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第四章 波粒二象性
第三节 光的波粒二象性
光的本质是什么？
1.了解光的本性探究过程
2.知道光的波粒二象性
一、光的本性之争
1.第一次波粒之争：对光的本质的探索，在过去根据不同的依据，产生了不同的看法
光在水里的速度比在空气大
光在水里的速度比在空气小
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。
2.第二次波粒之争
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
托马斯杨 ：双缝干涉实验（十大最美实验之一），
该实验成功观察到了光的波动，杨氏双缝干涉实验
证明了光是一种波,为光是一种波动提供了有力的证明。
菲涅尔圆孔衍射
除了杨氏双缝干涉实验，菲涅尔圆孔衍射也证明了光是一种波动。
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，从而征文到了泊松亮斑(圆盘衍射)，让光的本质没能落下定论。
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
泊松亮斑(圆盘衍射)
泊松
微粒说
物理学家麦克斯韦坚定的认为：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，
不过当时并没有实验证明电磁波的存在。
直到1888年，德国物理学家赫兹通过实验发现了电磁波。
3.第三次波粒研究
光电效应实验
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
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。
光电效应用经典电磁理论解释存在困难
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，即证明了：光具有粒子性
而爱因斯坦的光子假说很好地解释了光电效应的各种现象
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
除此之外，证明光具有粒子性的还有康普顿效应：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
二、光的波粒二象性
光的干涉和衍射实验表明，光是一种电磁波，具有波动性。而光电效应和康普顿效应则表明，光在与物体相互作用时，光子表现出粒子性。那么，光到底是粒子还是波呢？下面我们通过光的双缝干涉实验来研究这个问题。
如图所示，由光源S发出的光经双狭缝S1和S2后到达感光片D。我们知道，经过缝S1和经过缝S2的两部分光会产生干涉，结果将在感光片上形成明暗相间的干涉条纹。这是光的波动性表现。
但是，上述光的干涉并没有完全排除光是粒子的可能性。如果我们把从光源S发出的光看成是由大量光子组成的，那么可以认为，部分光子经过了缝S1，部分光子经过了缝S2，然后两部分光子相互干涉产生了干涉条纹。为了排除这种可能性，我们换一种方法再做上述实验。
我们将光源S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，前一个光子已经消失在感光片上，后一个光子才从光源出发。记录一段时间，这时感光片上呈现杂乱分布的几个亮点，如图4-3-5(a)所示。每个亮点都是一个光子在感光片上留下的记录，这显示出了光的粒子性。适当增加记录时间，我们会惊奇地发现，亮点在感光片上形成模糊的亮纹，如图4-3-5(b)所示。光子主要落在感光片的亮纹处，这就是干涉条纹。记录时间越长，干涉条纹越明显，图4-3-5(c)就是长时间记录形成的清晰的干涉图样。干涉条纹再次显示出光的波动性。
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。
（1）波粒二象性：光既具有波动性，又具有粒子性，人们把这种性质称为光的波粒二象性。
（2）概率波：在光的干涉、衍射实验中，每个光子按照一定的概率落在感光片上，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。所以条纹是光子落在感光片上各点的概率分布的反映，物理学中把光波看成是一种概率波。
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
，可以得出：
1.人们对“光的本性”的认识，经历了漫长的发展过程，下列符合物理学史实的是(　　)
A.牛顿提出光是一种高速粒子流，并能解释一切光的现象
B.惠更斯认为光是机械波，并能解释一切光的现象
C.为了解释光电效应，爱因斯坦提出了光子说
D.为了说明光的本性，麦克斯韦提出了光的波粒二象性
C
2.关于对光的本性的认识，下列说法中正确的是（　　）
A．牛顿的微粒说与爱因斯坦的光子说没有本质的区别
B．惠更斯的波动说与麦克斯韦电磁说没有本质的区别
C．麦克斯韦的电磁说与爱因斯坦的光子说说明光具有波粒二象性
D．牛顿的微粒说与惠更斯的波动说第一次揭示了光具有波粒二象性
C
3.（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
光的波粒二象性
(1)不可把光当成经典观念中的波，也不可把光子当成经典观念中的粒子。
(2)大量光子产生的效果往往显示出波动性，个别光子产生的效果往往显示出粒子性。
(3)频率越高的光，粒子性越明显；频率越低的光，波动性越明显。
(4)光在传播过程中往往显示出波动性，在与物质作用时往往显示出粒子性。

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