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1、,第三节 康普顿效应及其解释,传统的光的波动理论在解释光电效应时遇到了巨大的困难。后来，爱因斯坦在普朗克量子化理论的启发下，提出了光子学说,普朗克,爱因斯坦,1.光的散射,光在介质中与物质微粒相互作用,因而传播方向发生改变,这种现象叫做光的散射,2.康普顿效应,1923年康普顿在做 X 射线通过物质散射的实验时，发现散射线中除有与入射线波长相同的射线外，还有比入射线波长更长的射线，其波长的改变量与散射角有关，而与入射线波长 和散射物质都无关。,用X射线照射物体时，一部分散射出来的X射线的波长会变长，这个现象称为康普顿效应,康普顿正在测晶体对X 射线的散射,按经典电磁理论： 如果入射X光是某 种
2、波长的电磁波， 散射光的波长是 不会改变的！,康普顿散射曲线的特点：,1.除原波长0外出现了移向长波方向的新的散射波长 。,2.新波长 随散射角的增大而增大。,散射中出现 0 的现象，称为康普顿散射。,波长的偏移为,光子的能量和动量,动量能量是描述粒子的, 频率和波长则是用来描述波的,光子的能量:,光子的动量:,二、经典电磁理论解释康普顿效应,根据经典电磁波理论，当电磁波通过物质时，物质中带电粒子将作受迫振动，其频率等于入射光频率，所以它所发射的散射光频率应等于入射光频率。 可以解释频率不变的一般散射。 无法解释波长改变和散射角的关系。,三、光子理论对康普顿效应的解释,康普顿效应是光子和电子作
3、弹性碰撞的结果，具体解释如下： 1. 若光子和外层电子相碰撞，光子有一部分能量传给电子,散射光子的能量减少，于是散射光的波长大于入射光的波长。 2. 若光子和束缚很紧的内层电子相碰撞，光子将与整个原子交换能量,由于光子质量远小于原子质量，根据碰撞理论， 碰撞前后光子能量几乎不变，波长不变。,(碰撞过程满足动量守恒和能量守恒),3. 因为碰撞中交换的能量和碰撞的角度有关，所以波长改变和散射角有关。,三、光子理论对康普顿效应的解释,三.康普顿散射实验的意义,（1）有力地支持了爱因斯坦“光量子”假设；,（2）首次在实验上证实了“光子具有动量” 的假设；,（3）证实了在微观世界的单个碰撞事件中， 动量
4、和能量守恒定律仍然是成立的。,康普顿的成功也不是一帆风顺的，在他早期的 几篇论文中，一直认为散射光频率的改变是由于 “混进来了某种荧光辐射”；在计算中起先只 考虑能量守恒，后来才认识到还要用动量守恒。,康普顿于1927年获诺贝尔物理奖。,康普顿, (1892-1962)美国物理学家,康 普 顿 效 应,1927年获诺贝尔物理学奖,19251926年，吴有训用银的X射线(0 =5.62nm) 为入射线, 以15种轻重不同的元素为散射物质，,四、吴有训对研究康普顿效应的贡献,1923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。,在同一散射角( )测量 各种波长的散射光强
5、度，作 了大量 X 射线散射实验。,小结,什么是康普顿效应？ 经典电磁理论解释康普顿效应：可以解释频率_的一般散射。 无法解释波长改变和散射角的关系。 光子理论对康普顿效应的解释：康普顿效应是光子和电子作_的结果 若光子和外层电子相碰撞，散射光的波长_。若光子和内层电子相碰撞，碰撞前后光子波长_。波长改变和散射角有关。,弹性碰撞,不变,变长,不变,小结,5. 康普顿散射实验的意义： （1）有力地支持了爱因斯坦“光量子”假设； （2）首次在实验上证实了“光子具有动量” 的假设； （3）证实了在微观世界的单个碰撞事件中，动量和能量守恒定律仍然是成立的。 6. 光子的能量和动量,第四节,光的波粒二象
6、性,前言：衍射现象,定义：是指波遇到障碍物时偏离原来直线传播的物理现象。 维基百科 衍射又称为绕射。 衍射现象是波的特有现象，一切波都会发生衍射现象。,挡水堰中间的缺口造成了水波衍射。,钢针的衍射,圆孔衍射,圆屏衍射,干涉现象,定义：干涉是两列或两列以上的波在空间中重叠时发生叠加从而形成新波形的现象。 维基百科,在水波槽里，两个点波源共同产生的干涉图样,在历史上，干涉现象及其相关实验是证明光的波动性的重要依据。,光的双缝干涉,不同色光通过同一双缝产生的干涉图样,暗条纹,亮条纹,证明光的波动性,有人认为光的干涉没有排除光是粒子的可能性。,光强减弱到每次只产生一个光子,显示了光的粒子性,曝光时间很
7、短,曝光时间延长,波动性是每一个光子的属性,一、波粒二象性,光电效应和康普顿效应表明光具有粒子性，光的干涉、衍射、偏振现象表明光具有波动性。光既有粒子性，又有波动性，单独使用波或粒子的解释都无法完整描述光的所有性质，人们把这种性质称为波粒二象性,光子是能量为h的微粒，表现出粒子性，而光子的能量与频率有关，体现了波动性，所以光子是统一了波粒二象性的微粒。但是，在不同条件下的表现不同。,光的粒子性: 1.与物质发生作用时,表现出粒子的性质 2.少量或个别光子容易显示出粒子性 3.频率较大时,易显示粒子性 光的波动性: 1.传播时,表现出波的性质 2.大量光子容易显示出波动性 3.频率较小时,易显示波动性,正确理解波粒二象性,综上所述，光的粒子性和波动性组成一个有机的统一体，并不是独立存在的。,光子在空间各点出现的概率，可以用波动规律来描述。如单个光子通过双缝后的落点无法预测，但光子遵循的分布规律可以预测，即产生干涉条纹，亮纹处光子到达的概率大，暗纹处光子到达的概率小。,二、光是一种概率波,
