6.3 波粒二象性 课件 -2024-2025学年高二下学期物理教科版（2019）选择性必修第三册

第三节 波粒二象性 教科版选择性必修三第六章 波粒二象性 授课人： 1 学习目标 02 了解康普顿效应现象及其意义; 01 03 了解光的波粒二象性，感受微观粒子运动的复杂性; 了解光是一种概率波，感受宏观微观的辩证统一。 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。 一、康普顿效应 白天的天空各处都是亮的，航天员在大气层外飞行时，尽管太阳的光线耀眼刺目，其它方向的天空却是黑的，甚至可以看见星星。 2、康普顿效应(教材135页）： 一、康普顿效应 1923年康普顿在做 X 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同的射线外，还有比入射线波长更长的射线。 康普顿散射或康普顿效应：X射线经物质散射后，波长变长的现象 康普顿正在测晶体对X 射线的散射 （1897-1977） 吴有训 吴有训对研究康普顿效应的贡献 实验背景 1923年，吴有训参加了发现康普顿效应的研究工作。 实验过程 1925—1926年，吴有训用银的X射线为入射线，以15种轻重不同的元素为散射物质，在同一散射角测量各种波长的散射光强度，作了大量 X 射线散射实验。 实验发现 原子量小的物质康普顿散射较强，原子量大的物质康普顿散射较弱；当散射角增加时，波长改变也随着增加；同一散射角下，所有散射物质的波长改变都相同。 实验贡献 对证实康普顿效应作出了重要贡献。 康普顿的学生，中国留学生吴有训（1897 — 1977）测试了多种物质对 X 射线的散射，证实了康普顿 效应的普遍性，物理学界也把康普顿效应称为康普顿-吴效应 3、康普顿效应解释中的疑难 经典电磁理论在解释康普顿效应时遇到的困难 光子理论对康普顿效应的解释 7 4、康普顿散射实验的意义 02 01 03 证实光子动量 首次在实验上证实了“光子具有动量”的假设。 验证守恒定律 证实了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立的。 支持光量子假设 有力地支持了爱因斯坦“光量子”假设。 康普顿因此获得了1927年的诺贝尔物理学奖 二、光的本性――波粒二象性 粒子性： 光电效应和康普顿效应 波动性： 光的干涉和衍射 微观认识论中波和微粒是统一的 不同于宏观认识中牛顿所指的粒子和惠更斯所指的波 01 02 03 1.光是一种波,同时又是一种粒子 动量、能量是描述粒子的 频率、波长则是用来描述波的 能量： 动量： 2. 光子的能量和动量公式 康普顿的基本思想是：光子不仅具有能量，也像其他粒子那样具有动量 爱因斯坦的狭义相对论 一个光子的能量 这里得出的光子质量是它 的相对论质量，由于 光子不能静止下来，所以它没有静止质量 3、理解： 光什么时候表现为波，什么时候为粒子？ 双缝干涉实验中：Δx=Lλ/d，波长长，干涉条纹明显。 双缝干涉实验 光电效应中：光波长短，频率大，易产生光电效应。 光电效应 （1）波长较长时光的波动性显著，波长较短时光的粒子性显著。 结论 现象2:用微弱的光做双缝实验 曝光时间短时，感光胶片上光子所到达的位置无法预测 曝光时间长时，感光胶片上出现干涉条纹(波动理论解释) 【结论2】 　 （2）少量光子主要表现为粒子性 　　 大量光子主要表现为波动性 3、理解： 光什么时候表现为波，什么时候为粒子？ 3、理解：光什么时候表现为波，什么时候为粒子？ 表现类型 具体表现条件 粒子性 - 波长较短时（如 X 射线、γ 射线） - 光子数量较少时 - 光与物质发生相互作用时（如光电效应、康普顿散射） 波动性 - 波长较长时（如无线电波、微波） - 光子数量较多时 - 光的传播过程中（如干涉、衍射现象） E  h h p   （能量） （频率） （动量） E p  （波长） 粒子性 波动性 h h 架起了粒子性与波动性之间的桥梁 爱因斯坦的光子说表明，光具有波粒二象性 3、理解：光什么时候表现为波，什么时候为粒子？ 概率表征某一事物出现的可能性 ，光子落在某些条形区域内的可能性较大（对于波的干涉即为干涉加强区），光子落在某些条形区域内的可能性较小（对于波的干涉即为干涉减弱区） ② 光波是一种概率波 (即光子在空间各点出现的可能性的大小(概率)可以用波动规律进行解释) [伽尔顿板实验] 单个小球下落的位置是不确定的，但是它落在中间狭槽的可能性要大一些，即小球落在中间的概率较大 ①波动性是光子本身的一种属性 【注意】 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．康普顿效应表明光具有粒子性 在光的单缝衍射实验中，在光屏上放上照相底片，并设法控制光的强度，尽可能使光子一个一个地通过狭缝，假设光子出现在中央亮纹的概率为90%，下列说法正确的是(　　) A．第一个光子一定出现在中央亮纹上 B．第一个光子可能不出现在中央亮纹上 C．如果前9个光子均出现在中央亮纹上，则第10个光子还有可能出现在中央亮纹上 D．如果前9个光子均出现在中央亮纹上，则第10个光子一定不能出现在中央亮纹上 德布罗意波长：　　 既然光波具有粒子性，那么质子、电子，以至原子、分子等实物粒子是否也会具有波动性呢？ １. 定义：任何一个运动着的物体，都有一种波和它相对应（即具有波动性），这种波叫做物质波（德布罗意波） 三、德布罗意物质波假说 运动物体的动量 普朗克常量 为什么我们观察不到宏观物体的波动性？ 因为宏观物体的德布罗意波长太小，但是，微观粒子则有可能观察到它们的波动性 看课本138-139页(戴维孙—革末，勾画课本） 电子束在晶体表面散射时的衍射图样 ２. 物质波也是概率波 即它在空间各处出现的概率同样受波动规律支配 勾画课本139-140页 【例1】 (多选)根据物质波理论，以下说法正确的是(　　) A．微观粒子有波动性，宏观物体没有波动性 B．宏观物体和微观粒子都具有波动性 C．宏观物体的波动性不易被人观察到是因为它的波长太长 D．速度相同的质子和电子相比，电子的波动性更为明显 光的本性认识过程 牛顿 微粒说 惠更斯 波动说 麦克斯韦 电磁说 爱因斯坦 光子说 菲涅耳 衍射实验 光是一种微细 实物粒子构成 的流体物质 光波既通过以太微 粒、又通过晶体物 质微粒传播的纵波 光的干涉衍射等波所特 有现象的实验发现 及新 发明的数学方法证明了 光是波（机械波） 他发展了光的波动说， 用光 的电磁波理论代替光的机械波 理论，这也解决了传播媒质这 一难题。光的传播是连续的。 赫兹 光电效应 实验 光既具有粒子性：能量子 又具有波动性： 概率波 光具有波粒二象性 密立根 光电效应 实验 康普顿效应 托马斯·杨双缝干涉实验 $$