第四章原子結構和波粒二象性第2節光電效應第二課時康普頓效應光的波粒二象性【核心素養目標】物理觀念了解康普頓效應，知道光子不僅具有能量，而且具有動量。科學思維理解光的波粒二象性。科學探究學習研究石墨對X射線的散射時康普頓效應研究過程科學態度與責任通過康普頓效應和光的波粒二象性知識應用的實例，感受物理中科學技術與社會的緊密聯系，體會科學知識的應用價值，進一步增強學生的學習動力和科學意識。知識點一康普頓效應和光子的動量【知識梳理】1．康普頓效應：在研究石墨對X射線的散射時，發現在散射的X射線中，除了與入射波長λ0相同的成分外，還有波長λ0的成分，這個現象稱為康普頓效應．2．康普頓效應的意義：康普頓效應表明光子不僅具有能量而且具有動量．3．光子的動量(1)表達式：p＝eq\f(h,λ).(2)說明：在康普頓效應中，當入射的光子與晶體中的電子碰撞時，要把一部分動量轉移給電子，光子的動量可能變小．因此，有些光子散射后波長．【重難詮釋】1．康普頓效應的解釋假定光子與電子發生彈性碰撞，按照愛因斯坦的光子說，一個光子不僅具有能量ε＝hν，而且具有動量．如圖所示，這個光子與靜止的電子發生彈性碰撞，光子把部分動量轉移給了電子，動量由eq\f(h,λ)減小為eq\f(h,λ′)，因此p減小，波長增大．2．康普頓效應的意義康普頓效應進一步揭示了光的粒子性，也再次證明了愛因斯坦光子說的正確性．【典例精析】例1．美國物理學家康普頓在研究石墨對X射線的散射時，用X光對靜止的電子進行照射，照射后電子獲得速度的同時，X光光子的運動方向也會發生相應的改變．下列說法正確的是()A．當入射光子與晶體中的電子碰撞時，把部分動量轉移給電子，因此光子散射后頻率變大B．康普頓效應揭示了光的粒子性，表明光子除了具有能量之外還具有動量C．X光散射后與散射前相比，速度變小D．散射后的光子雖然改變原來的運動方向，但頻率保持不變例2．(多選)“COVID－19”引起的肺炎病人在進行CT診斷時，肺部影像呈白色(“白肺”)，其物理原理是利用X射線穿透人體肺部進行掃描并呈現灰度不同的圖像．X射線的穿透量受物質吸收程度的影響，吸收程度與物質的密度等因素有關．密度越小，吸收X射線的本領越弱，透過人體的量就越多，呈現的圖片就越暗，如空氣等．密度越大，吸收X射線的本領越強，透過人體的量就越少，呈現的圖片為白色，如骨骼等．X射線被物質的吸收主要產生兩種效應：光電效應和康普頓效應．依據以上信息，下列說法正確的是()A．光電效應現象是愛因斯坦最先發現的B．X射線光子被原子中的電子全部吸收從原子中飛出變為具有一定動能的光電子的現象，屬于光電效應，說明X射線具有粒子性C．光電效應中，X射線頻率越高，從同種原子中飛出的光電子的最大初動能越大D．X射線光子只被電子部分吸收，電子能量增大，光子被散射出去，散射光子波長變長，這說明光子既具有能量又具有動量，這屬于康普頓效應，說明了X射線具有粒子性知識點二光的波粒二象性【知識梳理】光的干涉、衍射、偏振現象表明光具有波動性，光電效應和康普頓效應表明光具有性，光既具有波動性，又具有性，即光具有性．【重難詮釋】1．光的波動性實驗基礎：光的干涉和衍射．2．光的粒子性(1)實驗基礎：光電效應、康普頓效應．(2)表現：①當光同物質發生作用時，這種作用是“一份一份”進行的，表現出粒子的性質；②少量或個別光子容易顯示出光的粒子性．(3)說明：①粒子的含義是“不連續”“一份一份”的；②光子不同于宏觀觀念的粒子．【典例精析】例3．關于光的粒子性、波動性和波粒二象性，下列說法正確的是()A．光子說的確立完全否定了波動說B．光的波粒二象性是指光既與宏觀概念中的波相同又與微觀概念中的粒子相同C．光的波動說和粒子說都有其正確性，但又都是不完善的，都有其不能解釋的實驗現象D．光電效應說明光具有粒子性，康普頓效應說明光具有波動性例4．(多選)下列有關光的波粒二象性的說法正確的是()A．有的光是波，有的光是粒子B．光子與電子是同樣的一種粒子C．光的波長越長，其波動性越顯著；波長越短，其粒子性越顯著D.大量光子的行為往往顯示出波動性針對訓練一、單選題1．在下列各組現象中，都表現出光具有粒子性的是（）A．光的折射現象、衍射現象B．光的反射現象、干涉現象C．光的衍射現象、光電效應現象D．光電效應現象、康普頓效應現象2．關于康普頓效應，下列說法正確的是（）A．康普頓效應證明光具有波動性B．康普頓效應可用經典電磁理論進行解釋C．康普頓在研究石墨對射線的散射時發現，在散射的射線中，有些波長變長了D．康普頓在研究石墨對射線的散射時發現，在散射的射線中，有些波長變短了3．下列有關光的波粒二象性的說法中，正確的是（）A．有的光是波，有的光是粒子B．光子與電子是同樣的一種粒子C．光的波長越長，其波動性越顯著；波長越短，其粒子性越顯著D．康普頓效應表明光具有波動性4．康普頓散射的主要特征是（）A．散射光的波長與入射光的波長全然不同B．散射光的波長有些與入射光的相同，但有些變短了，散射角的大小與散射波長無關C．散射光的波長有些與入射光的相同，但也有變長的，也有變短的D．散射光的波長有些與入射光的相同，有些散射光的波長比入射光的波長長些，且散射光波長的改變量與散射角的大小有關5．下列有關波粒二象性的說法中，正確的是（）A．大量光子的行為往往表現出光的粒子性B．光電效應現象說明了光具有波粒二象性C．康普頓效應現象說明光具有粒子性D．實物粒子不具有波粒二象性6．以下說法正確的是（）A．康普頓效應現象說明光具有波動性B．愛因斯坦指出“光不僅在發射和吸收時能量是一份一份的，而且光本身就是由一個個不可分割的能量子組成的”C．光表現出波動性時，就不具有粒子性了；光表現出粒子性時，就不再具有波動性了D．只有運動著的微觀粒子才有物質波，對于宏觀物體，不論其是否運動，都沒有相對應的物質波7．科學研究證明，光子有能量也有動量，當光子與電子碰撞時，光子的一些能量轉移給了電子。假設光子與電子碰撞前的波長為λ，碰撞后的波長為λ′，則碰撞過程中（

）A．能量守恒，動量守恒，且λ=λ′ B．能量不守恒，動量不守恒，且λ=λ′C．能量守恒，動量守恒，且λλ′ D．能量守恒，動量守恒，且λλ′8．假設一個運動的光子和一個靜止的自由電子碰撞以后，電子向某一方向運動，光子沿另一方向散射出去，則這個散射光子跟原來的光子相比A．頻率變大 B．速度變小C．光子能量變大 D．波長變長9．美國物理學家康普頓在研究石墨對X射線的散射時，用X光對靜止的電子進行照射，照射后電子獲得速度的同時，X光光子的運動方向也會發生相應的改變．下列說法正確的是A．當入射光子與晶體中的電子碰撞時，把部分動量轉移給電子，因此光子散射后頻率變大B．康普頓效應揭示了光的粒子性，表明光子除了具有能量之外還具有動量C．X光散射后與散射前相比，速度變小D．散射后的光子雖然改變原來的運動方向，但頻率保持不變10．實驗表明：光子與速度不太大的電子碰撞發生散射時，光的波長會變長或者不變，這種現象叫康普頓效應，該過程遵循能量守恒定律和動量守恒定律．如果電子具有足夠大的初速度，以至于在散射過程中有能量從電子轉移到光子，則該現象被稱為逆康普頓效應，這一現象已被實驗證實．關于上述逆康普頓效應，下列說法正確的是A．該過程不遵循能量守恒定律B．該過程不遵循動量守恒定律C．散射光中存在波長變長的成分D．散射光中存在頻率變大的成分11．一臺激光器發出的激光功率為P，光束垂直入射到真空中的某一平面，被平面完全反射后頻率保持不變。已知光的波長為λ，光在真空中的速度為c，下列說法正確的是（）A．激光的波長越短，其光子的動量越小B．被平面反射后激光光子的動量變大C．增大激光器發出的激光功率，光束對平面的壓力增大D．單位時間里入射到平面的光子數目為12．康普頓效應揭示了光既有能量也有動量。如圖所示為X射線中的光子與晶體中的電子在碰撞前、后的示意圖。則碰撞后（）A．光子的動量大小不變 B．光子的速度減小C．光子的波長變長 D．電子的動量增加了13．在“焊接”視網膜的眼科手術中，所用激光的波長為，每個激光脈沖中的光子數目為n，已知普朗克常量為h，光速為c，則（）A．用激光“焊接”視網膜是因為激光具有高度的相干性B．激光的頻率為C．激光光子的動量為D．每個激光脈沖的能量為14．2018年11月29日，國家重大科研裝備研制項目“超分辨光刻裝備研制”通過驗收，該光刻機光刻分辨力達到22nm．關于光的認識，下列說法正確的是(

)A．光子除了具有能量之外還具有動量B．波長越長的光，光子動量越大C．光電效應顯示了光的波動性D．愛因斯坦測量了光電效應中幾個重要的物理量，由此算出了普朗克常量h15．已知鈣和鉀的截止頻率分別為7.73×1014Hz和5.44×1014Hz，在某種單色光的照射下兩種金屬均發生光電效應，比較它們表面逸出的具有最大初動能的光電子，鈣逸出的光電子具有較大的（）A．波長 B．頻率 C．能量 D．動量第四章原子結構和波粒二象性第2節光電效應第二課時康普頓效應光的波粒二象性【核心素養目標】物理觀念了解康普頓效應，知道光子不僅具有能量，而且具有動量。科學思維理解光的波粒二象性。科學探究學習研究石墨對X射線的散射時康普頓效應研究過程科學態度與責任通過康普頓效應和光的波粒二象性知識應用的實例，感受物理中科學技術與社會的緊密聯系，體會科學知識的應用價值，進一步增強學生的學習動力和科學意識。知識點一康普頓效應和光子的動量【知識梳理】1．康普頓效應：在研究石墨對X射線的散射時，發現在散射的X射線中，除了與入射波長λ0相同的成分外，還有波長大于λ0的成分，這個現象稱為康普頓效應．2．康普頓效應的意義：康普頓效應表明光子不僅具有能量而且具有動量．3．光子的動量(1)表達式：p＝eq\f(h,λ).(2)說明：在康普頓效應中，當入射的光子與晶體中的電子碰撞時，要把一部分動量轉移給電子，光子的動量可能變小．因此，有些光子散射后波長變大．【重難詮釋】1．康普頓效應的解釋假定光子與電子發生彈性碰撞，按照愛因斯坦的光子說，一個光子不僅具有能量ε＝hν，而且具有動量．如圖所示，這個光子與靜止的電子發生彈性碰撞，光子把部分動量轉移給了電子，動量由eq\f(h,λ)減小為eq\f(h,λ′)，因此p減小，波長增大．2．康普頓效應的意義康普頓效應進一步揭示了光的粒子性，也再次證明了愛因斯坦光子說的正確性．【典例精析】例1．美國物理學家康普頓在研究石墨對X射線的散射時，用X光對靜止的電子進行照射，照射后電子獲得速度的同時，X光光子的運動方向也會發生相應的改變．下列說法正確的是()A．當入射光子與晶體中的電子碰撞時，把部分動量轉移給電子，因此光子散射后頻率變大B．康普頓效應揭示了光的粒子性，表明光子除了具有能量之外還具有動量C．X光散射后與散射前相比，速度變小D．散射后的光子雖然改變原來的運動方向，但頻率保持不變【答案】B【解析】在康普頓效應中，當入射光子與晶體中的電子碰撞時，把部分動量轉移給電子，則光子動量減小，但速度仍為光速c，根據p＝eq\f(hν,c)，知光子頻率減小，康普頓效應說明光不但具有能量而且具有動量，揭示了光的粒子性，故A、C、D錯誤，B正確．例2．(多選)“COVID－19”引起的肺炎病人在進行CT診斷時，肺部影像呈白色(“白肺”)，其物理原理是利用X射線穿透人體肺部進行掃描并呈現灰度不同的圖像．X射線的穿透量受物質吸收程度的影響，吸收程度與物質的密度等因素有關．密度越小，吸收X射線的本領越弱，透過人體的量就越多，呈現的圖片就越暗，如空氣等．密度越大，吸收X射線的本領越強，透過人體的量就越少，呈現的圖片為白色，如骨骼等．X射線被物質的吸收主要產生兩種效應：光電效應和康普頓效應．依據以上信息，下列說法正確的是()A．光電效應現象是愛因斯坦最先發現的B．X射線光子被原子中的電子全部吸收從原子中飛出變為具有一定動能的光電子的現象，屬于光電效應，說明X射線具有粒子性C．光電效應中，X射線頻率越高，從同種原子中飛出的光電子的最大初動能越大D．X射線光子只被電子部分吸收，電子能量增大，光子被散射出去，散射光子波長變長，這說明光子既具有能量又具有動量，這屬于康普頓效應，說明了X射線具有粒子性【答案】BCD【解析】光電效應現象是赫茲最先發現的，故A錯誤；根據光電效應現象及產生原因知，B正確；根據光電效應方程Ek＝hν－W0可知，光電效應中，X射線頻率越高，從同種原子中飛出的光電子的最大初動能越大，故C正確；根據康普頓效應現象及產生原因知，D正確．知識點二光的波粒二象性【知識梳理】光的干涉、衍射、偏振現象表明光具有波動性，光電效應和康普頓效應表明光具有粒子性，光既具有波動性，又具有粒子性，即光具有波粒二象性．【重難詮釋】1．光的波動性實驗基礎：光的干涉和衍射．2．光的粒子性(1)實驗基礎：光電效應、康普頓效應．(2)表現：①當光同物質發生作用時，這種作用是“一份一份”進行的，表現出粒子的性質；②少量或個別光子容易顯示出光的粒子性．(3)說明：①粒子的含義是“不連續”“一份一份”的；②光子不同于宏觀觀念的粒子．【典例精析】例3．關于光的粒子性、波動性和波粒二象性，下列說法正確的是()A．光子說的確立完全否定了波動說B．光的波粒二象性是指光既與宏觀概念中的波相同又與微觀概念中的粒子相同C．光的波動說和粒子說都有其正確性，但又都是不完善的，都有其不能解釋的實驗現象D．光電效應說明光具有粒子性，康普頓效應說明光具有波動性【答案】C【解析】光子說的確立，沒有完全否定波動說，使人們對光的本質認識更完善，光既有波動性，又有粒子性，光具有波粒二象性，故A錯誤；光的波粒二象性，與宏觀概念中的波相同，與微觀概念中的粒子不相同，故B錯誤；波動說和粒子說都有其正確性，但又都是不完善的，都有其不能解釋的實驗現象，故C正確；光電效應和康普頓效應都說明光具有粒子性，故D錯誤．例4．(多選)下列有關光的波粒二象性的說法正確的是()A．有的光是波，有的光是粒子B．光子與電子是同樣的一種粒子C．光的波長越長，其波動性越顯著；波長越短，其粒子性越顯著D.大量光子的行為往往顯示出波動性【答案】CD【解析】一切光都具有波粒二象性，光的有些現象(如干涉、衍射)表現出波動性，有些現象(如光電效應、康普頓效應)表現出粒子性，A錯誤；電子是實物粒子，有靜止質量，光子不是實物粒子，沒有靜止質量，電子是以實物形式存在的物質，光子是以場形式存在的物質，B錯誤；光的波長越長，波動性越顯著，光的波長越短，粒子性越顯著，C正確；大量光子運動的規律表現出光的波動性，D正確．針對訓練一、單選題1．在下列各組現象中，都表現出光具有粒子性的是（）A．光的折射現象、衍射現象B．光的反射現象、干涉現象C．光的衍射現象、光電效應現象D．光電效應現象、康普頓效應現象【答案】D【解析】A．光的折射現象不能說明光的粒子性，衍射現象說明光的波動性，A錯誤；B．光的反射現象不能說明光的粒子性，干涉現象說明光的波動性，B錯誤；C．光的衍射現象說明光的波動性，光電效應現象說明光的粒子性，C錯誤；D．光電效應現象、康普頓效應均表現出光有粒子性，D正確。故選D。2．關于康普頓效應，下列說法正確的是（）A．康普頓效應證明光具有波動性B．康普頓效應可用經典電磁理論進行解釋C．康普頓在研究石墨對射線的散射時發現，在散射的射線中，有些波長變長了D．康普頓在研究石墨對射線的散射時發現，在散射的射線中，有些波長變短了【答案】C【解析】A．康普頓效應揭示了光具有粒子性，故A錯誤；B．光電效應和康普頓效應都無法用經典電磁理論進行解釋，B錯誤；CD．在康普頓效應中，當入射光子與晶體中的電子碰撞時，把一部分動量轉移給電子，則動量減小，根據知波長變長，故C正確，D錯誤。故選C。3．下列有關光的波粒二象性的說法中，正確的是（）A．有的光是波，有的光是粒子B．光子與電子是同樣的一種粒子C．光的波長越長，其波動性越顯著；波長越短，其粒子性越顯著D．康普頓效應表明光具有波動性【答案】C【解析】A．一切光都具有波粒二象性，光的有些現象（如干涉、衍射）表現出波動性，光的有些現象（如光電效應、康普頓效應）表現出粒子性，A錯誤；B．電子是實物粒子，有靜止質量，光子不是實物粒子，沒有靜止質量，電子是以實物形式存在的物質，光子是以場形式存在的物質，B錯誤；C．光的波長越長，衍射性越好，即波動性越顯著，光的波長越短，粒子性就越顯著，C正確；D．康普頓效應表明光具有粒子性，D錯誤。故選C。4．康普頓散射的主要特征是（）A．散射光的波長與入射光的波長全然不同B．散射光的波長有些與入射光的相同，但有些變短了，散射角的大小與散射波長無關C．散射光的波長有些與入射光的相同，但也有變長的，也有變短的D．散射光的波長有些與入射光的相同，有些散射光的波長比入射光的波長長些，且散射光波長的改變量與散射角的大小有關【答案】D【解析】測量發現康普頓散射后的X射線中，既有波長不變的X射線，又有波長變長的X射線，而且散射光波長的改變量與散射角的大小有關，波長變長的X射線動量和能量的大小均變小了，這是散射過程中動量和能量守恒的體現，故D正確，ABC錯誤。故選D。5．下列有關波粒二象性的說法中，正確的是（）A．大量光子的行為往往表現出光的粒子性B．光電效應現象說明了光具有波粒二象性C．康普頓效應現象說明光具有粒子性D．實物粒子不具有波粒二象性【答案】C【解析】A．光具有波粒二象性是微觀世界具有的特殊規律，大量光子運動的規律表現出光的波動性，而單個光子或少數光子的運動表現出光的粒子性，故A錯誤；B．光電效應說明光具有粒子性，故B錯誤；C．康普頓效應現象說明光具有粒子性，故C正確；D．宏觀物體的德布羅意波的波長太小，實際很難觀察到波動性，不是不具有波粒二象性，故D錯誤。故選C。6．以下說法正確的是（）A．康普頓效應現象說明光具有波動性B．愛因斯坦指出“光不僅在發射和吸收時能量是一份一份的，而且光本身就是由一個個不可分割的能量子組成的”C．光表現出波動性時，就不具有粒子性了；光表現出粒子性時，就不再具有波動性了D．只有運動著的微觀粒子才有物質波，對于宏觀物體，不論其是否運動，都沒有相對應的物質波【答案】B【解析】A．康普頓效應現象說明光具有粒子性，選項A錯誤；B．愛因斯坦指出“光不僅在發射和吸收時能量是一份一份的，而且光本身就是由一個個不可分割的能量子組成的”，選項B正確；C．光具有波粒二象性，當光表現出波動性時，仍具有粒子性，光表現出粒子性時，也仍具有波動性，故C錯誤；D．只要是運動著的物體，不論是宏觀物體還是微觀粒子，都有相應的波與之對應，這就是物質波。故D錯誤。故選B。7．科學研究證明，光子有能量也有動量，當光子與電子碰撞時，光子的一些能量轉移給了電子。假設光子與電子碰撞前的波長為λ，碰撞后的波長為λ′，則碰撞過程中（

）A．能量守恒，動量守恒，且λ=λ′ B．能量不守恒，動量不守恒，且λ=λ′C．能量守恒，動量守恒，且λλ′ D．能量守恒，動量守恒，且λλ′【答案】C【解析】光子與電子的碰撞過程中，系統不受外力，也沒有能量損失，故系統動量守恒，系統能量也守恒。光子與電子碰撞后，電子能量增加，故光子能量減小，根據E=hv，光子的頻率減小，根據知波長變長，即λ<λ′。A.能量守恒，動量守恒，且λ=λ′。與上述結論不符，故A錯誤；

B.能量不守恒，動量不守恒，且λ=λ′。與上述結論不符，故B錯誤；C.能量守恒，動量守恒，且λλ′。與上述結論相符，故C正確；

D.能量守恒，動量守恒，且λλ′。與上述結論不符，故D錯誤。故選：C.8．假設一個運動的光子和一個靜止的自由電子碰撞以后，電子向某一方向運動，光子沿另一方向散射出去，則這個散射光子跟原來的光子相比A．頻率變大 B．速度變小C．光子能量變大 D．波長變長【答案】D【解析】A．光子與自由電子碰撞時，遵守動量守恒定律和能量守恒定律，自由電子碰撞前靜止，碰撞后動量、能量增加，所以光子的動量、能量減小，由可知光子頻率變小，故A錯誤；B．碰撞前后光子的速度是不變的，故B錯誤；C．碰撞后光子的動量和能量都減小，故C錯誤；D．由于光子的動量減小，由可知光子的波長變長，故D正確。故選D。9．美國物理學家康普頓在研究石墨對X射線的散射時，用X光對靜止的電子進行照射，照射后電子獲得速度的同時，X光光子的運動方向也會發生相應的改變．下列說法正確的是A．當入射光子與晶體中的電子碰撞時，把部分動量轉移給電子，因此光子散射后頻率變大B．康普頓效應揭示了光的粒子性，表明光子除了具有能量之外還具有動量C．X光散射后與散射前相比，速度變小D．散射后的光子雖然改變原來的運動方向，但頻率保持不變【答案】B【解析】在康普頓效應中，當入射光子與晶體中的電子碰撞時，把部分動量轉移給電子，則光子動量減小，但速度仍為光速c，根據：知光子頻率減小，康普頓效應說明光不但具有能量而且具有動量，證明了光的粒子性，故ACD錯誤，B正確；故選B。10．實驗表明：光子與速度不太大的電子碰撞發生散射時，光的波長會變長或者不變，這種現象叫康普頓效應，該過程遵循能量守恒定律和動量守恒定律．如果電子具有足夠大的初速度，以至于在散射過程中有能量從電子轉移到光子，則該現象被稱為逆康普頓效應，這一現象已被實驗證實．關于上述逆康普頓效應，下列說法正確的是A．該過程不遵循能量守恒定律B．該過程不遵循動量守恒定律C．散射光中存在波長變長的成分D．散射光中存在頻率變大的成分【答案】D【解析】AB．射線的光子與電子撞時要遵守能量守恒定律和動量守恒定律，可以推知，在逆康普頓效應中，同樣遵循能量守恒定律與動量守恒定律，故AB錯誤；CD．逆康普頓散射的過程中有能量從電子轉移到光子，則光子的能量增大，根據公式：可知散射光中存在頻率變大的成分，或者說散射光中存在波長變短的成分，故C錯誤，D正確。故選D。11．一臺激光器發出的激光功率為P，光束垂直入射到真空中的某一平面，被平面完全反射后頻率保持不變。已知光的波長為λ，光在真空中的速度為c，下列說法正確的是（）A．激光的波長越短，其光子的動量越小B．被平面反射后激光光子的動量變大C．增大激光器發出的激光功率，光束對平面的壓力增大D．單位時間里入射到平面的光子數目為【答案】C【解析】A．根據可知，激光的波長越短，其光子的動量越大，故A錯誤；B．被平面完全反射