1、第3节光的波粒二象性一、康普顿效应1光的散射光在介质中与物体微粒的相互作用，使光的传播方向发生改变的现象。2康普顿效应在光的散射中，光经物质散射后波长变长的现象。3康普顿效应的意义康普顿效应表明光子除了具有能量之外，还具有动量，深入揭示了光的粒子性的一面。二、光的波粒二象性1光的本性光的干涉、衍射、偏振现象表明光具有波动性，光电效应和康普顿效应表明光具有粒子性，即光具有波粒二象性。2光子的能量和动量关系式(1)关系式：h，p。(2)意义：能量和动量p是描述物质的粒子性的重要物理量；波长和频率是描述物质的波动性的典型物理量。因此h和p揭示了光的波动性和粒子性之间的密切关系。特别提醒普朗克常量h架
2、起了粒子性与波动性的桥梁。三、光是一种概率波1不同强弱下光的干涉图样(1)大量光子表现出光的波动性。(2)少量光子表现出光的粒子性。2光是概率波干涉条纹是光子在感光片上各点的概率分布的反映。这种概率分布就好像波的强度的分布，称光波是一种概率波。即，光波在某处的强度代表着光子在该处出现概率的大小。对康普顿效应的理解1.康普顿效应的经典解释单色电磁波作用于比波长尺寸小的带电粒子上时，引起受迫振动，向各方向辐射同频率的电磁波。经典理论解释频率不变的一般散射可以，但对康普顿效应不能作出合理解释。2利用光子说解释康普顿效应假定X射线光子与电子发生弹性碰撞，这种碰撞跟台球比赛中的两球碰撞很相似。按照爱因斯
3、坦的光子说，一个X射线光子不仅具有能量Eh，而且还有动量。如图所示。这个光子与静止的电子发生弹性斜碰，光子把部分能量转移给了电子，能量由h减小为h，因此频率减小，波长增大。同时，光子还使电子获得一定的动量。这样就圆满地解释了康普顿效应。1多选美国物理学家康普顿在研究石墨对X射线的散射时，发现在散射的X射线中，除了有与入射波长0相同的成分外，还有波长大于0的成分，这个现象称为康普顿效应。关于康普顿效应，下列说法正确的是()A康普顿效应现象说明光具有波动性B康普顿效应现象说明光具有粒子性C当光子与晶体中的电子碰撞后，其能量增加D当光子与晶体中的电子碰撞后，其能量减少解析：选BD康普顿用光子的模型成
4、功地解释了康普顿效应，在散射过程中X射线的光子与晶体中的电子碰撞时要遵循动量守恒定律和能量守恒定律，故B、D正确，A、C错误。人类对光的本性的研究1.光本性学说的发展历程学说名称微粒说波动说电磁说光子说波粒二象性代表人物牛顿惠更斯麦克斯韦爱因斯坦实验依据光的直 线 传 播、光的反射光的干涉、衍射能在真空中传播，是横波，光速等于电磁波速光电效应、康普顿效应光既有波动现象，又有粒子特征内容要点光是一群弹性粒子光是一种机械波光是一种电磁波光是由一份一份光子组成的光是具有电磁本性的物质，既有波动性又有粒子性2对光的波粒二象性的理解实验基础表现说明光的波动性干涉和衍射1.光是一种概率波，即光子在空间各点
5、出现的可能性大小(概率)可用波动规律来描述。2足够能量的光在传播时，表现出波的性质。1.光的波动性是光子本身的一种属性，不是光子之间相互作用产生的。2光的波动性不同于宏观观念的波。光的粒子性光电效应、康普顿效应当光同物质发生作用时，这种作用是“一份一份”进行的，表现出粒子的性质。少量或个别光子清楚地显示出光的粒子性。粒子的含义是“不连续”、“一份一份”的。光子不同于宏观观念的粒子。波动性和粒子性的对立、统一大量光子易显示波动性，而少量光子易显示出粒子性。波长长(频率低)的光波动性强，而波长短(频率高)的光粒子性强。光子说并未否定波动性，Eh中，和就是波的概念。波和粒子在宏观世界是不能统一的，而
6、在微观世界却是统一的。光具有波动性的例证是光的干涉和衍射，光具有粒子性的例证是光电效应和康普顿效应。2下面关于光的波粒二象性的说法中，不正确的是()A大量光子产生的效果往往显示出波动性，个别光子产生的效果往往显示出粒子性B频率越大的光其粒子性越显著，频率越小的光其波动性越显著C光在传播时往往表现出波动性，光在跟物质相互作用时往往表现出粒子性D光不可能同时既具有波动性，又具有粒子性解析：选D光既具有粒子性，又具有波动性，大量的光子波动性比较明显，个别光子的粒子性比较明显，故A正确；在光的波粒二象性中，频率越大的光其粒子性越显著，频率越小的光其波动性越显著，故B正确；光在传播时往往表现出波动性，光
7、在跟物质相互作用时往往表现出粒子性，故C正确；光的波粒二象性是指光有时表现为波动性，有时表现为粒子性，二者是统一的，故D错误。对康普顿效应的理解例1康普顿研究X射线经物质散射的实验，进一步证实了爱因斯坦的光子概念。康普顿让一束X射线投射到一块石墨上发生散射，测定不同散射方向上X射线的波长情况。结果在散射的各个方向上测到了波长比原来更长的X射线。这种改变波长的散射实验被称为康普顿效应。试用光子的概念和能量守恒的概念解释这种波长变长的现象。解析X射线投射到石墨上，X射线的光子和石墨中的实物粒子(如自由电子、原子等)发生碰撞，碰撞后，光子将沿某一方向散射，同时把一部分能量传给实物粒子，根据能量守恒的
8、原理，散射光子的能量就比入射光子的能量低，根据光子理论，光子能量Eh，所以散射光的频率比入射光的频率小，即散射光的波长较长。答案见解析根据光子理论运用能量守恒和动量守恒解释康普顿效应，不仅验证了光子理论，而且也说明了微观领域的现象也严格遵循能量守恒和动量守恒定律。对光的本质的认识例2下列有关光的波粒二象性的说法中，正确的是()A有的光是波，有的光是粒子B光子与电子是同样的一种粒子C光的波长越长，其波动性越显著；波长越短，其粒子性越显著D大量光子的行为往往显示出粒子性解析一切光都具有波粒二象性，光的有些行为(如干涉、衍射)表现出波动性，光的有些行为(如光电效应)表现出粒子性，所以，不能说有的光是
9、波，有的光是粒子。虽然光子与电子都是微观粒子，都具有波粒二象性，但电子是实物粒子，有静止质量，光子不是实物粒子，没有静止质量，电子是以实物形式存在的物质，光子是以场形式存在的物质，所以，不能说光子与电子是同样的一种粒子。光的波粒二象性的理论和实验表明，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。光的波长越长，衍射性越好，即波动性越显著，光的波长越短，其光子能量越大，个别或少数光子的作用就足以引起光接收装置的反应，所以其粒子性就很显著。故选项C正确，A、B、D错误。答案C光具有波粒二象性，是指每一个光子都既有波动性又有粒子性，不能理解成有的光子具有波动性，有的光子具有粒子性。1关于康
10、普顿效应，下列说法不正确的是()A康普顿在研究X射线散射时，发现散射光的波长发生了变化，为波动说提供了依据BX射线散射时，波长改变的多少与散射角有关C发生散射时，波长较短的X射线或射线入射时，发生康普顿效应D爱因斯坦的光子说能够解释康普顿效应，所以康普顿效应支持粒子说解析：选A美国物理学家康普顿在研究X射线散射时，发现散射光波长发生了变化，这种现象用波动说无法解释，用光子说却可以解释，A错，波长改变的多少与散射角有关，B对。当波长较短时发生康普顿效应，较长时发生光电效应，C、D对。2关于光的本性，下列说法中正确的是()A光子说否定了光的电磁说B光电效应现象反映了光的粒子性C光的波粒二象性是综合
11、了牛顿的微粒说和惠更斯的波动说得出来的D大量光子产生的效果往往显示出粒子性，个别光子产生的效果往往显示出波动性解析：选B光既有粒子性，又有波动性，但这两种特性并不是牛顿所支持的微粒说和惠更斯提出的波动说，它体现出的规律不再是宏观粒子和机械波所表现出的规律，而是自身体现的一种微观世界特有的规律。光子说和电磁说各自能解释光特有的现象，两者构成一个统一的整体，而微粒说和波动说是相互对立的。3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解析：选CD对于
12、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纹处，可达到95%以上，也可落在其他亮纹处，还可能落在暗纹处，不过，落在暗纹处的概率很小，故选项C、D正确。4下列各组现象能说明光具有波粒二象性的是()A光的色散和光的干涉B光的干涉和光的衍射C泊松亮斑和光电效应 D光的反射和光电效应解析：选C光的干涉、衍射、泊松亮斑是光的波动性的证据，光电效应说明光具有粒子性，反射和色散不能说明光具有波动性或粒子性，因此C正确。5多选人类对光的本性的认识经历了曲折的过程。下列关于光的本性的陈述符合科学规律或历史事实的是()A牛顿的“微粒说”与爱因斯坦的“光子说”本质上是一样的B光的双缝干涉实验显
13、示了光具有波动性C麦克斯韦预言了光是一种电磁波D光具有波粒二象性解析：选BCD牛顿的“微粒说”认为光是一种物质微粒，爱因斯坦的“光子说”认为光是一份一份不连续的能量，显然A选项错误。干涉、衍射现象是波的特性，光能发生干涉说明光具有波动性，选项B正确。麦克斯韦根据光的传播不需要介质，以及电磁波在真空中的传播速度与光速近似相等认为光是一种电磁波，后来赫兹用实验验证了光的电磁说，选项C正确。光具有波动性与粒子性，称为光的波粒二象性，所以选项D正确。6多选在做双缝干涉实验时，在观察屏的某处是亮纹，则对光子到达观察屏的位置，下列说法正确的是()A到达亮纹处的概率比到达暗纹处的概率大B到达暗纹处的概率比到
14、达亮纹处的概率大C该光子可能到达光屏的任何位置D以上说法均有可能解析：选AC根据概率波的含义，一个光子到达亮纹处的概率要比到达暗纹处的概率要大得多，但并不是一定能够到达亮纹处，故A、C正确。7白天的天空各处都是亮的，是大气分子对太阳光散射的结果。美国物理学家康普顿由于在这方面的研究而荣获了1927年的诺贝尔物理学奖。假设一个运动的光子和一个静止的自由电子碰撞以后，电子向某一个方向运动，光子沿另一方向散射出去，则这个散射光子跟原来的光子相比()A频率变大 B速度变小C光子能量变大 D波长变长解析：选D光子与自由电子碰撞时，遵守动量守恒和能量守恒，自由电子碰撞前静止，碰撞后动量、能量增加，所以光子
15、的动量、能量减小，故C错误；由，Eh，可知光子频率变小，波长变长，故A错误，D正确。由于光子速度是不变的，故B错误。8多选关于光的波粒二象性，正确的说法是()A光的频率越高，光子的能量越大，粒子性越明显B光的波长越长，光子的能量越小，波动性越明显C频率高的光子不具有波动性，波长较长的光子不具有粒子性D个别光子产生的效果往往显示粒子性，大量光子产生的效果往往显示波动性解析：选ABD从光的波粒二象性可知：光是同时具有波粒二象性，只不过在有的情况下波动性显著，有的情况下粒子性显著。频率高、个数少时粒子性明显，波长长、数量大时波动性明显。9多选下列说法中正确的是()A光的干涉和衍射现象说明光具有波动性
16、B光的频率越大，波长越长C光的波长越大，光子的能量越大D光在真空中的传播速度为3.0108 m/s解析：选AD干涉和衍射是波的特性，A正确；由f知B错；由爱因斯坦光子理论Eh知波长越大，光的频率越小，光子能量越小，C错；任何光在真空中的传播速度均为3.0108 m/s，D正确。10在双缝干涉实验中，若在像屏处放上照相底片，并使光子流减弱到使光子只能一个一个地通过狭缝，实验结果证明，如果曝光时间不太长，底片上出现_；如果曝光时间足够长，底片上出现_。解析：在双缝实验中，如能使光子一个一个地通过狭缝，如果曝光时间短时，底片上只出现一些无规则分布的点，形不成干涉特有的明、暗相间的条纹，表现出光的粒子
17、性。点分布看似无规则，但点在底片上各处出现的概率却遵从双缝干涉实验中波强分布的规律；如果曝光时间足够长，底片上就出现如同强光短时间曝光一样的规则的干涉条纹。在干涉条纹中光波强大的地方，也就是光子到达机会多的地方。所以，这种意义上，可以把光的波动性看作表明光子运动规律的一种概率波。答案：无规则分布的光点规则的干涉图样11A、B两种光子的能量之比为21，它们都能使某种金属发生光电效应，且所产生的光电子最大初动能分别为EA、EB。求A、B两种光子的动量之比和该金属的逸出功。解析：光子能量h，动量p，且得p，则pApB21。A照射时，光电子的最大初动能EAAW0。同理，EBBW0，解得W0EA2EB。答案：21EA2EB
