第14.2節(jié)波粒二象性（原卷版）

第十四章微觀粒子的波粒二象性14.2波粒二象性??目標(biāo)導(dǎo)航知識(shí)要點(diǎn)難易度1.康普頓散射，波長(zhǎng)變長(zhǎng)，能量有損失2.光的波粒二象性，波是幾率波3.實(shí)物粒子的波粒二象性：4.電子衍射驗(yàn)證★★★★

★★★★★??知識(shí)精講一、康普頓效應(yīng)1.光的散射：光在介質(zhì)中與物質(zhì)微粒相互作用，因而傳播方向發(fā)生改變，這種現(xiàn)象叫做光的散射。2.康普頓效應(yīng)在研究石墨對(duì)X射線的散射時(shí)，發(fā)現(xiàn)在散射的X射線中，除了與入射波長(zhǎng)????相同的成分外，還有波長(zhǎng)大于????的成分，這個(gè)現(xiàn)象稱為康普頓效應(yīng)。波長(zhǎng)變長(zhǎng)說(shuō)明能量有損失。3.光的散射經(jīng)典解釋出現(xiàn)矛盾入射的電磁波引起物質(zhì)內(nèi)部帶電微粒的受迫振動(dòng)，振動(dòng)著的帶電微粒進(jìn)而再次產(chǎn)生電磁波，并向四周輻射，這就是散射波。散射的X射線頻率應(yīng)該等于帶電粒子受迫振動(dòng)的頻率，也就是入射X射線的頻率。相應(yīng)地，X射線的波長(zhǎng)也不會(huì)在散射中發(fā)生變化。4.光子模型解釋康普頓效應(yīng)光子不僅具有能量，而且具有動(dòng)量，光子的動(dòng)量p與光的波長(zhǎng)λ和普朗克常量h有關(guān)：波長(zhǎng)變長(zhǎng)的解釋：碰撞過(guò)程中動(dòng)量減小，所以波長(zhǎng)增大，即：例1.康普頓在研究石墨對(duì)X射線的散射時(shí)，發(fā)現(xiàn)散射的X射線中，除了有與入射波長(zhǎng)相同的成分外，還有其他波長(zhǎng)的X射線，這是由入射光子與晶體中的電子碰撞引起的。已知普朗克常量為h。下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是（）A．康普頓效應(yīng)揭示了光的粒子性B．光子散射后波長(zhǎng)變大C．光子與電子碰撞后速度變小D．若碰撞后電子的動(dòng)量為p，則其物質(zhì)波波長(zhǎng)為二、光的波粒二象性1.光的本質(zhì)的認(rèn)識(shí)過(guò)程：2.光的波粒二象性：光既具有波動(dòng)性，又具有粒子性。光的粒子性和波動(dòng)性是在不同條件下的表現(xiàn)。傳播的過(guò)程中，表現(xiàn)出波動(dòng)性；波長(zhǎng)較長(zhǎng)時(shí)，波動(dòng)性較強(qiáng)。與物體相互作用時(shí)，表現(xiàn)出粒子性；波長(zhǎng)較短時(shí)，粒子性較強(qiáng)。光波動(dòng)性（電磁波）粒子性（光子）描述參量波長(zhǎng)、頻率、波速質(zhì)量、動(dòng)量、能量行為特性干涉、衍射、橫波偏振黑體輻射、光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)聯(lián)系3.實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：將激光光源的強(qiáng)度逐漸調(diào)弱，每次只有一個(gè)光子通過(guò)單縫。單縫衍射像如下。當(dāng)光子比較少時(shí)表現(xiàn)為粒子性，光子比較多時(shí)在衍射圖樣明暗條紋清晰，波動(dòng)性表現(xiàn)明顯。說(shuō)明在明條紋處光子出現(xiàn)的概率較大，所以光波也稱為概率波/幾率波。例2.下列關(guān)于概率波的說(shuō)法中，正確的是（

）A．概率波就是機(jī)械波B．物質(zhì)波是一種概率波C．概率波和機(jī)械波的本質(zhì)是一樣的，都能發(fā)生干涉和衍射現(xiàn)象D．在光的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中，若粒子每次都是一個(gè)一個(gè)地通過(guò)，能確定粒子會(huì)通過(guò)哪一個(gè)縫三、實(shí)物粒子的波粒二象性1.德布羅意波(1)1924年，德布羅意把光的波粒二象性推廣到實(shí)物粒子，如電子、質(zhì)子等，即所有實(shí)物粒子都具有波動(dòng)性。(2)每一個(gè)運(yùn)動(dòng)的粒子都與一個(gè)對(duì)應(yīng)的波相聯(lián)系。粒子的能量ε和動(dòng)量p跟它所對(duì)應(yīng)的波的頻率v和波長(zhǎng)λ之間，遵從如下關(guān)系：德布羅意波長(zhǎng)和頻率公式這種與實(shí)物粒子相聯(lián)系的波叫做德布羅意波，也叫物質(zhì)波。其波長(zhǎng)λ稱為德布羅意波長(zhǎng)。2.對(duì)德布羅意波的理解：(1)任何物體，小到電子、質(zhì)子，大到行星、太陽(yáng)都存在波動(dòng)性，我們之所以觀察不到宏觀物體的波動(dòng)性，是因?yàn)楹暧^物體對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)太小的緣故。(2)德布羅意波是一種概率波，粒子在空間各處出現(xiàn)的概率受波動(dòng)規(guī)律支配，不要以宏觀觀點(diǎn)中的波來(lái)理解德布羅意波。(3)德布羅意假說(shuō)是光子的波粒二象性的推廣，適應(yīng)所有的物質(zhì)粒子，即光子與實(shí)物粒子都具有粒子性，又都具有波動(dòng)性，與光子對(duì)應(yīng)的波是電磁波，與實(shí)物粒子對(duì)應(yīng)的波是物質(zhì)波。例3.如果下列四種粒子具有相同的速率，則德布羅意波長(zhǎng)最小的是()A.α粒子 B.β粒子C.中子D.質(zhì)子四、電子衍射現(xiàn)象1.大量實(shí)驗(yàn)證實(shí)了：質(zhì)子、中子和原子、分子等實(shí)物微觀粒子都具有波動(dòng)性，并滿足德布羅意關(guān)系。電子經(jīng)過(guò)晶體的衍射實(shí)驗(yàn)圖像如下，證明了粒子性和波動(dòng)性同時(shí)存在。2.量子理論的應(yīng)用：電子顯微鏡利用量子理論研制的電子顯微鏡，分辨率大大超過(guò)光學(xué)顯微鏡。原理：通過(guò)加速電子，使電子獲得很高的動(dòng)量，即波長(zhǎng)變短，衍射效應(yīng)大大減小，從而提高了分辨率。例4.科研人員利用冷凍電鏡斷層掃描技術(shù)首次“拍攝”到新冠病毒的3D清晰影像，冷凍電鏡是利用高速電子具有波動(dòng)性原理，其分辨率比光學(xué)顯微鏡高1000倍以上。下列說(shuō)法正確的是（）A．電子的實(shí)物波是電磁波B．電子的德布羅意波長(zhǎng)與其動(dòng)量成正比C．冷凍電鏡的分辨率與電子加速電壓有關(guān)，加速電壓越高，則分辨率越低D．若用相同動(dòng)能的質(zhì)子代替電子，理論上也能“拍攝”到新冠病毒的3D清晰影像??考點(diǎn)題型題型01微觀世界波粒二象性的理解例5.（多選）根據(jù)物質(zhì)波理論，下列說(shuō)法正確的是（）A.微觀粒子有波動(dòng)性，宏觀物體沒(méi)有波動(dòng)性B.宏觀物體和微觀粒子都具有波動(dòng)性C.宏觀物體的波動(dòng)性不易被人觀察到是因?yàn)樗牟ㄩL(zhǎng)太長(zhǎng)D.速度相同的質(zhì)子和電子相比，電子的波動(dòng)性更為節(jié)明顯題型02德布羅意波長(zhǎng)計(jì)算例6.已知普朗克常量h＝6.63×10－34J·s，電子的質(zhì)量為9.11×10－31kg，一個(gè)電子和一滴直徑約為4μm的油滴具有相同動(dòng)能，油滴密度是0.8×103kg/m3，則電子與油滴的德布羅意波長(zhǎng)之比的數(shù)量級(jí)為()A．10－8B．106C．108 D．1016題型03光的波粒二象性實(shí)驗(yàn)例7.極微弱的可見(jiàn)光做雙縫干涉實(shí)驗(yàn)，隨著時(shí)間的增加，在屏上先后出現(xiàn)如圖（a）（b）（c）所示的圖像，則（）A．圖像（a）表明光具有波動(dòng)性 B．圖像（c）表明光具有粒子性C．用紫外線觀察不到類似的圖像 D．實(shí)驗(yàn)表明光是一種概率波題型04實(shí)物粒子的波粒二象性實(shí)驗(yàn)例8.1927年戴維遜和革末完成了電子衍射實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)是榮獲諾貝爾獎(jiǎng)的重大近代物理實(shí)驗(yàn)之一．如圖所示是該實(shí)驗(yàn)裝置的簡(jiǎn)化圖，下列說(shuō)法不正確的是()A．亮條紋是電子到達(dá)概率大的地方 B．亮條紋說(shuō)明電子不是沿直線運(yùn)動(dòng)的C．該實(shí)驗(yàn)再次說(shuō)明光子具有波動(dòng)性 D．該實(shí)驗(yàn)說(shuō)明實(shí)物粒子具有波動(dòng)性??鞏固練習(xí)~A組~1.（多選）關(guān)于光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)的規(guī)律，下列說(shuō)法正確的是（）A．光電效應(yīng)中，金屬板向外發(fā)射的光電子又可以叫光子B．用光照射金屬不能發(fā)生光電效應(yīng)是因?yàn)樵撊肷涔獾念l率小于金屬的截止頻率C．石墨對(duì)X射線散射時(shí)，部分X射線的散射光波長(zhǎng)會(huì)變大，這個(gè)現(xiàn)象稱為康普頓效應(yīng)D．康普頓效應(yīng)說(shuō)明光具有粒子性2．下列有關(guān)說(shuō)法正確的是（）A．玻爾在1900年把能量子引入物理學(xué)，破除了“能量連續(xù)變化”的傳統(tǒng)觀念B．動(dòng)能相同的一個(gè)質(zhì)子和電子，質(zhì)子的德布羅意波長(zhǎng)比電子長(zhǎng)C．康普頓效應(yīng)表明光子不僅具有能量，還具有動(dòng)量D．普朗克大膽地把光的波粒二象性推廣到實(shí)物粒子，預(yù)言實(shí)物粒子也具有波動(dòng)性3.下列說(shuō)法正確的是（）A.物質(zhì)波屬于機(jī)械波B.只有像電子、質(zhì)子、中子這樣的微觀粒子才具有波動(dòng)性C.德布羅意認(rèn)為，任何一個(gè)運(yùn)動(dòng)著的物體，小到電子、質(zhì)子，大到行星、太陽(yáng)都具有一種波和它對(duì)應(yīng)，這種波叫做物質(zhì)波D.宏觀物體運(yùn)動(dòng)時(shí)，看不到它的衍射或干涉現(xiàn)象，所以宏觀物體運(yùn)動(dòng)時(shí)不具有波動(dòng)性4.從光的波粒二象性出發(fā)，下列說(shuō)法正確的是（）A．光是高速運(yùn)動(dòng)的微觀粒子，每個(gè)光子都具有波粒二象性B．光的頻率越高，光子的能量越大C．在光的干涉中，暗條紋的地方是光子不會(huì)到達(dá)的地方D．在光的干涉中，光子一定到達(dá)亮條紋的地方5.（多選）下列說(shuō)法正確的是（）A．光的頻率越低，其粒子性越顯著B(niǎo)．物質(zhì)波理論告訴我們，任何運(yùn)動(dòng)的微觀粒子都具有波粒二象性C．光子說(shuō)表明光也是一種粒子，所以光子的運(yùn)動(dòng)也可以用牛頓運(yùn)動(dòng)定律進(jìn)行分析D．光波不同于宏觀概念中的那種連續(xù)的波，它是表明大量光子運(yùn)動(dòng)規(guī)律的一種概率波6.（多選）如圖為人們利用量子理論研制的電子顯微鏡拍攝到的鈾酰微晶照片，放大了約1億倍，這是光學(xué)顯微鏡做不到的對(duì)于量子理論的建立過(guò)程，下列說(shuō)法符合事實(shí)的是（）A．普朗克能量子假說(shuō)得出的黑體輻射公式很好地解釋了黑體輻射實(shí)驗(yàn)規(guī)律B．愛(ài)因斯坦光子說(shuō)解釋了光電效應(yīng)現(xiàn)象，說(shuō)明了光子具有能量和動(dòng)量C．玻爾氫原子理論中電子的運(yùn)動(dòng)是具有確定坐標(biāo)的質(zhì)點(diǎn)的軌道運(yùn)動(dòng)D．電子顯微鏡利用高速電子束的德布羅意波長(zhǎng)比可見(jiàn)光波長(zhǎng)更小提高了分辨能力7.用很弱的光做雙縫干涉實(shí)驗(yàn)，把入射光減弱到可以認(rèn)為光源和感光膠片之間不可能同時(shí)有兩個(gè)光子存在，如圖所示是不同數(shù)量的光子照射到感光膠片上得到的照片。這些照片說(shuō)明（）7個(gè)光子3000個(gè)光子70000個(gè)光子A．光只有粒子性沒(méi)有波動(dòng)B．光只有波動(dòng)性沒(méi)有粒子性C．少量光子的運(yùn)動(dòng)顯示波動(dòng)性，大量光子的運(yùn)動(dòng)顯示粒子性D．少量光子的運(yùn)動(dòng)顯示粒子性，大量光子的運(yùn)動(dòng)顯示波動(dòng)性8．讓電子束通過(guò)電場(chǎng)加速后，照射到金屬晶格（大小約1010m）上，可得到電子的衍射圖樣，如圖所示。下列說(shuō)法正確的是（）A．電子衍射圖樣說(shuō)明了電子具有粒子性B．加速電壓越大，電子的物質(zhì)波波長(zhǎng)越小C．電子物質(zhì)波波長(zhǎng)比可見(jiàn)光波長(zhǎng)更長(zhǎng)D．動(dòng)量相等的質(zhì)子和電子，對(duì)應(yīng)的物質(zhì)波波長(zhǎng)不相等9.（多選）著名物理學(xué)家湯姆孫曾在實(shí)驗(yàn)中讓電子束通過(guò)電場(chǎng)加速后，通過(guò)多晶薄膜得到了如圖所示衍射圖樣，已知電子質(zhì)量為，加速后電子速度m/s，普朗克常量J·s，則（）A．該圖樣說(shuō)明了電子具有粒子性B．該實(shí)驗(yàn)中電子的德布羅意波長(zhǎng)約為0.15nmC．加速電壓越大，電子的物質(zhì)波波長(zhǎng)越大D．使用電子束工作的電子顯微鏡中，加速電壓越大，分辨本領(lǐng)越強(qiáng)10．在科學(xué)研究中，常利用熱中子衍射研究晶體的結(jié)構(gòu)，因?yàn)闊嶂凶拥牡虏剂_意波長(zhǎng)與晶體中原子間距（約）相近。已知中子質(zhì)量，普朗克常量，可以估算熱中子動(dòng)能的數(shù)量級(jí)為（）A． B． C． D．11.脈沖燃料激光器以的脈沖形式發(fā)射波長(zhǎng)為585nm的光，這個(gè)波長(zhǎng)的光可以被血液中的血紅蛋白強(qiáng)烈吸收，從而有效清除由血液造成的瘢痕。每個(gè)脈沖向瘢痕傳送約為的能量，普朗克常量為。（）A．每個(gè)光子的能量約為B．每個(gè)光子的動(dòng)量約為C．激光器的輸出功率不能小于1.24WD．每個(gè)脈沖傳送給瘢痕的光子數(shù)約為個(gè)12.德布羅意提出實(shí)物粒子具有波動(dòng)性，與實(shí)物粒子相聯(lián)系的波稱為德布羅意波，其波長(zhǎng)與粒子的動(dòng)量存在某種關(guān)系。從靜止開(kāi)始先后經(jīng)同一加速電場(chǎng)加速后的氘核和粒子的德布羅意波波長(zhǎng)之比為（）A． B． C． D．~B組~13.（多選）關(guān)于波粒二象性，下列說(shuō)法正確的是（）A．圖甲中紫光照射到鋅板上可以發(fā)生光電效應(yīng)，則其他可見(jiàn)光照射到鋅板上不一定可以發(fā)生光電效應(yīng)B．圖乙中入射光的強(qiáng)度越大，則在陰極板上產(chǎn)生的光電子的最大初動(dòng)能越大C．圖丙說(shuō)明光子既有粒子性也有波動(dòng)性D．戴維孫和湯姆孫利用圖丁證明了電子具有波動(dòng)性14.（多選）運(yùn)動(dòng)的微觀粒子具有波粒二象性，有能量E、動(dòng)量p，也對(duì)應(yīng)著一定的波長(zhǎng)λ。m表示粒子的質(zhì)量，下列圖像正確的是()15.任何一個(gè)運(yùn)動(dòng)著的物體，小到電子、質(zhì)子，大到行星、太陽(yáng)，都有一種波與之對(duì)應(yīng)，波長(zhǎng)是λ＝，式中p是運(yùn)動(dòng)物體的動(dòng)量，h是普朗克常量，人們把這種波叫做德布羅意波?，F(xiàn)有一個(gè)德布羅意波長(zhǎng)為λ1的物體1和一個(gè)德布羅意波長(zhǎng)為λ2的物體2，二者相向正撞后粘在一起，已知|p1|<|p2|，則粘在一起的物體的德布羅意波長(zhǎng)為_(kāi)______。16.光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中，用波長(zhǎng)為的單色光A照射某金屬板時(shí)，剛好有光電子從金屬表面逸出。已知普朗克常量為，光速為