06/707/7/3光的波粒二象性[學習目標]1.了解康普頓效應及其意義，了解光子理論對康普頓效應的解釋.2.知道光的波粒二象性，知道波和粒子的對立、統一的關系.3.了解什么是概率波，知道光也是一種概率波．一、康普頓效應1．光的散射光在介質中與物質微粒相互作用，因而傳播方向發生改變，這種現象叫做光的散射．2．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．3．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，深入揭示了光的粒子性的一面．4．光子的動量(1)表達式：p＝eq\f(h,λ).(2)說明：在康普頓效應中，入射光子與晶體中電子碰撞時，把一部分動量轉移給電子，光子的動量變小．因此，有些光子散射后波長變大．二、光的波粒二象性1．光的干涉和衍射現象說明光具有波動性，光電效應和康普頓效應說明光具有粒子性．2．光子的能量ε＝hν，光子的動量p＝eq\f(h,λ).3．光子既有粒子的特征，又有波的特征，即光具有波粒二象性．三、光是一種概率波在雙縫干涉實驗中，屏上亮紋的地方，是光子到達概率大的地方，暗紋的地方是光子到達概率小的地方．所以光波是一種概率波．即光波在某處的強度代表著光子在該處出現概率的大小．[即學即用]判斷下列說法的正誤．(1)光子的動量與波長成反比．(√)(2)光子發生散射后，其動量大小發生變化，但光子的頻率不發生變化．(×)(3)光的干涉、衍射、偏振現象說明光具有波動性．(√)(4)光子數量越大，其粒子性越明顯．(×)(5)光具有粒子性，但光子又是不同于宏觀觀念的粒子．(√)(6)光在傳播過程中，有的光是波，有的光是粒子．(×)一、對康普頓效應的理解康普頓效應不僅有力地驗證了光子理論，而且證實了微觀領域的現象也嚴格遵循能量守恒和動量守恒定律．康普頓效應深刻揭示出光具有粒子性的一面．例1康普頓效應證實了光子不僅具有能量，還是有動量．圖1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________運動，并且波長________(填“不變”“變短”或“變長”)．圖1答案1變長解析因光子與電子的碰撞過程動量守恒，所以碰撞后光子和電子的總動量的方向與光子碰撞前動量的方向一致，可見碰撞后光子運動的方向可能沿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移給電子，光子的能量減少，由ε＝hν知，頻率變小，再根據c＝λν知，波長變長．二、對光的波粒二象性的理解[導學探究]人類對光本性的認識過程中先后進行了一系列實驗，比如：光的單縫衍射實驗(圖2A)光的雙縫干涉實驗(圖B)光電效應實驗(圖C)光的薄膜干涉實驗(圖D)康普頓效應實驗等等．圖2(1)在以上實驗中哪些體現了光的波動性？哪些體現了光的粒子性？(2)光的波動性和光的粒子性是否矛盾？答案(1)單縫衍射實驗、雙縫干涉實驗、薄膜干涉實驗體現了光的波動性．光電效應實驗和康普頓效應實驗體現了光的粒子性．(2)不矛盾．大量光子在傳播過程中顯示出波動性，比如干涉和衍射．當光與物質發生作用時，顯示出粒子性，如光電效應、康普頓效應．光具有波粒二象性．[知識深化]1．大量光子產生的效果顯示出波動性；個別光子產生的效果顯示出粒子性．2．光子的能量與其對應的頻率成正比，而頻率是描述波動性特征的物理量，因此ε＝hν揭示了光的粒子性和波動性之間的密切聯系．3．頻率低、波長長的光，波動性特征顯著，而頻率高、波長短的光，粒子性特征顯著．4．光在傳播時體現出波動性，在與其他物質相互作用時體現出粒子性．光的粒子性和波動性組成一個有機的統一體．例2下面關于光的波粒二象性的說法中，不正確的是()A．大量光子產生的效果往往顯示出波動性，個別光子產生的效果往往顯示出粒子性B．頻率越大的光其粒子性越顯著，頻率越小的光其波動性越顯著C．光在傳播時往往表現出波動性，光在跟物質相互作用時往往表現出粒子性D．光不可能同時具有波動性和粒子性答案D解析光既具有粒子性，又具有波動性，大量的光子波動性比較明顯，個別光子粒子性比較明顯，故A正確；在光的波粒二象性中，頻率越大的光其粒子性越顯著，頻率越小的光其波動性越顯著，故B正確；光在傳播時往往表現出波動性，光在跟物質相互作用時往往表現出粒子性，故C正確；光的波粒二象性是指光有時表現為波動性，有時表現為粒子性，二者是統一的，故D錯誤．三、對光是概率波的理解1．單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，即粒子到達什么位置是隨機的，是預先不能確定的．2．大量粒子運動的必然性：由波動規律我們可以準確地知道大量粒子運動時的統計規律，因此我們可以對宏觀現象進行預言．3．概率波體現了波粒二象性的和諧統一：概率波的主體是光子、實物粒子，體現了粒子性的一面；同時粒子在某一位置出現的概率受波動規律支配，體現了波動性的一面，所以說概率波將波動性和粒子性統一在一起．例3(多選)在單縫衍射實驗中，中央亮紋的光強占從單縫射入的整個光強的95%以上，假設現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答案CD解析根據光波是概率波的概念，對于一個光子通過單縫落在何處，是不確定的，但概率最大的是落在中央亮紋處，可達95%以上，當然也可能落在其他亮紋處，還可能落在暗紋處，不過，落在暗紋處的概率很小，故C、D選項正確.1．(對康普頓效應的理解)(多選)關于康普頓效應，下列說法正確的是()A．康普頓在研究X射線散射時，發現散射光的波長發生了變化，為波動說提供了依據B．X射線散射時，波長改變了多少與散射角有關C．發生散射時，波長較短的X射線或γ射線入射時，產生康普頓效應D．愛因斯坦的光子說能夠解釋康普頓效應，所以康普頓效應支持粒子說答案BCD2．(對光的波粒二象性的認識)對于光的波粒二象性的說法，正確的是()A．一束傳播的光，有的光是波，有的光是粒子B．光波與機械波是同樣的一種波C．光的波動性是由于光子間的相互作用而形成的D．光是一種波，同時也是一種粒子，光子說并未否定電磁說，在光子能量ε＝hν中，頻率ν表示的是波的特性答案D3．(對光的本性的認識)關于光的本性，下列說法中正確的是()A．關于光的本性，牛頓提出“微粒說”，惠更斯提出“波動說”，愛因斯坦提出“光子說”，它們都說明了光的本性B．光具有波粒二象性是指：既可以把光看成宏觀概念上的波，也可以看成微觀概念上的粒子C．光的干涉、衍射現象說明光具有波動性，光電效應說明光具有粒子性D．牛頓的“微粒說”和惠更斯的“波動說”相結合就是光的波粒二象性答案C解析光的波動性指大量光子在空間各點出現的可能性的大小，可以用波動規律來描述，不是惠更斯的“波動說”中宏觀概念上的機械波．光的粒子性是指光的能量是一份一份的，每一份是一個光子，不是牛頓“微粒說”中的經典微粒．某現象說明光具有波動性，是指波動理論能解釋這一現象．某現象說明光具有粒子性，是指能用粒子說解釋這個現象．要區分題中說法和物理史實與波粒二象性之間的關系．C正確，A、B、D錯誤．考點一康普頓效應1．白天的天空各處都是亮的，是大氣分子對太陽光散射的結果．美國物理學家康普頓由于在這方面的研究而榮獲1927年的諾貝爾物理學獎．假設一個沿著一定方向運動的光子和一個靜止的自由電子相互碰撞以后，電子向某一個方向運動，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，碰撞后其動量、能量增加，所以光子的動量、能量減小，故C錯誤．由λ＝eq\f(h,p)、ε＝hν可知光子頻率變小，波長變長，故A錯誤，D正確．由于光子速度是不變的，故B錯誤．2．光電效應和康普頓效應都包含電子與光子的相互作用過程，對此下列說法正確的是()A．兩種效應中電子與光子組成的系統都服從動量守恒定律和能量守恒定律B．兩種效應都相當于電子與光子的彈性碰撞過程C．兩種效應都屬于吸收光子的過程D．光電效應是吸收光子的過程，而康普頓效應相當于光子和電子彈性碰撞的過程答案D解析光電效應吸收光子放出電子，其過程能量守恒，但動量不守恒，康普頓效應相當于光子與電子彈性碰撞的過程，并且遵守動量守恒定律和能量守恒定律，故D正確．3．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，動量不守恒，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λ<λ′D．能量守恒，動量守恒，且λ>λ′答案C解析能量守恒和動量守恒是自然界的普遍規律，適用于宏觀世界也適用于微觀世界．光子與電子碰撞時遵循這兩個規律．光子與電子碰撞前光子的能量ε＝hν＝heq\f(c,λ)，當光子與電子碰撞時，光子的一些能量轉移給了電子，光子的能量ε′＝hν′＝heq\f(c,λ′)，由ε>ε′可知λ<λ′，選項C正確．考點二光的波粒二象性4．(多選)人類對光的本性的認識經歷了曲折的過程．下列關于光的本性的陳述符合科學規律或歷史事實的是()A．牛頓的“微粒說”與愛因斯坦的“光子說”本質上是一樣的B．光的雙縫干涉實驗說明了光具有波動性C．麥克斯韋預言了光是一種電磁波D．光具有波粒二象性答案BCD解析牛頓的“微粒說”認為光是一種物質微粒，愛因斯坦的“光子說”認為光是一份一份不連續的能量，顯然A錯誤；干涉、衍射是波的特性，光能發生干涉說明光具有波動性，B正確；麥克斯韋根據光的傳播不需要介質，以及電磁波在真空中的傳播速度與光速近似相等認為光是一種電磁波，后來赫茲用實驗證實了光的電磁說，C正確；光具有波動性與粒子性，稱為光的波粒二象性，D正確．5．(多選)說明光具有粒子性的現象是()A．光電效應 B．光的干涉C．光的衍射 D．康普頓效應答案AD6．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．大量光子的行為往往表現出粒子性答案C解析一切光都具有波粒二象性，光的有些行為(如干涉、衍射)表現出波動性，有些行為(如光電效應)表現出粒子性，A錯誤．雖然光子與電子都是微觀粒子，都具有波粒二象性，但電子是實物粒子，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，所以B錯誤．光的波粒二象性的理論和實驗表明，大量光子的行為表現出波動性，個別光子的行為表現出粒子性．光的波長越長，衍射現象越明顯，即波動性越顯著；光的波長越短，其粒子性越顯著，故選項C正確，D錯誤．

7．有關光的本性，下列說法中正確的是()A．光具有波動性，又具有粒子性，這是相互矛盾和對立的B．光的波動性類似于機械波，光的粒子性類似于質點C．大量光子才具有波動性，個別光子只具有粒子性D．由于光既具有波動性，又具有粒子性，無法只用其中一種去說明光的一切行為，只能認為光具有波粒二象性答案D解析光在不同條件下表現出不同的行為，其波動性和粒子性并不矛盾，A錯，D對；光的波動性不同于機械波，其粒子性也不同于質點，B錯；大量光子往往表現出波動性，個別光子往往表現出粒子性，C錯．8．數碼相機幾近家喻戶曉，用來衡量數碼相機性能的一個非常重要的指標就是像素，1像素可理解為光子打在光屏上的一個亮點，現知2000萬像素的數碼相機拍出的照片比200萬像素的數碼相機拍出的等大的照片清晰得多，其原因可以理解為()A．光是一種粒子，它和物質的作用是一份一份的B．光的波動性是大量光子之間的相互作用引起的C．大量光子表現出光的粒子性D．光具有波粒二象性，大量光子表現出光的波動性答案D考點三光是概率波9．(多選)為了驗