量子物理 2（2000）.ppt

1、第六章 量子物理基础 (2),6.3 康普顿散射,光具有波粒二象性。在有些情况下，光 突出地显示出其波动性；而在另一些情况 下，则突出地显示出其粒子性。,描述光的波动性：波长 ，频率 描述光的粒子性：能量 ，动量 P,康普顿散射是光显示出其粒子性的又一 著名实验。,由光的量子论： = h 和关系式：2 = p2c2 + m02c4 = p2c2,得光子的动量 p = h/c = h /,令 = h/2，圆频率 = 2， 得基本关系式:, = h = ,1923年，康普顿研究 X射线与石墨的散射， 首次在实验上证实了“光子具有动量” 。,一.康普顿散射的实验装置与规律：,实验装置,这是X射线晶体

2、散射仪,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！,在散射的X射线中， 除有波长与入射射线 相同的成分0外， 还有波长较长的成分。,波长的偏移为,其中 0入射波的波长 散射波的波长 散射角,通常令,c称为电子的 Compton波长。,康普顿效应的特点：,（1）波长偏移只与散射角 有关，而与 散射物质及入射的X射线的波长 0 无关；,（2）散射线中还有与原波长相同的射线；,（3）只有当入射波长 0 较短，与电子的 康普顿 波长可比拟时， 康普顿效应才显著。,二.康普顿的解释,石墨中的外层电子在原子中结合较弱， 因X光的光子

3、能量很大，可认为这些 电子是静止的自由电子。,X射线的光子与静止的自由电子之间是 弹性碰撞。并假设在碰撞过程中能量 守恒,动量守恒。,定性分析：,光子把部分能量传给了电子，能量 减小,频率变小,因而波长变长。,定量计算：按能量与动量守恒定律应有,解出的波长偏移 （推导见书）：,和实验结果完全符合！, 为什么在散射线中还观察到有与原波长 相同的射线？, 为什么，在可见光的散射中观察不到 波长偏移现象？,（光子与石墨中被原子核束缚很紧的内层电子 的碰撞，应看做是光子和整个原子的碰撞）,（最大为00486；是可见光的10-5）, 为什么与散射物的种类无关？,（散射物中的电子看成自由电子）,三.康普顿

4、散射实验的意义,（1）有力地支持了“光子”概念； 也证实了普朗克假设 = h 的正确；,（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。,吴有训 （三十年代）,（1897-1977）,吴有训,康普顿与我国物理学家吴有训。,康普顿于1927年获诺贝尔物理奖。,规律：对轻元素 P 峰很低，M 峰很高；随着元素 质量的增加，P 峰逐渐增高,M 峰逐渐降低。,

5、吴有训先生作的多种元素x 射线散射曲线：,想一想：如何解释？,他以各种不同元素为散射物质，在同一散射角 测量各种波长的散射光强度。,吴有训先生曾任我校物理系主任、中国科学院付院 长。他的学生中有多人成为我国两弹一星的功臣。,图为以0.563埃的x光为入射光，得到的实验结果。 P为不改变波长的散射光， M为改变波长的散射光。 可以看到各个不同元素都具有相同的峰值位置。,（补图）。符合,6.4 粒子的波动性,一.德布洛意假设 （1924年）,关于德布洛意 （1892-1987）。, = h = ,实物粒子具有波动性。实物粒子有 和 ， 和它相联系的波的 和 的关系 和光子一样，为（德布洛意关系）：

6、,德布洛意首先对玻尔（原子）模型中的 轨道量子化条件作出了解释：,（n=1,2,）,？,与粒子相联系的波称为物质波,或德布洛意波。,驻波：,二.实验验证电子衍射实验,(1)戴维逊革末实验（1927年）,实验装置示意图,得,假如电子具有波动性，应满足布喇格公式,实验结论:,（2）G.P.汤姆逊（1927年） 电子通过金属多晶薄膜的衍射实验.,G.P.汤姆逊 观察到电子束 通过金属箔时 产生的圆环形 条纹,1929年 德布洛意获诺贝尔物理奖。,1937年，戴维逊 与 G.P.汤姆逊 获诺贝尔物理奖,G.P.汤姆逊,戴维逊,此后，又有人作了电子的单缝、双缝、三缝 和四缝衍射实验。,三.一切实物粒子都有波动性,后来实验又验证了：质子、中子和原子、 分子等实物粒子都具有波动性，并都满足 德布洛意关系。,一颗子弹、 一个足球 有没有 波动性呢？,例题：质量m=