惠阳区第三中学2019-2020学年高中物理粤教版选修3-5：2.3康普顿效应及其解释 课时练（含解析）

2.3康普顿效应及其解释
1．芯片制作工艺非常复杂，光刻机是制作芯片的关键设备，其曝光系统最核心的部件之一是紫外光源．常见光源分为:可见光：436nm；紫外光（UV）：365nm；深紫外光（DUV）：KrF准分子激光：248 nm, ArF准分子激光：193 nm；极紫外光（EUV）：10 ~ 15 nm．下列说法正确的是（ ）
A．波长越短，可曝光的特征尺寸就越小，就表示光刻的刀锋越锋利，刻蚀对于精度控制要求越高．
B．光源波长越长，能量越大，曝光时间就越短．
C．如果紫外光不能让某金属发生光电效应，极紫外光也一定不能．
D．由康普顿效应可知深紫外光通过实物物质发生散射时会出现波长更短的成分．
2．下列说法正确的是
A．氢原子从n=3能级跃迁到n=1能级和从n=2能级跃迁到n=1能级相比较。前者辐射出的光的波长比后者的长
B．α射线与β射线和γ射线相比，α射线具有较强的穿透能力
C．动能相等的质子和电子，它们的德布罗意波长也相等
D．康普顿效应说明光具有粒子性，电子的衍射实验说明实物粒子具有波动性
3．下列说法不正确的是（ ）
A．光电效应和康普顿效应揭示了光的离子性的一面
B．波尔提出电子的轨道是量子化的，轨道半径越小，能量越低，动能越小
C．卢瑟福提出了原子核式结果模型
D．汤姆孙根据阴极射线在电场和磁场中的偏转判断它的本质是带负电的粒子流
4．下列说法正确的是
A．用光照射某种金属，有光电子从金属表面逸出，如果保持光的频率不变，而逐渐减弱光的强度，有可能不再发生光电效应
B．在康普顿效应中，当入射光子与晶体中的电子碰撞时，把一部分动量转移给电子，因此光子散射后波长变长
C．天然放射性现象说明原子具有复杂的结构
D．原子核内所有核子之间都有很强的核力相互作用
5．关于康普顿效应，下列说法中正确的是（ ）
A．石墨对X射线散射时，部分射线的波长变长
B．康普顿效应仅出现在石墨对X射线的散射中
C．康普顿效应证明了光的粒子性
D．康普顿效应进一步表明了光子具有动量
6．下列说法正确的有
A．普朗克曾经大胆假设：振动着的带电微粒的能量只能是某一最小能量值ε的整数倍，这个不可再分的最小能量值ε叫做能量子
B．α粒子散射实验中少数α粒子发生了较大偏转，这是卢瑟福猜想原子核式结构模型的主要依据之一
C．由玻尔理论可知，氢原子的核外电子由较高能级跃迁到较低能级时，要辐射一定频率的光子，同时电子的动能减小，电势能增大
D．在康普顿效应中，当入射光子与晶体中的电子碰撞时，把一部分动量转移给电子，因此，光子散射后波长变短
7．下列选项中符合相关物理知识的是（ ）
A．氯元素的半衰期为3.8天，若有8个氯原子核，则7.6天后还剩2个氯原子核未衰变
B．原子核的半衰期与原子所处的化学状态和外部条件有关
C．比结合能越大,原子核中核子结合的越牢固,原子核越稳定
D．光电效应和康普顿效应深入揭示了光的粒子性,前者标明光具有能量,后者表明光子除了具有能量外还具有动量
8．我国著名科学家吴有训先生在20世纪20年代进行X射线散射研究时以系统、精湛的实验和精辟的理论分析为康普顿效应的确立做出了重要贡献．研究X射线被较轻物质（石墨、石蜡等）散射后光的成分发现，散射谱线中除了有波长与原波长相同的成分外，还有其他波长的成分，其波长的改变量与散射角有关，这种改变波长的散射称为康普顿效应．如图为X光照射电子发生散射的示意图．已知X光入射前的频率为v，散射后为v'，忽略系统能量的损耗，则根据所学知识可知下列说法正确的是
A．X光照射电子的过程动量守恒
B．由题意可知v>v'
C．康普顿效应证明电磁波是概率波
D．实验中被照射电子动能增加，动能的增量是Ek＝hv'－hv
9．下列叙述中正确的是（ ）
A．电子的发现使人们认识到原子是可分割的
B．天然放射现象的研究说明原子核有复杂结构
C．卢瑟福通过粒子散射实验建立了核式结构模型
D．康普顿散射为物质波理论提供了实验支持
10．下列说法正确的是（ ）
A．爱因斯坦在光的粒子性的基础上，建立了光电效应方程
B．康普顿效应表明光子只具有能量，不具有动量
C．波尔的原子理论成功地解释了氢原子光谱的实验规律
D．卢瑟福根据粒子散射实验提出了原子的核式结构模型
11．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”）．

12．根据光的粒子性，光的能量是不连续的，而是一份一份的，每一份叫一个光子，光子具有动量和能量。已知光在真空中的速度为c，普朗克常量为h。
（1）请根据爱因斯坦质能方程和光子说证明光子动量的表达式为P=，并由此表达式可以说明光具有什么特性？
（2）实验表明：光子与速度不太大的电子碰撞发生散射时，光的波长会变长或者不变，这种现象叫康普顿散射，该过程遵循能量守恒定律和动量守恒定律。如果电子具有足够大的初速度，以至于在散射过程中有能量从电子转移到光子，则该散射被称为逆康普顿散射，这一现象已被实验证实。关于上述逆康普顿散射，请定性分析散射光的波长将如何变化？
（3）惯性质量和引力质量是两个不同的物理概念。万有引力定律公式中的质量称为引力质量，它表示物体产生引力场或变引力作用的本领，一般用天平称得的物体质量就是物体的引力质量。牛顿第二定律公式中的质量称为惯性质量，它是物体惯性的量度，用惯性秤可以确定物体的惯性质量。频率为的一个光子具有惯性质量，此质量由相对论知识可以推得可由光子的能量确定，请通过本题陈述和所给已知量确定光子的惯性质量m的表达式。
（4）接第三问，假定光子也有引力质量，量值等于惯性质量。据相对论等近代物理知识可知：从一颗星球表面发射出的光子，逃离星球引力场时，该光子的引力质量会随着光子的运动而发生变化，光子的能量将不断地减少。
a.试分析该光子的波长将如何变化？
b.若给定万有引力常量G，星球半径R，光子的初始频率，光子从这颗星球（假定该星球为质量分布均匀的圆球体）表面到达无穷远处的频移（频率变化量值）为，假定<<,星球和光子系统的引力势能表达式为：（选定光子和星球相距无穷远处为零势能处），此表达式中的r为光子到星球中心的距离，试求该星球的质量M。
参考答案
1．A
【解析】
波长越短，可曝光的特征尺寸就越小，就表示光刻的刀锋越锋利，刻蚀对于精度控制要求越高，选项A正确；光源波长越长，则频率就越小，能量越小，选项B错误；极紫外光的波长小于紫外光的波长，则频率较大，如果紫外光不能让某金属发生光电效应，极紫外光不一定不能使该金属发生光电效应，选项C错误；由康普顿效应可知深紫外光通过实物物质发生散射时能量变小，频率变小，则会出现波长更长的成分，选项D错误；故选A.．
2．D
【解析】A、氢原子从n=3能级跃迁到n=1能级比从n=2能级跃迁到n=1能级释放的能量多，能量越大，则波长越小 ，故A错；
B、α射线具有较强的电离能力，贯穿能力不强，故B错误；
C、动能和动量的关系 ，由于电子和质子的质量不相等，所以动量也不相等，由 得波长也不相等，故C错误；
D、康普顿效应说明光具有粒子性，电子的衍射实验说明实物粒子具有波动性，故D正确；
综上所述本题答案是：D
3．B
【解析】A、光电效应和康普顿效应深入地揭示了光的粒子性的一面。前者表明光子具有能量，后者表明光子具有能量之外还具有动量。故A正确。B、电子的轨道半径越小，越靠近原子核，对应氢原子能量越小，而库仑力提供向心力可知半径小时对应的圆周运动的线速度大，动能越大，故B错误. C、卢瑟福进行了α粒子散射实验后，根据实验的现象提出，原子只能由位于原子中心的原子核和核外的电子组成，原子核应集中大部分的质量及正电荷，由此提出了原子核式结构，故C正确.D、1897年，英国物理学家汤姆孙根据阴极射线在电场和磁场中的偏转情况断定，它的本质是带负电的粒子流并求出了这种粒子的比荷，故D正确。本题选不正确的故选B.
【点睛】本题考查了电子的发现、α粒子散射实验、康普顿效应、光电效应等基础知识点，关键要熟悉教材，牢记这些基本规律和基本概念，不能混淆.
4．B
【解析】某种金属能否发生光电效应只与入射光的频率有关，与光强无关，选项A错误；在康普顿效应中，当入射光子与晶体中的电子碰撞时，把一部分动量转移给电子，因此光子散射后波长变长，选项B正确；天然放射性现象说明原子核具有复杂的结构，选项C错误；核力是短程力，作用范围在1.5×10-15m，原子核的半径数量级在10-15m，所以核力只存在于同一个原子核内的相邻的核子之间，两个相邻原子核之间的核子之间没有核力，故D错误；故选B.
5．ACD
【解析】
【详解】
A. 在康普顿效应中，当入射光子与晶体中的电子碰撞时，把一部分动量转移给电子，则动量减小，根据，知波长增大，故A正确；
B. 康普顿效应不是仅出现在石墨对X射线的散射中，故B错误；
C. 康普顿效应揭示了光具有粒子性，故C正确；
D. 康普顿效应进一步表明了光子具有动量，故D正确
6．AB
【解析】
【详解】
普朗克曾经大胆假设：振动着的带电微粒的能量只能是某一最小能量值ε的整数倍，这个不可再分的最小能量值ε叫做能量子，选项A正确； α粒子散射实验中少数α粒子发生了较大偏转，这是卢瑟福猜想原子核式结构模型的主要依据之一，选项B正确；由玻尔理论可知，氢原子的核外电子由较高能级跃迁到较低能级时，要辐射一定频率的光子，同时电子的动能增大，电势能减小，选项C错误；在康普顿效应中，当入射光子与晶体中的电子碰撞时，把一部分动量转移给电子，因此动量减小，根据λ=h/p，知波长增大。故D错误；
7．CD
【解析】半衰期是统计规律，对少数原子核不适用，A错误；原子核的半衰期与原子所处的化学状态和外部条件都无关，选项B错误；比结合能越大,原子核中核子结合的越牢固,原子核越稳定，选项C正确；光电效应和康普顿效应深入揭示了光的粒子性,前者标明光具有能量,后者表明光子除了具有能量外还具有动量，选项D正确；故选CD.
8．AB
【解析】
【分析】
【详解】
A．根据动量守恒的条件可知，X光照射电子的过程动量守恒，选项A正确；
B．散射后X光的能量减小，即hv>hv' ，可知v>v'，选项B正确；
C．康普顿效应证明电磁波具有粒子性，选项C错误；
D．实验中被照射电子动能增加，动能的增量是Ek＝hv- hv'，选项D错误；
故选AB.
9．ABC
【解析】A、原先人们认为原子是最小的单位，电子的发现使人们认识到原子有复杂的结构，故A正确；B、人们认识到原子核具有复杂结构是从发现天然放射现象开始的，故B正确；C、卢瑟福通过对α粒子散射实验的研究，提出了原子的核式结构模型，确定了原子的组成结构，故C正确．D、电子是实物粒子，能发生衍射现象，从而为物质波理论提供了实验支持，故D错误；故选ABC.
【点睛】本题考查了近代物理中的基本知识，对于这部分基本知识要注意加强理解和应用．
10．ACD
【解析】A. 爱因斯坦在普朗克量子理论的基础上提出了光子假说，建立了光电效应方程，故A正确；
B. 康普顿效应表明光子有能量，也有动量，故B错误；
C. 玻尔的原子理论只能成功地解释了氢原子光谱的实验规律，故C正确；
D. 卢瑟福根据粒子散射实验，提出了原子的核式结构模型，故D正确；
故选：ACD.
11．1 变长
【解析】
光子与电子碰撞过程系统动量守恒，系统动量的矢量和不变，碰前动量向右，故碰撞后系统的动量的矢量和也向右，故碰后光子可能沿方向1振动；由于电子动能增加，故光子动减量小，根据ε=hν，光子的频率减小，根据c=λυ，波长变长；
点睛：光电效应表明光具有粒子性，光子具有能量；康普顿效应进一步表面光子具有动量．
12．(1) 波粒二象性；（2）散射光的波长将会变小；（3）；（4）a．波长将会变大；b. ；
【解析】(1)根据爱因斯坦质能方程和光子说可以得到光子能量E=；
光子动量P=mc= ，光子动量表达式：P=h/λ，说明光具有波粒二象性。
(2)因为在散射过程中有能量从电子转移到光子，则光子的能量增大，因为光子的能量
E=，故散射光的波长将会变小。
(3)根据本题陈述和所给已知量确定光子的惯性质量m的表达式为
(4)a．因为光子能量减小，根据E=可知，该光子的波长将会变大。
b.根据能量守恒定律可知：光子能量的损失量等于星球与光子系统的引力势能的增加量。
假定光子到达无穷远处的频率为，，引力质量为m，，光子的初始引力质量为m，
则有：，
可得：。
<<意味着光子能量的相对变化量很小，故从第三问可知：
继而可做如下推演：
；
则有：
对于从半径为R的星球表面发射的光子，便有
由此可求得该星球的质量
【点睛】本题研究光的性质(波动性和粒子性)：光的波粒二象性也适用于物质波，要用和联立推出波长的计算公式.