大学物理课件：第13章 早期量子论和量子力学基础2

1、13.3 康普顿效应(散射) 当光照射到尺度远小于其波长的物体上，光就会向各个方向散开，这种现象称为光的散射。（一）光的散射现象（二）散射现象经典解释e频率相同的受迫振动入射光发射同频率次级电磁波康普顿散射（一）康普顿散射在19221923年间，康普顿在用X射线作光散射实验时，发现：X射线被散射后，除部分波长没有改变外，还有部分波长变长，这种现象称为康普顿效应（康普顿散射）。康普顿 (A.H. Compton)1927年诺贝尔物理学奖得主（二）康普顿散射实验石墨体光源X射线谱仪散射光晶体改变X射线谱仪的方位，可以测得不同角度散射的X射线波长和强度。1. 散射光除原波长0 外，还 出现了波长大于

2、0 的新的 散射波长 。2. 波长差 = - 0 随散射 角 的增大而增大。 3. 新波长的谱线强度随散射 角 的增加而增加，但原 波长的谱线强度降低。（三）实验结果 4.对不同的散射物质，只要在同一个散射角下，波长的改变量-0都相同，与散射物质无关！19251926年吴有训在该方面也做出了贡献。（四）光量子理论解释入射光子反冲电子散射光子吸收部分能量能量减少，波长变长X射线光子与“静止”的“自由电子”弹性碰撞。碰撞前：碰撞后：入射光子反冲电子散射光子由能量守恒：由动量守恒：康普顿波长为普适常量，与物质种类无关！理论和实验结果符合得很好。康普顿波长解释：只有当入射波长0与C可比拟时，康普顿效应

3、才显著，因此要用X射线才能观察到康普顿散射，用可见光观察不到康普顿散射。很难观测到康普顿效应。说明对可见光来讲，康普顿效应的意义（一）证明光子假设的正确性。（二）证明光子动量、能量表达式的正确性。（三）在光子与电子的相互作用过程中，动量和能量依然守恒。例13-4 在康普顿散射中，入射光子的波长为 ，反冲电子的速度为光速的60%。求散射光子的波长及散射角。解：由能量守恒：因为所以得由康普顿散射公式得实验规律记录氢原子光谱原理示意图13-4 氢原子光谱 玻尔的氢原子理论氢放电管23 kV光阑全息干板 三棱镜（或光栅）光 源氢光谱的里德伯常量 (3) k = 2 (n = 3, 4, 5, ) 谱线

4、系 巴耳末系（1885年）(2) 谱线的波数可表示为 k = 1 (n = 2, 3, 4, ) 谱线系 赖曼系 （1914年）(1) 分立线状光谱氢原子的巴耳末线系照片 k = 3 (n = 4, 5, 6, ) 谱线系 帕邢系 （1908年）(n k) k = 4 (n = 5, 6, 7, ) 谱线系 布拉开系 （1922年）巴耳末系莱曼系0.8 0.6 0.4 0.2 波长 m m 可 见 光紫 外 线布拉开系帕邢系 m m 5.0 4.0 3.0 2.0 1.0 红 外 线普丰德系其他元素的光谱也有类似的规律性。原子光谱线系的规律性深刻地反映了原子内部的规律性经典原子模型（一）汤姆逊

5、模型1893年，英国物理学家汤姆逊（J. J. Thomson）首先发现电子，并于1897年在英国卡文迪许实验室测定了比荷（em），为此于1906年获诺贝尔物理奖。电子的电量由美国物理学家密立根于1909年测定（密立根油滴实验），并于1923年获诺贝尔物理奖。电子的质量仅为氢原子质量的12000。-1903年汤姆逊提出： 正电部分和原子质量均匀分布在半径为 的球体内，弹性、冻胶状的负电荷嵌在（浸于）此球内，电子在平衡位置作简谐振动而发射同频率的电磁波。正电荷部分负电荷（二）卢瑟福（英国原子物理学家）模型（1）粒子散射实验19011911年，盖革和马斯顿进行了一系列粒子散射实验。放射源（镭）粒子

6、束小孔金属箔荧光屏显微镜粒子探测器（2）实验结果粒子散射相对数散射角（）原子核电子与实验相符（3）原子的核模型（原子的行星模型） 1911年卢瑟福提出：原子中带正电的部分集中了原子绝大部分这里质量，并分布在一个极小区域内（称为原子核），而电子在它的周围运动，好象行星绕太阳一样。（4）氢原子经典核模型的困难+核电子 电子被原子核捕获，光谱为连续光谱。事实：（a）原子是稳定的（b）原子光谱是线状光谱卢瑟福原子核模型？经典电磁理论？玻尔氢原子理论（一）玻尔氢原子模型 1913年玻尔在卢瑟福核式模型的基础上，结合普朗克、爱因斯坦能量量子化，提出氢原子模型。 假设：（1）电子在原子中沿一组特殊轨道运动，

7、并处于稳定状态。电子绕核作加速运动时，不随意吸收和发射辐射，称为定态。相应的能量为（2）当一个电子以某种方式从一个定态向另一个定态跃迁时，原子就会吸收或发射光子。由爱因斯坦光子假设与经典理论不同：A 为光子频率而不是电子振动频率 （3）电子运动轨道为圆形轨道，电子在轨道上运动时的角动量为 的整数倍，即角动量是量子化的：（二）能级根据波尔的假设，结合经典力学中电子绕核圆周运动的规律（三）能级图巴耳末系帕邢系布喇开系普芳德系赖曼系（四）富兰克赫兹实验1914年，富兰克和赫兹在研究电子碰撞原子的实验中验证了能级的存在。波尔理论的局限性（1）仅限于材料氢和类氢原子（2）不能求出光谱线的强度经典力学应用于微观粒子？例13-5 如用能量为12.6 eV的电子轰击氢原子，将产生那些光谱线？解：可取 n = 3可能的能级跃迁： 31 ，32 ，21基态氢原子受到12.8eV的电子轰击后，氢原子能具有的最高能量： 例13-6 氢原子的基态能量E1= -13.6 eV。在气体