高中物理· 选修3-5· 教科版
4.3 光的波粒二象性
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
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， 其波长的改变量与散射角有关，而与入射线 波长和散射物质都无关。
单缝 双缝 屏幕
2、①滤光片的作用：得到单 色光. ②单孔的作用：是获得点 光源. ③双孔的作用：相当于两 个振动情况完全相同的光源， 双孔的作用是获得相干光源.
S1
S
S2 红滤色片
得到相干光源：一分为二的思想
光的干涉
双缝干涉
屏上看到明暗相间的条纹
激 光 束
双 缝
屏
光到底是什么？……………
微粒说：认为光是一种 粒子流，是实物粒子， 有静止质量，没有波动 性。 两者相互排斥，相互矛盾！！！
3. 因为碰撞中交换的能量和碰撞的角度有关，所以波长改
变和散射角有关。
四.康普顿散射实验的意义
（1）有力地支持了爱因斯坦“光量子”假设； （2）首次在实验上证实了“光子具有动量” 的假设； （3）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。 康普顿的成功也不是一帆风顺的，在他早期的几 篇论文中，一直认为散射光频率的改变是由于“混进 来了某种荧光辐射”；在计算中起先只考虑能量守恒， 后来才认识到还要用动量守恒。 康普顿于1927年获诺贝尔物理奖。
镜面检测
薄膜干涉
增透膜
光的干涉和衍射现象表明光确实是一种波
钢针的衍射
圆孔衍射
圆屏衍射
光电效应以及 康普顿效应等 无可辩驳的证 实了光是一种 粒子．
爱因斯坦
康普顿
光到底是一种波，还是一种粒子 呢？
减弱光源，直到只剩下一个光子
图4-3-3 光的双缝干涉
结论
1、图片呈现杂乱无章的几 个亮点清晰的显示了光的 粒子性． 2、亮点在感光片上形成 模糊的亮纹，形成了干涉 条纹。说明了波动性是
牛顿微粒说 占主导地位
光的本性
学说 微粒说 波动说 电磁说
代表人物 牛顿 惠更斯 麦克斯韦
依据 光的直进反射 干涉、衍射
观点 弹性粒子 光是一种机械波 电磁波
真空、横波、速度
光的本性
光的干涉 光的 光的 电磁说
薄膜干涉 双缝干涉 光的波、 粒二象 性
光的衍射
光 的 本 性
波动说
电磁波谱 光的 微粒说 光的 光量子说 光电效应
一.康普顿散射的实验装置与规律：
X 射线管 光阑
晶体
散射波长
0
j
探 测 器
石墨体 (散射物质)
X 射线谱仪
康普顿正在测晶体 对X 射线的散射 按经典电磁理论： 如果入射X光是 某种波长的电磁波， 散射光的波长是不 会改变的！
j =0O
..... .. ...... . . .. . ... . . . . . .. . . . ... .... ... . ... . . . . . .. . . ... . . . .. . . . . . . . . . . . . . . .. . . .
0
0.700 0.750
j =45O j =90
散射中出现 ≠0 的现象，称 为康普顿散射。 康普顿散射曲线的特点：
1.除原波长0外出现了移向 长波方向的新的散射波长 。 2.新波长 随散射角的增大 而增大。 波长的偏移为
O
j =135O
波长 λ（A）
o
0
二、经典电磁理论在解释康普顿效应时遇到的困难
1. 根据经典电磁波理论，当电磁波通过物 质时，物质中带电粒子将作受迫振动，其 频率等于入射光频率，所以它所发射的散 射光频率应等于入射光频率。 2. 无法解释波长改变和散射角的关系。
三、光子理论对康普顿效应的解释
康普顿效应是光子和电子作弹性碰撞的结果，具体解释 如下： 1. 若光子和外层电子相碰撞，光子有一部分能量传给电子, 散射光子的能量减少，于是散射光的波长大于入射光的波。 2. 若光子和束缚很紧的内层电子相碰撞，光子将与整个原 子交换能量,由于光子质量远小于原子质量，根据碰撞理论 ， 碰撞前后光子能量几乎不变，波长不变。
吴有训 （1897-1977）
波长的偏移只与散射角j 有关，而与散射物质 种类及入射的X射线的波长0 无关，
0 c (1 cos j )
c = 0.0241Å=2.4110-3nm（实验值）
称为电子的Compton波长 只有当入射波长0与c可比拟时，康普顿效应才显 著，因此要用X射线才能观察到康普顿散射，用可
牛顿
波动说：认为波是一种 机械波，没有物质性， 在太空中传播要依赖 “以太”这种媒介。
惠更斯
光子说：认为光是一份一份 的光子构成，是一种没有静 止质量的特殊物质，具有波 动性。
两者是统一的，并没有否定对 方！
爱因斯坦
电磁说：认为光是一种电 磁波，是物质的一种特殊 形态，在真空传播不需依 赖媒介
麦克斯韦
见光观察不到康普顿散射。
光的 干涉
1801年，英国物理学家托马斯· 杨在实 验室里成功的观察到了光的干涉．
两列或几列光波在空间相遇时相互叠加，
在某些区域始终加强，在另一些区域则始终
削弱，形成稳定的强弱分布的现象。
一、光的干涉现象---杨氏干涉实验
1、装置特点：
（1）双缝很近 0.1mm， （2）双缝S1、S2与单缝S的距离相等.
五、吴有训对研究康普顿效应的贡献
1923年,参加了发现康普顿效应的研究工作. 1925—1926年，吴有训用银的X射线(0 =5.62nm) 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( j 1200 )测量
各种波长的散射光强度，作了
大量 X 射线散射实验。 对证实康普顿效应作出了重要 贡献。
希腊字母: ν 读[nju:],音同
光的本性
托马斯· 杨 双缝干涉 实验
菲涅耳 衍射实验
惠更斯 波动说 Biblioteka 690 1672牛顿 微粒说
赫兹 电磁波实验
麦克斯韦 电磁说 1864 1888 ………. 1905 爱因斯坦 光子说
波 动 性 T/年 粒 子 性
1801 1814
赫兹 发现光电效应 波动说 渐成真理
短
曝 光 时 间
每一个光子的属性。
并且每一次光子落在亮条 纹的可能性大，落在暗条 纹处的可能性小。
长
干涉条纹是光子落在感光片上各点的概率 分布的反映。光是一种概率波。 光的波粒二象性： ⑴个别光子的作用效果往往表现为粒子性;大 量光子的作用效果往往表现为波动性. ⑵ν高的光子容易表现出粒子性;ν低的光子容 易表现出波动性. ⑶光在传播过程中往往表现出波动性;在与物 质发生作用时往往表现为粒子性.
二、光子的能量和动量
分析：E
mc
2
E h
h h h 得： P mc 2 c c c
h m 2 c
h
P h
1.动量和能量是描述粒子的 2.频率和波长则是用来描述波的.