大学物理波粒二象性1黑体辐射和光电效应及康普顿散射.pptx

第第2626章章 波粒二象性波粒二象性 26.1 量子概念的诞生量子概念的诞生 26.2 光的粒子性的提出光的粒子性的提出 26.3 康普顿散射康普顿散射 26.5 概率波与概率幅概率波与概率幅 26.4 粒子的波动性粒子的波动性 26.6 不确定关系不确定关系 1、X射线的发现射线的发现(1895年年).引言引言 临近世纪末，上帝突然变得躁动不安，他扔下临近世纪末，上帝突然变得躁动不安，他扔下一大把谜语，然后默默不言。陶醉在经典物理学无一大把谜语，然后默默不言。陶醉在经典物理学无往不胜的压倒性战绩里的人们隐隐觉得什么地方出往不胜的压倒性战绩里的人们隐隐觉得什么地方出了问题，自然界还是有很多神秘现象没能解释。了问题，自然界还是有很多神秘现象没能解释。一、三大发现一、三大发现揭开揭开研究微观世界的序幕研究微观世界的序幕(Wilhelm Konrad Rntgen，18451923)伦琴伦琴,1845年年3月月27日生于德国莱茵省的雷内普日生于德国莱茵省的雷内普(Lennep)，是纺织商人的独生子，童年时代大部分，是纺织商人的独生子，童年时代大部分是在母亲的故乡荷兰渡过。是在母亲的故乡荷兰渡过。1868年伦琴毕业于瑞士年伦琴毕业于瑞士苏黎世联邦工程学院，成为一名机械工程师。苏黎世联邦工程学院，成为一名机械工程师。1869年，获哲学博士学位。受老师昆特教授的影响，转年，获哲学博士学位。受老师昆特教授的影响，转而从事物理学的研究，并随昆特到维尔茨堡大学做而从事物理学的研究，并随昆特到维尔茨堡大学做昆特的助手。昆特的助手。1872年伦琴到斯特拉斯堡大学任副教年伦琴到斯特拉斯堡大学任副教授。授。1875年成为霍恩海堡农业专科学校的教授。年成为霍恩海堡农业专科学校的教授。1879年年1888年主持吉森大学物理学讲座。年主持吉森大学物理学讲座。1889年年1893年任耶拿大学和乌德勒兹两大学的教授。年任耶拿大学和乌德勒兹两大学的教授。1894年年1900年年任维尔茨堡大学校长和慕尼黑物年年任维尔茨堡大学校长和慕尼黑物理研究所所长。他是柏林和慕尼黑科学院的通讯院理研究所所长。他是柏林和慕尼黑科学院的通讯院士。士。24.6 X 射线衍射射线衍射 布喇格公式布喇格公式1.X 射线射线AK高压高压1895年德国的伦琴发现年德国的伦琴发现X射线。射线。原子内壳层电子跃迁产生的一种辐射和高速电子原子内壳层电子跃迁产生的一种辐射和高速电子在靶上骤然减速时伴随的辐射，称为在靶上骤然减速时伴随的辐射，称为X 射线。射线。其特点是：其特点是：#在电磁场中不发生偏转；在电磁场中不发生偏转；#穿透力强；穿透力强；#波长较短的电磁波；波长较短的电磁波；范围在范围在0.01nm10nm之间；之间；#具有化学、生物反应作用。具有化学、生物反应作用。2.X 射线晶体衍射射线晶体衍射 天然晶体可以看作是光栅常数天然晶体可以看作是光栅常数很小的空间三维衍射光栅很小的空间三维衍射光栅。1912年劳厄的实验装置，如图：年劳厄的实验装置，如图：BCP铅版铅版天然天然晶体晶体乳胶板乳胶板在乳胶板上形成对称分布的在乳胶板上形成对称分布的若干衍射斑点，称为劳厄斑。若干衍射斑点，称为劳厄斑。1913年英国物理学家布喇格年英国物理学家布喇格父子提出一种简化了的研究父子提出一种简化了的研究X射线衍射的方法，与劳厄射线衍射的方法，与劳厄理论结果一致。理论结果一致。3.布喇格公式布喇格公式同一晶面上相邻原子同一晶面上相邻原子散射的光波的光程差散射的光波的光程差为为 AD-BC=0，它们它们相干加强。若要在该相干加强。若要在该方向上不同晶面上原方向上不同晶面上原子散射光相干加强，子散射光相干加强，则必须满足：则必须满足：CDMNPAB123d即当即当 时各层面上的反射光相干加强，形时各层面上的反射光相干加强，形成亮点，称为成亮点，称为 k 级干涉主极大。该式称为布喇格公式。级干涉主极大。该式称为布喇格公式。因为晶体有很多组平行晶面，晶面间的距离因为晶体有很多组平行晶面，晶面间的距离 d 各各不相同，所以劳厄斑是由空间分布的亮斑组成。不相同，所以劳厄斑是由空间分布的亮斑组成。X 射线的应用不仅开创了研究晶体结构的新射线的应用不仅开创了研究晶体结构的新领域，而且用它可以作光谱分析，在科学研究和领域，而且用它可以作光谱分析，在科学研究和工程技术上有着广泛的应用。工程技术上有着广泛的应用。在医学和分子生物学领域也不断有新的突破。在医学和分子生物学领域也不断有新的突破。19531953年英国的威尔金斯、沃森和克里克利用年英国的威尔金斯、沃森和克里克利用X射线的结构分析得到了遗传基因脱氧核糖射线的结构分析得到了遗传基因脱氧核糖核酸（核酸（DNA)的双螺旋结构，荣获了的双螺旋结构，荣获了1962 1962 年年度诺贝尔生物和医学奖。度诺贝尔生物和医学奖。4.应用应用2002度诺贝尔物度诺贝尔物理理学奖学奖-X射线天文学。射线天文学。2009年年10月月7日，瑞典皇家科学院诺贝尔奖委员日，瑞典皇家科学院诺贝尔奖委员会宣布，将会宣布，将2009年度诺贝尔化学奖授予美国科学家文年度诺贝尔化学奖授予美国科学家文卡特拉曼卡特拉曼拉马克里希南、托马斯拉马克里希南、托马斯施泰茨和以色列女施泰茨和以色列女科学家阿达科学家阿达约纳特，他们分别采用约纳特，他们分别采用X射线晶体学射线晶体学方法，方法，绘制出核糖体的三维模型，不仅让我们知晓了核糖体绘制出核糖体的三维模型，不仅让我们知晓了核糖体的的“外貌外貌”，而且在原子层面揭示了核糖体功能的机，而且在原子层面揭示了核糖体功能的机理。理。诺贝尔奖评审委员会认为，这项研究可以很快诺贝尔奖评审委员会认为，这项研究可以很快在实际中得到应用。今天的抗生素药品治疗很多疾在实际中得到应用。今天的抗生素药品治疗很多疾病，主要是通过阻止核糖体细菌发挥作用，没有发病，主要是通过阻止核糖体细菌发挥作用，没有发挥作用的核糖体，细菌就不能生存。挥作用的核糖体，细菌就不能生存。科学家使用了科学家使用了13种波长种波长（从紫外线到红外线之间（从紫外线到红外线之间的）的光照射的）的光照射蒙娜蒙娜丽丽莎莎，并用摄像机扫描画，并用摄像机扫描画面。拨开几世纪前的颜料面。拨开几世纪前的颜料和其他改变，得出了结果：和其他改变，得出了结果：达达芬奇实际上给蒙娜芬奇实际上给蒙娜丽丽莎画了眉毛。莎画了眉毛。美国用新的美国用新的X光技术揭开光技术揭开诸多名画隐藏的秘密诸多名画隐藏的秘密2、放射性的发现、放射性的发现(1896年年)安东尼安东尼亨利亨利贝克勒尔（贝克勒尔（Antoine Henri Becquerel，18521908）于）于1852年生于法国。年生于法国。1872年就读巴黎理年就读巴黎理工大学，后在公路桥梁学校毕业，获工大学，后在公路桥梁学校毕业，获工程师职位。工程师职位。1878年在巴黎自然博物年在巴黎自然博物馆任物理学教授，馆任物理学教授，1895年任理工大学年任理工大学教授。教授。1903年诺贝尔物理学奖一半授予法国物年诺贝尔物理学奖一半授予法国物理学家亨利理学家亨利贝克勒尔，以表彰他发现了贝克勒尔，以表彰他发现了自发放射性；另一半授予法国物理学家自发放射性；另一半授予法国物理学家皮埃尔皮埃尔居里（居里（Pierre Curie，18591906）和玛丽）和玛丽斯可罗夫斯卡斯可罗夫斯卡居里居里（Marie Sklodowska，18671934）.3、电子的发现（、电子的发现（1897年）年）JJ汤姆孙汤姆孙(Jospeh John Thomson,18561940)1856年出生于英格兰的曼彻斯特附年出生于英格兰的曼彻斯特附近的苏格兰人家庭近的苏格兰人家庭.1870年进入曼彻斯特年进入曼彻斯特的一所专科学校，本打算学工科，但却的一所专科学校，本打算学工科，但却对物理学逐渐发生了兴趣。对物理学逐渐发生了兴趣。1876年，他年，他靠奖学金入剑桥大学读书，此后便在那靠奖学金入剑桥大学读书，此后便在那里度过了他的一生里度过了他的一生.领导卡文迪许实验室领导卡文迪许实验室达三十余年之久达三十余年之久.“布丁蛋糕布丁蛋糕”原原子模型子模型.1900 1900年年4 4月月2727日，开尔文日，开尔文(William Thomson）在英国皇）在英国皇家学会以家学会以1919世纪热和光的动世纪热和光的动力理论上空的乌云力理论上空的乌云为题作长为题作长篇演讲。篇演讲。“以太之迷以太之迷”“紫外灾难紫外灾难”物理学晴空中的两朵乌云物理学晴空中的两朵乌云.二二.十九世纪物理学的成就与困惑十九世纪物理学的成就与困惑26.1 量子概念的诞生量子概念的诞生 普朗克量子假设普朗克量子假设1.热辐射热辐射:由温度决定的物体的电磁辐射。由温度决定的物体的电磁辐射。一一.热辐射热辐射的基本概念的基本概念入射入射反射反射透射透射吸收吸收辐射辐射v 物体辐射电磁波的同时也吸收电磁波。物体辐射电磁波的同时也吸收电磁波。v辐射和吸收达到平衡时，物体的温度不再变化，此时物辐射和吸收达到平衡时，物体的温度不再变化，此时物体的热辐射称为平衡热辐射。体的热辐射称为平衡热辐射。2.单色辐出度单色辐出度-在一定温度在一定温度T 下，物体单位表面在单位时间下，物体单位表面在单位时间内发射的波长在内发射的波长在 +d 范围内的辐射能与波长范围内的辐射能与波长间隔的比值，间隔的比值，即即 3.热辐射的特点热辐射的特点:(1)(1)连续连续谱谱(2)(2)频谱分布随温度变化频谱分布随温度变化,温度越高温度越高,辐射越强辐射越强(3)(3)物体的辐射本领与温度、材料有关；物体的辐射本领与温度、材料有关；辐射本领越大，吸收本领也越大。辐射本领越大，吸收本领也越大。二二.黑体辐射黑体辐射1.绝对黑体绝对黑体(黑体黑体)：能够全部吸收各种波长的辐射且不能够全部吸收各种波长的辐射且不反射和透射的物体。反射和透射的物体。黑体辐射的特点黑体辐射的特点 ：与同温度其它物体的热辐射相比，黑体热辐射与同温度其它物体的热辐射相比，黑体热辐射本领本领最强最强.煤烟煤烟 约90%黑体模型黑体模型黑体热辐射黑体热辐射温度温度材料性质材料性质(1)斯忒藩斯忒藩(Stefan)-玻耳兹曼玻耳兹曼(Boltzmann)定律定律(2)维恩维恩(Wien)位移定律位移定律实验发现：当绝对黑体的实验发现：当绝对黑体的温度升高时，单色辐出度温度升高时，单色辐出度最大值最大值 m 向短波方向移动。向短波方向移动。1700k1500k1300k2.2.黑体辐射的实验规律黑体辐射的实验规律绝对黑体的辐出度按波长分布曲线绝对黑体的辐出度按波长分布曲线 热辐射的规律在现代科学技术上的应用非常广泛热辐射的规律在现代科学技术上的应用非常广泛.它是测高温、遥感、红外追踪等技术的物理基础它是测高温、遥感、红外追踪等技术的物理基础.例如：太阳光谱测出例如：太阳光谱测出 ，可推算得太阳表，可推算得太阳表面温度约为面温度约为6000K；地面温度约为地面温度约为300K，可算得，可算得 ，这说，这说明地面的热辐射主要在明地面的热辐射主要在10m附近的波段，而大气对这附近的波段，而大气对这一波段的电磁波吸收极少，几乎透明，故长称这一波一波段的电磁波吸收极少，几乎透明，故长称这一波段为电磁波的窗口（大气窗口）段为电磁波的窗口（大气窗口）.地球卫星可以利用红地球卫星可以利用红外遥感技术测定地面的热辐射，从而进行资源、地质外遥感技术测定地面的热辐射，从而进行资源、地质等各类探查。等各类探查。宇宙背景辐射：宇宙背景辐射：瑞利瑞利(Rayleigh)和金斯和金斯(Jeans)用能量均分定理、电磁理论得出：用能量均分定理、电磁理论得出：只适于长波，有所谓的只适于长波，有所谓的“紫外灾难紫外灾难”。实验实验瑞利瑞利-金斯金斯维恩理论值维恩理论值T=1646k 维恩根据经典热力学得出：维恩根据经典热力学得出：3.黑体辐射的黑体辐射的经典物理的经典物理的理论公式理论公式三三.普朗克普朗克(Planck)公式公式(1900年年)MB 瑞利瑞利 金斯公式金斯公式(1900年年)维恩公式维恩公式(1896(1896年年)1.普朗克公式普朗克公式实验曲线实验曲线普朗克常数普朗克常数 h=6.62610-34 Js （为得到这一公式，普朗克提出（为得到这一公式，普朗克提出了能量量子化假设）了能量量子化假设）能量子假说能量子假说:辐射黑体中的分子、原子振动可看作辐射黑体中的分子、原子振动可看作线性谐振子，它和周围电磁场交换能量。这些谐振线性谐振子，它和周围电磁场交换能量。这些谐振子只能处于某种特殊的状态，它的能量取值只能为子只能处于某种特殊的状态，它的能量取值只能为某一最小能量某一最小能量 （称为能量子）的整数倍，即：（称为能量子）的整数倍，即：普朗克常数普朗克常数2.2.普朗克能量子假设普朗克能量子假设 首次提出微观粒子首次提出微观粒子的的能量是量子化的，打破了经典物理能量是量子化的，打破了经典物理学中学中能量能量连续的观念。连续的观念。3.3.意义意义 打开了人们认识微观世界的大门打开了人们认识微观世界的大门,在物理学发展史上起在物理学发展史上起了划时代的作用了划时代的作用.光电效应光电效应 当波长较短的当波长较短的可可见见光光或或紫紫外外光光照照射射到到某某些些金金属属表表面面上上时时,金金属属中中的的电电子子就就会会从从光光中中吸吸取取能能量量而而从从金金属属表表面面逸逸出的现象。出的现象。一一一一.光电效应的实验规律光电效应的实验规律光电效应的实验规律光电效应的实验规律 金金属属板板释释放放的的电电子子称称为为光光电电子子,光光电电子子在在电电场场作作用用下下在在回回路路中中形形成成光电流光电流。26.2 26.2 26.2 26.2 光的粒子性的提出光的粒子性的提出光的粒子性的提出光的粒子性的提出入射光线入射光线OOOOOOVGAKBOO光电效应实验装置光电效应实验装置光电效应伏安特性曲线光电效应伏安特性曲线1)饱和电流饱和电流Is 当加速电势差增加到一定值时，当加速电势差增加到一定值时，电流达到饱和，说明所有电子都到电流达到饱和，说明所有电子都到达阳极。达阳极。在同样加速电压下，光强越强，在同样加速电压下，光强越强，光电流越大。光电流越大。结论结论1 1：单位时间内，光电子单位时间内，光电子数和入射光的光强有关数和入射光的光强有关.IOU光光 强强 较较 强强光光 强强 较较 弱弱Is饱饱和和电电流流Ua遏遏止止电电势势差差2)遏止电势差遏止电势差Ua当反向电势差达到当反向电势差达到 Ua 时，光电流为零时，光电流为零 称称Ua的绝对值为遏止电势差。的绝对值为遏止电势差。12mUa=ev2m 结论结论2 2：光电子从金属表面逸出时具有一定的动能，光电子从金属表面逸出时具有一定的动能，最大初动能与入射光的强度无关。最大初动能与入射光的强度无关。（3）遏止频率）遏止频率（又称红限）（又称红限）实验表明：遏止电实验表明：遏止电 势差势差 和入射光的频率之间具有线性关系。和入射光的频率之间具有线性关系。K为不随金属性质为不随金属性质不同而改变的普不同而改变的普适恒量适恒量即最大初动能随入射光的频率线性地增加，要使光所照射的即最大初动能随入射光的频率线性地增加，要使光所照射的金属释放电子，入射光的频率必须满足：金属释放电子，入射光的频率必须满足：称为光电效应的红限称为光电效应的红限（遏止频率）（遏止频率）（4）弛豫时间）弛豫时间 实验表明，从入射光开始照射直到实验表明，从入射光开始照射直到金属释放出电子，无论光的强度如何，这段时间很短，金属释放出电子，无论光的强度如何，这段时间很短，不超过不超过 。结论结论3：光电子从金属表面逸出时的最大初动光电子从金属表面逸出时的最大初动能与入射光的频率成线性关系。当入射光的频能与入射光的频率成线性关系。当入射光的频率小于率小于 时，不管照射光的强度多大，不会产时，不管照射光的强度多大，不会产生光电效应。生光电效应。结论结论4：光电效应的产生几乎无需时间的累积光电效应的产生几乎无需时间的累积二二.经典物理与实验规律的矛盾经典物理与实验规律的矛盾 电子在电磁波作用下作受迫振动，直到获得足够电子在电磁波作用下作受迫振动，直到获得足够能量能量(与光强与光强 I 有关有关)逸出，不应存在红限逸出，不应存在红限 0 。当光强很小时，电子要逸出，必须经较长时间的当光强很小时，电子要逸出，必须经较长时间的能量积累。能量积累。只有光的频率只有光的频率 0 时，电子才会逸出。时，电子才会逸出。光电子即时发射，滞后时间不超过光电子即时发射，滞后时间不超过 109 秒秒。r 经典物理无法解释的实验规律经典物理无法解释的实验规律 光电子最大初动能和光频率光电子最大初动能和光频率 成线性关系。成线性关系。光电子最大初动能取决于光强，和光的频率光电子最大初动能取决于光强，和光的频率 无关。无关。三三.爱因斯坦光子假说和光电效应方程爱因斯坦光子假说和光电效应方程 光是光子流光是光子流，每一光子能量为，每一光子能量为 h，电子吸收一个光子，电子吸收一个光子（A 为为逸逸出功）出功）单位时间到达单位面积的光子数为单位时间到达单位面积的光子数为N，则光强，则光强 I=Nh.I 越强越强,到阴极的光子越多到阴极的光子越多,则则逸逸出的光电子越多。出的光电子越多。电子吸收一个光子即可逸出，不需要长时间的能量积累。电子吸收一个光子即可逸出，不需要长时间的能量积累。光频率光频率 A/h 时，时，电子吸收一个光子即可克服逸出功电子吸收一个光子即可克服逸出功 A 逸出逸出(o=A/h)。r 结论结论 光电子最大初动能和光频率光电子最大初动能和光频率 成线性关系。成线性关系。光不仅具有波动性，还具有粒子性。这种双重性称光不仅具有波动性，还具有粒子性。这种双重性称为波为波-粒二象性。粒二象性。波动性和粒子性之间的联系如下：波动性和粒子性之间的联系如下：光子动量光子动量光子能量光子能量光子质量光子质量粒子性：粒子性：光的性质光的性质不同侧面不同侧面波动性：波动性：突出表现在传播过程中突出表现在传播过程中（干涉、衍射）（干涉、衍射）突出表现在与物质相互作用中突出表现在与物质相互作用中（光电效应、康普顿效应等）（光电效应、康普顿效应等）四四.光（电磁辐射）的波粒二象性光（电磁辐射）的波粒二象性测量波长在测量波长在 2001200 nm 极微弱光的功率极微弱光的功率r 光电效应的应用光电效应的应用 光电管光电管:光电开关光电开关,红外成像仪红外成像仪,光电传感器等光电传感器等光电倍增管光电倍增管:(:(微光微光)夜视仪夜视仪例例1:钾的光电效应红限波长为钾的光电效应红限波长为 求求:(1)钾的逸出功钾的逸出功;(2)在波长在波长 的紫外光照的紫外光照射下射下,钾的遏止电势差钾的遏止电势差.分析分析:求解有关光电效应的习题求解有关光电效应的习题,关键在于深刻理解爱因关键在于深刻理解爱因斯坦光电效应方程以及方程中每一项物理量的含义斯坦光电效应方程以及方程中每一项物理量的含义.解解:(1)逸出功逸出功(2)由光电效应方程由光电效应方程 ,及及 ,可得可得例例2:铝的逸出功为铝的逸出功为4.2eV.今用波长为今用波长为200nm的紫外的紫外光照射到铝表面上光照射到铝表面上,发射的光电子的最大初动能为多少发射的光电子的最大初动能为多少?遏止电势差为多大遏止电势差为多大?铝的红限波长是多大铝的红限波长是多大?解解:(1)由光电效应方程由光电效应方程 ,得得(2)由由 得得(3)由由 得得 例例3 3：有一金属钾薄片，距弱光源：有一金属钾薄片，距弱光源3米。此光源的功米。此光源的功率为率为1W，计算在单位时间内打在金属单位面积上的，计算在单位时间内打在金属单位面积上的光子数。设光子数。设=589nm。解：解：例例4:如果一个光子的能量等于一个电子的静止能如果一个光子的能量等于一个电子的静止能量量,问该光子的频率、波长和动量各是多少问该光子的频率、波长和动量各是多少?在电磁波在电磁波谱中属于何种射线谱中属于何种射线?分析分析:可根据相对论的质能关系求得光子的能量可根据相对论的质能关系求得光子的能量,再根据再根据光子的基本性质求解光子的基本性质求解.解解:由由,得光子频率得光子频率 光子波长光子波长 光子动量光子动量 属于属于 射线射线.0 0 探测器探测器 026.3 康普顿散射及光子理论的解释康普顿散射及光子理论的解释一一.康普顿散射康普顿散射X 光管光管光阑光阑散射物体散射物体(实验装置示意图）实验装置示意图）康普顿效应：康普顿效应：在散射的在散射的x射线中，不但存在与入射线波射线中，不但存在与入射线波长相同的反射线，同时还存在波长大于入射线波长的长相同的反射线，同时还存在波长大于入射线波长的反射线现象。反射线现象。2 2、康普顿散射强度随散射角、康普顿散射强度随散射角 的增加而增加。的增加而增加。随物随物质原子量的质原子量的增大增大而而减弱减弱。1 1、波长的改变量、波长的改变量-o o随散射角随散射角 的增加而增加，与散的增加而增加，与散射物质无关。射物质无关。康普顿波长：康普顿波长：v 强度变化强度变化 波长波长 0 轻物质（多数电子处于弱束缚状态轻物质（多数电子处于弱束缚状态 ）弱弱强强重物质（多数电子处于强束缚状态重物质（多数电子处于强束缚状态 ）强强弱弱吴吴有有训训实实验验结结果果二二.经典物理的解释经典物理的解释v 经典理论只能说明波长不变的散射，而不能说明康普顿散射经典理论只能说明波长不变的散射，而不能说明康普顿散射.电子受电子受迫振动迫振动同频率同频率散射线散射线发射发射 单色单色电磁波电磁波照射照射受迫振动受迫振动v0散射物体散射物体子能量几乎不变，波长不变。子能量几乎不变，波长不变。小于原子质量，根据碰撞理论，小于原子质量，根据碰撞理论，碰撞前后光碰撞前后光光子将与整个原子交换能量光子将与整个原子交换能量,由于光子质量远由于光子质量远2.2.若光子和束缚很紧的内层电子相碰撞，若光子和束缚很紧的内层电子相碰撞，是散射光的波长大于入射光的波长。是散射光的波长大于入射光的波长。部分能量传给电子部分能量传给电子,散射光子的能量减少，于散射光子的能量减少，于1.1.若光子和外层电子相碰撞，光子有一若光子和外层电子相碰撞，光子有一 康普顿效应是光子和电子作弹性碰撞的结果：康普顿效应是光子和电子作弹性碰撞的结果：3.3.因为碰撞中交换的能量和碰撞的角度因为碰撞中交换的能量和碰撞的角度有关，所以波长改变和散射角有关。有关，所以波长改变和散射角有关。三三.光子理论的解释光子理论的解释能量、动量守恒能量、动量守恒(1)(1)入射入射X 射线光子与射线光子与外层外层电子弹性碰撞电子弹性碰撞 外层外层电子电子受原子核束缚较弱受原子核束缚较弱动能动能光子能量光子能量 近似自由近似自由近似静止近似静止静止静止 自自由由 电子电子（电子的康普顿波长）（电子的康普顿波长）其中其中(2)X 射线光子和原子射线光子和原子内层内层电子相互作用电子相互作用光子质量远小于原子，碰撞时光子不损失能量，波长不变。光子质量远小于原子，碰撞时光子不损失能量，波长不变。自由电子000内层电子被紧束缚，光子相当于和整个原子发生碰撞。内层电子被紧束缚，光子相当于和整个原子发生碰撞。光子光子内层电子内层电子外层电子外层电子波长变大的散射线波长变大的散射线波长不变的散射线波长不变的散射线v 弹性碰撞弹性碰撞r 结论结论原子1 1、波长改变量、波长改变量与随散射角与随散射角 的增加而增加，与散的增加而增加，与散射物质无关。射物质无关。2 2、波长的改变量、波长的改变量与入射光的波长无关。与入射光的波长无关。可见光：可见光：x光光 ：讨论讨论：证明了爱因斯坦光子理论的正确性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、微观均存在证明相对论效应在宏观、微观均存在.意义意义：例例1.(同同教材教材P140 例例26.3)0 =0.02nm 的的X射线与静止的自由电射线与静止的自由电子碰撞子碰撞,若从与入射线成若从与入射线成90900 0的方向观察散射线。的方向观察散射线。求求:(1):(1)散射线的波长散射线的波长;(2);(2)反冲电子的动能反冲电子的动能;(3);(3)反冲电子的动反冲电子的动量。量。解解 (1)(1)散射线的波长散射线的波长:(2)反冲电子的动能反冲电子的动能:(3)反冲电子的动量：反冲电子的动量：q散射光子散射光子静止电子静止电子反冲电子反冲电子入入射射光光子子例例2 2：在康普顿效应中，入射光子的波长为在康普顿效应中，入射光子的波长为310-3nm，反冲电子的速度为光速的，反冲电子的速度为光速的60%，求散射光子的波长，求散射光子的波长和散射角。和散射角。解：解：例例3.一光子与自由电子碰撞一光子与自由电子碰撞,电子可能获得的最大电子可能获得的最大能量为能量为60keV,求入射光子的波长和能量求入射光子的波长和能量.分析分析:根据能量守恒定律根据能量守恒定律,反冲电子的能量最大反冲电子的能量最大,则散射则散射光子的能量最小光子的能量最小,康普顿散射的波长偏移量为最大康普顿散射的波长偏移量为最大,发生发生在散射角在散射角 的方向上的方向上.由由 可求得入射光子的能量和波长可求得入射光子的能量和波长.解解:根据分析根据分析,知知 由由 可解得可解得 相应的光子能量相应的光子能量 作业作业:P153 2;11;13;15;16;19；20.