1、第三節第三節 康普頓效應及其解釋康普頓效應及其解釋 第四節第四節 光的波粒二象性光的波粒二象性 目標定位目標定位 1. 了解康普頓效應及其意義解康普頓效應及其意義.2.知道光的波粒二知道光的波粒二象性并會分析有關現象象性并會分析有關現象.3.了解什么是概率波，知道光也是一了解什么是概率波，知道光也是一種概率波種概率波 一、康普頓效應及其解釋一、康普頓效應及其解釋 1康普頓效應康普頓效應 (1)用用X射線照射物體時，一部分散射出來的射線照射物體時，一部分散射出來的X射線的波長會射線的波長會 變長變長 ，這個現象后來稱為康普頓效應，這個現象后來稱為康普頓效應 h(2)光子的能量為光子的能量為 h

2、，光子的動量為，光子的動量為 p . 2康普頓對散射光波長變化的解釋康普頓對散射光波長變化的解釋 電子電子 發生碰撞發生碰撞 (1) 散射光波長的變化，是入射光子與物質中的射光波長的變化，是入射光子與物質中的 的結果的結果 入射光子的能量入射光子的能量 小很多，電子可以看小很多，電子可以看 (2)物質中電子的動能比物質中電子的動能比 做是靜止的做是靜止的 守恒守恒 (3)光子與電子作用過程中，總能量、總動量均光子與電子作用過程中，總能量、總動量均 (4)光子因與電子相碰，有一部分能量和動量給了電子，光子光子因與電子相碰，有一部分能量和動量給了電子，光子波長波長 也就變長了也就變長了 減小減小

3、了，這樣，散射光的了，這樣，散射光的 的能量和動量均的能量和動量均 3康普頓效應的意義康普頓效應的意義 康普頓效應表明光子除了具有能量之外，還具有動量，深入揭普頓效應表明光子除了具有能量之外，還具有動量，深入揭粒子粒子 性的一面性的一面 示了光的示了光的 二、光的波粒二象性二、光的波粒二象性 1光的波粒二象性的本質光的波粒二象性的本質 (1) 雙縫干涉實驗裝置如圖1 所示 圖1 (2)實驗要求：降低光源實驗要求：降低光源 S的強度，直到入射光減弱到沒有兩的強度，直到入射光減弱到沒有兩個光子同時存在的程度個光子同時存在的程度 (3)實驗結果：實驗結果： 亮點亮點 短時間，感光片上呈現雜亂分布的短

4、時間，感光片上呈現雜亂分布的 亮紋亮紋 較長時間，感光片上呈現模糊的較長時間，感光片上呈現模糊的 干涉圖樣干涉圖樣 長時間，感光片上形成清晰的長時間，感光片上形成清晰的 (4)實驗結論：光既有波動性，又有粒子性，光具有波粒二象實驗結論：光既有波動性，又有粒子性，光具有波粒二象性性 2概率波概率波 (1) 對干涉實驗中明暗條紋的解釋干涉實驗中明暗條紋的解釋 每個光子按照一定的概率落在感光片的某一點，概率大每個光子按照一定的概率落在感光片的某一點，概率大亮紋亮紋 ；概率小的地方落下的；概率小的地方落下的的地方落下的光子多，形成的地方落下的光子多，形成 暗紋暗紋 光子少，形成光子少，形成 概率波概率

5、波 ，干涉條紋是光子在感光片上各，干涉條紋是光子在感光片上各(2)光波是一種光波是一種 點概率分布的反映點概率分布的反映 預習完成后，請把你疑惑的問題記錄在下面的表格中預習完成后，請把你疑惑的問題記錄在下面的表格中 問題問題1 問題問題2 問題問題3 一、康普頓效應一、康普頓效應 1實驗結果實驗結果 1918年1922年，美國物理學家康普頓在研究石墨對X射線的散射時，發現散射的X射線中，除有與入射線波長相同的射線外，還有波長比入射線波長更長的射線人們把這種波長變化的現象叫做康普頓效應 2光子說對康普頓效應的解釋光子說對康普頓效應的解釋 假定定X射線光子與電子發生彈性碰撞，這種碰撞跟臺球比射線光

6、子與電子發生彈性碰撞，這種碰撞跟臺球比賽中的兩球碰撞很相似按照愛因斯坦的光子說，一個賽中的兩球碰撞很相似按照愛因斯坦的光子說，一個X射線光子不僅具有能量射線光子不僅具有能量h，而且還有動量如圖，而且還有動量如圖2所所示這個光子與靜止的電子發生彈性斜碰，光子把部分示這個光子與靜止的電子發生彈性斜碰，光子把部分能量轉移給了電子，能量由能量轉移給了電子，能量由h減小為減小為h，因此頻率減小，因此頻率減小，波長增大同時，光子還使電子獲得一定的動量這樣波長增大同時，光子還使電子獲得一定的動量這樣就圓滿地解釋了康普頓效應就圓滿地解釋了康普頓效應 圖圖2 【例【例1】 康普頓效應證實了光子不僅具有能量，也有

7、動量，普頓效應證實了光子不僅具有能量，也有動量，如圖如圖3給出了光子與靜止電子碰撞后，電子的運動方向，給出了光子與靜止電子碰撞后，電子的運動方向，則碰撞后光子可能沿方向則碰撞后光子可能沿方向_運動，并且波長運動，并且波長_(選填選填“不變不變”、“變短變短”或或“變長變長”) 圖圖3 答案答案 1 變長長 解析解析 根據動量守恒定律知，光子與靜止電子碰撞前后動量根據動量守恒定律知，光子與靜止電子碰撞前后動量守恒，相碰后合動量應沿守恒，相碰后合動量應沿2方向，所以碰后光子可能沿方向，所以碰后光子可能沿1方向方向運動，由于動量變小，故波長應變長運動，由于動量變小，故波長應變長 針對訓練針對訓練 在

8、康普頓效應中，光子與電子發生碰撞后，關于康普頓效應中，光子與電子發生碰撞后，關于散射光子的波長，下列說法正確的是散射光子的波長，下列說法正確的是 A一定變長一定變長 B一定變短一定變短 C可能變長，也可能變短可能變長，也可能變短 ( ) D決定于電子的運動狀態決定于電子的運動狀態 答案答案 A 解析解析 因為光子入射的能量很大，比電子的能量要大得多，因為光子入射的能量很大，比電子的能量要大得多，碰撞時，動量和能量都守恒，碰后一定是電子的動能增加，碰撞時，動量和能量都守恒，碰后一定是電子的動能增加，光子的能量減少，所以散射光子的波長一定變長，選項光子的能量減少，所以散射光子的波長一定變長，選項A

9、正確正確 二、對光的波粒二象性的理解二、對光的波粒二象性的理解 實驗實驗 基礎基礎 表現表現 說明說明 光是一種概率波，即光子在光是一種概率波，即光子在光的光的空間各點出現的可能性大小空間各點出現的可能性大小(概概干涉和干涉和 波波 率率)可用波動規律來描述可用波動規律來描述 衍射衍射 動性動性 頻率較低的光在傳播時，表頻率較低的光在傳播時，表現出波的性質現出波的性質. 光的波動性是光光的波動性是光子本身的一種屬性，子本身的一種屬性，不是光子之間相互不是光子之間相互作用產生的作用產生的 光的波動性不同光的波動性不同于宏觀觀念的波于宏觀觀念的波 粒子的含義是粒子的含義是“不連續不連續”、“一一份

10、一份份一份”的的 光子不同于宏觀光子不同于宏觀觀念的粒子觀念的粒子 當光同物質發生作用時，這當光同物質發生作用時，這光電效光電效 光的光的種作用是種作用是“一份一份一份一份”進行的，進行的，應、康應、康 粒粒 表現出粒子性表現出粒子性 普頓效普頓效子性子性 少量或個別光子清楚地顯示少量或個別光子清楚地顯示應應 出光的粒子性出光的粒子性. 光子說并未否定波光子說并未否定波波動性波動性 和粒子和粒子 性的對性的對 立、統一立、統一 hc大量光子易顯示波動性，而少大量光子易顯示波動性，而少動性，動性，h中，中，量光子易顯示出粒子性量光子易顯示出粒子性 和和就是波的概念就是波的概念 波長長波長長(頻率

11、低頻率低)的光波動性強，的光波動性強，波和粒子在宏觀世波和粒子在宏觀世而波長短而波長短(頻率高頻率高)的光粒子性強的光粒子性強. 界是不能統一的，界是不能統一的， 而在而在微觀世界卻是統一的微觀世界卻是統一的. 【例【例2】 (多選多選)關于光的波粒二象性的理解正確的是于光的波粒二象性的理解正確的是( ) A大量光子的行為往往表現出波動性，個別光子的行為大量光子的行為往往表現出波動性，個別光子的行為往往表現出粒子性往往表現出粒子性 B光在傳播時是波，而與物質相互作用時就轉變成粒子光在傳播時是波，而與物質相互作用時就轉變成粒子 C高頻光是粒子，低頻光是波高頻光是粒子，低頻光是波 D波粒二象性是光

12、的根本屬性，有時它的波動性顯著，波粒二象性是光的根本屬性，有時它的波動性顯著，有時它的粒子性顯著有時它的粒子性顯著 答案答案 AD 解析解析 光的波粒二象性指光有時候表現出的粒子性較明顯，光的波粒二象性指光有時候表現出的粒子性較明顯，有時候表現出的波動性較明顯，有時候表現出的波動性較明顯，D正確；大量光子的效果往正確；大量光子的效果往往表現出波動性，往表現出波動性，A正確；光在傳播時波動性顯著，光與物正確；光在傳播時波動性顯著，光與物 質相互作用時粒子性顯著，質相互作用時粒子性顯著，B錯誤；頻率高的光粒子性顯著，錯誤；頻率高的光粒子性顯著，頻率低的光波動性顯著，頻率低的光波動性顯著，C錯誤錯誤

13、 借題發揮借題發揮 解答此類問題的關鍵是要理解以下知識要點：解答此類問題的關鍵是要理解以下知識要點： (1)光是一種波，同時也是一種粒子，也就是說光具有波粒二象性；光是一種波，同時也是一種粒子，也就是說光具有波粒二象性； (2)光的波動性在光的傳播過程中體現出來，具有一定的波長和頻光的波動性在光的傳播過程中體現出來，具有一定的波長和頻率，能夠發生干涉和衍射現象；率，能夠發生干涉和衍射現象； (3)光的粒子性在它與物質的相互作用時體現出來，光的粒子性在它與物質的相互作用時體現出來， 光子具有一定的光子具有一定的h能量能量(h )和動量和動量(p) 三、對光是概率波的理解三、對光是概率波的理解 1

14、單個粒子運動的偶然性：我們可以知道粒子落在某點的個粒子運動的偶然性：我們可以知道粒子落在某點的概率，但不能預言粒子落在什么位置，即粒子到達什么概率，但不能預言粒子落在什么位置，即粒子到達什么 位置是隨機的，是預先不能確定的位置是隨機的，是預先不能確定的 2大量粒子運動的統計規律：光在傳播過程中，光子在空大量粒子運動的統計規律：光在傳播過程中，光子在空間出現的概率可以通過波動規律確定，所以光波是一種間出現的概率可以通過波動規律確定，所以光波是一種概率波概率波 【例例3】 (多選多選)在單縫衍射實驗中，中央亮紋的光強占從單縫射單縫衍射實驗中，中央亮紋的光強占從單縫射入的整個光強的入的整個光強的95%以上，假設現在只讓一個光子通過單縫，以上，假設現在只讓一個光子通過單縫，那么該光子那么該光子 ( ) A一定落在中央亮紋處一定落在中央亮紋處 B一定落在亮紋處一定落在亮紋處 C可能落在暗紋處可能落