3.光的波粒二象性.ppt

4 3光的波粒二象性 高中物理 选修3 5 教科版 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 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 2康普顿效应 一 康普顿散射的实验装置与规律 晶体 光阑 探测器 0 散射波长 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 二 经典电磁理论在解释康普顿效应时遇到的困难 2 无法解释波长改变和散射角的关系 1 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 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 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 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 四 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 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 代表作品 X射线和电子 X射线的理论和实验 1892年9月10日康普顿出生干俄亥俄州的伍斯特 1913年在伍斯特学院以最优异的成绩毕业并成为普林斯顿大学的研究生 1914年获硕士学位 1916年获博士学位 后在明尼苏达大学任教 1920年起任圣路易斯华盛顿大学物理系主任 1923年起任芝加哥大学物理系教授 1945年返回圣路易斯华盛顿大学任第九任校长 1953年起改任自然科学史教授 直到1961年退休 1962年3月15日于加利福尼亚州的伯克利逝世 终年70岁 1925 1926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 五 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度 作了大量X射线散射实验 称为电子的Compton波长 只有当入射波长 0与 c可比拟时 康普顿效应才显著 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 波长的偏移只与散射角 有关 而与散射物质种类及入射的X射线的波长 0无关 c 0 0241 2 41 10 3nm 实验值 光的干涉 1801年 英国物理学家托马斯 杨在实验室里成功的观察到了光的干涉 两列或几列光波在空间相遇时相互叠加 在某些区域始终加强 在另一些区域则始终削弱 形成稳定的强弱分布的现象 一 光的干涉现象 杨氏干涉实验 1 装置特点 1 双缝很近0 1mm 2 双缝S1 S2与单缝S的距离相等 2 滤光片的作用 得到单色光 单孔的作用 是获得点光源 双孔的作用 相当于两个振动情况完全相同的光源 双孔的作用是获得相干光源 得到相干光源 一分为二的思想 光的干涉 双缝干涉 激光束 双缝 屏 屏上看到明暗相间的条纹 光到底是什么 牛顿 微粒说 认为光是一种粒子流 是实物粒子 有静止质量 没有波动性 惠更斯 波动说 认为波是一种机械波 没有物质性 在太空中传播要依赖 以太 这种媒介 两者相互排斥 相互矛盾 爱因斯坦 光子说 认为光是一份一份的光子构成 是一种没有静止质量的特殊物质 具有波动性 麦克斯韦 电磁说 认为光是一种电磁波 是物质的一种特殊形态 在真空传播不需依赖媒介 两者是统一的 并没有否定对方 光的干涉和衍射现象表明光确实是一种波 爱因斯坦 康普顿 光电效应以及康普顿效应等无可辩驳的证实了光是一种粒子 光到底是一种波 还是一种粒子呢 减弱光源 直到只剩下一个光子 图4 3 3光的双缝干涉 短 长 曝光时间 结论 1 图片呈现杂乱无章的几个亮点清晰的显示了光的粒子性 2 亮点在感光片上形成模糊的亮纹 形成了干涉条纹 说明了波动性是每一个光子的属性 并且每一次光子落在亮条纹的可能性大 落在暗条纹处的可能性小 干涉条纹是光子落在感光片上各点的概率分布的反映 光是一种概率波 光的波粒二象性 个别光子的作用效果往往表现为粒子性 大量光子的作用效果往往表现为波动性 高的光子容易表现出粒子性 低的光子容易表现出波动性 光在传播过程中往往表现出波动性 在与物质发生作用时往往表现为粒子性 希腊字母 读 nju 音同new T 年 波动性 粒子性 1801 托马斯 杨