愛因斯坦光子理論課件

愛因斯坦光子理論（續(xù)）一.光電效應(yīng)二.康普頓效應(yīng)美國物理學(xué)家1892-1962獲1927年諾貝爾物理獎(jiǎng)實(shí)驗(yàn)裝置示意圖:X光被石墨散射1.實(shí)驗(yàn)規(guī)律X

射線管石墨體X射線譜儀晶體

實(shí)驗(yàn)規(guī)律：1)散射光2)波長改變量3)原子量越小的物質(zhì)，康普頓效應(yīng)越顯著康普頓散射與散射角的關(guān)係相對強(qiáng)度0.7000.750?

(?)???????????????????????????????????同一散射角下隨散射物質(zhì)的變化2.經(jīng)典物理遇到的困難經(jīng)典物理無法解釋康普頓效應(yīng).

電磁波為橫波，根據(jù)經(jīng)典電磁波理論，當(dāng)電磁波通過物質(zhì)時(shí)，物質(zhì)中帶電粒子將作受迫振動(dòng)，其頻率等於入射光頻率，所以它所發(fā)射的散射光頻率應(yīng)等於入射光頻率:3.用光子論解釋康普頓效應(yīng)(1)基本思想X射線（光子流）與散射物質(zhì)相互作用情況與散射物質(zhì)種類無關(guān)光子電子相互作用

完全非彈性碰撞：光子被電子吸收，電子能量增加,當(dāng)電子能量足夠大時(shí)，成為光電子逸出。即光電效應(yīng)*光子、電子均視為“點(diǎn)粒子”，所以一般不考慮非彈性碰撞典型情況完全非彈性碰撞彈性碰撞非彈性碰撞

彈性碰撞束縛強(qiáng)光子整個(gè)原子m<<M光子能量不變?nèi)鹄⑸涔庾觾?nèi)層電子光子外層電子束縛弱光子自由電子光子能量減少電子反沖康普頓散射原子量越小物質(zhì)發(fā)生第二種碰撞概率越大，康普頓效應(yīng)顯著(2)定量計(jì)算*光子能量>>自由電子熱運(yùn)動(dòng)能量光子靜止自由電子彈性碰撞能量守恆動(dòng)量守恆光子電子撞前撞後建立方程動(dòng)量守恆：由能量守恆：

質(zhì)速關(guān)係：余弦定理：

求解得：令電子的康普頓波長

證明了愛因斯坦光子理論的正確性

證明了能量守恆、動(dòng)量守恆定律的普適性

證明相對論效應(yīng)在宏觀、微觀均存在理論結(jié)果與實(shí)驗(yàn)相符，康普頓獲1927年諾貝爾物理獎(jiǎng)。練習(xí).解：波長改變量相同對紫光入射光能量較低時(shí)，康普頓效應(yīng)不顯著，將主要觀察到光電效應(yīng)解：1）2）反沖電子動(dòng)能即光子損失的能量練習(xí).,觀測到的散射光波長多少？反沖電子的動(dòng)能、動(dòng)量為多少？由動(dòng)量守恆定律：3）反沖電子動(dòng)量解得三、電子偶效應(yīng)（瞭解）1、高能光子與重元素原子核相撞，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮优紝?shí)驗(yàn)?zāi)芰渴貝a（忽略重原子核反衝動(dòng)能）條件：2、正負(fù)電子相遇時(shí)湮滅、產(chǎn)生兩個(gè)光子實(shí)驗(yàn)：能量守恆：若則閱讀：1995年諾貝爾物理獎(jiǎng)介紹

P525：美國柯溫、賴因斯用電子偶湮滅過程成功證實(shí)中微子的存在表16.2—2光與物質(zhì)三種相互作用比較光電效應(yīng)康普頓效應(yīng)電子偶效應(yīng)光子產(chǎn)生湮滅可見光、紫外線軟X射線硬X射線、射線物質(zhì)粒子束縛電子自由電子、弱束縛電子重原子核自由正負(fù)電子物理過程完全非彈性碰撞；光子被吸收，電子逸出。彈性碰撞；光子被散射，電子反沖光子轉(zhuǎn)化為電子偶電子偶轉(zhuǎn)化為光子對吸收係數(shù)(cm-1)10-310-210-110010110-210-1100光子能量(MeV)光電效應(yīng)康普頓效應(yīng)電子偶效應(yīng)愛因斯坦《論我們關(guān)於輻射本質(zhì)和組成觀點(diǎn)的發(fā)展》“象人們已經(jīng)知道的那樣，光的干涉、衍射現(xiàn)象表明對於把光看成是一種波動(dòng)，看來是難以懷疑的，而不容否認(rèn)的是有這樣一類關(guān)於輻射的事實(shí)表明，光具有某些基本屬性，這些屬性用光的發(fā)射論點(diǎn)比光的波動(dòng)觀點(diǎn)好得多”“兩種特性結(jié)構(gòu)，波動(dòng)結(jié)構(gòu)和量子結(jié)構(gòu)都應(yīng)當(dāng)適合於輻射，而不應(yīng)當(dāng)認(rèn)為彼此不相容。理論物理發(fā)展的隨後一個(gè)階段將給我們帶來這樣一種光學(xué)理論，它可以是光的波動(dòng)論和發(fā)射論的某種綜合，需要建立一個(gè)既能描述輻射的波動(dòng)結(jié)構(gòu)，又能描述輻射的量子結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)理論。”四、光的波粒二象性光的性質(zhì)不同側(cè)面波動(dòng)性：突出表現(xiàn)在傳播過程中（干涉、衍射）粒子性：突出表現(xiàn)在與物質(zhì)相互作用中（光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)、電子偶效應(yīng)）單純用波動(dòng)粒子模型均不能完整地描述光的性質(zhì)無法用經(jīng)典語言準(zhǔn)確建立光的模型光：既不是經(jīng)典波，又不是經(jīng)典粒子光子：用量子力學(xué)描述光子的量子力學(xué)模型振幅越大，表示光子數(shù)越多，光子到達(dá)該處概率越大

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概率波“波粒二象性”借用經(jīng)典“波”和“粒子”術(shù)語，但既不是經(jīng)典波，又不是經(jīng)典粒子§16.3氫原子光譜玻爾理論經(jīng)典物理在解釋熱輻射上的困難—普朗克能量子論

1900年經(jīng)典物理解釋光電效應(yīng)上的困難—愛因斯坦光量子論

1905年經(jīng)典物理在解釋氫光譜上的困難—玻爾氫原子理論

1913年統(tǒng)稱舊量子論尼爾斯.玻爾（1885--1962）

丹麥理論物理學(xué)家。1913年發(fā)表了《論原子構(gòu)造與分子構(gòu)造》等三篇論文，在盧瑟福原子有核模型基礎(chǔ)上提出了關(guān)於原子穩(wěn)定性和量子躍遷理論的三條假設(shè)，從而圓滿地解釋了氫原子光譜的規(guī)律，推動(dòng)了量子物理學(xué)的形成，具有劃時(shí)代的意義。獲1922年諾貝爾物理獎(jiǎng)。玻爾還提出“對應(yīng)原理”、“互補(bǔ)原理”，是量子力學(xué)哥本哈根學(xué)派的領(lǐng)頭人，一.氫光譜的實(shí)驗(yàn)規(guī)律：裏德伯公式——

氫原子光譜的普遍公式裏德伯常數(shù)RH=1.0967758×107m-1光譜項(xiàng)；裏茲並合原則一系列分立的線狀光譜二.經(jīng)典物理遇到的困難三.玻爾氫原子理論及其對氫光譜實(shí)驗(yàn)規(guī)律的解釋基本假設(shè)定態(tài)假設(shè)軌道角動(dòng)量量子化躍遷假設(shè)半經(jīng)典、半量子過渡性理論，已被量子力學(xué)所取代。在物理學(xué)史上曾起重要作用,建立了許多重要概念。經(jīng)典理論原子不穩(wěn)定發(fā)射連續(xù)光譜與實(shí)驗(yàn)事實(shí)不符定態(tài)：原子體系只能處於一系列具有不連續(xù)能量的穩(wěn)定狀態(tài)，在這些狀態(tài)下，電子繞核運(yùn)動(dòng)但不輻射能量，稱為原子的定態(tài)。能級(jí)：與量子力學(xué)的結(jié)論一致。在量子力學(xué)中被修正。軌道角動(dòng)量量子化：原子的定態(tài)與電子繞核運(yùn)動(dòng)的一系列分立軌道相對應(yīng)，在這些軌道上，電子繞核運(yùn)動(dòng)的角動(dòng)量只能取一系列分立值。電子軌道半徑：躍遷：原子體系在兩個(gè)定態(tài)之間發(fā)生躍遷時(shí)，要發(fā)射或吸收光子，其頻率由兩定態(tài)的能量差決定。連續(xù)區(qū)由能級(jí)公式和躍遷公式可以推導(dǎo)出裏德伯公式，與實(shí)驗(yàn)規(guī)律相符。與量子力學(xué)的結(jié)論一致連續(xù)區(qū)n,該譜線系的線系限（波長最短的譜線）賴曼系(紫外)巴爾末系（可見光）帕邢系(紅外)布喇開系(遠(yuǎn)紅外)普方德系(遠(yuǎn)紅外)裏德伯公式——

氫原子光譜的普遍公式裏德伯常數(shù)RH=1.0967758×107m-1五.夫蘭克——赫茲實(shí)驗(yàn)證實(shí)了原子能級(jí)的存在（錄影片）四.對應(yīng)原理

新理論應(yīng)該包容在一定經(jīng)驗(yàn)範(fàn)圍被證明是正確的舊理論，在極限條件下（返回原來經(jīng)驗(yàn)範(fàn)圍時(shí)），回到舊理論。量子理論經(jīng)典模型一定條件對應(yīng)自由電子能量連續(xù)，自由電子被質(zhì)子俘獲形成氫原子過程發(fā)射連續(xù)光譜。為我深入到未知的量子世界導(dǎo)航的，唯有對應(yīng)原理。