光量子论2.ppt

1923年5 月，康普顿首次公布了他的x 射线散射的实验结果，但却遭到了异议，主要原因是美国哈佛大学的名教授 P.W.Bridgman 未能重复康普顿的结果。 吴有训得知这一情况后，亲赴哈佛，以精巧的实验技术在同行面前演示了康普顿散射的结果，使物理界对康普顿效应确信无疑。康普顿对吴有训的工作大加赞扬，曾在其专著中19次提到了吴有训的工作，并将吴有训作的15种元素的 x 射线散射光谱图收录其中。 吴有训的实验结果，为康普顿的光量子解释提供了坚实的实验证据。因而在一些文献上称为康普顿－吴有训效应。 康普顿散射进一步证实了爱因斯坦光量子学说的正确性，证明了光子的能量、动量表示式的正确性，光确实具有波粒两象性。另外证明在光电相互作用的过程中严格遵守能量、动量守恒定律。 康普顿 威尔逊（云雾室） 分获1927年诺贝尔物理奖 λ0 = 0.02nm 的 x 射线与静止的自由电子碰撞，若从与入射线垂直的方向观察散射线，求散射线的波长λ；反冲电子的动能。 普通物理学教案 例题4 ： 解： 由康普顿散射公式 所以 0.500MeV的 x 射线与静止的自由电子碰撞, 若该电子获得0.100MeV动能，求散射光子的波长及散射角。 普通物理学教案 例题5 ： 解： 入射光子 由 入射光子波长为0.003nm，反冲电子的速度为0.6c 。求散射光子的波长及散射角。 普通物理学教案 例题6： 解： 由 反冲电子的动能 光子的能量损失 λ= 550nm 的可见光与静止的自由电子碰撞，若从与入射线垂直的方向观察散射线，求散射线的波长变化。 普通物理学教案 例题7： 解： 若仍由康普顿散射公式 所以 实验并未发现散射光有任何的波长变化！ 但是， 讨论 可见光为什么不发生康普顿散射？ 康普顿散射公式表明，散射波长的变化与入射波长无关，与散射物质的性质无关。 但是，碰撞中光子要发生明显的能量转移，那么它的能量、动量必须与电子的在数量级上接近。否则如同乒乓球撞大铅球，能量几乎不转移。康普顿效应中波长不变的成份，就是因为光子与内层束缚电子－相当于质量比电子大的多的“原子”碰撞产生的。 因此，上一例的计算应属于模型使用不当。 ① 可见光光子的能量、动量太小了。 光电效应和康普顿效应都是光与物质的作用，为什么有两种不同的结果？ ② 光电效应是物质在可见光到紫外线这一大致范围内的光子作用下逸出电子的效应。光子的能量与原子中束缚电子的束缚能相差不远，光子的能量全部交给了束缚电子使之逸出，并使其具有初动能。 康普顿效应是入射光子与物质中的自由电子相互作用的效应，入射光是 x 射线，光子的能量远大于电子的束缚能，光子的能量只被自由电子吸收了一部分然后被散射。 讨论 实际上，光与物质的作用有多种形式。依作用（能量、动量）条件不同，各种效应产生的概率也不同。 光电效应和康普顿效应显示了光的粒子性，但光的干涉、衍射和偏振又显示了波动性。 那么光究竟是波还是粒子呢？ 也许你会问： 提出这一问题的思维逻辑是 按爱因斯坦的观点回答： 我们对光的本性的认识，必须兼顾到波和粒子这两重性。这两重性在经典物理中是不相容的，并且这种“波” 和“粒子”，也与经典物理中的不同。 爱因斯坦是历史上第一个提出波粒二象性概念的学者，这是认识上的一个飞跃。由于这一概念的提出，为“实物”粒子的二象性提供了最好的启示，从而打开了通向量子力学的大门。 “非此即彼” 这种思维方式不再奏效！ * 18.2 光电效应 光的波粒二象性 一、光量子 最早明确地认识到普朗克的发现是开创物理学新纪元的物理学家是年轻的爱因斯坦（26岁）。 1905年春天，爱因斯坦在德国《物理学纪事》第17卷上连续发表三篇论文，前后相差三个半月。 其中第一篇采用普朗克的能量子观点解释了光电效应。按爱因斯坦的思想，从光源发出的一束光在传播过程中，它的能量就不是连续分布的，而形成一个个“能量包”─爱因斯坦称其为“光量子”。这些光量子在运动中并不瓦解，而且只能整个地被吸收或发射。 因此爱因斯坦提出：普朗克的谐振子之所以与辐射场按量子化的方式交换能量，就是因为辐射场本身是量子化的。这就将普朗克的观点朝前推进了一大步。 实际上爱因斯坦是认为，麦克斯韦的理论仅对时间平均值有效。我们在光学观测中所得到的结果都是时间平均值而不是瞬时值。光与物质作用的瞬时过程，如同气体分子与容器器壁的作用，因而对光（电磁辐射）场必须引进粒子的观点。 1926