大学物理量子物理二

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,同学们好！,吸收系数,(cm,-1,),10,-3,10,-2,10,-1,10,0,10,1,10,-2,10,-1,10,0,光子能量,(MeV),光,电,效,应,康普顿效应,电子偶效应,普朗克能量子理论,爱因斯坦光量子理论,上讲内容：,光与物质相互作用的基本形式,:,光电效应,光子论的提出,康普顿效应,电子偶效应,光子论的应用和检验,*,爱因斯坦光子理论,光是以光速运动的光子流,每个光子能量和动量,光强即光的能流密度,N,:,单位时间通过垂直于,单位面积的光子个数,二,.,康普顿效应,1,.,实验规律,实验装置示意图,:,X,光被石墨散射,X,射线管,石墨体,X,射,线,谱,仪,晶体,实验规律：,散射光,波长改变量,原子量越小的物质，康普顿效应越显著,康普顿散射与散射角的关系,相对强度,0.700,0.750,(),同一散射角下 随散射物质的变化,经典物理,无法解释,康普顿效应。,2.,经典物理遇到的困难,电磁波为横波，,根据经典电磁波理论，当电磁波通过物质时，物质中带电粒子将作受迫振动，其频率等于入射光频率，所以它所发射的散射光频率应等于入射光频率,:,3,.,用光子论解释康普顿效应,基本思想,X,射线（光子流）与散射物质相互作用情况与散射物质种类无关,光子,电子,相互作用,完全非弹性碰撞：,光子被电子吸收，电子能量增加,当电子能量足够大时，成为光电子逸出。,即光电效应,*,光子、电子均视为“点粒子”，所以不考虑一般,非弹性碰撞,典型情况,完全非弹性碰撞,弹性碰撞,非弹性碰撞,弹性碰撞,光子,内层电子,束缚强,光子,原子,m,自由电子热运动能量,光子,静止自由电子,弹性碰撞,能量守恒,动量守恒,光子,电子,撞 前,撞 后,动量守恒：,由能量守恒：,质速关系：,余弦定理：,建立方程,求解得：,令,电子的康普顿波长,证明了爱因斯坦光子理论的正确性,证明了能量守恒、动量守恒定律的普适性,证明相对论效应在宏观、微观均存在,理论结果与实验相符,练习：,解：,波长改变量相同,对紫光,入射光能量较低,时，康普顿效应不显著，将主要,观察到光电效应,发生康普顿效应与光电效应的概率,吸收系数,(cm,-1,),10,-3,10,-2,10,-1,10,0,10,1,10,-2,10,-1,10,0,光子能量,(MeV),光,电,效,应,康普顿效应,解：,1),2),反冲电子动能即光子损失的能量,练习,观测到的散射光波长多少？,反冲电子的动能、动量为多少？,由动量守恒定律：,3),反冲电子动量,解得,x,y,o,三,、电子偶效应,光与物质相互作用的基本形式,光电效应,康普顿效应,电子偶效应,1,.,高能光子与重元素原子核相撞，转变为电子偶,实验,能量守恒,（忽略重原子核反冲动能）,条件：,2.,正负电子相遇时湮灭、产生两个光子,实验：,能量守恒：,若,则,P.151,：美国 柯温、赖因斯,用电子偶湮灭过程成功证实中微子的存在,1995,年诺贝尔物理奖：,介绍,*,光与物质三种相互作用比较,光电效应,康普顿效应,电子偶效应,光子,产生,湮灭,可见光、,紫外线,软,X,射线,硬,X,射线、射线,物质粒子,束缚电子,自由电子、弱束缚电子,重原子核,自由正负电子,物理过程,完全非弹性碰撞；,光子被吸收，电子逸出。,弹性碰撞；,光子被散射，电子反冲,光子转化为电子偶,电子偶转化为光子对,吸收系数,(cm,-1,),10,-3,10,-2,10,-1,10,0,10,1,10,-2,10,-1,10,0,光子能量,(MeV),光,电,效,应,康普顿效应,电子偶效应,四、光的波粒二象性,爱因斯坦,论我们关于辐射本质和组成观点的发展,“,象人们已经知道的那样，光的干涉、衍射现象表明对于把光看成是一种波动，看来是难以怀疑的，而不容否认的是有这样一类关于辐射的事实表明，光具有某些基本属性，这些属性用光的发射论点比光的波动观点好得多。”,“,两种特性结构，波动结构和量子结构都应当适合于辐射，而不应当认为彼此不相容。理论物理发展的随后一个阶段将给我们带来这样一种光学理论，它可以是光的波动论和发射论的某种综合，需要建立一个既能描述辐射的波动结构，又能描述辐射的量子结构的数学理论。”,光的性质,不同侧面,波动性：,突出表现在传播过程中,（干涉、衍射）,粒子性：,突出表现在与物质相互作用中,（光电效应、康普顿效应、电子偶效应）,单纯用,波动,粒子,均不能完整地描述光的性质,无法用经典语言准确建立光的模型,光：既不是经典波，又不是经典粒子,光子：,用量子力学描述,光子的量子力学模型,振幅越大，表示光子数越多，光子到达该处概率越大,概率波。,“,波粒二象性”,借用经典“波”和“粒子”术语，但既不是经典波，又不是经典粒子。,第三节 氢原子光谱 玻尔理论,经典物理在解释,热辐射,上的困难,普朗克能量子论,1900,年,经典物理在解释,光电效应,上的困难,爱因斯坦光量子论,1905,年,经典物理在解释,氢光谱,上的困难,玻尔氢原子理论,1913,年,旧量子论,半经典、半量子过渡性理论，已被量子力学所取代。,玻尔氢原子理论,在物理学史上曾起重要作用。,自学要点：,氢光谱的实验规律,经典物理遇到的困难,玻尔氢原子理论及其对氢光谱实验规律的解释,对应原理,夫兰克,赫兹实验如何证实了原子能级的存在,主要概念：,能级：,原子体系只能处于一系列具有不连续能量的稳定状态（定态）,跃迁：,原子体系在两个定态之间发生跃迁时，要,发射或吸收光子，其频率由两定态的能量差决定：,里德伯常数,R,H,=1.0967758,10,7,m,-1,里德伯公式,氢原子光谱的普遍公式,赖曼系,(,紫外,),巴尔末系（可见光）,帕邢系,(,红外,),布喇开系,(,远红外,),n,该谱线系的线系限（波长最短的谱线）,普方德系,(,远红外,),