2-3 康普顿效应及其解释 课件
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课件31张PPT。第二章 波粒二象性
第三节 康普顿效应及其解释
第四节 光的波粒二象性 栏目链接1．了解什么是康普顿效应．
2．知道光子是具有动量的，并了解光子动量的表达式．
3．了解康普顿应用光的电磁理论解释遇到的困难，了解康普顿是如何解释康普顿效应的．
4．知道光既具有波动性又有粒子性．
5．了解光是一种概率波． 栏目链接 栏目链接在经典物理学的观念中，人们形成了一种观念，物质要么具有粒子性，要么具有波动性，非此即彼．
光的干涉、衍射等现象无可争辩地表明光具有波动性，而光电效应又无可争辩地表明光具有粒子性．由于光既具有波动性又具有粒子性，我们将无法只用其中的一种去说明光的一切行为．
现在，人们认识到，光既具有波动性又具有粒子性，也就是说光具有波粒二象性． 栏目链接显而易见，在经典物理学中，波和粒子是两种不同的研究对象，具有非常不同的表现．那么，为什么光和微观粒子既表现有波动性又表现有粒子性的双重属性呢？让我们一起去探索经典的粒子和经典的波吧！ 栏目链接 栏目链接变长不变 栏目链接相等变长ε＝hν动量 栏目链接4．光的干涉和衍射实验表明，光是一种______，具有________；光电效应和康普顿效应则表明，光在与物体________时，必须看成是一颗颗________的形式出现的，具有________．
5．双缝干涉中每次穿过双缝的只有一个光子，它不可能跟其他光子产生________．但光的________还是发生了．可见，波动性是每一个光子的________．光既有粒子性，又有波动性，单独使用波或粒子都无法完整地描述光的所有性质．电磁波波动性相互作用光子粒子性干涉干涉属性6．光既有________性，又有________性，我们把光的这种性质叫做光的________．
7．干涉条纹是光子在感光片上各点的________分布的反映．这种________分布就好像____________的分布，称光波是一种概率波．波动粒子波粒二象性 栏目链接概率概率波的强度 栏目链接知识点1 康普顿效应及其解释
栏目链接守恒、能量守恒．电子碰前可认为是静止的，碰后获得了一定的动量和能量，碰后光子的动量、能量减少，散射光的波长变长．
康普顿效应再次证明了爱因斯坦光子假说的正确性．它不仅证明了光子具有能量，同时还证明了光子具有动量．
如果按照经典电磁理论，入射波引起物质中电子的振动，这种振动频率必然与入射波的频率相同，从而引起的散射波也应该与入射波的频率相同，而散射前后的介质相同，所以散射前后波长也就不变．因此康普顿效应说明了光具有粒子性． 栏目链接 栏目链接例1 求波长为0.35 nm的X射线光子的能量和动量大小．(已知h＝6.63×10－34 J·s)?课堂训练
1．康普顿效应证实了光子不仅具有能量，也有动量，下图给出了光子与静止电子碰撞后，电子的运动方向，则碰后光子可能沿方向___________运动，并且波长__________(填“不变”、“变小”或“变长”)． 栏目链接解析：因光子与电子碰撞过程动量守恒，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，可见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ε＝hν知，频率变小，再根据c＝λν知，波长变长．
答案：1 变长 栏目链接光具有粒子性，又有波动性，单独使用波或粒子的解释都无法完整地描述光的所有性质，有人就把这种性质称为波粒二象性．
大量(多数)光子行为易表现为波动性，个别(少数)光子行为易表现出粒子性；波长较长的，易表现为波动性；波长较短的，易表现为粒子性；光在传播的过程中，易表现为波动性；在与其他物质相互作用时，易表现为粒子性．光是波动性与粒子性的统一． 栏目链接知识点2 对光的波粒二象性的认识与理解光在传播时体现出波动性起主导作用，在与其他物质相互作用时，粒子性起主导作用．
光的能量与其对应的频率成正比，而频率是反映波动性特征的物理量，因此ε＝hν揭示了光的粒子性与波动性的密切联系．
波动性是光子的本身属性，不能把光看作宏观上的波，也不能把光看作宏观上的粒子． 栏目链接 栏目链接例2 下列说法正确的是( )
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．γ射线具有显著的粒子性，不具有波动性解析：光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，光的波长越长，越容易观察到其显示波动特性，因此A、D错，而C正确，光子不同于一般的物质粒子，它没有静止质量，是一个个的能量子，是光的能量的最小单位．
答案：C 栏目链接?课堂训练
2．有关光的本性的说法正确的是( )
A．有关光的本性，牛顿提出了“粒子性”，惠更斯提出了“波动性”，爱因斯坦提出了“光子说”，它们都圆满地说明了光的本性
B．光具有波粒二象性是指既可以把光看成宏观概念的波，也可以看成微观概念上的粒子
C．光的干涉、衍射说明光具有波动性，光电效应说明光具有粒子性 栏目链接解析：牛顿主张的粒子说中的粒子与实物粒子一样，惠更斯主张的波动说中的波动与宏观机械波等同，这两种观点是相互对立的，都不能说明光的本性，则A、B错，C对．在双缝实验中，双缝干涉出现明暗均匀的条纹，当让光子一个一个地通过单缝时，曝光时间短时表现出粒子性，曝光时间长时表现出波动性，则D错．
答案：C 栏目链接D．在光双缝干涉实验中，如果光通过双缝时显出波动性，如果光只通过一个缝时显示出粒子性知识点3 对概率波的认识与理解1926年，德国物理学家玻恩(Born, 1882－1972) 提出了概率波，认为个别微观粒子在何处出现有一定的偶然性，但是大量粒子在空间何处出现的空间分布却服从一定的统计规律．
不能把光当成宏观概念中的波或粒子，因为宏观世界的波动性与粒子性是对立的，而光的波动性与粒子性是统一在同一客体即光子上的．这里所指的“波”并非宏观概念中的波，它是一种概率波．“粒子”也不是宏观概念中的微小粒子，而是指光子． 栏目链接概率波对光的双缝衍射现象的解释：光是一种粒子，它和物质的作用是“一份一份”地进行的，用很弱的光做双缝干涉实验．从光子打在胶片上的位置，我们发现了规律性． 栏目链接实验结果表明，如图所示，如果曝光时间不太长，底片上只出现一些无规则分布的点子，那些点子是光子打在底片上形成的，如果曝光时间足够长，我们无法把它们区分开，因此看起来是连续的．单个光子通过双缝后的落点无法预测，但是研究很多光子打在胶片上的位置，我们发现了规律性：光子落在某些条形区域内的可能性较大．这些条形区域正是某种波通过双缝后发生干涉时振幅加强的区域．这个现象表明，光子在空间各点出现的可能性的大小(概率)，正是由于这个原因， 栏目链接波恩指出：虽然不能肯定某个光子落在哪一点，但由屏上各处明暗不同可知，光子落在各点的概率是不一样的，即光子落在明纹处的概率大，落在暗纹处的概率小．这就是说，光子在空间出现的概率可以通过波动的规律确定，所以，从光子的概念上看，光波是一种概率波．
物理学中把光波叫做概率波．概率表征某一事物出现的可能性． 栏目链接例3 (双选)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 栏目链接解析：根据光的概率波的概念，对于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95%以上，当然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C、D选项正确．
答案：CD 栏目链接 栏目链接?课堂训练
3．(双选)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狭缝，如果时间足够长，片上将会显示衍射图样
B．单个光子通过狭缝后，底片上会出现完整的衍射图样
C．光子通过狭缝的运动路线是直线
D．光的波动性是大量光子运动的规律解析：个别或少数光子表现出光的粒子性，大量光子表现出光的波动性，如果时间足够长，通过狭缝的光子数也就足够多，粒子的分布遵从波动规律，底片上将会显示出衍射图样，A、D选项正确．单个光子通过狭缝后，路径是随机的，底片上也不会出现完整的衍射图样，B、C选项错．
答案：AD 栏目链接
第三节 康普顿效应及其解释
第四节 光的波粒二象性 栏目链接1．了解什么是康普顿效应．
2．知道光子是具有动量的，并了解光子动量的表达式．
3．了解康普顿应用光的电磁理论解释遇到的困难，了解康普顿是如何解释康普顿效应的．
4．知道光既具有波动性又有粒子性．
5．了解光是一种概率波． 栏目链接 栏目链接在经典物理学的观念中，人们形成了一种观念，物质要么具有粒子性，要么具有波动性，非此即彼．
光的干涉、衍射等现象无可争辩地表明光具有波动性，而光电效应又无可争辩地表明光具有粒子性．由于光既具有波动性又具有粒子性，我们将无法只用其中的一种去说明光的一切行为．
现在，人们认识到，光既具有波动性又具有粒子性，也就是说光具有波粒二象性． 栏目链接显而易见，在经典物理学中，波和粒子是两种不同的研究对象，具有非常不同的表现．那么，为什么光和微观粒子既表现有波动性又表现有粒子性的双重属性呢？让我们一起去探索经典的粒子和经典的波吧！ 栏目链接 栏目链接变长不变 栏目链接相等变长ε＝hν动量 栏目链接4．光的干涉和衍射实验表明，光是一种______，具有________；光电效应和康普顿效应则表明，光在与物体________时，必须看成是一颗颗________的形式出现的，具有________．
5．双缝干涉中每次穿过双缝的只有一个光子，它不可能跟其他光子产生________．但光的________还是发生了．可见，波动性是每一个光子的________．光既有粒子性，又有波动性，单独使用波或粒子都无法完整地描述光的所有性质．电磁波波动性相互作用光子粒子性干涉干涉属性6．光既有________性，又有________性，我们把光的这种性质叫做光的________．
7．干涉条纹是光子在感光片上各点的________分布的反映．这种________分布就好像____________的分布，称光波是一种概率波．波动粒子波粒二象性 栏目链接概率概率波的强度 栏目链接知识点1 康普顿效应及其解释
栏目链接守恒、能量守恒．电子碰前可认为是静止的，碰后获得了一定的动量和能量，碰后光子的动量、能量减少，散射光的波长变长．
康普顿效应再次证明了爱因斯坦光子假说的正确性．它不仅证明了光子具有能量，同时还证明了光子具有动量．
如果按照经典电磁理论，入射波引起物质中电子的振动，这种振动频率必然与入射波的频率相同，从而引起的散射波也应该与入射波的频率相同，而散射前后的介质相同，所以散射前后波长也就不变．因此康普顿效应说明了光具有粒子性． 栏目链接 栏目链接例1 求波长为0.35 nm的X射线光子的能量和动量大小．(已知h＝6.63×10－34 J·s)?课堂训练
1．康普顿效应证实了光子不仅具有能量，也有动量，下图给出了光子与静止电子碰撞后，电子的运动方向，则碰后光子可能沿方向___________运动，并且波长__________(填“不变”、“变小”或“变长”)． 栏目链接解析：因光子与电子碰撞过程动量守恒，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，可见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ε＝hν知，频率变小，再根据c＝λν知，波长变长．
答案：1 变长 栏目链接光具有粒子性，又有波动性，单独使用波或粒子的解释都无法完整地描述光的所有性质，有人就把这种性质称为波粒二象性．
大量(多数)光子行为易表现为波动性，个别(少数)光子行为易表现出粒子性；波长较长的，易表现为波动性；波长较短的，易表现为粒子性；光在传播的过程中，易表现为波动性；在与其他物质相互作用时，易表现为粒子性．光是波动性与粒子性的统一． 栏目链接知识点2 对光的波粒二象性的认识与理解光在传播时体现出波动性起主导作用，在与其他物质相互作用时，粒子性起主导作用．
光的能量与其对应的频率成正比，而频率是反映波动性特征的物理量，因此ε＝hν揭示了光的粒子性与波动性的密切联系．
波动性是光子的本身属性，不能把光看作宏观上的波，也不能把光看作宏观上的粒子． 栏目链接 栏目链接例2 下列说法正确的是( )
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．γ射线具有显著的粒子性，不具有波动性解析：光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，光的波长越长，越容易观察到其显示波动特性，因此A、D错，而C正确，光子不同于一般的物质粒子，它没有静止质量，是一个个的能量子，是光的能量的最小单位．
答案：C 栏目链接?课堂训练
2．有关光的本性的说法正确的是( )
A．有关光的本性，牛顿提出了“粒子性”，惠更斯提出了“波动性”，爱因斯坦提出了“光子说”，它们都圆满地说明了光的本性
B．光具有波粒二象性是指既可以把光看成宏观概念的波，也可以看成微观概念上的粒子
C．光的干涉、衍射说明光具有波动性，光电效应说明光具有粒子性 栏目链接解析：牛顿主张的粒子说中的粒子与实物粒子一样，惠更斯主张的波动说中的波动与宏观机械波等同，这两种观点是相互对立的，都不能说明光的本性，则A、B错，C对．在双缝实验中，双缝干涉出现明暗均匀的条纹，当让光子一个一个地通过单缝时，曝光时间短时表现出粒子性，曝光时间长时表现出波动性，则D错．
答案：C 栏目链接D．在光双缝干涉实验中，如果光通过双缝时显出波动性，如果光只通过一个缝时显示出粒子性知识点3 对概率波的认识与理解1926年，德国物理学家玻恩(Born, 1882－1972) 提出了概率波，认为个别微观粒子在何处出现有一定的偶然性，但是大量粒子在空间何处出现的空间分布却服从一定的统计规律．
不能把光当成宏观概念中的波或粒子，因为宏观世界的波动性与粒子性是对立的，而光的波动性与粒子性是统一在同一客体即光子上的．这里所指的“波”并非宏观概念中的波，它是一种概率波．“粒子”也不是宏观概念中的微小粒子，而是指光子． 栏目链接概率波对光的双缝衍射现象的解释：光是一种粒子，它和物质的作用是“一份一份”地进行的，用很弱的光做双缝干涉实验．从光子打在胶片上的位置，我们发现了规律性． 栏目链接实验结果表明，如图所示，如果曝光时间不太长，底片上只出现一些无规则分布的点子，那些点子是光子打在底片上形成的，如果曝光时间足够长，我们无法把它们区分开，因此看起来是连续的．单个光子通过双缝后的落点无法预测，但是研究很多光子打在胶片上的位置，我们发现了规律性：光子落在某些条形区域内的可能性较大．这些条形区域正是某种波通过双缝后发生干涉时振幅加强的区域．这个现象表明，光子在空间各点出现的可能性的大小(概率)，正是由于这个原因， 栏目链接波恩指出：虽然不能肯定某个光子落在哪一点，但由屏上各处明暗不同可知，光子落在各点的概率是不一样的，即光子落在明纹处的概率大，落在暗纹处的概率小．这就是说，光子在空间出现的概率可以通过波动的规律确定，所以，从光子的概念上看，光波是一种概率波．
物理学中把光波叫做概率波．概率表征某一事物出现的可能性． 栏目链接例3 (双选)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 栏目链接解析：根据光的概率波的概念，对于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95%以上，当然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C、D选项正确．
答案：CD 栏目链接 栏目链接?课堂训练
3．(双选)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狭缝，如果时间足够长，片上将会显示衍射图样
B．单个光子通过狭缝后，底片上会出现完整的衍射图样
C．光子通过狭缝的运动路线是直线
D．光的波动性是大量光子运动的规律解析：个别或少数光子表现出光的粒子性，大量光子表现出光的波动性，如果时间足够长，通过狭缝的光子数也就足够多，粒子的分布遵从波动规律，底片上将会显示出衍射图样，A、D选项正确．单个光子通过狭缝后，路径是随机的，底片上也不会出现完整的衍射图样，B、C选项错．
答案：AD 栏目链接
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