大学物理量子物理二.pptx

同学们好同学们好！吸收系数吸收系数(cm-1)10-310-210-110010110-210-1100光子能量光子能量(MeV)光光电电效效应应康普顿效应康普顿效应电子偶效应电子偶效应 普朗克能量子理论普朗克能量子理论 爱因斯坦光量子理论爱因斯坦光量子理论上讲内容：上讲内容：光与物质相互作用的基本形式光与物质相互作用的基本形式:光电效应光电效应光子论的提出光子论的提出康普顿效应康普顿效应电子偶效应电子偶效应光子论的应用和检验光子论的应用和检验*爱因斯坦光子理论爱因斯坦光子理论 光是以光速运动的光子流光是以光速运动的光子流 每个光子能量和动量每个光子能量和动量 光强即光的能流密度光强即光的能流密度N:单位时间通过垂直于单位时间通过垂直于单位面积的光子个数单位面积的光子个数二二.康普顿效应康普顿效应1.实验规律实验规律实验装置示意图实验装置示意图:X光被石墨散射光被石墨散射X 射线管射线管石墨体石墨体 X射射线线谱谱仪仪晶体晶体 实验规律：实验规律：散射光散射光波长改变量波长改变量原子量越小的物质，康普顿效应越显著原子量越小的物质，康普顿效应越显著康普顿散射与散射角的关系康普顿散射与散射角的关系相相对对强强度度0.700 0.750()同一散射角下同一散射角下 随散射物质的变化随散射物质的变化经典物理经典物理无法解释无法解释康普顿效应。康普顿效应。2.经典物理遇到的困难经典物理遇到的困难 电磁波为横波，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用光子论解释康普顿效应 基本思想基本思想X射线（光子流）与散射物质相互作用情况与射线（光子流）与散射物质相互作用情况与散射物质种类无关散射物质种类无关光子光子电子电子相互作用相互作用 完全非弹性碰撞：完全非弹性碰撞：光子被电子吸收，电子能量增加光子被电子吸收，电子能量增加,当电子能当电子能量足够大时，成为光电子逸出。量足够大时，成为光电子逸出。即光电效应即光电效应*光子、电子均视为光子、电子均视为“点粒子点粒子”，所以不考虑一般，所以不考虑一般 非弹性碰撞非弹性碰撞典型情况典型情况完全非弹性碰撞完全非弹性碰撞弹性碰撞弹性碰撞非弹性碰撞非弹性碰撞 弹性碰撞弹性碰撞光子光子内层电子内层电子束缚强束缚强光子光子原子原子m自由电子热运动能量自由电子热运动能量光子光子静止自由电子静止自由电子弹性碰撞弹性碰撞能量守恒能量守恒动量守恒动量守恒光子光子电子电子撞撞 前前撞撞 后后动量守恒：动量守恒：由能量守恒：由能量守恒：质速关系：质速关系：余弦定理：余弦定理：建立方程建立方程求解得：求解得：令令电子的康普顿波长电子的康普顿波长 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、微观均存在理论结果与实验相符理论结果与实验相符练习：练习：解：解：波长改变量相同波长改变量相同对紫光对紫光入射光能量较低入射光能量较低时，康普顿效应不显著，将主要时，康普顿效应不显著，将主要观察到光电效应观察到光电效应发生康普顿效应与光电效应的概率发生康普顿效应与光电效应的概率吸收系数吸收系数(cm(cm-1-1)10-310-210-110010110-210-1100光子能量光子能量(MeV)光光电电效效应应康普顿效应康普顿效应解：解：1)2)反冲电子动能即光子损失的能量反冲电子动能即光子损失的能量练习练习观测到的散射光波长多少观测到的散射光波长多少？反冲电子的动能、动量为多少？反冲电子的动能、动量为多少？由动量守恒定律：由动量守恒定律：3)反冲电子动量反冲电子动量解得解得xyo三三、电子偶效应电子偶效应光与物质相互作光与物质相互作用的基本形式用的基本形式光电效应光电效应康普顿效应康普顿效应电子偶效应电子偶效应1.高能光子与重元素原子核相撞，转变为电子偶高能光子与重元素原子核相撞，转变为电子偶实验实验能量守恒能量守恒（忽略重原子核反冲动能）（忽略重原子核反冲动能）条件：条件：2.正负电子相遇时湮灭、产生两个光子正负电子相遇时湮灭、产生两个光子实验：实验：能量守恒：能量守恒：若若则则P.151：美国：美国 柯温、赖因斯柯温、赖因斯 用电子偶湮灭过程成功证实中微子的存在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：年诺贝尔物理奖：介绍介绍*光与物质三种相互作用比较光与物质三种相互作用比较光电效应光电效应康普顿效应康普顿效应电子偶效应电子偶效应光子光子产生产生湮灭湮灭可见光、可见光、紫外线紫外线软软 X 射线射线硬硬 X 射线、射线、射线射线物质物质粒子粒子束缚电子束缚电子自由电子、自由电子、弱束缚电子弱束缚电子重原子核重原子核自由正负自由正负电子电子物理物理过程过程完全非弹性完全非弹性碰撞；碰撞；光子被吸收，光子被吸收，电子逸出。电子逸出。弹性碰撞；弹性碰撞；光子被散射，光子被散射，电子反冲电子反冲光子转化为光子转化为电子偶电子偶电子偶转化电子偶转化为光子对为光子对吸收系数吸收系数(cm-1)10-310-210-110010110-210-1100光子能量光子能量(MeV)光光电电效效应应康普顿效应康普顿效应电子偶效应电子偶效应四、光的波粒二象性四、光的波粒二象性爱因斯坦爱因斯坦论我们关于辐射本质和组成观点的发展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，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，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。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，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。述辐射的量子结构的数学理论。”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）粒子性：粒子性：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、电子偶效应）（光电效应、康普顿效应、电子偶效应）单纯用单纯用波动波动粒子粒子均不能完整地描述光的性质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：既不是经典波，又不是经典粒子光子：光子：用量子力学描述用量子力学描述光子的量子力学模型光子的量子力学模型振幅越大，表示光子数越多，振幅越大，表示光子数越多，光子到达该处概率越大光子到达该处概率越大 概率波。概率波。“波粒二象性波粒二象性”借用经典借用经典“波波”和和“粒子粒子”术语，但术语，但既不是经典波，又既不是经典波，又不是经典粒子。不是经典粒子。第三节第三节 氢原子光谱氢原子光谱 玻尔理论玻尔理论经典物理在解释经典物理在解释热辐射热辐射上的困难上的困难 普朗克能量子论普朗克能量子论 1900年年经典物理在解释经典物理在解释光电效应光电效应上的困难上的困难 爱因斯坦光量子论爱因斯坦光量子论 1905年年经典物理在解释经典物理在解释氢光谱氢光谱上的困难上的困难 玻尔氢原子理论玻尔氢原子理论1913年年旧旧量量子子论论半经典、半量子过渡性理论，已被量子力学所取代。半经典、半量子过渡性理论，已被量子力学所取代。玻尔氢原子理论玻尔氢原子理论在物理学史上曾起重要作用。在物理学史上曾起重要作用。自学要点：自学要点：氢光谱的实验规律氢光谱的实验规律 经典物理遇到的困难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玻尔氢原子理论及其对氢光谱实验规律的解释 对应原理对应原理 夫兰克夫兰克赫兹实验如何证实了原子能级的存在赫兹实验如何证实了原子能级的存在 主要概念：主要概念：能级：能级：原子体系只能处于一系列具有不连续能量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）的稳定状态（定态）跃迁：跃迁：原子体系在两个定态之间发生跃迁时，要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：发射或吸收光子，其频率由两定态的能量差决定：里德伯常数里德伯常数 RH=1.0967758107 m-1里德伯公式里德伯公式 氢原子光谱的普遍公式氢原子光谱的普遍公式赖曼系赖曼系(紫外紫外)巴尔末系（可见光）巴尔末系（可见光）帕邢系帕邢系(红外红外)布喇开系布喇开系(远红外远红外)n ,该谱线系的线系限（波长最短的谱线）该谱线系的线系限（波长最短的谱线）普方德系普方德系(远红外远红外)