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1、第三节第三节康普顿效应及其解释康普顿效应及其解释第四节第四节光的波粒二象性光的波粒二象性目标导航预习导引目标导航预习导引二一目标导航预习导引二一4.康普顿效应的意义再次证明了爱因斯坦光子假说的正确性.不仅证明了光子具有能量,同时证明了光子具有动量.太阳光从小孔射入室内时,我们从侧面可以看到这束光;白天的天空各处都是亮的;宇航员在太空中尽管太阳光耀眼刺目,其他方向的天空却是黑的.为什么?答案:地球上存在着大气,太阳光经大气中的微粒散射后传向各个方向;而在太空中的真空环境下,光不再散射,只向前传播.目标导航二一预习导引二、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质(1)双缝干涉实验装
2、置如图(2)条件控制降低光源S的强度,直到入射光减弱到没有两个光子同时存在的程度.(3)实验过程经过短时间、较长时间和长时间让感光片曝光.目标导航二一预习导引(4)实验结果短时间,感光片上呈现杂乱分布的光点.较长时间,感光片上呈现模糊的亮纹.长时间,感光片上形成清晰的明暗相间的干涉图样.实验结论光既有粒子性,又有波动性,光具有波粒二象性.2.概率波(1)对干涉实验中明暗条纹的解释每个光子按照一定的概率落在感光片上的某一点,概率大的地方落下的光子多,形成亮纹,概率小的地方落下的光子少,形成暗纹.(2)光波是一种概率波,干涉条纹是光子在感光片上各点概率分布的反映.在宏观世界波和粒子是相互对立的,在
3、微观世界波和粒子是统一的.单个光子运动具有偶然性,大量光子运动符合统计规律,概率波体现了波粒二象性的和谐统一.知识精要思考探究迁移应用一二典题例解三一二知识精要思考探究迁移应用典题例解光子说是如何对康普顿效应进行解释的?答案:假定X射线光子与电子发生完全弹性碰撞,这种碰撞跟台球比赛中的两球碰撞很相似.按照爱因斯坦的光子说,一个X射线光子不仅具有能量=h,而且还有动量,如图所示.这个光子与静止的电子发生弹性斜碰,光子把部分能量转移给了电子,能量由h减小为h,因此频率减小,波长增大.同时,光子还使电子获得一定的动量.三一二知识精要思考探究迁移应用典题例解【例1】(多选)美国物理学家康普顿在研究石墨
4、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,以下说法中正确的是()A.康普顿效应现象说明光具有波动性B.康普顿效应现象说明光具有粒子性C.当光子与晶体中的电子碰撞后,其能量增加D.当光子与晶体中的电子碰撞后,其能量减少思路分析:(1)对康普顿现象的理解,可以类比实物粒子的弹性碰撞,在散射过程中要遵循动量守恒和能量守恒定律.(2)是否发生光电效应或康普顿效应取决于入射光的波长.当波长较短的X射线或射线入射时,产生康普顿效应;当波长较长的可见光或紫外光入射时,主要产生光电效应.三一二知识精要思考探究迁移应用典题
5、例解三一二知识精要思考探究迁移应用典题例解三一二知识精要思考探究迁移应用典题例解白天的天空各处都是亮的,是大气分子对太阳光散射的结果.假设一个运动的光子和一个静止的自由电子碰撞以后,电子向某一个方向运动,光子沿另一方向散射出去,则这个散射光子跟原来的光子相比()A.频率变大 B.频率不变C.光子能量变大D.波长变长答案:D解析;运动的光子和一个静止的自由电子碰撞时,既遵守能量守恒,又遵守动量守恒.碰撞中光子将能量为h的一部分传递给了电子,光子的能量减少,波长变长,频率减小,D选项正确.三一二知识精要典题例解迁移应用思考探究二、光的波粒二象性二、光的波粒二象性三一二知识精要典题例解迁移应用思考探
6、究三一二知识精要典题例解迁移应用思考探究三一二知识精要典题例解迁移应用思考探究有一位记者曾向英国物理学家、诺贝尔奖获得者布拉格请教:光是波还是粒子?布拉格幽默地答道:“星期一、三、五它是一个波,星期二、四、六它是一个粒子,星期天物理学家休息.”你是如何理解布拉格的回答的?答案:光既不同于宏观观念的粒子,又不同于宏观观念的波,但光既具有粒子性,又具有波动性.粒子性、波动性都是光本身的属性.三一二知识精要典题例解迁移应用思考探究【例2】(多选)对光的认识,以下说法正确的是()个别光子的行为表现为粒子性,大量光子的行为表现为波动性B.光的波动性是由于光子间的相互作用而形成的C.光表现出波动性时,就不
7、具有粒子性了,光表现出粒子性时,就不具有波动性了光的波粒二象性应理解为:在某种场合下光的波动性表现明显,在另外某种场合下,光的粒子性表现明显解析;个别光子的行为表现为粒子性,大量光子的行为表现为波动性,A正确;当光和物质作用时,是“一份一份”的,表现出粒子性,并不是光子间的相互作用,B错误;光的传播表现为波动性,光的波动性与粒子性都是光的本质属性,只是表现明显与否,不容易观察并不说明不具有,C错误,D正确.答案:AD三一二知识精要典题例解迁移应用思考探究(多选)在验证光的波粒二象性的实验中,下列说法正确的是()使光子一个一个地通过单缝,如果时间足够长,底片上会出现衍射图样B.单个光子通过单缝后
8、,底片上会出现完整的衍射图样C.光子通过单缝的运动路线像水波一样起伏D.单个光子通过单缝后打在底片的情况呈现出随机性,大量光子通过单缝后打在底片上的情况呈现出规律性答案:AD解析;个别光子的行为表现出粒子性.单个光子的运动是随机的、无规律的.大量光子的行为表现出波动性,大量光子运动符合统计规律,通过单缝产生衍射图样,故A、D正确,B错误;光子通过单缝的运动路线是有规律的,故C错误.三一三知识精要典题例解迁移应用思考探究二三、概率波三、概率波1.单个光子运动的偶然性用弱光照射双缝,当照射时间很短时,胶片上出现的是散乱的感光点,这一个个感光点表明光在与胶片作用(使其感光)时,是一份一份进行的;同时
9、,感光点的散乱还表明单个光子通过双缝后到达胶片的什么位置是随机的,是预先不能确定的.2.大量光子运动的必然性当弱光照射双缝较长一段时间后,有大量光子先后通过双缝落在胶片上,出现大量的感光点,这些感光点形成分隔的一条条感光带,这正是光的双缝干涉条纹.在明条纹(感光强)处光子到达的多,单个光子到达明条纹处的概率大,而在暗条纹(感光弱)处,光子到达的概率小,因此,尽管单个光子通过双缝后落在胶片上何处是随机的,但它到达胶片上某位置处的概率大小却符合波动规律.从这个意义上讲,光是一种概率波.一三知识精要典题例解迁移应用思考探究二3.和谐的统一概率是一种统计概念,少量光子的行为显示不出概率统计规律,大量光
10、子才显示出这种规律.“概率波”实际上是将光的波动性和粒子性统一起来的一种说法.4.波动性是光子的属性从经典物理学的角度上讲,波动应该是质点间相互作用的结果.在这里,光子具有波动性,就应该是光子与光子作用的结果.但人们发现在双缝干涉实验中,即使光很弱,弱到光子一个一个地射向胶片(这时排除了光子间有相互作用),在照射时间足够长时,底片上最终还是形成了干涉图样,这正说明波动性不是由光子间相互作用而引起的,而是光子的固有属性.一三知识精要典题例解迁移应用思考探究二1927年,两位美国物理学家用电子束照射到铝箔的金属晶体上得到了电子束的衍射图案(如图),从而证实了德布罗意的假设.在电子衍射图样中,出现明
11、暗相间的圆环,说明什么?答案:在电子衍射图样中,出现明暗相间的圆环,说明电子落在“亮圆”上的概率大,落在“暗圆”上的概率小.一三知识精要典题例解迁移应用思考探究二【例3】(多选)物理学家做了一个有趣的实验:在双缝干涉实验中,在光屏处放上照相底片,若减弱光的强度,使光子只能一个一个地通过狭缝,实验结果表明,如果曝光时间不太长,底片上只出现一些不规则的点子;如果曝光时间足够长,底片上就出现了规则的干涉条纹.对这个实验结果,下列认识正确的是()A.曝光时间不长时,光子的能量太小,底片上的条纹看不清楚,故出现不规则的点子B.单个光子的运动没有确定的轨道C.干涉条纹中明亮的部分是光子到达机会较多的地方D
12、.只有大量光子的行为才能表现出波动性一三知识精要典题例解迁移应用思考探究二解析:光是一种概率波,对于一个光子通过单缝落在何处,是不确定的,但概率最大的是中央亮纹处,可达95%以上,还可能落到暗纹处,不过落在暗纹处的概率最小(注意暗纹处并非无光子到达).故C、D选项正确.答案:CD一三知识精要典题例解迁移应用思考探究二一三知识精要典题例解迁移应用思考探究二(多选)电子的运动受波动性的支配,对于氢原子的核外电子,下列说法正确的是()A.氢原子的核外电子可以用确定的坐标描述它们在原子中的位置B.电子绕核运动时,可以运用牛顿运动定律确定它的轨道C.电子绕核运动的“轨道”其实是没有意义的D.电子轨道只不过是电子出现的概率比较大的位置答案:CD解析:微观粒子的波动性是一种概率波,对应微观粒子的运动,牛顿运动定律已经不适用了,所以氢原子的核外电子不能用确定的坐标描述它们在原子中的位置,电子的“轨道”其实是没有意义的,电子轨道只不过是电子出现的概率比较大的位置,综上所述C、D正确.
