第二章 第三节 康普顿效应及其解释 第四节 光的波粒二象性

预习导学 第三节 康普顿效应及其解释 高中物理 · 选修3-5· 粤教版

第四节

光的波粒二象性

第三节 康普顿效应及其解释 第四节 光的波粒二象性

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第三节 康普顿效应及其解释

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光的波粒二象性

[目标定位]

1.了解康普顿效应及其意义.了解光子理论对康

普顿效应的理解.2.知道光的波粒二象性，知道波和粒子的对

立统一的关系.3.了解什么是概率波，知道光也是一种概率波.

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一、康普顿效应及其解释 1.康普顿效应 (1)光的散射：光在介质中与物体微粒的相互作用，使光的 发生改变 的光现象. 传播方向__________

变长， (2)康普顿效应：在光的散射中，部分散射光的波长____波长的改变与散射角有关.h hν ,光子的动量为p=_____ λ . (3)光子的能量为ε=____

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2.康普顿对散射光波长变化的解释 电子发生碰 (1)散射光波长的变化，是入射光子与物质中的_____ 撞的结果. 入射光子的能量 小很多，电子可以 (2)物质中电子的动能比________________ 看做是静止的. 守恒 . (3)光子与电子作用过程中，总能量、总动量均_____ (4)光子因与电子相碰，有一部分能量和动量给了电子，光子 减小了，这样，散射光的____ 波长也就变长了. 的能量和动量均_____ 3.康普顿效应的意义：康普顿效应表明光子除了具有能量之 粒子 性的一面. 外，还具有动量，深入揭示了光的______预习导学

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二、光的波粒二象性 1.光的波粒二象性的本质 (1)双缝干涉实验装置如图2-3、4-1所示.

图2-3、4-1(2)实验要求：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.预习导学

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(3)实验结果： 亮点 . ①短时间，感光片上呈现杂乱分布的_____

亮纹 . ②较长时间，感光片上呈现模糊的______干涉图样 . ③长时间，感光片上形成清晰的__________ (4)实验结论：光既有波动性，又有粒子性，光具有波粒二 象性.

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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的某一点，概率大的 亮纹 ，概率小的地方落下的光 地方落下的光子多，形成______ 暗纹 . 子少，形成______ 概率波 ，干涉条纹

是光子在感光片上各点 (2)光波是一种________ 概率分布的反映.

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一、康普顿效应 1.实验结果 1918年~1922年，美国物理学家康普顿在研究石墨对X射 线的散射时，发现散射的X射线中，除有与入射线波长相 同的射线外，还有波长比入射线波长更长的射线.人们把 这种波长变化的现象叫做康普顿效应.

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2.光子说对康普顿效应的解释 假定X射线光子与电子发生弹性碰撞，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ε=hν,而且还有动量.如图2-3、4-2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hν减小为hν′,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.这样就圆满地解释了康普顿效应.

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图2-3、4-2【例1】 康普顿效应证实了光子不仅具有能量，也有动量， 如图2-3、4-3给出了光子与静止电子碰撞后，电子的运 动方向，则碰撞后光子可能沿方向________运动，并且波 长________(选填“不变”、“变短”或“变长”).预习导学

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图2-3、4-3答案 解析 1 变长 根据动量守恒定律知，光子与静止电子碰撞前后动

量守恒，相碰后合动量应沿2方向，所以碰后光子可能沿1 方向运动，由于动量变小，故波长应变长.

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课堂讲义针对训练1

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(单选)在康普顿效应中，光子与电子发生碰撞 ( )

后，关于散射光子的波长，下列说法正确的是

A.一定变长C.可能变长，也可能变短 答案 解析 A

B.一定变短D.决定于电子的运动状态

因为光子入射的能量很大，比电子的能量要大得

多，碰撞时，动量和能量都守恒，碰后一定是电子的动能

增加，光子的能量减少，所以散射光子的波长一定变长，选项A正确.预习导学

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课堂讲义实验 基础光 的 干涉 波 和衍 动 射 性 光 的 粒 子 性 光电 效 应、 康普 顿效 应

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二、对光的波粒二象性的理解表现 ①光是一种概率波，即 光子在空间各点出现的 可能性大小(概率)可用波 动规律来描述. ②足够能量的光在传播 时，表现出波的性

质. ①当光同物质发生作用 时，这种作用是“一份 一份”进行的，表现出 粒子的性质. ②少量或个别光子清楚 地显示出光的粒子性课堂讲义

说明 ①光的波动性是光 子本身的一种属 性，不是光子之间 相互作用产生的. ②光的波动性不同 于宏观观念的波. ①粒子的含义是“ 不连续”、“一份 一份”的. ②光子不同于宏观 观念的粒子

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①光子说并未否定波动 波动性 波动性，而少量光 hc 性，ε=hν= 中，ν和λ λ 和粒子 子易显示出粒子性. 就是波的概念. 性的对 ②波长长(频率低) ②波和粒子在宏观世界是 立、统 的光波动性强，而 不能统一的，而在微观世 一 波长短(频率高)的 界却是统一的 光粒子性强

①大量光子易显示

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课堂讲义【例2】

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(双选)(2014· 伊犁哈萨克高二检测)关于光的波粒二 ( )

象性的理解正确的是

A.大量光子的行为往往表现出波动性，个别光子的行为

往往表现出波动性B.光在传播时是波，而与物质相互作用时就转变成粒子 C.高频光是粒子，低频光是波 D.波粒二象性是光的根本属性，有时它的波动性显著， 有时它的粒子性显著

答案

AD

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解析

光的波粒二象性指光有时候表现出的粒子性较明

显，有时候表现出的波动性较明显，D正确；大量光子的 效果往往表现出波动性，A正确；光在传播时波动性显

著，光与物质相互作用时粒子性显著，B错误；频率高的光粒子性显著，频率低的光波动性显著，C错误.

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借题发挥 解答此类问题的关键是要理解以下知识要点： (1)光是一种波，同时也是一种粒子，也就是说光具有波粒二象 性； (2)光的波动性在光的传播过程中体现出来，具有一定的波长和 频率，能够发生干涉和衍射现象； (3)光的粒子性在它与物质的相互作用时体现出来，光子具有一 h 定的能量(ε=hν)和动量(p= ).

λ

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课堂讲义针对训练2

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光的波粒二象性

(单选)有关光的本性，下列说法正确的是 (

)

A.光既具有波动性，又具有粒子性，这是互相矛盾和对

立的B.光的波动性类似于机械波，光的粒子性类似于质点 C.大量光子才具有波动性，个别光子只具有粒子性 D.由于光既具有波动性，又具有粒子性，无法只用其中 一种去说

明光的一切行为，只能认为光具有波粒二象 性 答案 D

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课堂讲义解析

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光的波粒二象性

19世纪初，人们成功地在实验中观察到了光的干

涉、衍射现象，这属于波的特征，微粒说无法解释.但到 了19世纪末又发现了光的新现象—光电效应，这种现象波 动说不能解释，证实光具有粒子性.因此，光既具有波动

性，又具有粒子性，但不同于宏观的机械波和质点.波动性和粒子性是光在不同的情况下的不同表现，是同一客观 事物的两个不同侧面、不同属性，我们无法用其中一种去 说明光的一切行为，只能认为光具有波粒二象性.故选项 D正确.

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三、对光是概率波的理解 1.单个粒子运动的偶然性：我们可以知道粒子落在某点的概 率，但不能预言粒子落在什么位置，即粒子到达什么位置 是随机的，是预先不能确定的.

2.大量粒子运动的统计规律：光在传播过程中，光子在空间出现的概率可以通过波动规律确定，所以光波是一种概率 波.

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课堂讲义【 例 3】

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光的波粒二象性

(双选)在单缝衍射实验中，中央亮纹的光强占从单缝 ( )

射入的整个光强的95%以上，假设现在只让一个光子通过 单缝，那么该光子 A.一定落在中央亮纹处

B.一定落在亮纹处C.可能落在暗纹处 D.落在中央亮纹处的可能性最大

答案解析

CD根据光波是概率波的概念，对于一个光子通过单缝

落在何处，是不可确定的，但概率最大的是落在中央亮纹

处.当然也可落在其他亮纹处，还可能落在暗纹处，不过，落在暗纹处的概率很小，故C、D选项正确.预习导学

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