量子物理 2（2000）.ppt

1、第六章 量子物理基礎(chǔ) (2),6.3 康普頓散射,光具有波粒二象性。在有些情況下，光 突出地顯示出其波動(dòng)性；而在另一些情況 下，則突出地顯示出其粒子性。,描述光的波動(dòng)性：波長(zhǎng) ，頻率 描述光的粒子性：能量 ，動(dòng)量 P,康普頓散射是光顯示出其粒子性的又一 著名實(shí)驗(yàn)。,由光的量子論： = h 和關(guān)系式：2 = p2c2 + m02c4 = p2c2,得光子的動(dòng)量 p = h/c = h /,令 = h/2，圓頻率 = 2， 得基本關(guān)系式:, = h = ,1923年，康普頓研究 X射線與石墨的散射， 首次在實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了“光子具有動(dòng)量” 。,一.康普頓散射的實(shí)驗(yàn)裝置與規(guī)律：,實(shí)驗(yàn)裝置,這是X射線晶體

2、散射儀,康普頓正在測(cè)晶體對(duì)X射線的散射,按經(jīng)典電磁理論： 如果入射 X光是某 種波長(zhǎng)的電磁波， 散射光的波長(zhǎng)是 不會(huì)改變的！,在散射的X射線中， 除有波長(zhǎng)與入射射線 相同的成分0外， 還有波長(zhǎng)較長(zhǎng)的成分。,波長(zhǎng)的偏移為,其中 0入射波的波長(zhǎng) 散射波的波長(zhǎng) 散射角,通常令,c稱為電子的 Compton波長(zhǎng)。,康普頓效應(yīng)的特點(diǎn)：,（1）波長(zhǎng)偏移只與散射角 有關(guān)，而與 散射物質(zhì)及入射的X射線的波長(zhǎng) 0 無關(guān)；,（2）散射線中還有與原波長(zhǎng)相同的射線；,（3）只有當(dāng)入射波長(zhǎng) 0 較短，與電子的 康普頓 波長(zhǎng)可比擬時(shí)， 康普頓效應(yīng)才顯著。,二.康普頓的解釋,石墨中的外層電子在原子中結(jié)合較弱， 因X光的光子

3、能量很大，可認(rèn)為這些 電子是靜止的自由電子。,X射線的光子與靜止的自由電子之間是 彈性碰撞。并假設(shè)在碰撞過程中能量 守恒,動(dòng)量守恒。,定性分析：,光子把部分能量傳給了電子，能量 減小,頻率變小,因而波長(zhǎng)變長(zhǎng)。,定量計(jì)算：按能量與動(dòng)量守恒定律應(yīng)有,解出的波長(zhǎng)偏移 （推導(dǎo)見書）：,和實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全符合！, 為什么在散射線中還觀察到有與原波長(zhǎng) 相同的射線？, 為什么，在可見光的散射中觀察不到 波長(zhǎng)偏移現(xiàn)象？,（光子與石墨中被原子核束縛很緊的內(nèi)層電子 的碰撞，應(yīng)看做是光子和整個(gè)原子的碰撞）,（最大為00486；是可見光的10-5）, 為什么與散射物的種類無關(guān)？,（散射物中的電子看成自由電子）,三.康普頓

4、散射實(shí)驗(yàn)的意義,（1）有力地支持了“光子”概念； 也證實(shí)了普朗克假設(shè) = h 的正確；,（2）首次在實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了“光子具有動(dòng)量” 的假設(shè)；,（3）證實(shí)了在微觀的單個(gè)碰撞事件中， 動(dòng)量和能量守恒定律仍然是成立的。,康普頓的成功也不是一帆風(fēng)順的，在他早期的 幾篇論文中，一直認(rèn)為散射光頻率的改變是由于 “混進(jìn)來了某種熒光輻射”；在計(jì)算中起先只 考慮能量守恒，后來才認(rèn)識(shí)到還要用動(dòng)量守恒。,吳有訓(xùn) （三十年代）,（1897-1977）,吳有訓(xùn),康普頓與我國物理學(xué)家吳有訓(xùn)。,康普頓于1927年獲諾貝爾物理獎(jiǎng)。,規(guī)律：對(duì)輕元素 P 峰很低，M 峰很高；隨著元素 質(zhì)量的增加，P 峰逐漸增高,M 峰逐漸降低。,

5、吳有訓(xùn)先生作的多種元素x 射線散射曲線：,想一想：如何解釋？,他以各種不同元素為散射物質(zhì)，在同一散射角 測(cè)量各種波長(zhǎng)的散射光強(qiáng)度。,吳有訓(xùn)先生曾任我校物理系主任、中國科學(xué)院付院 長(zhǎng)。他的學(xué)生中有多人成為我國兩彈一星的功臣。,圖為以0.563埃的x光為入射光，得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 P為不改變波長(zhǎng)的散射光， M為改變波長(zhǎng)的散射光。 可以看到各個(gè)不同元素都具有相同的峰值位置。,（補(bǔ)圖）。符合,6.4 粒子的波動(dòng)性,一.德布洛意假設(shè) （1924年）,關(guān)于德布洛意 （1892-1987）。, = h = ,實(shí)物粒子具有波動(dòng)性。實(shí)物粒子有 和 ， 和它相聯(lián)系的波的 和 的關(guān)系 和光子一樣，為（德布洛意關(guān)系）：

6、,德布洛意首先對(duì)玻爾（原子）模型中的 軌道量子化條件作出了解釋：,（n=1,2,）,？,與粒子相聯(lián)系的波稱為物質(zhì)波,或德布洛意波。,駐波：,二.實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證電子衍射實(shí)驗(yàn),(1)戴維遜革末實(shí)驗(yàn)（1927年）,實(shí)驗(yàn)裝置示意圖,得,假如電子具有波動(dòng)性，應(yīng)滿足布喇格公式,實(shí)驗(yàn)結(jié)論:,（2）G.P.湯姆遜（1927年） 電子通過金屬多晶薄膜的衍射實(shí)驗(yàn).,G.P.湯姆遜 觀察到電子束 通過金屬箔時(shí) 產(chǎn)生的圓環(huán)形 條紋,1929年 德布洛意獲諾貝爾物理獎(jiǎng)。,1937年，戴維遜 與 G.P.湯姆遜 獲諾貝爾物理獎(jiǎng),G.P.湯姆遜,戴維遜,此后，又有人作了電子的單縫、雙縫、三縫 和四縫衍射實(shí)驗(yàn)。,三.一切實(shí)物粒子都有波動(dòng)性,后來實(shí)驗(yàn)又驗(yàn)證了：質(zhì)子、中子和原子、 分子等實(shí)物粒子都具有波動(dòng)性，并都滿足 德布洛意關(guān)系。,一顆子彈、 一個(gè)足球 有沒有 波動(dòng)性呢？,例題：質(zhì)量m=