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

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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(zhǎng)_____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(dòng)量,深入揭示了光的_____性的一面,為光子說(shuō)提供了又一例證。,變長(zhǎng),粒子,【想一想】X射線經(jīng)物質(zhì)散射后波長(zhǎng)變長(zhǎng)了,其對(duì)應(yīng)光子的能量如何變化?提示:由ε=hν=可知,X射線的波長(zhǎng)變長(zhǎng),其對(duì)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(dòng)量:(1)能量:ε=____。(2)動(dòng)量:p=。,波動(dòng)性,粒子性,波粒二象性,hν,,3.意義:能量ε和動(dòng)量p是描述物質(zhì)的_____性的重要物理量;波長(zhǎng)λ和頻率ν是描述物質(zhì)的_____性的典型物理量。因此ε=____和p=揭示了光的粒子性和波動(dòng)性之間的密切關(guān)系。,粒子,波動(dòng),hν,,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(duì)每一個(gè)光子來(lái)說(shuō),落在明條紋處的_______;在暗條紋處,到達(dá)的_________,即對(duì)每個(gè)光子來(lái)說(shuō),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(shí)具有波動(dòng)性和粒子性。()(2)光子的能量越大,波長(zhǎng)越長(zhǎng)。()(3)光子通過(guò)狹縫后落在屏上的位置是確定的。(),提示:(1)光的波動(dòng)性和粒子性都是光的屬性,光具有波粒二象性,(1)錯(cuò)。(2)由ε=hν=可知,光子的能量越大,頻率越高,其波長(zhǎng)越短,(2)錯(cuò)。(3)光子通過(guò)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(cuò)。,知識(shí)點(diǎn)一、對(duì)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(guò)程,思考以下問(wèn)題:(1)光子與電子碰撞后,電子運(yùn)動(dòng)了,其運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能是哪里來(lái)的?(2)光子與電子碰撞后,光子的能量如何變化?光的波長(zhǎng)如何變化?,【歸納總結(jié)】1.實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象:X射線管發(fā)出波長(zhǎng)為λ0的X射線,通過(guò)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(zhǎng)變長(zhǎng),波長(zhǎng)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,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(dòng)的頻率(即入射光的頻率)。因此散射光的波長(zhǎng)與入射光的波長(zhǎng)應(yīng)該相同,不應(yīng)該出現(xiàn)波長(zhǎng)變長(zhǎng)的散射光。另外,經(jīng)典物理理論無(wú)法解釋波長(zhǎng)改變與散射角的關(guān)系。,3.光子說(shuō)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(zhǎng)大于入射光的波長(zhǎng)。(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(zhǎng)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(shuō)的正確性。光電效應(yīng)應(yīng)用于電子吸收光子的問(wèn)題;而康普頓效應(yīng)討論光子與電子碰撞且沒(méi)有被電子吸收的問(wèn)題。,【典例探究】【典例】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(guò)程中動(dòng)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(yùn)動(dòng),并且波長(zhǎng)________(選填“不變”“變小”或“變長(zhǎng)”)。,【思路點(diǎn)撥】解答本題應(yīng)把握能量守恒、動(dòng)量守恒,熟悉光的頻率與波長(zhǎng)的關(guān)系。,【正確解答】光子與電子碰撞過(guò)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(guò)碰撞,光子將一部分能量轉(zhuǎn)移給電子,能量減少,由ε=hν知,頻率變小,再根據(jù)c=λν知,波長(zhǎng)變長(zhǎng)。答案:守恒守恒1變長(zhǎng),【過(guò)關(guān)訓(xùn)練】1.光子有能量,也有動(dòng)量,動(dòng)量p=,它也遵守動(dòng)量守恒定律。如圖所示,真空中有一“∞”形裝置,可繞通過(guò)橫桿中點(diǎn)的豎直軸OO′在水平面內(nèi)靈活轉(zhuǎn)動(dòng),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(gè)圓面時(shí),關(guān)于裝置開始轉(zhuǎn)動(dòng)的情況(俯視)下列說(shuō)法中正確的是()A.順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)B.逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)C.都有可能D.不會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng),【解析】選B。設(shè)入射光子的動(dòng)量為p,由于黑紙片吸收光子,光子的動(dòng)量變化量大小為Δp1=p,白紙片反射光子,光子的動(dòng)量變化量大小為Δp2=2p,依據(jù)動(dòng)量定理,光子對(duì)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(méi)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(gè)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(shí)點(diǎn)二、對(duì)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(wèn)題:(1)圖甲中激光通過(guò)雙縫在屏上看到干涉條紋說(shuō)明光具有什么特性?(2)圖乙中紫外線照射鋅板驗(yàn)電器金箔張開,說(shuō)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(shuō)中的“粒子”與牛頓微粒說(shuō)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(shuō)并不否定波動(dòng)說(shuō)。,2.光的波動(dòng)性的含義:光的波動(dòng)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(dòng)說(shuō)中的“波”是不同理論領(lǐng)域中兩個(gè)不同的概念,它是一種概率波。,3.光的波動(dòng)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(dòng)性,波動(dòng)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(shí),表現(xiàn)出粒子的性質(zhì);少量或個(gè)別光子易顯示出光的粒子性;頻率高波長(zhǎng)短的光,粒子性顯著。大量光子在傳播時(shí)表現(xiàn)出波動(dòng)性;頻率低波長(zhǎng)長(zhǎng)的光,波動(dòng)性顯著。,(2)只有從波粒二象性的角度,才能統(tǒng)一說(shuō)明光的各種表現(xiàn)。光的波動(dòng)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(shuō)明光具有波動(dòng)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(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,而在物質(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,【思路點(diǎn)撥】解答本題時(shí)應(yīng)把握以下三點(diǎn):(1)光的波粒二象性對(duì)光的本質(zhì)的敘述。(2)頻率高低對(duì)光的粒子性和波動(dòng)性的影響。(3)光子的數(shù)量對(duì)光的粒子性和波動(dòng)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(dòng)性,個(gè)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(zhǎng)較長(zhǎng),波動(dòng)性明顯,而不能說(shuō)高頻光是粒子,低頻光是波,C錯(cuò)誤;波粒二象性是光的根本屬性,表現(xiàn)為波動(dòng)性時(shí),只是粒子性不明顯而已,不能說(shuō)光傳播時(shí)表現(xiàn)為波,而與物質(zhì)相互作用時(shí)變?yōu)榱Ｗ?故B錯(cuò)誤,D正確。,【過(guò)關(guān)訓(xùn)練】(多選)關(guān)于光的波粒二象性,下列說(shuō)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(dòng)性D.光的波粒二象性否定了光的電磁說(shuō),【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(shuō),只是說(shuō)某些情況下粒子性明顯,某些情況下波動(dòng)性明顯,故D錯(cuò)誤。光的頻率越高,波長(zhǎng)越短,粒子性越明顯,波動(dòng)性越不明顯,越不易看到其衍射現(xiàn)象。故B對(duì)、A錯(cuò)誤。大量光子的行為表現(xiàn)出波動(dòng)性,個(gè)別光子的行為表現(xiàn)出粒子性,故C對(duì)。,知識(shí)點(diǎn)三、對(duì)概率波的理解思考探究:用極微弱的可見光做雙縫干涉實(shí)驗(yàn),隨著時(shí)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(wèn)題:(1)圖片甲中光子落點(diǎn)位置雜亂無(wú)章,說(shuō)明什么問(wèn)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(dòng)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(dòng)性的,在雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中,使光源S非常弱,以致前一個(gè)光子到達(dá)屏后才發(fā)射第二個(gè)光子。這樣就排除了光子之間的相互作用的可能性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,盡管單個(gè)光子的落點(diǎn)不可預(yù)知,但長(zhǎng)時(shí)間曝光之后仍然得到了干,涉條紋分布?？梢?光的波動(dòng)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(shí)驗(yàn)中,光子通過(guò)雙縫后,對(duì)某一個(gè)光子而言,不能肯定它落在哪一點(diǎn),但屏上各處明暗條紋的不同亮度,說(shuō)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(shuō)光子在空間出現(xiàn)的概率可以通過(guò)波動(dòng)的規(guī)律來(lái)確定,因此說(shuō)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(jì)規(guī)律。對(duì)統(tǒng)計(jì)規(guī)律的認(rèn)識(shí)是理解概率波的前提。,【典例探究】【典例】(多選)在單縫衍射實(shí)驗(yàn)中,中央亮紋的光強(qiáng)占從單縫射入的整個(gè)光強(qiáng)的95%以上。假設(shè)現(xiàn)在只讓一個(gè)光子通過(guò)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(diǎn)撥】解決本題關(guān)鍵要明確概率波的知識(shí),知道概率波的規(guī)律就是統(tǒng)計(jì)規(guī)律,單個(gè)光子無(wú)法確定落在哪個(gè)點(diǎn)上的,我們只能得出大量光子的落點(diǎn)區(qū)域。,【正確解答】選C、D。根據(jù)光波是概率波的概念,一個(gè)光子通過(guò)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(guò),落在暗紋處的概率很小,故C、D選項(xiàng)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(dòng)性,光的波動(dòng)性是統(tǒng)計(jì)規(guī)律的結(jié)果,對(duì)某個(gè)光子我們無(wú)法判斷它落到哪個(gè)位置,我們只能判斷大量光子的落點(diǎn)區(qū)域。同時(shí),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(duì)于通過(guò)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(guò)關(guān)訓(xùn)練】(多選)在驗(yàn)證光的波粒二象性的實(shí)驗(yàn)中,下列說(shuō)法正確的是()A.使光子一個(gè)一個(gè)地通過(guò)單縫,如果時(shí)間足夠長(zhǎng),底片上會(huì)出現(xiàn)衍射圖樣B.單個(gè)光子通過(guò)單縫后,底片上會(huì)出現(xiàn)完整的衍射圖樣C.光子通過(guò)單縫的運(yùn)動(dòng)路線像水波一樣起伏,D.單個(gè)光子通過(guò)單縫后打在底片的情況呈現(xiàn)出隨機(jī)性,大量光子通過(guò)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(gè)光子通過(guò)單縫后打在底片的情況呈現(xiàn)隨機(jī)性.若時(shí)間足夠長(zhǎng),大量光子通過(guò)單縫后打在底片上的情況呈現(xiàn)規(guī)律性,此時(shí)底片上出現(xiàn)衍射圖樣,故A、D正確,B錯(cuò)誤。光子通過(guò)單縫后整體呈現(xiàn)出波動(dòng)性,但對(duì)單個(gè)光子,其通過(guò)單縫后的運(yùn)動(dòng)路線并不是波形線,C錯(cuò)誤。,【溫馨提示】光具有波粒二象性是對(duì)光的本性的最全面的認(rèn)識(shí),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(shí)驗(yàn)及其結(jié)論,對(duì)本部分知識(shí)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(zhǎng)與入射光的波長(zhǎng)全然不同B.散射光的波長(zhǎng)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(zhǎng)無(wú)關(guān)C.散射光的波長(zhǎng)有些與入射光的相同,但也有變長(zhǎng)的,也有變短的,D.散射光的波長(zhǎng)有些與入射光的波長(zhǎng)相同,有些比入射光的波長(zhǎng)長(zhǎng)些,且散射光的波長(zhǎng)與散射角的大小有關(guān),【思路點(diǎn)撥】解答本題的關(guān)鍵是熟悉康普頓散射實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)大于入射光的波長(zhǎng)。散射角不同,能量減少情況不同,散射光的波長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(diǎn)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(guò)程是能量守恒和動(dòng)量守恒的過(guò)程。,3.光子與電子的作用過(guò)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(xiàng)正確的是()A.波長(zhǎng)較短的光,如X射線或γ射線,入射到散射物上,主要產(chǎn)生光電效應(yīng)B.波長(zhǎng)較長(zhǎng)的可見光或紫外線入射時(shí),主要產(chǎn)生光電效應(yīng)C.波長(zhǎng)較短的光,如X射線或γ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(zhǎng)無(wú)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(zhǎng),D錯(cuò)。波長(zhǎng)較短的光,如X射線或γ射線,入射到散射物上,產(chǎn)生康普頓效應(yīng)。波長(zhǎng)較長(zhǎng)的可見光或紫外線入射時(shí),主要產(chǎn)生光電效應(yīng)。故B、C正確。,【易錯(cuò)分析】本題易錯(cuò)選項(xiàng)及錯(cuò)誤原因分析如下:,