第11章 光的粒子性

1、1第十一章第十一章 光的粒子性光的粒子性熱輻射熱輻射光電效應光電效應康普頓效應康普頓效應光的波粒二象性光的波粒二象性2 前前 言言在本世紀在本世紀( (指指2020世紀世紀) )初，發(fā)生了三次概念初，發(fā)生了三次概念上的革命，它們深刻地改變了人們對物理上的革命，它們深刻地改變了人們對物理世界的了解，這就是世界的了解，這就是狹義相對論狹義相對論（19051905年）、年）、廣義相對論廣義相對論（19161916年）和年）和量子力學量子力學（19251925年）。年）。 楊振寧楊振寧3 經典物理經典物理(18(181919世紀世紀) )牛頓力學牛頓力學 熱力熱力學學 經典統(tǒng)計力學經典統(tǒng)計力學 經典電

2、磁理論經典電磁理論 1919世紀世紀末趨于完善末趨于完善 海王星的發(fā)現（海王星的發(fā)現（Leverrier,1846）“不不必向天空看一眼就發(fā)現了這顆新行星必向天空看一眼就發(fā)現了這顆新行星”, ”, “是在是在LeverrierLeverrier的筆尖下看的筆尖下看到，到，” ” 電磁理論解釋電磁理論解釋了波動光學了波動光學4 MM實驗實驗 黑體輻射黑體輻射 相對論相對論量子論量子論 量子力學量子力學這兩朵烏云開出近代物理的鮮花這兩朵烏云開出近代物理的鮮花開爾文：大廈基本建成開爾文：大廈基本建成 兩朵兩朵烏云烏云 5 近代物理近代物理(20(20世紀世紀) ) 相對論相對論 1905 1905

3、狹義相對論狹義相對論 1916 1916 廣義相對論廣義相對論( (引力、天體引力、天體) ) 量子力學量子力學 A. A.舊量子論的形成舊量子論的形成( (沖破經典量子假說沖破經典量子假說) ) 1900 Planck 振子能量量子化振子能量量子化 1905 Einstein 電磁輻射能量量子化電磁輻射能量量子化 1913 N.Bohr 原子能量量子化原子能量量子化 6B.B.量子力學的建立（嶄新概念）量子力學的建立（嶄新概念） 1923 1923 de Broglie 電子具有波動性電子具有波動性 1926 - 27 1926 - 27 Davisson, G.P.Thomson 電子衍射

4、實驗電子衍射實驗 1925 1925 Heisenberg 矩陣力學矩陣力學 1926 1926 Schroedinger 波動方程波動方程 1928 1928 Dirac 相對論波動方程相對論波動方程7 C. .量子力學進一步發(fā)展量子力學進一步發(fā)展( (應用、發(fā)展應用、發(fā)展) ) 量子力學量子力學原子原子. .分子分子. .原子核原子核. .固體固體 量子電動力學量子電動力學(QED)(QED)電磁場電磁場 量子場論量子場論原子核和粒子原子核和粒子進一步認識的問題進一步認識的問題8本課程的主要教學內容：本課程的主要教學內容：量子理論的基本概念量子理論的基本概念量子力學解決問題的基本思路和方法

5、量子力學解決問題的基本思路和方法 對象的特點：對象的特點： 1) 1) 微觀：對象線度小微觀：對象線度小 活動范圍小活動范圍小910米米2) 2) 粒子具有粒子性粒子具有粒子性 還具有明顯的波動性還具有明顯的波動性3) 3) 粒子的能量粒子的能量 角動量等物理量取值分立角動量等物理量取值分立 完全脫離了經典物理的模式完全脫離了經典物理的模式9注意注意：1) 1) 擺脫經典束縛擺脫經典束縛 注重實驗事實注重實驗事實 2) 2) 處理好形象與抽象的關系處理好形象與抽象的關系 3) 3) 對應原理對應原理 新理論新理論是在原有的理論基礎上發(fā)展起來是在原有的理論基礎上發(fā)展起來的，所以，在極限情況下可以

6、回到的，所以，在極限情況下可以回到原有的原有的理論理論，但量子范圍內的很多概念找不到經，但量子范圍內的很多概念找不到經典的對應，是個全新的領域典的對應，是個全新的領域10思路思路 1)1)突破性的實驗突破性的實驗 實驗規(guī)律實驗規(guī)律( (應掌應掌握握) )經典理論的困難經典理論的困難 假設假設 確立新理論確立新理論2)2)實物粒子的波粒二象性實物粒子的波粒二象性 及量子力學解及量子力學解決問題的基本方法決問題的基本方法 3)3)證明量子理論的重要實驗證明量子理論的重要實驗( (應掌握應掌握) ) 4)4)量子力學的應用舉例量子力學的應用舉例11 敲開量子物理大門的首要問題敲開量子物理大門的首要問

7、題 是是 關于光的本質的認識關于光的本質的認識 光具有波動光具有波動性性 已被大量實驗證明但與物質相互作已被大量實驗證明但與物質相互作用的大量實驗使經典的波動理論遇到無法用的大量實驗使經典的波動理論遇到無法克服的困難克服的困難論述由此展開論述由此展開1211.1 11.1 熱輻射熱輻射( (thermal radiation) )一、熱輻射現象一、熱輻射現象1. 1. 熱輻射熱輻射 由分子熱運動導致物體輻射電磁波的由分子熱運動導致物體輻射電磁波的現象。這種與溫度有關的輻射稱為現象。這種與溫度有關的輻射稱為熱輻熱輻射。射。熱輻射熱輻射-熱能轉化為電磁能的過程熱能轉化為電磁能的過程13 例如：鐵塊

8、例如：鐵塊 溫度溫度 從看不出發(fā)光到暗紅到橙色到黃白色從看不出發(fā)光到暗紅到橙色到黃白色2. 2. 對熱輻射的初步認識對熱輻射的初步認識1 1）任何物體任何溫度均存在熱輻射）任何物體任何溫度均存在熱輻射2 2）熱輻射譜是連續(xù)譜）熱輻射譜是連續(xù)譜3 3）熱輻射譜與溫度有關）熱輻射譜與溫度有關14如如:20:20瓦白熾燈瓦白熾燈, ,昏黃色昏黃色;200;200瓦的白熾燈瓦的白熾燈, ,刺眼，特亮刺眼，特亮溫度溫度 發(fā)射能量發(fā)射能量 電磁波短波成分電磁波短波成分 直覺直覺: : 低溫物體發(fā)出的是紅外光低溫物體發(fā)出的是紅外光 熾熱物體發(fā)出的是可見光熾熱物體發(fā)出的是可見光 高溫物體發(fā)出的是紫外光高溫物體

9、發(fā)出的是紫外光15物體溫度升高時溫度的變化物體溫度升高時溫度的變化逐漸升溫逐漸升溫16注意：注意： 熱輻射與溫度有關熱輻射與溫度有關 激光激光 日光燈發(fā)光不是熱輻射日光燈發(fā)光不是熱輻射3.3.平衡熱輻射平衡熱輻射 加熱一物體加熱一物體, ,物體的溫度恒定時物體的溫度恒定時, ,物體物體所吸收的能量等于在同一時間內輻射的所吸收的能量等于在同一時間內輻射的能量能量, ,這時的輻射稱為這時的輻射稱為平衡熱輻射平衡熱輻射17二、基爾霍夫定律二、基爾霍夫定律 1.1.光譜輻射出射度光譜輻射出射度( (單色輻射本領單色輻射本領) ) 單位時間單位時間內從物體內從物體單位表面單位表面向前方半向前方半球發(fā)出的

10、波長在球發(fā)出的波長在 附近單位波長間隔內的附近單位波長間隔內的電磁波的能量電磁波的能量 ddMTMddMTM,或或18單位時間內單位時間內 T單位面積單位面積Md)(d的輻射能的輻射能或按頻率定義：單位時間內從物體單位表或按頻率定義：單位時間內從物體單位表面向前方半球發(fā)出的頻率在面向前方半球發(fā)出的頻率在 附近單位頻附近單位頻率間隔內的電磁波的能量率間隔內的電磁波的能量19dd)(TMM 表面情況表面情況物質種類物質種類)( TMd)(d（單位時間內）（單位時間內） T T單位面積單位面積有關有關輻射出射度與輻射出射度與202. 2. 總輻出度總輻出度( (總輻射本領總輻射本領) )0)()(d

11、TMTM單位：單位：w/m20)()(dTMTM或或 單位時間單位時間內從物體內從物體表面單位表面單位面積發(fā)出面積發(fā)出的對應各種波長的對應各種波長 的輻射能的總和叫輻的輻射能的總和叫輻射出射度。射出射度。21單色吸收率單色吸收率:a(,T):a(,T)表示物體在溫度表示物體在溫度T T時，波長時，波長 輻射能的單色吸輻射能的單色吸收率收率 絕對黑體絕對黑體：在任何溫度下，對任何波長到：在任何溫度下，對任何波長到達它表面的電磁輻射全部吸收達它表面的電磁輻射全部吸收吸收率吸收率 a(T):a(T):物體吸收的能量和入射總物體吸收的能量和入射總能量的比值能量的比值)(d22 1859 1859年年

12、基爾霍夫證明：基爾霍夫證明：平衡態(tài)平衡態(tài)時時 物物體輻射出射度和吸收率的比值，與物體體輻射出射度和吸收率的比值，與物體的材料、形狀無關，是物體的溫度和波的材料、形狀無關，是物體的溫度和波長的普適函數長的普適函數(,T)(,T)。 3.3.基爾霍夫輻射定律基爾霍夫輻射定律TaTMT,23實驗和理論均證明：在各種材料中黑體實驗和理論均證明：在各種材料中黑體的光譜輻射度最大的光譜輻射度最大1,TaTMT,0TM,0是黑體的單色輻射出射度是黑體的單色輻射出射度其中其中故，只要知道故，只要知道出射度出射度, ,即知道了一般物體的輻射性質即知道了一般物體的輻射性質TM,0黑體的單色輻射黑體的單色輻射24維

13、恩設計的黑體維恩設計的黑體空腔上的小孔空腔上的小孔煉鋼爐上的小洞煉鋼爐上的小洞向遠處觀察打開向遠處觀察打開的窗子的窗子近似黑體近似黑體25二、實驗規(guī)律v 不同溫度下黑體的輻出度按波長的分布6000 K5000 K4000 K可見光 /mM0 (, T)0.51.01.52.0261)1)斯特藩斯特藩 - - 玻耳茲曼定律玻耳茲曼定律應用：遙感和紅外追應用：遙感和紅外追蹤蹤 高溫比色測溫儀高溫比色測溫儀 估算表面溫度估算表面溫度 = 5.67 10-8 W/m2K44)(TTM曲線與橫軸圍的曲線與橫軸圍的面積就是面積就是M M( (T) )三、黑體輻射的實驗規(guī)律三、黑體輻射的實驗規(guī)律272)2)

14、維恩位移定律維恩位移定律: :v 爐火純青：爐火純青：先秦時期先秦時期( (約公元前約公元前200200年年) )的手工藝著作的手工藝著作考工記考工記記載鑄造青銅記載鑄造青銅器時寫道器時寫道: “: “凡鑄金之狀凡鑄金之狀, ,金與錫金與錫, ,黑濁黑濁之氣竭之氣竭, ,黃白黃白次之次之; ;黃白之氣竭黃白之氣竭, ,青白青白次之次之; ;青白之氣竭青白之氣竭, ,青氣青氣次之次之; ;然后可鑄也然后可鑄也.”.”這這是世界上最早有關光測高溫技術的記錄是世界上最早有關光測高溫技術的記錄. .28維恩維恩(W. Wien, 1864-1928)德國德國物理學家物理學家. 1911年因發(fā)現熱輻射年

15、因發(fā)現熱輻射定律獲諾貝爾物定律獲諾貝爾物理學獎理學獎.29或或b = 2.89775610-3 mKbTmC = 5.8801010 Hz/KTCmP278 P278 例例11-111-130紅外夜視儀紅外夜視儀若視太陽為黑體若視太陽為黑體, ,測得測得 nm550m估算出太陽表面估算出太陽表面溫度約溫度約 T T表面表面 5000K 5000K31紅外夜視圖紅外夜視圖32鋼水鋼水33運動時各部分溫度的分布運動時各部分溫度的分布34紅外熱像圖紅外熱像圖(Infrared Thermogram) 紅外熱像圖顯示電力系紅外熱像圖顯示電力系統(tǒng)的空氣開關夾過熱統(tǒng)的空氣開關夾過熱. .35紅外熱像圖紅外

16、熱像圖( (Infrared Thermogram) ) 紅外熱像圖顯示患者胸腹部由于紅外熱像圖顯示患者胸腹部由于炎癥導致的溫度升高炎癥導致的溫度升高( (紅色區(qū)域紅色區(qū)域) )36四、經典物理的困難四、經典物理的困難, ,普朗克的量子假設普朗克的量子假設如何從理論上找到符合實驗的函數式如何從理論上找到符合實驗的函數式? ? 理論物理學家做了艱苦地努力理論物理學家做了艱苦地努力 1896 1896年維恩從經典熱力學理論及實驗年維恩從經典熱力學理論及實驗數據的分析得出數據的分析得出1.1.維恩公式維恩公式37TeTM/3)( 為常數為常數短波方向與實驗符合較好短波方向與實驗符合較好2. 2. 瑞

17、利瑞利- -金斯公式金斯公式 19001900年從經典電動力學和統(tǒng)計物理學年從經典電動力學和統(tǒng)計物理學理論推導而得理論推導而得38長波方向與實驗符合較好長波方向與實驗符合較好短波方向得出災難性的結論短波方向得出災難性的結論“紫外災紫外災”經典物理有難經典物理有難! !kTcTM222)(123KJ10380658. 1k由經典理論導出的由經典理論導出的 M (T) 公式都與實驗結果不符合！公式都與實驗結果不符合！39物理學晴朗天空中的一朵烏云物理學晴朗天空中的一朵烏云! !實驗數據點普朗克公式瑞利-金斯公式維恩公式 /m2.04.06.08.010.0M0 (, T)T = 1600 K040

18、3.3.普朗克的黑體輻射公式普朗克的黑體輻射公式1900.10.19 1900.10.19 普朗克在普朗克在德國物理學會會議上提德國物理學會會議上提出一個黑體輻射公式出一個黑體輻射公式M.Planck 德國人德國人 185818581947194712)(/32kThechTMsJ10624. 634h4112kT/ch52e1ch)T(M 實驗物理學家魯本斯實驗物理學家魯本斯(Rubens)(Rubens)把它同把它同最新的實驗結果比較最新的實驗結果比較 發(fā)現：發(fā)現：短波趨向維恩短波趨向維恩 長波趨向瑞利長波趨向瑞利在全波段與實驗結果驚人符合在全波段與實驗結果驚人符合42434.4.普朗克的

19、能量子假說普朗克的能量子假說“一定要不惜任何代價一定要不惜任何代價 找到一個理論根據找到一個理論根據”1900.12.14普朗克在德國物理學會上報告普朗克在德國物理學會上報告了論文了論文“關于正常譜中能量分布的理論關于正常譜中能量分布的理論”從理論上推出了普朗克公式從理論上推出了普朗克公式44基本物理思想：基本物理思想：輻射黑體的分子輻射黑體的分子 原子可看作線性諧振子原子可看作線性諧振子振動時向外輻射能量（也可吸收能量）振動時向外輻射能量（也可吸收能量）普朗克能量子假定：普朗克能量子假定： 振子的能量不連續(xù)振子的能量不連續(xù) E = n n = 1, 2 , 3. = h 能量子能量子45物體

20、發(fā)射或吸收電磁輻射時物體發(fā)射或吸收電磁輻射時 交換能量交換能量的最小單位是的最小單位是“能量子能量子” ” = h hnE)( 由此得到了普朗克的熱輻射公式：由此得到了普朗克的熱輻射公式：11252hc/c/ehc(T)M46小小( ( 大大) )時時: :維恩公式維恩公式大大( ( 小小) )時時: :瑞利瑞利- -金斯公式金斯公式12)(/32kThechTMsJ1055. 634h普朗克獲得普朗克獲得19181918年諾貝爾物理學獎年諾貝爾物理學獎47量子假說的意義及其與宏觀現象的關系量子假說的意義及其與宏觀現象的關系 = = h E = n n = 1,2,3.打破打破“一切自然過程能

21、量都是連續(xù)的一切自然過程能量都是連續(xù)的”經典看法經典看法說明了宇宙輻射背景說明了宇宙輻射背景 T = 3K敲開量子力學的大門敲開量子力學的大門48例：設想一質量為例：設想一質量為 m = 1 g 的小珠的小珠子懸掛在一個小輕彈簧下面作振幅子懸掛在一個小輕彈簧下面作振幅 A = 1 mm的諧振動的諧振動 彈簧的勁度系數彈簧的勁度系數 k = 0.1 N/m為什么在宏觀世界中觀察不到能量分立為什么在宏觀世界中觀察不到能量分立的現象的現象? ?49按量子理論計算按量子理論計算 此彈簧振子的能級間此彈簧振子的能級間隔多大？減少一個能量子時隔多大？減少一個能量子時 振動能量振動能量的相對變化是多少？的相

22、對變化是多少？解：彈簧振子的頻率解：彈簧振子的頻率13s59. 1101 . 028. 6121mk50能級間隔能級間隔J1005. 159. 11065. 63334hE振子能量振子能量J105101 . 02121862kAE相對能量變化相對能量變化268331021051005.1EE51這樣小的相對能量變化在現在的技術條件這樣小的相對能量變化在現在的技術條件下還不可能測量出來下還不可能測量出來,現在能達到的最高的現在能達到的最高的能量分辨率為：能量分辨率為：1610 EE所以宏觀的能量變化看起來都是連續(xù)的所以宏觀的能量變化看起來都是連續(xù)的經典經典能量能量量子量子5211.2 11.2

23、光電效應光電效應一、光電效應的實驗規(guī)律一、光電效應的實驗規(guī)律光電效應光電效應: : 光照射某些金屬時能從表面釋光照射某些金屬時能從表面釋放出電子的現象。產生的電子稱為光電子放出電子的現象。產生的電子稱為光電子 光電效應是赫茲在光電效應是赫茲在18871887年發(fā)現的，年發(fā)現的，18961896年湯姆遜發(fā)現了電子之后，勒納德證明了年湯姆遜發(fā)現了電子之后，勒納德證明了光電效應中發(fā)出的是電子光電效應中發(fā)出的是電子53VGOOOOOOBOO照射光照射光.KA光電管光電管541.1.光電子與入射光強之間的關系光電子與入射光強之間的關系IOU光光 強強 較較 強強光光 強強 較較 弱弱光電效應伏安特性曲線

24、光電效應伏安特性曲線Im飽飽和和電電流流在一定入射光在一定入射光強照射下，光強照射下，光電流電流I隨電勢差隨電勢差U增大而增大，增大而增大，當當U足夠大時，足夠大時，IIm55UaIOU遏遏止止電電勢勢差差2.2.光電子初動能與入射光頻率間的關系光電子初動能與入射光頻率間的關系CsCaNa4.06.08.010.0UaV1014Hz4.02.0560UKUa021eUeKUema2v上式表明，光電子初動能隨入射光頻率上式表明，光電子初動能隨入射光頻率線性地改變，與入射光強度無關線性地改變，與入射光強度無關573.3.紅限頻率紅限頻率0210eUeKUema2vKU00紅限頻率或截止頻率紅限頻率

25、或截止頻率4.馳豫時間為零馳豫時間為零st91058幾種金屬的紅限及逸出功幾種金屬的紅限及逸出功鈀 Pd金 Au汞 Hg鈦 Ti銫 Cs12.111.610.99.92480258027503030654.85.0金金 屬屬逸逸 出出 功功(A)4.8=（eV)紅紅 限限(Hz)0+101400c。59 1. 1.飽和電流飽和電流 2.2.遏止電壓遏止電壓 3.3.紅限頻率紅限頻率 4.4.馳豫時間為零馳豫時間為零光波的能量與振光波的能量與振幅的平方成正比幅的平方成正比打出電子只需克打出電子只需克服逸出功服逸出功* *波動理論所遇到的困難波動理論所遇到的困難實驗規(guī)律：實驗

26、規(guī)律：經典電磁理論：經典電磁理論：60 光量子具有光量子具有“整體性整體性” ” 光的發(fā)射、傳播、吸收都是量子化的光的發(fā)射、傳播、吸收都是量子化的電磁輻射由以光速運動的局限于空間某電磁輻射由以光速運動的局限于空間某 一小范圍的光量子（光子）組成一小范圍的光量子（光子）組成 = h = h 1.1.愛因斯坦光量子假設愛因斯坦光量子假設(1905(1905年年) )二、愛因斯坦的光量子論二、愛因斯坦的光量子論61光強光強: :單位時間單位時間打到打到單位面積單位面積上粒子總能量上粒子總能量 I = N h N: 粒子流密度粒子流密度 光強不變：即光強不變：即 I = N h 不變不變 若若 則則

27、N 一個光子只能整個地被電子吸收一個光子只能整個地被電子吸收622. 2. 愛因斯坦光電效應方程愛因斯坦光電效應方程 一個光子將全部能量交給一個電子一個光子將全部能量交給一個電子電子克服金屬對它的束縛，從金屬中逸出電子克服金屬對它的束縛，從金屬中逸出Ahmm221vA A：逸出功：逸出功光電效應方程光電效應方程63當當 A / h 時時 不發(fā)生光電效應不發(fā)生光電效應紅限頻率紅限頻率hA0 I 光子數光子數N 打出光電子多打出光電子多 im 在確定的光強下在確定的光強下 I = N h 打出的最多電子數就是打出的最多電子數就是 N 飽和電流飽和電流00eUhAeKh 64光子打出光電子光子打出光

28、電子是瞬時發(fā)生的是瞬時發(fā)生的光子光子假設解釋了光電效應全部實驗規(guī)律！假設解釋了光電效應全部實驗規(guī)律！遏止電壓與最大動能遏止電壓與最大動能221mameU19161916年密立根實驗證實了愛因斯坦理論年密立根實驗證實了愛因斯坦理論65AhmeUma221v h = 6.57 10-34 Js4.06.08.010.0 (1014Hz)0.01.02.0Uc(V)CsNaCa)(VUa66三、光電效應的應用三、光電效應的應用光電管，光電倍增管，光電池光電管，光電倍增管，光電池利用光電效應制成的光電池可將光信號利用光電效應制成的光電池可將光信號轉換成電信號轉換成電信號, ,被用于許多領域被用于許多領

29、域. .例如例如v 光電池用于車庫門的自動開啟光電池用于車庫門的自動開啟. .v 在醫(yī)學中的應用在醫(yī)學中的應用, ,細菌對光的吸收細菌對光的吸收67v導致光電池接收到的光子數目減少導致光電池接收到的光子數目減少, ,光光電流降低電流降低. .v 電影膠片上的光學聲軌與條形碼類似電影膠片上的光學聲軌與條形碼類似, ,但更詳細但更詳細. .聲軌調制與所記錄聲音頻率聲軌調制與所記錄聲音頻率相同的光的強度相同的光的強度. .由光電池轉成電流由光電池轉成電流, ,經經放大后驅動揚聲器發(fā)聲放大后驅動揚聲器發(fā)聲. .68愛因斯坦由于對光電效愛因斯坦由于對光電效應的理論解釋和對理論應的理論解釋和對理論物理學的

30、貢獻獲得物理學的貢獻獲得19211921年諾貝爾物理學獎年諾貝爾物理學獎密立根因研究基本電荷密立根因研究基本電荷和光電效應，特別通過和光電效應，特別通過著名的油滴實驗，證明著名的油滴實驗，證明電荷有最小單位。獲得電荷有最小單位。獲得19231923年諾貝爾物理學獎年諾貝爾物理學獎6911.3 11.3 康普頓效應康普頓效應( (Compton effect) ) 一、康普頓散射實驗一、康普頓散射實驗 康 普 頓康 普 頓 ( ( A . H . Compton,1892-1962) )美國物理學美國物理學家家.1937.1937年因發(fā)現年因發(fā)現康普頓效應獲諾貝康普頓效應獲諾貝爾物理學獎爾物理學

31、獎. .70 1922-23年年 康普頓研究了康普頓研究了X射線在石墨射線在石墨上的散射，實驗規(guī)律如下上的散射，實驗規(guī)律如下 波長為波長為 的的X射線經物質散射時射線經物質散射時, ,在散射在散射線中除有線中除有 的射線外的射線外, ,還有波長為還有波長為( ( ) )的射線的射線. . 波長差波長差 隨散射角增大而增大隨散射角增大而增大, ,0 0 0 071 與散射物質無關與散射物質無關; ;波長為波長為 0 0的譜線強的譜線強度隨散射物質原子序數的增加而增加度隨散射物質原子序數的增加而增加, ,波長為波長為 的譜線強度隨原子序數的增加的譜線強度隨原子序數的增加而減小而減小. .72晶體晶

32、體 光闌光闌X 射線管射線管探探測測器器X 射線譜儀射線譜儀 石墨體石墨體(散射物質散射物質)j 0散射波長散射波長 73 作為靶子作為靶子的靜止電子的靜止電子反沖電子入射光子入射光子散射光子散射光子 0 0 j74=0Oj=45Oj=90Oj=135Oj. . . . . . . . .o（A）0.7000.750波長波長.散射曲線的三個特點散射曲線的三個特點： 1.除原波長除原波長 0外出現了移外出現了移向長波方面的新的散射波向長波方面的新的散射波長長 2.新波長新波長 隨散射角的增隨散射角的增大而增大大而增大 3.當散射角增大時當散射角增大時 原波原波長的譜線強度降低長的譜線強度降低 而

33、新波而新波長的譜線強度升高長的譜線強度升高75稱為電子的稱為電子的Compton波長波長只有當入射波長只有當入射波長 0 0與與 c c可比擬時可比擬時, ,康普頓效康普頓效應才顯著應才顯著 因此要用因此要用X 射線才能觀察到射線才能觀察到波長的偏移只與散射角波長的偏移只與散射角j j 有關有關 c c = 0.0241= 0.0241=2.41=2.41 1010-3-3nmnm（實驗值）（實驗值）)cos1 (jc0 76經典理論又一次遇到困難經典理論又一次遇到困難 經典散射理論：當波長經典散射理論：當波長 0 0的射線入射后使的射線入射后使電偶極子受迫振動電偶極子受迫振動 發(fā)出散射波的波

34、長在各方發(fā)出散射波的波長在各方均是均是 0 0 康普頓用愛因斯坦的光量子假說，成功解釋康普頓用愛因斯坦的光量子假說，成功解釋了實驗現象，進一步證明光子假說的正確性了實驗現象，進一步證明光子假說的正確性 77 二、二、 Compton 的解釋的解釋 1.1.物理圖像物理圖像 單個光子與單個電子發(fā)生彈性碰撞單個光子與單個電子發(fā)生彈性碰撞 入射光子能量入射光子能量h 0，散射光子能量，散射光子能量h 電子可看作自由電子電子可看作自由電子 碰碰撞撞前靜止前靜止 電子功函數量級幾個電子功函數量級幾個 eV，電子熱運動電子熱運動78yex電子電子靜止靜止0h0myx散射散射光子光子反沖反沖電子電子hm平均

35、能量量級平均能量量級1010-2-2 eV，與光子能量與光子能量10 10 KeV 相比相比 都很小都很小靜止靜止790P0hPhjeP反沖電子反沖電子散射光子散射光子2.2.Compton 散射公式散射公式 eeEhcmhPPP2000康普頓假設康普頓假設: : 碰撞過碰撞過程程 遵守能量守恒定律遵守能量守恒定律和動量守恒定律和動量守恒定律80chPcmcPEee420222利用相對論能量與動量關系利用相對論能量與動量關系得出結果得出結果)cos1 (00jcmh2sin2200jcmh81oA048602.cj0P0hPhjeP反沖電子反沖電子散射光子散射光子電子的電子的Compton波長

36、波長o0A024263. 0cmhc波長改變最大波長改變最大實驗值實驗值 c c = 0.0241= 0.0241 =2.41 =2.41 1010-3-3nmnm( (m m0 0是原子質量是原子質量) )82解釋：散射線中還有原波長的成分，如解釋：散射線中還有原波長的成分，如果光子與石墨中被原子核束縛得很緊的果光子與石墨中被原子核束縛得很緊的電子發(fā)生碰撞（內層電子），相當光子電子發(fā)生碰撞（內層電子），相當光子和整個原子碰撞這樣和整個原子碰撞這樣 散射光的能量散射光的能量(波長波長)幾乎不改變幾乎不改變從而散射線中還有與原波長相同的射線從而散射線中還有與原波長相同的射線原子序數愈大的物體原波

37、長的成分愈多原子序數愈大的物體原波長的成分愈多833.3.康普頓散射實驗的意義康普頓散射實驗的意義l支持了支持了“光量子光量子”概念概念 進一步證實進一步證實了了l首次在實驗上證實了愛因斯坦提出的首次在實驗上證實了愛因斯坦提出的“光量子具有動量光量子具有動量”的假設的假設l證實了在微觀的單個碰撞事件中動量證實了在微觀的單個碰撞事件中動量和能量守恒定律仍然成立和能量守恒定律仍然成立P = E/c = h /c = h/ = h 84康普頓做康普頓散射實驗康普頓做康普頓散射實驗85 19251926年吳有訓用銀年吳有訓用銀X X 射線射線( ( 0 0=5.62nm) =5.62nm) 入射，以入

38、射，以1515種輕重不同的元素為散射物質種輕重不同的元素為散射物質三、吳有訓對研究康普頓效應的貢獻三、吳有訓對研究康普頓效應的貢獻19231923年參加了發(fā)現康普頓效應的研究工作年參加了發(fā)現康普頓效應的研究工作對證實康普頓效應作出了重要貢獻對證實康普頓效應作出了重要貢獻在同一散射角在同一散射角( ( ) )測量各種波長的散測量各種波長的散射光強度射光強度, , 做了大量做了大量 X 射線散射實驗射線散射實驗0120 j j86我國物理學家吳有訓作為康普我國物理學家吳有訓作為康普頓的得力助手頓的得力助手, ,參加了研究參加了研究X X射射線散射的開創(chuàng)性工作線散射的開創(chuàng)性工作. .吳有訓測試了吳有

39、訓測試了1515種元素對種元素對X X射射線的散射曲線線的散射曲線, ,證實了康普頓證實了康普頓效應的普遍性效應的普遍性. .吳有訓還是著名教育家吳有訓還是著名教育家, ,學生學生包括楊振寧及包括楊振寧及“兩彈一星功勛兩彈一星功勛獎章獎章”獲得者獲得者: :錢三強、王淦錢三強、王淦昌 、 郭 永 懷 、 趙 九 章 、昌 、 郭 永 懷 、 趙 九 章 、朱光亞、彭桓武、王大珩、鄧朱光亞、彭桓武、王大珩、鄧稼先等人稼先等人. . 吳 有 訓吳 有 訓 ( 1 8 9 7 -( 1 8 9 7 -1977) 1977) 聞名國際聞名國際的中國物理學家、的中國物理學家、教育家教育家, ,是中國近是中國近代物理學的先驅代物理學的先驅者者. .871. 與散射物質無關與散射物質無關 僅與散射角有關僅與散射角有關曲曲線線表表明明0 II 輕元素輕元素0 II 重元素重元素2.吳有訓吳有訓的康普的康普頓效應頓效應散射實散射實驗曲線驗曲線0120 j j88 證實了康普頓效應的普遍性證實了康普頓效應的普遍性 證實了兩種散射線的產生機制證實了兩種散射線的產生機制 外層電子外層電子( (自由電子自由電子) )散射散射 0 0內層電子內層電子(