1、 4.3 4.3 光的波粒二象性光的波粒二象性 高中物理选修3-5教科版1.1.光的散射光的散射 光在介质中与物质微粒相互作用光在介质中与物质微粒相互作用,因而传因而传播方向发生改变播方向发生改变,这种现象叫做这种现象叫做光的散射光的散射. 1923年康普顿在做年康普顿在做 X 射线通过物质散射的射线通过物质散射的实验时，发现散射线中除有与入射线波长相实验时，发现散射线中除有与入射线波长相同的射线外，还有比入射线波长更长的射线，同的射线外，还有比入射线波长更长的射线，其波长的改变量与散射角其波长的改变量与散射角有关，而与入射线有关，而与入射线波长和散射物质都无关波长和散射物质都无关。2 2 康
2、普顿效应康普顿效应一一. .康普顿散射的实验装置与规律：康普顿散射的实验装置与规律：晶体晶体 光阑光阑X 射线管射线管探探测测器器X 射线谱仪射线谱仪 石墨体石墨体(散射物质散射物质)j 0散射波长散射波长 康普顿正在测晶体对X 射线的散射 按经典电磁理论：按经典电磁理论： 如果入射如果入射X光是光是某种波长的电磁波，某种波长的电磁波，散射光的波长是不散射光的波长是不会改变的！会改变的！康普顿散射曲线的特点：康普顿散射曲线的特点： 1.除原波长除原波长 0外出现了移向外出现了移向长波方向的新的散射波长长波方向的新的散射波长 。 2.新波长新波长 随散射角的增大随散射角的增大而增大。而增大。 散
3、射中出现散射中出现 0 的现象，称的现象，称为为康普顿散射。康普顿散射。波长的偏移为波长的偏移为=0Oj=45Oj=90Oj=135Oj. . . . . . . . . . .o（A）0.7000.750波长波长. . 0 0 二、经典电磁理论在解释康普顿效应时遇到的困难二、经典电磁理论在解释康普顿效应时遇到的困难2. 2. 无法解释波长改变和散射角的关系。无法解释波长改变和散射角的关系。1. 1. 根据经典电磁波理论，当电磁波通过物根据经典电磁波理论，当电磁波通过物质时，物质中带电粒子将作受迫振动，其质时，物质中带电粒子将作受迫振动，其频率等于入射光频率，所以它所发射的散频率等于入射光频率
4、，所以它所发射的散射光频率应等于入射光频率。射光频率应等于入射光频率。三、光子理论对康普顿效应的解释三、光子理论对康普顿效应的解释 康普顿效应是光子和电子作弹性碰撞的结果，具体解释康普顿效应是光子和电子作弹性碰撞的结果，具体解释如下：如下：1. 若光子和外层电子相碰撞，光子有一部分能量传给电子若光子和外层电子相碰撞，光子有一部分能量传给电子,散射光子的能量减少，于是散射光的波长大于入射光的波。散射光子的能量减少，于是散射光的波长大于入射光的波。 2. 若光子和束缚很紧的内层电子相碰撞，光子将与整个原若光子和束缚很紧的内层电子相碰撞，光子将与整个原子交换能量子交换能量,由于光子质量远小于原子质量
5、，根据碰撞理论由于光子质量远小于原子质量，根据碰撞理论， 碰撞前后光子能量几乎不变，波长不变。碰撞前后光子能量几乎不变，波长不变。 3. 因为碰撞中交换的能量和碰撞的角度因为碰撞中交换的能量和碰撞的角度有关，所以波长改有关，所以波长改变和散射角有关。变和散射角有关。四四. .康普顿散射实验的意义康普顿散射实验的意义（1 1）有力地支持了爱因斯坦）有力地支持了爱因斯坦“光量子光量子”假设；假设； （2 2）首次在实验上证实了）首次在实验上证实了“光子具有动量光子具有动量” 的假设；的假设；（3 3）证实了）证实了在微观世界的单个碰撞事件中，在微观世界的单个碰撞事件中， 动量和能量守恒定律仍然是成
6、立的。动量和能量守恒定律仍然是成立的。 康普顿的成功也不是一帆风顺的，在他早期的几康普顿的成功也不是一帆风顺的，在他早期的几篇论文中，一直认为散射光频率的改变是由于篇论文中，一直认为散射光频率的改变是由于“混进混进来了某种荧光辐射来了某种荧光辐射”；在计算中起先只考虑能量守恒，；在计算中起先只考虑能量守恒，后来才认识到还要用动量守恒。后来才认识到还要用动量守恒。康普顿于康普顿于19271927年获诺贝尔物理奖。年获诺贝尔物理奖。19251926年，吴有训用银的年，吴有训用银的X射线射线( 0 =5.62nm) 为入射线为入射线, 以以15种轻重不同的元素为散射物质，种轻重不同的元素为散射物质，
7、五、吴有训对研究康普顿效应的贡献五、吴有训对研究康普顿效应的贡献1923年年,参加了发现康普顿效应的研究工作参加了发现康普顿效应的研究工作.对证实康普顿效应作出了重要对证实康普顿效应作出了重要贡献。贡献。在同一散射角在同一散射角( )测量测量各种波长的散射光强度，作了各种波长的散射光强度，作了大量大量 X 射线散射实验。射线散射实验。0120 j j（1897-19771897-1977） 吴有训吴有训称为电子的称为电子的Compton波长波长)cos1 (j j c只有当入射波长只有当入射波长 0与与 c可比拟时，康普顿效应才显可比拟时，康普顿效应才显著，著，因此要用因此要用X射线才能观察到
8、射线才能观察到康普顿散射，用可康普顿散射，用可见光观察不到康普顿散射。见光观察不到康普顿散射。波长的偏移只与散射角波长的偏移只与散射角j j 有关，有关，而与散射物质而与散射物质种类及入射的种类及入射的X X射线的波长射线的波长 0 0 无关，无关，0 c = 0.0241=2.41 10-3nm（实验值）（实验值）光的光的干涉干涉 1801年，英国物理学家年，英国物理学家托马斯托马斯杨杨在实在实验室里成功的观察到了光的干涉验室里成功的观察到了光的干涉 两列或几列光波在空间相遇时两列或几列光波在空间相遇时相互叠加，相互叠加，在某些区域始终加强，在另一些区域则始终在某些区域始终加强，在另一些区域
9、则始终削弱，削弱，形成稳定的强弱分布的现象形成稳定的强弱分布的现象。一一、光的干涉现象、光的干涉现象-杨氏干涉实验杨氏干涉实验单缝单缝 双缝双缝红滤色片红滤色片S1SS2屏幕屏幕1 1、装置特点、装置特点：（1 1）双缝很近双缝很近 0.1mm0.1mm， （2 2）双缝）双缝S S1 1、S S2 2与单缝与单缝S S的距离相等的距离相等. .2 2、滤光片的作用：滤光片的作用：得到单得到单色光色光. . 单孔的作用：单孔的作用：是获得点是获得点光源光源. . 双孔的作用：双孔的作用：相当于两相当于两个振动情况完全相同的光源，个振动情况完全相同的光源，双孔的作用是获得相干光源双孔的作用是获得
10、相干光源. .得到相干光源：得到相干光源：一分为二一分为二的思想的思想光的干涉光的干涉双缝干涉双缝干涉激光束激光束双缝双缝屏屏屏上看到明暗相间的条纹屏上看到明暗相间的条纹光到底是什么？光到底是什么？牛顿牛顿微粒说：微粒说：认为光是一种认为光是一种粒子流，是实物粒子，粒子流，是实物粒子，有静止质量，没有波动有静止质量，没有波动性。性。惠更斯惠更斯波动说：波动说：认为波是一种认为波是一种机械波，没有物质性，机械波，没有物质性，在太空中传播要依赖在太空中传播要依赖“以太以太”这种媒介。这种媒介。两者相互排斥，相互矛盾！两者相互排斥，相互矛盾！爱因斯坦爱因斯坦光子说：光子说：认为光是一份一份认为光是一
11、份一份的光子构成，是一种没有静的光子构成，是一种没有静止质量的特殊物质，具有波止质量的特殊物质，具有波动性。动性。麦克斯韦麦克斯韦电磁说：电磁说：认为光是一种电认为光是一种电磁波，是物质的一种特殊磁波，是物质的一种特殊形态，在真空传播不需依形态，在真空传播不需依赖媒介赖媒介两者是统一的，并没有否定对两者是统一的，并没有否定对方！方！增透膜增透膜薄膜干涉薄膜干涉镜面检测镜面检测圆屏衍射圆屏衍射圆孔衍射圆孔衍射钢针的衍射钢针的衍射光的干涉和衍射现象表明光确实是一种波光的干涉和衍射现象表明光确实是一种波爱因斯坦爱因斯坦康普顿康普顿光电效应以及光电效应以及康普顿效应等康普顿效应等无可辩驳的证无可辩驳的
12、证实了光是一种实了光是一种粒子粒子光到底是一种波，还是一种粒子光到底是一种波，还是一种粒子呢？呢？减弱光源，直到只剩下一个光子减弱光源，直到只剩下一个光子图图4-3-3 4-3-3 光的双缝干涉光的双缝干涉短长曝光时间结论结论1 1、图片呈现、图片呈现杂乱无章的几杂乱无章的几个亮点个亮点清晰的显示了清晰的显示了光的光的粒子性粒子性2 2、亮点在感光片上、亮点在感光片上形成形成模糊的亮纹模糊的亮纹，形成了干涉，形成了干涉条纹。说明了条纹。说明了波动性是波动性是每一个光子的属性。每一个光子的属性。并且每一次光子落在亮条并且每一次光子落在亮条纹的可能性大，落在暗条纹的可能性大，落在暗条纹处的可能性小
13、。纹处的可能性小。 干涉条纹是光子落在感光片上各点的概率干涉条纹是光子落在感光片上各点的概率分布的反映。分布的反映。光是一种概率波。光是一种概率波。光的波粒二象性：光的波粒二象性：个别光子的作用效果往往表现为个别光子的作用效果往往表现为粒子性粒子性;大大量光子的作用效果往往表现为量光子的作用效果往往表现为波动性波动性. 高的光子容易表现出高的光子容易表现出粒子性粒子性;低的光子容低的光子容易表现出易表现出波动性波动性. 光在传播过程中往往表现出光在传播过程中往往表现出波动性波动性;在与物在与物质发生作用时往往表现为质发生作用时往往表现为粒子性粒子性. 希腊字母希腊字母: : 读读nju:,nj
14、u:,音同音同newnew1672T/年年1690186419051801托马斯托马斯杨杨双缝干涉双缝干涉实验实验1814菲涅耳菲涅耳衍射实验衍射实验赫兹赫兹电磁波实验电磁波实验1888赫兹赫兹发现光电效应发现光电效应牛顿微粒说牛顿微粒说占主导地位占主导地位波动说波动说渐成真理渐成真理.光的本性微粒说微粒说牛顿牛顿光的直进反射光的直进反射弹性粒子弹性粒子波动说波动说惠更斯惠更斯干涉、衍射干涉、衍射光是一种机械波光是一种机械波电磁说电磁说麦克斯韦麦克斯韦真空、横波、速度真空、横波、速度电磁波电磁波学说学说代表人物代表人物依据依据观点观点光的本性 光的本性 光的 波动说 光的 电磁说 光的衍射 光的干涉 电磁波谱 光的 微粒说 光的 光量子说 光电效应 薄膜干涉 双缝干涉 光的波、粒二象性 光的本性二、光子的能量和动量二、光子的能量和动量2Em c2hhhPmccccEh2hmc分析：得：hP1.动量和能量是描述粒子的动量和能量是描述粒子的h2.频率和波长则是用来描述波的频率和波长则是用来描述波的.
