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第三节康普顿效应及其解释第四节光的波粒二象性1．若某介质中光子的能量是E，波长为λ，则此介质的折射率是(c是光在真空中的传播速度)()A．λEhB．λEhcC．hcλED．hλE【答案】C2.(2017年荆州月考)关于光电效应，下列说法正确的是()A．极限频率越大的金属材料逸出功越大B．只要光照射的时间足够长，任何金属都能产生光电效应C．从金属表面出来的光电子的最大初动能越大，这种金属的逸出功越小D．入射光的光强一定时，频率越高，单位时间内逸出的光电子数就越多【答案】A【解析】逸出功W=hν0，知极限频率越大，逸出功越大，故A正确．光电效应的条件是入射光的频率大于金属的极限频率，与入射光的强度无关，故B错误．根据光电效应方程Ekm=hν-W0知，最大初动能与入射光的频率成一次函数关系，不会影响金属的逸出功，故C错误．入射光的光强一定时，频率越高，光子的能量值越大，入射光中的光子的数目越少，单位时间内逸出的光电子数就越少，故D错误．3．(多选)某光在真空中的波长为λ，则此光子的()A．频率为λcB．能量为hcλC．频率为cλD．能量为hλc【答案】BC【解析】光速为c，则该光的频率ν＝1T＝cλ，选项A错误，C正确；该光子的能量为ε＝hν＝hcλ，选项B正确，D错误．4．频率为ν的光照射某种金属材料，产生光电子的最大初动能为Ek，若以频率2ν的光照射同一金属材料，则光电子的最大初动能是()A．2EkB．Ek＋hνC．Ek－hνD．Ek＋2hν【答案】B【解析】根据爱因斯坦光电效应方程Ek＝hν－W知：当入射光的频率为ν时，可计算出该金属的逸出功W＝hν－Ek.当入射光的频率为2ν时，光电子的最大初动能为Ek′＝2hν－W＝Ek＋hν.所以选B.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，使光的传播方向________的光现象．(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．(3)光子的能量为E＝________，光子的动量为p＝_______.被散射变长hνhλ2．康普顿对散射光波长变化的解释(1)散射光波长的变化，是入射光子与物质中的______发生碰撞的结果．(2)物质中电子的动能比________________小很多，电子可以看做是静止的．(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，光子的能量和动量均________了，这样，散射光的________也就变长了．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外，还具有动量，深入揭示了光的________性的一面．电子入射光子的能量守恒减小波长粒子二、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所示．(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．(3)实验结果：①短时间，感光片上呈现杂乱分布的________．②较长时间，感光片上呈现模糊的________．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．亮点亮纹干涉图样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，概率大的地方落下的光子多，形成________，概率小的地方落下的光子少，形成________．(2)光波是一种________，干涉条纹是光子的感光片上各点概率分布的反映．亮纹暗纹概率波光电效应和康普顿效应证明了光的什么性质？两种效应发生的条件是什么？【答案】证明了光的粒子性，两种效应取决于入射光的波长，当X射线或γ射线入射时，产生康普顿效应，当可见光或紫外线入射时，主要产生光电效应．1．实验结果1918—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．康普顿效应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空气弹性碰撞，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E＝hν，而且还有动量．如图所示．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．3．康普顿效应的意义康普顿效应进一步揭示了光的粒子性，也再次证明了爱因斯坦光子说的正确性．光子的能量ε＝hν，光子的动量p＝hλ例1白天的天空各处都是亮的，是大气分子对太阳光散射的结果．美国物理学家康普顿由于在这方面的研究而荣获了1927年的诺贝尔物理学奖．假设一个运动的光子和一个静止的自由电子碰撞以后，电子向某一个方向运动，光子沿另一方向散射出去，则这个散射光子跟原来的光子相比()A．频率变大B．速度变小C．光子能量变大D．波长变长解析：光子与自由电子碰撞时，遵守动量守恒和能量守恒，自由电子碰撞前静止，碰撞后动量、能量增加，所以光子的动量、能量减小，故C错误；由λ＝hp、E＝hν可知光子频率变小，波长变长，故A错误，D正确；由于光子速度是不变的，故B错误．答案：D【题后反思】光子与电子碰撞遵守动量与能量守恒，由此可得光子能量，再结合λ＝hp、E＝hν加以解决．1.(2018年茂名检测)关于康普顿效应下列说法中正确的是()A．石墨对X射线散射时，部分射线的波长变长短B．康普顿效应仅出现在石墨对X射线的散射中C．康普顿效应证明了光的波动性D．光子具有动量【答案】D解析：在康普顿效应中，当X射线与晶体中的电子碰撞时，把一部分动量转移给电子，则动量减小，根据λ=hp，知波长增大，故A错误；普顿效应不仅出现在石墨对X射线的散射中，不同的光子都可以出现，故B错误；康普顿效应揭示了光具有粒子性，故C错误；康普顿效应进一步表明光子具有动量，故D正确．1．光的粒子性的含义粒子的含义是“不连续”“一份一份”的，光的粒子即光子，不同于宏观概念的粒子，但也具有动量和能量．(1)当光同其他物质发生作用时，表现出粒子的性质．(2)少量或个别光子易显示出光的粒子性．(3)频率高，波长短的光，粒子性特征显著．对光的波粒二象性的理解2．光的波动性的含义光的波动性是光子本身的一种属性，它不同于宏观的波，它是一种概率波，即光子在空间各点出现的可能性大小(概率)可用波动规律描述：(1)足够能量的光(大量光子)在传播时，表现出波的性质．(2)频率低，波长长的光，波动性特征显著．3．光的波动性，粒子性是统一的(1)光的粒子性并不否定光的波动性，光既具有波动性，又具有粒子性，波动性、粒子性都是光的本质属性，只是在不同条件下的表现不同．(2)只有从波粒二象性的角度，才能统一说明光的各种表现．例2下列有关光的波粒二象性的说法中，正确的是()A．有的光是波，有的光是粒子B．光子与电子是同样的一种粒子C．光的波长越长，其波动性越显著；波长越短，其粒子性越显著D．大量光子的行为往往显示出粒子性解析：一切光都具有波粒二象性，光的有些行为(如干涉、衍射)表现出波动性，有些行为(如光电效应)表现出粒子性，所以，不能说有的光是波，有的光是粒子．虽然光子与电子都是微观粒子，都具有波粒二象性，但电子是实物粒子，有静止质量，光子不是实物粒子，没有静止质量，电子是以实物形式存在的物质，光子是以场形式存在的物质，所以，不能说光子与电子是同样的一种粒子．光的波粒二象性的理论和实验表明，大量光子的行为表现出波动性，个别光子的行为表现出粒子性．光的波长越长，衍射性越好，即波动性越显著；光的波长越短，其光子能量越大，个别或少数光子的作用就足以引起光接收装置的反应，所以其粒子性就很显著．故选项C正确，A、B、D错误．答案：C【题后反思】光既不是宏观观念的波，也不是宏观观念的粒子，光具有波粒二象性是指光在传播过程中和同物质作用时分别表现出波和粒子的特性．2．(多选)关于光的波粒二象性，下列说法正确的是()A.光的粒子性说明每个光子就像一个极小的球体B.光是波，与橡皮绳上的波相似C.光的波动性是大量光子运动规律的表现，在干涉条纹中，那些光强度大的地方，光子到达的概率大D.在宏观世界中波动性和粒子性是对立的，在微观世界是可以统一的【答案】CD【解析】由于波动性和粒子性是光同时具有的两种属性，不同于宏观观念中的波和粒子，故A、B选项错误.在干涉实验中，光强度大的地方即为光子到达概率大的地方，表现为亮纹；光强度小的地方即为光子到达概率小的地方，表现为暗纹，故C选项正确.在宏观世界中，牛顿的“微粒说”与惠更斯的“波动说”是相互对立的，只有在微观世界中，波动性与粒子性才能统一，故D选项正确.