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文檔簡介

1、第六章 量子物理基礎(chǔ) (2),6.3 康普頓散射,光具有波粒二象性。在有些情況下,光 突出地顯示出其波動性;而在另一些情況 下,則突出地顯示出其粒子性。,描述光的波動性:波長 ,頻率 描述光的粒子性:能量 ,動量 P,康普頓散射是光顯示出其粒子性的又一 著名實驗。,由光的量子論: = h 和關(guān)系式:2 = p2c2 + m02c4 = p2c2,得光子的動量 p = h/c = h /,令 = h/2,圓頻率 = 2, 得基本關(guān)系式:, = h = ,1923年,康普頓研究 X射線與石墨的散射, 首次在實驗上證實了“光子具有動量” 。,一.康普頓散射的實驗裝置與規(guī)律:,實驗裝置,這是X射線晶體

2、散射儀,康普頓正在測晶體對X射線的散射,按經(jīng)典電磁理論: 如果入射 X光是某 種波長的電磁波, 散射光的波長是 不會改變的!,在散射的X射線中, 除有波長與入射射線 相同的成分0外, 還有波長較長的成分。,波長的偏移為,其中 0入射波的波長 散射波的波長 散射角,通常令,c稱為電子的 Compton波長。,康普頓效應(yīng)的特點(diǎn):,(1)波長偏移只與散射角 有關(guān),而與 散射物質(zhì)及入射的X射線的波長 0 無關(guān);,(2)散射線中還有與原波長相同的射線;,(3)只有當(dāng)入射波長 0 較短,與電子的 康普頓 波長可比擬時, 康普頓效應(yīng)才顯著。,二.康普頓的解釋,石墨中的外層電子在原子中結(jié)合較弱, 因X光的光子

3、能量很大,可認(rèn)為這些 電子是靜止的自由電子。,X射線的光子與靜止的自由電子之間是 彈性碰撞。并假設(shè)在碰撞過程中能量 守恒,動量守恒。,定性分析:,光子把部分能量傳給了電子,能量 減小,頻率變小,因而波長變長。,定量計算:按能量與動量守恒定律應(yīng)有,解出的波長偏移 (推導(dǎo)見書):,和實驗結(jié)果完全符合!, 為什么在散射線中還觀察到有與原波長 相同的射線?, 為什么,在可見光的散射中觀察不到 波長偏移現(xiàn)象?,(光子與石墨中被原子核束縛很緊的內(nèi)層電子 的碰撞,應(yīng)看做是光子和整個原子的碰撞),(最大為00486;是可見光的10-5), 為什么與散射物的種類無關(guān)?,(散射物中的電子看成自由電子),三.康普頓

4、散射實驗的意義,(1)有力地支持了“光子”概念; 也證實了普朗克假設(shè) = h 的正確;,(2)首次在實驗上證實了“光子具有動量” 的假設(shè);,(3)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是成立的。,康普頓的成功也不是一帆風(fēng)順的,在他早期的 幾篇論文中,一直認(rèn)為散射光頻率的改變是由于 “混進(jìn)來了某種熒光輻射”;在計算中起先只 考慮能量守恒,后來才認(rèn)識到還要用動量守恒。,吳有訓(xùn) (三十年代),(1897-1977),吳有訓(xùn),康普頓與我國物理學(xué)家吳有訓(xùn)。,康普頓于1927年獲諾貝爾物理獎。,規(guī)律:對輕元素 P 峰很低,M 峰很高;隨著元素 質(zhì)量的增加,P 峰逐漸增高,M 峰逐漸降低。,

5、吳有訓(xùn)先生作的多種元素x 射線散射曲線:,想一想:如何解釋?,他以各種不同元素為散射物質(zhì),在同一散射角 測量各種波長的散射光強(qiáng)度。,吳有訓(xùn)先生曾任我校物理系主任、中國科學(xué)院付院 長。他的學(xué)生中有多人成為我國兩彈一星的功臣。,圖為以0.563埃的x光為入射光,得到的實驗結(jié)果。 P為不改變波長的散射光, M為改變波長的散射光。 可以看到各個不同元素都具有相同的峰值位置。,(補(bǔ)圖)。符合,6.4 粒子的波動性,一.德布洛意假設(shè) (1924年),關(guān)于德布洛意 (1892-1987)。, = h = ,實物粒子具有波動性。實物粒子有 和 , 和它相聯(lián)系的波的 和 的關(guān)系 和光子一樣,為(德布洛意關(guān)系):

6、,德布洛意首先對玻爾(原子)模型中的 軌道量子化條件作出了解釋:,(n=1,2,),?,與粒子相聯(lián)系的波稱為物質(zhì)波,或德布洛意波。,駐波:,二.實驗驗證電子衍射實驗,(1)戴維遜革末實驗(1927年),實驗裝置示意圖,得,假如電子具有波動性,應(yīng)滿足布喇格公式,實驗結(jié)論:,(2)G.P.湯姆遜(1927年) 電子通過金屬多晶薄膜的衍射實驗.,G.P.湯姆遜 觀察到電子束 通過金屬箔時 產(chǎn)生的圓環(huán)形 條紋,1929年 德布洛意獲諾貝爾物理獎。,1937年,戴維遜 與 G.P.湯姆遜 獲諾貝爾物理獎,G.P.湯姆遜,戴維遜,此后,又有人作了電子的單縫、雙縫、三縫 和四縫衍射實驗。,三.一切實物粒子都有波動性,后來實驗又驗證了:質(zhì)子、中子和原子、 分子等實物粒子都具有波動性,并都滿足 德布洛意關(guān)系。,一顆子彈、 一個足球 有沒有 波動性呢?,例題:質(zhì)量m=

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