2019-2020学年高中物理第4章3光的波粒二象性学案教科版选修3-52.pdf
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1、第 - 1 - 页 共 7 页 3.光的波粒二象性3.光的波粒二象性 学习目标 1.知道什么是康普顿效应及康普顿散射实验原理(重点)2.理解光的波粒 二象性,了解光是一种概率波 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偏转,这种现象 叫光的散射 蔚蓝的天空、殷红的晚霞是大气层对阳光散射形成的,夜晚探照灯或激光的光柱,是空 气中微粒对光散射形成的 2康普顿效应 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,除原波长外,还发现了 波长随散射角的增大而增大的谱线X 射线经物质散射后波长变长的现象,称为康普顿效应 3康普顿的理论 当光子与电子相互
2、作用时,既遵守能量守恒定律,又遵守动量守恒定律在碰撞中光子 将能量h的一部分传递给了电子,光子能量减少,波长变长 4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, 为光子说提供了又一例证 二、光的波粒二象性光是一种概率波 1光的波粒二象性 (1)光既具有波动性,又具有粒子性,即光具有波粒二象性 光的波动性是指光的运动形态具有各种波动的共同特征,如干涉、衍射和色散等都有波 动的表现 光的粒子性是指光与其他物质相互作用时所交换的能量和动量具有不连续性,如光电效 应、康普顿效应等 (2)光子的能量和动量 能量:h. 动量:p. h (3)意义 能量和动
3、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 第 - 2 - 页 共 7 页 动性的典型物理量因此h和p揭示了光的粒子性和波动性之间的密切关系 h 2光是一种概率波 光波在某处的强度代表着光子在该处出现概率的大小,所以光是一种概率波 1正误判断(正确的打“” ,错误的打“”) (1)康普顿效应证实了光子不仅具有能量,也具有动量() (2)康普顿效应进一步说明光具有粒子性() (3)光子发生散射时,其动量大小发生变化,但光子的频率不发生变化() (4)光的干涉、衍射、偏振现象说明光具有波动性() (5)光子数量越大,其粒子性越明显() (6)光子通过狭缝后落在屏上明纹处的概率大些
4、() 2(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,以下说法正确的是( ) A康普顿效应说明光子具动量 B康普顿效应现象说明光具有波动性 C康普顿效应现象说明光具有粒子性 D当光子与晶体中的电子碰撞后,其能量增加 AC 康普顿效应说明光具有粒子性,B 项错误,A、C 项正确;光子与晶体中的电子碰撞 时满足动量守恒和能量守恒,故二者碰撞后,光子要把部分能量转移给电子,光子的能量会 减少,D 项错误 3关于光的波粒二象性,下列说法中正确的是( ) A光的频率越高,衍
5、射现象越容易看到 B光的频率越高,粒子性越显著 C大量光子产生的效果往往显示粒子性 D光的波粒二象性否定了光的电磁说 B 光具有波粒二象性,波粒二象性并不否定光的电磁说,只是说某些情况下粒子性明 显,某些情况下波动性明显,故 D 错误光的频率越高,波长越短,粒子性越明显,波动性 越不明显,越不易看到其衍射现象,故 B 正确,A 错误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,故 C 错误 第 - 3 - 页 共 7 页 对康普顿效应的理解 1实验现象 X 射线管发出波长为0的 X 射线, 通过小孔投射到散射物石墨上 X 射线在石墨上被散射, 部分散射光的波长变长,波长改变的多少与
6、散射角有关 2康普顿效应与经典物理理论的矛盾 按照经典物理理论,入射光引起物质内部带电粒子的受迫振动,振动着的带电粒子从入 射光吸收能量,并向四周辐射,这就是散射光散射光的频率应该等于粒子受迫振动的频率 (即入射光的频率)因此散射光的波长与入射光的波长应该相同,不应该出现波长变长的散 射光另外,经典物理理论无法解释波长改变与散射角的关系 3光子说对康普顿效应的解释 假定 X 射线光子与电子发生弹性碰撞 (1)光子和电子相碰撞时,光子有一部分能量传给电子,散射光子的能量减少,于是散射 光的波长大于入射光的波长 (2)因为碰撞中交换的能量与碰撞的角度有关,所以波长的改变与散射角有关 4康普顿的散射
7、理论进一步证实了爱因斯坦的光量子理论,也有力证明了光具有波粒二 象性 【例 1】 康普顿效应证实了光子不仅具有能量,也有动量如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_(选填 “不变”“变短”或“变长”) 解析 因光子与电子在碰撞过程中动量守恒,所以碰撞之后光子和电子的总动量的方 向与光子碰前动量的方向一致, 可见碰后光子运动的方向可能沿 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h知, 频率变小, 再根据c 知,波长变长 答案 1 变长 (1)动量守恒定律不但适用于宏观物体,也适用于微观粒子间
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