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热辐射热辐射光电效应光电效应康普顿效应康普顿效应光的波粒二象性光的波粒二象性2 前前 言言在本世纪在本世纪( (指指2020世纪世纪) )初，发生了三次概念初，发生了三次概念上的革命，它们深刻地改变了人们对物理上的革命，它们深刻地改变了人们对物理世界的了解，这就是世界的了解，这就是狭义相对论狭义相对论（19051905年）、年）、广义相对论广义相对论（19161916年）和年）和量子力学量子力学（19251925年）。年）。 杨振宁杨振宁3 经典物理经典物理(18(181919世纪世纪) )牛顿力学牛顿力学 热力热力学学 经典统计力学经典统计力学 经典电

2、磁理论经典电磁理论 1919世纪世纪末趋于完善末趋于完善 海王星的发现（海王星的发现（Leverrier,1846）“不不必向天空看一眼就发现了这颗新行星必向天空看一眼就发现了这颗新行星”, ”, “是在是在LeverrierLeverrier的笔尖下看的笔尖下看到，到，” ” 电磁理论解释电磁理论解释了波动光学了波动光学4 MM实验实验 黑体辐射黑体辐射 相对论相对论量子论量子论 量子力学量子力学这两朵乌云开出近代物理的鲜花这两朵乌云开出近代物理的鲜花开尔文：大厦基本建成开尔文：大厦基本建成 两朵两朵乌云乌云 5 近代物理近代物理(20(20世纪世纪) ) 相对论相对论 1905 1905

3、狭义相对论狭义相对论 1916 1916 广义相对论广义相对论( (引力、天体引力、天体) ) 量子力学量子力学 A. A.旧量子论的形成旧量子论的形成( (冲破经典量子假说冲破经典量子假说) ) 1900 Planck 振子能量量子化振子能量量子化 1905 Einstein 电磁辐射能量量子化电磁辐射能量量子化 1913 N.Bohr 原子能量量子化原子能量量子化 6B.B.量子力学的建立（崭新概念）量子力学的建立（崭新概念） 1923 1923 de Broglie 电子具有波动性电子具有波动性 1926 - 27 1926 - 27 Davisson, G.P.Thomson 电子衍射

4、实验电子衍射实验 1925 1925 Heisenberg 矩阵力学矩阵力学 1926 1926 Schroedinger 波动方程波动方程 1928 1928 Dirac 相对论波动方程相对论波动方程7 C. .量子力学进一步发展量子力学进一步发展( (应用、发展应用、发展) ) 量子力学量子力学原子原子. .分子分子. .原子核原子核. .固体固体 量子电动力学量子电动力学(QED)(QED)电磁场电磁场 量子场论量子场论原子核和粒子原子核和粒子进一步认识的问题进一步认识的问题8本课程的主要教学内容：本课程的主要教学内容：量子理论的基本概念量子理论的基本概念量子力学解决问题的基本思路和方法

5、量子力学解决问题的基本思路和方法 对象的特点：对象的特点： 1) 1) 微观：对象线度小微观：对象线度小 活动范围小活动范围小910米米2) 2) 粒子具有粒子性粒子具有粒子性 还具有明显的波动性还具有明显的波动性3) 3) 粒子的能量粒子的能量 角动量等物理量取值分立角动量等物理量取值分立 完全脱离了经典物理的模式完全脱离了经典物理的模式9注意注意：1) 1) 摆脱经典束缚摆脱经典束缚 注重实验事实注重实验事实 2) 2) 处理好形象与抽象的关系处理好形象与抽象的关系 3) 3) 对应原理对应原理 新理论新理论是在原有的理论基础上发展起来是在原有的理论基础上发展起来的，所以，在极限情况下可以

6、回到的，所以，在极限情况下可以回到原有的原有的理论理论，但量子范围内的很多概念找不到经，但量子范围内的很多概念找不到经典的对应，是个全新的领域典的对应，是个全新的领域10思路思路 1)1)突破性的实验突破性的实验 实验规律实验规律( (应掌应掌握握) )经典理论的困难经典理论的困难 假设假设 确立新理论确立新理论2)2)实物粒子的波粒二象性实物粒子的波粒二象性 及量子力学解及量子力学解决问题的基本方法决问题的基本方法 3)3)证明量子理论的重要实验证明量子理论的重要实验( (应掌握应掌握) ) 4)4)量子力学的应用举例量子力学的应用举例11 敲开量子物理大门的首要问题敲开量子物理大门的首要问

7、题 是是 关于光的本质的认识关于光的本质的认识 光具有波动光具有波动性性 已被大量实验证明但与物质相互作已被大量实验证明但与物质相互作用的大量实验使经典的波动理论遇到无法用的大量实验使经典的波动理论遇到无法克服的困难克服的困难论述由此展开论述由此展开1211.1 11.1 热辐射热辐射( (thermal radiation) )一、热辐射现象一、热辐射现象1. 1. 热辐射热辐射 由分子热运动导致物体辐射电磁波的由分子热运动导致物体辐射电磁波的现象。这种与温度有关的辐射称为现象。这种与温度有关的辐射称为热辐热辐射。射。热辐射热辐射-热能转化为电磁能的过程热能转化为电磁能的过程13 例如：铁块

8、例如：铁块 温度温度 从看不出发光到暗红到橙色到黄白色从看不出发光到暗红到橙色到黄白色2. 2. 对热辐射的初步认识对热辐射的初步认识1 1）任何物体任何温度均存在热辐射）任何物体任何温度均存在热辐射2 2）热辐射谱是连续谱）热辐射谱是连续谱3 3）热辐射谱与温度有关）热辐射谱与温度有关14如如:20:20瓦白炽灯瓦白炽灯, ,昏黄色昏黄色;200;200瓦的白炽灯瓦的白炽灯, ,刺眼，特亮刺眼，特亮温度温度 发射能量发射能量 电磁波短波成分电磁波短波成分 直觉直觉: : 低温物体发出的是红外光低温物体发出的是红外光 炽热物体发出的是可见光炽热物体发出的是可见光 高温物体发出的是紫外光高温物体

9、发出的是紫外光15物体温度升高时温度的变化物体温度升高时温度的变化逐渐升温逐渐升温16注意：注意： 热辐射与温度有关热辐射与温度有关 激光激光 日光灯发光不是热辐射日光灯发光不是热辐射3.3.平衡热辐射平衡热辐射 加热一物体加热一物体, ,物体的温度恒定时物体的温度恒定时, ,物体物体所吸收的能量等于在同一时间内辐射的所吸收的能量等于在同一时间内辐射的能量能量, ,这时的辐射称为这时的辐射称为平衡热辐射平衡热辐射17二、基尔霍夫定律二、基尔霍夫定律 1.1.光谱辐射出射度光谱辐射出射度( (单色辐射本领单色辐射本领) ) 单位时间单位时间内从物体内从物体单位表面单位表面向前方半向前方半球发出的

10、波长在球发出的波长在 附近单位波长间隔内的附近单位波长间隔内的电磁波的能量电磁波的能量 ddMTMddMTM,或或18单位时间内单位时间内 T单位面积单位面积Md)(d的辐射能的辐射能或按频率定义：单位时间内从物体单位表或按频率定义：单位时间内从物体单位表面向前方半球发出的频率在面向前方半球发出的频率在 附近单位频附近单位频率间隔内的电磁波的能量率间隔内的电磁波的能量19dd)(TMM 表面情况表面情况物质种类物质种类)( TMd)(d（单位时间内）（单位时间内） T T单位面积单位面积有关有关辐射出射度与辐射出射度与202. 2. 总辐出度总辐出度( (总辐射本领总辐射本领) )0)()(d

11、TMTM单位：单位：w/m20)()(dTMTM或或 单位时间单位时间内从物体内从物体表面单位表面单位面积发出面积发出的对应各种波长的对应各种波长 的辐射能的总和叫辐的辐射能的总和叫辐射出射度。射出射度。21单色吸收率单色吸收率:a(,T):a(,T)表示物体在温度表示物体在温度T T时，波长时，波长 辐射能的单色吸辐射能的单色吸收率收率 绝对黑体绝对黑体：在任何温度下，对任何波长到：在任何温度下，对任何波长到达它表面的电磁辐射全部吸收达它表面的电磁辐射全部吸收吸收率吸收率 a(T):a(T):物体吸收的能量和入射总物体吸收的能量和入射总能量的比值能量的比值)(d22 1859 1859年年

12、基尔霍夫证明：基尔霍夫证明：平衡态平衡态时时 物物体辐射出射度和吸收率的比值，与物体体辐射出射度和吸收率的比值，与物体的材料、形状无关，是物体的温度和波的材料、形状无关，是物体的温度和波长的普适函数长的普适函数(,T)(,T)。 3.3.基尔霍夫辐射定律基尔霍夫辐射定律TaTMT,23实验和理论均证明：在各种材料中黑体实验和理论均证明：在各种材料中黑体的光谱辐射度最大的光谱辐射度最大1,TaTMT,0TM,0是黑体的单色辐射出射度是黑体的单色辐射出射度其中其中故，只要知道故，只要知道出射度出射度, ,即知道了一般物体的辐射性质即知道了一般物体的辐射性质TM,0黑体的单色辐射黑体的单色辐射24维

13、恩设计的黑体维恩设计的黑体空腔上的小孔空腔上的小孔炼钢炉上的小洞炼钢炉上的小洞向远处观察打开向远处观察打开的窗子的窗子近似黑体近似黑体25二、实验规律v 不同温度下黑体的辐出度按波长的分布6000 K5000 K4000 K可见光 /mM0 (, T)0.51.01.52.0261)1)斯特藩斯特藩 - - 玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律应用：遥感和红外追应用：遥感和红外追踪踪 高温比色测温仪高温比色测温仪 估算表面温度估算表面温度 = 5.67 10-8 W/m2K44)(TTM曲线与横轴围的曲线与横轴围的面积就是面积就是M M( (T) )三、黑体辐射的实验规律三、黑体辐射的实验规律272)2)

14、维恩位移定律维恩位移定律: :v 炉火纯青：炉火纯青：先秦时期先秦时期( (约公元前约公元前200200年年) )的手工艺著作的手工艺著作考工记考工记记载铸造青铜记载铸造青铜器时写道器时写道: “: “凡铸金之状凡铸金之状, ,金与锡金与锡, ,黑浊黑浊之气竭之气竭, ,黄白黄白次之次之; ;黄白之气竭黄白之气竭, ,青白青白次之次之; ;青白之气竭青白之气竭, ,青气青气次之次之; ;然后可铸也然后可铸也.”.”这这是世界上最早有关光测高温技术的记录是世界上最早有关光测高温技术的记录. .28维恩维恩(W. Wien, 1864-1928)德国德国物理学家物理学家. 1911年因发现热辐射年

15、因发现热辐射定律获诺贝尔物定律获诺贝尔物理学奖理学奖.29或或b = 2.89775610-3 mKbTmC = 5.8801010 Hz/KTCmP278 P278 例例11-111-130红外夜视仪红外夜视仪若视太阳为黑体若视太阳为黑体, ,测得测得 nm550m估算出太阳表面估算出太阳表面温度约温度约 T T表面表面 5000K 5000K31红外夜视图红外夜视图32钢水钢水33运动时各部分温度的分布运动时各部分温度的分布34红外热像图红外热像图(Infrared Thermogram) 红外热像图显示电力系红外热像图显示电力系统的空气开关夹过热统的空气开关夹过热. .35红外热像图红外

16、热像图( (Infrared Thermogram) ) 红外热像图显示患者胸腹部由于红外热像图显示患者胸腹部由于炎症导致的温度升高炎症导致的温度升高( (红色区域红色区域) )36四、经典物理的困难四、经典物理的困难, ,普朗克的量子假设普朗克的量子假设如何从理论上找到符合实验的函数式如何从理论上找到符合实验的函数式? ? 理论物理学家做了艰苦地努力理论物理学家做了艰苦地努力 1896 1896年维恩从经典热力学理论及实验年维恩从经典热力学理论及实验数据的分析得出数据的分析得出1.1.维恩公式维恩公式37TeTM/3)( 为常数为常数短波方向与实验符合较好短波方向与实验符合较好2. 2. 瑞

17、利瑞利- -金斯公式金斯公式 19001900年从经典电动力学和统计物理学年从经典电动力学和统计物理学理论推导而得理论推导而得38长波方向与实验符合较好长波方向与实验符合较好短波方向得出灾难性的结论短波方向得出灾难性的结论“紫外灾紫外灾”经典物理有难经典物理有难! !kTcTM222)(123KJ10380658. 1k由经典理论导出的由经典理论导出的 M (T) 公式都与实验结果不符合！公式都与实验结果不符合！39物理学晴朗天空中的一朵乌云物理学晴朗天空中的一朵乌云! !实验数据点普朗克公式瑞利-金斯公式维恩公式 /m2.04.06.08.010.0M0 (, T)T = 1600 K040

18、3.3.普朗克的黑体辐射公式普朗克的黑体辐射公式1900.10.19 1900.10.19 普朗克在普朗克在德国物理学会会议上提德国物理学会会议上提出一个黑体辐射公式出一个黑体辐射公式M.Planck 德国人德国人 185818581947194712)(/32kThechTMsJ10624. 634h4112kT/ch52e1ch)T(M 实验物理学家鲁本斯实验物理学家鲁本斯(Rubens)(Rubens)把它同把它同最新的实验结果比较最新的实验结果比较 发现：发现：短波趋向维恩短波趋向维恩 长波趋向瑞利长波趋向瑞利在全波段与实验结果惊人符合在全波段与实验结果惊人符合42434.4.普朗克的

19、能量子假说普朗克的能量子假说“一定要不惜任何代价一定要不惜任何代价 找到一个理论根据找到一个理论根据”1900.12.14普朗克在德国物理学会上报告普朗克在德国物理学会上报告了论文了论文“关于正常谱中能量分布的理论关于正常谱中能量分布的理论”从理论上推出了普朗克公式从理论上推出了普朗克公式44基本物理思想：基本物理思想：辐射黑体的分子辐射黑体的分子 原子可看作线性谐振子原子可看作线性谐振子振动时向外辐射能量（也可吸收能量）振动时向外辐射能量（也可吸收能量）普朗克能量子假定：普朗克能量子假定： 振子的能量不连续振子的能量不连续 E = n n = 1, 2 , 3. = h 能量子能量子45物体

20、发射或吸收电磁辐射时物体发射或吸收电磁辐射时 交换能量交换能量的最小单位是的最小单位是“能量子能量子” ” = h hnE)( 由此得到了普朗克的热辐射公式：由此得到了普朗克的热辐射公式：11252hc/c/ehc(T)M46小小( ( 大大) )时时: :维恩公式维恩公式大大( ( 小小) )时时: :瑞利瑞利- -金斯公式金斯公式12)(/32kThechTMsJ1055. 634h普朗克获得普朗克获得19181918年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖47量子假说的意义及其与宏观现象的关系量子假说的意义及其与宏观现象的关系 = = h E = n n = 1,2,3.打破打破“一切自然过程能

21、量都是连续的一切自然过程能量都是连续的”经典看法经典看法说明了宇宙辐射背景说明了宇宙辐射背景 T = 3K敲开量子力学的大门敲开量子力学的大门48例：设想一质量为例：设想一质量为 m = 1 g 的小珠的小珠子悬挂在一个小轻弹簧下面作振幅子悬挂在一个小轻弹簧下面作振幅 A = 1 mm的谐振动的谐振动 弹簧的劲度系数弹簧的劲度系数 k = 0.1 N/m为什么在宏观世界中观察不到能量分立为什么在宏观世界中观察不到能量分立的现象的现象? ?49按量子理论计算按量子理论计算 此弹簧振子的能级间此弹簧振子的能级间隔多大？减少一个能量子时隔多大？减少一个能量子时 振动能量振动能量的相对变化是多少？的相

22、对变化是多少？解：弹簧振子的频率解：弹簧振子的频率13s59. 1101 . 028. 6121mk50能级间隔能级间隔J1005. 159. 11065. 63334hE振子能量振子能量J105101 . 02121862kAE相对能量变化相对能量变化268331021051005.1EE51这样小的相对能量变化在现在的技术条件这样小的相对能量变化在现在的技术条件下还不可能测量出来下还不可能测量出来,现在能达到的最高的现在能达到的最高的能量分辨率为：能量分辨率为：1610 EE所以宏观的能量变化看起来都是连续的所以宏观的能量变化看起来都是连续的经典经典能量能量量子量子5211.2 11.2

23、光电效应光电效应一、光电效应的实验规律一、光电效应的实验规律光电效应光电效应: : 光照射某些金属时能从表面释光照射某些金属时能从表面释放出电子的现象。产生的电子称为光电子放出电子的现象。产生的电子称为光电子 光电效应是赫兹在光电效应是赫兹在18871887年发现的，年发现的，18961896年汤姆逊发现了电子之后，勒纳德证明了年汤姆逊发现了电子之后，勒纳德证明了光电效应中发出的是电子光电效应中发出的是电子53VGOOOOOOBOO照射光照射光.KA光电管光电管541.1.光电子与入射光强之间的关系光电子与入射光强之间的关系IOU光光 强强 较较 强强光光 强强 较较 弱弱光电效应伏安特性曲线

24、光电效应伏安特性曲线Im饱饱和和电电流流在一定入射光在一定入射光强照射下，光强照射下，光电流电流I随电势差随电势差U增大而增大，增大而增大，当当U足够大时，足够大时，IIm55UaIOU遏遏止止电电势势差差2.2.光电子初动能与入射光频率间的关系光电子初动能与入射光频率间的关系CsCaNa4.06.08.010.0UaV1014Hz4.02.0560UKUa021eUeKUema2v上式表明，光电子初动能随入射光频率上式表明，光电子初动能随入射光频率线性地改变，与入射光强度无关线性地改变，与入射光强度无关573.3.红限频率红限频率0210eUeKUema2vKU00红限频率或截止频率红限频率

25、或截止频率4.驰豫时间为零驰豫时间为零st91058几种金属的红限及逸出功几种金属的红限及逸出功钯 Pd金 Au汞 Hg钛 Ti铯 Cs12.111.610.99.92480258027503030654.85.0金金 属属逸逸 出出 功功(A)4.8=（eV)红红 限限(Hz)0+101400c。59 1. 1.饱和电流饱和电流 2.2.遏止电压遏止电压 3.3.红限频率红限频率 4.4.驰豫时间为零驰豫时间为零光波的能量与振光波的能量与振幅的平方成正比幅的平方成正比打出电子只需克打出电子只需克服逸出功服逸出功* *波动理论所遇到的困难波动理论所遇到的困难实验规律：实验

26、规律：经典电磁理论：经典电磁理论：60 光量子具有光量子具有“整体性整体性” ” 光的发射、传播、吸收都是量子化的光的发射、传播、吸收都是量子化的电磁辐射由以光速运动的局限于空间某电磁辐射由以光速运动的局限于空间某 一小范围的光量子（光子）组成一小范围的光量子（光子）组成 = h = h 1.1.爱因斯坦光量子假设爱因斯坦光量子假设(1905(1905年年) )二、爱因斯坦的光量子论二、爱因斯坦的光量子论61光强光强: :单位时间单位时间打到打到单位面积单位面积上粒子总能量上粒子总能量 I = N h N: 粒子流密度粒子流密度 光强不变：即光强不变：即 I = N h 不变不变 若若 则则

27、N 一个光子只能整个地被电子吸收一个光子只能整个地被电子吸收622. 2. 爱因斯坦光电效应方程爱因斯坦光电效应方程 一个光子将全部能量交给一个电子一个光子将全部能量交给一个电子电子克服金属对它的束缚，从金属中逸出电子克服金属对它的束缚，从金属中逸出Ahmm221vA A：逸出功：逸出功光电效应方程光电效应方程63当当 A / h 时时 不发生光电效应不发生光电效应红限频率红限频率hA0 I 光子数光子数N 打出光电子多打出光电子多 im 在确定的光强下在确定的光强下 I = N h 打出的最多电子数就是打出的最多电子数就是 N 饱和电流饱和电流00eUhAeKh 64光子打出光电子光子打出光

28、电子是瞬时发生的是瞬时发生的光子光子假设解释了光电效应全部实验规律！假设解释了光电效应全部实验规律！遏止电压与最大动能遏止电压与最大动能221mameU19161916年密立根实验证实了爱因斯坦理论年密立根实验证实了爱因斯坦理论65AhmeUma221v h = 6.57 10-34 Js4.06.08.010.0 (1014Hz)0.01.02.0Uc(V)CsNaCa)(VUa66三、光电效应的应用三、光电效应的应用光电管，光电倍增管，光电池光电管，光电倍增管，光电池利用光电效应制成的光电池可将光信号利用光电效应制成的光电池可将光信号转换成电信号转换成电信号, ,被用于许多领域被用于许多领

29、域. .例如例如v 光电池用于车库门的自动开启光电池用于车库门的自动开启. .v 在医学中的应用在医学中的应用, ,细菌对光的吸收细菌对光的吸收67v导致光电池接收到的光子数目减少导致光电池接收到的光子数目减少, ,光光电流降低电流降低. .v 电影胶片上的光学声轨与条形码类似电影胶片上的光学声轨与条形码类似, ,但更详细但更详细. .声轨调制与所记录声音频率声轨调制与所记录声音频率相同的光的强度相同的光的强度. .由光电池转成电流由光电池转成电流, ,经经放大后驱动扬声器发声放大后驱动扬声器发声. .68爱因斯坦由于对光电效爱因斯坦由于对光电效应的理论解释和对理论应的理论解释和对理论物理学的

30、贡献获得物理学的贡献获得19211921年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖密立根因研究基本电荷密立根因研究基本电荷和光电效应，特别通过和光电效应，特别通过著名的油滴实验，证明著名的油滴实验，证明电荷有最小单位。获得电荷有最小单位。获得19231923年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖6911.3 11.3 康普顿效应康普顿效应( (Compton effect) ) 一、康普顿散射实验一、康普顿散射实验 康 普 顿康 普 顿 ( ( A . H . Compton,1892-1962) )美国物理学美国物理学家家.1937.1937年因发现年因发现康普顿效应获诺贝康普顿效应获诺贝尔物理学奖尔物理学

31、奖. .70 1922-23年年 康普顿研究了康普顿研究了X射线在石墨射线在石墨上的散射，实验规律如下上的散射，实验规律如下 波长为波长为 的的X射线经物质散射时射线经物质散射时, ,在散射在散射线中除有线中除有 的射线外的射线外, ,还有波长为还有波长为( ( ) )的射线的射线. . 波长差波长差 随散射角增大而增大随散射角增大而增大, ,0 0 0 071 与散射物质无关与散射物质无关; ;波长为波长为 0 0的谱线强的谱线强度随散射物质原子序数的增加而增加度随散射物质原子序数的增加而增加, ,波长为波长为 的谱线强度随原子序数的增加的谱线强度随原子序数的增加而减小而减小. .72晶体晶

32、体 光阑光阑X 射线管射线管探探测测器器X 射线谱仪射线谱仪 石墨体石墨体(散射物质散射物质)j 0散射波长散射波长 73 作为靶子作为靶子的静止电子的静止电子反冲电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波长波长.散射曲线的三个特点散射曲线的三个特点： 1.除原波长除原波长 0外出现了移外出现了移向长波方面的新的散射波向长波方面的新的散射波长长 2.新波长新波长 随散射角的增随散射角的增大而增大大而增大 3.当散射角增大时当散射角增大时 原波原波长的谱线强度降低长的谱线强度降低 而

33、新波而新波长的谱线强度升高长的谱线强度升高75称为电子的称为电子的Compton波长波长只有当入射波长只有当入射波长 0 0与与 c c可比拟时可比拟时, ,康普顿效康普顿效应才显著应才显著 因此要用因此要用X 射线才能观察到射线才能观察到波长的偏移只与散射角波长的偏移只与散射角j j 有关有关 c c = 0.0241= 0.0241=2.41=2.41 1010-3-3nmnm（实验值）（实验值）)cos1 (jc0 76经典理论又一次遇到困难经典理论又一次遇到困难 经典散射理论：当波长经典散射理论：当波长 0 0的射线入射后使的射线入射后使电偶极子受迫振动电偶极子受迫振动 发出散射波的波

34、长在各方发出散射波的波长在各方均是均是 0 0 康普顿用爱因斯坦的光量子假说，成功解释康普顿用爱因斯坦的光量子假说，成功解释了实验现象，进一步证明光子假说的正确性了实验现象，进一步证明光子假说的正确性 77 二、二、 Compton 的解释的解释 1.1.物理图像物理图像 单个光子与单个电子发生弹性碰撞单个光子与单个电子发生弹性碰撞 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 电子可看作自由电子电子可看作自由电子 碰碰撞撞前静止前静止 电子功函数量级几个电子功函数量级几个 eV，电子热运动电子热运动78yex电子电子静止静止0h0myx散射散射光子光子反冲反冲电子电子hm平均

35、能量量级平均能量量级1010-2-2 eV，与光子能量与光子能量10 10 KeV 相比相比 都很小都很小静止静止790P0hPhjeP反冲电子反冲电子散射光子散射光子2.2.Compton 散射公式散射公式 eeEhcmhPPP2000康普顿假设康普顿假设: : 碰撞过碰撞过程程 遵守能量守恒定律遵守能量守恒定律和动量守恒定律和动量守恒定律80chPcmcPEee420222利用相对论能量与动量关系利用相对论能量与动量关系得出结果得出结果)cos1 (00jcmh2sin2200jcmh81oA048602.cj0P0hPhjeP反冲电子反冲电子散射光子散射光子电子的电子的Compton波长

36、波长o0A024263. 0cmhc波长改变最大波长改变最大实验值实验值 c c = 0.0241= 0.0241 =2.41 =2.41 1010-3-3nmnm( (m m0 0是原子质量是原子质量) )82解释：散射线中还有原波长的成分，如解释：散射线中还有原波长的成分，如果光子与石墨中被原子核束缚得很紧的果光子与石墨中被原子核束缚得很紧的电子发生碰撞（内层电子），相当光子电子发生碰撞（内层电子），相当光子和整个原子碰撞这样和整个原子碰撞这样 散射光的能量散射光的能量(波长波长)几乎不改变几乎不改变从而散射线中还有与原波长相同的射线从而散射线中还有与原波长相同的射线原子序数愈大的物体原波

37、长的成分愈多原子序数愈大的物体原波长的成分愈多833.3.康普顿散射实验的意义康普顿散射实验的意义l支持了支持了“光量子光量子”概念概念 进一步证实进一步证实了了l首次在实验上证实了爱因斯坦提出的首次在实验上证实了爱因斯坦提出的“光量子具有动量光量子具有动量”的假设的假设l证实了在微观的单个碰撞事件中动量证实了在微观的单个碰撞事件中动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康普顿做康普顿散射实验康普顿做康普顿散射实验85 19251926年吴有训用银年吴有训用银X X 射线射线( ( 0 0=5.62nm) =5.62nm) 入射，以入

38、射，以1515种轻重不同的元素为散射物质种轻重不同的元素为散射物质三、吴有训对研究康普顿效应的贡献三、吴有训对研究康普顿效应的贡献19231923年参加了发现康普顿效应的研究工作年参加了发现康普顿效应的研究工作对证实康普顿效应作出了重要贡献对证实康普顿效应作出了重要贡献在同一散射角在同一散射角( ( ) )测量各种波长的散测量各种波长的散射光强度射光强度, , 做了大量做了大量 X 射线散射实验射线散射实验0120 j j86我国物理学家吴有训作为康普我国物理学家吴有训作为康普顿的得力助手顿的得力助手, ,参加了研究参加了研究X X射射线散射的开创性工作线散射的开创性工作. .吴有训测试了吴有

39、训测试了1515种元素对种元素对X X射射线的散射曲线线的散射曲线, ,证实了康普顿证实了康普顿效应的普遍性效应的普遍性. .吴有训还是著名教育家吴有训还是著名教育家, ,学生学生包括杨振宁及包括杨振宁及“两弹一星功勋两弹一星功勋奖章奖章”获得者获得者: :钱三强、王淦钱三强、王淦昌 、 郭 永 怀 、 赵 九 章 、昌 、 郭 永 怀 、 赵 九 章 、朱光亚、彭桓武、王大珩、邓朱光亚、彭桓武、王大珩、邓稼先等人稼先等人. . 吴 有 训吴 有 训 ( 1 8 9 7 -( 1 8 9 7 -1977) 1977) 闻名国际闻名国际的中国物理学家、的中国物理学家、教育家教育家, ,是中国近是中国近代物理学的先驱代物理学的先驱者者. .871. 与散射物质无关与散射物质无关 仅与散射角有关仅与散射角有关曲曲线线表表明明0 II 轻元素轻元素0 II 重元素重元素2.吴有训吴有训的康普的康普顿效应顿效应散射实散射实验曲线验曲线0120 j j88 证实了康普顿效应的普遍性证实了康普顿效应的普遍性 证实了两种散射线的产生机制证实了两种散射线的产生机制 外层电子外层电子( (自由电子自由电子) )散射散射 0 0内层电子内层电子(