2018-2019學(xué)年高中物理 第四章 波粒二象性 4.3 光的波粒二象性課件 教科版選修3-5.ppt

3光的波粒二象性,一、康普頓效應(yīng)1.康普頓效應(yīng):X射線經(jīng)物質(zhì)散射后波長_的現(xiàn)象。2.康普頓效應(yīng)的意義:表明光子除了具有能量之外,還具有動量,深入揭示了光的_性的一面,為光子說提供了又一例證。,變長,粒子,【想一想】X射線經(jīng)物質(zhì)散射后波長變長了,其對應(yīng)光子的能量如何變化?提示:由=h=可知,X射線的波長變長,其對應(yīng)光子的能量減小了。,二、光的波粒二象性1.光的本性:光既具有_又具有_,光具有_。2.光子的能量和動量:(1)能量:=_。(2)動量:p=。,波動性,粒子性,波粒二象性,h,3.意義:能量和動量p是描述物質(zhì)的_性的重要物理量;波長和頻率是描述物質(zhì)的_性的典型物理量。因此=_和p=揭示了光的粒子性和波動性之間的密切關(guān)系。,粒子,波動,h,4.光是一種概率波:光的干涉圖樣是一條條明暗相間的條紋。在明條紋處,表示到達(dá)的_,即對每一個光子來說,落在明條紋處的_;在暗條紋處,到達(dá)的_,即對每個光子來說,落在此處的_?？梢?光波是一種概率波。,光子數(shù)多,概率大,光子數(shù)少,概率小,【判一判】(1)光不可能同時具有波動性和粒子性。()(2)光子的能量越大,波長越長。()(3)光子通過狹縫后落在屏上的位置是確定的。(),提示:(1)光的波動性和粒子性都是光的屬性,光具有波粒二象性,(1)錯。(2)由=h=可知,光子的能量越大,頻率越高,其波長越短,(2)錯。(3)光子通過狹縫后落在屏上的位置不是確定的,只是落在明條紋處的概率更大些,(3)錯。,知識點一、對康普頓效應(yīng)的理解思考探究:,觀察以上光子與電子相碰的過程,思考以下問題:(1)光子與電子碰撞后,電子運動了,其運動的動能是哪里來的?(2)光子與電子碰撞后,光子的能量如何變化?光的波長如何變化?,【歸納總結(jié)】1.實驗現(xiàn)象:X射線管發(fā)出波長為0的X射線,通過小孔投射到散射物石墨上。X射線在石墨上被散射,部分散射光的波長變長,波長改變的多少與散射角有關(guān)。,2.康普頓效應(yīng)與經(jīng)典物理理論的矛盾:按照經(jīng)典物理理論,入射光引起物質(zhì)內(nèi)部帶電粒子的受迫振動,振動著的帶電粒子從入射光吸收能量,向四周輻射,這就是散射光。散射光的頻率應(yīng)該等于粒子受迫振動的頻率(即入射光的頻率)。因此散射光的波長與入射光的波長應(yīng)該相同,不應(yīng)該出現(xiàn)波長變長的散射光。另外,經(jīng)典物理理論無法解釋波長改變與散射角的關(guān)系。,3.光子說對康普頓效應(yīng)的解釋:假定X射線光子與電子發(fā)生彈性碰撞。(1)光子和電子相碰撞時,光子有一部分能量傳給電子,散射光子的能量減少,于是散射光的波長大于入射光的波長。(2)因為碰撞中交換的能量與碰撞的角度有關(guān),所以波長改變與散射角有關(guān)。,【特別提醒】康普頓效應(yīng)進(jìn)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。光電效應(yīng)應(yīng)用于電子吸收光子的問題;而康普頓效應(yīng)討論光子與電子碰撞且沒有被電子吸收的問題。,【典例探究】【典例】康普頓效應(yīng)證實了光子不僅具有能量,也具有動量。入射光和電子的作用可以看成彈性碰撞,則當(dāng)光子與電子碰撞時,光子的一些能量轉(zhuǎn)移給了電子,如圖給出了光子與靜止電子碰撞后,電子的運動方向,則碰撞過程中動量_(選填“守恒”或“不守恒”),能量_(選填“守恒”或“不守恒”),碰后光子,可能沿_(選填“1”“2”或“3”)方向運動,并且波長_(選填“不變”“變小”或“變長”)。,【思路點撥】解答本題應(yīng)把握能量守恒、動量守恒,熟悉光的頻率與波長的關(guān)系。,【正確解答】光子與電子碰撞過程滿足動量守恒和能量守恒,所以碰撞之后光子和電子的總動量的方向與光子碰前的方向一致,由矢量合成知識可知碰后光子的方向可能沿1方向,不可能沿2或3方向;通過碰撞,光子將一部分能量轉(zhuǎn)移給電子,能量減少,由=h知,頻率變小,再根據(jù)c=知,波長變長。答案:守恒守恒1變長,【過關(guān)訓(xùn)練】1.光子有能量,也有動量,動量p=,它也遵守動量守恒定律。如圖所示,真空中有一“”形裝置,可繞通過橫桿中點的豎直軸OO在水平面內(nèi)靈活轉(zhuǎn)動,其中左邊是圓形黑紙片(吸收光子),右邊是同左邊大小、質(zhì)量相同的圓形白紙片(反射光子)。,當(dāng)用平行白光垂直紙面照射這兩個圓面時,關(guān)于裝置開始轉(zhuǎn)動的情況(俯視)下列說法中正確的是()A.順時針方向轉(zhuǎn)動B.逆時針方向轉(zhuǎn)動C.都有可能D.不會轉(zhuǎn)動,【解析】選B。設(shè)入射光子的動量為p,由于黑紙片吸收光子,光子的動量變化量大小為p1=p,白紙片反射光子,光子的動量變化量大小為p2=2p,依據(jù)動量定理,光子對白紙片沖擊力大些,故B正確。,2.當(dāng)光子和電子碰撞后有沒有可能出現(xiàn)光子的頻率不變的情況?【解析】有可能,若光子和束縛很緊的內(nèi)層電子相碰撞,光子將與整個原子交換能量,由于光子質(zhì)量遠(yuǎn)小于原子質(zhì)量,根據(jù)碰撞理論,碰撞前后光子能量幾乎不變,頻率不變。,知識點二、對光的波粒二象性的理解思考探究:,觀察以上圖片,思考以下問題:(1)圖甲中激光通過雙縫在屏上看到干涉條紋說明光具有什么特性?(2)圖乙中紫外線照射鋅板驗電器金箔張開,說明光具有什么特性?(3)應(yīng)如何理解光的上述兩種特性表現(xiàn)?,【歸納總結(jié)】1.光的粒子性的含義:愛因斯坦光子說中的“粒子”與牛頓微粒說中的“粒子”是完全不同的概念。光子是一份一份的具有能量的粒子,其能量與光的頻率有關(guān),光子說并不否定波動說。,2.光的波動性的含義:光的波動性是光子本身的一種屬性,它不同于宏觀的波,與惠更斯波動說中的“波”是不同理論領(lǐng)域中兩個不同的概念,它是一種概率波。,3.光的波動性和粒子性是統(tǒng)一的,光具有波粒二象性:(1)光的粒子性并不否定光的波動性,波動性和粒子性都是光的本質(zhì)屬性,只是在不同條件下的表現(xiàn)不同。當(dāng)光與其他物質(zhì)發(fā)生作用時,表現(xiàn)出粒子的性質(zhì);少量或個別光子易顯示出光的粒子性;頻率高波長短的光,粒子性顯著。大量光子在傳播時表現(xiàn)出波動性;頻率低波長長的光,波動性顯著。,(2)只有從波粒二象性的角度,才能統(tǒng)一說明光的各種表現(xiàn)。光的波動性和粒子性是統(tǒng)一的。,【特別提醒】光的干涉和衍射及偏振說明光具有波動性,而光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)是光具有粒子性的例證。,【典例探究】【典例】(多選)關(guān)于光的波粒二象性的理解正確的是()A.大量光子的效果往往表現(xiàn)出波動性,個別光子的行為往往表現(xiàn)出粒子性B.光在傳播時是波,而在物質(zhì)相互作用時就轉(zhuǎn)變成粒子C.高頻光是粒子,低頻光是波,D.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,【思路點撥】解答本題時應(yīng)把握以下三點:(1)光的波粒二象性對光的本質(zhì)的敘述。(2)頻率高低對光的粒子性和波動性的影響。(3)光子的數(shù)量對光的粒子性和波動性的影響。,【正確解答】選A、D。大量光子的效果往往表現(xiàn)出波動性,個別光子的行為往往表現(xiàn)出粒子性,A正確;頻率高的光粒子性明顯,頻率低的光波長較長,波動性明顯,而不能說高頻光是粒子,低頻光是波,C錯誤;波粒二象性是光的根本屬性,表現(xiàn)為波動性時,只是粒子性不明顯而已,不能說光傳播時表現(xiàn)為波,而與物質(zhì)相互作用時變?yōu)榱Ｗ?故B錯誤,D正確。,【過關(guān)訓(xùn)練】(多選)關(guān)于光的波粒二象性,下列說法中正確的是()A.光的頻率越高,衍射現(xiàn)象越容易看到B.光的頻率越高,粒子性越顯著C.大量光子產(chǎn)生的效果往往顯示波動性D.光的波粒二象性否定了光的電磁說,【解析】B、C。光具有波粒二象性,波粒二象性并不否定光的電磁說,只是說某些情況下粒子性明顯,某些情況下波動性明顯,故D錯誤。光的頻率越高,波長越短,粒子性越明顯,波動性越不明顯,越不易看到其衍射現(xiàn)象。故B對、A錯誤。大量光子的行為表現(xiàn)出波動性,個別光子的行為表現(xiàn)出粒子性,故C對。,知識點三、對概率波的理解思考探究:用極微弱的可見光做雙縫干涉實驗,隨著時間的增加,在屏上先后出現(xiàn)如圖甲、乙、丙所示的圖像。,觀察以上圖片,思考以下問題:(1)圖片甲中光子落點位置雜亂無章,說明什么問題?(2)圖片丙中出現(xiàn)了明暗相間的條紋,你能從中得出什么結(jié)論?,【歸納總結(jié)】1.正確理解光的波動性:光的干涉現(xiàn)象不是光子之間的相互作用使它表現(xiàn)出波動性的,在雙縫干涉實驗中,使光源S非常弱,以致前一個光子到達(dá)屏后才發(fā)射第二個光子。這樣就排除了光子之間的相互作用的可能性。實驗結(jié)果表明,盡管單個光子的落點不可預(yù)知,但長時間曝光之后仍然得到了干,涉條紋分布?？梢?光的波動性不是光子之間的相互作用引起的。,2.光波是一種概率波:在雙縫干涉實驗中,光子通過雙縫后,對某一個光子而言,不能肯定它落在哪一點,但屏上各處明暗條紋的不同亮度,說明光子落在各處的可能性即概率是不相同的。光子落在明條紋處的概率大,落在暗條紋處的概率小。這就是說光子在空間出現(xiàn)的概率可以通過波動的規(guī)律來確定,因此說光是一種概率波。,【特別提醒】(1)在雙縫干涉和單縫衍射的暗條紋處也有光子到達(dá),只是光子數(shù)量“特別少”很難呈現(xiàn)出亮度。(2)要理解統(tǒng)計規(guī)律。對統(tǒng)計規(guī)律的認(rèn)識是理解概率波的前提。,【典例探究】【典例】(多選)在單縫衍射實驗中,中央亮紋的光強(qiáng)占從單縫射入的整個光強(qiáng)的95%以上。假設(shè)現(xiàn)在只讓一個光子通過單縫,那么該光子()A.一定落在中央亮紋處B.一定落在亮紋處C.可能落在暗紋處D.落在中央亮紋處的可能性最大,【思路點撥】解決本題關(guān)鍵要明確概率波的知識,知道概率波的規(guī)律就是統(tǒng)計規(guī)律,單個光子無法確定落在哪個點上的,我們只能得出大量光子的落點區(qū)域。,【正確解答】選C、D。根據(jù)光波是概率波的概念,一個光子通過單縫落在何處,是不可確定的,但概率最大的是落在中央亮條紋處。當(dāng)然也可落在其他亮條紋處,還可能落在暗條紋處,不過,落在暗紋處的概率很小,故C、D選項正確。,【總結(jié)提升】關(guān)于光子到達(dá)區(qū)域的理解光具有波動性,光的波動性是統(tǒng)計規(guī)律的結(jié)果,對某個光子我們無法判斷它落到哪個位置,我們只能判斷大量光子的落點區(qū)域。同時,我們要明確在暗條紋處,也有光子到達(dá),只是光子數(shù)很少;對于通過單縫的大量光子而言,絕大多數(shù)光子落在中央亮條紋處,只有少數(shù)光子落在其他亮條紋處及暗條紋處。,【過關(guān)訓(xùn)練】(多選)在驗證光的波粒二象性的實驗中,下列說法正確的是()A.使光子一個一個地通過單縫,如果時間足夠長,底片上會出現(xiàn)衍射圖樣B.單個光子通過單縫后,底片上會出現(xiàn)完整的衍射圖樣C.光子通過單縫的運動路線像水波一樣起伏,D.單個光子通過單縫后打在底片的情況呈現(xiàn)出隨機(jī)性,大量光子通過單縫后打在底片上的情況呈現(xiàn)出規(guī)律性,【解析】選A、D。單個光子通過單縫后打在底片的情況呈現(xiàn)隨機(jī)性.若時間足夠長,大量光子通過單縫后打在底片上的情況呈現(xiàn)規(guī)律性,此時底片上出現(xiàn)衍射圖樣,故A、D正確,B錯誤。光子通過單縫后整體呈現(xiàn)出波動性,但對單個光子,其通過單縫后的運動路線并不是波形線,C錯誤。,【溫馨提示】光具有波粒二象性是對光的本性的最全面的認(rèn)識,而康普頓效應(yīng)又是光具有粒子性的最有力的證據(jù)。高考題常結(jié)合康普頓散射實驗及其結(jié)論,對本部分知識進(jìn)行考查。,【拓展例題】考查內(nèi)容:康普頓散射的特征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(guān)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波長相同,有些比入射光的波長長些,且散射光的波長與散射角的大小有關(guān),【思路點撥】解答本題的關(guān)鍵是熟悉康普頓散射實驗的現(xiàn)象及其結(jié)論。,【正確解答】選D。光子和電子相碰撞,光子有一部分能量傳給電子,散射光子的能量減少,于是散射光的波長大于入射光的波長。散射角不同,能量減少情況不同,散射光的波長也有所不同。也有一部分光子與整個散射物的原子交換能量,由于光子質(zhì)量遠(yuǎn)小于原子質(zhì)量,碰撞前后光子能量幾乎不變,波長不變。故D正確。,光電效應(yīng)與康普頓效應(yīng)的不同1.入射光的波長不同:入射光若為可見光或紫外線,則發(fā)生光電效應(yīng),入射光若為X射線,則表現(xiàn)為康普頓效應(yīng)。,2.與入射光子作用的電子特點不同:光電效應(yīng)中與光子作用的電子可以認(rèn)為是束縛電子,光子與其碰撞后需要克服束縛力做功;而康普頓效應(yīng)中的電子可以認(rèn)為是自由電子,光子與電子的碰撞過程是能量守恒和動量守恒的過程。,3.光子與電子的作用過程不同:光電效應(yīng)中光子被電子吸收,為非彈性碰撞;康普頓效應(yīng)中光子與電子的作用為彈性碰撞,碰后有光子射出,不是光子被電子吸收。,【案例展示】(多選)下列選項正確的是()A.波長較短的光,如X射線或射線,入射到散射物上,主要產(chǎn)生光電效應(yīng)B.波長較長的可見光或紫外線入射時,主要產(chǎn)生光電效應(yīng)C.波長較短的光,如X射線或射線,入射到散射物上,產(chǎn)生康普頓效應(yīng),D.是否發(fā)生光電效應(yīng)或康普頓效應(yīng)與入射光的波長無關(guān),【正確解答】選B、C。發(fā)生光電效應(yīng)或康普頓效應(yīng)取決于入射光的波長,D錯。波長較短的光,如X射線或射線,入射到散射物上,產(chǎn)生康普頓效應(yīng)。波長較長的可見光或紫外線入射時,主要產(chǎn)生光電效應(yīng)。故B、C正確。,【易錯分析】本題易錯選項及錯誤原因分析如下:,