(精品)第04节光的波粒二象性.ppt
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1、第三节第三节 光的波粒二象性光的波粒二象性自主学习自主学习1光是一种电磁波,具有波动性,具有光是一种电磁波,具有波动性,具有干涉干涉和和衍射衍射等等波所特有的性质波所特有的性质2光子说:光不仅在发射和吸收时是一份一份的,而光子说:光不仅在发射和吸收时是一份一份的,而且光本身就是由一个个且光本身就是由一个个不可分割的能量子不可分割的能量子组成的,光组成的,光子的能量子的能量h.3康普顿效应康普顿效应(1)光的散射:光子在介质中和物体微粒相互作用,使光的散射:光子在介质中和物体微粒相互作用,使光的光的传播方向传播方向发生偏转,这种现象叫光的散射发生偏转,这种现象叫光的散射(2)康普顿效应:康普顿效
2、应:X射线经物质散射后波长射线经物质散射后波长变长变长的现象的现象4光的波粒二象性光的波粒二象性(1)光既具有光既具有波动波动性性,又具有,又具有粒子粒子性性,即光具有波粒二象性,即光具有波粒二象性(2)光的波动性的证明:光能发生光的波动性的证明:光能发生干涉干涉、衍射衍射和色散等波特有和色散等波特有的现象的现象(3)光的粒子性的证明:光在与其他物质相互作用时,能量和光的粒子性的证明:光在与其他物质相互作用时,能量和动量是以动量是以一份一份一份一份的形式进行交换的的形式进行交换的光电效应光电效应现象和现象和康普顿康普顿效应证明光具有粒子性效应证明光具有粒子性5光子的能量光子的能量h,动量,动量
3、ph/,两式左侧的,两式左侧的和和p描述描述光的光的粒子粒子性性,右侧的,右侧的和和描述光的描述光的波动波动性性,两式把粒子性和,两式把粒子性和波动性紧密地联系了起来波动性紧密地联系了起来6光是一种概率波光是一种概率波在双缝干涉实验中,屏上亮纹的地方,是光子到达概率在双缝干涉实验中,屏上亮纹的地方,是光子到达概率大大的地的地方,暗纹的地方是光子到达概率方,暗纹的地方是光子到达概率小小的地方所以光波是一种的地方所以光波是一种概概率率波,即光波在某处的强度代表着光子在该处出现波,即光波在某处的强度代表着光子在该处出现概率的大小概率的大小.问题:什么是康普顿效应?说明了问题:什么是康普顿效应?说明了
4、什么?什么?1.光的散射光的散射光在介质中与物质微粒相互作用光在介质中与物质微粒相互作用,因而传因而传播方向发生改变播方向发生改变,这种现象叫做这种现象叫做光的散射光的散射2.2.康普顿效应康普顿效应 1923年康普顿在做年康普顿在做 X 射线通过物射线通过物质散射的实验时,发现散射线中除有质散射的实验时,发现散射线中除有与入射线波长相同的射线外,还有比与入射线波长相同的射线外,还有比入射线波长更长的射线,其波长的改入射线波长更长的射线,其波长的改变量与散射角变量与散射角有关,而与入射线波长有关,而与入射线波长 和散射物质都无关和散射物质都无关。一一.康普顿散射的实验装置与规律:康普顿散射的实
5、验装置与规律:晶体晶体 光阑光阑X 射线管射线管探探测测器器X 射线谱仪射线谱仪 石墨体石墨体(散射物质散射物质)j 0散射波长散射波长 康普顿正在测晶体康普顿正在测晶体对对X 射线的散射射线的散射 按经典电磁理论:按经典电磁理论:如果入射如果入射X光是某光是某 种波长的电磁波,种波长的电磁波,散射光的波长是散射光的波长是 不会改变的!不会改变的!康普顿散射曲线的特点:康普顿散射曲线的特点:1.除原波长除原波长 0外出现了移向外出现了移向长波方向的新的散射波长长波方向的新的散射波长 。2.新波长新波长 随散射角的增大随散射角的增大而增大。而增大。散射中出现散射中出现 0 的现象,称的现象,称为
6、为康普顿散射。康普顿散射。波长的偏移为波长的偏移为=0Oj=45Oj=90Oj=135Oj.o(A)0.7000.750波长波长.0 称为电子的称为电子的Compton波长波长只只有有当当入入射射波波长长 0与与 c可可比比拟拟时时,康康普普顿顿效效应应才才显显著著,因因此此要要用用X射射线线才才能能观观察察到到康康普普顿顿散散射射,用用可可见光观察不到康普顿散射。见光观察不到康普顿散射。波长的偏移只与散射角波长的偏移只与散射角 有关,有关,而与散射物质而与散射物质种类及入射的种类及入射的X X射线的波长射线的波长 0 0 无关,无关,c=0.0241=2.41 10-3nm(实验值)实验值)
7、遇到的困难遇到的困难经典电磁理论在解释康普顿效应时经典电磁理论在解释康普顿效应时2.2.无法解释波长改变和散射角的关系。无法解释波长改变和散射角的关系。射光频率应等于入射光频率。射光频率应等于入射光频率。其频率等于入射光频率,所以它所发射的散其频率等于入射光频率,所以它所发射的散过物质时,物质中带电粒子将作受迫振动,过物质时,物质中带电粒子将作受迫振动,1.1.根据经典电磁波理论,当电磁波通根据经典电磁波理论,当电磁波通光子理论对康普顿效应的解释光子理论对康普顿效应的解释 康普顿效应是光子和电子作弹性碰撞的康普顿效应是光子和电子作弹性碰撞的子能量几乎不变,波长不变。子能量几乎不变,波长不变。小
8、于原子质量,根据碰撞理论,小于原子质量,根据碰撞理论,碰撞前后光碰撞前后光光子将与整个原子交换能量光子将与整个原子交换能量,由于光子质量远由于光子质量远2.若光子和束缚很紧的内层电子相碰撞,若光子和束缚很紧的内层电子相碰撞,是散射光的波长大于入射光的波长。是散射光的波长大于入射光的波长。部分能量传给电子部分能量传给电子,散射光子的能量减少,于散射光子的能量减少,于1.若光子和外层电子相碰撞,光子有一若光子和外层电子相碰撞,光子有一结果,具体解释如下:结果,具体解释如下:3.因为碰撞中交换的能量和碰撞的角度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。有关,所以波长改变和散射角
9、有关。光子理论对康普顿效应的解释光子理论对康普顿效应的解释三三.康普顿散射实验的意义康普顿散射实验的意义(1 1)有力地支持了爱因斯坦)有力地支持了爱因斯坦“光量子光量子”假设;假设;(2 2)首次在实验上证实了)首次在实验上证实了“光子具有动量光子具有动量”的假设;的假设;(3 3)证实了)证实了在微观世界的单个碰撞事件中,在微观世界的单个碰撞事件中,动量和能量守恒定律仍然是成立的。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
10、光辐射混进来了某种荧光辐射”;在计算中起先只;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。考虑能量守恒,后来才认识到还要用动量守恒。康普顿于康普顿于19271927年获诺贝尔物理奖。年获诺贝尔物理奖。康康普普顿顿效效应应康康普普顿顿效效应应康普顿康普顿,1927年获诺贝尔物理学奖年获诺贝尔物理学奖(1892-1962)美国物理学家美国物理学家192719251926年,吴有训用银的年,吴有训用银的X射线射线(0=5.62nm)为入射线为入射线,以以15种轻重不同的元素为散射物质,种轻重不同的元素为散射物质,四、吴有训对研究康普顿效应的贡献四、吴有训对研究康普顿效应的贡献1923年年
11、,参加了发现康普顿效应的研究工作参加了发现康普顿效应的研究工作.对证实康普顿效应作出了对证实康普顿效应作出了重要贡献。重要贡献。在同一散射角在同一散射角()测量测量各种波长的散射光强度,作各种波长的散射光强度,作了大量了大量 X 射线散射实验。射线散射实验。(1897-19771897-1977)吴有训吴有训例例、康康普普顿顿效效应应证证实实了了光光子子不不仅仅具具有有能能量量,也也有有动动量量.图图给给出出了了光光子子与与静静止止电电子子碰碰撞撞后后,电电子子的的运运动动方方向向,则则碰碰撞撞后后光光子子可可能能沿沿方方向向_运运动动,并并且且波波长长_(填填“不不变变”“”“变变短短”或或
12、“变长变长”).解解析析因因光光子子与与电电子子的的碰碰撞撞过过程程动动量量守守恒恒,所所以以碰碰撞撞后后光光子子和和电电子子的的总总动动量量的的方方向向与与光光子子碰碰撞撞前前动动量量的的方方向向一一致致,可可见见碰碰撞撞后后光光子子运运动动的的方方向向可可能能沿沿1方方向向,不不可可能能沿沿2或或3方方向向;通通过过碰碰撞撞,光光子子将将一一部部分分能能量量转转移移给给电电子子,光光子子的的能能量量减减少少,由由h知知,频频率率变变小小,再再根根据据c知,波长变长知,波长变长.答案答案1变长变长光子的能量和动量光子的能量和动量动量能量是描述粒子的动量能量是描述粒子的,频率和波长则是用来描述
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