222光的波粒二象性康普顿效应

1、22.2光的波粒二象性康普顿效应教学目标1、了解康普顿效应及其解释；2、了解光既具有波动性，又具有粒子性；3、了解光是一种概率波。引入新课光在传播过程中，遇到两种均匀媒质的分界面时，会产生反射和折射现象。但当光 在不均匀媒质中传播时，情况就不同了。由于一部分光线不能直线前进，就会向四面八 方散射开来,形成光的散射现象。地球周围由空气形成的大气层，就是这样一种不均匀 媒质。因此，我们看到的天空的颜色，实际上是经大气层散射的光线的颜色。科学家 的研究表明，大气对不同色光的散射作用不是“机会均等”的，波长短的光受到的散 射最厉害。当太阳光受到大气分子散射时，波长较短的蓝光被散射得多一些。由于天 空中

2、布满了被散射的蓝光，地面上的人就看到天空呈现出蔚蓝色。空气越是纯净、十 燥，这种蔚蓝色就越深、越艳。如果天空十分纯净，没有大气和其他微粒的散射作用， 我们将看不到这种璀璨的蓝色。比如在2万米以上的高空，空气气体分子特别稀薄， 散射作用已完全消失，天空也会变得暗淡。同样道理,旭日初升或日落西山时，直接从太阳射来的光所穿过的大气层厚度，比 正午时直接由太阳射来的光所穿过的大气层厚度要厚得多。太阳光在大气层中传播的 距离越长，被散射掉的短波长的蓝光就越多，长波长的红光的比例也显著增多。最后到 达地面的太阳光，它的红色成分也相对增加。因此，才会出现满天红霞和血红夕阳。实 际上，发光的太阳表面的颜色始终

3、没有变化。一、康普顿效应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。一般的光散射知识告诉我们，只有当光通过光学性质不均匀的媒质 时，光散射现象才会发生.2、康普顿效应但是实验发现，当波长很短的光（电磁波），如X射线、射线等通过不含杂质的 均匀媒质时，也会产生散射现象，且一反常态，在散射光中除有与原波长相同的射线 外，还有比原波长更长的射线出现.这现象首先由美国物理学家康普顿于19221923 年间发现，并作出理论解释，故称康普顿效应，亦称康普顿散射.3、康普顿散射的实验装置与规律：康普顿散射曲线的特点:除原波长气外出现了移向长波方向的新的散射波长人

4、新波长人随散射角的增大而增大。波长的偏移为人=人-人0波长的偏移只与散射角中有关，而与散射物质种类及入射的X射线的波长气无关，人=人一气=人（1 cos甲）人=0.0241A=2.41X 103nm （实验值）称为电子的Compton波长只有当入射波长气与人可比拟时，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。当散射角召确定时，波长的增加量山又与散射物质的性质无关。康普顿散射的强度与散射物质有关。原子量小的散射物质，康普顿散射较强， 原波长的谱线强度较低。反之相反。4、康普顿散射现象的解释：（1）经典电磁理论在解释康普顿效应时遇到的困难根据经典电磁波理论

5、，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。无法解释波长改变和散射角的关系。（2）光子理论对康普顿效应的解释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。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。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。光子不仅有能量hv ,而且有动量hv /A模型：“X射线光子与静止的自由电子的弹性碰撞”在碰撞过程中能量和动量

6、守恒光子与物质中的”自由电子”碰撞，把部分能量传给电子，光子的能量4散射X 射线的频率L波长仁 光子与物质中被原子核束缚很紧的电子碰撞,应看做是光子 和整个原子的碰撞。原子的质量远大于光子的质量，在弹性碰撞中散射光子的能量（波 长）几乎不改变，故在散射线中还有与原波长相同的射线。5、康普顿效应的意义进一步验证了光的粒子性：有力地支持了爱因斯坦“光量子”假设；证实了普朗克假设8二hv；首次在实验上证实了 “光子具有动量”的假设；证实了在微观领域的单个碰撞事件中，动量和能量守恒定律仍然是成立的。康普顿的这一发现也对量子物理的发展作出了重要贡献，使人们对光的认识大大 地向前推进了一步。它是量子理论的

7、一个重要实验证据。由于他的实验发现和理论工 作的巨大成功，康普顿于1927年与英国的物理学家威尔逊同获诺贝尔物理学奖。我国物理学家吴有训全面地验证了康普顿效应。康普顿最初发表的论文只涉及一 种散射物质（石墨），尽管已经获得明确的数据，但终究只限于某一特殊条件，难以令 人信服。为了证明这一效应的普遍性，吴有训在康普顿的指导下，做了7种物质的X 射线散射曲线，证明只要散射角相同，不同物质散射的效果都一样，变线和不变线的 偏离与物质成分无关。吴有训特意把X射线管和各种散射物质放在不含木材的铅室中， 广泛地进行了乂射线散射实验。1 9 2 5年，他在康普顿效应与三次X辐射一文 中，再次证明康普顿效应的

8、客观存在。接着，吴有训对康普顿效应作了进一步研究。他测定了乂射线散射中变线和不变 线之间的强度比随散射物原子序数变化的关系，由此证实并发展了康普顿的量子散射 理论。康普顿和S.K .阿里逊(Allison)在他们合著的乂射线的理论与实 验(Xrays in Theory and Experiment) 一书中，对 吴有训的工作给予了很高评价，全书共有19处引用了吴有训的成果。特别是吴有训 的一张受15种元素散射的X射线光谱图，康普顿将其与自己于1923年得到的石 墨散射的X射线光谱图并列，作为当时证明其理论的主要依据。吴有训这张X射线光 谱图在后来的几十年中被人们广泛引用。二、光的波粒二象性光

9、的波动性和粒子性的实验基础光具有波动性：光的干涉、光的衍射光具有粒子性：光电效应、康普顿效应光具有波粒二象性玻恩用概率波很好的解释了光的波粒二象性分立与连续是相对的当曝光量很少时，在胶片上是一个一个的点，这时光看起来是分立的；曝光量多 的时候就变成亮带了，这时又是连续的。当曝光量很大时出现的干涉亮条纹的地方和利用机械波的干涉公式计算的结果刚 好又是相符的，正是某种波通过双缝后发生干涉时振幅加强的区域。故说明光是一种 波，具有波动性。我们所学的大量事实说明：光是一种波，同时也是一种粒子，光具有波粒二象 性。光的分立性和连续性是相对的，是不同条件下的表现，光子的行为服从统计规律。光子在空间各点出现

10、的概率遵从波动规律，物理学中把光波叫做概率波。光的波动性与粒子性是不同条件下的表现：大量光子的行为表现波动性；少量光子的行为表现为粒子性；光的波长越长，波 动性越强；光的波长越短，粒子性越强。光的波动性不是光子之间相互作用引起的， 是光 子本身的一种属性。光波是一种概率波概率表征某一事物出现的可能性。在热学中研究分子热运动的速率。温度升高时，不一定每一个分子运动的速率都 增大，每个分子速率的变化没规律，但多数分子的速率在某一个值附近。随着温度的 升高这一值会向速率大的方向移动。也就是说，个别分子的运动是完全无规律的，但 对大量分子所做的统计分析却表现出一种规律 概率规律。概率波对光的双缝衍射现

11、象的解释：光是一种粒子，它和物质的作用是一份一份地进行的.用很弱的光做双缝干涉实 验.从光子打在胶片上的位置，我们发现了规律性.实验结果表明，如果曝光时间不太长，底片上只出现一些无规则分布的点子，那 些点子是光子打在底片上形成的，如果曝光时间足够长，我们无法把它们区分开，因 此看起来是连续的.单个光子通过双缝后的落点无法预测，但是研究很多光子打在胶片 上的位置,我们发现了规律性:光子落在某些条形区域内的可能性较大.这些条形区域正 是某种波通过双缝后发生干涉时振幅加强的区域.这个现象表明，光子在空间各点出现 的可能性的大小（概率），正是由于这个原因，1926年德国的物理学家波恩指出：虽然 不能肯

12、定某个光子落在哪一点，但由屏上各处明暗不同可知，光子落在各点的概率是 不一样的，即光子落在明纹处的概率大，落在暗纹处的概率小。这就是说，光子在空 间出现的概率可以通过波动的规律确定，所以，从光子的概念上看，光波是一种概率 波。物理学中把光波叫做概率波.概率表征某一事物出现的可能性.经过长期的探索，人们对光的认识越来越深入了.光既是一种波,又是一种粒子，光既 表现出波动性又表现出粒子性.而在我们的经验中找不到既是波，又是粒子的东西.这是 因为我们的经验局限于宏观物体的运动，微观世界的某些属性与宏观世界不同，我们从 来没有过类似的经历.随着人类的认识范围不断扩展，不可能直接感知的事物出现在我 们面前.在这种情况下我们就要设想一种模型，尽管