2017-2018学年高二物理粤教版选修3-5教师用书：第2章 第3节 康普顿效应及其解释 第4节 光的波粒二象性

第三节　康普顿效应及其解释
第四节　光的波粒二象性
学 习 目 标
知 识 脉 络
1.了解康普顿效应，知道康普顿效应进一步证明了光的粒子性．(重点)
2．理解光的波粒二象性，知道光是一种概率波．(难点)
康普顿效应及其解释
1．康普顿效应：用光照射物体时，散射出来的光的波长会变长的现象，称为康普顿效应．
2．光子的动量：p＝
1．散射光波长的变化，是入射光与物质中的自由电子发生碰撞的结果．(√)
2．光子与电子作用过程中，总能量、总动量均守恒．(√)
3．光的电磁理论能够解释康普顿效应．(×)
太阳光从小孔射入室内时，我们从侧面可以看到这束光；白天的天空各处都是亮的；宇航员在太空中尽管太阳光耀眼刺目，其他方向的天空却是黑的．为什么？
【提示】　地球上存在着大气，太阳光经大气中的微粒散射后传向各个方向；而在太空中的真空环境下，光不再散射，只向前传播．
1．经典解释(电磁波的解释)
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．
经典理论可以解释频率不变的一般散射，但对康普顿效应不能作出合理解释．
2．光子理论解释
在X射线散射现象中，假定X射线光子与电子发生完全弹性碰撞，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ε＝hν，而且还有动量．相对X射线光子的能量，物质中电子的能量是很小的，电子可以近似看做是静止的．如图2-3-1所示，这个光子与静止的电子发生弹性碰撞，碰撞过程中光子和电子的总能量守恒，总动量也守恒，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，波长变长．同时，光子要把一部分动量转移给电子，因而光子动量变小，从p＝看，动量p减小也意味着波长λ变大，因此有些光子散射后波长变长了．
图2-3-1
1．康普顿效应证实了光子不仅具有能量，也有动量，如图2-3-2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(选填“1”“2”或“3”)，且波长变________．
图2-3-2
【解析】　康普顿效应第一次从实验上证实了爱因斯坦提出的关于光子具有动量的假设．光子和电子、质子这样的实物粒子一样，不仅具有能量，也具有动量，碰撞过程中能量守恒，动量也守恒．根据动量守恒，碰后光子不可能沿2、3方向，根据能量守恒，在散射波中，除了原波长的波以外，还出现波长增大的波．
【答案】　1　长
2．假如一个光子与一个静止的电子碰撞，光子并没有被吸收，只是被电子反弹回来，散射光子的频率与原来光子的频率相比哪个大？为什么？
【解析】　碰撞后光子动量减小，而p＝，所以波长变大，又由c＝λν知ν变小．
【答案】　见解析
1．康普顿提出的理论与实验结果相符，从而进一步说明了光具有粒子性．
2．产生光电效应或康普顿效应取决于入射光的波长：当波长较短的X射线或γ射线入射时，产生康普顿效应；当波长较长的可见光或紫外线入射时，主要产生光电效应．
光的波粒二象性
1．光的波粒二象性的本质
(1)光的干涉和衍射实验表明，光是一种电磁波，具有波动性．
(2)光电效应和康普顿效应则表明，光在与物体相互作用时，是以一个个光子的形式出现的，具有粒子性．
(3)光既有粒子性，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所有的性质，这种性质称为波粒二象性．
2．概率波
在光的干涉实验中，每个光子按照一定的概率落在感光片的某一点上．概率大的地方落下的光子多，形成亮纹；概率小的地方落下的光子少，形成暗纹．所以，干涉条纹是光子落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干涉时强度的分布．从这个意义上讲，有人把对光的描述说成是概率波．
1．波动性不是每一个光子的属性．(×)
2．单个光子运动具有偶然性，大量光子运动符合统计规律，概率波体现了波粒二象性的和谐统一．(√)
3．描述光性质的最恰当的语言是概率波．(√)
曾有一位记者向物理学家诺贝尔奖获得者布拉格请教：“光是波还是粒子？”
你是如何理解的？你想知道布拉格是如何回答的吗？同学们可以上网查找相关资料．
【提示】　光既不同于宏观观念的粒子，也不同于宏观观念的波，但光既具有粒子性又具有波动性，粒子性和波动性都是光本身的属性．
1．光的粒子性的含义
粒子的含义是“不连续”“一份一份”的，光的粒子即光子，不同于宏观概念的粒子，但也具有动量和能量．
(1)当光同物质发生作用时，表现出粒子的性质．
(2)少量或个别光子易显示出光的粒子性．
(3)频率高，波长短的光，粒子性特征显著．
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，它是一种概率波，即光子在空间各点出现的可能性大小(概率)可用波动规律描述：
(1)足够能量的光(大量光子)在传播时，表现出波的性质．
(2)频率低，波长长的光，波动性特征显著．
3．光的波动性、粒子性是统一的
(1)光的粒子性并不否定光的波动性，光既具有波动性，又具有粒子性，波动性、粒子性都是光的本身属性，只是在不同条件下的表现不同．
(2)只有从波粒二象性的角度，才能统一说明光的各种行为．
3．(多选)下列说法正确的是(　　)
每一份是一个光子，不是牛顿微粒说中的经典微粒．某现象说明光具有波动性，是指波动理论能解释这一现象．某现象说明光具有粒子性，是指能用粒子说解释这个现象．要区分说法和物理史实与波粒二象性之间的关系，C、D正确，A、B、C错误．
【答案】　D
5．(多选)关于光的波粒二象性的理解正确的是 (　　)
A．大量光子的行为往往表现出波动性，个别光子的行为往往表现出粒子性
B．光在传播时是波，而与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
【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，D正确；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；光在传播时波动性显著，光与物质相互作用时粒子性显著，B错误；频率高的光粒子性显著，频率低的光波动性显著，C错误．
【答案】　AD
1．光既有波动性又有粒子性，二者是统一的．
2．光表现为波动性，只是光的波动性显著，粒子性不显著而已．
3．光表现为粒子性，只是光的粒子性显著，波动性不显著而已．