(dòng)與宏觀現(xiàn)象中質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)不同 沒(méi)有一定的軌道 圖丙和圖丁圖樣說(shuō)明 光的波動(dòng)性是大量光子表現(xiàn)出來(lái)的現(xiàn)象 在干涉條紋中 那些光波強(qiáng)的地方是光子到達(dá)機(jī)會(huì)多的地方或是到達(dá)幾率大的地方 光波弱的地方是光子到達(dá)機(jī)會(huì)少的地方 光子在空間出現(xiàn)的概率可以通過(guò)波動(dòng)的規(guī)律確定 所以光波是一種概率波 1926年 德國(guó)物理學(xué)家玻恩 Born 1882 1972 提出了概率波 認(rèn)為個(gè)別微觀粒子在何處出現(xiàn)有一定的偶然性 但是大量粒子在空間何處出現(xiàn)的空間分布卻服從一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律 不能把光當(dāng)成宏觀概念中的波或粒子 因?yàn)楹暧^世界的波動(dòng)性與粒子性是對(duì)立的 而光的波動(dòng)性與粒子性是統(tǒng)一在同一客體即光子上的 這里所指的 波 并非宏觀概念中的波 它是一種概率波 粒子 也不是宏觀概念中的微小粒子 而是指光子 概率波對(duì)光的雙縫衍射現(xiàn)象的解釋 光是一種粒子 它和物質(zhì)的作用是 一份一份 地進(jìn)行的 用很弱的光做雙縫干涉實(shí)驗(yàn) 從光子打在膠片上的位置 我們發(fā)現(xiàn)了規(guī)律性 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明 如圖所示 如果曝光時(shí)間不太長(zhǎng) 底片上只出現(xiàn)一些無(wú)規(guī)則分布的點(diǎn)子 那些點(diǎn)子是光子打在底片上形成的 如果曝光時(shí)間足夠長(zhǎng) 我們無(wú)法把它們區(qū)分開(kāi) 因此看起來(lái)是連續(xù)的 單個(gè)光子通過(guò)雙縫后的落點(diǎn)無(wú)法預(yù)測(cè) 但是研究很多光子打在膠片上的位置 我們發(fā)現(xiàn)了規(guī)律性 光子落在某些條形區(qū)域內(nèi)的可能性較大 這些條形區(qū)域正是某種波通過(guò)雙縫后發(fā)生干涉時(shí)振幅加強(qiáng)的區(qū)域 這個(gè)現(xiàn)象表明 光子在空間各點(diǎn)出現(xiàn)的可能性的大小 概率 正是由于這個(gè)原因 波恩指出 雖然不能肯定某個(gè)光子落在哪一點(diǎn) 但由屏上各處明暗不同可知 光子落在各點(diǎn)的概率是不一樣的 即光子落在明紋處的概率大 落在暗紋處的概率小 這就是說(shuō) 光子在空間出現(xiàn)的概率可以通過(guò)波動(dòng)的規(guī)律確定 所以 從光子的概念上看 光波是一種概率波 物理學(xué)中把光波叫做概率波 概率表征某一事物出現(xiàn)的可能性 物理學(xué)家做了一個(gè)有趣的雙縫干涉實(shí)驗(yàn) 在光屏處放上照相用的底片 若減弱光的強(qiáng)度 使光子只能一個(gè)一個(gè)地通過(guò)狹縫 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明 如果曝光時(shí)間不太長(zhǎng) 底片上只能出現(xiàn)一些不規(guī)則的點(diǎn)子 如果曝光時(shí)間足夠長(zhǎng) 底片上就會(huì)出現(xiàn)規(guī)則的干涉條紋 對(duì)這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有下列認(rèn)識(shí) 其中正確的是 A 曝光時(shí)間不太長(zhǎng)時(shí) 底片上只能出現(xiàn)一些不規(guī)則的點(diǎn)子 表現(xiàn)出光的波動(dòng)性B 單個(gè)光子通過(guò)雙縫后的落點(diǎn)可以預(yù)測(cè)C 只有大量光子的行為才能表現(xiàn)出光的粒子性D 干涉條紋中明亮的部分是光子到達(dá)機(jī)會(huì)較多的地方解析 曝光時(shí)間不太長(zhǎng)時(shí) 底片上只能出現(xiàn)一些不規(guī)則的點(diǎn)子 表現(xiàn)出光的粒子性 選項(xiàng)A錯(cuò)誤 單個(gè)光子通過(guò)雙縫后的落點(diǎn)不可以預(yù)測(cè) 在某一位置出現(xiàn)的概率受波動(dòng)規(guī)律支配 選項(xiàng)B錯(cuò)誤 大量光子的行為才能表現(xiàn)出光的波動(dòng)性 干涉條紋中明亮的部分是光子到達(dá)機(jī)會(huì)較多的地方 故選項(xiàng)C錯(cuò)誤 D正確 答案 D方法總結(jié) 解答本類型題時(shí)應(yīng)把握以下兩點(diǎn) 1 光具有波粒二象性 光波是一種概率波 2 單個(gè)光子的落點(diǎn)位置是不確定的 大量光子運(yùn)動(dòng)時(shí)落點(diǎn)位置服從概率分布規(guī)律 課堂訓(xùn)練3 下列說(shuō)法正確的是 B A 概率波就是機(jī)械波B 物質(zhì)波是一種概率波C 概率波和機(jī)械波的本質(zhì)是一樣的 都能發(fā)生干涉和衍射現(xiàn)象D 在光的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中 若只有一個(gè)光子 則能確定這個(gè)光子落在哪個(gè)點(diǎn)上解析 概率波與機(jī)械波是兩個(gè)概念 本質(zhì)不同 物質(zhì)波是一種概率波 符合概率波的特點(diǎn) 光的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中 若只有一個(gè)光子 這個(gè)光子的落點(diǎn)是不確定的 但有幾率較大的位置