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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射線散射實驗.2.理解康普頓X射線實驗原理.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.光的波動性和粒子性不是均衡表現(xiàn)的,波長較長時,光子的能量和動量很小,波動性比較明顯,波長越長,波動性越明顯.光在與電子相互作用時表現(xiàn)為粒子性,在傳播過程中更多地表現(xiàn)為波動性.                     一、對康普頓效應(yīng)的理解 1.實驗現(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,振動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,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)因為碰撞中交換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.假設(shè)一個運(yùn)動的光子和一個靜止的自由電子碰撞以后,電子向某一個

4、方向運(yùn)動,光子沿另一方向散射出去,則這個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,遵守動量守恒和能量守恒,自由電子碰撞前靜止,碰撞后動量、能量均增加,所以光子的動量、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錯誤. 針對訓(xùn)練1 康普頓效應(yīng)證實了光子不僅具有能量,也具有動量.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,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)動方向,則碰撞過程中動量________(

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,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量守恒和能量守恒,所以碰撞之后光子和電子的總動量的方向與光子碰前的方向一致,由矢量合成知識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、對光的波粒二象性的理解 實驗基礎(chǔ) 表

6、現(xiàn) 說 明 光的波動性 光的干涉 和衍射 1.大量光子產(chǎn)生的效果顯示出波動性 2.頻率較低的光在傳播時,表現(xiàn)出波的性質(zhì) 1.光的波動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,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)出波動性,個別光子的行為往往表現(xiàn)出粒子性 B.光在傳播時是波,而與物質(zhì)相互作用時就轉(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,有時它的波動性顯著,有時它的粒子性顯著 答案 AD 解析 光的波粒二象性指光有時候表現(xiàn)出的粒子性較明顯,有時候表現(xiàn)出的波動性較明顯,D正確;大量光子的行為往往表現(xiàn)出波動性,個別光子的行為往往表現(xiàn)出粒子性,A正確;光在傳播時波動性顯著,光與物質(zhì)相互作用時粒子性顯著,B錯誤;頻率高的光粒子性顯著,頻率低的光波動性顯著,C錯誤. 針對訓(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,但電子是實物粒子,有靜止質(zhì)量,光子不是實物粒子,沒有靜止質(zhì)量;電子是以實物形式存在的物質(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驗表明,大量光子的行為表現(xiàn)出波動性,

9、個別光子的行為表現(xiàn)出粒子性.光的波長越長,衍射性越好,即波動性越顯著,光的波長越短,其光子能量越大,個別或少數(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C.                    對康普頓效應(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,發(fā)現(xiàn)散射光的波長發(fā)生了變化,為波動說提供了依據(jù) B.X射線散射時,波長改變的多少與散射角有關(guān) C.發(fā)生散射時,波長較短的X射線或γ射線入射時,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,發(fā)現(xiàn)散射光波長發(fā)生了變化,這種現(xiàn)象用波動說無法解釋,用光子說卻可以解釋,A錯;波長改變的多少與散射角有關(guān),B對;當(dāng)波長較短時發(fā)生康普頓效應(yīng),較長時發(fā)生光電效應(yīng),C、D對. 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,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驗結(jié)果相符,從而進(jìn)一步說明光具有________性. 答案 能量 動量 hν 粒子 對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表現(xiàn)為波動性,有時表現(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性表現(xiàn)明顯 答案 ABD 解析 光的波粒二象性指光有時候表現(xiàn)出的粒子性較明顯,有時候表現(xiàn)出的波動性較明顯,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性表現(xiàn)明顯;個別光子易表現(xiàn)出粒子性,大量光子易表現(xiàn)出波動性,A、D說法正確;光的頻率越高,能量越大,粒子性相對波動性越明顯,B說法正確,C說法錯誤. (時間:60

12、分鐘)                   題組一 對康普頓效應(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,光子有能量也有動量,當(dāng)光子與電子碰撞時,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,動量守恒,且λ=λ′ B.能量不守恒,動量不守恒,且λ=λ′ C.能量守恒,動量守恒,且λ<λ′ D.能量守恒,動量守恒,且λ>λ′ 答案 C 解析 能量守恒和動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.光子與電子碰撞時遵循這兩個守恒定律.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,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)動方向?qū)⑴c電子運(yùn)動方向在一條直線上,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D正確. 題組二 對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)人類對光的本性的認(rèn)識經(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.光的雙縫干涉實驗顯示了光具有波動性 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;干涉、衍射是波的特性,光能發(fā)生干涉說明光具有波動性,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,后來赫茲用實驗證實了光的電磁說,C正確;光具有波動性與粒子性,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;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;光波在少量的情況下體現(xiàn)粒子性,大量的情況下體現(xiàn)波動性,所以C對;光的波動性和粒子性不是

18、孤立的,而是有機(jī)的統(tǒng)一體,D錯. 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性和粒子性兩方面分別予以理解,故A、C選項錯誤.光的干涉、衍射現(xiàn)象只說明光的波動性,B選項錯誤.泊松亮斑能說明光具有波動性,光電效應(yīng)也說明光具有粒子性,故D選項正確. 9.(多選)在驗證光的波粒二象性的實驗中,下列說法正確的是(  ) A.使光子一個一個地通過狹縫,如果時間足夠長,底片上將會顯示衍射圖樣 B.單個光子通過狹縫后,底片上會出現(xiàn)完整的衍射圖

19、樣 C.光子通過狹縫的運(yùn)動路線是直線 D.光的波動性是大量光子運(yùn)動的規(guī)律 答案 AD 解析 個別或少數(shù)光子表現(xiàn)出光的粒子性,大量光子表現(xiàn)出光的波動性,如果時間足夠長,通過狹縫的光子數(shù)也就足夠多,粒子的分布遵從波動規(guī)律,底片上將會顯示出衍射圖樣,A、D選項正確;單個光子通過狹縫后,路徑是隨機(jī)的,底片上也不會出現(xiàn)完整的衍射圖樣,B、C選項錯. 10.牛頓為了說明光的性質(zhì),提出了光的微粒說,如今人們對光的性質(zhì)已有了進(jìn)一步的認(rèn)識,如圖1所示四個示意圖所表示的實驗,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

20、驗,可證明光的波動性;題圖③為光電效應(yīng)實驗,可說明光的粒子性,故正確選項為B.題圖①是α粒子散射實驗;題圖④是三種放射線在電場中偏轉(zhuǎn)的實驗. 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)的光波動性顯著些 D.a(chǎn)側(cè)的光的動量比b側(cè)光的動量大 答案 BD 解析 由幾何光學(xué)知識可得,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,紫光的動量大. 8

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