广东工业大学：《大学物理》课程教学课件（讲稿）第六篇 近代物理基础 第16章 量子物理基础（康普顿散射、粒子的波动性）

广东工业大学第16章量子物理基础大学物理A教素SuanadongUniversity ofTechnology第16章量子物理基础

第16章 量子物理基础 大学物理A教案 第16章 量子物理基础

广东工业大学第16章量子物理基础大学物理A教素euanadongUniversityofTechnology(3)量子物理主要内容：康普顿散射粒子的波动性

第16章 量子物理基础 大学物理A教案 量子物理(3) 康普顿散射 主要内容： 粒子的波动性

广东工业大学第16章量子物理基础大学物理A教素uanadongUniversity ofTechnology散射S16.3康普顿(Compton1923年美国物理学家Compton研究了x射线通过物质后的散射，进一步证实了光的量子性康普顿散射实验装置示意图探测仪石墨南M1X光管获1927年诺贝尔物理学奖

第16章 量子物理基础 大学物理A教案 §16.3 康普顿（Compton ）散射 1923年 美国物理学家Compton研究了x射线通过物质后 的散射，进一步证实了光的量子性。 康普顿散射实验装置示意图 石墨 X 光管 0 获1927年诺贝尔物理学奖  探测仪

广东工业大学第16章量子物理基础大学物理A教素SuanadongUniversity ofTechnology探测仪石墨m三14散射线中除有与入射x射线波长.相同的射线外，还有比入康普顿散射射线波长更长的散射线，一一

第16章 量子物理基础 大学物理A教案 散射线中除有与入射x射线波长 相同的射线外，还有比入 射线波长更长的散射线，—— 康普顿散射 0 石墨 0  探测仪

广东工业大学第16章量子物理基础大学物理A教素uangdongUniversityotTechnology=000=45°Φ=90°→D强度202。 % 1926年，中国吴有训对不同的散射物进行了研究实验规律：1.△随散射角?的增大而增加，且原波长的谱线强度减小，而新波长的谱线强度增大2.△与散射物质、原波长元.均无关3．原子量越小的物质，康普顿效应越显著

第16章 量子物理基础 大学物理A教案  =  45 0   =  90  0  =  135 0  实验规律: 3. 原子量越小的物质，康普顿效应越显著。 1. 随散射角 的增大而增加，且原波长的谱线强度减 小，而新波长的谱线强度增大。   2.  与散射物质、原波长 0 均无关。  = 0 0 强 度 1926年，中国吴有训对不同的散射物进行了研究

广东工業大学第16章量子物理基础大学物理A教素uanadongUniversity ofTechnology经典理论无法解释康普顿效应按经典电磁波理论，x射线通过物质时，引起物质中带电粒子作同频率的受迫振动，振动的带电粒子向周围辐射电磁波，成为散射光。散射光的频率应等于入射光的频率。且因电磁波是横波，在=90°的方向应无散射。即经典电磁波理论只能解释波长不变的散射。光子论对康普顿效应的解释光子和实物粒子一样，能与散射物中的自由电子发生弹性碰撞，碰撞过程满足动量守恒和能量守恒。碰撞时光子把自己已的一部分能量传给了散射物中的自由电子，因而发生散射的光子能量减少，由ε=h知，散射光子的频率将比入射光子小，即波长比入射光子长

第16章 量子物理基础 大学物理A教案 经典理论无法解释康普顿效应 光子论对康普顿效应的解释 光子和实物粒子一样，能与散射物中的自由电子发生弹 性碰撞，碰撞过程满足动量守恒和能量守恒。碰撞时光 子把自己的一部分能量传给了散射物中的自由电子，因 而发生散射的光子能量减少，由 知，散射光子 的频率将比入射光子小，即波长比入射光子长。  = h 按经典电磁波理论，x 射线通过物质时,引起物质中带 电粒子作同频率的受迫振动，振动的带电粒子向周围 辐射电磁波,成为散射光。散射光的频率应等于入射光 的频率。且因电磁波是横波，在 = 90°的方向应无 散射。即经典电磁波理论只能解释波长不变的散射。 

广东工业大学第16章量子物理基础大学物理A教案uangdongUniversityofTechnologyhy碰后光子沿康普顿散射的理论分析.散射,动量为光子的能量和动量hVo碰前光子沿x方向运动，动量为hvDhv..............0电子的能量和动量电子沿θ反momcmv冲，动量为hvhvcos @+mocose动量守恒hvsin@+musine上两式平方后相加hvhvhvnl10cosp=mo2

第16章 量子物理基础 大学物理A教案 康普顿散射的理论分析 e e   动量守恒 光子的能量和动量 c h h   , 电子的能量和动量 mc , mv 2 c h 碰前光子沿x方  0 向运动,动量为 0 cos cos h h m c c   = +   v 0 sin sin h m c  = +   v 上两式平方后相加 2 2 0 0 2 2 cos h h h h m c c c c            + − =       2 v ① c 碰后光子沿 h 散射,动量为  v  m 电子沿 反 冲, 动量为 

广东工业大学第16章量子物理基础大学物理A教素uangdongUpiyersityofTechnologhvhv() ()7cos@=m'v散射光电子碰前手能量hy.静止能量入射光hVo为 moc?子能量D......0能量守恒反冲电mc?子能量hvo +moc? = hv+mc2-mm再由质速关系②式两边平方后减①，整理得hI-cos@moch即波长改变的公式：=-/-cosPm.c

第16章 量子物理基础 大学物理A教案 e   能量守恒 h 0 入射光 子能量 h 散射光 子能量 2 mc 反冲电 子能量 2 2 0 0 2 2 cos h h h h m c c c c            + − =       2 v ① 2 2 h 0 + m0 c = h + mc ② ②式两边平方后减①，再由质速关系 2 2 0 2 2 1 m c m ( − ) = v 整理得 0 0 (1 cos ) c c h m c    − = − 即波长改变的公式： 2 0 m c 电子碰前 静止能量 为 0 ( ) 0 1 cos h m c  = − = −    

广东工业大学第16章量子物理基础大学物理A教素uangdongUpiversityofTechnologyhC1-cos@)= 2, sin?=-2m.ch=2.43×10-3nm称为电子的康普顿波长moc上式表明：(1)△仅与散射角@有关，而与散射物及入射x射线的波长无关。=0,=0,→,=，最大，与实验结果一致。(2）△α的数量级为10-12m，而可见光波长为10-m，所以可见光入射看不到Compton效应。即波长短的光量子效应才显著

第16章 量子物理基础 大学物理A教案 ( ) 2 0 0 1 cos 2 sin 2 c h m c   = − = − =      2.43 10 3 nm 称为电子的康普顿波长 0 c − = =  m c h  上式表明: （1） 仅与散射角 有关，而与散射物及入射x射线的 波长无关。         =  = →   = 0, 0, , ,  最大，与实验 结果一致。 （2） 的数量级为 ，而可见光波长为 ，所以 可见光入射看不到Compton效应。即波长短的光量子效应才显 著。 10 m 12 −7 10 m − 

广东工業大学第16章量子物理基础大学物理A教素uanadongUniversityofTechnologyX射线的散射现象，在理论上和实验上的符合，不仅有利地证实了光子理论，说明光子具有一定的质量能量和动量，而且这个现象所研究的，不是整个光束与散射物体的作用，而只是个别光子与个别电子间的作用，所以这种现象同时也证明了动量守恒和能量守恒具有普适性，相对论效应在宏观和微观领域都存在

第16章 量子物理基础 大学物理A教案 X射线的散射现象，在理论上和实验上的符合，不 仅有利地证实了光子理论，说明光子具有一定的质量、 能量和动量，而且这个现象所研究的，不是整个光束 与散射物体的作用，而只是个别光子与个别电子间的 作用，所以这种现象同时也证明了动量守恒和能量守 恒具有普适性，相对论效应在宏观和微观领域都存在