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1、第十六章 量子物理基础116.3 康普顿效应康普顿效应一一. 实验规律实验规律 光阑光阑X 射线管射线管探探测测器器X 射线谱仪射线谱仪晶体晶体 0散射波长散射波长 , , 0 0 石墨体石墨体(散射物质散射物质) 00第十六章 量子物理基础16.3 康普顿效应康普顿效应2散射中出现散射中出现 0 的的现象现象 康普顿散射康普顿散射=0Oj=45Oj=90Oj=135Oj. . . . . . . . . .o（A）0.7000.750波长波长.第十六章 量子物理基础16.3 康普顿效应康普顿效应3=0Oj=45Oj=90Oj=135Oj. . . . . . . . . .o（A）0.700
2、0.750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外出现了移向外出现了移向 长波方面的新的散射波长长波方面的新的散射波长 2.新波长新波长 随散射角的增大随散射角的增大而而 增大增大 3.当散射角增大时当散射角增大时 原波长的原波长的谱线强度降低谱线强度降低 而新波长的而新波长的谱线强度升高谱线强度升高第十六章 量子物理基础416.3 康普顿效应康普顿效应散射曲线的特点：散射曲线的特点： 1.除原波长除原波长 0外出现了新的散射波长外出现了新的散射波长 0 成分。成分。 2.新波长新波长 随散射角的增大而增大。随散射角的增大而增大。 3.当散射角增大时，原波长
3、的谱线强度降低，而新波长的当散射角增大时，原波长的谱线强度降低，而新波长的谱线强度升高。谱线强度升高。 x射线经物质散射后，波长变长的现象，称为射线经物质散射后，波长变长的现象，称为康普顿效应康普顿效应。 = 0，与散射物质无关。与散射物质无关。 4. 轻元素：轻元素： 重元素：重元素：第十六章 量子物理基础516.3 康普顿效应康普顿效应二二. 经典理论的困难经典理论的困难经典理论只能说明波长不变的散射，而不能说明康普顿经典理论只能说明波长不变的散射，而不能说明康普顿散射。散射。电子受电子受迫振动迫振动同频率同频率散射线散射线发射发射 单色单色电磁波电磁波受迫振动受迫振动v0照射照射散射物体
4、散射物体第十六章 量子物理基础616.3 康普顿效应康普顿效应三三. 光子理论解释光子理论解释能量、动量守恒能量、动量守恒1. 入射光子与外层电子弹性碰撞入射光子与外层电子弹性碰撞 外层外层电子电子受原子核束缚较弱受原子核束缚较弱动能动能光子能量光子能量 近似自由近似自由近似静止近似静止静止自静止自由电子由电子第十六章 量子物理基础716.3 康普顿效应康普顿效应自由电子0所以，波长改变量所以，波长改变量康普顿波长康普顿波长（实验值）（实验值）第十六章 量子物理基础816.3 康普顿效应康普顿效应2. 光子和原子内层电子相互作用光子和原子内层电子相互作用 光子质量远小于原子，碰撞时光子质量远小
5、于原子，碰撞时光子不损失能量，波长不变。光子不损失能量，波长不变。 内层电子被紧束缚，光子相当内层电子被紧束缚，光子相当于和整个原子发生碰撞。于和整个原子发生碰撞。光子光子内层电子内层电子外层电子外层电子波长变大的散射线波长变大的散射线波长不变的散射线波长不变的散射线(1) 讨论：讨论：(2) 轻物质（多数电子处于弱束缚状态轻物质（多数电子处于弱束缚状态 ）重物质（多数电子处于强束缚状态重物质（多数电子处于强束缚状态 ）00原子第十六章 量子物理基础916.3 康普顿效应康普顿效应(3) e何时获得能量最大？何时获得能量最大？最大时，最大时，Ek最大，最大，若若 一定，一定，若若 一定，一定，
6、越小，越小，Ek越大，越大，光子损失能量最多。光子损失能量最多。光子损失能量越多。光子损失能量越多。(4) 用可见光入射，为什么看不到康普顿效应？用可见光入射，为什么看不到康普顿效应？第十六章 量子物理基础1016.3 康普顿效应康普顿效应四四. 光电效应和康普顿效应的区别光电效应和康普顿效应的区别相同点：相同点： 都是电磁波和物质的相互作用过程。都是电磁波和物质的相互作用过程。不同点：不同点：光电效应光电效应康普顿效应康普顿效应1. 入射入射光子能光子能量不同量不同可见光入射可见光入射光子能量低光子能量低（经典动能）（经典动能）x射线入射射线入射光子能量高光子能量高（相对论动能）（相对论动能
7、）2. 相互相互作用过作用过程不同程不同金属中被束缚的电金属中被束缚的电子将光子能量全部子将光子能量全部吸收，成为自由电吸收，成为自由电子逸出金属表面。子逸出金属表面。外层自由电子与光子的弹外层自由电子与光子的弹性碰撞，使光子失去部分性碰撞，使光子失去部分能量。（吸收一个光子，能量。（吸收一个光子，又释放个光子）又释放个光子）第十六章 量子物理基础1116.3 康普顿效应康普顿效应不同点：不同点：光电效应光电效应康普顿效应康普顿效应3. 关于关于守恒量守恒量能量守恒能量守恒动量不守恒动量不守恒能量守恒能量守恒动量动量守恒守恒4. 效应效应发生几发生几率的决率的决定因素定因素入射光子能量较低入射
8、光子能量较低散射物质的原子散射物质的原子质量较大质量较大如如100KeV的光子的光子作用于作用于Pb板板入射光子能量较高入射光子能量较高散射物质的原子散射物质的原子质量较小质量较小如如200KeV的光子的光子作用于作用于Al 板板第十六章 量子物理基础1216.3 康普顿效应康普顿效应五五.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 进一步证实了进一步证实了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“光量子具有动光量子具有动量量”的假设的假设l 证证实实了了在在微微观观的的单单个个碰碰撞撞事事件件中中动动量量和和能能量量守守恒恒定
9、定律律仍然成立仍然成立康普顿获得康普顿获得1927年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖P = E/c = h /c = h/ = h 第十六章 量子物理基础13 康普顿康普顿（A. H.Compton)美国人美国人(1892-1962）康普顿在做康普顿散射实验康普顿在做康普顿散射实验第十六章 量子物理基础1416.3 康普顿效应康普顿效应例例 已知光子能量为已知光子能量为0.1MeV，经康普顿散射后，波长变长，经康普顿散射后，波长变长20。求反冲电子的能量（一般指获得的动能）和动量。求反冲电子的能量（一般指获得的动能）和动量 。解解反冲电子动能等于光子能量之差反冲电子动能等于光子能量之差能量守恒能
10、量守恒动量动量或或第十六章 量子物理基础15 19251926年年 吴有训用银的吴有训用银的X射线射线( 0 =5.62nm)为入射线以为入射线以15种轻重不同种轻重不同的元素为散射物质的元素为散射物质 吴有训对研究康普顿效应的贡献吴有训对研究康普顿效应的贡献1923年年 参加了发现康普顿效应的研究参加了发现康普顿效应的研究工作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( )测量各种波长的散射光强度做了大量测量各种波长的散射光强度做了大量 X 射线散射实验射线散射实验16.3 康普顿效应康普顿效应 吴有训吴有训 (18971977)第十六章 量子物
11、理基础1616.4 氢原子光谱氢原子光谱 玻尔氢原子理论玻尔氢原子理论 长期以来的经典理论认为原子是组成物质的最小单元，长期以来的经典理论认为原子是组成物质的最小单元，而且不可再分。而且不可再分。 1897年，年，Tomson在研究在研究阴极射线时发现电子，并在研究在研究阴极射线时发现电子，并确认电子是原子的组成部分。确认电子是原子的组成部分。 原子发光是原子的重要特征。不同原子所发光谱不同。原子发光是原子的重要特征。不同原子所发光谱不同。对原子光谱的研究是探索原子内部结构的一条重要途径。对原子光谱的研究是探索原子内部结构的一条重要途径。 光谱光谱 某元素电磁辐射的波长的记录。某元素电磁辐射的
12、波长的记录。 线光谱：线光谱：谱线分立。一条谱线对应一确定的波长。谱线分立。一条谱线对应一确定的波长。(原子原子) 带光谱：带光谱：谱线分段密集。谱线分段密集。(分子分子) 连续光谱：连续光谱：包括各种波长。包括各种波长。(固体固体)第十六章 量子物理基础1716.4 氢原子光谱氢原子光谱 玻尔氢原子理论玻尔氢原子理论一一. 实验规律实验规律记录氢原子光谱原理示意图氢放电管23 kV光阑全息干板 三棱镜（或光栅）光 源第十六章 量子物理基础1816.4 氢原子光谱氢原子光谱 玻尔氢原子理论玻尔氢原子理论里德伯常数里德伯常数 k = 1 (n = 2, 3, 4, ) 谱线系谱线系 赖曼系赖曼系
13、 （Lyman）(2)Balmer总结的经验公式总结的经验公式 k = 2 (n = 3, 4, 5, ) 谱线系谱线系 巴耳末系巴耳末系（Balmer）(1) 分立、线状光谱分立、线状光谱(3)除可见光谱外，在红外区和紫外区也观察到光谱系。除可见光谱外，在红外区和紫外区也观察到光谱系。 k = 3 (n = 4, 5, 6, ) 谱线系谱线系 帕邢系帕邢系（Paschen）(n k)第十六章 量子物理基础1916.4 氢原子光谱氢原子光谱 玻尔氢原子理论玻尔氢原子理论二二. 经典理论的困难经典理论的困难1911年，新西兰物理化学家卢瑟福提出原子的核式结构。年，新西兰物理化学家卢瑟福提出原子的
14、核式结构。发射的光谱应是连续光谱；发射的光谱应是连续光谱；原子的核型结构是个不稳定系统；原子的核型结构是个不稳定系统；1913年，年仅年，年仅28岁的玻岁的玻尔尔（Niels Bohr），在卢，在卢瑟福核型结构的基础上，瑟福核型结构的基础上，创造性地把量子概念应创造性地把量子概念应用到原子系统，解释了用到原子系统，解释了近近30年的光谱之谜年的光谱之谜 玻尔在工作玻尔在工作玻尔玻尔 海森伯海森伯 泡利（自左至右）泡利（自左至右）第十六章 量子物理基础2016.4 氢原子光谱氢原子光谱 玻尔氢原子理论玻尔氢原子理论2. 跃迁假设跃迁假设三三. 玻尔氢原子理论玻尔氢原子理论1. 定态假设定态假设原
15、子从一个定态跃迁到另一定态，原子从一个定态跃迁到另一定态，会发射或吸收一个光子，频率会发射或吸收一个光子，频率稳稳定定状状态态 这些定态的能量不连续这些定态的能量不连续 不辐射电磁波不辐射电磁波 电子作圆周运动电子作圆周运动v（三条假设）（三条假设）第十六章 量子物理基础2116.4 氢原子光谱氢原子光谱 玻尔氢原子理论玻尔氢原子理论r库仑力提供向心力库仑力提供向心力由上两式得由上两式得, 第第 n 个定态的轨道半径为个定态的轨道半径为 r2=4r1r3.=9r13. 角动量量子化假设角动量量子化假设 轨道角动量轨道角动量玻尔半径玻尔半径 H原子中电子的轨道半径原子中电子的轨道半径四四.解释解
16、释H光谱规律光谱规律第十六章 量子物理基础2216.4 氢原子光谱氢原子光谱 玻尔氢原子理论玻尔氢原子理论r 定态能量定态能量（在允许的轨道上具有的能量）（在允许的轨道上具有的能量）能量量子化能量量子化负号表示负号表示e受原子束缚受原子束缚基态能量基态能量（最稳定状态）（最稳定状态）受激态受激态（形成能级）（形成能级）第十六章 量子物理基础2316.4 氢原子光谱氢原子光谱 玻尔氢原子理论玻尔氢原子理论En ( eV)氢氢原原子子能能级级图图 莱曼系莱曼系巴耳末系巴耳末系帕邢系帕邢系布拉开系布拉开系-13.6-1.51-3.390光频光频n = 1n = 2n = 3n = 4n = 5n =
17、 6第十六章 量子物理基础2416.4 氢原子光谱氢原子光谱 玻尔氢原子理论玻尔氢原子理论说明：说明：（1）n越大，能量越大，能量En越大，而相邻两能级之差越大，而相邻两能级之差E越小。越小。n时时En0，e成为自由电子，不受核束缚（游离态）。成为自由电子，不受核束缚（游离态）。E0，能量趋于连续，能量趋于连续（经典理论）（经典理论）。（2）电离能）电离能 ：e从束缚态变成自由态所需最小能量从束缚态变成自由态所需最小能量 原子被电离原子被电离：束缚的：束缚的e释放出来需吸收能量释放出来需吸收能量 质子和自由电子结合成一个基态质子和自由电子结合成一个基态H原子原子：需释放能：需释放能量，即辐射电
18、磁波或发光。量，即辐射电磁波或发光。（3）用可见光照射出于基态的）用可见光照射出于基态的H原子，原子，e能否电离？能否电离？第十六章 量子物理基础2516.4 氢原子光谱氢原子光谱 玻尔氢原子理论玻尔氢原子理论经验公式：经验公式：当时实验测得当时实验测得其中计算得到其中计算得到 对里德伯常数的验证对里德伯常数的验证理论公式理论公式第十六章 量子物理基础2616.4 氢原子光谱氢原子光谱 玻尔氢原子理论玻尔氢原子理论四四 对玻尔理论的评价：对玻尔理论的评价：4. 是半经典理论，仍保留了是半经典理论，仍保留了“轨道轨道”概念。概念。2. 定态假设和角动量量子化条件都是对的，定态假设和角动量量子化条
19、件都是对的， 3. 频率条件完全正确，一直沿用至今。频率条件完全正确，一直沿用至今。但是是硬加上去的。但是是硬加上去的。1. 提出了原子能量量子化。提出了原子能量量子化。量子概念用到了原子结构模型。量子概念用到了原子结构模型。第十六章 量子物理基础2716.4 氢原子光谱氢原子光谱 玻尔氢原子理论玻尔氢原子理论解解: 从从+13.6eV到到-13.6eV共获得能量共获得能量13.6 2(eV)例：当一个质子俘获一个动能例：当一个质子俘获一个动能Ek=13.6eV的自由电子组成一的自由电子组成一个基态氢原子时，所发出的单色光频率是个基态氢原子时，所发出的单色光频率是多少多少? (普朗克普朗克恒量恒量h=6.63 10-34J s)
