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第四章 波粒二象性
粤教版选择性必修三
第三节 光的波粒二象性
新课导入
光的本质是什么？
Part 01
光的本性之争
第一次波粒之争
光在水里的速度比在空气大
光在水里的速度比在空气小
粒子说
粒子说
波动说
光是沿直线传播的，应该是微粒，因为波会弥散在空间中，不会聚成一条直线。
如果光是一种微粒，那么光在交叉时就会因发生碰撞而改变方向，可人们并没有观察到这种现象。
第二次波粒之争
水波的干涉
200年前，那时人们已经发现，如果有两列水波相遇到一块，水波就会叠加到一起。有的地方水面震动剧烈，有的地方水面很平静，这叫做波的干涉。
干涉现象是波动独有的特征，如果光真的是一种波，就必然会观察到光的干涉现象
第二次波粒之争
托马斯杨 ：双缝干涉实验
单缝
双缝
S1
S
S2
屏
杨氏双缝干涉实验证明了光是一种波
1801年，英国物理学家托马斯·杨在实验室里成功的观察到光的干涉
第二次波粒之争
泊松亮斑(圆盘衍射)
菲涅尔圆孔衍射
法国科学院举办了一场征文比赛，希望有人能用微粒说来解释光。
波动说
光遇到障碍物之后，会像水波一样绕过障碍物，衍射也是波的特点。
菲涅尔
泊松
微粒说
第二次波粒之争
麦克斯韦：光就是电场和磁场组成的波叫做电磁波，
电磁波可以在真空中传播。
波动说
光具有波动性
1888年，德国物理学家赫兹通过实验发现了电磁波。
第三次波粒研究
光电效应实验
一、光电效应的实验规律
1.存在截止频率；
2.具有瞬时性；
3.存在饱和电流；
4.存在遏止电压，与入射光频率有关。
19 世界 80 年代，人们发现某些金属在光的照射下会带电
第三次波粒研究
疑难一：截止电压由入射光频率决定，与光的强弱无关；
疑难二：存在截止频率；
疑难三：具有瞬时性。
经典电磁理论解释的困难
爱因斯坦光子说：光的能量不是连续的，
而是是一份一份的，每份为一个光子，
光子能量 .
光具有粒子性
光子假说很好地解释了光电效应的各种现象
第三次波粒研究
光具有粒子性
实验解释：
光子与电子发生碰撞过程，光子动量减少，波长变长，频率变小
速度仍为光速，运动质量减小
光电效应和康普顿效应让光的微粒说以一种新的形式呈现于世人面前。
康普顿效应
美国物理学家康普顿在研究石墨对X射线的散射时，发现一部分散射出来的X射线波长变长
X射线
电子
反冲电子
散射射线
第三次波粒研究
问题：光到底是粒子还是波呢？
光是一种电磁波：光的衍射和干涉实验
光是一种 粒子 ：光电效应和康普顿效应
第三次波粒研究
出现干涉条纹是光波动性的表现，但并不能完全排除光具有粒子性的可能。
把从光源发出的光看成由大量光子组成，部分光子经过缝S1,部分光子经过缝S2，然后两部分光子相互作用也可能形成干涉条纹。
为排除这种可能，我们将光源的强度降低，直到入射光减弱到每次只有一个光子经过狭缝，当前一个光子已经消失在感光片上，后一个光子才从光源发出。
1. 体现出光具有粒子性。
2. 体现出光具有波动性。
光子主要落在感光片的亮纹处
感光片上呈现杂乱分布的几个亮点
短时间曝光
稍长时间曝光
长时间曝光
实验结论：
由于每次穿过狭缝的只有一个光子，它不可能跟其他光子产生干涉，但光的干涉还是发生了。可见，波动性也是光子的属性。光既有粒子性，又有波动性，人们把这种性质称为光的波粒二象性。
Part 02
光的波粒二象性
干涉
衍射
表明光是一种波
表明光是一种粒子
光电效应
康普顿散射
光的波粒二象性：光既有粒子性，又有波动性
光的波粒二象性：光既有粒子性，又有波动性
光的粒子性:
1.与物质发生作用时,表现出粒子的性质
2.少量或个别光子容易显示出粒子性
3.频率较大时,波长较小，易显示粒子性
光的粒子性和波动性是统一的，并不是独立存在的。
正确理解波粒二象性
光的波动性:
1.在传播时,表现出波的性质
2.大量光子容易显示出波动性
3.频率较小时,波长较大，易显示波动性
光的粒子性和波动性是在不同条件下的表现
光子波动性和粒子性的联系
普朗克常量 h 是联系光子粒子性和波动性的桥梁
例1：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
C
课堂练习
解析：
一切光都具有波粒二象性，光的有些现象(如干涉、衍射)表现出波动性，光的有些现象(如光电效应、康普顿效应)表现出粒子性，所以，不能说有的光是波，有的光是粒子，A错误；
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，B错误；
光的波长越长，衍射性越好，即波动性越显著，光的波长越短，粒子性就越显著，C正确；大量光子的行为往往显示出波动性，D错误。
例2：(多选)关于光的本性，下列说法中正确的是 （ ）
A．光电效应反映光的粒子性
B．光子的能量由光的强度所决定
C．光子的能量与光的频率成正比
D．光在空间传播时，是不连续的，是一份一份的，每一份光叫做一个光子
ACD
课堂练习
例3：(多选)下列实验中，能证明光具有粒子性的是( )
A．光电效应实验
B．光的双缝干涉实验
C．光的圆孔衍射实验
D．康普顿效应实验
AD
课堂练习
【例4】美国物理学家康普顿在研究石墨对X射线的散射时，用X光对静止的电子进行照射，照射后电子获得速度的同时，X光光子的运动方向也会发生相应的改变。下列说法正确的是（ ）
A.当入射光子与晶体中的电子碰撞时，把部分动量转移给电子，因此光子散射后频率变大
B.康普顿效应揭示了光的粒子性，表明光子除了具有能量之外还具有动量
C.X光散射后与散射前相比，速度变小
D.散射后的光子虽然改变原来的运动方向，但频率保持不变
B
课堂练习
光子动量减小，波长变长，频率变小
光子动量减小，但速度仍为光速，运动质量减小
概率: 表征某一事物出现的可能性．
伽尔顿板实验 ——
表明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．
单光子双缝干涉实验 ——
表明单个光子落在感光片的位置是不确定的，但是它落在亮纹的可能性要大一些，即光子打在亮纹的概率较大．
每个光子按照一定的概率落在感光片的某一点上。概率大的地方落下的光子多，形成亮纹；概率小的地方落下的光子少，形成暗纹。所以，干涉条纹是光子落在感光片上各点的概率分布的反映。
因此，物理学中把光波看成是一种概率波。
概率波
短时间曝光
稍长时间曝光
长时间曝光
例1：(多选)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
BC
课堂练习
例2：下列关于光的波粒二象性的说法正确的是(　　)
A．一束传播的光，有的光是波，有的光是粒子
B．光波与机械波是同种波
C．光的波动性是由光子间的相互作用而形成的
D．光是一种波，同时也是一种粒子，光子说并未否定电磁说，在光子能量 ε＝hν 中，仍表现出波的特性
D
课堂练习
光波是一种概率波，对大量光子才有意义；
光波不是机械波，具有波粒二象性，是一种能量。
机械波是指通过介质传播的能量，在传播过程中介质的颗粒发生振动;
而光波则是电磁波的一种，是由电场和磁场交替产生的波动现象。
课堂小结
牛顿光的微粒说
光是实物粒子
惠更斯和托马斯杨的光的波动说
光是振动形式在媒质的传播——波
到麦克斯韦的光的电磁理论
光是电磁波
爱因斯坦的光子理论
光是能量子即光子
光具有波粒二象性，光是概率波
人们对光的本性的探究历程
光学发展史
T/年
波动性
粒子性
1690
惠更斯
波动说
1672
牛顿
微粒说
1905
爱因斯坦光子说
1864
麦克斯韦电磁说
1801
托马斯·杨双缝干涉实验
1814
菲涅耳衍射实验
1888
赫兹电磁波实验
赫兹发现光电效应
1916
密立根光电效应实验
1922
康普顿效应
牛顿微粒说占主导地位
波动说渐成真理
1909
爱因斯坦光的波粒二象性

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