1、一 实验规律 1922 23年康普顿研究了X射线在石墨上的散射 19 2康普顿效应 光阑 探测器 0 散射波长 0 0 散射曲线的三个特点 1 除原波长 0外 出现了移向长波方向的新的散射波长 2 新波长 随散射角 的增大而增大 3 当散射角增大时 原波长的谱线强度降低 而新波长的谱线强度升高 散射出现了 0的现象 称为康普顿散射 二 经典物理遇到的困难 经典物理无法解释康普顿效应 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 三 用光子论解释康普顿效应 1 基本思想 X射线 光子流 与散射物质相互作用情况与
2、散射物质种类无关 m M 光子能量不变 瑞利散射 光子能量减少 电子反冲 原子量越小物质发生第二种碰撞概率越大 康普顿效应显著 同一散射角下随散射物质的变化 2 定量计算 光子能量 自由电子热运动能量 光子 电子 碰撞前 碰撞后 建立方程 动量守恒 由能量守恒 质速关系 余弦定理 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 康普顿公式 理论结果与实验相符 只与有关 康普顿 A H Compton 美国人 1892 1962 这个发现 在当时的物理学家中引起轰动 这可能是当前物理学现状中能够作出的最重要的发
3、现 索末菲 康普顿获1927年诺贝尔物理奖 例题在康普顿效应中 入射光的波长为3 10 3nm 电子反冲的速度为0 6c 求散射光的波长和散射角 3 10 3nm v 0 6c m0 9 1 10 31kg h 6 63 10 34J s c 3 108m s 解 解 1 2 反冲电子动能即光子损失的能量 例题 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 19 3微观粒子的波动性 一 经典粒子与经典波 经典粒子的特点 定域性 排他性 经典波的特点 广延性 可叠加性 二 德布罗意物质波假设 基本思想 自然界是对称统一的 光与实物粒子应该有共同的本性 整个
4、世纪以来 在辐射理论上 比起波动的研究方法来 是过于忽视了粒子的研究方法 在实物理论上 是否发生了相反的错误呢 是不是我们关于粒子图象想得太多 而过分地忽略了波的图象呢 德布罗意 L V deBroglie法国人 1892 1987 回顾 光的本性的两个不同侧面 波动性 表现在传播过程中 干涉 衍射 粒子性 表现在与物质相互作用中 光电效应 康普顿效应 无法用经典语言 波动或粒子 准确建立光的模型 光的量子理论模型 光子 借用经典 波 和 粒子 术语 但既不是经典波 又不是经典粒子 具有 波粒二象性 人类对光的本性的认识过程启发了德布罗意 1924 11 29德布罗意把题为 量子理论的研究 的
5、博士论文提交给了巴黎大学 与粒子相联系的波称为物质波 或德布罗意波 一个能量为E 动量为p的实物粒子 同时 他在论文中指出 关系与光子一样 德布罗意关系 也具有 它的波长 频率 和E p的 波动性 简洁地把对粒子描述手段 联系到一起 和对波的描述手段 德布罗意的导师朗之万把德布罗意的论文寄给 揭开了自然界巨大帷幕的一角 看来疯狂 可真是站得住脚呢 论文获得了评委会的高度评价 了爱因斯坦 爱因斯坦称赞德布罗意的论文 经爱因斯坦的推荐 物质波理论受到了关注 物质波数量级概念 子弹 地球 宏观物质 均太小 难以觉察其波动特性 U 150V时 0 1nm 电子的波长 设加速电压为U 单位为伏特 X射线
6、波段 电子v c 在论文答辩会上 佩林问 这种波怎样用实验来证实呢 德布罗意答道 用电子在晶体上的衍射实验可以做到 三 德布罗意波的实验验证 戴维孙 革末实验 1923年 用电子散射实验研究镍原子结构 1925年 实验曲线反常 出现若干峰值 当时未和衍射联系起来 1926年 了解德布罗意物质波假设 1927年 有意识寻求电子波实验依据 2 3个月出成果 观察到电子衍射现象 布拉格公式 镍晶 用德布罗意理论 当满足2dsin n n 1 2 3 时 应观察到电流I为极大 当 2C 3C 时 实验观察到I为极大 G P 汤姆孙实验 1927 电子通过金多晶薄膜衍射 1929年德布罗意获诺贝尔物理奖 1937年戴维孙 G P 汤姆孙共获诺贝尔物理奖 约恩孙 Jonsson 实验 1961 电子单 双 三 四缝衍射实验 质子 中子 原子 分子 也有波动性 练习 设光子与电子的德布罗意波长均为 试比较其动量和能量大小是否相同 又 注意 电子物质波波速u 电子运动速率v 波的相速度 对物质波而言 它没有相对论中所言及的能量 信息等的传播速度的物理意义 所以与c是自然界的极限速率不矛盾 思考 是否与c是自然界的极限速率矛盾 分辨本领 显微镜 D不会很大 所以电子显微镜分辨本领很高 可观察物质的微观结构
