一海大理学院表号裸件 大学物理学电子教案 量子物理（2) 19-3康普顿效应 19-4氢原子的玻尔理 论 19-5弗兰克-赫兹实验
大学物理学电子教案 海大理学院教学课件 量子物理（2） 19-3 康普顿效应 19-4 氢原子的玻尔理 论 19-5 弗兰克-赫兹实验
复习 。 黑体辐射普朗克能量子假说 ·黑体黑体辐射 ·斯忒藩—玻耳兹曼定律维恩位移定律 ·黑体辐射的瑞利一金斯公式经典物理的困难 ·普朗克假说普朗克黑体辐射公式 。 黑体辐射的应用 0 光电效应光的波粒二象性 ·光电效应的实验规律 ·光子爱因斯坦方程 光电效应的应用 光的波粒二象性
复 习 • 黑体辐射 普朗克能量子假说 • 黑体 黑体辐射 • 斯忒藩⎯玻耳兹曼定律 维恩位移定律 • 黑体辐射的瑞利—金斯公式 经典物理的困难 • 普朗克假说 普朗克黑体辐射公式 • 黑体辐射的应用 • 光电效应 光的波粒二象性 • 光电效应的实验规律 ·光子 爱因斯坦方程 • 光电效应的应用 ·光的波粒二象性
19-3康普顿效应 康普顿效应 康普顿散射 康单色X射线被物质散射时，散射线中除了有波长与入射 线相同的成分外，还有波长较长的成分，这种波长变长的 散射称为康普顿散射或康普顿效应。 Bi B 2、实验装置 X光管发出一定波长的 X射线，通过光阑后成 为一束狭窄的X射线， 投射到散射物质上， 用摄谱仪可以测不同 方向上散射光波长及 相对强度
19-3 康普顿效应 一、康普顿效应 1、康普顿散射 康单色X射线被物质散射时，散射线中除了有波长与入射 线相同的成分外，还有波长较长的成分，这种波长变长的 散射称为康普顿散射或康普顿效应。 2、实验装置 X光管发出一定波长的 X射线，通过光阑后成 为一束狭窄的X射线， 投射到散射物质上， 用摄谱仪可以测不同 方向上散射光波长及 相对强度。 A B1 B2 C D G R
3、实验现象 对一定的散射角0，既有与入射线相 同的波长入，又有比入射光线更长的 正常散射 波长入'，而且△=入'-入随角0的增加而 增大，但与X射线的波长入和散射物质 0=00 无关。 波长变长的散射 称为康普顿散射 0=450 4、经典物理学的困难： 0=90% 经典电磁理论只能说明有正常散射 存在，即散射光的频率与入射光频 率相等；而无法解释△的存在及其 所存在的康普顿效应的实验规律。 0=1350
3、实验现象 I =0o I =45o I =90o I =135o 0 正常散射 波长变长的散射 称为康普顿散射 对一定的散射角 ，既有与入射线相 同的波长 ，又有比入射光线更长的 波长’ ，而且D=’- 随角 的增加而 增大，但与X射线的波长和散射物质 无关。 4、经典物理学的困难： 经典电磁理论只能说明有正常散射 存在，即散射光的频率与入射光频 率相等；而无法解释D 的存在及其 所存在的康普顿效应的实验规律
康普顿效应的解释 1、定性解释 康普顿效应是X射线单光子与物质中受原子核束缚较弱 的电子相互作用的结果。假设在碰撞过程中，动量与能 量都是守恒的，电子带走一部分能量与动量，因而散射 出去的光量子的能量与动量都相应地减小，即X射线的 波长变长。 2、定量计算 散射的光子 外层电子 入射光子
1、定性解释 二、康普顿效应的解释 康普顿效应是X射线单光子与物质中受原子核束缚较弱 的电子相互作用的结果。假设在碰撞过程中，动量与能 量都是守恒的，电子带走一部分能量与动量，因而散射 出去的光量子的能量与动量都相应地减小，即X射线的 波长变长。 2、定量计算 入射光子 散射的光子 外层电子
光子v 光子vo 电子 电子 碰撞前 碰撞后 碰撞前 碰撞后 光子：c=hwo 光子： 8=hv h hvo hv P= 电子： 入 Ee=moc 电子： 8 =mc2 Pe =mv
光子0 电子 碰撞前 光子 ） ） 电子 碰撞后 光子： = hv0 c h hv P 0 = = 电子： 2 0 m c e = 碰撞前 光子： = hvc hv P = 电子： 2 mc e = P mv e = 碰撞后
系统能量守恒： hvo+moc2=hv+mc2 mc2=h(y-v)+m,c2(1) 系统动量守恒 my 1 0 hv_ Avses=+my m=(h>+(-2w c0s0(2) (1)2-(2)×c2得出 m'c'(1-)=m2c'-2hvv(1-cos0)+2mch(v-v)
2 2 h 0 + m0 c = h + mc 0 0 e mv c h e c h = + 系统能量守恒： 系统动量守恒 e c h 0 0 e c h mv ( ) (1) 2 0 0 2 mc = h − + m c ( ) ( ) ( ) 2 cos (2) 2 0 2 2 0 c h c h c h c h mv = + − （1) 2 – (2) c 2 得出 (1 ) 2 (1 cos ) 2 ( ) 0 2 0 0 2 4 2 2 2 2 4 − = m c − h − + m c h − c v m c e
mo m= (4) V1-v2/c2 将(4)带入(3)式： mic=mic-2h'vov(1-cos0)+2mgc2h(vo-v) (5) c(Vs-v)=h_(1-cos0) mC 元=h=2.43×10m Vo'V mc --h1-os) h 称为康普顿波长 moc 2h sin △2=λ.sin2 元-= 2 moc 2
(4) 1 / 2 2 0 v c m m − = 将（4）带入（3）式： 2 (1 cos ) 2 ( ) 0 2 0 0 2 4 2 0 2 4 m0 c = m c − h − + m c h − （5） (1 cos ) ( ) 0 0 0 = − − m c c h (1 cos ) 0 0 − = − m c c c h 2 sin 2 2 0 0 m c h − = 2.43 10 m 12 0 − = = m c h c 称为康普顿波长 2 sin2 D = c
0=0时，波长不变； △2=2.sin 日增加时，波长变长； 0=π时，△)最大。 波长的改变与散射物质无关，仅取决于散射角，而且关系式 中包含了普朗克常量，因此它是经典物理学无法解释的。 对于可见光，微波等，散射现象不明显 X光 散射现象明显 三、康普顿效应的物理意义 •康普顿散射进一步证实了光子论 •证明了光子能量、动量表示式的正确性，光确实具有波粒 两象性 •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
•康普顿散射进一步证实了光子论 •证明了光子能量、动量表示式的正确性，光确实具有波粒 两象性 •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。 波长的改变与散射物质无关，仅取决于散射角，而且关系式 中包含了普朗克常量，因此它是经典物理学无法解释的。 2 sin2 D = c 对于可见光，微波等，散射现象不明显 X光 散射现象明显 =0时，波长不变； 增加时，波长变长； =p时，D 最大。 三、康普顿效应的物理意义
19-4氢原子的玻尔理论 引言： 1、量子论 1900年，普朗克引入能量子的概念，解释了黑体辐射的 规律，为量子理论奠定了基础； 1905年，爱因斯坦提出光量子学说，说明了光电效应的 实验规律，为量子理论的发展开创了新的局面； 1920~1926年，康普顿效应的发现、以及理论分析和实 验结果的一致，有力地证明了光子学说的正确性。 2、光谱学 19世纪80年代，光谱学的发展，使人们意识到光谱 规律实质是显示了原子内在的机理。 3、电子的发现 1897年，JJ.汤姆孙发现了电子，促使人们探索原子的结 构。 为运用量子理论研究原子结构提供的坚实的理论和实验基础
引言： 1、量子论 •1900年，普朗克引入能量子的概念，解释了黑体辐射的 规律，为量子理论奠定了基础； •1905年，爱因斯坦提出光量子学说，说明了光电效应的 实验规律，为量子理论的发展开创了新的局面； •1920~1926年，康普顿效应的发现、以及理论分析和实 验结果的一致，有力地证明了光子学说的正确性。 19-4 氢原子的玻尔理论 2、光谱学 •19世纪80年代，光谱学的发展，使人们意识到光谱 规律实质是显示了原子内在的机理。 3、电子的发现 •1897年，J.J.汤姆孙发现了电子，促使人们探索原子的结 构。 为运用量子理论研究原子结构提供的坚实的理论和实验基础