222光的波粒二象性康普頓效應(yīng)

1、22.2光的波粒二象性康普頓效應(yīng)教學(xué)目標(biāo)1、了解康普頓效應(yīng)及其解釋；2、了解光既具有波動性，又具有粒子性；3、了解光是一種概率波。引入新課光在傳播過程中，遇到兩種均勻媒質(zhì)的分界面時，會產(chǎn)生反射和折射現(xiàn)象。但當(dāng)光 在不均勻媒質(zhì)中傳播時，情況就不同了。由于一部分光線不能直線前進，就會向四面八 方散射開來,形成光的散射現(xiàn)象。地球周圍由空氣形成的大氣層，就是這樣一種不均勻 媒質(zhì)。因此，我們看到的天空的顏色，實際上是經(jīng)大氣層散射的光線的顏色。科學(xué)家 的研究表明，大氣對不同色光的散射作用不是“機會均等”的，波長短的光受到的散 射最厲害。當(dāng)太陽光受到大氣分子散射時，波長較短的藍光被散射得多一些。由于天 空中

2、布滿了被散射的藍光，地面上的人就看到天空呈現(xiàn)出蔚藍色?？諝庠绞羌儍?、十 燥，這種蔚藍色就越深、越艷。如果天空十分純凈，沒有大氣和其他微粒的散射作用， 我們將看不到這種璀璨的藍色。比如在2萬米以上的高空，空氣氣體分子特別稀薄， 散射作用已完全消失，天空也會變得暗淡。同樣道理,旭日初升或日落西山時，直接從太陽射來的光所穿過的大氣層厚度，比 正午時直接由太陽射來的光所穿過的大氣層厚度要厚得多。太陽光在大氣層中傳播的 距離越長，被散射掉的短波長的藍光就越多，長波長的紅光的比例也顯著增多。最后到 達地面的太陽光，它的紅色成分也相對增加。因此，才會出現(xiàn)滿天紅霞和血紅夕陽。實 際上，發(fā)光的太陽表面的顏色始終

3、沒有變化。一、康普頓效應(yīng)1、光的散射：光在介質(zhì)中與物質(zhì)微粒相互作用，因而傳播方向發(fā)生改變，這種現(xiàn) 象叫做光的散射。一般的光散射知識告訴我們，只有當(dāng)光通過光學(xué)性質(zhì)不均勻的媒質(zhì) 時，光散射現(xiàn)象才會發(fā)生.2、康普頓效應(yīng)但是實驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)波長很短的光（電磁波），如X射線、射線等通過不含雜質(zhì)的 均勻媒質(zhì)時，也會產(chǎn)生散射現(xiàn)象，且一反常態(tài)，在散射光中除有與原波長相同的射線 外，還有比原波長更長的射線出現(xiàn).這現(xiàn)象首先由美國物理學(xué)家康普頓于19221923 年間發(fā)現(xiàn)，并作出理論解釋，故稱康普頓效應(yīng)，亦稱康普頓散射.3、康普頓散射的實驗裝置與規(guī)律：康普頓散射曲線的特點:除原波長氣外出現(xiàn)了移向長波方向的新的散射波長人

4、新波長人隨散射角的增大而增大。波長的偏移為人=人-人0波長的偏移只與散射角中有關(guān)，而與散射物質(zhì)種類及入射的X射線的波長氣無關(guān)，人=人一氣=人（1 cos甲）人=0.0241A=2.41X 103nm （實驗值）稱為電子的Compton波長只有當(dāng)入射波長氣與人可比擬時，康普頓效應(yīng)才顯著，因此要用X射線 才能觀察到康普頓散射，用可見光觀察不到康普頓散射。當(dāng)散射角召確定時，波長的增加量山又與散射物質(zhì)的性質(zhì)無關(guān)?？灯疹D散射的強度與散射物質(zhì)有關(guān)。原子量小的散射物質(zhì)，康普頓散射較強， 原波長的譜線強度較低。反之相反。4、康普頓散射現(xiàn)象的解釋：（1）經(jīng)典電磁理論在解釋康普頓效應(yīng)時遇到的困難根據(jù)經(jīng)典電磁波理論

5、，當(dāng)電磁波通過物質(zhì)時，物質(zhì)中帶電粒子將作受迫振動， 其頻率等于入射光頻率，所以它所發(fā)射的散射光頻率應(yīng)等于入射光頻率。無法解釋波長改變和散射角的關(guān)系。（2）光子理論對康普頓效應(yīng)的解釋若光子和外層電子相碰撞，光子有一部分能量傳給電子，散射光子的能量減少， 于是散射光的波長大于入射光的波長。若光子和束縛很緊的內(nèi)層電子相碰撞，光子將與整個原子交換能量，由于光子 質(zhì)量遠小于原子質(zhì)量，根據(jù)碰撞理論，碰撞前后光子能量幾乎不變，波長不變。因為碰撞中交換的能量和碰撞的角度有關(guān)，所以波長改變和散射角有關(guān)。光子不僅有能量hv ,而且有動量hv /A模型：“X射線光子與靜止的自由電子的彈性碰撞”在碰撞過程中能量和動量

6、守恒光子與物質(zhì)中的”自由電子”碰撞，把部分能量傳給電子，光子的能量4散射X 射線的頻率L波長仁 光子與物質(zhì)中被原子核束縛很緊的電子碰撞,應(yīng)看做是光子 和整個原子的碰撞。原子的質(zhì)量遠大于光子的質(zhì)量，在彈性碰撞中散射光子的能量（波 長）幾乎不改變，故在散射線中還有與原波長相同的射線。5、康普頓效應(yīng)的意義進一步驗證了光的粒子性：有力地支持了愛因斯坦“光量子”假設(shè)；證實了普朗克假設(shè)8二hv；首次在實驗上證實了 “光子具有動量”的假設(shè)；證實了在微觀領(lǐng)域的單個碰撞事件中，動量和能量守恒定律仍然是成立的。康普頓的這一發(fā)現(xiàn)也對量子物理的發(fā)展作出了重要貢獻，使人們對光的認(rèn)識大大 地向前推進了一步。它是量子理論的

7、一個重要實驗證據(jù)。由于他的實驗發(fā)現(xiàn)和理論工 作的巨大成功，康普頓于1927年與英國的物理學(xué)家威爾遜同獲諾貝爾物理學(xué)獎。我國物理學(xué)家吳有訓(xùn)全面地驗證了康普頓效應(yīng)?？灯疹D最初發(fā)表的論文只涉及一 種散射物質(zhì)（石墨），盡管已經(jīng)獲得明確的數(shù)據(jù)，但終究只限于某一特殊條件，難以令 人信服。為了證明這一效應(yīng)的普遍性，吳有訓(xùn)在康普頓的指導(dǎo)下，做了7種物質(zhì)的X 射線散射曲線，證明只要散射角相同，不同物質(zhì)散射的效果都一樣，變線和不變線的 偏離與物質(zhì)成分無關(guān)。吳有訓(xùn)特意把X射線管和各種散射物質(zhì)放在不含木材的鉛室中， 廣泛地進行了乂射線散射實驗。1 9 2 5年，他在康普頓效應(yīng)與三次X輻射一文 中，再次證明康普頓效應(yīng)的

8、客觀存在。接著，吳有訓(xùn)對康普頓效應(yīng)作了進一步研究。他測定了乂射線散射中變線和不變 線之間的強度比隨散射物原子序數(shù)變化的關(guān)系，由此證實并發(fā)展了康普頓的量子散射 理論?？灯疹D和S.K .阿里遜(Allison)在他們合著的乂射線的理論與實 驗(Xrays in Theory and Experiment) 一書中，對 吳有訓(xùn)的工作給予了很高評價，全書共有19處引用了吳有訓(xùn)的成果。特別是吳有訓(xùn) 的一張受15種元素散射的X射線光譜圖，康普頓將其與自己于1923年得到的石 墨散射的X射線光譜圖并列，作為當(dāng)時證明其理論的主要依據(jù)。吳有訓(xùn)這張X射線光 譜圖在后來的幾十年中被人們廣泛引用。二、光的波粒二象性光

9、的波動性和粒子性的實驗基礎(chǔ)光具有波動性：光的干涉、光的衍射光具有粒子性：光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)光具有波粒二象性玻恩用概率波很好的解釋了光的波粒二象性分立與連續(xù)是相對的當(dāng)曝光量很少時，在膠片上是一個一個的點，這時光看起來是分立的；曝光量多 的時候就變成亮帶了，這時又是連續(xù)的。當(dāng)曝光量很大時出現(xiàn)的干涉亮條紋的地方和利用機械波的干涉公式計算的結(jié)果剛 好又是相符的，正是某種波通過雙縫后發(fā)生干涉時振幅加強的區(qū)域。故說明光是一種 波，具有波動性。我們所學(xué)的大量事實說明：光是一種波，同時也是一種粒子，光具有波粒二象 性。光的分立性和連續(xù)性是相對的，是不同條件下的表現(xiàn)，光子的行為服從統(tǒng)計規(guī)律。光子在空間各點出現(xiàn)

10、的概率遵從波動規(guī)律，物理學(xué)中把光波叫做概率波。光的波動性與粒子性是不同條件下的表現(xiàn)：大量光子的行為表現(xiàn)波動性；少量光子的行為表現(xiàn)為粒子性；光的波長越長，波 動性越強；光的波長越短，粒子性越強。光的波動性不是光子之間相互作用引起的， 是光 子本身的一種屬性。光波是一種概率波概率表征某一事物出現(xiàn)的可能性。在熱學(xué)中研究分子熱運動的速率。溫度升高時，不一定每一個分子運動的速率都 增大，每個分子速率的變化沒規(guī)律，但多數(shù)分子的速率在某一個值附近。隨著溫度的 升高這一值會向速率大的方向移動。也就是說，個別分子的運動是完全無規(guī)律的，但 對大量分子所做的統(tǒng)計分析卻表現(xiàn)出一種規(guī)律 概率規(guī)律。概率波對光的雙縫衍射現(xiàn)

11、象的解釋：光是一種粒子，它和物質(zhì)的作用是一份一份地進行的.用很弱的光做雙縫干涉實 驗.從光子打在膠片上的位置，我們發(fā)現(xiàn)了規(guī)律性.實驗結(jié)果表明，如果曝光時間不太長，底片上只出現(xiàn)一些無規(guī)則分布的點子，那 些點子是光子打在底片上形成的，如果曝光時間足夠長，我們無法把它們區(qū)分開，因 此看起來是連續(xù)的.單個光子通過雙縫后的落點無法預(yù)測，但是研究很多光子打在膠片 上的位置,我們發(fā)現(xiàn)了規(guī)律性:光子落在某些條形區(qū)域內(nèi)的可能性較大.這些條形區(qū)域正 是某種波通過雙縫后發(fā)生干涉時振幅加強的區(qū)域.這個現(xiàn)象表明，光子在空間各點出現(xiàn) 的可能性的大?。ǜ怕剩怯捎谶@個原因，1926年德國的物理學(xué)家波恩指出：雖然 不能肯

12、定某個光子落在哪一點，但由屏上各處明暗不同可知，光子落在各點的概率是 不一樣的，即光子落在明紋處的概率大，落在暗紋處的概率小。這就是說，光子在空 間出現(xiàn)的概率可以通過波動的規(guī)律確定，所以，從光子的概念上看，光波是一種概率 波。物理學(xué)中把光波叫做概率波.概率表征某一事物出現(xiàn)的可能性.經(jīng)過長期的探索，人們對光的認(rèn)識越來越深入了.光既是一種波,又是一種粒子，光既 表現(xiàn)出波動性又表現(xiàn)出粒子性.而在我們的經(jīng)驗中找不到既是波，又是粒子的東西.這是 因為我們的經(jīng)驗局限于宏觀物體的運動，微觀世界的某些屬性與宏觀世界不同，我們從 來沒有過類似的經(jīng)歷.隨著人類的認(rèn)識范圍不斷擴展，不可能直接感知的事物出現(xiàn)在我 們面前.在這種情況下我們就要設(shè)想一種模型，盡管