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1、第十七章波粒二象性,第二节 光的粒子性,1.光的散射,光在介质中与物质微粒相互作用,因而传播方向发生改变,这种现象叫做光的散射,2.康普顿效应,1923年康普顿在做 X 射线通过物质散射的实验时，发现散射线中除有与入射线波长相同的射线外，还有比入射线波长更长的射线，其波长的改变量与散射角有关，而与入射线波长 和散射物质都无关。,一.康普顿散射的实验装置与规律：,晶体,光阑,探测器,0,散射波长,康普顿正在测晶体对X 射线的散射,按经典电磁理论： 如果入射X光是某 种波长的电磁波， 散射光的波长是 不会改变的！,康普顿散射曲线的特点：,1.除原波长0外出现了移向长波方向的新的散射波长 。,2.新
2、波长 随散射角的增大而增大。,散射中出现 0 的现象，称为康普顿散射。,波长的偏移为,遇到的困难,经典电磁理论在解释康普顿效应时,2. 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。,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，,1. 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,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。,小于原子质量，根据碰撞理论， 碰撞前后光,光子将与整个原子交换能量,由于光子质量远,2. 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。,部分能量传给电子,散射光子的能量
3、减少，于,1. 若光子和外层电子相碰撞，光子有一,结果，具体解释如下：,三.康普顿散射实验的意义,（1）有力地支持了爱因斯坦“光量子”假设；,（2）首次在实验上证实了“光子具有动量” 的假设；,（3）证实了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。,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“混进来了某种荧光辐射”；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。,康普顿于1927年获诺贝尔物理奖。,康普顿,1927年获诺贝尔物理学奖,(1892-1962)美国物理学家,19251926年，吴有训用银的X射线(0 =5.62n
4、m) 为入射线, 以15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,1923年,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重要贡献。,在同一散射角( )测量各种波长的散射光强度，作了大量 X 射线散射实验。,光子的能量和动量,动量能量是描述粒子的,频率和波长则是用来描述波的,称为电子的Compton波长,只有当入射波长0与c可比拟时，康普顿效应才显著，因此要用X射线才能观察到康普顿散射，用可见光观察不到康普顿散射。,波长的偏移只与散射角 有关，而与散射物质种类及入射的X射线的波长0 无关，,c = 0.0241=2.4110-3nm（实验值）,第十七章波粒二象
5、性,第三节 崭新的一页：粒子的波动性,德布罗意波 波粒二象性,一、德布罗意的物质波,德布罗意 (due de Broglie, 1892-1960),德布罗意原来学习历史，后来改学理论物理学。他善于用历史的观点，用对比的方法分析问题。 1923年，德布罗意试图把粒子性和波动性统一起来。1924年，在博士论文关于量子理论的研究中提出德布罗意波,同时提出用电子在晶体上作衍射实验的想法。 爱因斯坦觉察到德布罗意物质波思想的重大意义，誉之为“揭开一幅大幕的一角”。,法国物理学家，1929年诺贝尔物理学奖获得者，波动力学的创始人，量子力学的奠基人之一。,能量为E、动量为p的粒子与频率为v、波长为的波相联
6、系，并遵从以下关系：,这种和实物粒子相联系的波称为德布罗意波(物质波或概率波),其波长称为德布罗意波长。,一切实物粒子都有波动性 后来，大量实验都证实了：质子、中子和原子、分子等实物微观粒子都具有波动性，并都满足德布洛意关系。一颗子弹、一个足球有没有波动性呢？： 质量 m = 0.01kg，速度 v = 300 m/s 的子弹的德布洛意波长为 计算结果表明，子弹的波长小到实验难以测量的程度。所以，宏观物体只表现出粒子性。,由光的波粒二象性的思想推广到微观粒子和任何运动着的物体上去，得出物质波（德布罗意波）的概念：任何一个运动着的物体都有一种波与它对应，该波的波长= 。,【例1】试估算一个中学生
7、在跑百米时的德布罗意波的波长。,解：估计一个中学生的质量m50kg ，百米跑时速度v7m/s ，则,由计算结果看出，宏观物体的物质波波长非常小，所以很难表现出其波动性。,例题2 (1)电子动能Ek=100eV；(2)子弹动量p=6.63106kg.m.s-1, 求德布罗意波长。,解 (1)因电子动能较小，速度较小，可用非相对论公式求解。,=1.23,(2)子弹:,h= 6.6310-34,= 1.010-40m,可见，只有微观粒子的波动性较显著；而宏观粒子(如子弹)的波动性根本测不出来。,一个质量为m的实物粒子以速率v 运动时，即具有以能量E和动量P所描述的粒子性，同时也具有以频率n和波长l所描述的波动性。,德布罗意关系,2、戴维逊革末实验,1927年，Davisson和Germer 进行了电子衍射实验。 （该实验荣获1937年Nobel 物理学奖）,电子束垂直入射到镍单晶的水平面上，在 散射方向上探测到一个强度极大。 （可用晶体对X射线的衍射方法来分析）,L.V.德布罗意 电子波动性的理论研究,1929诺贝尔物理学奖,C.J.戴维孙 通过实验发现晶体对电子的衍射作用,1937诺贝尔物理学奖,X射线经晶体的衍射图,电子射线经晶体的衍射图,电子显微镜,作业：教材P “问题与练习”,
