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3光的波粒二象性,一、康普顿效应1.康普顿效应:X射线经物质散射后波长_的现象。2.康普顿效应的意义:表明光子除了具有能量之外,还具有动量,深入揭示了光的_性的一面,为光子说提供了又一例证。,变长,粒子,【想一想】X射线经物质散射后波长变长了,其对应光子的能量如何变化?提示:由=h=可知,X射线的波长变长,其对应光子的能量减小了。,二、光的波粒二象性1.光的本性:光既具有_又具有_,光具有_。2.光子的能量和动量:(1)能量:=_。(2)动量:p=。,波动性,粒子性,波粒二象性,h,3.意义:能量和动量p是描述物质的_性的重要物理量;波长和频率是描述物质的_性的典型物理量。因此=_和p=揭示了光的粒子性和波动性之间的密切关系。,粒子,波动,h,4.光是一种概率波:光的干涉图样是一条条明暗相间的条纹。在明条纹处,表示到达的_,即对每一个光子来说,落在明条纹处的_;在暗条纹处,到达的_,即对每个光子来说,落在此处的_。可见,光波是一种概率波。,光子数多,概率大,光子数少,概率小,【判一判】(1)光不可能同时具有波动性和粒子性。()(2)光子的能量越大,波长越长。()(3)光子通过狭缝后落在屏上的位置是确定的。(),提示:(1)光的波动性和粒子性都是光的属性,光具有波粒二象性,(1)错。(2)由=h=可知,光子的能量越大,频率越高,其波长越短,(2)错。(3)光子通过狭缝后落在屏上的位置不是确定的,只是落在明条纹处的概率更大些,(3)错。,知识点一、对康普顿效应的理解思考探究:,观察以上光子与电子相碰的过程,思考以下问题:(1)光子与电子碰撞后,电子运动了,其运动的动能是哪里来的?(2)光子与电子碰撞后,光子的能量如何变化?光的波长如何变化?,【归纳总结】1.实验现象:X射线管发出波长为0的X射线,通过小孔投射到散射物石墨上。X射线在石墨上被散射,部分散射光的波长变长,波长改变的多少与散射角有关。,2.康普顿效应与经典物理理论的矛盾:按照经典物理理论,入射光引起物质内部带电粒子的受迫振动,振动着的带电粒子从入射光吸收能量,向四周辐射,这就是散射光。散射光的频率应该等于粒子受迫振动的频率(即入射光的频率)。因此散射光的波长与入射光的波长应该相同,不应该出现波长变长的散射光。另外,经典物理理论无法解释波长改变与散射角的关系。,3.光子说对康普顿效应的解释:假定X射线光子与电子发生弹性碰撞。(1)光子和电子相碰撞时,光子有一部分能量传给电子,散射光子的能量减少,于是散射光的波长大于入射光的波长。(2)因为碰撞中交换的能量与碰撞的角度有关,所以波长改变与散射角有关。,【特别提醒】康普顿效应进一步揭示了光的粒子性,也再次证明了爱因斯坦光子说的正确性。光电效应应用于电子吸收光子的问题;而康普顿效应讨论光子与电子碰撞且没有被电子吸收的问题。,【典例探究】【典例】康普顿效应证实了光子不仅具有能量,也具有动量。入射光和电子的作用可以看成弹性碰撞,则当光子与电子碰撞时,光子的一些能量转移给了电子,如图给出了光子与静止电子碰撞后,电子的运动方向,则碰撞过程中动量_(选填“守恒”或“不守恒”),能量_(选填“守恒”或“不守恒”),碰后光子,可能沿_(选填“1”“2”或“3”)方向运动,并且波长_(选填“不变”“变小”或“变长”)。,【思路点拨】解答本题应把握能量守恒、动量守恒,熟悉光的频率与波长的关系。,【正确解答】光子与电子碰撞过程满足动量守恒和能量守恒,所以碰撞之后光子和电子的总动量的方向与光子碰前的方向一致,由矢量合成知识可知碰后光子的方向可能沿1方向,不可能沿2或3方向;通过碰撞,光子将一部分能量转移给电子,能量减少,由=h知,频率变小,再根据c=知,波长变长。答案:守恒守恒1变长,【过关训练】1.光子有能量,也有动量,动量p=,它也遵守动量守恒定律。如图所示,真空中有一“”形装置,可绕通过横杆中点的竖直轴OO在水平面内灵活转动,其中左边是圆形黑纸片(吸收光子),右边是同左边大小、质量相同的圆形白纸片(反射光子)。,当用平行白光垂直纸面照射这两个圆面时,关于装置开始转动的情况(俯视)下列说法中正确的是()A.顺时针方向转动B.逆时针方向转动C.都有可能D.不会转动,【解析】选B。设入射光子的动量为p,由于黑纸片吸收光子,光子的动量变化量大小为p1=p,白纸片反射光子,光子的动量变化量大小为p2=2p,依据动量定理,光子对白纸片冲击力大些,故B正确。,2.当光子和电子碰撞后有没有可能出现光子的频率不变的情况?【解析】有可能,若光子和束缚很紧的内层电子相碰撞,光子将与整个原子交换能量,由于光子质量远小于原子质量,根据碰撞理论,碰撞前后光子能量几乎不变,频率不变。,知识点二、对光的波粒二象性的理解思考探究:,观察以上图片,思考以下问题:(1)图甲中激光通过双缝在屏上看到干涉条纹说明光具有什么特性?(2)图乙中紫外线照射锌板验电器金箔张开,说明光具有什么特性?(3)应如何理解光的上述两种特性表现?,【归纳总结】1.光的粒子性的含义:爱因斯坦光子说中的“粒子”与牛顿微粒说中的“粒子”是完全不同的概念。光子是一份一份的具有能量的粒子,其能量与光的频率有关,光子说并不否定波动说。,2.光的波动性的含义:光的波动性是光子本身的一种属性,它不同于宏观的波,与惠更斯波动说中的“波”是不同理论领域中两个不同的概念,它是一种概率波。,3.光的波动性和粒子性是统一的,光具有波粒二象性:(1)光的粒子性并不否定光的波动性,波动性和粒子性都是光的本质属性,只是在不同条件下的表现不同。当光与其他物质发生作用时,表现出粒子的性质;少量或个别光子易显示出光的粒子性;频率高波长短的光,粒子性显著。大量光子在传播时表现出波动性;频率低波长长的光,波动性显著。,(2)只有从波粒二象性的角度,才能统一说明光的各种表现。光的波动性和粒子性是统一的。,【特别提醒】光的干涉和衍射及偏振说明光具有波动性,而光电效应和康普顿效应是光具有粒子性的例证。,【典例探究】【典例】(多选)关于光的波粒二象性的理解正确的是()A.大量光子的效果往往表现出波动性,个别光子的行为往往表现出粒子性B.光在传播时是波,而在物质相互作用时就转变成粒子C.高频光是粒子,低频光是波,D.波粒二象性是光的根本属性,有时它的波动性显著,有时它的粒子性显著,【思路点拨】解答本题时应把握以下三点:(1)光的波粒二象性对光的本质的叙述。(2)频率高低对光的粒子性和波动性的影响。(3)光子的数量对光的粒子性和波动性的影响。,【正确解答】选A、D。大量光子的效果往往表现出波动性,个别光子的行为往往表现出粒子性,A正确;频率高的光粒子性明显,频率低的光波长较长,波动性明显,而不能说高频光是粒子,低频光是波,C错误;波粒二象性是光的根本属性,表现为波动性时,只是粒子性不明显而已,不能说光传播时表现为波,而与物质相互作用时变为粒子,故B错误,D正确。,【过关训练】(多选)关于光的波粒二象性,下列说法中正确的是()A.光的频率越高,衍射现象越容易看到B.光的频率越高,粒子性越显著C.大量光子产生的效果往往显示波动性D.光的波粒二象性否定了光的电磁说,【解析】B、C。光具有波粒二象性,波粒二象性并不否定光的电磁说,只是说某些情况下粒子性明显,某些情况下波动性明显,故D错误。光的频率越高,波长越短,粒子性越明显,波动性越不明显,越不易看到其衍射现象。故B对、A错误。大量光子的行为表现出波动性,个别光子的行为表现出粒子性,故C对。,知识点三、对概率波的理解思考探究: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甲、乙、丙所示的图像。,观察以上图片,思考以下问题:(1)图片甲中光子落点位置杂乱无章,说明什么问题?(2)图片丙中出现了明暗相间的条纹,你能从中得出什么结论?,【归纳总结】1.正确理解光的波动性:光的干涉现象不是光子之间的相互作用使它表现出波动性的,在双缝干涉实验中,使光源S非常弱,以致前一个光子到达屏后才发射第二个光子。这样就排除了光子之间的相互作用的可能性。实验结果表明,尽管单个光子的落点不可预知,但长时间曝光之后仍然得到了干,涉条纹分布。可见,光的波动性不是光子之间的相互作用引起的。,2.光波是一种概率波:在双缝干涉实验中,光子通过双缝后,对某一个光子而言,不能肯定它落在哪一点,但屏上各处明暗条纹的不同亮度,说明光子落在各处的可能性即概率是不相同的。光子落在明条纹处的概率大,落在暗条纹处的概率小。这就是说光子在空间出现的概率可以通过波动的规律来确定,因此说光是一种概率波。,【特别提醒】(1)在双缝干涉和单缝衍射的暗条纹处也有光子到达,只是光子数量“特别少”很难呈现出亮度。(2)要理解统计规律。对统计规律的认识是理解概率波的前提。,【典例探究】【典例】(多选)在单缝衍射实验中,中央亮纹的光强占从单缝射入的整个光强的95%以上。假设现在只让一个光子通过单缝,那么该光子()A.一定落在中央亮纹处B.一定落在亮纹处C.可能落在暗纹处D.落在中央亮纹处的可能性最大,【思路点拨】解决本题关键要明确概率波的知识,知道概率波的规律就是统计规律,单个光子无法确定落在哪个点上的,我们只能得出大量光子的落点区域。,【正确解答】选C、D。根据光波是概率波的概念,一个光子通过单缝落在何处,是不可确定的,但概率最大的是落在中央亮条纹处。当然也可落在其他亮条纹处,还可能落在暗条纹处,不过,落在暗纹处的概率很小,故C、D选项正确。,【总结提升】关于光子到达区域的理解光具有波动性,光的波动性是统计规律的结果,对某个光子我们无法判断它落到哪个位置,我们只能判断大量光子的落点区域。同时,我们要明确在暗条纹处,也有光子到达,只是光子数很少;对于通过单缝的大量光子而言,绝大多数光子落在中央亮条纹处,只有少数光子落在其他亮条纹处及暗条纹处。,【过关训练】(多选)在验证光的波粒二象性的实验中,下列说法正确的是()A.使光子一个一个地通过单缝,如果时间足够长,底片上会出现衍射图样B.单个光子通过单缝后,底片上会出现完整的衍射图样C.光子通过单缝的运动路线像水波一样起伏,D.单个光子通过单缝后打在底片的情况呈现出随机性,大量光子通过单缝后打在底片上的情况呈现出规律性,【解析】选A、D。单个光子通过单缝后打在底片的情况呈现随机性.若时间足够长,大量光子通过单缝后打在底片上的情况呈现规律性,此时底片上出现衍射图样,故A、D正确,B错误。光子通过单缝后整体呈现出波动性,但对单个光子,其通过单缝后的运动路线并不是波形线,C错误。,【温馨提示】光具有波粒二象性是对光的本性的最全面的认识,而康普顿效应又是光具有粒子性的最有力的证据。高考题常结合康普顿散射实验及其结论,对本部分知识进行考查。,【拓展例题】考查内容:康普顿散射的特征康普顿散射的主要特征是()A.散射光的波长与入射光的波长全然不同B.散射光的波长有些与入射光的相同,但有些变短了,散射角的大小与散射波长无关C.散射光的波长有些与入射光的相同,但也有变长的,也有变短的,D.散射光的波长有些与入射光的波长相同,有些比入射光的波长长些,且散射光的波长与散射角的大小有关,【思路点拨】解答本题的关键是熟悉康普顿散射实验的现象及其结论。,【正确解答】选D。光子和电子相碰撞,光子有一部分能量传给电子,散射光子的能量减少,于是散射光的波长大于入射光的波长。散射角不同,能量减少情况不同,散射光的波长也有所不同。也有一部分光子与整个散射物的原子交换能量,由于光子质量远小于原子质量,碰撞前后光子能量几乎不变,波长不变。故D正确。,光电效应与康普顿效应的不同1.入射光的波长不同:入射光若为可见光或紫外线,则发生光电效应,入射光若为X射线,则表现为康普顿效应。,2.与入射光子作用的电子特点不同:光电效应中与光子作用的电子可以认为是束缚电子,光子与其碰撞后需要克服束缚力做功;而康普顿效应中的电子可以认为是自由电子,光子与电子的碰撞过程是能量守恒和动量守恒的过程。,3.光子与电子的作用过程不同:光电效应中光子被电子吸收,为非弹性碰撞;康普顿效应中光子与电子的作用为弹性碰撞,碰后有光子射出,不是光子被电子吸收。,【案例展示】(多选)下列选项正确的是()A.波长较短的光,如X射线或射线,入射到散射物上,主要产生光电效应B.波长较长的可见光或紫外线入射时,主要产生光电效应C.波长较短的光,如X射线或射线,入射到散射物上,产生康普顿效应,D.是否发生光电效应或康普顿效应与入射光的波长无关,【正确解答】选B、C。发生光电效应或康普顿效应取决于入射光的波长,D错。波长较短的光,如X射线或射线,入射到散射物上,产生康普顿效应。波长较长的可见光或紫外线入射时,主要产生光电效应。故B、C正确。,【易错分析】本题易错选项及错误原因分析如下:,
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