2光的波粒二象性已改完

呼和浩特市第一中学物理学案 第二十一章 量子论初步

第二节 光的波粒二象性

★预习引导

1. 光到底是什么？

2. 为什么说光是一种概率波？

★读书自检

１．光电效应以及后来发现的康普顿效应无可辩驳的证明了光是 ,但是光的 和 现象又表明光确实是一种波．

２．现代物理学认为，光是一种 ，同时也是一种 ．光具有 性．

３．光子在空间各点出现的可能性的大小，可以用波动规律来描述，因此物理学中把光波叫做 波.

４．实验表明光的波动性不是光子之间的相互作用引起的．波动性是 本身的一种属性．

★要点精析

l．光具有波粒二象性

光是一种波，同时也是一种粒子．光具有波粒二象性. 光电效应及康普顿效应充分说明光是一种粒子，而光的干涉和光的衍射又表明光是一种波.

2．光波是一种概率波

光子在空间各点出现的可能性的大小，可用波动规律描述．在双缝干涉实验中，．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．光子通过双缝后对某一个光子而言其运动是不可控制的，但对大量的光子而言，它们落在光屏上的位置又是有规律性的．即某些区域光子落点多，呈现亮条纹，另一些区域光子落点少，呈现暗条纹，这种规律性又可用波的特性来解释，因此说光波是一种概率波．

可见，大量光子产生的效果往往显示出波动性；少量光子产生的效果往往显示出粒子性; 同时波长较长的光往往表现为波动性强些，波长较短的光往往表现为粒子性强些.

注意，这里所说的光，已经不限于可见光，而应当广义理解.

????????????? 第7页 ????第二节 光的波粒二象性

呼和浩特市第一中学物理学案 第二十一章 量子论初步

3．对光的波粒二象性的理解

① 光的波粒二象性，既不能把光理解成宏观概念中的波，也不能把光子看作宏观概念中的粒子．

② 频率低的光波动性越明显（易发生衍射而沿曲线传播），频率高的光粒子性越明显（直线传播性越好）．

③ 光在传播过程中往往显示波动性（如衍射和干涉），在跟物质相互作用时往往显示粒子性（如光电效应）．

④ 光子的能量与其对应的能量成正比,而频率是反应波动特征的物理量,因此E?h?揭示了光的粒子性和波动性之间的密切联系.

⑤ 光的波动性不是光子间的相互作用引起的，波动性是光子本身的一种属性. ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．

★应用演练

【例1】在验证光的波粒二象性的实验中，下列说法正确的是

A. 使光子一个一个地通过狭缝，如果时间足够长底片上将会显示衍射图样 B. 单个光子通过狭缝，底片上会出现完整的衍射图样 C. 光子通过狭缝的运动路线是直的 D. 光的波动性是大量光子运动的规律 解析: 选A D

【例2】下列哪组现象能说明光既有波动性，又有粒子性 ( ) A．光的色散和光的干涉 B．光的干涉和光的衍射 C．泊松亮斑和光电效应 D．光的反射和光电效应 解析：光的色散表明不同颜色的光在同一介质中折射率不同，光的干涉和衍射是波特有的现象，泊松亮斑是光的衍射造成的．故c正确．

〖点评〗光电效应说明光具有粒子性，光的干涉、衍射说明光具有波动性． 【例3】关于光的波粒二象性，下列说法正确的是 ( ) A．有的光是波，有的光是粒子

B．光子和电子是一种同样的粒子，称为光电子 C．光的波长越长，光的波动性越显著 D．光子数目越多，光的粒子性越显著

解析：光子不带电，光电子是光电效应中，由于光的照射从金属表面逸出的电子，故B错误．光具有波粒二象性，光的波长越长，其波动性越显著，反之，则粒子性越显著，故AD错误，C正确．

〖点评〗微观世界中波和粒子是统一的．

【例4】关于光的本性，下列说法正确的是 ( )

A．光的波粒二象性说明光既与宏观中波的运动相同，又与宏观中粒子的运动

????????????? 第8页 ????第二节 光的波粒二象性

呼和浩特市第一中学物理学案 第二十一章 量子论初步

相同

B．大量光子产生的效果往往显示波动性，个别光子产生的效果往往显示粒子

性

C．光在传播时往往表现波动性，在跟物质相互作用时，往往表现出粒子性 D．光既有波动性，又具有粒子性，二者并不矛盾 解析：由光的波粒二象性可知A错误，BCD正确． 〖点评〗光的波粒二象性是微观世界特有的规律，既不能理解成宏观概念中的波，也不能把光子看作宏观概念中的粒子．

【例5】科学研究表明：能量守恒和动量守恒是自然界的普遍规律．从科学实践的角度来看，迄今为止，人们还没有发现这些守恒定律有任何例外．相反，每当在实验中观察到似乎是违反守恒定律的现象时，物理学家们就会提出新的假设来补救，最后总是以有新的发现而胜利告终．如人们发现，在两个运动着的微观粒子的电磁相互作用下，两个粒子的动量的矢量和似乎是不守恒的．这时物理学家又把动量的概念推广到了电磁场，把电磁场的动量也考虑进去，总动量就又守恒了．现将沿一定方向运动的光子与一个原来静止的自由电子发生碰撞，碰后自由电子向某一方向运动，而光子沿另一方向散射出去．这个散射出去的光子与入射前相比较

A．速率增大 B．波长增长 C．频率增大 D．能量增加

〖点评〗根据光的波粒二象性，光子与电子相互作用时，表现出粒子性，且作用过程遵循动量守恒和能量守恒，故碰撞后光子沿另一方向散射，且自身能量减少，频率降低，波长增长，故ACD错误，B正确．

【例6】已知人眼瞳孔的直径为d，一秒钟内进入瞳孔N个波长为λ的光子时，就能引起视觉，现有一辐射功率为P的点光源，发出波长为λ的光，则此光源能被人眼看到的最大距离是多少?

dP?1c?d?解析: 由题意有: 解之:N=???Nh??44?R2??2?

2P? hcN★同步练习

A组

1．下列实验中，能证实光具有粒子性的是 ( ) A

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．光的反射实验

2．关于光的本性，下列说法中正确的是 ( ) D

????????????? 第9页 ????第二节 光的波粒二象性

呼和浩特市第一中学物理学案 第二十一章 量子论初步

A．频率较低的光只有波动性，频率较高的光只有粒子性，统一称为光的波粒二象性

B．由于大量光子的作用表现为波动性，所以光的波动性是光子之间的相互作用引起的

C．光电效应实验证实了光的粒子性，否定了光的波动性 D．光子既具有粒子性，也有波动性

3．下列关于光的波粒二象性的说法中，正确的是 C

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．大量光子产生的效果往往显示粒子性 4．下列说法不正确的是 C

A．光是一种电磁波 B．光是一种概率波

C．光子相当于高速运动的质点

D．光的直线传播只是宏观近似规律

5．A、B两种单色光分别垂直水面从水面射到池底，它们经历的时间ｔＡ＞ｔＢ那

么两种光子的能量关系是 ( ) A A．EＡ>EB B．EA

6． 下面说法中正确的是 ( ) A

①光子射到金属表面时，可能有电子发出 ②光子射到金属表面时，一定有电子发出 ③电子轰击金属表面时，可能有光子发出 ④电子轰击金属表面时，一定没有光子发出 A．①③ B．①④ C．②③ D．②④

B组

1．假设一个沿着一定方向运动的光子和一个静止的自由电子相互碰撞，碰撞过程

中能量、动量均守恒．碰撞以后，电子向某一个方向运动，光子沿另一方向散射出去．则这个散射光子跟原来的光子相比 ( ) D A．频率变大 B．速度变小 C．光子能量变大 D．波长变长

2．一个手电筒灯泡在3 V的电压下，通过0.25 A的电流，灯泡所发出的光汇聚后

形成一个面积为10 cm2的平行光束．如果灯泡所消耗的能量中有1％转化为波

????????????? 第10页 ????第二节 光的波粒二象性

呼和浩特市第一中学物理学案 第二十一章 量子论初步

长为6.00×10-7m的可见光，求：

(1) 沿光传播方向上1 m长的光束内有多少个光子? 7.54×107个

(2) 在光束垂直照射的物体表面上，平均每秒钟每平方厘米的表面上接收到多少个光子? 2.26×1015个

????????????? 第11页

????第二节 光的波粒二象性