第四章

波粒二象性第三節

光的波粒二象性人類從古代到近代、東方和西方科學家對光的本性的認識過程：（1）戰國時期的《墨經》記載了投影、小孔成像等現象；（2）古希臘學者歐幾里得的《反射光學》論述了光在傳輸過程中的原理和光的反射定律；光的本質到底是什么呢？本節課我們就來研究這個問題。1.了解光的本質的發現歷程2.正確理解光的波粒二象性一、光的本性之爭17世紀明確形成了兩大對立學說牛頓惠更斯微粒說波動說由于波動說沒有數學基礎以及牛頓在物理學界的崇高地位，得微粒說一直占上風19世紀初證明了波動說的正確性到底那種說法是正確的呢？干涉現象是波動獨有的特征，如果光真的是一種波，就必然會觀察到光的干涉現象單縫雙縫S1SS2屏1801年，英國物理學家托馬斯·楊在實驗室里成功的觀察到光的干涉楊氏雙縫干涉實驗證明了光是一種波物理學家麥克斯韋堅定的認為：光就是電場和磁場組成的波，叫做電磁波，電磁波可以在真空中傳播，不過當時并沒有實驗證明電磁波的存在。直到1888年，德國物理學家赫茲通過實驗發現了電磁波。菲涅爾圓孔衍射菲涅爾圓孔衍射發現：光遇到障礙物之后，會像水波一樣繞過障礙物，衍射也是波的特點。菲涅爾這兩個實驗均證明了光是一種波動19世界80年代，人們發現某些金屬在光的照射下會帶電愛因斯坦光子說：光的能量不是連續的，而是是一份一份的，每份為一個光子，光子能量，即證明了：光具有粒子性而愛因斯坦的光子假說很好地解釋了光電效應的各種現象實驗解釋：光子與電子發生碰撞過程，光子動量減少，波長變長，頻率變小速度仍為光速，運動質量減小除此之外，證明光具有粒子性的還有康普頓效應：美國物理學家康普頓在研究石墨對X射線的散射時，發現一部分散射出來的X射線波長變長小結：人們對光的本性的探究歷程300年前牛頓光是微粒200年前

托馬斯楊光是波150年前麥克斯韋光是電磁波100年前愛因斯坦光子假說至今光具有波粒二象性

，光是概率波二、光的波粒二象性光的干涉和衍射實驗表明，光是一種電磁波，具有波動性。而光電效應和康普頓效應則表明，光在與物體相互作用時，光子表現出粒子性。那么，光到底是粒子還是波呢？下面我們通過光的雙縫干涉實驗來研究這個問題。如圖所示，由光源S發出的光經雙狹縫S1和S2后到達感光片D。我們知道，經過縫S1和經過縫S2的兩部分光會產生干涉，結果將在感光片上形成明暗相間的干涉條紋。這是光的波動性表現。但是，上述光的干涉并沒有完全排除光是粒子的可能性。如果我們把從光源S發出的光看成是由大量光子組成的，那么可以認為，部分光子經過了縫S1，部分光子經過了縫S2，然后兩部分光子相互干涉產生了干涉條紋。為了排除這種可能性，我們換一種方法再做上述實驗。我們將光源S的強度降低，直到入射光減弱到每次只有一個光子經過狹縫，前一個光子已經消失在感光片上，后一個光子才從光源出發。記錄一段時間，這時感光片上呈現雜亂分布的幾個亮點，如圖4-3-5(a)所示。每個亮點都是一個光子在感光片上留下的記錄，這顯示出了光的粒子性。適當增加記錄時間，我們會驚奇地發現，亮點在感光片上形成模糊的亮紋，如圖4-3-5(b)所示。光子主要落在感光片的亮紋處，這就是干涉條紋。記錄時間越長，干涉條紋越明顯，圖4-3-5(c)就是長時間記錄形成的清晰的干涉圖樣。干涉條紋再次顯示出光的波動性。實驗結論：由于每次穿過狹縫的只有一個光子，它不可能跟其他光子產生干涉，但光的干涉還是發生了?？梢?，波動性也是光子的屬性。光既有粒子性，又有波動性，人們把這種性質稱為光的波粒二象性。（1）波粒二象性：光既具有波動性，又具有粒子性，人們把這種性質稱為光的波粒二象性。（2）概率波：在光的干涉、衍射實驗中，每個光子按照一定的概率落在感光片上，概率大的地方落下的光子多，形成亮紋；概率小的地方落下的光子少，形成暗紋。所以條紋是光子落在感光片上各點的概率分布的反映，物理學中把光波看成是一種概率波。光子波動性和粒子性的聯系普朗克常量h是聯系光子粒子性和波動性的橋梁

1.下列關于光的有關現象和本質說法正確的是（）A．油滴在水面上形成彩色油花是反射現象，說明光是一種波B．光從光疏介質進入光密介質，光的顏色發生改變C．石墨對X光散射，散射光中有波長比入射光波長更長的成分，說明光子具有動量D．光的波動性和粒子性是相互矛盾的C2.關于對光的本性的認識，下列說法中正確的是（）A．牛頓的微粒說與愛因斯坦的光子說沒有本質的區別B．惠更斯的波動說與麥克斯韋電磁說沒有本質的區別C．麥克斯韋的電磁說與愛因斯坦的光子說說明光具有波粒二象性D．牛頓的微粒說與惠更斯的波動說第一次揭示了光具有波粒二象性C

3.在人類對波粒二象性的認識過程中，下列說法不正確的是（）A．普朗克通過對黑體輻射的研究，第一次提出了光子的概念B．愛因斯坦為了解釋光電效應的規律，提出了光子說C．德布羅意首先提出了物質波的猜想，而電子衍射實驗證實了他的猜想D．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，因此光子散射后波長變長A4.(多選)在光的單縫衍射實驗中，在光屏上放上照相底片，并設法控制光的強度，盡可能使光子一個一個地通過狹縫，假設光子出現在中央亮紋的概率為90%，下列說法正確的是()A．第一個光子一定出現在中央亮紋上B．第一個光子可能不出現在中央亮紋上C．如果前9個光子均出現在中央亮紋上，則第10個光子還有可能出現在中央亮紋上D．如果前9個光子均出現在中央亮紋上，則第10個光子一定不能出現在中央亮紋上BC光的波粒二象性(1)不可把光當成經典