第14.2节 波粒二象性-【帮课堂】2023-2024学年高二物理同步学与练（沪科版2020上海选择性必修第三册）

第十四章 微观粒子的波粒二象性 14.2 波粒二象性 🧭目标导航 知识要点 难易度 1. 康普顿散射，波长变长，能量有损失 2. 光的波粒二象性，波是几率波 3. 实物粒子的波粒二象性： 4. 电子衍射验证 ★★ ★★ ★★★ ★★ 📚知识精讲 一、康普顿效应 1. 光的散射：光在介质中与物质微粒相互作用，因而传播方向发生改变，这种现象叫做光的散射。 2. 康普顿效应 在研究石墨对X射线的散射时，发现在散射的X射线中，除了与入射波长𝝀𝟎相同的成分外，还有波长大于𝝀𝟎的成分，这个现象称为康普顿效应。 波长变长说明能量有损失。 3. 光的散射经典解释出现矛盾 入射的电磁波引起物质内部带电微粒的受迫振动，振动着的带电微粒进而再次产生电磁波，并向四周辐射，这就是散射波。散射的X射线频率应该等于带电粒子受迫振动的频率，也就是入射X射线的频率。相应地，X射线的波长也不会在散射中发生变化。 4. 光子模型解释康普顿效应 光子不仅具有能量，而且具有动量，光子的动量p与光的波长λ和普朗克常量h有关： 波长变长的解释：碰撞过程中动量减小，所以波长增大，即： 例1. 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，除了有与入射波长相同的成分外，还有其他波长的X射线，这是由入射光子与晶体中的电子碰撞引起的。已知普朗克常量为h。下列说法错误的是（　　） A．康普顿效应揭示了光的粒子性 B．光子散射后波长变大 C．光子与电子碰撞后速度变小 D．若碰撞后电子的动量为p，则其物质波波长为 二、光的波粒二象性 1. 光的本质的认识过程： 2. 光的波粒二象性：光既具有波动性，又具有粒子性。 光的粒子性和波动性是在不同条件下的表现。 传播的过程中，表现出波动性；波长较长时，波动性较强。 与物体相互作用时，表现出粒子性；波长较短时，粒子性较强。 光 波动性（电磁波） 粒子性（光子） 描述参量 波长、频率、波速 质量、动量、能量 行为特性 干涉、衍射、横波偏振 黑体辐射、光电效应、康普顿效应 联系 3. 实验验证： 将激光光源的强度逐渐调弱，每次只有一个光子通过单缝。单缝衍射像如下。 当光子比较少时表现为粒子性，光子比较多时在衍射图样明暗条纹清晰，波动性表现明显。 说明在明条纹处光子出现的概率较大，所以光波也称为概率波/几率波。 例2. 下列关于概率波的说法中，正确的是（       ） A．概率波就是机械波 B．物质波是一种概率波 C．概率波和机械波的本质是一样的，都能发生干涉和衍射现象 D．在光的双缝干涉实验中，若粒子每次都是一个一个地通过，能确定粒子会通过哪一个缝 三、实物粒子的波粒二象性 1. 德布罗意波 (1) 1924年，德布罗意把光的波粒二象性推广到实物粒子，如电子、质子等，即所有实物粒子都具有波动性。 (2) 每一个运动的粒子都与一个对应的波相联系。 粒子的能量ε和动量p跟它所对应的波的频率v和波长λ之间，遵从如下关系： 德布罗意波长和频率公式 这种与实物粒子相联系的波叫做德布罗意波，也叫物质波。其波长λ称为德布罗意波长。 2. 对德布罗意波的理解： (1) 任何物体，小到电子、质子，大到行星、太阳都存在波动性，我们之所以观察不到宏观物体的波动性，是因为宏观物体对应的波长太小的缘故。 (2) 德布罗意波是一种概率波，粒子在空间各处出现的概率受波动规律支配，不要以宏观观点中的波来理解德布罗意波。 (3) 德布罗意假说是光子的波粒二象性的推广，适应所有的物质粒子，即光子与实物粒子都具有粒子性，又都具有波动性，与光子对应的波是电磁波，与实物粒子对应的波是物质波。 例3. 如果下列四种粒子具有相同的速率，则德布罗意波长最小的是(　　) A.α粒子 B.β粒子 C.中子 D.质子 四、电子衍射现象 1. 大量实验证实了：质子、中子和原子、分子等实物微观粒子都具有波动性，并满足德布罗意关系。 电子经过晶体的衍射实验图像如下，证明了粒子性和波动性同时存在。 2. 量子理论的应用：电子显微镜 利用量子理论研制的电子显微镜，分辨率大大超过光学显微镜。 原理：通过加速电子，使电子获得很高的动量，即波长变短，衍射效应大大减小，从而提高了分辨率。 例4. 科研人员利用冷冻电镜断层扫描技术首次“拍摄”到新冠病毒的3D清晰影像，冷冻电镜是利用高速电子具有波动性原理，其分辨率比光学显微镜高1000倍以上。下列说法正确的是（　　） A．电子的实物波是电磁波 B．电子的德布罗意波长与其动量成正比 C．冷冻电镜的分辨率与电子加速电压有关，加速电压越高，则分辨率越低 D．若用相同动能的质子代替电子，理论上也能“拍摄”到新冠病毒的3D清晰影像 🚀考点题型 题型01 微观世界波