222光的波粒二象性康普頓效應(yīng)

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1、22.2光的波粒二象性康普頓效應(yīng) 教學(xué)目標(biāo) 1、 了解康普頓效應(yīng)及其解釋； 2、 了解光既具有波動(dòng)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(shí)，會(huì)產(chǎn)生反射和折射現(xiàn)象。但當(dāng)光 在不均勻媒質(zhì)中傳播時(shí)，情況就不同了。由于一部分光線不能直線前進(jìn)，就會(huì)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(shí)際上是經(jīng)大氣層散射的光線的顏色?？茖W(xué)家 的研究表明，大氣對(duì)不同色光的散射作用不是“機(jī)會(huì)均等”的，波長(zhǎng)短的光受到的散 射最厲害。當(dāng)太陽光受到大氣分子散射時(shí)，波長(zhǎng)較短的藍(lán)

2、光被散射得多一些。由于天 空中布滿了被散射的藍(lán)光，地面上的人就看到天空呈現(xiàn)出蔚藍(lán)色?？諝庠绞羌儍簟⑹?燥，這種蔚藍(lán)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(lán)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(huì)變得暗淡。 同樣道理,旭日初升或日落西山時(shí)，直接從太陽射來的光所穿過的大氣層厚度，比 正午時(shí)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(zhǎng)，被散射掉的短波長(zhǎng)的藍(lán)光就越多，長(zhǎng)波長(zhǎng)的紅光的比例也顯著增多。最后到 達(dá)地面的太陽光，它的紅色成分也相對(duì)增加。因此，才會(huì)出現(xiàn)滿天紅霞和血紅夕陽。

3、實(shí) 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(yīng) 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(shí)告訴我們，只有當(dāng)光通過光學(xué)性質(zhì)不均勻的媒質(zhì) 時(shí)，光散射現(xiàn)象才會(huì)發(fā)生. 2、 康普頓效應(yīng) 但是實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)波長(zhǎng)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(shí)，也會(huì)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(zhǎng)相同的射線 外，還有比原波長(zhǎng)更長(zhǎng)的射線出現(xiàn).這現(xiàn)象首先由美國(guó)物理學(xué)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(yīng)，亦稱康普頓散射. 3、 康普頓散射的實(shí)驗(yàn)裝置與規(guī)律：

4、 康普頓散射曲線的特點(diǎn): ① 除原波長(zhǎng)氣外出現(xiàn)了移向長(zhǎng)波方向的新的散射波長(zhǎng)人 ② 新波長(zhǎng)人隨散射角的增大而增大。波長(zhǎng)的偏移為△人=人-人0 波長(zhǎng)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(zhǎng)氣無關(guān)， △人=人一氣=人（1 — cos甲）人=0.0241A=2.41X 10"3nm （實(shí)驗(yàn)值）稱為電子的 Compton波長(zhǎng)只有當(dāng)入射波長(zhǎng)氣與人可比擬時(shí)，康普頓效應(yīng)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(dāng)散射角召確定時(shí)，波長(zhǎng)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(qiáng)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(qiáng)， 原波長(zhǎng)的譜線強(qiáng)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(yīng)時(shí)遇到的困難 ① 根據(jù)經(jīng)典電磁波理論，當(dāng)電磁波通過物質(zhì)時(shí)，物質(zhì)中帶電粒子將作受迫振動(dòng)， 其頻率等于入射光頻率，所以它所發(fā)射的散射光頻率應(yīng)等于入射光頻率。 ② 無法解釋波長(zhǎng)改變和散射角的關(guān)系。 （2） 光子理論對(duì)康普頓效應(yīng)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(zhǎng)大于入射光的波長(zhǎng)。 ② 若光子和束縛很緊的內(nèi)層電子相碰撞，光子將與整個(gè)原子交換能量，由于光子 質(zhì)量遠(yuǎn)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(zhǎng)不

6、變。 ③ 因?yàn)榕鲎仓薪粨Q的能量和碰撞的角度有關(guān)，所以波長(zhǎng)改變和散射角有關(guān)。 ④ 光子不僅有能量hv ,而且有動(dòng)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(dòng)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(zhǎng)仁 光子與物質(zhì)中被原子核束縛很緊的電子碰撞,應(yīng)看做是光子 和整個(gè)原子的碰撞。原子的質(zhì)量遠(yuǎn)大于光子的質(zhì)量，在彈性碰撞中散射光子的能量（波 長(zhǎng)）幾乎不改變，故在散射線中還有與原波長(zhǎng)相同的射線。 5、 康普頓效應(yīng)的意義進(jìn)一步驗(yàn)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(shí)了普朗克

7、假設(shè)8二hv； ② 首次在實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了 “光子具有動(dòng)量”的假設(shè)； ③ 證實(shí)了在微觀領(lǐng)域的單個(gè)碰撞事件中，動(dòng)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(duì)量子物理的發(fā)展作出了重要貢獻(xiàn)，使人們對(duì)光的認(rèn)識(shí)大大 地向前推進(jìn)了一步。它是量子理論的一個(gè)重要實(shí)驗(yàn)證據(jù)。由于他的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)和理論工 作的巨大成功，康普頓于1927年與英國(guó)的物理學(xué)家威爾遜同獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。 我國(guó)物理學(xué)家吳有訓(xùn)全面地驗(yàn)證了康普頓效應(yīng)。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(yīng)的普遍性，吳有訓(xùn)在康普頓的指導(dǎo)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(xùn)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(jìn)行了乂射線散射實(shí)驗(yàn)。1 9 2 5年，他在《康普頓效應(yīng)與三次X輻射》一文 中，再次證明康普頓效應(yīng)的客觀存在。 接著，吳有訓(xùn)對(duì)康普頓效應(yīng)作了進(jìn)一步研究。他測(cè)定了乂射線散射中變線和不變 線之間的強(qiáng)度比隨散射物原子序數(shù)變化的關(guān)系，由此證實(shí)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(shí) 驗(yàn)》(X—rays in Theory and Experiment) 一書中，對(duì) 吳有訓(xùn)的工作給

9、予了很高評(píng)價(jià)，全書共有19處引用了吳有訓(xùn)的成果。特別是吳有訓(xùn) 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(dāng)時(shí)證明其理論的主要依據(jù)。吳有訓(xùn)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(dòng)性和粒子性的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ) 光具有波動(dòng)性：光的干涉、光的衍射 光具有粒子性：光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng) 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(duì)的 當(dāng)曝光量很少時(shí)，在膠片上是一個(gè)一個(gè)的點(diǎn)，這時(shí)光看起來是分立的；曝光量多 的時(shí)候就變成亮帶了，這時(shí)又是連續(xù)的。 當(dāng)曝光量很

10、大時(shí)出現(xiàn)的干涉亮條紋的地方和利用機(jī)械波的干涉公式計(jì)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(shí)振幅加強(qiáng)的區(qū)域。故說明光是一種 波，具有波動(dòng)性。 ① 我們所學(xué)的大量事實(shí)說明：光是一種波，同時(shí)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(duì)的，是不同條件下的表現(xiàn)，光子的行為服從統(tǒng)計(jì)規(guī)律。 ② 光子在空間各點(diǎn)出現(xiàn)的概率遵從波動(dòng)規(guī)律，物理學(xué)中把光波叫做概率波。 ③ 光的波動(dòng)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(dòng)性；少量光子的行為表現(xiàn)為粒子性；光的波長(zhǎng)越長(zhǎng)，波 動(dòng)性越強(qiáng)；光的波長(zhǎng)越短，粒子性越強(qiáng)。光的波動(dòng)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(xué)中研究分子熱運(yùn)動(dòng)的速率。溫度升高時(shí)，不一定每一個(gè)分子運(yùn)動(dòng)的速率都 增大，每個(gè)分子速率的變化沒規(guī)律，但多數(shù)分子的速率在某一個(gè)值附近。隨著溫度的 升高這一值會(huì)向速率大的方向移動(dòng)。也就是說，個(gè)別分子的運(yùn)動(dòng)是完全無規(guī)律的，但 對(duì)大量分子所做的統(tǒng)計(jì)分析卻表現(xiàn)出一種規(guī)律 概率規(guī)律。 概率波對(duì)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(jìn)行的.用很弱的光做雙縫干涉實(shí) 驗(yàn).從光子打在膠片上的位置，我們發(fā)現(xiàn)了規(guī)律性. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，如果曝光時(shí)間不太長(zhǎng)，底片上只出現(xiàn)一些無規(guī)則分布的點(diǎn)子，那 些點(diǎn)子是光子打在底片

12、上形成的，如果曝光時(shí)間足夠長(zhǎng)，我們無法把它們區(qū)分開，因 此看起來是連續(xù)的.單個(gè)光子通過雙縫后的落點(diǎn)無法預(yù)測(cè)，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(shí)振幅加強(qiáng)的區(qū)域.這個(gè)現(xiàn)象表明，光子在空間各點(diǎn)出現(xiàn) 的可能性的大小（概率），正是由于這個(gè)原因，1926年德國(guó)的物理學(xué)家波恩指出：雖然 不能肯定某個(gè)光子落在哪一點(diǎn)，但由屏上各處明暗不同可知，光子落在各點(diǎn)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(dòng)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(xué)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(zhǎng)期的探索，人們對(duì)光的認(rèn)識(shí)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(dòng)性又表現(xiàn)出粒子性.而在我們的經(jīng)驗(yàn)中找不到既是波，又是粒子的東西.這是 因?yàn)槲覀兊慕?jīng)驗(yàn)局限于宏觀物體的運(yùn)動(dòng)，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(rèn)識(shí)范圍不斷擴(kuò)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(yàn)來衡量，這個(gè)模型的行 為十分古怪，但是只要能與實(shí)驗(yàn)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(duì)象. 波動(dòng)性不是光子之間的相互作用的結(jié)果；波動(dòng)性是光子的一種固有屬性。 光具有波動(dòng)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(shí)驗(yàn)： 道爾頓板實(shí)驗(yàn)中，單個(gè)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.