222光的波粒二象性康普頓效應

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1、22.2光的波粒二象性康普頓效應 教學目標 1、 了解康普頓效應及其解釋； 2、 了解光既具有波動性，又具有粒子性； 3、 了解光是一種概率波。 引入新課 光在傳播過程中，遇到兩種均勻媒質(zhì)的分界面時，會產(chǎn)生反射和折射現(xiàn)象。但當光 在不均勻媒質(zhì)中傳播時，情況就不同了。由于一部分光線不能直線前進，就會向四面八 方散射開來,形成光的散射現(xiàn)象。地球周圍由空氣形成的大氣層，就是這樣一種不均勻 媒質(zhì)。因此，我們看到的天空的顏色，實際上是經(jīng)大氣層散射的光線的顏色。科學家 的研究表明，大氣對不同色光的散射作用不是“機會均等”的，波長短的光受到的散 射最厲害。當太陽光受到大氣分子散射時，波長較短的藍

2、光被散射得多一些。由于天 空中布滿了被散射的藍光，地面上的人就看到天空呈現(xiàn)出蔚藍色?？諝庠绞羌儍?、十 燥，這種蔚藍色就越深、越艷。如果天空十分純凈，沒有大氣和其他微粒的散射作用， 我們將看不到這種璀璨的藍色。比如在2萬米以上的高空，空氣氣體分子特別稀薄， 散射作用已完全消失，天空也會變得暗淡。 同樣道理,旭日初升或日落西山時，直接從太陽射來的光所穿過的大氣層厚度，比 正午時直接由太陽射來的光所穿過的大氣層厚度要厚得多。太陽光在大氣層中傳播的 距離越長，被散射掉的短波長的藍光就越多，長波長的紅光的比例也顯著增多。最后到 達地面的太陽光，它的紅色成分也相對增加。因此，才會出現(xiàn)滿天紅霞和血紅夕陽。

3、實 際上，發(fā)光的太陽表面的顏色始終沒有變化。 一、康普頓效應 1、 光的散射：光在介質(zhì)中與物質(zhì)微粒相互作用，因而傳播方向發(fā)生改變，這種現(xiàn) 象叫做光的散射。一般的光散射知識告訴我們，只有當光通過光學性質(zhì)不均勻的媒質(zhì) 時，光散射現(xiàn)象才會發(fā)生. 2、 康普頓效應 但是實驗發(fā)現(xiàn)，當波長很短的光（電磁波），如X射線、射線等通過不含雜質(zhì)的 均勻媒質(zhì)時，也會產(chǎn)生散射現(xiàn)象，且一反常態(tài)，在散射光中除有與原波長相同的射線 外，還有比原波長更長的射線出現(xiàn).這現(xiàn)象首先由美國物理學家康普頓于1922?1923 年間發(fā)現(xiàn)，并作出理論解釋，故稱康普頓效應，亦稱康普頓散射. 3、 康普頓散射的實驗裝置與規(guī)律：

4、 康普頓散射曲線的特點: ① 除原波長氣外出現(xiàn)了移向長波方向的新的散射波長人 ② 新波長人隨散射角的增大而增大。波長的偏移為△人=人-人0 波長的偏移只與散射角中有關(guān)，而與散射物質(zhì)種類及入射的X射線的波長氣無關(guān)， △人=人一氣=人（1 — cos甲）人=0.0241A=2.41X 10"3nm （實驗值）稱為電子的 Compton波長只有當入射波長氣與人可比擬時，康普頓效應才顯著，因此要用X射線 才能觀察到康普頓散射，用可見光觀察不到康普頓散射。 ③ 當散射角召確定時，波長的增加量山又與散射物質(zhì)的性質(zhì)無關(guān)。 ④ 康普頓散射的強度與散射物質(zhì)有關(guān)。原子量小的散射物質(zhì)，康普頓散射較

5、強， 原波長的譜線強度較低。反之相反。 4、 康普頓散射現(xiàn)象的解釋： （1） 經(jīng)典電磁理論在解釋康普頓效應時遇到的困難 ① 根據(jù)經(jīng)典電磁波理論，當電磁波通過物質(zhì)時，物質(zhì)中帶電粒子將作受迫振動， 其頻率等于入射光頻率，所以它所發(fā)射的散射光頻率應等于入射光頻率。 ② 無法解釋波長改變和散射角的關(guān)系。 （2） 光子理論對康普頓效應的解釋 ① 若光子和外層電子相碰撞，光子有一部分能量傳給電子，散射光子的能量減少， 于是散射光的波長大于入射光的波長。 ② 若光子和束縛很緊的內(nèi)層電子相碰撞，光子將與整個原子交換能量，由于光子 質(zhì)量遠小于原子質(zhì)量，根據(jù)碰撞理論，碰撞前后光子能量幾乎不變，波長不

6、變。 ③ 因為碰撞中交換的能量和碰撞的角度有關(guān)，所以波長改變和散射角有關(guān)。 ④ 光子不僅有能量hv ,而且有動量hv /A ⑤ 模型：“X射線光子與靜止的自由電子的彈性碰撞” ⑥ 在碰撞過程中能量和動量守恒 光子與物質(zhì)中的”自由電子”碰撞，把部分能量傳給電子，光子的能量4散射X 射線的頻率L波長仁 光子與物質(zhì)中被原子核束縛很緊的電子碰撞,應看做是光子 和整個原子的碰撞。原子的質(zhì)量遠大于光子的質(zhì)量，在彈性碰撞中散射光子的能量（波 長）幾乎不改變，故在散射線中還有與原波長相同的射線。 5、 康普頓效應的意義進一步驗證了光的粒子性： ① 有力地支持了愛因斯坦“光量子”假設(shè)；證實了普朗克

7、假設(shè)8二hv； ② 首次在實驗上證實了 “光子具有動量”的假設(shè)； ③ 證實了在微觀領(lǐng)域的單個碰撞事件中，動量和能量守恒定律仍然是成立的。 康普頓的這一發(fā)現(xiàn)也對量子物理的發(fā)展作出了重要貢獻，使人們對光的認識大大 地向前推進了一步。它是量子理論的一個重要實驗證據(jù)。由于他的實驗發(fā)現(xiàn)和理論工 作的巨大成功，康普頓于1927年與英國的物理學家威爾遜同獲諾貝爾物理學獎。 我國物理學家吳有訓全面地驗證了康普頓效應。康普頓最初發(fā)表的論文只涉及一 種散射物質(zhì)（石墨），盡管已經(jīng)獲得明確的數(shù)據(jù)，但終究只限于某一特殊條件，難以令 人信服。為了證明這一效應的普遍性，吳有訓在康普頓的指導下，做了7種物質(zhì)的X 射線

8、散射曲線，證明只要散射角相同，不同物質(zhì)散射的效果都一樣，變線和不變線的 偏離與物質(zhì)成分無關(guān)。吳有訓特意把X射線管和各種散射物質(zhì)放在不含木材的鉛室中， 廣泛地進行了乂射線散射實驗。1 9 2 5年，他在《康普頓效應與三次X輻射》一文 中，再次證明康普頓效應的客觀存在。 接著，吳有訓對康普頓效應作了進一步研究。他測定了乂射線散射中變線和不變 線之間的強度比隨散射物原子序數(shù)變化的關(guān)系，由此證實并發(fā)展了康普頓的量子散射 理論。 康普頓和S.K .阿里遜(Allison)在他們合著的《乂射線的理論與實 驗》(X—rays in Theory and Experiment) 一書中，對 吳有訓的工作給

9、予了很高評價，全書共有19處引用了吳有訓的成果。特別是吳有訓 的一張受15種元素散射的X射線光譜圖，康普頓將其與自己于1923年得到的石 墨散射的X射線光譜圖并列，作為當時證明其理論的主要依據(jù)。吳有訓這張X射線光 譜圖在后來的幾十年中被人們廣泛引用。 二、光的波粒二象性 1. 光的波動性和粒子性的實驗基礎(chǔ) 光具有波動性：光的干涉、光的衍射 光具有粒子性：光電效應、康普頓效應 光具有波粒二象性 玻恩用概率波很好的解釋了光的波粒二象性 2. 分立與連續(xù)是相對的 當曝光量很少時，在膠片上是一個一個的點，這時光看起來是分立的；曝光量多 的時候就變成亮帶了，這時又是連續(xù)的。 當曝光量很

10、大時出現(xiàn)的干涉亮條紋的地方和利用機械波的干涉公式計算的結(jié)果剛 好又是相符的，正是某種波通過雙縫后發(fā)生干涉時振幅加強的區(qū)域。故說明光是一種 波，具有波動性。 ① 我們所學的大量事實說明：光是一種波，同時也是一種粒子，光具有波粒二象 性。光的分立性和連續(xù)性是相對的，是不同條件下的表現(xiàn)，光子的行為服從統(tǒng)計規(guī)律。 ② 光子在空間各點出現(xiàn)的概率遵從波動規(guī)律，物理學中把光波叫做概率波。 ③ 光的波動性與粒子性是不同條件下的表現(xiàn)： 大量光子的行為表現(xiàn)波動性；少量光子的行為表現(xiàn)為粒子性；光的波長越長，波 動性越強；光的波長越短，粒子性越強。光的波動性不是光子之間相互作用引起的， 是光 子本身的一種屬性

11、。 3. 光波是一種概率波 概率表征某一事物出現(xiàn)的可能性。 在熱學中研究分子熱運動的速率。溫度升高時，不一定每一個分子運動的速率都 增大，每個分子速率的變化沒規(guī)律，但多數(shù)分子的速率在某一個值附近。隨著溫度的 升高這一值會向速率大的方向移動。也就是說，個別分子的運動是完全無規(guī)律的，但 對大量分子所做的統(tǒng)計分析卻表現(xiàn)出一種規(guī)律 概率規(guī)律。 概率波對光的雙縫衍射現(xiàn)象的解釋： 光是一種粒子，它和物質(zhì)的作用是"一份一份〃地進行的.用很弱的光做雙縫干涉實 驗.從光子打在膠片上的位置，我們發(fā)現(xiàn)了規(guī)律性. 實驗結(jié)果表明，如果曝光時間不太長，底片上只出現(xiàn)一些無規(guī)則分布的點子，那 些點子是光子打在底片

12、上形成的，如果曝光時間足夠長，我們無法把它們區(qū)分開，因 此看起來是連續(xù)的.單個光子通過雙縫后的落點無法預測，但是研究很多光子打在膠片 上的位置,我們發(fā)現(xiàn)了規(guī)律性:光子落在某些條形區(qū)域內(nèi)的可能性較大.這些條形區(qū)域正 是某種波通過雙縫后發(fā)生干涉時振幅加強的區(qū)域.這個現(xiàn)象表明，光子在空間各點出現(xiàn) 的可能性的大?。ǜ怕剩怯捎谶@個原因，1926年德國的物理學家波恩指出：雖然 不能肯定某個光子落在哪一點，但由屏上各處明暗不同可知，光子落在各點的概率是 不一樣的，即光子落在明紋處的概率大，落在暗紋處的概率小。這就是說，光子在空 間出現(xiàn)的概率可以通過波動的規(guī)律確定，所以，從光子的概念上看，光波是一種概率

13、 波。 物理學中把光波叫做概率波.概率表征某一事物出現(xiàn)的可能性. 經(jīng)過長期的探索，人們對光的認識越來越深入了.光既是一種波,又是一種粒子，光既 表現(xiàn)出波動性又表現(xiàn)出粒子性.而在我們的經(jīng)驗中找不到既是波，又是粒子的東西.這是 因為我們的經(jīng)驗局限于宏觀物體的運動，微觀世界的某些屬性與宏觀世界不同，我們從 來沒有過類似的經(jīng)歷.隨著人類的認識范圍不斷擴展，不可能直接感知的事物出現(xiàn)在我 們面前.在這種情況下我們就要設(shè)想一種模型，盡管以日常經(jīng)驗來衡量，這個模型的行 為十分古怪，但是只要能與實驗結(jié)果一致，它就能夠在一定范圍內(nèi)正確代表所研究的 對象. 波動性不是光子之間的相互作用的結(jié)果；波動性是光子的一種固有屬性。 光具有波動性也具有粒子性，但它既不是宏觀概念中的波，也不是宏觀概念中的 粒子。 道爾頓板實驗： 道爾頓板實驗中，單個小球下落的位置是不確定的，但是它落在中間狹槽的可能性 要大一些，即小球落在中間的概率較大.