2.3、4 康普顿效应及其解释 光的波粒二象性 课件

课件35张PPT。第三节　康普顿效应及其解释
第四节　光的波粒二象性
1．了解康普顿效应及其解释．
2．知道光的波粒二象性及其本质．
3．知道概率波．一、康普顿效应及其解释
?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 的光现象．
(2)康普顿效应：在光的散射中，部分散射光的波长 ，波长的改变与散射角有关．
(3)光子的能量为E＝ ，光子的动量为P＝ ．被散射变长hν?康普顿对散射光波长变化的解释
(1)散射光波长的变化，是入射光子与物质中的 发生碰撞的结果．
(2)物质中电子的动能比 小很多，电子可以看做是静止的．
(3)光子与电子作用过程中，总能量、总动量均 ．
(4)光子因与电子相碰，有一部分能量和动量给了电子，光子的能量和动量均 了，这样，散射光的 也就变长了．
?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 性的一面．电子入射光子的能量守恒减小波长粒子二、光的波粒二象性
?光的波粒二象性的本质
(1)双缝干涉实验装置如图2－3、4－1所示．
图2－3、4－1(2)实验要求：降低光源S的强度，直到入射光减弱到没有两个光子同时存在的程度．
(3)实验结果：
①短时间，感光片上呈现杂乱分布的 ．
②较长时间，感光片上呈现模糊的 ．
③长时间，感光片上形成清晰的 ．
(4)实验结论：光既有波动性，又有粒子性，光具有波粒二象性．亮点亮纹干涉图样?概率波
(1)对干涉实验中明暗条纹的解释
每个光子按照一定的概率落在感光片的某一点，概率大的地方落下的光子多，形成 ，概率小的地方落下的光子少，形成 ．
(2)光波是一种 ，干涉条纹是光子在感光片上各点概率分布的反映. 亮纹暗纹概率波一、康普顿效应
?实验结果
1918年～1922年，美国物理学家康普顿在研究石墨对X射线的散射时，发现散射的X射线中，除有与入射线波长相同的射线外，还有波长比入射线波长更长的射线．人们把这种波长变化的现象叫做康普顿效应．?光子说对康普顿效应的解释
假定X射线光子与电子发生空气弹性碰撞，这种碰撞跟台球比赛中的两球碰撞很相似．按照爱因斯坦的光子说，一个X射线光子不仅具有能量E＝hν，而且还有动量．如图2－3、4－2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hν减小为hν′，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．
图2－3、4－2二、对光的波粒二象性的理解三、对概率波的理解
?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．
?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．
?其他微观粒子的概率波
对于电子、实物粒子等其他微观粒子，同样具有波粒二象性，所以与它们相联系的物质波也是概率波．
也就是说，单个粒子位置是不确定的，具有偶然性；大量粒子运动具有必然性，遵循统计规律．概率波将波动性和粒子性统一在一起. 【典例1】 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．波长变长康普顿效应 答案　D【变式1】 在康普顿效应中，光子与电子发生碰撞后，关于散射光子的波长，下列说法正确的是 (　　)．
A．一定变长
B．一定变短
C．可能变长，也可能变短
D．决定于电子的运动状态
解析　因为光子入射的能量很大，比电子的能量要大得多，碰撞时，动量和能量都守恒，碰后一定是电子的动能增加，光子的能量减少，所以散射光子的波长一定变长，选项A正确．
答案　A【典例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对光的波粒二象性的理解
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．
综上所述，本题正确答案为选项C.
答案　C
借题发挥　解答此类问题关键要理解光具有波粒二象性及掌握有关光的波动性、粒子性的一些常见现象．【变式2】 关于光的波粒二象性，下列说法中不正确的是
(　　)．
A．波粒二象性指光有时表现为波动性，有时表现为粒子 性
B．光波频率越高，粒子性越明显
C．能量越大的光子其波动性越显著
D．个别光子易表现出粒子性，大量光子易表现出波动性
E．光的波粒二象性应理解为，在某种场合下光的粒子性 表现明显，在另外某种场合下光的波动性表现明显
解析　光的波粒二象性指光有时候表现出的粒子性较明显，有时候表现出的波动性较明显，或者说在某种场合下光的粒子性表现明显，在另外某种场合下光的波动性表现明显；个别光子易表现出粒子性，大量光子易表现出波动性，A、D、E说法正确．光的频率越高，能量越大，粒子性相对波动性越明显，B说法正确、C说法错误．
答案　C【典例3】 物理学家做了一个有趣的双缝干涉实验：在光屏处放上照相用的底片，若减弱光的强度，使光子只能一个一个地通过狭缝．实验结果表明，如果曝光时间不太长，底片上只能出现一些不规则的点子；如果曝光时间足够长，底片上就会出现规则的干涉条纹．对这个实验结果有下列认识，其中正确的是 (　　)．对概率波的理解
A．曝光时间不太长时，底片上只能出现一些不规则的点子，表现出光的波动性
B．单个光子通过双缝后的落点可以预测
C．只有大量光子的行为才能表现出光的粒子性
D．干涉条纹中明亮的部分是光子到达机会较多的地方
解析　曝光时间不太长时，底片上只能出现一些不规则的点子，表现出光的粒子性，选项A错误．单个光子通过双缝后的落点不可以预测，在某一位置出现的概率受波动规律支配，选项B错误．大量光子的行为才能表现出光的波动性，干涉条纹中明亮的部分是光子到达机会较多的地方，故选项C错误、D正确．
答案　D
借题发挥　解答本类型题时应把握以下两点：
(1)光具有波粒二象性，光波是一种概率波．
(2)单个光子的落点位置是不确定的，大量光子运动时落点位置服从概率分布规律．【变式3】 下列说法正确的是 (　　)．
A．概率波就是机械波
B．物质波是一种概率波
C．概率波和机械波的本质是一样的，都能发生干涉和衍射现象
D．在光的双缝干涉实验中，若只有一个光子，则能确定这个光子落在哪个点上
解析　概率波与机械波是两个概念，本质不同；物质波是一种概率波，符合概率波的特点；光的双缝干涉实验中，若只有一个光子，这个光子的落点是不确定的，但有几率较大的位置．
答案　B康普顿效应
1．(双选)关于康普顿效应，下列叙述中正确的是 (　　)．
A．光子有能量，但没有动量
B．光子没有能量，但却有动量
C．光子是光的能量的最小单位
D．光子和电子相遇而碰撞时，若光子的能量部分转移 给电子，则光子的波长要发生变化
解析　光子有能量也有动量，光子是光的能量的最小单位，与其他粒子作用时，它的部分能量会转移给其他粒子而引起波长发生变化．
答案　CD对光的波粒二象性的理解
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
2．(双选)关于光子和运动着的电子，下列论述正确的是
(　　)．
A．光子和电子一样都是实物粒子
B．光子和电子都能发生衍射现象
C．光子和电子都具有波粒二象性
D．光子具有波粒二象性，而电子只具有粒子性
解析　物质可分为两大类：一是质子、电子等实物，二是电场、磁场等，统称场．光是传播着的电磁场．根据物质波理论，一切运动的物体都具有波动性，故光子和电子都具有波粒二象性．综上所述，B、C选项正确．
答案　BC3．(双选)从光的波粒二象性出发，下列说法正确的是
(　　)．
A．光是高速运动的微观粒子，每个光子都具有波粒二象性
B．光的频率越高，光的能量越大
C．在光的干涉中，暗条纹的地方是光子不会到达的地方
D．在光的干涉中，亮条纹的地方是光子到达概率最大的地方
解析　光具有波粒二象性，光的频率越高，光子的能量越大，A错、B正确．在干涉条纹中，亮条纹是光子到达概率大的地方，暗条纹是光子到达概率小的地方，C错、D正确．
答案　BD对概率波的理解
4．(双选)在双缝干涉实验中出现的明暗条纹说明了 (　　)．
A．光具有波动性 B．光具有粒子性
C．光波是一种概率波 D．以上说法全都错误
解析　双缝干涉实验中出现的明条纹和暗条纹，说明了光子落点具有一定的概率，即符合概率波的规律，并说明光具有波动性．
答案　AC