早期量子論(康普頓效應(yīng)玻爾量子論)

1、13 康普頓效應(yīng)康普頓效應(yīng) 一、實(shí)驗(yàn)規(guī)律一、實(shí)驗(yàn)規(guī)律 二、二、 Compton 的解釋的解釋 三、吳有訓(xùn)對(duì)研究康普頓效應(yīng)的貢獻(xiàn)三、吳有訓(xùn)對(duì)研究康普頓效應(yīng)的貢獻(xiàn)2晶體晶體 光闌光闌X 射線管射線管探探測(cè)測(cè)器器X 射線譜儀射線譜儀 石墨體石墨體(散射物質(zhì)散射物質(zhì))j一、實(shí)驗(yàn)規(guī)律一、實(shí)驗(yàn)規(guī)律1922-231922-23年年 康普頓研究了康普頓研究了X射線在石墨上的散射射線在石墨上的散射 0散射波長(zhǎng)散射波長(zhǎng) 3 散射中出現(xiàn)散射中出現(xiàn) 0 的現(xiàn)象的現(xiàn)象 稱為稱為康普頓散射康普頓散射=0Oj=45Oj=90Oj=135Oj. . . . . . . . . .o（A）0.7000.750波長(zhǎng)波長(zhǎng).004=

2、0Oj=45Oj=90Oj=135Oj. . . . . . . . . .o（A）0.7000.750波長(zhǎng)波長(zhǎng).散射曲線的三個(gè)特點(diǎn)散射曲線的三個(gè)特點(diǎn)： 1.除原波長(zhǎng)除原波長(zhǎng) 0外外出現(xiàn)了移出現(xiàn)了移向向長(zhǎng)波長(zhǎng)波方面的方面的新新的散射波的散射波長(zhǎng)長(zhǎng) 2.新波長(zhǎng)新波長(zhǎng) 隨散射角的增隨散射角的增大而增大大而增大 3.當(dāng)當(dāng)散射角增大散射角增大時(shí)時(shí) 原波長(zhǎng)原波長(zhǎng)的譜線強(qiáng)度的譜線強(qiáng)度降低降低 而而新波長(zhǎng)新波長(zhǎng)的的譜線強(qiáng)度譜線強(qiáng)度升高升高5稱為電子的稱為電子的Compton波長(zhǎng)波長(zhǎng))cos1 (jc只有當(dāng)入射波長(zhǎng)只有當(dāng)入射波長(zhǎng) 0與與 c可比擬時(shí)可比擬時(shí) 康普頓效康普頓效應(yīng)才顯著應(yīng)才顯著 因此要用因此要用X

3、射線才能觀察到射線才能觀察到波長(zhǎng)的偏移只與散射角波長(zhǎng)的偏移只與散射角j j 有關(guān)有關(guān)0 c = 0.0241=2.41 10-3nm（實(shí)驗(yàn)值實(shí)驗(yàn)值）6經(jīng)典理論又一次遇到困難經(jīng)典理論又一次遇到困難 經(jīng)典散射理論：經(jīng)典散射理論： 當(dāng)波長(zhǎng)當(dāng)波長(zhǎng) 0 0的射線入射后的射線入射后 使電偶極子使電偶極子受迫振動(dòng)受迫振動(dòng) 發(fā)出散射波的波長(zhǎng)在發(fā)出散射波的波長(zhǎng)在各方各方均是均是 0 0 康普頓采用了愛因斯坦的康普頓采用了愛因斯坦的光量子光量子假說假說 成功成功地解釋了實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象地解釋了實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象 進(jìn)一步證明了光量子假說的正確性進(jìn)一步證明了光量子假說的正確性 7 二、二、 Compton 的解釋的解釋 1.物理圖像物

4、理圖像 單個(gè)光子與單個(gè)電子發(fā)生彈性碰撞單個(gè)光子與單個(gè)電子發(fā)生彈性碰撞 設(shè)入射光子能量為設(shè)入射光子能量為 h 0 散射光子能量為散射光子能量為h 被碰電子可以看作是被碰電子可以看作是自由電子自由電子 碰前靜止碰前靜止 電子功函數(shù)量級(jí)幾個(gè)電子功函數(shù)量級(jí)幾個(gè) eV 電子熱運(yùn)動(dòng)平均能量量級(jí)電子熱運(yùn)動(dòng)平均能量量級(jí)10-2 eV 與光子能量與光子能量10 KeV 相比相比 都很小都很小自由自由靜止靜止8yex電子電子靜止靜止0h0myx散射散射光子光子反沖反沖電子電子hm92.Compton 散射公式散射公式 0P0hPhjePeeEhcmhPPP2000chPcmcPEee420222康普頓康普頓假設(shè)假

5、設(shè): : 碰撞過程碰撞過程 遵守遵守能量能量守恒定律和守恒定律和動(dòng)量動(dòng)量守恒定律守恒定律利用相對(duì)論能量與動(dòng)量關(guān)系利用相對(duì)論能量與動(dòng)量關(guān)系得出結(jié)果得出結(jié)果反沖電子反沖電子散射光子散射光子10)cos1 (00jcmh電子的電子的Compton波長(zhǎng)波長(zhǎng)oA0486. 02cj0P0hPhjeP反沖電子反沖電子散射光子散射光子o0A024263. 0cmhc波長(zhǎng)改變最大波長(zhǎng)改變最大實(shí)驗(yàn)值實(shí)驗(yàn)值 c = 0.0241 =2.41 10-3nm11解釋在散射線中還有原波長(zhǎng)的成分解釋在散射線中還有原波長(zhǎng)的成分如果光子與石墨中被原子核束縛得很緊的電如果光子與石墨中被原子核束縛得很緊的電子發(fā)生碰撞（內(nèi)層電子）

6、子發(fā)生碰撞（內(nèi)層電子）這樣這樣 散射光的能量散射光的能量( (波長(zhǎng)波長(zhǎng)) )幾乎不改變幾乎不改變從而散射線中還有與從而散射線中還有與原波長(zhǎng)原波長(zhǎng)相同的射線相同的射線原子序數(shù)愈大的散射體原波長(zhǎng)的成分愈多原子序數(shù)愈大的散射體原波長(zhǎng)的成分愈多)cos1 (0jcmh相當(dāng)于光子和相當(dāng)于光子和整個(gè)原子整個(gè)原子碰撞（碰撞（m0是原子質(zhì)量）是原子質(zhì)量）123.康普頓散射實(shí)驗(yàn)的意義康普頓散射實(shí)驗(yàn)的意義l支持了支持了“光量子光量子”概念概念 進(jìn)一步證實(shí)進(jìn)一步證實(shí)了了l首次在實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了愛因斯坦提出的首次在實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了愛因斯坦提出的“光量子具有動(dòng)量光量子具有動(dòng)量”的假設(shè)的假設(shè)l證實(shí)了證實(shí)了在微觀的單個(gè)碰撞事件中在

7、微觀的單個(gè)碰撞事件中 動(dòng)量和能量守恒定律仍然成立動(dòng)量和能量守恒定律仍然成立康普頓獲得康普頓獲得1927年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)P = E/c = h /c = h/ = h 13 康普頓康普頓（A. H.Compton)美國(guó)人美國(guó)人(1892-1962）康普頓康普頓在做康普頓散射實(shí)驗(yàn)在做康普頓散射實(shí)驗(yàn)14 19251926年年 吳有訓(xùn)用銀的吳有訓(xùn)用銀的X射線射線( 0 =5.62nm) 為入射線為入射線 以以15種輕重不同的元素為散射物質(zhì)種輕重不同的元素為散射物質(zhì)三、吳有訓(xùn)對(duì)研究康普頓效應(yīng)的貢獻(xiàn)三、吳有訓(xùn)對(duì)研究康普頓效應(yīng)的貢獻(xiàn)1923年年 參加了發(fā)現(xiàn)康普頓效應(yīng)的研究工作參加了發(fā)現(xiàn)康普頓

8、效應(yīng)的研究工作對(duì)證實(shí)康普頓效應(yīng)作出了重要貢獻(xiàn)對(duì)證實(shí)康普頓效應(yīng)作出了重要貢獻(xiàn)在同一散射角在同一散射角( )測(cè)量各種波長(zhǎng)的散射光測(cè)量各種波長(zhǎng)的散射光強(qiáng)度強(qiáng)度 做了大量做了大量 X 射線散射實(shí)驗(yàn)射線散射實(shí)驗(yàn)0120 j j151. 與散射物質(zhì)無(wú)關(guān)與散射物質(zhì)無(wú)關(guān) 僅與散射角有關(guān)僅與散射角有關(guān)曲線表明曲線表明0 II 輕元素輕元素0 II 重元素重元素2.吳有訓(xùn)吳有訓(xùn)的康普的康普頓效應(yīng)頓效應(yīng)散射實(shí)散射實(shí)驗(yàn)曲線驗(yàn)曲線0120 j j16 證實(shí)了康普頓效應(yīng)的普遍性證實(shí)了康普頓效應(yīng)的普遍性 證實(shí)了兩種散射線的產(chǎn)生機(jī)制證實(shí)了兩種散射線的產(chǎn)生機(jī)制 外層電子外層電子( (自由電子自由電子) )散射散射 0 0內(nèi)層電

9、子內(nèi)層電子( (整個(gè)原子整個(gè)原子) )散射散射在康普頓的一本著作在康普頓的一本著作“X-Rays in theory and experiment”(1935) )中中19處處引用了吳的工作引用了吳的工作兩圖并列作為康普頓效應(yīng)的證據(jù)兩圖并列作為康普頓效應(yīng)的證據(jù) 吳有訓(xùn)吳有訓(xùn) (18971977)意義意義: :0174 玻爾的量子論玻爾的量子論 一、實(shí)驗(yàn)事實(shí)一、實(shí)驗(yàn)事實(shí) 二、經(jīng)典物理的困難二、經(jīng)典物理的困難 三、玻爾的量子論三、玻爾的量子論18 量子理論發(fā)展進(jìn)程中必須提及的貢獻(xiàn)量子理論發(fā)展進(jìn)程中必須提及的貢獻(xiàn) 首次把量子思想用到原子結(jié)構(gòu)和原子光譜首次把量子思想用到原子結(jié)構(gòu)和原子光譜 1.原子的核

10、式原子的核式( (行星行星) )結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)人們通過大量實(shí)驗(yàn)確認(rèn)了人們通過大量實(shí)驗(yàn)確認(rèn)了盧瑟福的原子核式模型盧瑟福的原子核式模型一、實(shí)驗(yàn)事實(shí)一、實(shí)驗(yàn)事實(shí)2. .原子光譜原子光譜 離散的離散的線狀譜線狀譜19A即由此得來(lái)即由此得來(lái)。紅紅藍(lán)藍(lán)紫紫6562.84340.54861.31) )氫原子的可見光光譜：氫原子的可見光光譜：。1853年瑞典人年瑞典人埃格斯特朗埃格斯特朗（A.J.Angstrom）測(cè)得氫可見光光譜的紅線測(cè)得氫可見光光譜的紅線202) ) 氫原子光譜的規(guī)律氫原子光譜的規(guī)律422nnB)6 , 5 , 4 , 3( n巴耳末公式巴耳末公式為為波波數(shù)數(shù)令令1)121(22nR), 6 ,

11、 5 , 4 , 3( nR稱稱為里德伯常量為里德伯常量1710096776. 14mBR則巴耳末公式寫成則巴耳末公式寫成21Lyman seriesBalmer seriesPaschen seriesBrackett seriesLyman series紫外區(qū)紫外區(qū)紅外區(qū)紅外區(qū)可見光可見光后在實(shí)驗(yàn)上又進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)氫光譜的其他線系后在實(shí)驗(yàn)上又進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)氫光譜的其他線系需進(jìn)一步總結(jié)其光譜規(guī)律需進(jìn)一步總結(jié)其光譜規(guī)律22推廣巴耳末公式推廣巴耳末公式 得到廣義巴耳末公式得到廣義巴耳末公式 2211nmR ;, 2 , 1( m), 2, 1 mmn2, 1nmLyman series3, 2nmBal

12、mer series4, 3nmPaschen series5, 4nmBrackett series6, 5nmLyman series紫外區(qū)紫外區(qū)紅外區(qū)紅外區(qū)可可見見光光123233) )光譜項(xiàng)光譜項(xiàng) 里茲組合原理里茲組合原理 將氫原子光譜規(guī)律推廣到一般發(fā)光將氫原子光譜規(guī)律推廣到一般發(fā)光 得得)()(nTmT22)()(nRnTmRmT稱為光譜項(xiàng)稱為光譜項(xiàng)二、經(jīng)典物理的困難二、經(jīng)典物理的困難 1.怎么解釋原子是穩(wěn)定的怎么解釋原子是穩(wěn)定的 按照經(jīng)典理論按照經(jīng)典理論 電子繞著原子核在高速旋轉(zhuǎn)電子繞著原子核在高速旋轉(zhuǎn) 將不斷輻射電磁波將不斷輻射電磁波 能量的不斷減少能量的不斷減少 最終最終 電子

13、將電子將坍縮坍縮到原子核上到原子核上 2.怎么怎么解釋原子的線狀譜解釋原子的線狀譜 經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)無(wú)能為力經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)無(wú)能為力24三、玻爾的量子論三、玻爾的量子論1.關(guān)于原子的三條假設(shè)關(guān)于原子的三條假設(shè) 以普朗克能量子和愛因斯坦光子概念為基礎(chǔ)以普朗克能量子和愛因斯坦光子概念為基礎(chǔ) 1)定態(tài)假設(shè)定態(tài)假設(shè) 原子系統(tǒng)只能處在一系列不連續(xù)的能量狀態(tài)原子系統(tǒng)只能處在一系列不連續(xù)的能量狀態(tài) 這些狀態(tài)稱為原子系統(tǒng)的穩(wěn)定狀態(tài)這些狀態(tài)稱為原子系統(tǒng)的穩(wěn)定狀態(tài) 簡(jiǎn)稱簡(jiǎn)稱定態(tài)定態(tài) 相應(yīng)能量分別記為相應(yīng)能量分別記為 E1, E2, E3 ,(E1E2E3 )25 2) ) 躍遷假設(shè)躍遷假設(shè)( (頻率條件頻率條件) ) 當(dāng)

14、原子從一個(gè)能量為當(dāng)原子從一個(gè)能量為En的定態(tài)躍遷到另一個(gè)的定態(tài)躍遷到另一個(gè) 能量為能量為Em的定態(tài)時(shí)發(fā)射的定態(tài)時(shí)發(fā)射(或吸收或吸收) 一個(gè)一個(gè) 頻率為頻率為 的光子的光子 頻率條件是頻率條件是mnEEh3) )角動(dòng)量量子化假設(shè)角動(dòng)量量子化假設(shè) 定態(tài)時(shí)定態(tài)時(shí) 角動(dòng)量取值是量子化的角動(dòng)量取值是量子化的 量子化條件是量子化條件是), 3 , 2 , 1(nnL2h26 定態(tài)假設(shè)定態(tài)假設(shè)躍遷假設(shè)躍遷假設(shè)角動(dòng)量量子化假設(shè)角動(dòng)量量子化假設(shè),21EEmnEEh nL 2.玻爾對(duì)氫原子的工作玻爾對(duì)氫原子的工作 根據(jù)三條假設(shè)根據(jù)三條假設(shè) 1)求出了氫原子的能級(jí)公式求出了氫原子的能級(jí)公式2220418nhemEe

15、n), 2 , 1( n272) )氫原子光譜線的波數(shù)公式氫原子光譜線的波數(shù)公式hcEEmnmn)11(22nmRchemRe3204817m100973731534. 1 3. 玻爾的貢獻(xiàn)玻爾的貢獻(xiàn) 1)成功地揭開了成功地揭開了“巴耳末公式之迷巴耳末公式之迷” 2)首次打開了人們認(rèn)識(shí)原子結(jié)構(gòu)的大門首次打開了人們認(rèn)識(shí)原子結(jié)構(gòu)的大門 3)定態(tài)和頻率假設(shè)在原子結(jié)構(gòu)和分子結(jié)構(gòu)定態(tài)和頻率假設(shè)在原子結(jié)構(gòu)和分子結(jié)構(gòu) 的現(xiàn)代理論中仍是重要概念的現(xiàn)代理論中仍是重要概念 4)為量子力學(xué)的建立奠定了基礎(chǔ)為量子力學(xué)的建立奠定了基礎(chǔ) 但他的但他的 理論理論是是半經(jīng)典的半經(jīng)典的 仍保留了仍保留了“軌道軌道”概念概念28

16、4. 能級(jí)分立的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證能級(jí)分立的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 - 夫蘭克夫蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)赫茲實(shí)驗(yàn) 1) ) 原理原理 利用電子碰撞基態(tài)水銀原子利用電子碰撞基態(tài)水銀原子 若原子能量是一份一份的若原子能量是一份一份的( (能級(jí)能級(jí)) ) 則電子損失能量也是一份一份的則電子損失能量也是一份一份的12EE激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài)基態(tài)基態(tài)292) ) 物理圖像物理圖像若電子動(dòng)能若電子動(dòng)能 EKE2 - E1 則電子損失則電子損失一部分一部分能量能量 電子將走得慢些電子將走得慢些若電子動(dòng)能若電子動(dòng)能 EKE2 - E1 則電子可能會(huì)則電子可能會(huì) 連續(xù)損失幾個(gè)的連續(xù)損失幾個(gè)的E2-E1能量能量30V9 .4V9 .4PIo)(0VU510153) )實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)結(jié)果KGPVAPI0UE E燈絲燈絲柵極柵極板極板極314)實(shí)驗(yàn)過程實(shí)驗(yàn)過程 觀察電流變化觀察電流變化 如果電流下降如果電流下降 說明電子損失能量說明電子損失能量 所以要所以要單調(diào)地升電壓?jiǎn)握{(diào)地升電壓 觀察全過程觀察全過程 中電壓在什么中電壓在什么值值時(shí)電流下降時(shí)電流下降( (電子損失能量電子損失能量) ) 發(fā)現(xiàn)電流下降對(duì)應(yīng)的相鄰電壓值差為發(fā)現(xiàn)電流下降對(duì)應(yīng)的相鄰電壓值差為4.9VKG