【文章內(nèi)容簡介】 1905）： ▲ 電磁輻射由以光速 c 運動的局限于空間某一 ▲ 光量子具有 “ 整體性 ” ： 小范圍的光的能量子單元 — 光子 所組成， 42 ? 二 . 光子理論對光電效應(yīng)的解釋 Ahm m ?? ?221 v (eUc) (eK? ) (eU0) A：逸出功 光強(qiáng) ?hNI ?? N：光子數(shù)流通量 一束光就是以速率 c 運動的一束光子流。 一個光子將全部能量交給一個電子， 電子克服金屬對它的束縛，從金屬中逸出。 ▲ I ??N ??單位時間打出光電子多 ? im ? ▲ 光子打出光電子 是瞬時發(fā)生的 43 光量子 假設(shè)解釋了光電效應(yīng)的全部實驗規(guī)律！ 但是光量子理論在當(dāng)時并未被物理學(xué)界接受！ ▲ h? A 時才能產(chǎn)生光電效應(yīng)， 所以存在： hA?0?紅限頻率 普朗克在推薦 愛因斯坦為柏林科學(xué)院院士時說 不發(fā)生光電效應(yīng)， 當(dāng) ? A/h時， “ 光量子假設(shè)可能是走得太遠(yuǎn)了。 ” 44 Ahm m ?? ?221 v0eUeKeU c ?? ?eKh ?1916年 密立根 （ ） 做了精確的光電效應(yīng) 實驗， 利用 Uc—? 的直線斜率 K， 這和當(dāng)時用其他方法定出的 h符合得很好。 從而進(jìn)一步 證實了 愛因斯坦的光子 理論。 盡管如此， 密立根還是 認(rèn)為 光子 理論是完全站不住腳的。 被人們接受是相當(dāng)困難的。 可見，一個新思想要 定出 h = ?。 45 密立根 由于研究 基本電荷和 光電效應(yīng) ，特別是通過著名的油滴實驗，證明電荷有最小單位， 獲得 1923年諾貝爾物理學(xué)獎 1868 — 1953 愛因斯坦 由于 對 光電效應(yīng) 的理論解釋和對 理論物理學(xué) 的貢獻(xiàn)， 獲得1921年諾貝爾物理學(xué)獎 1879 — 1955 46 普朗克是該雜志的主編，他對愛因斯坦的工作給予了高度的評價 在普朗克獲博士學(xué)位五十周年紀(jì)念會上普朗克向愛因斯坦頒發(fā)普朗克獎?wù)? 47 三 .光的二象性 （ dualism） 波動性特征： 粒子性特征： 波長大或障礙物小 →波動性突出 波長小或障礙物大 →粒子性突出 統(tǒng)一于概率波理論 ??、pmE 、?hE ?2chm ???? hchp ??光作為電磁波是彌散在空間而連續(xù)的 光作為粒子在空間中是集中而分立的 48 光子在某處出現(xiàn)的概率由光在該處的強(qiáng)度決定， 光子各向輻射等概率 21rI ?r 點光源 單縫衍射 I大，光子出現(xiàn)概率大； I小，光子出現(xiàn)概率小。 光子是分立的，光強(qiáng)分布可以是連續(xù)的。 49 波面被分割，不表示光子被分割， 光子通過 1縫的 概率 正比于 I1 ， 1 2 I1 I2 雙縫實驗 光子通過 2縫的 概率 正 比于 I2 。 光子在某處出現(xiàn)的概率和該處光振幅 的平方成正比。 50 一 .實驗規(guī)律 1922?23年康普頓研究了 X射線在石墨上的散射 167。 康普頓效應(yīng) （ Compton effect） 光闌 X 射線管 探 測 器 X 射線譜儀 晶體 ?0 散射波長 ?,?0 石墨體 (散射物質(zhì) ) j ? ? ?0 51 散射曲線的三個特點： 1. 除原波長 ?0外，出現(xiàn)了 移向長波方面的新的散射波 長 ? 。 ? 隨散射角 j 的 增大而增大。 ，原波 長的譜線強(qiáng)度降低，而新波 長的譜線強(qiáng)度升高。 散射出現(xiàn)了 ?≠?0的現(xiàn)象， . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . o （ A） 波長 . . . . . . . o0?jo45?jo90?jo135?jMo， K? 稱為 康普頓散射。 52 = ?103nm（實驗值） 只有當(dāng)入射波長 ?0與 ?c可比擬時 ， 康普頓 實驗表明： )c o s1( j?? ??? c2s i n2 2 j? c??c 稱為電子的 康普頓波長 ?c = 新散射波長 ? 入射波長 ?0， 和散射物質(zhì)無關(guān)。 波長的偏移 ?? =? ??0 只與散射角 j 有關(guān)， 實驗規(guī)律是： 效應(yīng)才顯著， 因此要用 X射線才能觀察到。 53 康普頓用 光子理論 做了成功的解釋： ▲ X射線光子與 “ 靜止 ” 的 “ 自由電子 ” 彈性碰撞 ▲ 碰撞過程中能量與動量守恒 二 .康普頓效應(yīng)的理論解釋 經(jīng)典電磁理論難解釋為什么有 ?≠?0的散射， 碰 撞 ?光子把部分能量 傳給電子 外層電子束縛能 ~ eV, 室溫下 kT~102eV，） （ 波長 1197。的 X射線 ，其光子能量 ? ? 104 eV， e 自由電子 （ 靜止 ） 0?hv?m?j m0 h? ? 光子的能量 ? ? 散射 X射線 頻率 ? 波長 ? 54 2200 mchcmh ??? ??v??? mechech ?? ?? 00220 /1/ cmm v??能量守恒 動量守恒 反沖電子質(zhì)量 解得： )c o s1( j? ??ce 000 echp ?? ?? echp ?? ??v?m?j m0 自由電子（靜止） )c o s1(000 j????? ??????? cmhcc m831340 ????????cmhc?= 2 .43?103nm （理論值） 55 這是因為光子還可與石墨中被原子核束縛 為什么康普頓散射中還有原波長 ?0 呢 ？ 光子和整個原子碰撞。 內(nèi)層電子束縛能 103~104eV，不能視為自由， 而應(yīng)視為與原子是一個整體。 所以這相當(dāng)于 光子原子 mm ??∵ 即 散射光子波長不變， 散射線中還有與原波 ∴ 在彈性碰撞中，入射光子幾乎不損失能量， 得很緊的電子發(fā)生碰撞。 長相同的射線。 56 因為自由電子若吸收光子，就無法同時滿足 1. 為什么康普頓效應(yīng)中的電子不能像光電效應(yīng) 三 . 討論幾個問題 違反相對論 ！ ∴ 自由電子 不可能吸收光子， 只能散射光子。 c?? v 自由電子吸收光子 2200 mccmh ???000 emech ?? v??220 /1/ cmm v??2211ccvv???那樣吸收光子而是散射光子？ 能量守恒和動量守恒。 57 2. 為什么在光電效應(yīng)中不考慮動量守恒？ ∴ 光子 ? 電子系統(tǒng)能量仍可認(rèn)為是守恒的。 在光電效應(yīng)中，入射的是可見光和紫外線， 光子能量低，電子與整個原子的聯(lián)系不能忽略， 原子也要參與動量交換， 光子 ? 電子系統(tǒng)動量 不守恒。 又因原子質(zhì)量較大，能量交換可忽略， 3. 為什么可見光觀察不到康普頓效應(yīng)？ 因可見光光子能量不夠大，原子內(nèi)的 電子不 能視為自由， 所以可見光不能產(chǎn)生康普頓效應(yīng)。 58 四 . 康普頓散射實驗的意義 ▲ 支持了 “光量子” 概念，進(jìn)一步證實了 ▲ 首次實驗證實了愛因斯坦提出的 “光量子 ▲ 證實了 在微觀領(lǐng)域的單個碰撞事件中 ， 動量和能量守恒定律仍然是成立的 。 康普頓 獲得 1927年諾貝爾物理學(xué)獎。 p = ? /c = h? /c = h /? ? = h? 具有動量” 的假設(shè) 59 康普頓 （ A. ) 美國人 (18921962） 60 1925?26年他用銀的 X射線（ ?0 = ） 五 . 吳有訓(xùn)對研究康普頓效應(yīng)研究的貢獻(xiàn) 吳有訓(xùn) 192