2017-2018學(xué)年高中物理 第5章 波與粒子 2 康普頓效應(yīng)學(xué)案 魯科版選修3-5

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1、 第2節(jié)　康普頓效應(yīng) [目標(biāo)定位]　1.了解康普頓X射線散射實(shí)驗(yàn).2.理解康普頓X射線實(shí)驗(yàn)原理.3.掌握康普頓效應(yīng)的概念，知道光的波粒二象性． 一、康普頓對(duì)X射線散射的研究 1．光的散射 光在介質(zhì)中與物體微粒的相互作用，使光的傳播方向發(fā)生改變的現(xiàn)象． 2．康普頓效應(yīng) 在光的散射中，部分散射光的波長變長，波長改變的多少與散射角有關(guān)． 3．康普頓效應(yīng)的意義 康普頓效應(yīng)表明光子除了具有能量之外，還具有動(dòng)量，深入揭示了光具有粒子性． 二、光的波粒二象性 1．光具有波粒二象性：光子既有粒子的特征，又有波的特征． 2．發(fā)生光電效應(yīng)或康普頓效應(yīng)取決于入射光的波長． 3．光波是一

2、種概率波． 4．光的波動(dòng)性和粒子性不是均衡表現(xiàn)的，波長較長時(shí)，光子的能量和動(dòng)量很小，波動(dòng)性比較明顯，波長越長，波動(dòng)性越明顯．光在與電子相互作用時(shí)表現(xiàn)為粒子性，在傳播過程中更多地表現(xiàn)為波動(dòng)性． 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 一、對(duì)康普頓效應(yīng)的理解 1．實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：X射線管發(fā)出波長為λ0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(dòng)，振動(dòng)著的帶電粒子從入射光吸收能量，并向四周輻射，這就是散射光．散射光的頻率應(yīng)該等于粒子受迫

3、振動(dòng)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(duì)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(shí)，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?yàn)榕鲎仓薪粨Q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)． 【例1】　白天的天空到處都是亮的，是大氣分子對(duì)太陽光散射的結(jié)果．美國物理學(xué)家康普頓由于在這方面的研究而榮獲了1927年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)．假設(shè)一個(gè)運(yùn)動(dòng)的光子和一個(gè)靜止的自由電子碰撞以后，電子向某一個(gè)

4、方向運(yùn)動(dòng)，光子沿另一方向散射出去，則這個(gè)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(shí)，遵守動(dòng)量守恒和能量守恒，自由電子碰撞前靜止，碰撞后動(dòng)量、能量均增加，所以光子的動(dòng)量、能量減小，由λ＝，E＝hν可知光子頻率變小，波長變長，故D正確．由于光子速度是不變的，故B錯(cuò)誤． 針對(duì)訓(xùn)練1　康普頓效應(yīng)證實(shí)了光子不僅具有能量，也具有動(dòng)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(shí)，光子的一些能量轉(zhuǎn)移給了電子，如圖1給出了光子與靜止電子碰撞后，電子的運(yùn)動(dòng)方向，則碰撞過程中動(dòng)量________(

5、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(yùn)動(dòng)，并且波長________(選填“不變”、“變小”或“變長”)． 圖1 答案　守恒　守恒　1　變長 解析　光子與電子碰撞過程滿足動(dòng)量守恒和能量守恒，所以碰撞之后光子和電子的總動(dòng)量的方向與光子碰前的方向一致，由矢量合成知識(shí)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E＝hν知，頻率變小，再根據(jù)c＝λν知，波長變長． 二、對(duì)光的波粒二象性的理解 實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ) 表

6、現(xiàn) 說 明 光的波動(dòng)性 光的干涉 和衍射 1.大量光子產(chǎn)生的效果顯示出波動(dòng)性 2．頻率較低的光在傳播時(shí)，表現(xiàn)出波的性質(zhì) 1.光的波動(dòng)性是光子本身的一種屬性，不是光子之間相互作用產(chǎn)生的 2．光的波動(dòng)性不同于宏觀概念的波 光的粒子性 光電效應(yīng)、 康普頓 效應(yīng) 1.當(dāng)光同物質(zhì)發(fā)生作用時(shí)，這種作用是“一份一份”進(jìn)行的，表現(xiàn)出粒子性 2．少量或個(gè)別光子容易顯示出光的粒子性 1.粒子的含義是“不連續(xù)”、“一份一份”的 2．光子不同于宏觀概念的粒子 說明 對(duì)于不同頻率的光，頻率越高，光的粒子性越強(qiáng)；頻率越低，光的波動(dòng)性越強(qiáng) 【例2】　(多選)下列關(guān)于光的波粒二象性的

7、理解正確的是(　　) A．大量光子的行為往往表現(xiàn)出波動(dòng)性，個(gè)別光子的行為往往表現(xiàn)出粒子性 B．光在傳播時(shí)是波，而與物質(zhì)相互作用時(shí)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(shí)它的波動(dòng)性顯著，有時(shí)它的粒子性顯著 答案　AD 解析　光的波粒二象性指光有時(shí)候表現(xiàn)出的粒子性較明顯，有時(shí)候表現(xiàn)出的波動(dòng)性較明顯，D正確；大量光子的行為往往表現(xiàn)出波動(dòng)性，個(gè)別光子的行為往往表現(xiàn)出粒子性，A正確；光在傳播時(shí)波動(dòng)性顯著，光與物質(zhì)相互作用時(shí)粒子性顯著，B錯(cuò)誤；頻率高的光粒子性顯著，頻率低的光波動(dòng)性顯著，C錯(cuò)誤． 針對(duì)訓(xùn)練2　下列有關(guān)光的波粒二象性的說法中，正確的是(　　

8、) 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(dòng)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(xiàn)出波動(dòng)性，光的有些行為(如光電效應(yīng))表現(xiàn)出粒子性，所以，不能說有的光是波，有的光是粒子． 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(shí)物粒子，有靜止質(zhì)量，光子不是實(shí)物粒子，沒有靜止質(zhì)量；電子是以實(shí)物形式存在的物質(zhì)，光子是以場形式存在的物質(zhì)，所以，不能說光子與電子是同樣的一種粒子．光的波粒二象性的理論和實(shí)驗(yàn)表明，大量光子的行為表現(xiàn)出波動(dòng)性，

9、個(gè)別光子的行為表現(xiàn)出粒子性．光的波長越長，衍射性越好，即波動(dòng)性越顯著，光的波長越短，其光子能量越大，個(gè)別或少數(shù)光子的作用就足以引起光接收裝置的反應(yīng)，所以其粒子性就很顯著． 綜上所述，本題正確答案為選項(xiàng)C. 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　對(duì)康普頓效應(yīng)的理解 1．(多選)關(guān)于康普頓效應(yīng)，下列說法正確的是(　　) A．康普頓在研究X射線散射時(shí)，發(fā)現(xiàn)散射光的波長發(fā)生了變化，為波動(dòng)說提供了依據(jù) B．X射線散射時(shí)，波長改變的多少與散射角有關(guān) C．發(fā)生散射時(shí)，波長較短的X射線或γ射線入射時(shí)，產(chǎn)生康普頓效應(yīng) D．愛因斯坦的光子說能夠解釋康普頓效應(yīng)，所以康普頓效應(yīng)支持粒子說 答案

10、　BCD 解析　美國物理學(xué)家康普頓在研究X射線散射時(shí)，發(fā)現(xiàn)散射光波長發(fā)生了變化，這種現(xiàn)象用波動(dòng)說無法解釋，用光子說卻可以解釋，A錯(cuò)；波長改變的多少與散射角有關(guān)，B對(duì)；當(dāng)波長較短時(shí)發(fā)生康普頓效應(yīng)，較長時(shí)發(fā)生光電效應(yīng)，C、D對(duì)． 2．康普頓假設(shè)電子是自由電子，當(dāng)光子與電子相互作用時(shí)，其過程可看成彈性碰撞，既遵守________守恒定律，又遵守________守恒定律，在碰撞中光子將能量________的一部分傳遞給電子，光子的能量減少，波長變長．康普頓提出的理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符，從而進(jìn)一步說明光具有________性． 答案　能量　動(dòng)量　hν　粒子 對(duì)光的波粒二象性的理解 3．(多選)關(guān)于

11、光的波粒二象性，下列說法中正確的是(　　) A．波粒二象性指光有時(shí)表現(xiàn)為波動(dòng)性，有時(shí)表現(xiàn)為粒子性 B．光波頻率越高，粒子性越明顯 C．能量越大的光子其波動(dòng)性越顯著 D．光的波粒二象性應(yīng)理解為，在某種場合下光的粒子性表現(xiàn)明顯，在另外某種場合下光的波動(dòng)性表現(xiàn)明顯 答案　ABD 解析　光的波粒二象性指光有時(shí)候表現(xiàn)出的粒子性較明顯，有時(shí)候表現(xiàn)出的波動(dòng)性較明顯，或者說在某種場合下光的粒子性表現(xiàn)明顯，在另外某種場合下光的波動(dòng)性表現(xiàn)明顯；個(gè)別光子易表現(xiàn)出粒子性，大量光子易表現(xiàn)出波動(dòng)性，A、D說法正確；光的頻率越高，能量越大，粒子性相對(duì)波動(dòng)性越明顯，B說法正確，C說法錯(cuò)誤. (時(shí)間：60

12、分鐘)　　　　　　　　　　　　　　　　　　 題組一　對(duì)康普頓效應(yīng)的理解 1．光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)都包含有電子與光子的相互作用過程，對(duì)此下列說法正確的是(　　) A．兩種效應(yīng)中電子與光子組成的系統(tǒng)都服從動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律 B．兩種效應(yīng)都相當(dāng)于電子與光子的彈性碰撞過程 C．兩種效應(yīng)都屬于吸收光子的過程 D．光電效應(yīng)是吸收光子的過程，而康普頓效應(yīng)相當(dāng)于光子和電子彈性碰撞的過程 答案　D 解析　光電效應(yīng)吸收光子放出電子，其過程能量守恒，但動(dòng)量不守恒，康普頓效應(yīng)相當(dāng)于光子與電子彈性碰撞的過程，并且遵守動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律，兩種效應(yīng)都說明光具有粒子性，故D正確． 2．科學(xué)研

13、究證明，光子有能量也有動(dòng)量，當(dāng)光子與電子碰撞時(shí)，光子的一些能量轉(zhuǎn)移給了電子．假設(shè)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(dòng)量守恒，且λ＝λ′ B．能量不守恒，動(dòng)量不守恒，且λ＝λ′ C．能量守恒，動(dòng)量守恒，且λ<λ′ D．能量守恒，動(dòng)量守恒，且λ>λ′ 答案　C 解析　能量守恒和動(dòng)量守恒是自然界的普遍規(guī)律，適用于宏觀世界也適用于微觀世界．光子與電子碰撞時(shí)遵循這兩個(gè)守恒定律．光子與電子碰撞前光子的能量E＝hν＝h，當(dāng)光子與電子碰撞時(shí)，光子的一些能量轉(zhuǎn)移給了電子，光子的能量E′＝hν′＝h，由E >E′，可知λ<λ′，選項(xiàng)C正確． 3．康普

14、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(guān) 答案　D 解析　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(gè)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

15、不變．故只有D正確． 4．頻率為ν的光子，具有的能量為hν，將這個(gè)光子打在處于靜止?fàn)顟B(tài)的電子上，光子將偏離原來的運(yùn)動(dòng)方向，這種現(xiàn)象稱為光的散射，散射后的光子(　　) A．雖改變原來的運(yùn)動(dòng)方向，但頻率保持不變 B．光子將從電子處獲得能量，因而頻率將增大 C．散射后的光子運(yùn)動(dòng)方向?qū)⑴c電子運(yùn)動(dòng)方向在一條直線上，但方向相反 D．由于電子受到碰撞，散射后的光子頻率低于入射光的頻率 答案　D 解析　光子與靜止的電子碰撞的過程遵守動(dòng)量守恒和能量守恒，由于電子獲得一部分能量，則光子的能量減小，即頻率降低，所以選項(xiàng)D正確． 題組二　對(duì)光的波粒二象性的理解 5．(多選)說明光具有粒子性的現(xiàn)象是(

16、　　) A．光電效應(yīng) B．光的干涉 C．光的衍射 D．康普頓效應(yīng) 答案　AD 6．(多選)人類對(duì)光的本性的認(rèn)識(shí)經(jīng)歷了曲折的過程．下列關(guān)于光的本性的陳述符合科學(xué)規(guī)律或歷史事實(shí)的是(　　) A．牛頓的“微粒說”與愛因斯坦的“光子說”本質(zhì)上是一樣的 B．光的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)顯示了光具有波動(dòng)性 C．麥克斯韋預(yù)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(rèn)為光是一種物質(zhì)微粒，愛因斯坦的“光子說”認(rèn)為光是一份一份不連續(xù)的能量，顯然A錯(cuò)；干涉、衍射是波的特性，光能發(fā)生干涉說明光具有波動(dòng)性，B正確；麥克斯韋根據(jù)光的傳播不需要介質(zhì)，以及電磁波在真空中的傳

17、播速度與光速近似相等認(rèn)為光是一種電磁波，后來赫茲用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了光的電磁說，C正確；光具有波動(dòng)性與粒子性，稱為光的波粒二象性，D正確． 7．(多選)關(guān)于光的波動(dòng)性與粒子性，以下說法正確的是(　　) A．愛因斯坦的光子說否定了光的電磁說 B．光電效應(yīng)現(xiàn)象說明了光的粒子性 C．光波不同于機(jī)械波，它是一種概率波 D．光的波動(dòng)性和粒子性是相互矛盾的，無法統(tǒng)一 答案　BC 解析　愛因斯坦的光子說并沒有否定電磁說，只是在一定條件下光是體現(xiàn)粒子性的，A錯(cuò)；光電效應(yīng)說明光具有粒子性，說明光的能量是一份一份的，B對(duì)；光波在少量的情況下體現(xiàn)粒子性，大量的情況下體現(xiàn)波動(dòng)性，所以C對(duì)；光的波動(dòng)性和粒子性不是

18、孤立的，而是有機(jī)的統(tǒng)一體，D錯(cuò)． 8．下列現(xiàn)象能說明光具有波粒二象性的是(　　) A．光的色散和光的干涉 B．光的干涉和光的衍射 C．光的反射和光電效應(yīng) D．泊松亮斑和光電效應(yīng) 答案　D 解析　光的色散、光的反射可以從波動(dòng)性和粒子性兩方面分別予以理解，故A、C選項(xiàng)錯(cuò)誤．光的干涉、衍射現(xiàn)象只說明光的波動(dòng)性，B選項(xiàng)錯(cuò)誤．泊松亮斑能說明光具有波動(dòng)性，光電效應(yīng)也說明光具有粒子性，故D選項(xiàng)正確． 9．(多選)在驗(yàn)證光的波粒二象性的實(shí)驗(yàn)中，下列說法正確的是(　　) A．使光子一個(gè)一個(gè)地通過狹縫，如果時(shí)間足夠長，底片上將會(huì)顯示衍射圖樣 B．單個(gè)光子通過狹縫后，底片上會(huì)出現(xiàn)完整的衍射圖

19、樣 C．光子通過狹縫的運(yùn)動(dòng)路線是直線 D．光的波動(dòng)性是大量光子運(yùn)動(dòng)的規(guī)律 答案　AD 解析　個(gè)別或少數(shù)光子表現(xiàn)出光的粒子性，大量光子表現(xiàn)出光的波動(dòng)性，如果時(shí)間足夠長，通過狹縫的光子數(shù)也就足夠多，粒子的分布遵從波動(dòng)規(guī)律，底片上將會(huì)顯示出衍射圖樣，A、D選項(xiàng)正確；單個(gè)光子通過狹縫后，路徑是隨機(jī)的，底片上也不會(huì)出現(xiàn)完整的衍射圖樣，B、C選項(xiàng)錯(cuò)． 10．牛頓為了說明光的性質(zhì)，提出了光的微粒說，如今人們對(duì)光的性質(zhì)已有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)，如圖1所示四個(gè)示意圖所表示的實(shí)驗(yàn)，能說明光的性質(zhì)的是(　　) 圖1 A．①② B．②③ C．③④ D．②④ 答案　B 解析　題圖②為光的雙孔干涉實(shí)

20、驗(yàn)，可證明光的波動(dòng)性；題圖③為光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)，可說明光的粒子性，故正確選項(xiàng)為B.題圖①是α粒子散射實(shí)驗(yàn)；題圖④是三種放射線在電場中偏轉(zhuǎn)的實(shí)驗(yàn)． 11．(多選)如圖2所示，從點(diǎn)光源S發(fā)出的一細(xì)束白光以一定的角度入射到三棱鏡的表面，經(jīng)過三棱鏡的折射后發(fā)生色散現(xiàn)象，在光屏ab間形成一條彩色光帶．下面的說法中正確的是(　　) 圖2 A．a(chǎn)側(cè)是紅色光，b側(cè)是紫色光 B．a(chǎn)側(cè)的光比b側(cè)的光粒子性顯著些 C．a(chǎn)側(cè)的光比b側(cè)的光波動(dòng)性顯著些 D．a(chǎn)側(cè)的光的動(dòng)量比b側(cè)光的動(dòng)量大 答案　BD 解析　由幾何光學(xué)知識(shí)可得，a側(cè)光為紫光，b側(cè)光為紅光，紫光頻率比紅光大，故粒子性比紅光顯著．紫光的波長比紅光小，由p＝得，紫光的動(dòng)量大． 8